光伏发电技术的发电成本分析与预测

光伏发电技术的发电成本分析与预测

0光伏发电新能源的选择通过确保能源供应安全，应对气候变化，在形成新的经济增长的压力下，世界各国都将重要的新能源发展如发电和照明。中国出台光伏发电上网电价政策并调高“十二五”光伏发电发展目标,光伏发电将在未来能源供应中占有一席之地,对光伏发电进行技术经济分析及发展趋势研判,有利于促进光伏发电合理健康发展。1固体发电技术光伏发电技术是利用半导体材料的光伏效应将太阳能直接转化为电能的固态发电技术,是太阳能利用的重要形式。截至2011年年底,全球光伏发电装机容量达到67.35GW,中国光伏发电装机容量达到近3GW。1.1电池和聚光太阳电池目前在用的光伏电池技术主要包括晶硅电池、薄膜电池和聚光太阳电池,其中晶硅电池应用最广泛,约占90%;薄膜电池近年增长迅速,占比接近10%;聚光太阳电池近年发展迅速,但占比仍然很小。1.1.1单晶硅电池的使用寿命长晶硅电池主要可分为单晶硅电池和多晶硅电池,其技术成熟度高,产业规模较大。目前商业化生产的单晶硅电池的光电转换效率为17%左右,实验室效率最高可达到24.7%。单晶硅电池使用寿命一般可达15年,最高可达25年。单晶硅电池的构造和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。多晶硅电池的制作工艺与单晶硅电池相似,但是多晶硅电池的光电转换效率偏低,商业化生产的多晶硅电池光电转换效率约为16%左右,实验室效率最高可达到20.3%。多晶硅电池的生产成本较低,使用寿命比单晶硅电池要短。1.1.2合成硅基薄膜电池薄膜电池根据材料体系不同主要可分为硅基薄膜电池和多元化合物薄膜电池,目前技术还不完全成熟,产业化规模相对较小。硅基薄膜电池硅材料消耗很少,电耗低、成本低、重量轻,便于大规模生产,其主要优点是在弱光条件下也能发电,主要问题是光电转换效率偏低。目前,国际上商业化生产的硅基薄膜电池的效率为6%~8%,且不稳定。多元化合物薄膜电池主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉和碲化镉以及铜铟硒薄膜电池等,砷化镓化合物电池转换效率可达28%,但材料昂贵;商业化生产的硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率为9%~11%,成本较单晶硅电池低,但镉有剧毒,会对环境造成严重的污染;铜铟硒薄膜电池转换效率和多晶硅电池相近,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,但由于铟和硒都是比较稀有的元素,这类电池的发展规模受到限制。1.1.3双轴追日电池型晶硅电池如三结砷化聚光电池聚光太阳电池利用聚光的办法提高太阳电池表面照度,相当于用光学系统代替昂贵的太阳电池,在降低成本的同时提高了效率。聚光太阳电池技术最显著的优点是高光电转换效率,德国Fraunhofer研究所开发的三结砷化镓聚光电池的效率可达到42.7%。在相同的外部条件下,结合双轴追日技术的应用,聚光太阳电池年发电量为传统晶硅电池的1.2~1.4倍。总体来看,晶硅电池的优点是转换效率较高、占地面积小,缺点是硅耗大、成本高;薄膜电池的优点是硅耗小、成本低,缺点是转换效率低、占地面积大、衰减大;聚光电池的优点是转换效率高,缺点是不能利用漫射辐射,必须使用跟踪器,成本较高,目前主要用于航空航天领域。不同类型光伏发电技术比较如表1所示。1.2光伏发电系统的展望(1)多种光伏电池技术竞相发展。第1代晶硅电池由于硅资源丰富、价格低廉、材料产业化程度高,被公认为是目前实现太阳能高效、廉价且广泛利用的主要途径。目前,晶硅电池市场份额超过90%,在可预见的将来,其仍为市场主导,并将向低成本和高效率发展。第2代薄膜电池的主要特点是成本低、耗能少,虽然目前其转化效率难以突破晶硅电池现有水平,市场份额不足10%,仍然被认为具有很好发展前景,特别是新型柔性太阳能电池技术受到广泛关注。薄膜电池将向着高效率、高稳定性和长寿命方向发展。第3代新型太阳能电池的效率高,但材料制备困难且价格昂贵,目前仍处于探索研究中,商业化还需时日,提高电池效率和稳定性是未来发展的方向。(2)各种光伏发电利用系统的发展预测。a.并网光伏电站趋于大型化,并向百万千瓦级发展,目前已有单站规模超过1GW的在建光伏电站。b.分布式建筑光伏发电系统,具有不占土地、降低输电投资和损耗、美观节能等优点,且多位于负荷中心,可就近上网,是未来光伏发电系统重要发展方向,势必得到推广应用。c.离网式光伏发电系统在偏远无电地区,以及在通信、交通、照明等领域的应用规模将进一步扩大。(3)光伏微电网发电技术向着高稳定性和低成本方向发展。光伏微电网以光伏发电为主要电源,并可与其他电源或储能装置配合,直接分布在用户负荷中心附近进行供电。典型微电网属于“可控单元”,可完全脱离主网运行,也可接入主网运行,可减少电网输配电投资,降低太阳能间歇性和不稳定性对用户的影响,非常适合供电成本较高的边远山区和海岛以及具有高可靠性要求的用户使用,将成为提高光伏发电并网友好性的重要途径。目前微电网发电技术在全球尚处于研究示范阶段,成本仍然较高,随着技术持续进步,成本逐步降低,未来发展潜力巨大。2在对路灯发电成本的分析中2.1光伏发电系统成本光伏发电成本的高低,直接决定着其能否大规模快速发展以及未来在能源供应中的地位。光伏发电成本主要受寿命期内光伏发电总成本和总发电量的影响。光伏发电总成本主要取决于初始投资的大小,而运行维护费、贷款利率、税收等其他因素,对系统的发电成本影响不大。(1)初始投资。光伏电站的初始投资大致可分为光伏组件、并网逆变器、配电设备及电缆、电站建设安装等成本,其中光伏组件投资成本占初始投资的50%~60%,具体如图1所示。2009年国际金融危机爆发后,光伏组件价格大幅下滑,特别是2011年下半年由于欧洲大幅削减光伏发电补贴,造成国际市场太阳能电池及组件产能严重过剩,国内光伏组件价格已降至6~8元/W。由于光伏组件价格大幅下滑,目前地面光伏电站的单位初始投资已降至12~18元/W。(2)发电量。光伏发电系统的发电量主要取决于当地太阳能资源和光伏发电的效率,同时还受运行方式、电池表面清洁度、线路损耗等多种因素的影响。中国与建筑结合的光伏发电系统主要安装在东部沿海地区,考虑到系统效率及太阳能辐射量等因素的影响,年有效运行时间为1200h。中国大型光伏电站主要安装在西部地区,其太阳光照条件好,年有效运行时间为1500h。(3)单位电量成本(度电成本)。根据中国实际条件确定的光伏发电系统度电成本测算的财务条件如表2所示。根据表2给出的成本测算参数,测算不同的初始投资条件下光伏发电系统度电成本如表3所示。2.2国外典型光伏发电系统度电成本比较中国光伏发电市场起步较晚,主要开展了特许权招标和投资补贴等示范项目,投资、建设、运营等相关技术经济数据不能反映真实的成本,本文主要选择国外典型在运电站数据进行分析。国外典型光伏发电系统度电成本(以人民币计)如表4所示。由表4可见:(1)聚光光伏电站单位投资成本总体高于晶硅光伏和薄膜光伏电站,但聚光光伏电站等效利用小时数较高,其度电成本略低于薄膜光伏电站,仍高于大规模地面晶硅光伏电站;(2)薄膜光伏电站单位投资成本总体低于晶硅光伏电站,但其效率低,度电成本高于晶硅光伏电站;(3)地面电站单位投资成本和度电成本均低于屋顶光伏系统。2.3光伏发电单位投资成本和司法实践成本过高仍然是制约光伏发电规模化发展的主要因素。未来光伏发电主要是并网运行,随着电池效率提高、组件成本下降及寿命延长,光伏发电成本将接近平价上网水平,具有发电竞争力。不同国际机构对未来光伏发电系统度电成本的预测结果如表5所示。目前,中国并网光伏发电单位初始投资成本为15元/W,光伏发电装机容量为3GW。按照中国光伏发电产业目前的发展趋势,随着技术进一步提升和装备的全面国产化,以后每年初始投资成本会下降10%。根据《可再生能源“十二五”规划》,到2015年年底,中国太阳能光伏发电装机容量将达到14GW,到2020年年底将达到40GW,预计到2030年年底将达到200GW。测算得到,2015年中国光伏发电单位投资成本约为11元/W,2020年将下降到10元/W,2030年将下降到4元/W。2011年,中国并网光伏发电系统度电成本为1.2元/(kW·h),也按以后每年下降10%计算,到2015年将下降到0.6元/(kW·h),2020年将下降到0.4元/(kW·h),到2030年将下降到0.2元/(kW·h)。中国光伏发电成本变化趋势如图2所示。3照明发展趋势分析3.1光伏发电实现大规模并网技术综合考虑光伏发电技术进步、其他常规电源成本变化趋势以及政策措施变化情况,初步分析得出2050年前光伏发电发展路线,具体如表6所示。2010—2020年,光伏发电产业实现规模化发展。系统成本和度电成本下降50%。在光照条件好的国家实现用户侧平价上网,部分地区甚至在2015年前就能实现。到2020年,光伏发电与常规电源相比具备一定竞争力。2020—2030年,光伏发电实现大规模并网,具备市场竞争力。到2030年,在发电侧实现平价上网。居民用户和商业用户系统成本具备竞争力。在此期间,国家激励政策将逐步减弱或取消。2030—2050年,光伏发电进入大规模普及阶段,系统安装成本将降至5~8元/W,居民用户、商业用户及公用事业度电成本均大幅降低。全球光伏发电装机容量仍将稳步增长,但增速将有所放缓。3.2光伏发电行业发展现状虽然目前世界光伏发电量仅约占电力消费总量的0.1%,对电力供应结构尚不具有影响力,但在西班牙、德国等部分国家和地区,光伏发电量已经能够满足2%~3%的电力需求。基于技术、成本、政策等方面考虑,相关机构对光伏发电发展规模进行了预测。2011年11月,国际能源署(IEA)发布《世界能源展望2011》,对2035年前世界能源电力发展设置了3种情景,分别为当前政策情景(假定现有政策不变)、新政策情景(政府采取新的鼓励低碳发展政策)和450×10-6情景(CO2体积分数不超过450×10-6,全球升温控制在2℃以内)。主要预测结果如表7所示。欧洲光伏工业协会(EPIA)每年会对未来5年世界及主要国家和地区光伏发电产业发展进行预测。根据2011年发布的最新报告,2013年全球光伏发电总装机容量将超过100GW,到2015年年底将达到131~196GW。主要预测结果如表8所示。综合上述机构预测结果,结合主要国家和