1.1.1 光伏发电的发展与挑战

能源与全球经济的发展和人类社会文明的进步息息相关。能源可根据其基本形态分为一次能源（自然界中以原有形式存在、未经加工转换的能源，如煤炭、石油、天然气、水）和二次能源（一次能源经过加工转化成的另一种形态的能源，包括电力、煤气、汽油等）。受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加[1]。过去30年来世界能源消费量年均增长率为1.8%左右[2]。根据美国能源信息署（Energy Information Administration，EIA）最新预测结果，2022年世界能源需求量将达到131.18亿t油当量，2025年将达到136.50亿t油当量，年均增长率为1.2%[3]。随着化石能源的广泛使用，每年有数十万吨的硫等有害物质抛向天空，严重污染大气环境，直接影响人类的生活，产生大量的温室气体导致温室效应，引起全球气候异常。因此，人类为了长久可持续发展，需要依靠科技的进步，提高能源使用效率，或者改变能源使用策略，开发利用不会枯竭且清洁绿色的能源——可再生能源。为应对能源危机和全球变暖，世界各国纷纷做出承诺，将加强对清洁能源的开发，降低二氧化碳排放量。“碳中和”是指个体或系统在一定时间内，直接或者间接回收的碳氧化物量大于或等于其所排放的碳氧化物量，即碳氧化物的静排放量小于或者等于零。碳中和联盟（Carbon Neutrality Coalition，CNC）的国家和地区作为碳中和社会的探索先驱者，通过制定法律或政策以尽早实现《巴黎协定》的碳中和目标。我国主动提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、努力争取2060年前实现碳中和这一极具力度的目标，对能源发展提出了新要求。

光伏是一种公认的具有成本竞争力和可持续性的技术。近年来，由于对可再生能源的需求不断增长，太阳能光伏能源已成为继水电和风能之后的第三大可再生能源，光伏技术得到了快速的发展，光伏装机容量逐年增加，并广泛应用于各行各业。人类不断开发利用太阳能，光伏发电是其中最重要的一部分，它是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电系统。为了满足光伏系统组成与正常运行，大量新兴产业应运而生，包括光伏逆变器产业、光伏组件产业、新型电能优化装置产业等。光伏发电的应用场景、应用领域很广，小到装配光伏发电模块的家用电器、基础设施建设，以及为了满足人类生存用电的各种规模光伏电站，再到军事航天航空领域的可靠能源供给，可以说光伏发电应用已经渗透到了全人类全社会之中。截至2020年底，全国光伏累计装机容量为25250万kW，其中分布式光伏累计容量为7815万kW（占比30.95%）；2020年全国光伏新增装机容量为4820万kW，其中分布式光伏为1552万kW（占比32.20%）。近年来我国光伏装机容量变化趋势如图1-1所示，光伏系统的装机容量逐年快速增长，且分布式光伏发展快速，占比逐年增大。据国际可再生能源机构（International Renewable Energy Agency，IRENA）预测，全球太阳能装机容量将在2020年达到2.48TW，2050年达到8.5TW[4]。光伏发电在总发电量中的占比将在2030年达到13%，2050年达到25%，成为全球第一大电力来源。据国际能源机构（International Energy Agency，IEA）报告预测，2019～2024年，全球可再生能源将增长50%（1200GW），太阳能光伏将约占增长的60%（700GW，140GW/年）。太阳能平准化度电成本（Levelized Cost Of Energy，LCOE）将从2018年的0.085美元/kWh降至2030年的0.02～0.08美元/kWh，到2050年将达到0.01～0.05美元/kWh[5]。其中，分布式光伏增长320GW，分布式光伏的发电成本逐渐低于零售电价，到2024年累计装机达到530GW。

图1-1 近年我国光伏装机容量变化趋势图

“十三五”以来，我国的光伏发电技术不断进步，产业规模持续扩大，实现了建设成本和发电成本的不断下降。我国的光伏产业目前处于全球领先水平，电池组件产量世界第一，产能远超出全球的需求。作为光伏电站的设备主体，光伏组件主要承担将太阳能转化为电能的作用。如今市面上光伏组件种类繁多，从规格尺寸上划分，主要有由60片或72片156mm×156mm的光伏电池单元组成的组件；从光伏电池材料上划分，主要有单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅组件等，根据应用电站的需求、综合发电效率和成本的不同，这些类型的组件各有各的优势；随着技术的创新，目前市面上涌现出很多新型光伏组件，包括叠片组件、半片电池组件、多晶黑硅组件、双面组件等，这些组件虽然发电效率更高，性能更好，但复杂的生产工艺提高了成本，从而限制了它们的普及率。目前已装机电站中普遍应用的是单玻晶硅光伏组件（60片），每块光伏组件的最大发电功率为300W左右，发电效率约为20%。光伏逆变器因其技术壁垒较高，在发展初期一直被国外逆变器企业所垄断。我国的部分逆变器企业在不断研发过程中逐步突破技术障碍，目前已在全球逆变器行业中占据一定地位。而随着组串式逆变器的技术进步和成本日益下降，也有部分集中式光伏电站开始使用组串式逆变器。而随着分布式光伏发电技术日渐成熟，屋顶和工商业光伏发电系统以及各类场景的小型光伏电站快速发展，组串式光伏逆变器得到了更加广泛的应用。在制造业取得成果的同时，近几年我国光伏电站的技术管理水平也得到了明显的提升，无人机巡检、远程运维已经在新建电站中得到较为广泛的运用。结合大数据、互联网等技术，光伏电站的运行情况能够得到实时监控，检修效率大幅提升。通过这些技术，使光伏电站的整体运维水平提高，光伏系统的发电效率得到了不断提升。经国网能源研究院初步测算，预计“十四五”期间全社会用电量增长率为4%～5%，“十四五”期间新增新能源发电装机容量至少约2.3亿kW，2025年总规模达到至少6.5亿kW（全国为7.5亿kW，太阳能发电的装机容量增长快于风电）[6]。此外，“光伏+”促进我国光伏产业向着更高质量发展，从能源利用方面来讲，与多种能源的综合利用，可能是未来的方式。另一方面，与各行业开发的结合，以便实现土地的增值利用。目前“光伏+”已有大规模应用，如光伏与水电、风电、火电、光热的综合利用。利用太阳能和风电、水电在日内和季节间变化的互补性，以及水电、火电、光热电站的调节能力，扩大消纳范围，对促进我国可再生能源的大规模开发利用具有重要的示范意义。在光伏+储能+智能微电网方面，典型应用有军民融合新能源微电网项目。光伏+储能，可平缓光伏发电短期波动，起到削峰填谷的作用，使太阳能发电在未来电力系统中发挥更大作用。光伏+智能微电网，可利用光伏发电普适性以及与负荷曲线较好匹配的特性，推动智能微电网的成本降低和高效利用。光伏+各种行业结合开发，如光伏扶贫等项目，利用光伏发电项目投资杠杆作用，综合发挥促进我国清洁低碳能源发展、扩大光伏发电市场、促进贫困人口稳收增收的多重作用，光伏扶贫项目助力我国全面脱贫发挥了重要作用。将农业、治沙、渔业、旅游等和光伏应用结合，可以提高土地利用效率，实现上可发电、下可沙漠化治理、种植、养鱼及与生态旅游相结合等的综合开发模式。实现一地多用，提高土地利用效率和产值，提高低碳能源比重，对于提高当地非化石能源比重和污染防治也具有重要意义。此外，光伏+沉陷区治理，在大规模矿业开采造成土地表面变形、沉陷，难以进行基建及耕种区域建设大型并网光伏项目。依托采煤沉陷区荒废区域建设光伏电站，实现沉陷区综合治理效益最大化，有效推进该区域由传统能源生产向新能源生产转型，满足节能环保需求，对调节当地经济结构，促进当地就业具有重要意义。将光伏发电直接与建筑物相结合，作为建材使用，同时生产电力。光伏充电站、光伏公路等建设，在保证清洁能源供应的同时，也是解决新能源汽车续航的发展方向之一。光伏与建筑和交通相结合的方式，可集约用地，同时起到加大能源清洁利用的作用。光伏与互联网、大数据的融合，可以充分反映光伏产业的信息化特征，促进能源行业和信息行业的跨界融合，实现能源生产和使用的智能化匹配及协同运行，推动创新创业和提高全社会生产效率。我国具有重要的光伏应用市场和成熟的产业体系，在“光伏+”的助力下，光伏产业将实现高质量发展。

在光伏产业快速发展的同时也面临诸多问题与挑战。一是消纳情况在部分地区仍面临困难。由于我国太阳能资源分布不均匀，导致部分地区的弃光率较高，因此在光伏电站大规模建设的同时，需要充分考虑当地的消纳调解能力，从而合理有效地配置光伏电站的容量。二是成本与价格问题。虽然光伏在近年的发展中成本不断下降，且趋于平价，未来通过技术的不断革新、通过市场资源的优化配置，光伏发电要更具备价格竞争优势。三是补贴机制。在考虑合理收支的情况下，不进一步扩大补贴缺口，这也是光伏行业面对的问题。除上述问题外，如何通过经济合理的技术手段对光伏电站进行运维，最大化光伏电站的收益也是当前光伏电站亟待解决的问题。而这些问题的解决，一方面需要政府进行政策的引导和扶持，另一方面，也需要产业界通过创新，从技术的层面上去支持解决行业面临的这些问题，以实现今后更好的、更高质量的发展。为实现光伏系统的降本增效，要保证光伏系统的可靠运行，对于光伏系统中可能的故障进行及时预警，可以最大程度地保证系统的稳定运行，降低运维成本，增加发电收益，因此光伏系统的故障诊断技术对于提高系统可靠性和增加经济收益具有重要价值。