碳中和目標下的光伏發(fā)電技術摘要：在經(jīng)濟繁榮發(fā)展之下，國家政府愈加重視新能源的利用。2005年我國頒布可再生能源法，將可再生能源開發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先區(qū)域，通過制定發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)指導和技術支持，以及鼓勵和支持可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，制定價格管理和費用分攤機制等，鼓勵各經(jīng)濟主體參與可再生能源開發(fā)、利用。國家相繼出臺12個配套法規(guī)，可再生能源發(fā)展開始提速。自2006年初到2019年末，我國風力發(fā)電裝機容量由207萬kW增長到28153萬kW，增長了136倍，發(fā)電量增長了102倍；自2011年初至2019年末，我國太陽能發(fā)電裝機容量由212萬kW增長到25300萬kW，增長了119倍，發(fā)電量增長了405倍。為實現(xiàn)“3060”碳達峰、碳中和目標，我國持續(xù)推進能源低碳轉型，建立碳排放權交易市場，逐步擴大控排企業(yè)范圍，清潔能源發(fā)電項目有望通過碳排放權交易實現(xiàn)其環(huán)境價值。關鍵詞：碳中和目標；光伏發(fā)電；技術引言隨著綠色發(fā)展和雙碳目標的具體要求的提出，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來重要機遇期。近年來，我國能源供給體系由新中國成立初期的煤炭占90%以上，逐步形成了煤、油、氣、可再生能源多輪驅動的能源生產(chǎn)體系，能源的基礎保障作用顯著增強，煤炭能源供給方式下降至59%，非化石能源消費比重提升至14.3%，天然氣消費比重提升至7.8%。非化石能源主要以水能、風能、太陽能的高效利用為主要承載方式，其中，又以光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速，產(chǎn)業(yè)鏈條最長，也較為復雜，上中下游產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個行業(yè)和部門，容易受到基礎原料和產(chǎn)品供給的不確定性沖擊。具體來看，光伏發(fā)電領域產(chǎn)業(yè)鏈，主要由上游硅礦到晶體硅原材料供給、中游單晶硅電池和多晶硅電池形成的電池組件生產(chǎn)、下游光伏發(fā)電系統(tǒng)建設等三個主要方面構成，應當有針對性地對全產(chǎn)業(yè)鏈提供多元金融支持。1光伏發(fā)電原理1.1基于P-N結原理簡述在自然界中，有一類物質導電性介于導體與絕緣體之間，如：硅、錯、碑化鎵及一些硫化物等。由于硅在地球上含量豐富，制作工藝成熟，價格相對便宜，所以作為太陽能電池材料的首選。硅原子核外有14個電子，由里到外環(huán)繞，最外層有4個電子即為價電子，使原子之間以共價鍵結合，處于亞穩(wěn)定結構，它對硅原子的導電性等方面起著主導作用。在單晶硅中摻入微量的三價元素，就形成含有大量空穴的P型硅半導體；摻入微量的五價元素，就形成含有大量電子的N型硅半導體。將兩者結合在一起，在接觸區(qū)域，電子和空穴由于濃度差異而相對移動，就形成了一層很薄的空間電荷區(qū)，建立了由N區(qū)指向P區(qū)的內電場。在內電場的作用下，電子和空穴做定向移動，且與擴散方向相反，內電場有阻礙電子和空穴繼續(xù)擴散的作用。當二者達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層，即P-N結。1.2光生伏特效應當光線照射在太陽能電池上，足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過電場作用被相互分離，即電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負電的P區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將產(chǎn)生一個向外的可測試電壓，外接電路后形成電流。太陽能電池發(fā)電的原理就是基于半導體的光生伏特效應將太陽輻射能量直接轉換為電能。2光伏發(fā)電中存在的問題2.1補貼政策未落實到位國家通過征收可再生能源電價附加費用，為風電、光伏等產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供全額保障性收購補貼資金來源。高電價補貼政策刺激市場投資，但項目開發(fā)建設進度遠超補貼資金增速，形成大量資金缺口，造成中小型企業(yè)現(xiàn)金流高度緊張，再投資后繼乏力。據(jù)國家發(fā)改委能源研究所統(tǒng)計，2020年底累計補貼資金缺口超過3000億元，且每年還將新增缺口約1000億元。2.2消納條件建設差距大目前，光伏發(fā)電高度依靠電網(wǎng)側提供保障性并網(wǎng)消納，即主要通過國家財政定補貼規(guī)模、價格部門定補貼上限后，明確年度保障性并網(wǎng)消納規(guī)模，從而規(guī)劃接網(wǎng)工程建設。由于并網(wǎng)消納設施建設成本高、成本回收機制不健全、新能源電力調度難度大等原因，電網(wǎng)公司主動性不強，保障收購小時數(shù)不足，配套建設接網(wǎng)工程等基礎設施推進緩慢，三北地區(qū)因棄風限電問題一度被限制風電項目建設。此外，新能源電量滲透率超過10%-15%后，電力系統(tǒng)成本將快速增加，但政策對光伏發(fā)電項目的全社會成本缺乏系統(tǒng)考量，電源側、用戶側與電網(wǎng)側未能形成有效協(xié)同，制約電力系統(tǒng)的消納潛力提升。3碳中和目標下的光伏發(fā)電技術3.1晶硅太陽能電池當前我國晶硅太陽能電池技術最成熟，應用最廣，占據(jù)主要市場份額。2020年我國多晶硅產(chǎn)量39.2萬噸，硅片產(chǎn)量約161.3GW，電池片約134.8GW，組件約124.6GW。當前多晶硅1kgSi平均還原電耗為49kWh、平均綜合電耗為66.5kWh、平均綜合能耗11.5kg標煤，且未來隨著技術進步均將進一步下降。在成本方面，2020年萬噸級三氯氫硅西門子法多晶硅生產(chǎn)線設備投資成本約為1.02億元/千噸，新投電池片生產(chǎn)線設備已基本國產(chǎn)化，投資成本約為22.5萬元/MW,組件生產(chǎn)線設備已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，投資成本約為6.3萬元/MW。未來隨著電池光電轉換效率的提高、設備性能及產(chǎn)能的提升，成本將進一步降低。目前已開發(fā)多種晶硅太陽能電池，其中單晶硅實驗室太陽能電池最高光電轉化效率為26.1%，異質結硅（HJT）26.7%，多晶硅為23.3%。其中光電轉換效率超過25%的主要有發(fā)射極鈍化和背面接觸（PERC）電池、交指式背接觸（IBC）電池、HJT電池、異質結背接觸（HBC）電池、隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）電池等。其中PERC技術比較成熟，是主要的量產(chǎn)技術，市場占比86.4%。規(guī)模化生產(chǎn)的P型單晶PERC平均光電轉換效率已達22.8%，部分先進企業(yè)技術已達23%。PERC多晶黑硅電池平均效率為20.8%。進一步提升效率、降低成本、雙面PERC技術等將成為PERC未來的主要發(fā)展方向。N型電池技術目前已有很大提升，其中TOPCon電池產(chǎn)業(yè)鏈升級投資成本相對較低，目前平均效率為23.5%。HJT電池工藝短、溫度系數(shù)低，目前平均效率已達23.8%。TOPCon及HJT等N型電池效率均有較大的提升潛力。雖然N型電池光電轉換效率高，但當前相比PERC技術規(guī)模小，市場占比約3.5%，成本相對較高。預計隨著技術的進步、電池光電轉換效率的進一步提升及成本的大幅降低，N型電池技術將會是未來的主要方向之一。但其大規(guī)模走向市場仍需突破量產(chǎn)化技術瓶頸、提高技術成熟度、產(chǎn)能產(chǎn)線、核心設備國產(chǎn)化、降低成本等關鍵問題。3.2光伏發(fā)電制氫技術光伏發(fā)電和制氫可以很好的結合。以碲化鎘、銅銦鎵硒為代表的薄膜發(fā)電玻璃光伏建筑一體化（BI-PV），以晶硅發(fā)電為代表的屋頂電站都是當今企業(yè)內分布式光伏電站的主要發(fā)展方向。用氫企業(yè)配套相應容量的氫氣儲氣罐將制氫機組根據(jù)分布式光伏晝夜發(fā)電量的不同,實施峰谷運行。白天發(fā)電量多時，制氫機組滿負荷運行，將富余氫氣儲存起來夜間發(fā)電量低時或不發(fā)電時，制氫機組最低負荷運行或者不運行，當不運行時采用保溫等手段以便于后續(xù)快速啟動，此時供氣主要來自儲氣罐。按此方式光伏發(fā)電制氫可以做到連續(xù)供氫并使制氫成本大幅降低。3.3光伏方陣技術光伏方陣技術主要是通過對多塊光伏組件進行串聯(lián)或并聯(lián)，從而使得光伏組件形成矩陣。而光伏組件本身就是由若干塊太陽能電池板構成的，這些光伏組件作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中最為基本的構成部分，可將接收的太陽能通過內部轉化為直流電流并輸出。當前我國光伏組件主要是應用半導體材料硅，這種材料如果進行細致的劃分，還可分為晶體硅和非晶體硅兩種類型。采用晶體硅材料制作的光伏組件相對來說，在應用過程中具有較高的穩(wěn)定性，這種晶體硅光伏組件大多數(shù)應用在戶外的光伏發(fā)電系統(tǒng)中。但單個硅太陽能電池板運行過程中產(chǎn)生的電功率較低，無法達到并網(wǎng)要求，因此大型光伏電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，采用若干太陽能電池板進行串聯(lián)從而獲得較高的電力輸出功率。這些定量的太陽能電池板在制作過程中進行了連接以及外部密封后就會構成單個光伏組件，然后再由多個光伏組件共同串聯(lián)，從而形成了光伏方陣。光伏方陣在發(fā)電過程中產(chǎn)生的電壓與光伏組件串聯(lián)的數(shù)量成正比關系，與此同時，光伏方陣運行過程中的電流量與光伏組件并聯(lián)的數(shù)量成正比關系。3.4疊層技術疊層電池是未來光伏技術的一個重要發(fā)展方向，極具商業(yè)化潛力。疊層結構可突破單結電池的Shockley-Queisser極限，其理論光電轉換效率可達40%以上，是提升太陽能電池光電轉換效率的有效手段。由于鈣鈦礦材料豐富、成分靈活可調、制備工藝簡單，是疊層電池理想的選擇之一。疊層電池目前主要集中在PSC/Si、PSC/PSC、PSC/CIGS等結構。目前PSC/Si疊層電池最高光電轉換效率已達29.8%，全鈣鈦礦PSC/PSC疊層電池效率已超過25.6%，PSC/CIGS疊層電池效率已達24.2%，均具有較好的發(fā)展前景。但對于疊層電池，如何有效設計疊層電池結構，開發(fā)理想的、匹配的頂層光吸收層及底層光吸收層，有效減少疊層電池的寄生吸收損失、反射損失、電化學損失等，突破單結電池的效率極限，大幅提升電池的光電轉換效率是未來疊層電池的重點方向。另外疊層電池制備工藝、電池穩(wěn)定性、大面積制備、量產(chǎn)產(chǎn)線等也有待進一步攻克。3.5有功輸出技術有功輸出技術主要是要求大規(guī)模光伏發(fā)電站在并網(wǎng)過程中盡可能輸出更多的電能，從而實現(xiàn)對輸出電能最大功率點的跟蹤檢測。該技術對最大功率點的數(shù)據(jù)監(jiān)測以及跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)的實效性以及準確性要求較為嚴格。當前，在大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)中常用的電導增量法、干擾檢測法、恒定電壓功率法還無法實現(xiàn)對光伏電網(wǎng)輸出功率的有效調節(jié)。由此可見，這種對輸出功率進行動態(tài)調節(jié)的技術必須利用光伏電力儲能設備才能實現(xiàn)。但是目前我國大多數(shù)光伏電力儲能設備的容量相對較小，并且成本較高，根本無法對大量的電能進行及時儲備。除此之外，電力儲能需花費較多的時間和精力，并無法達到及時補償?shù)哪康?，也在一定程度上給儲能設備的應用帶來了一定的局限性。針對這些問題，技術操作人員可將大功率電路接入交換器的直流電路中，從而有效降低光伏方陣的輸出電壓，更好地實現(xiàn)低電壓并網(wǎng)的功能。3.6光伏發(fā)電數(shù)字化設計技術數(shù)字化設計技術在技術架構上一共分為設計端、協(xié)同端、管理后臺、報表中心、服務端。設計端主要完成圖形處理、三維模型設計、結果展現(xiàn)等任務，采用了AutodeskRevit軟件作為基礎，進行二次開發(fā)實現(xiàn)；協(xié)同端主要完成多專業(yè)協(xié)同的任務，實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)設計、發(fā)電系統(tǒng)計算、元件設備庫等功能，以自主B/S架構開發(fā)；管理后臺主要完成用戶管理、權限分配、系統(tǒng)設置等任務，采用了自主B/S架構開發(fā)；報表中心主要完成可研報告、計算書、專業(yè)間資料提交等圖表輸出的任務，采用了自主C/S架構研發(fā)；服務端主要完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理等任務，采用了JavaSpringCloud微服務架構。通過等高線、DEM展現(xiàn)地形的三維數(shù)字模型，比傳統(tǒng)CAD圖形更加直觀；參數(shù)化構建元件設備庫，解決了元件設備的數(shù)據(jù)重復利用和設備選型問題；設計前估算發(fā)電量，設計后回歸計算發(fā)電量，準確評估發(fā)電容量；按照發(fā)電單元對光伏電站進行一體化結構設計，將分散的工作精密結合；設計過程支持多方案對比，解決傳