江苏省实现高比例光伏发电发展路径研究

2024-01-30曹炜

油气与新能源 2023年6期

曹炜

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司

0 引言

中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，为可再生能源发展提供了根本遵循［1］。在国家能源转型战略的引领和可再生能源相关政策的驱动下，中国可再生能源发展进入了提速期。截至2021年底，中国可再生能源累计装机规模达10.63×108kW，占全国电力装机的44.8%，其中水电、风电和光伏发电装机规模均位列世界第一，发电量占全社会用电量比重达29.8%［2］。

受能源消费基数大、能源资源禀赋少、总体产业结构重等省情限制，江苏省能源发展面临的挑战非常严峻［3］。风电、光伏发电等间歇性电源存在波动性和反调峰特性，对江苏省电力系统发展提出了更高的要求［4］。此外，国家能源局提出要推动风电、光伏发电高质量跃升发展［5］，并提出要逐年提高可再生能源发电量占全社会用电量的比重，因此，在“十四五”及今后一段时期，如何推动光伏等可再生能源规模化、高比例发展，值得深入研究和探讨。

本文通过分析江苏省光伏发电资源禀赋情况、装机及产业情况，总结目前发展存在的问题，建立江苏省光伏发电发展估算模型，对江苏省“十四五”及中长期光伏发电发展情景开展研究。

1 江苏省光伏发电发展情况

1.1 资源禀赋

1.1.1 主要资源特征

江苏省日照分布的基本特征是北部和中部日照较多、南部较少，整体春夏日照多于秋冬，太阳辐射年总量按纬向分布，南北差异不大［6］。江苏省年辐射变化范围在4 200～5 400 MJ/m2，日照小时数在1 900～2 500 h。其中，连云港一带年总辐射达5 400 MJ/m2以上，大部分地区日照小时数在2 300～2 500 h；盐城、宿迁、徐州地区年总辐射基本在4 800～4 900 MJ/m2，日照小时数在2 100～2 300 h；南通、扬州、泰州及淮安等年总辐射在4 600～4 800 MJ/m2，大部分日照小时数在2 000～2 200 h；苏南五市（南京，苏州，无锡，常州，镇江）大部分地区年总辐射在4 200～4 500 MJ/m2，大部分日照小时数在1 900～2 100 h，日照小时数较少。

1.1.2 资源潜力测算

资源潜力测算以土地面积为主要因素对光伏发电发展潜力进行测算，包括江苏省内各类建筑物屋顶、池塘养殖水面、农业大棚等的面积。基于电源引领电网发展的策略，在资源潜力测算过程中暂不考虑电网接入和消纳等因素。

1.1.2.1 集中式光伏发电开发潜力

考虑到江苏省地少人多、未利用地缺乏的特点，江苏省内集中式光伏发电资源主要为“渔光互补”和“农光互补”，可以表示为：

式中：Wa——集中式光伏装机潜力，kW；a——可用土地资源供给面积，m2；kc——单位面积集中式光伏可开发比例；F——单位面积集中式光伏可装机容量，MW/km2。

根据苏发改农经发（2017）71 号《江苏省“十三五”渔业发展规划》及《2021 中国渔业统计年鉴》，2020年江苏省水产养殖面积约为7 300 km2，标准化池塘占池塘养殖面积比重达60%，即省内可开发利用的池塘养殖面积约为4 380 km2。以可用池塘养殖资源比例20%、单个池塘开发面积占比90%、单位面积光伏装机容量75 MW/km2计，“渔光互补”理论装机面积可达788.4 km2，“渔光互补”理论光伏发电开发潜力可达5 913×104kW［7-8］。

根据农业部农业机械化管理司《2021年全国农业机械化发展统计公报》统计数据，江苏省设施农业总面积为3 380.29 km2，其中连栋温室面积为179.82 km2，日光温室面积为254.35 km2，塑料大棚面积为2 946.12 km2。测算中，连栋温室、日光温室及塑料大棚均以单层计算，以可用大棚资源比例10%、大棚开发面积占比100%、单位面积光伏装机容量75 MW/km2计，全省“农光互补”理论装机面积可达338 km2，“农光互补”理论光伏发电开发潜力可达2 535×104kW。

1.1.2.2 分布式光伏发电开发潜力

分布式光伏资源包括居民屋顶分布式、工商业屋顶分布式及公共建筑屋顶分布式3 类，其公式可表示为［6］：

式中：Wb——分布式光伏装机潜力，kW；Jm——可用屋顶资源供给面积，m2；β——单位面积分布式光伏可开发比例；N——单位面积分布式光伏装机容量，kW/m2。

居民屋顶分布式光伏开发潜力：根据《江苏统计年鉴2020》［9］，江苏省城镇人均现住房建筑面积47.5 m2，农村人均现住房建筑面积61.7 m2，城镇人口5 698.23×104人，农村人口2 371.77×104人，综合测算城镇和农村可利用屋顶面积约为7.58×108m2。综合考虑，以区域分布式光伏可用土地资源比例10%、单位面积分布式光伏装机容量0.2 kW/m2计，全省居民屋顶分布式光伏理论装机面积可达7 580×104m2，居民屋顶分布式光伏理论开发潜力可达1 516×104kW。

工商业屋顶分布式光伏开发潜力：根据住房和城乡建设部发布的《2020年城市建设统计年鉴》，江苏省商业服务业设施用地面积366.47 km2，工业用地面积1 016.18 km2。按照区域分布式光伏可用土地资源比例14%、单位面积分布式光伏装机容量0.2 kW/m2计，全省工商业屋顶分布式光伏理论装机面积可达196.07 km2，理论开发潜力可达3 921×104kW［10］。

公共建筑屋顶分布式光伏开发潜力：根据《2020年城市建设统计年鉴》，江苏省公共管理与公共服务用地面积361.54 km2，公共设施用地面积105.78 km2。以区域分布式光伏可用土地资源比例10%、单位面积分布式光伏装机容量0.2×104kW计，全省公共建筑屋顶分布式光伏理论装机面积可达46.73 km2，理论开发潜力可达935×104kW［10］。

综上，仅考虑“渔光互补”、“农光互补”、居民屋顶分布式及工商业屋顶分布式等主要发展模式，江苏省光伏发电潜力可达1.48×108kW。

需要说明的是，以上发展潜力测算主要基于全省各类宏观指标推算，具体规模测算需根据各地地形地貌、国土用地属性，再排查生态红线等敏感因素、避开城镇建设区和规划重要公共基础设施用地等情况后进行详细规划和测算。此外，江苏省还拥有广阔的海域和大量的滩涂面积，可实现光伏发电装机规模的进一步提高。

1.2 发展水平

江苏省以发展可再生能源作为调整能源结构、推动能源转型的主攻方向，光伏发电等可再生能源装机规模不断扩大，推动了全省的能源结构转型。

1.2.1 装机规模持续扩大

2021年，全省新增光伏发电装机232×104kW，截至2021年底，全省光伏发电累计装机规模1 916×104kW，位居全国第三，占全部可再生能源装机的43.2%，占全省装机总量的12.4%。其中，集中式光伏发电并网装机941.1×104kW，分布式光伏并网装机974.9×104kW。

1.2.2 替代作用日趋明显

2021年，全省光伏发电量达195.3×108kW·h，占全部可再生能源发电量的26.2%，占全省发电量的3.3%，占全社会用电量的2.8%。其中，集中式光伏发电量达118×108kW·h，分布式光伏发电量达77.3×108kW·h。2021年，全省光伏平均利用小时数1 097 h，相比上年度提高46 h。

1.2.3 环境效益持续提升

根据GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》等，2021年江苏省光伏发电量相当于节约571.8×104tce，减排二氧化碳1 441.2×104t，减排二氧化硫、烟尘和氮氧化物分别为2 335.6 t、667.3 t和3 336.6 t，减排汞及其化合物约2 002 kg，环境效益十分显著。

1.2.4 产业规模持续领先

江苏省在光伏制造业规模、产业化技术水平、应用市场拓展、产业体系建设等方面均位居全国前列，拥有重点光伏制造企业400 余家。2020年省内硅片、晶硅电池以及晶硅组件等产量分别约占全国总产量的38.5%、38.8%和49.1%，产业集聚效应明显［11］。

1.3 存在问题

随着光伏发电技术进步和产业化步伐的加快，江苏省光伏发电装机规模大幅提高，展现出良好的发展前景，但随着应用规模的不断扩大，在发展过程中也面临诸多挑战。

1.3.1 土地资源约束趋紧

光伏发电长期受到土地资源、生态红线、水利、林业、海域使用等因素制约，随着生态文明建设要求的不断提升，集中式光伏发电等可再生能源在土地资源等方面约束进一步趋紧，存在项目找地难、落地难、推进难等情况，发展空间受到一定限制。

1.3.2 光伏消纳压力增大

受土地和可再生能源资源特性制约，江苏省可再生能源电力生产与省内负荷消纳呈逆向分布［12］，省内99%以上的风电和66%以上的光伏发电分布在长江以北地区，约60%的负荷分布在长江以南地区。省内电源侧调峰资源潜力有限，抽水蓄能调峰资源匮乏，过江通道输送能力偏弱，辅助服务市场机制尚未完善，电源灵活调节能力不足，导致省内可再生能源消纳压力增大，局部地区、局部时段存在一定的消纳问题［13］。

1.3.3 经济竞争力有待提高

全省集中式光伏发电开发利用的技术成本虽已大幅下降，但非技术成本仍然较高［14］，特别是考虑增配电化学储能的情况下，叠加电网调峰等问题，光伏发电的竞争力相比化石能源仍然偏弱，整体成本仍然偏高。

2 高比例光伏发电发展情景研究

2.1 研究思路

综合考虑能源、电力等发展情况，建立多区域、多维度的江苏省光伏发电发展估算模型（见图1），采取目标回溯及趋势外推等多种方法相结合，对江苏省“十四五”及中长期光伏发电发展进行情景分析，科学测算江苏省光伏发电发展规模。

2.2 研究流程

2.2.1 目标回溯法

基于2021—2030年江苏省非化石能源占一次能源比重提升程度、国家拟下达给江苏省的逐年可再生能源电力消纳责任权重和非水电可再生能源电力消纳责任权重等目标，考虑2021—2030年省内煤电、气电、核电等各类电源增长情况，风电、光伏等不可控电源所需的调峰情况，以及省外跨区输电情况，结合全省电力平衡约束，测算得出“十四五”及中长期光伏发电装机规模。

2.2.2 趋势外推法

趋势外推法通常用于预测对象的发展规律是呈渐进式的变化，而不是跳跃式的变化，并且能够找到一个合适函数曲线反映预测对象变化趋势的情况。据此，以2011—2021年江苏省集中式和分布式光伏装机数据为基础，分别测算得出2025年和2030年江苏省光伏发电发展的高、中、低3 种方案。

2.3 主要参数

2.3.1 全社会用电量

预计“十四五”时期，江苏省全社会用电量将保持4%～5%的增幅，“十五五”时期用电量增速将逐渐减小，保持1%～2%的增幅。

随着300 MW 及以下机组的逐步退役和百万千瓦超超临界发电机组的增加，预计2025年，江苏省单位千瓦供电煤耗将降至约290 g/ kW·h，2030年可降至285 g/kW·h。

2.3.2 年利用小时数

1.3.2 前屋面覆盖物：棚膜选用透光好的长寿、无滴膜。棚膜外的覆盖物为草苫，每片草苫厚度要达到5厘米。为了加强保温，在草苫下加几层纸被，也可用双层苫。一般情况下，一层草苫可增温10℃，4～6层复合纸被增温7℃。所以说纸被的保温效果不如草苫。

根据江苏省可再生能源实际发电情况，考虑技术进步等，以省内“十四五”及中长期陆上风电年利用小时数2 000～2 200 h、海上风电2 600～3 000 h、集中式光伏发电1 000～1 400 h、分布式光伏发电850～1 100 h、生物质发电5 000 h 等情况测算可再生能源装机及发电量。

2.3.3 单位千瓦投资

综合考虑技术进步、钢材价格等因素，预计到2025年、2030年，江苏省陆上风电造价将分别降至6 500 元/kW、6 000 元/kW，海上风电造价将分别降至11 000 元/kW、8 000 元/kW，光伏发电造价将分别降至3 500 元/kW、3 000 元/kW。考虑到生物质资源禀赋，预计2025年后，江苏省生物质发电装机增量将减少，装机保持稳定。

2.4 研究结果

综合运用目标回溯法和趋势外推法，考虑各类预测模型的特性，以及电网消纳对风电和光伏的约束条件，最终得出高、中、低3 种方案：预计到2025年，按高、中、低3 种方案全省光伏发电装机将分别达4 200×104kW、3 800×104kW 和3 500×104kW，预计到2030年，全省光伏发电装机将分别达6 000×104kW、5 000×104kW 和4 500×104kW。

从规模测算结果中可以看出，“十四五”时期，江苏省光伏发电应达到消纳责任权重所要求的最低值，即3 500×104kW，同时发展规模预计在3 500×104～4 200×104kW；“十五五”时期应达到2030年消纳责任权重所要求的最低值，即约4 500×104kW，发展规模预计在4 500×104～6 000×104kW。

在以上测算发展规模条件下，预计到2025年，全省光伏发电量将达365×108kW·h，占全社会用电量的4.6%，相当于节约1 059×104tce，减少二氧化碳排放量2 639×104t，预计到2030年，全省光伏发电量将达660×108kW·h，占全社会用电量的7.3%，相当于节约1 914×104tce，减少二氧化碳排放量4 772×104t，可以看出，环境效益十分显著。

3 高比例光伏发电发展路径研究

3.1 优化光伏发电发展方式

3.1.1 加快大型光伏基地建设

充分发挥大基地“集团军”和“主力军”作用，有力有效支撑光伏发电跃升发展。结合生态立体土地综合利用，充分发挥光伏发电与农林牧渔业发展协同优势，依托农业种植、渔业养殖、生态修复等，因地制宜利用垦区农场、采煤塌陷区、沿海滩涂、养殖鱼塘、农业大棚、山地丘陵等空间资源，开展集中式光伏电站建设。在太阳能资源禀赋较好、建设条件优越、具备持续整体开发条件的地区，因地制宜优化推进“光伏+”基地化开发。鼓励推广“光伏+”生态旅游、光伏特色小镇等，促进光伏与农业、渔业等多种产业有机融合，扩展集中式光伏发电发展空间。

3.1.2 推进整县屋顶光伏开发

充分发挥江苏省屋顶资源丰富和光伏产业发展良好基础优势，高标准规划、高质量建设、高效率推进屋顶分布式光伏集约化开发，围绕党政机关、公共建筑、工商业以及居民户用等各类屋顶资源进行整体设计，系统推进城区、园区、镇街和农村光伏发电规模化应用，重点在各类经济开发区、工业园区、机关学校等公共建筑屋顶整体规模化推进分布式光伏发电建设，鼓励建设和发展与建筑一体化的分布式光伏发电系统，鼓励居民社区、家庭和个人发展户用光伏系统，支持农居连片进行光伏发电应用开发改造，推动光伏发电入社区、进家庭。

3.1.3 创新光伏发电应用场景

一是开展光伏廊道示范，重点利用铁路边坡、高速公路、主干渠道、园区道路和农村道路两侧用地范围外的空闲土地资源，推进分布式光伏开发建设。二是推动光伏与海上风电创新示范，江苏省陆地面积有限，向海发展是中长期光伏发电发展的必然，将海上光伏与海上风电的创新融合，实现规模化的光伏发电建设。三是加强光伏发电与新型用能设施融合，通过在数据中心、5G 基站等开展分布式光伏发电建设，提升可再生能源电力消费，实现能耗节约和电力供应保障。四是推动分布式光伏发电复合发展，推动分布式光伏与储能、微电网等融合发展。在城市商业体、综合体、大型公交站开展分布式光伏发电与电动汽车、充电桩等相结合的光储充一体化建设。

3.2 创新光伏发电政策机制

3.2.1 建立电力消纳保障机制

建立健全可再生能源电力消纳保障机制，强化可再生能源电力消纳责任权重引导，鼓励优先生产和消费光伏等可再生电量，促使售电企业和电力用户等市场主体优先消纳可再生能源电力，公平承担消纳可再生能源电力的义务，形成可再生能源电力消费引领的长效发展机制，为可再生能源健康可持续发展提供制度性保障[10]。

3.2.2 强化光伏土地支持保障

加强光伏发电发展与国土空间规划等总体规划的衔接和配合，完善光伏发电复合用地政策，合理保障光伏发电建设用地用海需求，提升光伏发电空间资源利用效率和利用水平。

3.2.3 深化新能源放管服改革

进一步探索和完善可再生能源项目特别是分布式可再生能源的投资管理及电网接入流程，建立简便高效的光伏项目备案流程。探索对于暂时未取得土地使用证、房产证等的项目，采用承诺制、容缺审批等方式实施备案：属于集体产权的，在确保产权清晰、不产生纠纷的前提下，以产权方书面说明或相关租赁合同等文件代替相关产权文件；对于依托构筑物建设的，在满足荷载、安全的条件下探索直接备案，提升服务水平。

3.3 构建新型电力消纳机制

3.3.1 逐步构建新型电力系统

一是增强系统调峰能力，优先发展调峰发电项目，大力度实行煤电深度调峰改造，因地制宜发展抽水蓄能，推动新型储能发展应用。二是加强电网规划建设，完善和优化500 kV、220 kV 主干输电网络，加强110 kV 及以下配电网，充分发挥电力系统在实现高比例可再生能源发展中的资源配置作用［15］。三是优化需求响应能力，加强电力需求侧管理，完善需求响应运营机制，提升区域电网资源优化配置作用。

3.3.2 着力推动消纳模式创新

探索建设新一代电网友好型可再生能源电站，合理确定光储配比，探索和完善可再生能源配置储能的市场化商业模式和共享共建模式，提高可再生能源系统的稳定性和电网友好性，保障可再生能源高效消纳利用。推广综合能源服务模式，建设以智能终端和能源灵活交易为主要特征的智能楼宇、智能园区和智能工厂，推广电动汽车V2G（车网互动）充换电设施，构建各类用能终端灵活融入、智能调控、能源互联的微平衡系统，促进光伏等可再生能源消纳利用。

3.3.3 强化源网荷储一体发展

重点在消纳条件好、发展潜力大、渗透率高的地区，推进以可再生能源为主、分布式电源多元互补、与储能、氢能等深入融合的新能源微电网、多能互补、“源网荷储一体化”等能源新业态，增强与电网的友好互动，实现源、网、荷、储的深度协同，探索电力能源服务的新型商业运营模式，提高能源综合利用效率，建立多源融合、供需互动、高效配置的能源生产和消费模式。

3.4 完善市场化发展新机制

3.4.1 完善电力市场交易机制

推动光伏等可再生能源与电力消纳责任主体、高耗能用户签订多年长期购售电协议，推动电力用户直接购买可再生能源，形成可再生能源与传统电源公平竞争的市场机制，逐步扩大绿色电力参与市场化交易比重。

3.4.2 健全绿色能源消费机制

完善可再生能源绿色电力证书交易制度，强化绿证的绿色电力消费属性，做好可再生能源电力消纳保障机制与绿证交易机制、电力现货市场机制等的衔接，积极引导绿色能源消费，鼓励积极开展绿证交易，推动建立绿证市场化价格形成机制。

3.5 提升产业创新发展能力

3.5.1 加快光伏发电技术创新

鼓励支持企业加大研发创新投入，突破适用布局江苏的颗粒硅等高效低耗硅料技术，升级钝化发射极集和背面电池（PERC）技术，加快N 型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）、异质结（HJT）电池等技术进步，积极支持研发创新钙钛矿等晶体硅之外的新型电池技术。突破金刚线线体材料制造、丝网材料、低温银浆用银粉制备、背板内层材料氟碳涂层等关键技术，研发与技术升级迭代配套的逆变器用绝缘栅双极型晶体管元器件，大力推动大尺寸高功率、半片、叠瓦、叠片、多主栅组件制造。

3.5.2 做优做强光伏发电产业

实施可再生能源产业强链工程。推动核心技术自主化，加力打造一批“链主企业”“隐形冠军”，推动形成更加完备、更富活力、更趋精密的光伏装备产业链。推进单晶行业转型，深入研究更高效率、更低成本的新型组件产业化关键技术，推动废旧光伏组件回收处理技术及新产业链发展，提升光伏企业竞争力。

3.5.3 强化创新支撑体系建设

充分整合江苏省省内外科研院所、高校、企业等创新资源，建立健全江苏省省内骨干光伏企业、国家重点实验室、高等院校、科研院所联合研发攻关机制，构建以国家战略科技力量为引领、企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的光伏发电技术创新体系，实现共性技术共研共享。推动创建国家级和省级产业创新中心、技术创新中心、工程研究中心等，鼓励建设共性技术研发、检验检测等公共服务平台。吸引相关领域高端人才集聚，促进前沿技术成果转化，推动产业创新发展。