在碳中和、碳达峰的背景下，我国亟需通过能源结构调整与构建新型电力系统以实现快速转型。光伏发电是近年来广受关注的可再生能源，很可能是我国未来的重要能源。本期我们邀请了清华大学环境学院鲁玺老师，对光伏发电原理、发展与前景进行分享。
在碳达峰、碳中和的“双碳”背景下，中国正面临能源结构调整与大气污染防治的双重挑战，太阳能发电的内在优势将为能源转型与源头治污提供契机。太阳能发电和传统化石能源相比，具有清洁、安全、低碳、潜力大等优势，太阳能取代传统化石能源发电将在“双碳”目标的实现中发挥重要作用。
光伏发电的基本原理为半导体材料的光生伏特效应，能够将太阳辐射转化为电能。具体而言，主流光伏晶硅材料电池由P型半导体和N型半导体构成，两者分别在纯硅中掺杂硼原子和磷原子。当两者接触时，接触面（P-N结）会形成电势差。当太阳光照射到P-N结后，将会产生空穴-电子对，在内在电势差的作用下，电子将由P型半导体向N型半导体移动，产生电流。
（引自《太阳能光伏发电系统设计施工与应用》，人民邮电出版社，作者:李钟实，出版年份：2012，国际标准书号ISBN：978-7-115-29091-5）
太阳能光伏发电在中国实现碳中和目标中的关键作用，已成为广泛共识。九游体育官方网站预计到2060年，光伏装机容量将至少增加14倍以上。在制造端和应用端，我国光伏发电产业都具有领先优势。在光伏产业制造方面，2020年我国多晶硅产量、组件产量占到全球的67%和71%，连续十年、十四年位居世界首位。在应用侧，我国光伏2020年累计并网容量达253.43 GW，连续六年位居全球首位。
光伏发电转换效率逐步提升，促进度电成本迅速下降，在部分地区已经能够与传统煤电实现平价甚至低价上网。在面对光伏大范围平价上网时代的到来，以及向“双碳”目标迈进的关键节点，面向光伏发电大规模发展的现实需求，笔者带领研究团队全链条评估了我国光伏发电技术可行、经济平价、电网兼容的光伏潜力，并将研究成果以封面论文形式发表于美国科学院院刊。
此项研究构建了技术-经济-并网三位一体的潜力评估模型，整合了空间地理、资源气象、工程经济等多源数据，构建并耦合应用技术发电、成本评估和优化调度等模型方法。基于该模型方法，本研究逐年评估了我国2020年至2060年光伏发电潜力的时空变动特征，系统挖掘我国光伏发电资源的技术发电潜力，评估光伏发电“后补贴”时代的成本动态，并基于成本优势量化“光伏+储能”的灵活并网潜力及成本。
此项研究表明，中国有广阔的适宜土地可用于安装太阳能光伏发电设施，并具有丰富的太阳辐射资源禀赋。研究发现，我国2020年技术发电潜力超过同年电力需求的13倍，但发电潜力具有空间分布不均衡的特性。我国西北、华北和西藏地区潜力丰富，九游体育官方网站新疆、内蒙、西藏、青海、甘肃五省的装机潜力占到全国的85%以上。西北地区优势的太阳能发电潜力与东南地区的电力需求不匹配，需借助长距离传输实现更好地供需匹配。
传统光伏发电的制约因素为其成本较高，无法与传统燃煤机组竞争，长期依赖于电价补贴政策。依据近十余年光伏成本与产业规模的演变趋势，研究对光伏经济竞争性的评估结果表明，2021年中国大部分地区太阳能发电潜力的成本已经低于煤电，预计到2023年光伏发电将在全国范围内实现与煤电平价。未来太阳能发电相对于煤电的成本优势将持续扩大。
目前来说，太阳能发电并网电量提升的最大挑战在于其自身的间歇性，因为光伏电力将并入以传统非灵活性煤电机组为主体的电网中。在光伏发电的早期发展阶段，由于光伏电站自身出力的间歇性、与并网配套设施建设速度的不匹配、太阳能项目上马过于密集、东部地区接纳外来电力能力减弱等原因，产能过剩问题随之产生，存在较为严重的“弃光”现象，尤其是在西北地区。2016 年我国全年弃光量达 74 亿千瓦时，相当于2016年光伏全国发电量的11.18%。目前随着光伏项目与电网建设的有序推进，“弃光”问题已经大范围得到解决，2020年全年“弃光”率下降至2%。
为更好地应对未来高比例光伏发电对电力调度的挑战，在保持太阳能光伏发电相对于煤电的成本优势前提下，投资安装与光伏发电配套的储能技术，从而改善其出力的波动性。研究发现，配备储能的太阳能发电系统在2060年将能够以与电网兼容的方式满足中国近50%的电力需求。光伏储能系统输送的电力将不仅具有成本竞争力和低碳属性，同时具有灵活可靠且可调度的优势。
研究揭示的光伏成本优势下“光伏+储能”的应用前景，对于光伏发电与其他技术联用推动工业领域、居民用能领域、交通领域的脱碳具有启示意义。光伏的气候与环境效益将有望突破传统电力领域，引领更为广泛深入的能源变革。在用能部门引入低成本的太阳能光伏电力，可以降低消费侧电气化产品和服务的价格，这将加速淘汰以化石能源为燃料的传统生产流程，从而更好地发挥光伏发电在实现“双碳”目标中的作用。
此外，光伏发电将在推进全球零碳能源转型的历史进程中扮演重要角色。中国在光伏发电中有效保持成本优势的发展路径，对世界其他国家具有启示和借鉴意义，尤其是对电力供应不足但能源基础设施建设势头强劲的地区，如亚洲和非洲。鉴于这些地区拥有丰富的太阳能资源，充分利用太阳能发电或配有储能技术的发电系统，将有望能够以更低的成本满足迅速增长的电力需求，且不产生二氧化碳的排放。
清华大学环境学院长聘副教授, 国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。长期开展低碳能源与大气环境复杂系统研究，为碳中和协同发展路径、机制与技术优化集成提供科技支撑。近年来，在Science，PNAS，Nature子刊，Joule等国际顶级期刊发表论文10余篇。担任能源环境领域多个SCI期刊的编辑与编委，中国环境科学学会青年科学家分会秘书长及副主任委员，联合国亚太经济社会委员会能源智库专家。获第五届中国管理科学学会管理科学奖（学术类），首届中国环境科学学会青年科学家奖（金奖）与第十五届中国青年科技奖。
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