碳中和目标下的光伏发电技术

碳中和目标下的光伏发电技术

段敏

身份证号码：371425199008067918

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，化石能源燃烧发电过程是我国CO2排放的主要来源之一。在碳中和、碳达峰的“双碳”目标下，大力发展可再生能源等低碳或零碳能源体系，构建以新能源为主体的新型电力系统，成为能源领域技术变革的战略方向，其中光伏发电是公认的我国未来可再生能源发电的主要方式之一。本文重点对我国光伏发电的开发现状、存在问题、关键技术、未来趋势及发展策略等进行简要论述，分别对晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池（硅基、砷化镓、铜铟镓硒、碲化镉）、钙钛矿太阳能电池、其他新型太阳能电池（有机、染料敏化、量子点）等关键技术进行了详细论述，以期为我国光伏发电产业的快速发展及高效安全的清洁能源新体系构建提供方向引导。

关键词：可再生能源；光伏发电；关键技术；未来趋势

引言

光伏产业是当前国际能源竞争的重要领域。近几年来，光伏发电技术持续进步，迭代速度加快，已由常规铝背场(BSF)太阳电池技术转向背钝化(PERC)太阳电池技术、由砂浆切割技术转向金刚线切割技术、由多晶硅太阳电池转向单晶硅太阳电池，每一轮技术变革都预示着跟不上技术变革步伐、应对不力的光伏企业将面临被淘汰出局的境地。因此，科学判断下一阶段光伏发电技术的发展趋势，分析光伏发电技术的产业化走向，对光伏企业乃至光伏产业的发展至关重要。本文基于当前涌现出的各类光伏发电技术路线的情况进行了分析，从不同方向对未来光伏发电技术的发展趋势进行了预测。

1分布式光伏发电现状

我国太阳能十分丰富，在政府大力扶持光伏发电产业的当下，光伏发电相关技术均得到了长足的进步，其中，最具代表性的是分布式光伏发电技术。其优势主要是能够解决各地区日照长度、太阳能储量不均的情况，通过对各构件进行科学布设的方式，使太阳能得到充分开发，由此来保证光伏发电的经济效益。但由于我国引入分布式光伏发电技术的时间较晚，在利用该技术对光伏发电相关项目进行开发时，仍有亟待解决的问题存在，例如，有关人员未能做到严格管控组件质量，导致不达标组件进入项目，使发电系统的稳定性和安全性受到负面影响；太阳能不稳定，光伏发电期间极易出现电网波动的情况，进而使发电系统难以正常运行；在储存电能、并网的过程中，光伏电网的电压不固定，这一问题同样影响着光伏发电优势的发挥。现阶段，亟待解决的问题主要包括以下两个：（1）除特殊情况外，集中进行供电的配电网均存在电力辐射的情况，若配电网处于正常运行状态，其电压将沿功率传输方向缓慢下降，但运用分布式光伏发电技术后，电网内将形成多个电源节点，同时传输功率潮流的变化方向也发生了改变，使各节点对应电压不断变化，若不尽快解决该问题，将导致电压偏压持续增大，进而对电网的安全性造成不利影响。（2）若供电系统因故停止运行，但光伏发电仍处于供电状态，会造成孤岛现象。一般来说，孤岛现象主要分为非计划性和计划性两类，非计划孤岛往往难以预测。此外，考虑到主网难以做到有效控制孤岛输电频率和电压，随着孤岛现象存在时间的增加，其他设备受损的概率将大幅提高。

2碳中和目标下的光伏发电技术

2.1光伏电源解合环

在当前太阳能光伏发电系统运转过程中，结合对应的逆变器设备能够确保对电网系统实施高效化、自动化的检验操作，并且完成对应的并网发电操作管理，确保对应的太阳能光伏发电系统能够稳定、高效地运转，而当需要进行相应的退网操作时，必须完成对光伏板的电流开关进行有效管控，将相应的直流开关进行断开处理之后再通过检验，确认相关设备停止运行之后再将逆变器另一侧的交流开关实施断路管控，根据实际的工作状况来对相关设备进行必要的停电处理，直到完全实现对整个光伏电源的断开处理即可。如果相应的开关处于打开或者是合并的情况，可以直接对逆变器进行停止处理，或者是直接断开交流开关，也具备类似的管控功效，但是仅限于当前并网容量较小的状况时才能够执行相应的操作。如果当相应的装置或整个电网体系出现较大的安全事故时，则需要实现对电源进行必要的退网处理，在退网处理的过程中同样需要实现对逆变器设备以及相关保护装置的管理、管控，以及进行必要的检测操作，避免相应的事故影响范围扩大。

2.2薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池相比晶硅太阳能电池具有材料消耗少、能耗低、成本低、可柔性、重量轻、弱光性好、可透光等优势，在BIPV、分布式电站、移动电源、便携式可穿戴等领域具有广阔的应用前景，目前占据10%左右的市场份额。传统的薄膜太阳能电池主要包括硅基、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等。硅基薄膜太阳能电池包括非晶硅、微晶硅等薄膜太阳能电池，但当前相比晶硅太阳能电池从电池性能及成本上无明显优势，技术提升空间相对较为有限。GaAs具有最高的转换效率、带隙合适、吸收效率高、抗辐照能力强、耐高温等优点，在空间应用、无人机等领域具有很大的发展前景。目前单结单晶及薄膜GaAs电池实验室最高光电转换效率分别为27.8%及29.1%。两结及三结非聚光型电池实验室最高效率已分别达32.9%及39.5%。

2.3孤岛保护

要使光伏发电存在的不足得到弥补，关键是明确问题成因，同时制订相应的改进方案。研发孤岛保护相关技术的初衷主要是杜绝并网期间两者出现短暂失联，导致光伏电网失去独立运行的能力。对该技术加以运用，可在极大程度上提高光伏电网的稳定性及安全性，通过主动切断连接设备的方式，使维护及检查工作得到高效开展。若存在计划外的孤岛运行情况，则要对电网处于该工况时对电气设备、工作人员所产生的影响进行分析，从而制订切实可行的预控计划，同时针对常见事故，拟定相应的处理方案，为光伏电网的长期运行提供保障。

2.4大面积组件

在大面积制备技术方面，区别于实验室中常用的旋涂法，为了获得均匀的高质量大面积钙钛矿薄膜，刮涂、狭缝涂布、提拉、喷涂、蒸镀、热辅助、真空闪蒸、气相沉积、喷墨打印、印刷、卷对卷等均被用于开发大面积电池工艺。电池组件及产业化技术方面，杭州纤纳光电在PSC组件方面多次刷新世界纪录，目前最新的19.32cm2PSC小组件在稳态功率输出下的效率达到21.4%[日本电气安全与环境科技研究所（JET）认证]，获得全球首个IEC61215稳定性认证及多倍加严认证，标志着PSC技术从实验室开始迈向市场。极电光能开发的63.98cm²钙钛矿光伏组件获得了20.5%的光电转换效率（稳态效率20.1%，JET认证）。协鑫光电已有10MWPSC中试生产线，可生产45cm×65cm尺寸的电池组件。协鑫光电、纤纳光电等投建的100MW级大面积PSC电池生产线、极电光能投建的150MW生产线、万度光能拟投建的第一期200MW生产线等有望进一步大力推动PSC产业化进程。

结语

本文基于当前涌现出的各类光伏发电技术路线，对未来光伏发电技术的发展趋势进行了判断及预测，并得出相关结论，以期为光伏企业选择自身的技术路线提供参考。

参考文献

[1]清华大学气候变化与可持续发展研究院.《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》综合报告[R].2020.

[2]国家能源局.2020年中国可再生能源发电量达到2.2万亿千瓦时[EB/OL].[2021-12-18].