李耀華 孔力
中國科學院電工研究所
進入 21 世紀以來，全球人口、經濟持續增長，世界能源需求增長強勁，油氣資源競爭激烈，生態環境壓力增大，全球氣候變化倍受關注；綠色低碳、可持續發展成為人類文明持續繁榮的科學理性選擇。人類已經進入了知識網絡時代，作為人類現代文明基石與動力的能源也正面臨新的變革。能源領域具有投資大、周期長、關聯多、慣性強的發展規律。能源既是經濟資源，更是政治資源和戰略資源，能源安全的問題受到國家高度重視。
未來二三十年，將是能源生產消費方式和能源結構調整變革的關鍵時期。人們將致力於構建綠色低碳、高效智能、多樣共享的可持續能源體系。風力和太陽能等可再生能源將快速增長，從而形成天然氣、石油、煤炭、核能、可再生能源為五大支柱的能源新格局。
我國地域廣闊，太陽能和風能資源十分豐富且分布廣泛，總量足以滿足我國社會生產生活等需求。經過幾十年的發展，目前太陽能光伏發電、風力發電技術已趨於成熟，成本快速下降。在可預見的將來，太陽能光伏發電和風力發電的技術和經濟性都將達到與常規能源相當的水平，推動能源變革與轉型的發展。
太陽能發電和風力發電已經成為全球重要的清潔電力來源
大力發展可再生能源已經成為世界各國應對全球氣候變化的一項重要戰略舉措。我國近年來在風力發電和太陽能發電開發利用方面取得了顯著成效，在產業發展、技術創新等方面取得了突出成果。風電已成為我國第三大電源，而光伏電池及相關產業的發展規模已經佔據全球前列。可再生能源正在逐步從零散、小規模的能源發展成為可部分替代化石燃料、緩解生態環境承載壓力、實現大規模利用的重要能源形式。
世界範圍內可再生能源發電量持續增長
下圖顯示了 2010—2017 年全球可再生能源發電量佔總發電量的增長情況。可以看到，截至 2017 年底，全世界可再生能源發電量已經佔到全部發電量的 26.5%，其中水力發電的佔比基本保持不變，而非水可再生能源發電量（主要是風力發電和光伏發電）已經從 2010 年的 3.3% 增長到了 2017 年的 10.1%。
我國太陽能光伏發電產業領跑世界
近 10 年來，全球太陽能光伏發電呈現出強勁的發展勢頭，太陽電池裝機容量連續多年保持了 30% 以上的增長率。
我國光伏發電相關產業的發展在世界上尤其突出，產業規模多年保持世界第一，2017 年我國光伏發電量大體佔全球光伏發電量的 1/4。2018 年全年，中國新增太陽能光伏裝機容量為 43 GW；截至 2018 年底，我國累計光伏裝機量已超過 170 GW。
即使在海外「雙反」以及國內支持政策調整的不利情況下，2018 年我國光伏製造業仍取得較大發展：多晶矽產量達到 25 萬噸，同比增長 3.3%；矽片產量達到 109.2 GW，同比增長 19.1%；電池片產量達到 87.2 GW，同比增長 21.1%；組件產量達到 85.7 GW，同比增長 14.3%。2018 年全年我國光伏電池組件出口 41 GW，同比增長 30%，光伏產品出口額達到 161.1 億美元，為 20 多個國家實現光伏平價上網提供支撐，這為全球應對氣候變化作出了重要貢獻。
我國風力發電保持持續穩定發展
近 10 年全球風力發電裝機容量增長情況如下圖所示。風力發電增長勢頭雖然不如光伏發電，但每年仍然保持著 10%—16% 的增長率，而且總裝機容量和發電量均大於光伏發電。從「十二五」到「十三五」的 10 年間，我國風力發電年增長規模持續保持在 20 GW 左右。據中國風能協會初步統計數據：截至 2018 年底，我國風力發電新增併網容量 21.14 GW，累計併網 210 GW。2018 年全年風力發電上網發電量達到 35.7 TWh，佔全部發電量的 5.2%；全年風力發電機組利用小時數 2 103 h，同比增加 153 h；2018 年，我國海上風力發電新增裝機容量 1.66 GW，累計裝機容量達到 4.45 GW。
技術進步極大地推動了太陽能發電和風能發電行業的發展
多年來，國家科技計劃對可再生能源科技研發持續給予支持，國內一些有實力的企業也加大了對科技研發的投入。這些投入在不斷提高我國太陽能發電、風能發電相關技術能力，以及提升國內企業的技術水平方面發揮了重要作用，促進了我國太陽能發電和風能發電全行業的發展。
太陽能光伏發電方面
我國已經形成了矽材料、矽片、電池、組件為核心的晶體矽太陽能電池產業化技術體系，掌握了效率 20% 以上的背鈍化電池、選擇性發射極電池、全背結電池、金屬穿孔卷繞（MWT）電池等高效晶體矽太陽能電池製備及工藝技術。批量化單晶矽電池效率超過了 22%，實驗室最高效率達到了 24.1%。批量生產多晶矽電池效率 18.5%，多晶矽電池實驗室效率達到 21.25%，創造了多晶矽太陽能電池效率的世界紀錄。通過併購和國際合作使得我國矽基、CdTe、CIGS 等薄膜電池的研究和技術水平快速提升。
目前我國逆變器等平衡部件技術水平與國際接軌，系統集成智能化技術仍有待提升。面向光伏發電規模化利用，我國光伏系統關鍵技術取得多項重大突破：掌握了 100 MW 級併網光伏電站設計集成技術，掌握了 MW 級光伏與建築結合系統設計集成技術，掌握了 10—100 MW 級水/光/柴/儲多能互補微電網設計集成技術並開展了示範。
風力發電方面
我國打破國外壟斷，實現了風電機組整機由 100 kW 級向 MW 級跨越式發展，已經成為世界風電設備製造大國；形成 3.6 MW 以下裝備設計製造技術體系，初步掌握了 5 MW、6 MW 整機集成技術；風電機組整機及零部件國產化率達到 85%以上。我國突破了大規模風電發展併網接入的技術障礙，解決了大規模風電併網特性的仿真模擬難題，開發了具有完全自主智慧財產權的風電功率預測系統。基本解決了低/高電壓穿越技術難題，建成了全球首個 100 MW 級國家風光儲輸示範工程和全球首個海島風電多端柔性高壓直流輸電（VSC-HVDC）示範工程，實現了大規模風電高滲透率併網運行。
技術進步使得中國太陽能光伏發電和風能發電技術水平不斷提高，產業規模迅速擴大，在國際市場上的競爭力也不斷增強。目前在世界排名前 10 位的光伏電池生產企業中，中國企業佔據 8 席（含中國臺灣企業），中國大陸企業光伏組件產量佔全世界的 72% 以上。在世界排名前 10 位的風力發電設備製造商中，中國企業佔據 3 席（產值第 3、6、8 名）；中國風機製造商佔全球份額的 21.2%。科技進步和良好的經營管理模式幫助中國太陽能和風能發電企業在國際競爭中建立了不可動搖的競爭優勢。
光伏發電和風力發電成本持續下降，即將進入平價上網時代
在以往相當一段時間，可再生能源發電技術的電價成本遠高於常規發電成本，使得可再生能源發電技術在經濟性上完全無法同以燃煤發電為代表的常規能源競爭，而只能作為一種補充能源在偏遠地區獲得部分應用。
經過幾十年的研究發展，這種狀況正在發生著令人矚目的變化。近 10 年來，在技術進步和市場規模化發展的雙重推動下，全球太陽能光伏發電和風力發電的成本快速下降，導致全球光伏發電最低電價不斷下降。過去 10 年，我國太陽能光伏電池組件和發電系統的成本均下降了 90%，即成本只有原來的 1/10。隨著單機規模的增加，風力發電機組的單位成本也不斷下降，陸上風電上網電價降至 0.49—0.61元/kWh。風電已成為我國第三大電源。
光伏發電和風力發電的電價成本除了設備投資以外，項目所處的局部資源條件和運行環境都是影響最終電價的重要因素。目前從全球範圍來看，一些資源條件和運行環境好的項目，其單位電價成本已經達到或低於常規能源電價水平，可以實現平價上網。國內在表 1 所示資源條件很好的第一類和第二類地區建設的集中式地面光伏電站，如果能將棄光控制在比較低的水平，則可以做到電網側平價上網。
風力發電的情況也類似，即以目前的技術發展水平，可以在一些條件好的風電場實現電網側平價上網。目前國家能源局已經在推動一些光伏發電和風力發電的平價上網示範項目。如果能在放開電力市場方面取得更多突破，今後可能會有更多光伏發電從用戶側接入電網，將會有更多地區的分布式電站可以實現用戶側平價上網。
近年來，國際社會開始深入探討可再生能源的長期未來發展情景和路徑。歐盟《2050 年能源路線圖》提出到 2050 年可再生能源將佔到全部能源消費的 55%以上；德國《能源方案》提出到 2050 年可再生能源佔能源消費總量的 60% 和電力消費的 80%；英國能源與氣候變化部在《2050年能源氣候發展路徑分析》中探討了遠期可再生能源滿足約 60% 能源需求的前景；美國能源部支持完成的《可再生能源電力未來研究》認為可再生能源可滿足 2050 年 80% 的電力需求；日本在 2011 年福島核電事故後確定 2020 年可再生能源將滿足 20% 電力需求的目標，並深入探討 2030 年提高可再生能源的能源轉型方案；聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的《可再生能源與減緩氣候變化特別報告》（SRREN）的最高情景認為 2050 年可再生能源將可滿足77%的能源需求。
儘管世界各國根據本國的實際情況對未來能源發展的前景做出的判斷和規劃不完全相同，但總的趨勢是一致的。當太陽能和風能發電的技術和可靠性得到充分驗證，當其發電的成本不斷下降最終能夠達到甚至低於常規能源發電成本時，可再生能源將在未來能源發展中佔據重要的地位，成為未來的主力能源。
加強科技創新，促進太陽能和風能發電技術真正成為未來主力能源
近10年來，不管是國際還是國內，太陽能光伏發電和風力發電技術都取得了飛躍發展，但太陽能和風能要真正成為全社會可以依賴的重要能源還有相當長的路程。太陽能和風能除了具有資源豐富、清潔、環境友好等優點外，也都具有能量密度較低以及具有一定的間歇性和波動性等缺點。因而不管從科技創新和技術發展，還是能源政策環境等方面而言，發展太陽能和風能發電都還面臨許多艱巨的任務。
除光伏發電技術和風力發電技術本身以外，多能互補技術、儲能技術、智能電網技術的發展也有助於克服太陽能和風能間歇性和波動性的缺點，促進太陽能和風能發電技術的發展與大規模應用。
太陽能光伏發電技術方面
太陽能電池技術及系統設備將沿著高能效、低成本、長壽命、智能化的技術方向發展。國家研發重點計劃應持續支持高效率晶體矽太陽能電池、薄膜電池產業化技術研發，新型太陽能電池關鍵技術攻關和產業化研發；支持光伏系統及平衡部件技術創新和水平提升；大力推動面向全行業的公共研究測試平臺建設。
風力發電技術方面
未來，風電機組單機容量將持續增大，大型風機柔性葉片技術及機組的核心控制技術亟待發展；雙饋異步發電技術仍將佔主流地位，直驅式、全功率變流技術在更大規模風電機組上應用的比例越來越大，有望成為未來主流技術；各種增速型全功率變流風電機組將得到應用；低風速地區風電設備研發將取得進展；風電場建設和運營的技術水平將日益提高；海上風電技術將成為重要發展方向。
儲能技術方面
著力研究大容量和大功率儲能技術，提高效率，實現儲能技術在規模、壽命和成本上的跨越。在可再生能源大規模接入、傳統電力系統調峰提效和區域供能方面，完成具有完全自主智慧財產權、對國際儲能技術與產業發展具有指導意義的系統解決方案和示範工程，形成一套完整的技術攻關、技術示範以及工程應用的儲能技術研發體系。
多能互補及分布式能源技術方面
未來發展方向為：多種可再生能源的互補利用及其與常規能源形式的綜合高效利用；可再生能源高比例消納和外送的系列關鍵技術研究，建立不同氣候、不同用能需求的可再生能源供能系統示範，以及以可再生能源為主的能源系統的省區級/市級研究和示範。
智能電網技術方面
大力發展大容量遠距離輸電和智能微網技術，滿足我國大規模集中式可再生能源發電和分布式利用兩種需要；開發多種電壓等級、交直流多種形式的接入技術和設備，方便可再生能源的接入。提高可再生能源的消納能力，全面保障電網在大量接入可再生能源後的安全穩定運行。大力發展智能配用電技術，提高智能化水平，包括電動汽車充換電技術、智能用電技術等，打造未來我國清潔、高效、智能化能源電力系統。
文章來源：
李耀華, 孔力. 發展太陽能和風能發電技術 加速推進我國能源轉型. 中國科學院院刊, 2019, 34(4): 426-433.
李耀華中國科學院電工研究所所長，研究員。長期從事電力電子與電力傳動技術研究，主要研究領域有大功率電力電子技術、可再生能源電力變換技術、大功率直線電機及驅動技術等。
孔力中國科學院電工研究所研究員，電網技術實驗室主任。長期從事可再生能源發電、微網與智能電網技術研究。主要研究領域有太陽能光伏發電系統、可再生能源與電力系統、交直流混合微電網技術等。
總監製：楊柳春
責任編輯：文彥傑
助理編輯、校對：PAN
排版：東坡
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