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        光伏發電技術“十四五”科技發展展望

        放大字體??縮小字體 光伏產業網訊 發布日期:2022-05-12??來源:中國電力報??
        核心提示:光伏發電技術“十四五”科技發展展望。
            作為全球最大的光伏發電應用市場,我國已成為各類新型光伏電池技術產業化轉化與應用的孵化地。未來我國將繼續聚焦國際光伏發電技術發展重點方向,引領全球光伏發電產業化技術持續創新發展。
         
          近年來,在技術進步的推動下,我國光伏發電產業取得快速發展,產業規模和技術水平均達到世界領先水平。放眼“十四五”時期,精心謀劃、提前布局,加強光伏技術創新與產業升級,是提升核心源動力,推動光伏發電高質量、低成本、大規模發展的重要保障。
         
          光伏發電技術發展現狀與趨勢
         
         ?。ㄒ唬┦澜绻夥l電技術發展現狀
         
          大力發展可再生能源已成為全球能源革命和應對氣候變化的主導方向和一致行動。近年來,光伏發電作為重要的可再生能源發電技術取得了快速發展,在很多國家已成為清潔、低碳并具有價格競爭力的能源形式。2020年全球新增光伏發電裝機1.27億千瓦,累計裝機規模達到7.07億千瓦。
         
          晶體硅電池仍是光伏電池產業化主流技術,新型電池發展迅速。光伏電池作為光伏行業的核心部件,根據工藝和原材料不同主要可分為晶體硅電池、薄膜電池、鈣鈦礦電池、有機電池等。其中,晶體硅電池由于其轉換效率高、原材料來源豐富、無毒無害等優點,占據了光伏電池規?;a與應用的主體。近年來,PERC(發射極鈍化和背面接觸)技術的廣泛應用,進一步推動晶體硅電池轉換效率的提高。另一方面,以鈣鈦礦電池為代表的新型電池成為世界范圍內的研究熱點,轉換效率快速提升,實驗室最高轉換效率已接近晶體硅電池,產業化進程逐步推進,但其在大面積應用、器件穩定性等方面仍面臨挑戰。
         
          光伏系統精細化水平不斷提升,應用模式多樣化。光伏系統子陣容量不斷增大,1500伏光伏系統應用比例已經逐步超過1000伏系統,并網安全性、可靠性標準不斷提高,光伏電站發電能力與電能質量不斷提升。“光伏+農業”“光伏+畜牧業”“光伏+建筑”“光伏+漁業”等復合應用形式規模不斷擴大,微電網、智能電網等光伏發電與電網的深入融合逐步成為電力行業新業態。
         
         ?。ǘ┦澜绻夥l電技術發展趨勢
         
          世界各國持續深化布局光伏發電全產業鏈創新,作為推進新興產業發展的主要戰略舉措,通過全覆蓋布局先進材料、制造和系統應用各環節研發實現成本降低與競爭力提升。
         
          光伏核心器件朝高效率、低能耗、低成本方向發展。晶體硅電池已構建了完備的全產業鏈,將繼續占據光伏電池生產量的主要份額,未來將進一步向著更高的轉換效率、更少的原材料消耗、更低的能源消耗、更低的制造成本的方向發展。鈣鈦礦電池、疊層電池作為未來光伏電池技術重要的發展方向,世界各國均在此方面重點投入,著力提升器件性能與穩定性,推動產業化布局,在解決大面積、穩定性等方面的問題后,鈣鈦礦電池將有望改變光伏應用市場的產業格局。
         
          光伏應用向多利用場景方向發展。世界各國結合自身實際情況,積極推動光伏建筑一體化、漂浮式光伏、光伏+農業、光伏車棚等多種新型應用形式發展,與之相關的特異性產品技術、聯合運行控制技術等成為研究重點。
         
         ?。ㄈ┪覈夥l電技術現狀
         
          “十三五”期間,在產業規??焖贁U大的帶動下,我國光伏發電技術取得快速發展,光伏電池、組件等關鍵部件產業化量產技術達到世界領先水平;生產設備技術不斷升級,基本實現國產化;光伏發電系統成套技術不斷優化完善,智能化水平顯著提升。
         
          光伏電池組件技術快速迭代,產業化制造水平世界領先。到“十三五”末,我國光伏電池制造環節基本實現了從傳統“多晶鋁背場”技術到“單晶PERC”技術的更新換代,主流規?;慨a晶體硅電池平均轉換效率從“十三五”初期的18.5%提升至22.8%,實現跨越式發展。TOPCon(隧穿氧化層鈍化接觸)、HJT(異質結)、IBC(背電極接觸)等新型晶體硅高效電池與組件技術產業化水平不斷提高,頭部企業多次刷新產業化生產轉換效率世界紀錄,已具備規?;a能力與較強的國際競爭力。鈣鈦礦等新一代高效電池技術保持與世界齊頭并進,研究機構多次創造鈣鈦礦電池實驗室轉換效率世界紀錄,部分企業已開展產業化生產研究,并多次刷新產業化生產組件轉換效率紀錄。
         
          光伏發電制造設備水平明顯提升,基本實現國產化。我國光伏設備實現了從低端向高端發展,產品定制化程度不斷提高,高產能與高效自動化能力不斷提升,自動化、數字化、網絡化程度的提升推動光伏制造向光伏智造轉變。多晶硅硅片、電池片、組件各環節生產裝備已基本實現國產化。
         
          光伏發電系統技術不斷優化,智能化運維助力發電能力提升。大量新技術被應用于光伏電站整體設計以及系統級優化。光伏支架跟蹤系統、1500伏電壓的采用有效提高了光伏發電系統的實際發電能力;智能機器人、無人機、大數據、遠程監控、先進通信技術等已在電站運行中使用。
         
         ?。ㄋ模┪覈夥l電技術發展趨勢
         
          作為全球最大的光伏發電應用市場,我國已成為各類新型光伏電池技術產業化轉化與應用的孵化地。未來我國將繼續聚焦國際光伏發電技術發展重點方向,引領全球光伏發電產業化技術持續創新發展。
         
          光伏電池效率進一步提升。晶體硅電池仍將在一段時間內保持主導地位,并以PERC技術為主。采用TOPCon或HJT技術的N型晶體硅電池在綜合考慮效率、成本、規模,具備較好市場競爭力后,有望成為下一個主流光伏電池技術。鈣鈦礦電池等基于新材料體系的高效光伏電池以及疊層電池作為研究熱點,待產業化技術逐步成熟后有望帶來下一個光伏電池轉換效率的階躍式提升。
         
          光伏組件高效率與高可靠性并進。半片技術、疊瓦技術、多主柵等組件技術將進一步廣泛應用,雙面組件將逐步成為市場主流,提升組件效率與發電能力。新型封裝技術與封裝材料進一步提升組件可靠性。
         
          光伏發電系統智能化、多元化發展。逆變器將向大功率單體機、高電壓接入、智能化方向發展,不斷深化與儲能技術的融合,智能運行與維護技術水平不斷提高。光伏建筑一體化等新場景應用技術不斷完善,拓展應用光伏發電開發空間。
         
          “十四五”光伏發電技術發展方向及發展目標
         
          據預測,為實現碳達峰、碳中和目標,到2030年,我國光伏發電裝機需要達到9~10億千瓦;到2060年,則需要達到30~35億千瓦。光伏發電在迎來空前發展機遇與發展空間的同時,也面臨諸多挑戰,光伏發電技術創新將成為應對這些挑戰的關鍵因素。
         
          加強技術創新,提高土地綜合利用價值,促進光伏大規模發展。據測算,我國太陽能可開發潛力可達千億千瓦量級,但考慮生態紅線與基本農田因素,約44%的國土面積不能用作光伏等新能源項目開發,國家林業和草原局等部門對新能源開發要求日趨規范。在新形勢下,迫切需要進一步提高光伏發電單位面積發電能力,減少光伏發電項目建設用地需求,同時加強土地綜合利用,提高土地利用效率。一方面,通過新材料、新技術的應用,提高光伏電池組件轉換效率,提升光伏組件單位面積的發電能力;另一方面,不斷優化光伏發電系統設計與建設水平,開展應用模式創新,加強光伏電站全生命周期的智能化管理和運維,提高光伏電站的發電效率。
         
          光伏發電并網性能進一步提升,滿足高滲透率應用要求。隨著光伏發電在電網中滲透率的不斷提高,電力系統將迎來安全、穩定、電能質量、經濟性等多方面的挑戰。作為構建以新能源為主體的新型電力系統的重要組成部分,提升光伏發電功率預測精度、提高光伏系統主動支撐與抵御電力系統擾動等涉網性能將成為重要研究方向。
         
          分布式光伏與其他領域的融合發展將成為未來光伏發電重要的組成部分。在穩步推進規?;夥亟ㄔO的同時,光伏建筑一體化、光伏與交通、新基建設施融合發展等新型應用形式對光伏產品性能、光伏發電系統提出了新的要求,需要結合特異性場景應用條件,持續推動光伏發電相關技術的發展。
         
          健全光伏發電全生命周期綠色產業鏈。伴隨著近年我國光伏發電裝機規模的快速增長,生命期滿光伏組件回收問題也日益受到關注。結合我國光伏發電規模增速,預計我國將在2040年左右集中迎來光伏組件回收處理的第一個需求高峰期。放眼長遠,在碳達峰、碳中和目標的要求下,亟須完善到期光伏組件的無害化回收處理技術,并推向產業化,補全光伏發電全生命周期綠色產業鏈的最后一環。
         
          強產能保障光伏發展目標落實。2020年,我國光伏組件產能2.443億千瓦,實際產量1.246億千瓦,約六成組件銷往海外,“十四五”期間仍需進一步提高光伏產品的產能保障。一方面,需要進一步發展光伏電池、組件、逆變器等核心部件的智能化制造技術,提升智能化生產水平,提高生產效率與生產能力;另一方面,需要進一步開展技術攻關,盡快突破少部分關鍵制造設備零部件的國產化技術,消除發展潛在瓶頸。
         
          光伏發電技術“十四五”科技發展展望
         
          綜合對碳達峰、碳中和形勢下光伏發電行業技術發展的需求分析,“十四五”期間,我國光伏發電技術有望延續“十三五”快速發展的勢頭,在國家整體發展目標的指引下,重點針對產業鏈中存在的關鍵問題開展研究和突破,“補短板、鍛長板”,不斷提升我國光伏發電行業技術水平,助力碳達峰、碳中和目標的實現。
         
         ?。ㄒ唬┌l展高效低成本光伏電池技術
         
          構建高效低成本晶硅電池新業態,進一步提高晶硅電池轉換效率,推動高效新技術廣泛應用,提升光伏發電系統單位面積發電能力。一是重點針對TOPCon、HJT、IBC等新型晶體硅電池的低成本高質量產業化制造技術開展研究,發展高質量產業化生產關鍵材料、工藝與裝備制造技術,進一步提高電池產業化生產效率與電池轉換效率,降低生產成本,推動高效晶體硅電池規?;瘧?,具體包括低成本高效清洗技術、高質量鈍化技術、低成本金屬化技術等方面的研究。二是針對低成本高質量硅片的生產制造技術開展研究。重點突破低成本高效硅顆粒料制備、連續拉晶、N型與摻鎵P型硅棒制備技術,從產業鏈源頭加強對規?;l展的支撐。同時,發展大尺寸超薄硅片切割技術,掌握超薄硅片切割工藝,完成配套設備、相關主輔材開發及配套技術研究,實現大尺寸超薄硅片穩定切割和產出,支持低硅成本光伏電池發展。
         
         ?。ǘ┘訌姼咝р}鈦礦電池制備與產業化生產技術研究
         
          緊扣世界光伏技術發展熱點,開展新型鈣鈦礦電池制備與產業化生產技術的集中攻關,推動單結鈣鈦礦電池的規?;慨a。同時,開發高效疊層電池工藝,突破單結電池效率極限,實現光伏電池轉換效率的階躍式提升。一是研究大面積高效率、高穩定性環境友好型鈣鈦礦電池成套制備技術,開發高可靠性組件級聯與封裝技術,研制基于溶液法與物理法的量產工藝制程設備,實現高效單結鈣鈦礦電池產業化量產。二是開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備技術研究,優化疊層結構設計與制備工藝,大幅提高光伏電池發電效率,逐步實現產業化量產能力。
         
         ?。ㄈ┩苿庸夥l電并網性能提升
         
          開展新型高效大容量光伏并網技術研究與示范試驗,突破中壓并網逆變器關鍵技術,開展弱電網條件下耦合諧振機理及抑制策略、有功備用和儲能單元相結合的最優自適應虛擬同步技術、高功率密度中壓發電模塊優化設計與系統集成實證測試技術等研究,研制交流直掛式中壓并網逆變器。突破大型光伏高效穩定直流匯集技術瓶頸,開展大功率高效率直流升壓變換器拓撲、自律控制技術、多臺直流變換器智能串/并聯控制以及多場景智能運行控制技術等研究,研制大功率直流變換器。開展光伏發電與電力系統間暫穩態特性和仿真等關鍵技術研究,提升光伏發電并網性能。
         
         ?。ㄋ模┩七M光伏建筑一體化等分布式技術應用
         
          推動“光伏+”等分布式光伏應用技術創新,拓展分布式光伏應用領域,助推光伏發電高比例發展。重點開展光伏屋頂、玻璃幕墻等多種形式光伏建筑一體化產品相關技術研究,綜合考慮建筑結構、強度、防火、安全性能等因素,滿足規?;瘧眯枨?。同時開展產品模塊化、輕量化技術研究,完善相關技術標準與規范,推動光伏建筑一體化以及光伏發電與其他領域綜合利用的規?;瘡V泛應用。
         
         ?。ㄎ澹┘訌姽夥腔壑圃炫c設備國產化
         
          構建智慧光伏生產制造體系,提高生產制造能力,開展關鍵集中攻關,突破關鍵設備與零部件國產化技術,解決潛在的生產技術瓶頸,保障未來光伏核心產品產能供應。一是提高多晶硅等基礎材料生產、光伏電池及部件制造智能化水平,提升智能光伏終端產品供給能力;二是自主研發高質量異質結電池用核心裝備、突破高質量制造設備用分子泵、真空閥門、電源、真空計等真空設備標準件、性能檢測設備等制造技術;三是突破光伏逆變器用國產功率模塊、控制器芯片、數字信號處理器等關鍵零部件規?;瘧眉夹g;四是掌握異質結光伏電池用低溫銀漿、濺射靶材等關鍵材料制造技術。
         
         ?。┌l展光伏組件回收處理與再利用技術
         
          針對晶硅光伏組件壽命期后大規模退役問題,開展光伏組件環保處理和回收的關鍵技術及裝備研究與示范試驗,實現主要高價值組成材料的可再利用。針對目前行業各主流產品類型,開發基于物理法和化學法的低成本綠色拆解技術,掌握高價值組分高效環保分離的技術與裝備;開發新型材料及新結構組件的環保處理技術和實驗平臺;研究組件低損拆解及高價值組分材料高效分離等關鍵設備,實現退役光伏組件中銀、銅等高價值組分的高效回收和再利用。
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