田济慈 孟丽 董逸涵 张世林 卢薇
中国矿业大学（北京）
摘要：近年来太阳能作为清洁能源一直是我国的重点研究方向，但其产业的整体发展水平一直不理想。因此本文将利用产业成熟度评价模型中的技术成熟度，产品成熟度，市场成熟度以及制度成熟度等四个方面对太阳能发电产业成熟度进行分析，简要阐述其目前的发展现状以及存在的问题，并对太阳能发电产业的进行总结和展望。
一、引言
随着人类社会的发展，人们对能源的需求日益增加，而化石能源的过度开采，又带来了大气污染和全球气候变暖等问题，因此发展可再生能源成为人类解决未来能源需求的重要途经之一。太阳能发电是可再生能源利用的重要方式，应用广泛，技术成熟。目前，太阳能发电主要有两种形式，一种是利用会聚太阳辐射获得的热能进行发电，称为聚光太阳能热发电技术，主要包括塔式太阳能热发电、抛物面槽式太阳能热发电、抛物面碟式太阳能热发电、菲涅尔式太阳能热发电等；另一种是利用光生伏打效应进行发电，称为光伏发电，主要包括单晶硅电池发电、多晶硅电池发电、薄膜电池发电、聚光光伏发电等。聚光光伏发电是利用聚光元件将入射的太阳光会聚到面积较小的聚光太阳能电池上，从而有效减小使用的聚光电池数量，并提高系统发电效率。
我国太阳辐射资源丰富，大部分地区的太阳均辐射量每年达到4kWh/m2，西北地区更是达到了7kWh/m2，发展太阳能发电前景广阔，因此开展太阳能发电研究具有重要意义。本文介绍了这两种发电产业的现状及其发展前景并对其产业成熟度进行简要的评估分析。
二、太阳能发电产业的发展背景
传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。太阳能资源丰富、分布广泛，是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。
我国太阳能资源十分丰富，适宜太阳能发电的国土面积和建筑物受光面积也很大，其中，青藏高原、黄土高原、冀北高原、内蒙古高原等太阳能资源丰富地区占到陆地国土面积的三分之二，具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。
三、光伏发电产业的评估与分析
3.1光伏发电的基本原理
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池板将太阳的辐射能量直接转换成电能的发电系统。它一般由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流-交流逆变器、直流负载、交流负载等部分组成，具体组成情况如图1所示。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。
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图 1光伏发电的基本原理
理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。光伏发电技术的关键元件是太阳能电池，而光伏发电技术也经历了三代的改革与创新，第一代指的是晶体硅光伏发电，分为单晶硅和多晶硅，用得非常普遍，我们国家在这个市场占有很大份额。第二代指的是品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，最大的缺点是光电转化率只有晶体硅的一半。主要品种有：非晶、纳米晶、微晶等硅薄膜;铜铟镓硒组成的薄膜;碲化镉薄膜;铜锌硒硫锡组成的薄膜;新出来的一个品种，是砷化镓薄膜电池。第三代光伏发电技术，核心是引入了现代光学技术，从半导体技术转向了现代光学技术，核心技术是聚光。均匀聚光，是近几年发展起来的新技术，叫无光像自适应光学，技术含量非常高。通过这样的聚光，可以大大提高电池的转化率。具体数据如表1。
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表 1三代太阳能电池比较
3.2光伏发电产业的发展现状分析
中国的光伏发电从80年代开始起步，在国家“六五”和“七五”期间，中央和政府首先在光伏行业投入资金，使中国十分微小的太阳电池工业得到初步发展。在随后的几十年间，尤其是2014年到2017年，国内的光伏发展走上快车道，截至2014年底，光伏发电累计装机容量2805万千瓦，到2017年12月底，光伏发电装机达到1.3亿千瓦。由于光伏发电的起步较早，其技术也较为成熟，加上政府的大量资金投入和补贴使得光伏发电产业拥有大量资金投入研发，就整体而言目前其在技术研发方面处于相对成熟的阶段。光伏发电技术的不断进步，度电成本不断降低，光伏行业市场化导向更加明确，
就其产品和市场来说，我国的光伏产业“中间大、两头小”，即只有太阳能电池的生产能力，原料大量依赖国外进口，特别是生产环节中的高新材料和高纯原料，而产品销售则几乎完全依赖于国外市场。太阳能光伏商品主要包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景观照明等。虽然光伏产品种类比较丰富，但生产规模普遍较小，基础设施和生产设备比较落后，产品质量还有待提高，仍处在发展阶段，需要投入资金进行创新和大规模生产以推动整个产业的进步。光伏产品的市场较为单一仍处于发展阶段，迫切需要进行关键技术的创新来扩大市场以适应企业扩大生产规模，提高生产效率。随着可再生能源在全球范围内的快速发展，中国太阳能产业也取得了骄人的成绩，产业发展规模迅速壮大，技术整体水平不断提升，关键技术逐步实现突破，设备已基本具备整线供给能力。但是，光伏产业的整体发展仍暗藏隐忧，存在产业集中度低、核心技术落后、产业链发展不平衡、国内市场发育缓慢、行业标准不一、投资盲目等问题。原料、关键技术设备、市场需求“三头在外”的现象，早已成为我国太阳能产业的严峻现实。
据统计，2016年中国新增装机34.2GW,同比增长126%，全球占比46%。累计装机也达到了77GW，占到全球的34%。在中国电价下调，抢装浪潮的情况下。中国光伏市场的发展速度被三个主要因素深深影响着：国家主导的大力发展分布式光伏，领跑者基地以及扶贫电站。2016年光伏发电的全年发电量662亿千瓦时，占我国全年总发电量的1%。中国太阳能依然具备很大的发展空间。
笔者搜集了中国从2010年到2016年新增光伏装机的数据并利用统计学知识对其进行适当的加工处理得到下表，根据图表可以看出中国光伏产业目前正处于蓬勃发展阶段，相信在不久的将来光伏产业将会取得更大的进步。但是由于光伏发电技术要求非常精确的追日系统配套（即凹面镜必须始终向着阳光直射，否则效率会下降很多，甚至不如普通太阳能发电）。而该技术的技术路线尚算清晰，但是由于发展较晚，且对追踪器灵敏度，凹面镜光学要求较高，所以技术革新较慢，且尚未被资本市场接受。所以就其整个行业而言光伏产业还没有完全成熟，还有待进一步的完善和发展。
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图 2中国累计光伏装机占到全球的比例
从制度方面来说我国还没有非常完善的法律法规来约束和管理光伏产业的发展，这也在一定程度上体现了其产业的不成熟。由2020年4月30日国家能源局发布的公告可以看出国家调整和优化能源产业结构和消费结构，优先发展可再生能源的决心。同时文件从可再生能源消纳保障制度、可再生能源激励政策、可再生能源开发、企业保障义务、节能政府采购、消费管理政策等多个方面采取多种措施促进可再生能源的发展。制度的不断完善与发展必将促进相关产业的发展与进步。
3.3光伏发电产业发展前景预测
放眼国内市场，在政策引导及市场驱动下，我国光伏产业延续了2013年以来的回暖态势，未来随着?领跑者基地的进一步扩容、光伏扶贫工程项目的快速推进，加之分布式业务提速带来的增量，我国光伏市场将继续保持良好发展态势。根据国家《太阳能发展?十三五规划》，到2020年底，我国光伏发电装机容量将达到250GW左右，同时根据《中国可再生能源发展路线图2050》（国家发展和改革委员会能源研究所、国家可再生能源中心联合中国可再生能源学会发布）的预测，到2030年和2050年，我国光伏发电装机容量将分别达到400GW和1,000GW，届时太阳能将从目前的补充能源过渡为替代能源，并逐步成为我国能源体系的主力能源之一。
3.4提出建议
(1）完善规划引领和项目配置管理。首先要在政策上进行规划，引导制定一个合理的规定，去指导太阳能发电项目的建设和发展，设立专门的监管部门，推行光伏扶贫工程落地，实施光伏发电企业竞价上网，促进光伏发电项目良性循环发展。
(2）规范太阳能产业市场。要从根本上规范太阳能产业的市场环境，根据国家电力需求进行调整，建设大型光伏基地，引导就近消纳。要加强发电产业与用户的直接沟通和交流，让电力用户可以直接的进行交易。电网企业要及时调整太阳能产业的相关收费标准，制定科学合理的收费政策和规定，尽可能减少电力用户的用电费用，保障光伏电厂的发电效益，积极地利用市场进行宏观调控，从而打造出良好的太阳能产业市场环境。
(3）完善太阳能产业体系建设。目前太阳能发展为初始阶段，国家应该加大财政支持，扶持一批优秀的太阳能发电项目材料供应商，利用国家相关技术民用化的思路，尽快在相关领域建立自己的世界标准，要充分整合市场资源，利用示范工程项目，提高本国的技术水平。
四、光热发电产业的评估与分析
4.1光热发电的基本原理
太阳能光热发电是指：利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。目前商业化的太阳能光热发电技术路线主要包括：塔式、碟式（点聚焦系统）和槽式、线性菲涅尔式（线聚焦系统）。
为实现以清洁低碳为主要特征的能源转型，各国均在探索稳定、可控、可靠的可再生能源发展路线。研究发现，太阳能光热发电是目前除水电外唯一具备这一能力的可再生能源技术。由于配置大容量、低成本、环境友好的储能系统，太阳能光热发电可以克服太阳能资源的间歇性和不稳定性，实现平稳可控、可调度的电力输出。太阳能光热发电是可以承担电力系统基础负荷的可再生能源发电形式，目前已在西班牙、美国以及中东北非等国家和地区取得了良好的应用效果。
光热发电技术是利用光学的反射或折射原理，将光能聚集到点或线上,利用集热器吸收储存太阳能的热量,再通过热交系统将热量传递给流体,从而产生高温蒸汽，推动汽轮机及发电机组旋转,最终产生电能。具体系统组成如图3所示:
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图 3光热发电基本原理
光热发电技术又称“聚光太阳能发电”,是太阳能利用的一个重要方向。其特点是在夜间依然可以持续发电，电力输出稳。根据聚光方式的不同,光热发电主要分为槽式塔式、菲涅尔式和碟式四类。最为常见的是槽式发电系统,利用多组槽式抛物面反射镜聚光系统,将太阳光聚焦到集热器上;塔式发电系统，又称集中型发电系统，利用众多独立跟踪太阳光的平面定日反射原理,将光能集中到设置于高塔顶部的吸热器上;线性菲尔式光热发电系统则是通过跟踪太阳运动的菲涅尔式反射镜,将太阳光汇集到上方固定的吸热管上;还有一种碟式发电系统，其反射镜采用碟状抛物面镜,将太阳光聚集到集热器焦点处,焦点处安装斯特林发电机,完成发电。
4.2我国已投运和在建中的光热发电项目分布分析
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图 4我国光热发电项目已投运（左）和在建中（右）地理分布情况
我国适合建设光热电站的地区主要集中在西北地区，如图4所示，由于我国自主光热发电技术尚不成熟，所以目前基本都是引进国外工艺路线，而我国西北地区严苛的自然环境与国外光热电站所处的地区环境差别较大。考虑到光热发电的技术特性，投产是否能够达到预期运行指标与建设地点的地理环境、电网送出条件关联很大。下面主要针对塔式光热电站和槽式光热电站建设谈一下国内外的差别。
(1)冬季气温差别大。目前运行相对成熟稳定的光热电站基本都在美国和西班牙以及南非的部分地区，这些地区的共性是冬季气温相对较高，对寒冷地区光热电站的运行并没有太多经验。因此，引进国外工艺技术时必须结合我国实际考虑好冬季防冻的解决方案。
(2)DNI指标不同。国外建设光热发电站的地区DNI值较高，有利于光热电站的运行，而我国适合发展光热电站建设的地区DNI值较低。
(3)防风沙磨损问题。我国西部适合光热电站建设的地区基本都属于荒滩戈壁，其风沙对定日镜或反射镜磨损较大。同时，空气中含沙量较大会对塔式电站的吸热器管束表面吸热涂层产生磨损，降低吸热效率，缩短涂层的寿命周期。
4.3光热发电产业的发展现状分析
与国外部分国家光热发电产业已处于成熟化商业阶段相比，我国太阳能光热发电刚刚起步，属于公认的朝阳产业，但目前仍处于大规模推广的初始阶段。
笔者整理了目前不同建设进度的光热发电站的装机规模。如图5所示。目前已投运的发电站装机规模已有345MW，处于规划中、开发中和在建中的占了很大比例，共计约2115MW。由此可见光热发电站的前景是好的，属新兴的朝阳企业。
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图 5我国发电产业装机容量按不同运营情况分类饼状图
2013年7月，青海中控德令哈10MW塔式光热电站并网发电，标志着我国自主研发的太阳能光热发电技术向商业化运行迈出了定的步伐，对于我国早期的光热发电产业颇具示范意义。2016年9月，国家能源局正式发布了《国家能源局关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，共有20个项目列入首批光热项目，总装容量约1.35GW,核定光热发电标杆上网电价为1.15元/kWh,但由于部分项目存在资金、技术股权、体制等问题，目前仍未开工建设。截至2018年底，我国已投运10MW及以上大型光项目6个，表2为我国已投运和即将投运的部分大型光热项目。由表2可知，几个已投产和进行中的光热项目技术路线包括了槽式导热油传热熔盐储热、槽式熔盐传储热、熔盐塔式、二次发射塔式、菲涅尔式熔盐、类菲涅尔式混凝土等6种，其中以槽式导热油传热熔盐储热和熔盐塔应用最为普遍。从国际上看，在上述几种太阳能热发电技术中，槽式导热油热发电技术最为熟，具有较高的性价比,而塔式热发电技尽管目前的成熟度不如槽式热发电技术，但相常规槽式导热油热发电技术，其发电效率更高同时由于节省了导热油工艺,系统更加简化,被公认为极具潜力的技术路线。我国未来光热技术路线的筛选很大程度上依托于表2中示范电站的实际运行情况，特别是类菲涅尔式混凝土等颠覆性技术路线的实际应用，为我国光热技术的创新提供了新的方向。
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表 2我国已投运和即将投运的部分大型光热发电项目
4.4光热发电产业发展前景预测
由上文可知，虽然我国太阳能光热发电目前仍处于示范电站阶段，但近年来发展势头迅猛，同时，我国光热发电自主核心技术发展步伐明显加快，正在建设的国家首批光热发电示范项目中，设备、装备、材料等国产化率均达到了90%以上，这为今后光热技术的国产化发展奠定了良好的基础。值得注意的是，由上海电气为EPC总承包的迪拜阿联酋马克图姆太阳能园区第四期950MW光热光伏复合发电项目的开工建设，标志着我国光热项目建设已向国际化迈进，该项目在单体光热装机、单体光热项目熔盐用量、吸热塔高度等方向均创造了世界之最。中国可再生能源学会预计，2030年我国光热发电装机容量将达到30GW,2050年预计可达到180GW,发展前景非常良好。
4.5提出建议
（1)大规模、高参数、长时储热是今后光热发电技术的发展方向。建议光热发电项目投资企业在进行技术路线选择时，优先考虑塔式熔盐光热发电技术。随着技术发展，若槽式储热光热发电技术具有优势也可考虑。另外，还可研究光热(熔盐储热)与光伏、风能互补发电技术。
（2)针对我国光资源条件较好的西北地区风沙大、扬尘问题突出的气候特点，建议在项目前期可研中，应充分论证上述因素对系统光照强度衰减及镜面反射率降低的影响。
（3)太阳法向直接辐射值(DNI)的准确性对项目设计选型尤为重要。目前，我国多数地区DNI数据缺乏、卫星数据与实测值偏差大，不能准确反应规划厂址的光资源实情况。因此，建议对规划建设项目安排进行DNI数据实测。
五、太阳能发电的普及前景
5.1各类发电技术装机的投资成本及预测
根据Energy Intelligence杂志汇总的数据，2000-2020年各类发电技术装机的投资成本（美元/千瓦）以及2030-2050年预测如表3所示：
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表 3预计2020-2050年各类发电技术装机的投资成本
如上表可见，2020-2050年间煤电、燃气发电投资成本基本持平，其他各类技术投资成本变均有下降空间：光伏-57%——光热发电-29%——陆上风电-32%——海上风电-45%——波浪能-48%——煤电+CCS-15%——核电-10%——生物质能-9%
4.2与光热等协调互补是光伏高质量发展的必然需求
光伏产品降价是大势所趋。过去十年，光伏各环节成本下降推动系统造价降低，带来光伏在全球不少地区的平价化，在发电市场具备竞争力。
平价的本质是降本，度电成本下降有利于光伏市场份额扩大。一些龙头太阳能发电企业的产品降价为了带动度电成本下降，助力光伏行业快速去补贴化，实现健康可持续发展。同时，“平价”时代，高性价比产品才是客户的“刚需”。通过技术创新不断降低生产成本，驱动光伏产品价格不断下降。此外，对于促进度电成本下降，需要主材、辅材、设备、工程等产业链环节协同努力。公司扩张高效产能，将加速淘汰行业落后产能，并驱动光伏产品价格下降。
疫情对全球光伏产业链造成了影响，业内预计今年全球装机需求将降至110GW-115GW。从供应端看，2020年电池、组件总体产能预计超过200GW，目前一线电池厂商的有效产能为120GW-130GW，但技术领先的产能仅占20%-30%。
技术发展日新月异，光伏产品优化升级不断加快。新增产能须适应市场对新技术、新产品的需求，更高效、更可靠的先进产能不会过剩。据机构预测，未来10年光伏将有1000GW以上的新增市场空间。随着发电成本的下降，光伏将成为最具性价比的清洁能源。受疫情影响，2020年全球光伏装机需求比去年底预测降低20%左右，可能成为近五年唯一负增长的一年。光伏供需矛盾更加突出，从多晶硅到硅片、电池、组件及辅材价格均出现明显下降。光伏企业面临的形势严峻，需要制定策略应对环境的不确定性。经得住考验的企业在市场复苏时将脱颖而出。企业应该为此做好相应准备，提升整体运营效率，控制好应收账款，加快存货周转；同时，审慎的进行资本项目评估，合理安排扩张节奏；借助数字化手段，加快企业数字化转型步伐，实现高质量发展。
六、结语
虽然中国的太阳能发电技术距离国际领先水平还有一定的差距，但作为我国可再生能源研究领域的重要部分，在国家政策的大力支持下，太阳能发电技术无疑会为我国的可持续发展起到重要的支撑作用，在未来有着追平或超越国际领先水平的可能性。相信太阳能发电一定能够在不久的将来建立更加完善的产业链条，形成更加合理的产业体系，成为能源转型的重要支撑，大幅度补充能源短板，在经济社会发展中发挥更大的作用。
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