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可再生能源36节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023“双碳”目标下我国光伏发电的装机容量预测姚俊1 陈彦涛2 阮晓娜3 李应涛3（1.常州晋陵电力实业有限公司，江苏 常州 213100；2.上海天晓环保工程有限公司，上海 310000；3.葛洲坝能源重工有限公司，北京 100010）摘要：对机构预测结果进行核实，并对农光互补、水面光伏、交通护坡光伏、数据中心光伏等几个可开发场景进行装机规模的预测。利用数理统计分析知识，预判2035年光伏发电的装机容量。研究表明，2030年，光伏发电总装机容量约为2 000 GW，2060年左右，光伏发电总装机容量为6 397 GW。关键词：碳中和；碳达峰；可再生能源；源网荷储中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）10-0036-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.010Prediction of installed capacity of Chinese photovoltaic power generation market under the target of double carbonYAO Jun CHEN Yan-tao RUAN Xiao-na LI Ying-taoAbstract：Verify the forecast results of the institutions,and predict the installed capacity of several developable scenarios such as agro-photovoltaic complementation,water surface photovoltaic,traffic slope protection photovoltaic and data center photovoltaic.The installed capacity of photovoltaic power generation in 2035 is predicted by mathematical statistical analysis knowledge.The research shows that the installed capacity of photovoltaic power generation will be about 2 000 GW in 2030 and 6 397 GW in 2060.Key words:carbon neutralization;carbon peak;renewable energy;source network load storage引言部分国家构建了多样灵活的综合能源服务商业模式1。美国侧重以分布式能源和智能电网为核心的综合能源供应系统2。2007 年美国颁布 能源独立和安全法案，要求社会主要供用能环节必须开展综合能源规划3。日本发布能源白皮书2018，其综合能源管理系统侧重引导能源结构优化，促进可再生能源规模化开发4。碳达峰、碳中和成为我国的能源战略方向，在能源价格攀升、碳减排压力增大的背景下，增加可再生能源装机容量成为共识。光伏发电是可再生能源的主要利用形式。光伏发电装机规模及光伏安装资源开发速度成为企业布局的关注点。2021年BP世界能源统计年鉴对主要代表性国家的非化石能源、化石能源占比以及光伏的总装机量进行统计5。根据统计结果，在保证能源安全、用能可靠的前提下，适当发展可再生能源势在必行。我国可再生能源装机发展态势良好，2021年我国光伏发电新增装机规模达到5 488万kW。应重视对光伏资源的摸排，合理开发及控制开发进程，有必要进行光伏发电装机总量的预测。文中验证机构对光伏装机容量的预测结果，并进行多场景的光伏装机规模预测。1光伏装机容量预测1.1咨询机构预测数据万国数据研究发现，为了实现碳中和，可再生能源占一次能源消费比重将达到75%，对应的可再生能源装机容量将达到60亿kW，未来40年可再生能源装机容量将达到50亿kW6。国家电网专家组预计，截至2025和2030年，电能占终端能源消费比重将分别达到30%、35%以上。中国电力企业联合会预计，2030年全社会用电量为11万亿kWh；2050年全社会用电量为16万亿kWh。舒印彪7等在2021年提出，综合考虑经济增长、产业结构调整、节能节电、电能替代、电制氢等因素，未来我国电力需求增长空间依旧很大，2030年全社会用电量为11.8万亿kWh，2060年全社会用电量约15.7万亿kWh；远期可再生能源制氢电力比重持续提升，2060 年约为17万亿kWh。1.2光伏装机规模2021 年，我国风电和光伏发电新增装机规模达到1.01亿kW。其中，风电新增4 757万kW，光伏发电新增5 297万kW，完成了全年保障性规模目标8。海上风电及作者简介：姚俊（1991），男，本科，助理工程师，研究方向为电力行业施工、技术、管理等。收稿日期：2022-12-21引用本文：姚俊，陈彦涛，阮晓娜，等.“双碳”目标下我国光伏发电的装机容量预测 J.节能，2023，42（10）：36-38.可再生能源37NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION海上光伏发电存在技术难点9。据未完全统计，截至2021年底，装机容量分别达到3.28亿kW、3.06亿kW，风电、光伏比重分别为49%、46%。未来全社会用电量将不低于17万亿kWh，而风电、光伏能源的年发电时长分别为1 500 h、1 229 h左右。2 095A+1 115B=170 000()100%-5%A/B=49/46(1)式中：A、B分别为风电、光伏发电装机预测容量，亿kW。代入相应数值求得：B=48.26亿kW，A=51.41亿kW。2光伏发电的主要应用场景装机容量预测2.1水面光伏电站内陆水域总面积为江、河、湖泊、池塘、塘堰、水库等流水或蓄水的水面占地面积。2019年水利普查结果显示，内陆水域面积为7.8万km2；采取较保守的安装预测方式，利用10%的内陆水域面积安装光伏，可安装水面漂浮电站的内陆水域面积为0.78万km2。目前，主流的210 系列组件面积为 2.35 m2，发电功率在 600 W 以上，且全部铺满比例50%，则安装功率为1.25 MW/万m2，预测可安装容量不低于487.5 GW。若安装量每年以 25%的速度增长，首年安装量为1 GW，预测可安装光伏总量Sn为：Sn=a1-qn1-q(2)式中：Sn预测可安装光伏总量，GW；a首年水面光伏电站的安装容量，GW；q递增比例，此处取1.25。计算得出，经过21.56年即可完成该预测的工程安装量。对水平可利用率分别为 5%、10%、15%、20%、25%、30%的情况进行分析，同时取可利用面积50%全部水平铺满，首年安装量为1 GW，年增长率25%。水面光伏电站不同水域利用率的预测结果如表1所示。2.2农光互补光伏电站在草原、戈壁、沙漠、贫瘠土地等地区建设光伏系统，可实现农光互补的土地资源利用。仅荒漠化土地面积为262.2万km2。研究表明，安装光伏系统有利于改善荒漠化土地。假设首年安装量1 GW，安装增长率10%，可利用或改善的荒漠化土地比例为 2%、4%、6%、8%、10%、12%，对装机容量及实现年限进行预判。为了预测光伏装机容量，a取1 GW，q取1.2。荒漠土地治理光伏装机预测统计如表2所示。由表2可知，改善10%的荒漠土地时，光伏的安装量为7 866 GW，以年均利用时长1 115 h统计，首年衰减率为3%，首年发电量为87.7万亿kWh，专家预测我国2060年社会总用电量为17万亿kWh。只需要改善不足2%就可以满足全社会总用电量，再进一步核减风电的装机比例，仅在1%的荒漠土地进行安装光伏，即可满足2060年总社会用电量。2.3高速公路“光储充”一体化应用我国有高速公路里程16.1万km，护坡高度3 m，最大安装面积4.83亿m2。根据可安装面积及利用率进行预测，高速公路“光储充”一体化光伏装机预测统计如表3所示。表1水面光伏电站不同水域利用率的预测结果项目安装面积/104 m2装机容量/GW实现年限/a预测利用率/%5390 000243.7518.4910780 000487.5021.56151 170 000731.2523.37201 560 000975.0024.65251 950 0001 218.7525.65302 340 0001 462.5026.46表2荒漠土地治理光伏装机预测统计项目安装面积/108 m2装机容量/GW实现年限/a预测利用率/%2262.21 573.231.564524.43 146.435.366786.64 719.637.5881 048.86 292.839.15101 311.07 866.040.38121 573.29 439.241.38表3高速公路“光储充”一体化光伏装机预测统计项目安装面积/108 m2装机容量/GW实现年限/a预测利用率/%52 4153.027.31104 8306.0411.57157 2459.0614.6209 66012.0816.942512 07515.0918.853014 49018.1120.47可再生能源38节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 20232.4数据中心2020 年底全国数据中心机柜总数约 315.91 万架；2021 年全国累计数据中心存量机柜总数预计达到约415.06 万架。全国数据中心能效水平保持平稳提升，2021年度全国数据中心平均能效水平(PUE)为1.49。PUE值是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。2021年总机柜数415.06万架，平均PUE指标为1.49，每个机柜耗电功率通常为7 kW，则单机总能功率约为10.43 kW；2021年数据中心总耗能功率为4 329万kW。折算满载运行时长约6 000 h，年用电量不低于2 597.39亿kWh。其中，6 000 h根据历史数据估算得到。2020年运行机柜数量约315.91万架，用能为2 000亿kWh，2021年投运数据中心机柜315.91万架。根据上述数据计算得到满载运行时长约6 069 h，并考虑PUE值因技术革新而降低要素，选择6 000 h。截至 2030 年，中国数据中心和 5G 总用电量约是2020年的2.53.0倍，将达到6 951亿7 820亿kWh，占社会总用电量的5%7%。根据碳中和要求，数字基建须加速100%可再生能源转型，需要安装一定比例的光伏发电或风力发电。利用现有数据中心20192021年的市场规模，利用线性回归，拟合预测2035年的市场规模，数据中心数据市场投资规模预测如图1所示。参考投资比重，该市场规模与中国数据中心预测的用电数据基本一致。若光伏满足该部分电力需求的一定比例，同时考虑全国平均光伏发电时长为1 115 h。在该条件下进行统计预测，数据中心场景光伏装机容量预测如表4所示。3光伏发电装机容量预测优化专家系统研究得到，我国2060年全社会总用电量为17万亿kWh，95%由光伏发电和风力发电满足，需要光伏发电装机48.26亿kW，风力发电装机51.41亿kW。按场景进行数理统计预测，2030年前后我国在水面光伏发电、荒漠治理光伏发电、高速公路“光储充”一体化、数据中心光伏用能等场景，总光伏装机容量约为2 000 GW。2060年左右，文中统计的4项光伏总装机容量为6 397 GW。该预测指标大于专家系统预测基础上光伏装机容量48.26亿kW，超过3.25%。4结语对近年来光伏装机容量进行统计分析得出：2030年，我国主要应用场景光伏装机容量约为20亿kW；2060年，主要应用场景光伏发电装机容量6 397 GW。该预测结果考虑了总安装面积，同时兼顾社会总电量需求以及人均消费电能等因素，也定性考虑了技术进步、通货膨胀等要素。光伏总装机容量较大，可定性预测光伏市场在4050年内将缓步发展。参考文献1 朱君，孙强，冯蒙霜，等.工业园区综合能源服务商业模式研究 J.电力需求侧管理，2020，22（2）：67-71.2 包铭磊，丁一，邵常政.国际能源系统转型对我国能源互联网建设的借鉴 J.分布式能源，2017，2（2）：11-19.3 刘书秀，刘劲松.美国“能源独立”现状、政策演变与经验分析 J.煤炭经济研究，2018，38（2）：40-46.4 本刊讯.中国地热能发展报告（2018）白皮书发布 J.地质装备，2019，20（2）：3-6.5 刘雅文.bp世界能源统计年鉴 2021年版发布：能源市场遭受巨大冲击 J.中国石油和化工，2021（8）：32-33.6 凌文.倡议：积极推进“光伏+绿色能源建筑”的创新发展 J.建筑学报，2018（12）：4.7 舒印彪，谢典，赵良，等.碳中和目标下我国再电气化研究 J.中国工程科学，2022，24（3）：195-204.8 王恰.20202060年中国风电装机规模及其CO2减排预测 J.生态经济，2021，37（7）：13-21.9 孙丽平，易晓亮，宋子恒.我国海上风电发展面临的挑战和相关建议J.中外能源，2022，27（11）：30-35.图1数据中心数据市场投资规模预测表4数据中心场景光伏装机容量预测项目消耗电量/108 kWh装置容量/GW完成年份/a满足比例/%5367.532.968.9110735.065.9212.75151 102.598.8815.24201 470.0131.8417.08151 837.5164.8018.55302 205.0197.7619.76