馬維唯

(國家能源技術經濟研究院，北京 102211)

0 引言

隨著經濟的不斷發(fā)展，世界各國都面臨著能源危機的問題。傳統(tǒng)的煤炭、石油等化石能源作為非可再生能源，正面臨日趨減少的狀況，因此，開發(fā)和加大對清潔能源的研究和利用是人類為獲取滿足發(fā)展所需的能源和應對氣候變化帶來的綜合挑戰(zhàn)的必然需求，從2015年世界各國達成《巴黎協(xié)定》，到聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的制定，都是人類為應對該挑戰(zhàn)所做出的措施。另外，雖然電力在全球范圍內已普遍使用，但全球仍有一定數量的人口還未得到有效的電力供應，而這些人口大都集中于發(fā)展中國家，因此，發(fā)展清潔能源對發(fā)展中國家乃至全球的能源供應和能源結構調整都具有很重要的作用。綜上所述，太陽能發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，是目前解決能源危機的一種有效途徑。

由于太陽能資源分布廣泛，利用其發(fā)電不需要使用燃料且發(fā)電過程清潔無污染，因此，太陽能發(fā)電近年來在世界各地發(fā)展迅速。太陽能發(fā)電不僅比傳統(tǒng)火力發(fā)電具有更廣泛的發(fā)展前景，而且與風電、核電等新型發(fā)電技術相比，太陽能發(fā)電在清潔能源領域也具有獨特的優(yōu)勢。本文基于全球低碳經濟發(fā)展背景，從國際太陽能發(fā)電產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢幾個方面，對國際太陽能發(fā)電產業(yè)進行了闡述。

1 國際太陽能發(fā)電產業(yè)的發(fā)展概況

1.1 太陽能資源及太陽能發(fā)電產業(yè)投資概況

全球太陽能開發(fā)潛力巨大，考慮到這種巨大的潛力，若技術可行，地球接收的太陽輻射將足以滿足全球的能源需求[1]。近年來，基于多種太陽電池技術和系統(tǒng)平衡(BOS)的廣泛研究已顯示出太陽能發(fā)電顯著的成本降低和效率、功能改進的潛力，使太陽能發(fā)電成為一個可行的技術方案。然而，盡管太陽能潛力巨大，知名度不斷提高，但目前其對全球能源供應的貢獻仍微不足道[2]。

世界范圍內的太陽能資源主要集中在赤道地區(qū)，太陽能發(fā)電基地在世界各大洲均有分布，中國、以色列、沙特等國是亞洲太陽能發(fā)電的主要開發(fā)基地；意大利、希臘、德國等國是歐洲太陽能發(fā)電的主要開發(fā)基地；美洲的太陽能發(fā)電開發(fā)基地主要集中在秘魯、智利和美國；埃塞俄比亞、肯尼亞、撒哈拉沙漠等國家和地區(qū)是非洲的太陽能發(fā)電開發(fā)基地；在大洋洲，澳大利亞的太陽能發(fā)電規(guī)模占主導地位[3-4]。

截至2017年底，全球太陽能發(fā)電分別占電力總裝機容量和總發(fā)電量的6.3%和1.7%[5]。2017年太陽能在全球新增發(fā)電投資中占主導地位，全球新增太陽能裝機容量達98 GW，太陽能發(fā)電吸引了全球1608億美元的投資，超過任何其他電力工業(yè)技術(包括除太陽能外其他可再生能源、化石燃料和核能)。中國太陽能發(fā)電近年來發(fā)展迅速，2017年中國太陽能裝機容量比上一年增加了53 GW，超過全球增量的一半；然后依次為美國新增10.7 GW、印度新增7.95 GW、日本新增7.5 GW、德國新增1.6 GW、澳大利亞新增1.6 GW、韓國新增1.2 GW、巴基斯坦新增1.0 GW、英國新增0.99 GW、荷蘭新增0.79 GW、法國新增0.64 GW、比利時新增0.26 GW、南非新增0.32 GW、加拿大新增0.23 GW、泰國新增0.19 GW[6]。在過去10年中，隨著新興市場的擴展，裝機容量一直穩(wěn)步增長。

太陽能發(fā)電產業(yè)的迅猛發(fā)展，為世界各國增加了許多就業(yè)機會。國際可再生能源署(IRENA)發(fā)布的《2018可再生能源與就業(yè)》年度報告指出，2017年，該產業(yè)在全球創(chuàng)造了50多萬個新工作崗位，可再生能源(包括大型水電)從業(yè)人員的總數首次超過了1000萬人。

1.2 技術概況

太陽能發(fā)電技術分為2類：光伏發(fā)電和聚光太陽能發(fā)電(CSP，也稱為太陽能熱發(fā)電) ，下文將分別進行介紹。

1.2.1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電的歷史始于1839年，當時法國物理學家亞歷山大·貝克勒爾觀察到電流是由某些光引發(fā)的化學反應產生[7]。光伏發(fā)電技術一般根據主要吸收層材料進行分類，其中技術相對成熟的是晶硅類(c-Si)太陽電池技術，其在全球光伏市場中占據主導地位。晶硅類太陽電池可分為單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池，由于制備方法不同，多晶硅太陽電池比單晶硅太陽電池具有價格更低的優(yōu)勢，但同時也存在平均轉換效率較低的劣勢；而單晶硅太陽電池具備能耗更低、提純效果更穩(wěn)定且更好的優(yōu)勢，但也存在生產效率或產能較低的劣勢。除了晶硅類(c-Si)材料外，近年來，碲化鎘(CdTe)、非晶硅(a-Si)等薄膜太陽電池也發(fā)展迅速，技術日漸成熟；還有化合物半導體太陽電池(如砷化鎵GaAs)，其為目前發(fā)電效率最高的太陽電池。此外，還有尚處于研發(fā)階段的電池種類，包括染料敏化、有機、鈣鈦礦和量子點電池等，這些材料具有廉價、環(huán)保等優(yōu)點，但其中一些也存在不穩(wěn)定、發(fā)電效率低等缺點[8]。

然而晶硅類太陽電池的轉換效率從熱力學角度被限制了，其實驗室效率最多只能達到31%或41%(取決于入射光線的集中程度)，因此晶硅類太陽電池可能無法滿足長期的成本目標，這就是所謂的Schockley-Queisser效率限制[9]。而突破該限制的途徑是開發(fā)薄膜太陽電池。具備低成本、高靈活性優(yōu)勢的薄膜太陽電池正在追逐晶硅類太陽電池的效率水平，但尚處于產業(yè)化初級階段。目前，技術相對成熟的薄膜太陽電池主要有非晶硅(a-Si)電池、碲化鎘(CdTe)電池、砷化鎵(GaAs)電池、銅銦鎵硒(CIGS)電池4類，其中，銅銦鎵硒(CIGS)電池以最高的量產級轉換效率被視為最具應用潛力的高效薄膜太陽電池。薄膜太陽電池具有高效、廉價、輕便的優(yōu)勢，可適用于消費級產品，但受限于稀有金屬自然儲量的有限性，其無法應對全面大量使用的工業(yè)市場需求[10]。目前從性價比方面來看，薄膜太陽電池還無法取代晶硅類太陽電池的壟斷地位，而在經過了2018年的價格戰(zhàn)之后，單晶硅太陽電池已顯示出比多晶硅太陽電池更強的競爭力。

描述光伏發(fā)電技術最常見且客觀的參數是效率，美國國家可再生能源實驗室(NREL)繪制了從1975年開始的光伏發(fā)電技術發(fā)展中電池的最高效率紀錄值的更新圖(見圖1)，該圖通常稱為研究電池效率的最佳參考圖。圖中，不同的顏色對應不同技術類型的電池效率：藍色代表c-Si電池技術，綠色代表薄膜電池技術，紫色代表幾種化合物半導體電池技術，橙色代表量子點等新興電池技術。另外，灰色代表提供結果的實驗室[7]。

1.2.2 聚光太陽能發(fā)電

聚光太陽能發(fā)電(CSP)，也稱作太陽能熱發(fā)電，是通過匯集太陽輻射獲得熱能，并將熱能轉化成高溫蒸汽，最后利用高溫蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電的技術。作為一種尚未成熟的發(fā)電技術，聚光太陽能正處于早期部署階段，目前主要在幾個發(fā)達國家或地區(qū)，如美國、歐洲、日本、澳大利亞，以及幾個發(fā)展中國家，如印度、西班牙、塞內加爾等國開展研究和開發(fā)。目前，共有4種聚光太陽能設備類型，即拋物面槽式(PT)、線性菲涅爾式(FR)、塔式(ST)和碟式(SD)。根據鏡場和接收器的設計、配置，所用的傳熱流體，以及是否涉及儲熱，這4種設備類型有所不同，前3種設備類型主要用于集中發(fā)電。目前，拋物面槽和太陽能塔在商業(yè)上已得到了驗證，線性菲涅爾和太陽能碟仍處于早期商業(yè)項目、示范項目階段。

重要的是，與風電和光伏發(fā)電需要依賴一個單獨的儲能系統(tǒng)才能實現(xiàn)電力穩(wěn)定輸出，聚光太陽能發(fā)電提供了集成儲熱的可能性，能夠存儲白天收集的能量，并在需要時將其用于發(fā)電。這樣，聚光太陽能發(fā)電既可以在太陽輻射高時提供清潔的電力，也可以在夜間和太陽輻射低時提供可調度的電力。此外，聚光太陽能可利用化石燃料和太陽能混合加熱，這種混合技術可以提高發(fā)電島的有效利用，提高聚光太陽能技術的價值。然而，受到對太陽能資源要求較高等因素的影響，與光伏發(fā)電技術相比，聚光太陽能發(fā)電似乎正在打一場敗仗，因為投資者們更傾向于將注意力集中到在所有可再生能源技術中擁有最陡峭學習曲線的太陽能光伏發(fā)電上[11]。

1.3 融資方式

對于太陽能發(fā)電并網項目，由于其規(guī)模較大、風險較低，國際上通常采用無追索權的項目融資方式。在項目開發(fā)、建設、運營的不同階段，由于在整個清潔能源生命周期中風險和回報的情況在不斷變化，因此，不同類型的股權和債務投資者往往通過與其風險偏好相匹配的工具，在項目的不同階段參與投資。分布式發(fā)電的相關融資結構通常基于公司融資模式，即服務提供商尋求資本以擴大其運營，而不是項目融資。

為了釋放更多資本，還需要提高投資者直接投資非流動資產的能力，一般采用資產證券化的模式，即將多個小規(guī)模的、同質化的清潔能源項目打包，包裝成標準化、公開交易的資產。目前成功的案例主要集中在發(fā)達國家，新興市場的經驗很少。然而，近期已有一些金融機構正在探索這一模式，例如印度的太陽能投資信托基金和IFC屋頂太陽能融資計劃，以及巴西的綠色應收款基金。

此外，還有一些情況需要注意。由于巴塞爾協(xié)議III的凈穩(wěn)定資金比率(NSFR)，銀行越來越不愿意用長期貸款為項目融資提供資金，7～15年的長期貸款市場正在萎縮，這意味著太陽能發(fā)電項目將面臨再融資風險。此外，在為項目準備、分布式發(fā)電和新技術提供的早期風險融資方面還有較大不足。對于主要通過企業(yè)融資進行融資的分布式發(fā)電，在最早期階段，包括股權融資和債務融資，投資不足，特別是在金融部門欠發(fā)達的國家。新的可再生能源技術，如能源儲存，也面臨包括發(fā)達市場在內的早期風險融資的短缺[12]。

2 太陽能發(fā)電產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 對現(xiàn)有電網提出挑戰(zhàn)

隨著新能源的迅猛發(fā)展，電網中新能源所占比例也在逐漸增大，電網系統(tǒng)中電源成分的變化引起了電網運行特性的一系列變化，并且產生了一些亟待解決的問題：1)新能源的波動性與不確定性給電力電量平衡造成了一定程度上的困難；2)電網頻率和電壓調節(jié)能力相應有所下降；3)隨著分布式電源的大量接入，電網運行控制出現(xiàn)了一些問題[13]。

相比于風力發(fā)電，太陽能發(fā)電的優(yōu)勢在于其與電力負荷曲線相對更接近，但隨著太陽能發(fā)電在電網中的占比越來越大，給管理電網造成了困難。規(guī)劃制定者雄心勃勃，如美國加州計劃在2030年實現(xiàn)60%電力來自于可再生能源，在2045年這個比例達到100%的目標。但隨著太陽能發(fā)電、風電等可再生能源電力占電網份額的不斷提升，其對電網造成了巨大的挑戰(zhàn)，這一情景可以通過美國加州的“鴨型曲線”預測一二，如圖2所示?！傍喰颓€”用系統(tǒng)凈負荷的形式顯示了峰值需求和可再生能源(主要是太陽能)發(fā)電之間的時間不平衡。

從圖2可以看出，隨著太陽能發(fā)電在整體電力組合中的份額不斷增加，“鴨肚”有逐漸變低的趨勢，相應的后續(xù)斜坡也更陡峭。為了抵銷陡峭斜坡，用峰值價格可以提供一定激勵；但最根本的解決方式是利用電池、化學儲能或抽水蓄能等方式進行儲能，將白天儲存的能量在夜晚釋放回電力系統(tǒng)，使鴨形曲線“扁平化”[5]?？傊?，由于太陽能發(fā)電和風電都是間歇性能源，尋找儲存大量電力的方法已成為電力部門脫碳的一個關鍵挑戰(zhàn)。

2.2 貿易摩擦

近年來，在全球太陽能發(fā)電行業(yè)，不論在供應側還是需求側，中國都扮演了很重要的角色，中國市場和企業(yè)的動態(tài)可以影響全球的供需和價格。由于中國光伏組件產量激增，價格下降，影響了美國相關企業(yè)的競爭力，Suniva和Solar World兩家美國企業(yè)要求美國政府對中國企業(yè)采取行動。2018年1月，美國政府宣布通過“201條款”，對進口的太陽電池及組件首年征收30%的關稅。

然而，美國對于就業(yè)的計算也存在偏頗。2017年，美國光伏制造業(yè)的雇傭人數僅為3.7萬人，只占美國光伏行業(yè)就業(yè)總人數的15%；而美國光伏產業(yè)其他就業(yè)機會還包括：安裝12.9萬人、項目開發(fā)3.6萬人、營銷3.1萬人。目前，美國80%的光伏組件依靠進口，如果沒有低價光伏組件，滿足行業(yè)需求的企業(yè)將減少，還將影響美國約10萬個就業(yè)機會，而這是制造業(yè)支持的就業(yè)機會的10倍。

2.3 其他方面的影響

盡管太陽能的開發(fā)和部署有其應有的綠色聲譽，但其也可能會產生不良的社會和環(huán)境后果，從糟糕的工廠勞動標準到對野生動物景觀的影響，太陽能開發(fā)面臨著生態(tài)問題與氣候變化之間的沖突，因此，產業(yè)發(fā)展需要關注太陽能開發(fā)與環(huán)境研究、能源政策、社會學之間的關系[14]。此外，光伏組件是由稀有金屬或貴金屬(如銀、碲或銦)制成，還沒有完善的廢組件回收措施，并且多晶硅在生產過程中會產生有毒的副產品四氯化硅，以上這些都會對環(huán)境產生一定的污染。

在太陽能發(fā)電技術開發(fā)過程中，還可能存在其他問題，如缺乏熟練的人員對太陽能系統(tǒng)進行安裝、維護、檢查、維修和評估日益增長的需求，用戶(尤其是發(fā)展中國家的農村地區(qū))缺乏關于太陽能系統(tǒng)的基本技術知識，可能發(fā)生對系統(tǒng)非正常使用、電池充電過度、極性反轉等情況，這些都可能導致系統(tǒng)損壞。此外，光伏組件內部裂紋、進水，組件被灰塵、藻類遮擋等會大幅降低系統(tǒng)的發(fā)電性能，空氣污染水平也會影響太陽電池的發(fā)電性能[2]。

3 國際太陽能發(fā)電產業(yè)的發(fā)展趨勢

目前國際上太陽能發(fā)電產業(yè)的發(fā)展趨勢主要包括：太陽能與儲能相結合、太陽能發(fā)電平價上網、光伏發(fā)電在綠色建筑中的廣泛應用，以及分布式光伏發(fā)電市場大幅增長等。

3.1 太陽能與儲能相結合

太陽能與儲能的結合是太陽能產業(yè)未來的發(fā)展趨勢。在許多國家，太陽能已成為能源組合的重要貢獻者，這主要得益于其在成本、規(guī)模和技術上的巨大改進。毋庸置疑，間歇性是太陽能發(fā)電技術所面臨的挑戰(zhàn)。長期以來，人們一直認為太陽能和儲能的結合可以解決此問題，平滑發(fā)電廠的輸出變化，在白天儲存電力，使系統(tǒng)可在晚上供電。過去，高成本的儲能電池阻礙了儲能系統(tǒng)的發(fā)展，近年來，隨著鋰離子電池價格的降低，為較大規(guī)?！疤柲?儲能”發(fā)電模式的建立提供了一定可能性。在一些國家和地區(qū)，一些大型公用事業(yè)規(guī)模的光伏發(fā)電廠正在增加儲能，以提供堅強的電力供應。另外，各國在發(fā)展風電和光伏發(fā)電的過程中，均出現(xiàn)了一定的棄風率和棄光率，為了充分利用清潔能源發(fā)電，隨之而來的便是激勵儲能的發(fā)展。

3.2 太陽能發(fā)電平價上網

為了實現(xiàn)太陽能發(fā)電的平價上網，各國政府和非政府組織對太陽能技術的政策、投資和支持有助于為此奠定堅實的基礎。雖然補貼和稅惠政策等各種激勵政策極大地推動了太陽能發(fā)電產業(yè)的發(fā)展，但目前政府也在做更多的努力，以減輕這些政策激勵帶來的財政負擔。許多國家已面臨太陽能補貼的大幅削減，而這可能會阻礙產業(yè)的增長。為了恢復這種潛在的衰退，政策制定者們也在致力于推進政策、激勵方面的改革，以支持大規(guī)模太陽能發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，如對不同形式拍賣制度的研究。此外，有研究表明，由于住宅太陽能發(fā)電規(guī)模小，度電成本高于大規(guī)模的公用事業(yè)規(guī)模太陽能發(fā)電，因此，應為住宅太陽能發(fā)電提供更高的補貼，以刺激其發(fā)展[2]。

太陽能發(fā)電技術商業(yè)化本身也受制于區(qū)域政策和立法[15]。在拍賣的設計上，不僅要以盡可能低的成本實現(xiàn)更多可再生能源電力，更多的是政治目標，如德國的拍賣會設計的本土能源公司優(yōu)先的條款。近年來，全球可再生能源的電力拍賣價格持續(xù)斷崖式下跌，自2016年起，可再生能源價格的下跌使許多國家首次對太陽能發(fā)電和風電進行拍賣以確定補貼金額，每次拍賣的價格持續(xù)下降，中標價格遠低于之前的上網電價，甚至低到出現(xiàn)“零補貼”的情況[16]。拍賣價格考慮的度電成本，是根據前期投資、后期運營維護的全部費用折算的平準化度電成本(LCOE)。太陽能發(fā)電的平準化度電成本下降比風電成本下降更快。

但從發(fā)展情況來看，太陽能發(fā)電終將有實力面對公平的市場競爭。當前在全球某些地區(qū)(如美國西部)，已經發(fā)現(xiàn)公共事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電的平準化度電成本比其他電源，特別是天然氣發(fā)電和風電更為優(yōu)越，在某些商業(yè)和住宅市場也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況[6]。過去的經驗證明，各國際能源機構所預測的所有情形均低于太陽能發(fā)電的實際發(fā)展，即使更新后的預估的太陽能發(fā)電能力是一個新的起點，其也仍然是持續(xù)低估了太陽能發(fā)電的增長情況。在不遠的將來，即使在完全市場化的競爭環(huán)境中，相比化石能源，持續(xù)下降的成本使光伏發(fā)電仍具有一定的競爭優(yōu)勢，而我們相信，這一進程將比預期來的還要快。

3.3 光伏發(fā)電在建筑行業(yè)的廣泛應用

在法國和美國等發(fā)達經濟體，人們利用太陽能光伏屋頂模擬器來評估特定城市的狀況，以建立屋頂光伏市場。隨著屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和智能系統(tǒng)設計成本的快速下降，具備供電可靠性的潛在的屋頂光伏發(fā)電解決方案變得越來越有吸引力且可靠，與電網擴建相比，這一方案提供了更具競爭力的經濟效益。屋頂光伏發(fā)電裝置可以在電網中斷期間為自身提供電力，并提高電力系統(tǒng)的恢復能力，從而為住宅和商業(yè)建筑帶來價值。從光伏屋頂擴展到外墻、天窗、陽臺遮陽板等的應用，也是未來光伏發(fā)電服務綠色建筑的主要方向。

近年來，光伏建筑一體化(BIPV)系統(tǒng)逐步被引入綠色建筑中。BIPV技術主要是以光伏組件作為發(fā)電器件，并將其集成到建筑上，以達到為建筑供電的目的。BIPV技術具有如下幾個優(yōu)點：

1)可以充分利用屋頂或幕墻進行設備安裝，并且不用額外配套其他基礎設施，空間利用合理；

2)可以提高建筑利用率，達到節(jié)能的目的；

3)可以達到原地用電及原地放電的目的，在一定距離內，可節(jié)約將電力輸送至電網的成本；

4)光伏陣列不僅可以提供充足的電力，還可以減輕室內冷負荷；

5)光伏陣列的安裝可以改善建筑物的外觀；

6)控制系統(tǒng)較為集中，電力控制、維護及其他操作系統(tǒng)都可以集中在一個建筑物內；

7)光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個清潔環(huán)保的系統(tǒng)，無噪音、污染物及燃料排放，可極大地提高樓盤的綜合質量[17]。

3.4 分布式光伏發(fā)電市場大幅增長

靈活性是電力系統(tǒng)的新主張。除了大規(guī)模電站的投資，分布式光伏發(fā)電(PVDG)，無論是在住宅還是在商業(yè)屋頂，都將發(fā)揮重要作用。考慮到支持政策和機構發(fā)展有限，離網太陽能系統(tǒng)的潛在市場在很大程度上仍然未被開發(fā)[2]。

支持分布式光伏發(fā)電已成為氣候和能源政策的核心部分。從概念上講，分布式光伏發(fā)電的特征是使用分散，以及連接電力系統(tǒng)。在使用方面，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是為自消費而安裝，因此靠近負載；在連接方面，其是與電網的中壓或低壓部分相連。這項技術使在電力供應有限或無電力供應的地區(qū)可以使用清潔電力，并為向可持續(xù)性轉型的發(fā)達國家提供具有競爭力的可再生能源。此外，光伏發(fā)電的不斷發(fā)展能夠帶來廣泛的社會效益和環(huán)境效益，有利于創(chuàng)造就業(yè)機會，以及幫助電力部門脫碳。低碳能源支持政策不斷增加，光伏發(fā)電技術的競爭力也在不斷提升，這些都促進了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展。2009～2017年，光伏組件的成本下降了85%以上。2016年，分布式光伏發(fā)電的年新增裝機容量占全球光伏發(fā)電的29%；到2030年，分布式光伏發(fā)電裝機容量有望達到546 GW，相當于光伏發(fā)電總裝機容量的62.6%[18]。

4 結語

本文對國際太陽能發(fā)電產業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了闡述和分析。當前世界范圍內，太陽能發(fā)電產業(yè)發(fā)展迅猛，各國都投入了大量的人力、物力和財力來發(fā)展太陽能發(fā)電技術。我國對太陽能發(fā)電技術的開發(fā)也相當重視，作為我國新能源產業(yè)的重要代表，太陽能發(fā)電產業(yè)正在迅速發(fā)展。太陽能發(fā)電不僅在技術上有了一定的突破，而且在產業(yè)規(guī)模上也達到了新的量級，為使太陽能發(fā)電得到持續(xù)的進步和發(fā)展，政府應繼續(xù)加大投入力度并給予相應的政策支持，使太陽能發(fā)電在我國真正成為普及性能源。