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夯实新型电力系统基础,推动光伏“十四五”高质量发展,光伏发电原理

2021-04-07 20:23:29
2.4 “ 30·60目标 ” 下我国光伏发电潜在市场空间广阔
(数据来源:联合国排放差距报告2020)
化石能源使用和工业过程产生的二氧化碳是温室气体的主要来源。根据有关研究,近四十年来,我国能源二氧化碳排放增长与国民生产总值增长密切相关,与人口数量增长关系不大;相比较而言,能源强度和二氧化碳排放强度均呈下降趋势,二者均有利于降低二氧化碳排放,见下图2。

夯实新型电力系统基础,推动光伏“十四五”高质量发展,光伏发电原理

2020年9月以来,习近平总书记在国内外多个场合的一系列讲话和党中央关于碳达峰、碳中和的决策部署,彰显了我国坚持绿色发展的战略定力以及联合世界各国力量一道积极应对气候变化的决心。2021年3月,中央财经领导小组第九次会议明确提出将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设总体布局,构建以新能源为主体的新型电力系统。"十四五"是夯实新型电力系统基础,保障光伏发电顺利转变为电力系统主角的关键期。
七是后平价上网时代,光伏投资者面临投资回报不稳定的风险,可能影响到光伏发电持续替代火电的进度。与平价上网时期的政策大不相同,后平价上网时代,光伏发电获取收益的不确性增加,应通过精细化运维、科学选址等手段提高光伏电站的效益水平。
一直以来,光伏发电一直被认为是新生事物需要扶持和帮助,电力系统中传统的火电和燃气发电承担起了电力系统调峰调频等稳定电力系统安全运行的责任。近年来,随着火电机组更多参与调峰、调频等作用,发电量空间让给了光伏发电和风电,火电的利用小时逐年降低,见图8。

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图2 1978-2018年中国碳排放强度、能源强度、人口数量、人均GDP(右轴)
发展新型电力系统的必要性
2.1发展光伏发电符合国际能源转型的整体趋势
我国巨大的电力需求存量和维持经济社会持续发展所需的电力需求增量是支撑光伏发电跨越式发展的基石。全球能源互联网合作组织预测,到2025年我国太阳能发电装机容量将达到5.6亿千瓦,其中集中式光伏发电3.7亿千瓦,分布式光伏发电1.8亿千瓦,光热发电936万千瓦;从分区域来看,西部和北部地区3.1亿千瓦,中东部地区2.45亿千瓦。中国光伏行业协会预计在“十四五”期间,我国年均新增光伏装机或将在7000-9000万千瓦之间。
六是光伏发电与其他行业融合尚处于起步阶段,融资及土地等非技术成本高。从中国光伏行业协会最新数据显示,在光伏发电项目其他各项成本均下降的形势下,土地成本不降反升,是下一阶段降低成本需要重要解决的。近一两年,经常看到国外的光伏电站项目电价屡创新低,其中一个重要的原因就是国外低廉的融资成本。户用光伏发电系统的投资主体主要是个人或小微企业,该类投资主体难以拿到优惠贷款,造成户用光伏发电成本较高。
图4 2020-2030年我国地面光伏系统初始全投资变化趋势(单位:元/W)
4.5增强科技赋能,创新引领光伏转型发展
(数据来源:国际能源署化石燃料燃烧二氧化碳排放报告2020)
受益于光伏发电和风力发电成本的快速下降,电力行业减排有很多的技术路径选择,通过实施光伏发电实施清洁电源替代,较为经济地实现碳达峰。具体而言,为实现东部地区逐步碳达峰,“十四五”期间不再新建煤电项目,要实现4000万煤电机组退役,可为光伏发电等绿色电力腾出发展空间。
第二,电源建设主体的多元化和快节奏客观上要求必须建立新型电力系统。与传统火电相比,光伏发电单个项目体量小、数量多,建设周期短,这些特征势必造成电力系统更为复杂,对电力系统规划工作提出了更高的要求。具体来说,一是要求能够提前研究电网结构和电源结构的合理性,并结合新电源的特点更为灵活地开展电力规划工作;二是电力规划工作要更为频繁的评估和重新编制,这就需要打破原来电力系统五年一规划的节奏,充分利用数字化和智能化手段,及时掌握电力发展形势,适应光伏发电的发展规律。此外,光伏电站,可再生能源渗透率的不断提高对电力系统灵活性资源提出了更高的要求。
构建以新能源为主的新型电力系统,符合电源结构向风电、光伏过渡的发展趋势,可有效适应电源建设主体多元化、快节奏发展需求。
当前,我国碳减排任务艰巨。发展构建新型电力系统,夯实新能源产业发展基础,既是降低能源生产端碳排放的根本举措,也是推动电力系统转型的内在要求。
在基础前瞻领域,建议重点攻关高效率高安全性大容量储能、氢能及燃料电池、高效率光伏发电材料、新型绝缘材料、超导材料、宽禁带电力电子器件等技术。在工程应用领域,适应高比例可再生能源电力系统的安全稳定运行技术,重点攻关高效率低成本光伏发电新技术、虚拟电厂、源网荷储协调运行、主动需求响应等技术。
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未来随着煤电退役规模逐步增加,光伏等可再生能源发电转变为主力电源,自然少不了承担电力安全稳定运行的责任。目前各省市在光伏发电项目方面已经开始要求配备一定容量的储能,而且当前电池储能的成本相对较高,势必造成光伏发电项目经济性下降,影响其更大规模的应用。我们希望构建完善的辅助服务市场,从电力系统全局考虑灵活性调节的问题,提高灵活性电源的利用效率,可以借鉴更多的光储应用场景,见下图9;而不是采用行政命令一刀切,要求各个项目均配备储能单元。澳大利亚光伏发电发展速度较快,也面临中午高峰期光伏发电能力强,电网难以消纳的问题。最近,澳大利亚能源市场委员会(简称AEMC)提出,拟对向电网出售太阳能电力的居民征收“太阳能税”。根据公布的规则草案,AEMC建议在中午时段对上网的太阳能电力征=税2美分/千瓦时。AEMC表示,征税将发送“价格信号”,以帮助减少电网拥堵,并鼓励更多的家庭安装电池存储设备,减少在高峰期上网的电力。

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2.3我国光伏设备制造业及光伏应用已实现全球领先
三是当前的电力系统机制不能充分利用和调动电力系统灵活性资源。从客观上来说,我国电力系统现有的灵活性资源本身就不多,需要对火电机组进行改造增加灵活性资源的供给。当前,我国的辅助服务市场尚不完善,没有灵活性机组改造的补偿机制,既不能利用现有的灵活性电源,也不能有效的调动火电企业对火电机组进行灵活性改造的积极性,限制了消纳空间的提升。
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四是支撑光伏发电成为主力电源的电力体制机制尚需完善。光伏发电未来如何承担电力系统安全稳定运行的责任尚无明确说法,急需从顶层设计的角度明确对光伏发电的相关要求。当前各地提出的让光伏发电配备一定容量的储能并不是最优的发展光伏发电的方案,未来通过辅助服务市场统一解决电网安全稳定运行的问题效率更高、成本更低。
(数据来源:Drivers of change in China’s energy-related CO2 emissions,Xiaoqi Zheng, Proceedings of the National Academy of Sciences Jan 2020)
建设新型电力系统是一个系统性工程,需要综合考虑发、输、配、用和储等各个环节。建议积极从全局的、长远的角度进行体制机制创新和前沿技术创新,服务于未来主力电源光伏发电的发展,让光伏发电安全、稳定、高效、可靠地融入新型电力系统。

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我国要在2030年前实现碳达峰,不是2030年前一个时间点统一达峰,而是结合各个行业和各个地区经济社会发展的特点,科学规划,分阶段、分领域和分地区逐步达峰。3月21日,生态环境部部长黄润秋在中国发展高层论坛2021年会上指出,推动制定2030年前碳排放达峰行动方案,稳步推行碳强度和总量“双控”制度,支持有条件的地方和重点行业、重点企业率先达峰。
在光伏发电新增装机大幅向消纳空间充裕地区布局的前提下,光伏发电消纳形势明显改善。2020年,全国平均弃光率2%,与2019年基本持平,光伏消纳问题较为突出的西北地区弃光率降至4.8%,同比降低1.1个百分点,尤其是新疆、甘肃弃光率进一步下降,分别为4.6%和2.2%,同比降低2.8和2.0个百分点。
青海省已经实现了高比例可再生能源电力系统的稳定运行,为全国全面建设以光伏、风电为主的新型电力系统做出了很好的示范。截至2020年底,青海省光伏发电装机容量1237万千瓦,风电装机容量622万千瓦,水电装机容量1301万千瓦,火电装机容量仅为37万千瓦,清洁能源发电装机容量占比高达89.3%。青海省在实现高比例可再生能源过程中的经验和做法值得其他地区学习和借鉴。
1.2 新型电力系统是电力系统转型的内在要求
(数据来源:清华大学建筑节能研究中心)
各国纷纷加入联合国自主贡献减排承诺的行列,积极采取措施应对气候变化,全球能源绿色转型步伐逐步加快,对于清洁能源的重视程度不断加深。
进入21世纪,我国二氧化碳排放总量和增速远高于美国、欧盟、印度、俄罗斯和日本等主要经济体。然而,我国人均二氧化碳排放量比美国、俄罗斯和日本低,比全球平均水平高46%,见图1。

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新型电力系统的基本要求是服务能源结构转型和满足从高碳向低碳转型的要求,适应高比例可再生能源接入后安全稳定运行;另一方面是高效率的消纳可再生能源。
4.3 加快电力体制改革,构建新型电力系统下的运行机制
图8 2013-2020年中国火电机组平均利用小时数
总结
发电侧在碳排放强度较大的地区开展光伏发电替代煤电,消费侧开展电能替代,提高终端电力消费比重。随着电气化进程的加快以及工业、建筑等领域电能替代提速,我国人均用电量增长潜力增大。电网企业预计到2025年我国人均用电量约为6425千瓦时,相当于2016年美国的二分之一,加拿大的五分之一,与主要发达国家仍存在较大差距,增长空间较大。
新型电力系统建设需要从系统的规划、建设及运行等各个维度更新,投入的资金和资源将非常巨大,如何分摊该项成本需要从顶层设计,避免公共的电网发展滞后,影响电源的清洁替代速度和电能替代。
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图9 未来的光储应用场景
为“推动人与自然的和谐发展,构建美丽新世界的文明画卷”,在社会各界的支持和帮助下,经海南省政府主管部门批准,海南省绿色金融研究院(以下简称“研究院”)于2018年6月正式成立。研究院成立以来,致力于“绿色发展,金融创新”的研究与探索,开展绿色金融、绿色发展、国际经济、资本市场等前沿领域的研究与实践应用工作,紧紧围绕服务实体经济,贯彻绿色发展理念,助推绿色产业升级,探索金融创新之路。
作为全球最大的光伏设备制造国,我国持续深化光伏领域国际合作,为全球市场供应了超过70%的光伏组件。我国目前已成为世界上最大的光伏应用市场,光伏发电的新增装机容量和累计装机容量连续数年均位居世界第一。2020年,全国光伏新增装机容量4820万千瓦,其中集中式光伏电站3268万千瓦、分布式光伏1552万千瓦;累计装机容量达到2.53亿千瓦,年发电量2611亿千瓦时,占全社会总发电量的3.4%。光伏发电经济性不断提升,2020年我国地面光伏发电系统初始投资每瓦造价已经低于4元,见下图4。全年平价上网项目装机规模约3305万千瓦,近一两年基本会实现新增光伏发电项目全面平价上网。

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原标题:《夯实新型电力系统基础,推动光伏“十四五”高质量发展》
2.2光伏发电已成为“十四五”时期重点发展行业
(数据来源:中国光伏行业协会)
图6 2019年各省区市光伏发电装机容量和全省装机容量占比
随着碳达峰碳中和要求影响的不断深入,全社会将从过去“要我减排”转变为“我要减排”的自觉减排意识。预计,积极参与光伏发电应用主要涉及电力消费的重点领域如建筑领域和交通领域。2019年我国建筑运行碳排放22亿吨,占全国碳排放的22%,建筑行业降低碳排放的压力很大,见下图7。
图5 2015年各省区市光伏发电装机容量和全省装机容量占比
推动“十四五”时期光伏高质量发展的建议
围绕近两年两会代表普遍关注的可再生能源高质量发展问题,国家能源主管部门积极开展了一系列据卓有成效的工作,从健全可再生能源电力消纳保障机制,到推动解决可再生能源补贴资金拖欠问题,再到引导光伏发电、风电、生物质发电产业持续健康发展。2021年《政府工作报告》明确提出要制定2030年前碳排放达峰行动方案,优化产业结构和能源结构,大力发展新能源。
【海南省绿色金融研究院简介】
4.1协调长期短期,处理好整体和局部的关系
4.2 创新商业模式,丰富光伏发电应用场景
(数据来源:国网新能源云)

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一是尚未形成光伏发电市场化发展格局。近几年光伏发电布局快速变化是行政手段干预的结果。“十三五”初期光伏应用主要集中在甘肃、青海,以集中光伏发电站为主;“十三五”后期光伏应用快速转向分布式光伏,并且主要分布在中东部地区,特别是形成了户用光伏山东省一家独大的局面。随着光伏发电成本逐步降低,实现全面平价上网,应减少行政干预光伏发电的布局,而通过市场化的机制促进光伏发电在全国各个地区多元化均衡发展,与应用场景紧密结合,有效的利用丰富的太阳能资源和土地资源。当前,全国电力市场建设相对滞后是矛盾的根本所在。
分布式光伏可以与建筑及充电设施等结合,实现太阳能发电的就地消纳。特别是,公园、学校、医院、交通场站等公共建筑应该是最先大力发展分布式光伏的场合。分布式光伏发电广泛与建筑结合,降低建筑能耗,与充电桩结合实现零碳交通,与废弃的采矿区结合为资源枯竭型城市注入新活力。

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《十四五规划和2035远景目标规划纲要》明确提出,“加快发展非化石能源,坚持集中式和分布式并举,大力提升光伏发电规模,加快发展东中部分布式能源,建设一批多能互补的清洁能源基地,非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右”。另外,针对当前困扰光伏等可再生能源发展的消纳问题《纲要》提出了多种解决途径。“加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设,提高电力系统互补互济和智能调节能力,加强源网荷储衔接,提升清洁能源消纳和存储能力”。
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二是配电网智能化水平不高,建设速度不能满足分布式光伏发电快速发展的需要。智能化程度的提高可以有效的改善配电网接纳光伏发电的空间,并且有利于提高分布式及户用光伏的利用率。配电网建设周期长,而分布式光伏发电项目建设周期短。若不提前开展配电网的升级改造和技术升级,有可能会导致分布式光伏发电项目延期并网,降低分布式光伏项目的经济性。
(来源:国家发改委能源研究所,中国2050年光伏发展展望(2019))
(数据来源:国网新能源云)
推动光伏“十四五”时期高质量发展的历史性机遇
图1 主要经济体人均二氧化碳排放量和累计排放量对比图
图3 2018年各国碳排放来源比较
“十四五”时期是碳达峰的关键时期和窗口期,受益于顶层设计精准支持,光伏发电有望更好地发挥能源替代作用,实现从发电生力军到主力军的转变。
五是电力系统灵活性不足,导致西北地区成为主要弃光的地区。太阳资源条件比较好的甘肃和青海是最早开始大规模发展集中式光伏电站的,2015年两省光伏发电装机容量分别为610、564万千瓦,分别位于全国第一、第二,见下图5。短时间内大幅增加光伏发电装机容量,然而当地的灵活性电源建设跟不上,甘肃和青海迎来了大面积的光伏限电,特别是甘肃限电最为严重。为了抑制光伏发电的弃光现象进一步发生,国家能源局采取了一系列措施引导光伏向消纳空间的地区发展,十三五光伏增量主要集中在中东部地区,见图6。2017-2019年,我国光伏发电平均弃光率分别为6%、3%、2%,光伏发电利用率得到了改善。曾经的光伏大省,近几年鲜见红红火火的光伏发电建设的场面。虽然新增的光伏发电装机容量较小,但是受制于当地的消纳条件有限,弃光电量仍然主要出现在西北地区。

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集中光伏电站方面,预计“十四五”时期探索示范西部太阳能发电成本低的优势开展光伏制氢、光伏制燃料等应用。利用氢能易于存储的优势,解决西部地区电力系统消纳光伏发电空间小的问题,拓展我国西部地区光伏发电的发展路径。
图7 2019年我国建筑运行碳排放
第一,建立新型电力系统是满足新型电源结构下电力系统安全稳定运行的基本要求。新型电力系统运行需要构建新的稳定运行策略,实现发电和用电的实时平衡。传统电力系统发电端由主要由煤电、燃气发电这类可控电源构成,系统运行通过调节可控的煤电和燃气发电来满足波动的负荷。新型电力系统是以不可控、间歇性的光伏发电和风电为主力电源,发电单元数量多、分布范围广,与传统电源差异非常大。可再生能源出力的不确定性和负荷波动叠加,导致电力系统存在较大的安全运行风险。继而造成电力系统稳定运行更为复杂,要求电力系统具有更高的智慧调度能力。
(数据来源:中电联)

原创 HGFR 海南省绿色金融研究院 收录于话题#光伏4#十四五1#电力系统1
文/ 孙李平 史英哲 云祉婷
全球累积排放的2.2万亿吨二氧化碳中有70%以上都来源于化石能源的燃烧和使用,只有彻底摆脱化石能源依赖才能从源头上化解气候危机。我国碳排放强度持续下降,截至2020年底,我国单位GDP二氧化碳排放较2005年降低约48.4%,提前超额完成下降40%-45%的目标。我国单一的电力和供热领域的二氧化碳排放量几乎超过其他所有碳排放大国单个国家的排放总量,见下图3。我国煤电装机容量和发电量均居世界第一,同时电力结构中煤电占比高,2020年煤电发电量为5.17万亿千瓦时,占总发电量的67.9%。大量排放的二氧化碳主要来源于燃煤发电机组运行。因此,减少燃煤发电量是实现碳达峰碳中和的关键。同时,削减下来的煤电发电量为光伏等可再生能源发电提供了发展空间。

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从全国来看,光伏发电在“十四五”期间逐步成长成为新增电力发电量的主要来源之一。受限于西部地区的消纳条件,"十四五"光伏发电更多以分布式并兼顾集中光伏电站,主要布局在电力负荷较高、具备消纳空间的中东部地区,西南地区利用水电资源丰富的特点建设风光水多能互补电站。
4.4协同供需两侧,挖掘光伏发电发展空间
坐拥丰富石油资源的中东国家也提出了发展清洁能源的战略。国际能源署报告显示,计划到2030年,中东地区可再生能源(不含水力发电)总发电能力将超过192GW,为当前水平的17倍,其中光伏占比将达42%以上。在“一带一路”框架下,我国可以利用光伏制造业世界领先的优势,向中东国家出口光伏产品,为我国光伏产业提供广阔的市场空间。
1.1降低能源生产端碳排放是实现碳达峰、碳中和的根本措施
光伏发电在多种可再生能源发电技术中具有发电成本低、资源分布广、易于安装、应用场景丰富等多重优势,被国际能源署(IEA)等许多国内外能源研究机构认为是未来主要的电力来源。作为全球最大的光伏设备制造国,我国通过顶层设计精准支持光伏发力,结合“十四五”时期部分省市、行业的碳达峰目标,光伏产业或将在“十四五”期间迎来历史性发展机遇。
“十四五”时期光伏发电发展面临的问题
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