国际太阳能发电产业现状及发展趋势

马维唯

(国家能源技术经济研究院，北京 102211)

0 引言

随着经济的不断发展，世界各国都面临着能源危机的问题。传统的煤炭、石油等化石能源作为非可再生能源，正面临日趋减少的状况，因此，开发和加大对清洁能源的研究和利用是人类为获取满足发展所需的能源和应对气候变化带来的综合挑战的必然需求，从2015年世界各国达成《巴黎协定》，到联合国可持续发展目标的制定，都是人类为应对该挑战所做出的措施。另外，虽然电力在全球范围内已普遍使用，但全球仍有一定数量的人口还未得到有效的电力供应，而这些人口大都集中于发展中国家，因此，发展清洁能源对发展中国家乃至全球的能源供应和能源结构调整都具有很重要的作用。综上所述，太阳能发电作为一种清洁的可再生能源，是目前解决能源危机的一种有效途径。

由于太阳能资源分布广泛，利用其发电不需要使用燃料且发电过程清洁无污染，因此，太阳能发电近年来在世界各地发展迅速。太阳能发电不仅比传统火力发电具有更广泛的发展前景，而且与风电、核电等新型发电技术相比，太阳能发电在清洁能源领域也具有独特的优势。本文基于全球低碳经济发展背景，从国际太阳能发电产业的发展现状、面临的挑战及发展趋势几个方面，对国际太阳能发电产业进行了阐述。

1 国际太阳能发电产业的发展概况

1.1 太阳能资源及太阳能发电产业投资概况

全球太阳能开发潜力巨大，考虑到这种巨大的潜力，若技术可行，地球接收的太阳辐射将足以满足全球的能源需求[1]。近年来，基于多种太阳电池技术和系统平衡(BOS)的广泛研究已显示出太阳能发电显著的成本降低和效率、功能改进的潜力，使太阳能发电成为一个可行的技术方案。然而，尽管太阳能潜力巨大，知名度不断提高，但目前其对全球能源供应的贡献仍微不足道[2]。

世界范围内的太阳能资源主要集中在赤道地区，太阳能发电基地在世界各大洲均有分布，中国、以色列、沙特等国是亚洲太阳能发电的主要开发基地；意大利、希腊、德国等国是欧洲太阳能发电的主要开发基地；美洲的太阳能发电开发基地主要集中在秘鲁、智利和美国；埃塞俄比亚、肯尼亚、撒哈拉沙漠等国家和地区是非洲的太阳能发电开发基地；在大洋洲，澳大利亚的太阳能发电规模占主导地位[3-4]。

截至2017年底，全球太阳能发电分别占电力总装机容量和总发电量的6.3%和1.7%[5]。2017年太阳能在全球新增发电投资中占主导地位，全球新增太阳能装机容量达98 GW，太阳能发电吸引了全球1608亿美元的投资，超过任何其他电力工业技术(包括除太阳能外其他可再生能源、化石燃料和核能)。中国太阳能发电近年来发展迅速，2017年中国太阳能装机容量比上一年增加了53 GW，超过全球增量的一半；然后依次为美国新增10.7 GW、印度新增7.95 GW、日本新增7.5 GW、德国新增1.6 GW、澳大利亚新增1.6 GW、韩国新增1.2 GW、巴基斯坦新增1.0 GW、英国新增0.99 GW、荷兰新增0.79 GW、法国新增0.64 GW、比利时新增0.26 GW、南非新增0.32 GW、加拿大新增0.23 GW、泰国新增0.19 GW[6]。在过去10年中，随着新兴市场的扩展，装机容量一直稳步增长。

太阳能发电产业的迅猛发展，为世界各国增加了许多就业机会。国际可再生能源署(IRENA)发布的《2018可再生能源与就业》年度报告指出，2017年，该产业在全球创造了50多万个新工作岗位，可再生能源(包括大型水电)从业人员的总数首次超过了1000万人。

1.2 技术概况

太阳能发电技术分为2类：光伏发电和聚光太阳能发电(CSP，也称为太阳能热发电) ，下文将分别进行介绍。

1.2.1 光伏发电

光伏发电的历史始于1839年，当时法国物理学家亚历山大·贝克勒尔观察到电流是由某些光引发的化学反应产生[7]。光伏发电技术一般根据主要吸收层材料进行分类，其中技术相对成熟的是晶硅类(c-Si)太阳电池技术，其在全球光伏市场中占据主导地位。晶硅类太阳电池可分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，由于制备方法不同，多晶硅太阳电池比单晶硅太阳电池具有价格更低的优势，但同时也存在平均转换效率较低的劣势；而单晶硅太阳电池具备能耗更低、提纯效果更稳定且更好的优势，但也存在生产效率或产能较低的劣势。除了晶硅类(c-Si)材料外，近年来，碲化镉(CdTe)、非晶硅(a-Si)等薄膜太阳电池也发展迅速，技术日渐成熟；还有化合物半导体太阳电池(如砷化镓GaAs)，其为目前发电效率最高的太阳电池。此外，还有尚处于研发阶段的电池种类，包括染料敏化、有机、钙钛矿和量子点电池等，这些材料具有廉价、环保等优点，但其中一些也存在不稳定、发电效率低等缺点[8]。

然而晶硅类太阳电池的转换效率从热力学角度被限制了，其实验室效率最多只能达到31%或41%(取决于入射光线的集中程度)，因此晶硅类太阳电池可能无法满足长期的成本目标，这就是所谓的Schockley-Queisser效率限制[9]。而突破该限制的途径是开发薄膜太阳电池。具备低成本、高灵活性优势的薄膜太阳电池正在追逐晶硅类太阳电池的效率水平，但尚处于产业化初级阶段。目前，技术相对成熟的薄膜太阳电池主要有非晶硅(a-Si)电池、碲化镉(CdTe)电池、砷化镓(GaAs)电池、铜铟镓硒(CIGS)电池4类，其中，铜铟镓硒(CIGS)电池以最高的量产级转换效率被视为最具应用潜力的高效薄膜太阳电池。薄膜太阳电池具有高效、廉价、轻便的优势，可适用于消费级产品，但受限于稀有金属自然储量的有限性，其无法应对全面大量使用的工业市场需求[10]。目前从性价比方面来看，薄膜太阳电池还无法取代晶硅类太阳电池的垄断地位，而在经过了2018年的价格战之后，单晶硅太阳电池已显示出比多晶硅太阳电池更强的竞争力。

描述光伏发电技术最常见且客观的参数是效率，美国国家可再生能源实验室(NREL)绘制了从1975年开始的光伏发电技术发展中电池的最高效率纪录值的更新图(见图1)，该图通常称为研究电池效率的最佳参考图。图中，不同的颜色对应不同技术类型的电池效率：蓝色代表c-Si电池技术，绿色代表薄膜电池技术，紫色代表几种化合物半导体电池技术，橙色代表量子点等新兴电池技术。另外，灰色代表提供结果的实验室[7]。

1.2.2 聚光太阳能发电

聚光太阳能发电(CSP)，也称作太阳能热发电，是通过汇集太阳辐射获得热能，并将热能转化成高温蒸汽，最后利用高温蒸汽驱动蒸汽轮机发电的技术。作为一种尚未成熟的发电技术，聚光太阳能正处于早期部署阶段，目前主要在几个发达国家或地区，如美国、欧洲、日本、澳大利亚，以及几个发展中国家，如印度、西班牙、塞内加尔等国开展研究和开发。目前，共有4种聚光太阳能设备类型，即抛物面槽式(PT)、线性菲涅尔式(FR)、塔式(ST)和碟式(SD)。根据镜场和接收器的设计、配置，所用的传热流体，以及是否涉及储热，这4种设备类型有所不同，前3种设备类型主要用于集中发电。目前，抛物面槽和太阳能塔在商业上已得到了验证，线性菲涅尔和太阳能碟仍处于早期商业项目、示范项目阶段。

重要的是，与风电和光伏发电需要依赖一个单独的储能系统才能实现电力稳定输出，聚光太阳能发电提供了集成储热的可能性，能够存储白天收集的能量，并在需要时将其用于发电。这样，聚光太阳能发电既可以在太阳辐射高时提供清洁的电力，也可以在夜间和太阳辐射低时提供可调度的电力。此外，聚光太阳能可利用化石燃料和太阳能混合加热，这种混合技术可以提高发电岛的有效利用，提高聚光太阳能技术的价值。然而，受到对太阳能资源要求较高等因素的影响，与光伏发电技术相比，聚光太阳能发电似乎正在打一场败仗，因为投资者们更倾向于将注意力集中到在所有可再生能源技术中拥有最陡峭学习曲线的太阳能光伏发电上[11]。

1.3 融资方式

对于太阳能发电并网项目，由于其规模较大、风险较低，国际上通常采用无追索权的项目融资方式。在项目开发、建设、运营的不同阶段，由于在整个清洁能源生命周期中风险和回报的情况在不断变化，因此，不同类型的股权和债务投资者往往通过与其风险偏好相匹配的工具，在项目的不同阶段参与投资。分布式发电的相关融资结构通常基于公司融资模式，即服务提供商寻求资本以扩大其运营，而不是项目融资。

为了释放更多资本，还需要提高投资者直接投资非流动资产的能力，一般采用资产证券化的模式，即将多个小规模的、同质化的清洁能源项目打包，包装成标准化、公开交易的资产。目前成功的案例主要集中在发达国家，新兴市场的经验很少。然而，近期已有一些金融机构正在探索这一模式，例如印度的太阳能投资信托基金和IFC屋顶太阳能融资计划，以及巴西的绿色应收款基金。

此外，还有一些情况需要注意。由于巴塞尔协议III的净稳定资金比率(NSFR)，银行越来越不愿意用长期贷款为项目融资提供资金，7～15年的长期贷款市场正在萎缩，这意味着太阳能发电项目将面临再融资风险。此外，在为项目准备、分布式发电和新技术提供的早期风险融资方面还有较大不足。对于主要通过企业融资进行融资的分布式发电，在最早期阶段，包括股权融资和债务融资，投资不足，特别是在金融部门欠发达的国家。新的可再生能源技术，如能源储存，也面临包括发达市场在内的早期风险融资的短缺[12]。

2 太阳能发电产业面临的挑战

2.1 对现有电网提出挑战

随着新能源的迅猛发展，电网中新能源所占比例也在逐渐增大，电网系统中电源成分的变化引起了电网运行特性的一系列变化，并且产生了一些亟待解决的问题：1)新能源的波动性与不确定性给电力电量平衡造成了一定程度上的困难；2)电网频率和电压调节能力相应有所下降；3)随着分布式电源的大量接入，电网运行控制出现了一些问题[13]。

相比于风力发电，太阳能发电的优势在于其与电力负荷曲线相对更接近，但随着太阳能发电在电网中的占比越来越大，给管理电网造成了困难。规划制定者雄心勃勃，如美国加州计划在2030年实现60%电力来自于可再生能源，在2045年这个比例达到100%的目标。但随着太阳能发电、风电等可再生能源电力占电网份额的不断提升，其对电网造成了巨大的挑战，这一情景可以通过美国加州的“鸭型曲线”预测一二，如图2所示。“鸭型曲线”用系统净负荷的形式显示了峰值需求和可再生能源(主要是太阳能)发电之间的时间不平衡。

从图2可以看出，随着太阳能发电在整体电力组合中的份额不断增加，“鸭肚”有逐渐变低的趋势，相应的后续斜坡也更陡峭。为了抵销陡峭斜坡，用峰值价格可以提供一定激励；但最根本的解决方式是利用电池、化学储能或抽水蓄能等方式进行储能，将白天储存的能量在夜晚释放回电力系统，使鸭形曲线“扁平化”[5]。总之，由于太阳能发电和风电都是间歇性能源，寻找储存大量电力的方法已成为电力部门脱碳的一个关键挑战。

2.2 贸易摩擦

近年来，在全球太阳能发电行业，不论在供应侧还是需求侧，中国都扮演了很重要的角色，中国市场和企业的动态可以影响全球的供需和价格。由于中国光伏组件产量激增，价格下降，影响了美国相关企业的竞争力，Suniva和Solar World两家美国企业要求美国政府对中国企业采取行动。2018年1月，美国政府宣布通过“201条款”，对进口的太阳电池及组件首年征收30%的关税。

然而，美国对于就业的计算也存在偏颇。2017年，美国光伏制造业的雇佣人数仅为3.7万人，只占美国光伏行业就业总人数的15%；而美国光伏产业其他就业机会还包括：安装12.9万人、项目开发3.6万人、营销3.1万人。目前，美国80%的光伏组件依靠进口，如果没有低价光伏组件，满足行业需求的企业将减少，还将影响美国约10万个就业机会，而这是制造业支持的就业机会的10倍。

2.3 其他方面的影响

尽管太阳能的开发和部署有其应有的绿色声誉，但其也可能会产生不良的社会和环境后果，从糟糕的工厂劳动标准到对野生动物景观的影响，太阳能开发面临着生态问题与气候变化之间的冲突，因此，产业发展需要关注太阳能开发与环境研究、能源政策、社会学之间的关系[14]。此外，光伏组件是由稀有金属或贵金属(如银、碲或铟)制成，还没有完善的废组件回收措施，并且多晶硅在生产过程中会产生有毒的副产品四氯化硅，以上这些都会对环境产生一定的污染。

在太阳能发电技术开发过程中，还可能存在其他问题，如缺乏熟练的人员对太阳能系统进行安装、维护、检查、维修和评估日益增长的需求，用户(尤其是发展中国家的农村地区)缺乏关于太阳能系统的基本技术知识，可能发生对系统非正常使用、电池充电过度、极性反转等情况，这些都可能导致系统损坏。此外，光伏组件内部裂纹、进水，组件被灰尘、藻类遮挡等会大幅降低系统的发电性能，空气污染水平也会影响太阳电池的发电性能[2]。

3 国际太阳能发电产业的发展趋势

目前国际上太阳能发电产业的发展趋势主要包括：太阳能与储能相结合、太阳能发电平价上网、光伏发电在绿色建筑中的广泛应用，以及分布式光伏发电市场大幅增长等。

3.1 太阳能与储能相结合

太阳能与储能的结合是太阳能产业未来的发展趋势。在许多国家，太阳能已成为能源组合的重要贡献者，这主要得益于其在成本、规模和技术上的巨大改进。毋庸置疑，间歇性是太阳能发电技术所面临的挑战。长期以来，人们一直认为太阳能和储能的结合可以解决此问题，平滑发电厂的输出变化，在白天储存电力，使系统可在晚上供电。过去，高成本的储能电池阻碍了储能系统的发展，近年来，随着锂离子电池价格的降低，为较大规模“太阳能+储能”发电模式的建立提供了一定可能性。在一些国家和地区，一些大型公用事业规模的光伏发电厂正在增加储能，以提供坚强的电力供应。另外，各国在发展风电和光伏发电的过程中，均出现了一定的弃风率和弃光率，为了充分利用清洁能源发电，随之而来的便是激励储能的发展。

3.2 太阳能发电平价上网

为了实现太阳能发电的平价上网，各国政府和非政府组织对太阳能技术的政策、投资和支持有助于为此奠定坚实的基础。虽然补贴和税惠政策等各种激励政策极大地推动了太阳能发电产业的发展，但目前政府也在做更多的努力，以减轻这些政策激励带来的财政负担。许多国家已面临太阳能补贴的大幅削减，而这可能会阻碍产业的增长。为了恢复这种潜在的衰退，政策制定者们也在致力于推进政策、激励方面的改革，以支持大规模太阳能发电系统的开发，如对不同形式拍卖制度的研究。此外，有研究表明，由于住宅太阳能发电规模小，度电成本高于大规模的公用事业规模太阳能发电，因此，应为住宅太阳能发电提供更高的补贴，以刺激其发展[2]。

太阳能发电技术商业化本身也受制于区域政策和立法[15]。在拍卖的设计上，不仅要以尽可能低的成本实现更多可再生能源电力，更多的是政治目标，如德国的拍卖会设计的本土能源公司优先的条款。近年来，全球可再生能源的电力拍卖价格持续断崖式下跌，自2016年起，可再生能源价格的下跌使许多国家首次对太阳能发电和风电进行拍卖以确定补贴金额，每次拍卖的价格持续下降，中标价格远低于之前的上网电价，甚至低到出现“零补贴”的情况[16]。拍卖价格考虑的度电成本，是根据前期投资、后期运营维护的全部费用折算的平准化度电成本(LCOE)。太阳能发电的平准化度电成本下降比风电成本下降更快。

但从发展情况来看，太阳能发电终将有实力面对公平的市场竞争。当前在全球某些地区(如美国西部)，已经发现公共事业规模的太阳能发电的平准化度电成本比其他电源，特别是天然气发电和风电更为优越，在某些商业和住宅市场也发现了同样的情况[6]。过去的经验证明，各国际能源机构所预测的所有情形均低于太阳能发电的实际发展，即使更新后的预估的太阳能发电能力是一个新的起点，其也仍然是持续低估了太阳能发电的增长情况。在不远的将来，即使在完全市场化的竞争环境中，相比化石能源，持续下降的成本使光伏发电仍具有一定的竞争优势，而我们相信，这一进程将比预期来的还要快。

3.3 光伏发电在建筑行业的广泛应用

在法国和美国等发达经济体，人们利用太阳能光伏屋顶模拟器来评估特定城市的状况，以建立屋顶光伏市场。随着屋顶光伏发电系统和智能系统设计成本的快速下降，具备供电可靠性的潜在的屋顶光伏发电解决方案变得越来越有吸引力且可靠，与电网扩建相比，这一方案提供了更具竞争力的经济效益。屋顶光伏发电装置可以在电网中断期间为自身提供电力，并提高电力系统的恢复能力，从而为住宅和商业建筑带来价值。从光伏屋顶扩展到外墙、天窗、阳台遮阳板等的应用，也是未来光伏发电服务绿色建筑的主要方向。

近年来，光伏建筑一体化(BIPV)系统逐步被引入绿色建筑中。BIPV技术主要是以光伏组件作为发电器件，并将其集成到建筑上，以达到为建筑供电的目的。BIPV技术具有如下几个优点：

1)可以充分利用屋顶或幕墙进行设备安装，并且不用额外配套其他基础设施，空间利用合理；

2)可以提高建筑利用率，达到节能的目的；

3)可以达到原地用电及原地放电的目的，在一定距离内，可节约将电力输送至电网的成本；

4)光伏阵列不仅可以提供充足的电力，还可以减轻室内冷负荷；

5)光伏阵列的安装可以改善建筑物的外观；

6)控制系统较为集中，电力控制、维护及其他操作系统都可以集中在一个建筑物内；

7)光伏发电系统是一个清洁环保的系统，无噪音、污染物及燃料排放，可极大地提高楼盘的综合质量[17]。

3.4 分布式光伏发电市场大幅增长

灵活性是电力系统的新主张。除了大规模电站的投资，分布式光伏发电(PVDG)，无论是在住宅还是在商业屋顶，都将发挥重要作用。考虑到支持政策和机构发展有限，离网太阳能系统的潜在市场在很大程度上仍然未被开发[2]。

支持分布式光伏发电已成为气候和能源政策的核心部分。从概念上讲，分布式光伏发电的特征是使用分散，以及连接电力系统。在使用方面，分布式光伏发电系统是为自消费而安装，因此靠近负载；在连接方面，其是与电网的中压或低压部分相连。这项技术使在电力供应有限或无电力供应的地区可以使用清洁电力，并为向可持续性转型的发达国家提供具有竞争力的可再生能源。此外，光伏发电的不断发展能够带来广泛的社会效益和环境效益，有利于创造就业机会，以及帮助电力部门脱碳。低碳能源支持政策不断增加，光伏发电技术的竞争力也在不断提升，这些都促进了分布式光伏发电的发展。2009～2017年，光伏组件的成本下降了85%以上。2016年，分布式光伏发电的年新增装机容量占全球光伏发电的29%；到2030年，分布式光伏发电装机容量有望达到546 GW，相当于光伏发电总装机容量的62.6%[18]。

4 结语

本文对国际太阳能发电产业的现状及发展趋势进行了阐述和分析。当前世界范围内，太阳能发电产业发展迅猛，各国都投入了大量的人力、物力和财力来发展太阳能发电技术。我国对太阳能发电技术的开发也相当重视，作为我国新能源产业的重要代表，太阳能发电产业正在迅速发展。太阳能发电不仅在技术上有了一定的突破，而且在产业规模上也达到了新的量级，为使太阳能发电得到持续的进步和发展，政府应继续加大投入力度并给予相应的政策支持，使太阳能发电在我国真正成为普及性能源。