一篇文章看懂全球光伏产业发展现状

　　能源转型剑指人类使用的化石燃料朝向清洁能源的过渡，其中太阳能发电是能源转型的关键因素之一。太阳能发电（Solarpower）是将阳光转化为电能，可以分为：

　　①光发电。在实际应用中，通常指太阳能向电能的转换，即光伏（photovoltaics，PV）。光伏发电方式又分为集中式发电和分散式发电。

　　②热发电。主要是把太阳的能量聚集在一起，产生高温来驱动汽轮机发电，即聚热发电（concentrated solar power，CSP）。聚热发电方式都是集中式发电，目前，聚热发电占太阳能发电中的比例很小。

　　起初，光伏发电只是单家独户屋顶应用，随着光伏发电成本降低以及政府补贴，利用数量大增并联网，并促使分散式电力交易，推进了能源互联网的建立。光伏发电正在迅速成为廉价的低碳的可利用的再生能源。商业性集中式太阳能发电出现在20世纪80年代。

　　根据BP《StatisticalReview of World Energy，2016》的数据制成表1。当前电力市场仍然被化石燃料发电（主要是燃煤发电和燃气发电）霸占，其次是大型水力发电和核能发电。尽管太阳无偿地给地球输送能源，在地球上形成太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能等，但是人类要获取能源却要付出代价，不存在能源零成本社会。哪种能源付出的价格够数，这种能源就得到发展。由于太阳能发电成本仍然高于化石燃料发电，所以目前太阳能发电占全球发电总量很小，见表1。

表1 太阳能发电占全球总发电量的比例

　　随着太阳能发电技术进步，成本降低，促使光伏发电进展很快，根据国际能源署（IEA）2014年估计，到2050年光伏发电和聚热发电分别占全球电力消费量的16%和11%。太阳能发电将成为世界上电力的重要来源，其中中国和印度两国的太阳能发电发展最快。

　　一、最大的光伏电站年变化

　　光伏电站是指与电网相连并向电网输送电力的光伏并网发电系统。从1982年起已经有了全球最大的光伏电站，而且每年都是变化的。中国龙羊峡水光互补并网光伏电站于2015年跃居全球最大的光伏电站。

表2 世界上最大的光伏电站进展年表

　　二、世界上最大的光伏电站

　　全球最大的光伏电站随着时间的推移，也随之发生变化。这里是2015年世界上最大的光伏电站。

　　1、中民投宁夏（盐池）新能源综合示范区电站

　　中民投宁夏（盐池）新能源综合示范区电站计划建设2GW（1GW=1000MW，1MW=1000KW）光伏发电项目，占地累计约6万亩，这是截止目前全球最大的单体光伏电站项目。

　　按照宁夏的光照条件，这一2000MW项目建成后，年平均上网电量289419万度。以该发电量计算，与火电相比，每年可节约标准煤101万吨。该示范区还将建设风、光、生物质、储能多元互补可再生能源发电系统、绿色现代牧业养殖示范基地、绿色现代牧草种植示范基地、全球最大光伏旅游基地等项目。

　　2、龙羊峡水光互补光伏电站（LongyangxiaDam Solar Park）

　　龙羊峡水光互补并网光伏电站位于青海省海南州共和县塔拉滩黄河公司产业园内，共划分9个光伏发电生产区，总装机容量为850MWp，2013年Ⅰ期320MW竣工，2015年Ⅱ期530MW竣工占地面积20.40km2，是目前全球建设规模最大的水光互补并网光伏电站。投产以来，电站每年将824GWh绿色能源输送到西北电网。

　　所谓“水光互补”，就是把光伏发电站和水电站组合成一个电源。龙羊峡水光互补光伏电站最大的优势就是水电与光伏发电协调运行，利用水光互补，通过水电调节后送入电网，从电源端起，解决了光伏发电稳定性差的问题。

　　3、太阳星I和II（Solar Star I and II）

　　太阳星I和II位于美国加利福尼亚州罗莎蒙德，装机容量579MWAC，2015年6月竣工。太阳星I：318MWAC或397.8MWDC；太阳星II：279MWAC或349.5MWDC，2015年6月19日联网。它是目前世界上装机容量为第二位的太阳能电站，采用了170万块太阳能电池板，铺散在面积为13km2的土地上。

　　4、黄玉光伏电站（Topaz Solar Farm）

　　黄玉光伏电站位于美国加利福尼亚州圣路易斯-奥比斯波县（SanLuis Obispo County，California），装机容量550MW。2011年11月开始建造，2013年2月陆续完工，2014年11月全部竣工。它是世界上第三大的光伏电站。采用美国第一太阳能公司（First Solar）薄膜技术制造的900万块CdTe光伏模块，占地面积25km2，投资25亿美元。年发电量预计1301GWh，容量因数22.8%。可供可为加利福尼亚州16万户家庭用电。

　　5、沙漠阳光光伏电站（Desert Sunlight Solar Farm）

　　沙漠阳光光伏电站位于美国加利福尼亚州沙漠中心莫哈韦沙漠（Mojave Desert），装机容量550MWAC，年发电量1287GWh。2013年Ⅰ期300MW建成，2015年1月最终建成550MW电站，占地16km2。采用美国第一太阳能公司（First Solar）薄膜技术制造的880万块CdTe光伏模块。

　　6、黄河格尔木光伏电站（HuangheHydropower Golmud Solar Park）

　　黄河格尔木光伏电站位于中国青海格尔木，装机容量200MW。2009年8月开始建造，2011年10月29日建成。其中80MW由英利绿色能源控股有限公司投资。2012年荣获中国电力优质工程奖，年输出电力317GWh。

　　此外，龙源电力（Longyuan Power）2011年在格尔木建立了多个20兆瓦太阳能产业园。在格尔木沙漠区光伏总量已经达570MW，2012年估计已达500MW。

　　7、铜山光伏电站（Copper Mountain Solar Facility）

　　铜山光伏电站位于美国内华达州博尔德城，装机容量458MWp，1期于2010年12月份建成，2期于2013年1月份建成，3期于2015年初完工，4期建造97MW，计划在2015年开始，2016年底完成。建造费用1.41亿美元，采用平板光伏电池板，有775000块第一太阳能公司（First Solar）产电池板，产权归SempraGeneration拥有。装机容量458MW，年发电量约770GWh，容量因数24%。

　　8、查拉恩卡光伏电站（Charanka Solar Park）

　　查拉恩卡光伏电站位于印度帕坦行政区（Patan district）查拉恩卡村（Charanka village），它在古吉拉特太阳公园内占有最大的面积，占地2000公顷（1公顷=10000m2=0.01km2）。2010年开始建造，2012年竣工，采用薄膜平板光伏技术，2016年3月装机容量可达345MW。查拉恩卡光伏电站投资费用为2.8亿美元。

　　9、塞斯塔光伏电站（Cestas Solar Farm）

　　塞斯塔光伏电站位于法国塞斯塔村，由25块12MWp组成，装机容量300兆瓦（MWp），它是欧洲最大的光伏电站。2015年10月份建成，设施在波尔多附近，占地250公顷，年发电量380GWh。

　　10、阿瓜克莱恩特太阳能项目（Agua Caliente Solar Project）

　　阿瓜克莱恩特太阳能项目位于美国亚利桑那州尤马县（Yuma County），采用第一太阳能公司（First Solar）薄膜技术生产的CdTe光伏电池块，520万光伏模块，装机容量290MW。2011年开始建造，2014年4月份建成，占地971公顷，年发电量626GWh，投资费用18亿美元。

　　为了阅读比较的方便，把以上数据汇总一下，见表3。

表3 2015年全球最大的光伏电站

　　三、中国的光伏组件与电站

　　除了欧洲以外，中国是最大的太阳能市场，占全球太阳能市场的8%。中国2011年太阳能累积装机容量为3300MW，猛增到2014年的28199MW，三年间增加了8倍。到2020年中国计划安装太阳能装机容量约50000MW。从2010年起，中国对再生能源投资达450亿美元，以减少对煤的依赖。

　　中国拥有丰富的太阳能资源，接收阳光的地区主要在农村和远离国家电网的地区。有17%陆地接收太阳辐射达1750kWh/m2以上，约40%以上的陆地在1400～1750kWh/m2。中国戈壁沙漠面积130万km2，如果都覆盖着太阳能板，那么潜在的装机容量可达17TW。

　　中国已经成为全球最大的太阳能板（电池）的制造商，仅在2010年太阳能板生产超过10GW。中国太阳能模块95%供出口。全球有10家公司控制着全球太阳能模块生产量的一半以上，其中4家公司即尚德（Suntech）、晶奥（JA solar）、英利绿色能源（Yingligreen energy）和天合光能（Trina solar）都在中国。

　　中国是太阳能组件出口到美国的最大出口商，仅2011年出口太阳能电池达28亿美元。2008年中国企业生产的太阳能电池平均销售价格为4美元每瓦，即为全球平均价格的2倍。仅隔2年价格降至1.80美元每瓦，低于全球平均价格的30美分。

表4 中国运行中的光伏电站统计

　　单位装机容量产生的电力与光伏电站所处的日照位置有关。按照台湾的平均日照，1kW可以产生1250kWh，而日本平均产生1000kWh。

　　我国宁夏盐池县高沙窝镇有丰富的太阳能资源，平均日照在1640～1700kWh/m2，因此计划拟建光伏电站，装机容量2000MW，占地40km2，总投资150亿元人民币。建成后将成为世界上最大的光伏电站之一。

　　四、太阳能板可以用在哪？Everywhere！

　　由于太阳能转化为电能的效率低，一般只有20%以下，最高不超过25.6%，因此太阳能电池数量巨大，占地面积大，并且都处于荒凉贫瘠和人口稀少的地方。因此，增加太阳能电池的落脚处有两个方案：

　　1、浮式太阳能发电站。太阳能发电站漂浮在水面上，像闪耀在水面上的蓝色宝石！近年来，由于陆地上大规模土地难寻，利用闲置的水面来架设太阳能板，这项创举重新定义了太阳能电池板的落脚处。只要是水面波动但水位落差不大的水面，都适合发展浮式太阳能发电站。

　　浮式太阳能发电站的优点是：

　　⑴租用池塘或水库的闲置水面的价格较为低廉，可节省营运成本。

　　⑵水面温度可以降温太阳能板，与设置在陆地和屋顶上的太阳能板比较，约可高出11%的发电效率。

　　⑶太阳能板可遮蔽阳光，不直接照射在水面上，降低池水的蒸发率和池塘内的藻类繁殖，改善水质，有利于水池的维护。

　　世界上最大的浮式光伏电站预计将于2018年在日本千叶县山仓（Yamakura）水库建成。该项目设计发电功率3330MWh，建成后它将是世界上同类型发电站中发电功率最大的水上漂浮光伏发电站。这一电站的建成预计将为极大缓解日本东电公司在东京地区的供电紧缺问题。

　　2、太阳能道路。新一波道路革命即将展开，2015年12月法国正式宣布，将在未来5年内修建1000公里太阳能道路（Solar road）。欧美国家致力于研发太阳能道路，英国和荷兰打造太阳能自行车道，比利时也曾建造过一条3.6公里长的实验性公路，将马路变成再生能源的生产基地。

　　太阳能公路不需要重建既有的公路，只是将太阳能板以聚合树脂制成厚度仅有0.7厘米的小块太阳能砖块，像地砖一样铺设在原来的道路表面，同时在太阳能板上涂覆透明保护层增加了颗粒结构，让路面的摩擦力与传统公路相当，以确保行车安全。目前已进行100万次的车辆通行测试。

　　太阳能板上内建的LED照明，能够在路面上发亮，显示道路标线和路况讯息，并随时依据道路状况而进行调整。

　　太阳能板产生的电流由隐蔽在地下的蓄电装置输送到城市电力网。根据法国《环境与能源控制署》计算，1公里的太阳能道路发电量，足以支持规模5000人小城镇的日常公共照明用电。

　　五、光伏成本价格大幅度降低

　　光伏发电成本因各国的生产成本、地理位置和政策而异，但均有大幅度降低。根据美国能源情报署（EIA）2015年度能源展望报告(AEO2015)预测，光伏发电成本约为125美元/MWh（0.125美元/kWh），仍然高于常规能源发电如燃煤发电、核能发电、水力发电和天然气发电。

表5 美国2020年度电成本估计（单位：$/MWh）

　　再看欧洲光伏发电成本的变化，见图。从2010年到2020年的十年间降低了一半。

图 欧洲光伏度电价格降低

　　六、光伏发电面临一场大革新

　　太阳能电池怎么把阳光转化为电能的？

　　太阳能电池材料中的电子各自位于所属的原子中，光照之前，没有电流流过，但阳光照射到电池时，就会使电子释放出。这些受激发的电子具有能量，歪歪斜斜地在晶格中四处游走，最后从太阳电池的一端离开形成电流。电子在游走途中遇到障碍物或陷阱，使能量转化成热能后散逸。晶格品质越好，使电子脱离行径的缺陷就越少。

　　硅电池通常需要加热到摄氏900度以上，以除去这些缺陷，钙钛矿的制作仅需摄氏100度左右，因此钙钛矿受激发时，尽管电子携带的能量与硅电池差不多，但制作却方便许多。

　　太阳能电池把阳光中的能量转换成电能的效率是有限的。电子受激发所需的最低能量称为“带隙（band gap）”。阳光中包含各种波长的光，但只有特定波长可让电子跨越带隙，带隙越低，电池可吸收的阳光光谱范围越大。

　　钙钛矿电池（PerovskiteSolar Cells）在太阳能电池市场的出现，有其受到重视的理由。优点：

　　1、钙钛矿的成分来源相当充裕，可轻易把这些结合，并制造出具有高度结晶化结构的太阳能薄膜。

　　2、钙钛矿电池的制作过程可在低温下进行且成本低廉，这个薄且具弹性的材料，不像硅晶体又厚又硬，未来可由特殊印刷机制造出重量极轻、可挠曲，甚至是具有各种色彩的超薄太阳能板和镀膜。

　　发展钙钛矿电池可以调整成分比例，借以改变带隙，提高效率，也可以把带隙不同的钙钛矿电池叠加在一起。双层钙钛矿电池的效率可望达到46%，将突破目前最佳的硅电池效率25.6%的极限。

　　业界大多把太阳能板的保用期限定为25年，相当于持续在充足阳光下运作54000小时，找出温度范围大，使用时间长的高效率防水层是相当重要的任务，另外，钙钛矿电池需要妥善封装，以隔绝水分，而钙钛矿的配方中含有少量的铅，铅是毒性物质，市场会特别要求钙钛矿电池能够永久密封，保证发电安全，因此，研究人员在太阳能电池密封和苛刻的产品测试中，寻求钙钛矿难题的方法，以消除水解和扩散的疑虑。

　　钙钛矿电池生产成本低，转化效率高，富有商业吸引力，即将面世，使单位光伏发电占地面积缩小，发电成本将会降低，光伏发电将会有一场大变革。（【无所不能特约作者，庞名立，曾在中国计量科学院（北京）和中石油（四川）工作。著有多本石油和天然气书籍。】）