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太阳能光伏

太阳光伏系统，也称为光生伏特，简称光伏（Photovoltaics；字源“photo-”光，“voltaics”伏特），是指利用光伏半导体材料的光生伏打效应而将太阳能转化为直流电能的设施。光伏设施的核心是太阳能电池板。目前，用来发电的半导体材料主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅及碲化镉等。由于近年来各国都在积极推动可再生能源的应用，光伏产业的发展十分迅速[1]。

生产中的太阳能光伏电池
位于柏林郊区的太阳能装置
“光伏树”在奥地利施蒂利亚州

截至2010年，太阳能光伏在全世界上百个国家投入使用。虽然其发电容量仍只占人类用电总量的很小一部分，不过，从2004年开始，接入电网的光伏发电量以年均60%的速度增长。到2009年，总发电容量已经达到21GW[2]；截至2021年底，全球累计光伏装机940GW（其中亚太地区光伏累计装机达547.7GW，占全球总量58%；欧洲地区累计装机为205.4GW，占全球总量22%；美洲地区光伏累计装机容量为161.8GW，占全球总量17%；中东和非洲地区光伏累计装机容量为25.1GW，占比2.7%）[3] ，是当前发展速度最快的能源。据估计，2009年没有联入电网的光伏系统，目前的容量也约有3至4GW[2]。

光伏系统可以大规模安装在地表上成为光伏电站，也可以置于建筑物的房顶或外墙上，形成光伏建筑一体化。

自太阳能电池问世以来，使用材料、技术上的不断进步，以及制造产业的发展成熟，都驱使光伏系统的价格变得更加便宜[4]。不仅如此，许多国家投入大量研发经费推进光伏的转换效率，给与制造企业财政补贴。更重要的，上网电价补贴政策以及可再生能源比例标准等政策极大地促进了光伏在各国的广泛应用。

原理

主条目：光生伏打效应

光生伏打效应（英语：Photovoltaic effect），简称为光伏效应，是指受光线或其他电磁辐射照射的半导体或半导体与金属组合的部位间产生电压与电流的现象。最早于1839年由法国物理学家亚历山大·爱德蒙·贝克勒尔发现[5][6]。

光伏组件由许多光伏电池互连组合而成，其效率描述了多少阳光被转化为电能。例如，一块效率为20％的面板在1000瓦的日照下，每小时它将产生200瓦时的电能。光伏组件的朝向会影响发电效率。[7]

应用

1954年，贝尔实验室制成效率为6%的光伏电池；自1958年起，光伏效应以光伏电池的形式在空间卫星的供能领域首次得到应用。时至今日，小至自动停车计费器的供能、屋顶太阳能板，大至面积广阔的太阳能发电中心，其在发电领域的应用已经遍及全球。薄膜太阳能电池（英语：Thin film solar cell）是先进的第三代太阳能电池（英语：Third generation solar cell）。它们以较低的成本生产高效率的转换。

系统

太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。[8]

局限

  • 生产过程

  太阳能板的原材料和电脑芯片原材料一样。大量生产过程中需要大量能源，有毒有害化学物质。化学物质主要靠工厂所在地法律法规管控。某些太阳能工厂已经安装太阳能系统，用太阳能系统产生的清洁能源生产太阳能板。

  • 对电网的影响

  截至2017年12月，澳洲东部昆士兰州有超过31%居民拥有屋顶太阳能系统，平均安装功率超过3.5千瓦（世界第一）。但是高太阳能系统普及率也给电网电压带来问题。居民区中午用电量低，主要以出售电力给电力公司为主。传统电网并没有考虑双向电力输送。在居民区电力大额传输回电网的时候，电压会逐步抬高，而且可能超过电器设备可承受范围[9]。科学研究已经有方法解决这种问题，但是都有各种成本考虑，例如，在中压电网额外增加电压控制装置。

对于其他国家或地区的启示：没有系统性的分析和规划，单一鼓励促进太阳能在居民区的普及会带来新的风险。更好的方式之一是，通过税收或其他鼓励措施，促进工业和商业用户的太阳能系统安装。因为工商业用户主要用电高峰经常在白天，太阳能系统在日照白天发电，补充工商业用电，降低工商业对电网的压力。

  • 对能源投资和电费管理的影响

  现实生活中的问题经常复杂多变，原因错综复杂。对于能源投资和电费管理也是同样的道理，没有适合每个方案的万用灵丹。太阳能系统投资也许是很好的选择，如果：当地阳光充足，电价较高而且持续涨价，政府通过财政或金融方式大力支持，电力可卖回给电力公司 （澳洲和德国）。投资回报经常是能源投资的主要考量。但是系统性的检查，评估和分析，也许会发现，在目前市场条件下，一套综合性的方案是最合适的。例如，通过房屋建筑能效提高[10]，既有设备运行的改善[11]，和太阳能系统投资[12] ，可能会提供业主最好的投资回报[13]。

发展

太阳能电池本身的最新发展是第三代光伏电池技术，旨在突破肖克利-奎伊瑟极限的31至41%效率上限。

在运用上，有研究发现在漂浮太阳能比在陆上装置太阳能板有更多好处，包括：

  • 不用占用土地
  • 水有助降温，能提高太阳能电池的效率
  • 布置在储水设施的话有助减少储水被蒸发掉。

全球应用发展

全球太阳能光伏发电统计 [14]
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
装置量(MW) 639 871 1,252 1,746 2,809 4,245 5,714 8,230 14,855 22,938
发电量(GWh) 1,177 1,463 1,831 2,329 3,054 4,249 5,818 7,864 12,721 21,092
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
装置量(MW) 39,455 71,251 100,677 137,260 178,090 226,907 302,782 399,613
发电量(GWh) 33,829 65,211 100,925 139,044 197,671 260,005 328,182 442,618
占全球发电量比 0.16% 0.29% 0.44% 0.59% 0.83% 1.07% 1.32% 1.73%
全球太阳能光伏装置量百万瓦（MW）前十国
国家 2017[15] 2018[16] 2019[17]
  中华人民共和国 130,632 175,018 205,072
  日本 48,600 55,500 61,840
  德国 42,394 45,930 48,960
  美国 41,131 49,692 60,540
  意大利 19,692 20,120 20,900
  印度 19,047 26,869 34,831
  英国 12,791 13,108 13,398
  法国 8,195 9,483 10,562
  澳大利亚 6,413 9,763 15,928
  韩国 5,602 7,862 10,505

环保问题—碳排放与毒废料

制造太阳能电池时必须把源材料石英（二氧化硅）纯度提升致冶金级硅晶，这过程会使用消耗大量能量、加热到1800℃以上的熔炉。 这就是太阳能电池的碳排放，现有技术下，太阳能电池的碳排放一般为41g/kWh，[18]是聚光太阳能热发电（20g/kWh）[19]的2倍及风力发电（11g/kWh）的4倍。[18]但这数值会随制造地区的能源来源、太阳能电池的寿命及使用地点的环境而改变。若制造太阳能所在地区是用燃煤发电的话，碳排放就会增加，例如在中国制造会导致较在美国制造高一倍；[18]太阳能电池的寿命较长的话，碳排放就会减少；太阳能电池的使用环境会影响太阳能电池的效率及寿命，例如浮在水面的太阳能电池因为有水帮助降低温度，发电效率能有所增加，从而降低碳排放。[18]

制造太阳能电池过程中会产生不少有毒气体，毒性高的有的如三氯氢硅 、四氯化硅、三氯氧磷、氢氟酸等，即使毒性较低的气体也多会做成酸雨。[18]

太阳能电池的寿命完结、弃置后就成了废料，以每单位能源计算，太阳能电池发电所产生的废料是核能的300倍[20]。相比核能，制造太阳能电池的废料在技术上是可以回收的，但因为不像核废料有即时危险性，而且没有经济诱因甚至需要经济补贴，若在没有有效监管的情况下基本上是不可行。

由于太阳能电池中含有塑料、铅、镉和锑等对环境有害的物质，除了封装太阳能电池的外壳外，太阳能电池本身当成一般玻璃回收的话会释出有毒物或对环境有害物质。在2023年，全球只有位于法国的威立雅公司开发出能回收整片太阳能电池90%材料的工艺并以商业模式运作；同期，其他技术有的可以达到95%并将金属、硅及玻璃分离，有的则能达到100%回收，但这些也未达致商物化。[18]随着早年开始大规模投入使用的太阳能电池快将陆陆续续寿限期满，太阳能电池回收变得重要。

经济学

参见：光伏阵列

硬件成本

 
自1977年以来晶体硅太阳能电池的每瓦价格历史

1977年，晶体硅太阳能电池价格为76.67美元/瓦。[21]

尽管由于德国和西班牙的慷慨补贴和多晶硅短缺导致早在2000年代初期，批发模块价格在3.50美元/瓦至4.00美元/瓦之间保持稳定，但在2008年市场崩盘后，西班牙补贴突然终止，需求崩溃，价格迅速降至2.00美元/瓦。尽管收入下降了50%，但由于创新和成本降低，制造商仍能保持正面运营利润。2011年底，晶体硅光伏模块的出厂价格突然跌破了1.00美元/瓦的大关，这让许多行业内的人感到意外，导致世界范围内许多太阳能制造公司破产。1.00美元/瓦的成本在光伏行业通常被视为实现光伏发电网络平价的里程碑，但大多数专家不认为这个价格点是可持续的。技术进步、制造工艺改进和行业重组可能意味着进一步降低价格是可能的。[22] Solarbuzz集团监测的太阳能电池的零售平均价格从2011年的3.50美元/瓦下降到了2011年的2.43美元/瓦。[23] 到2013年，批发价格已降至0.74美元/瓦。[21] 这被引用为支持“斯旺森定律”的证据，这个观察类似于著名的摩尔定律，它声称随着行业产能翻倍，太阳能电池的价格下降20%。 [21] 弗劳恩霍夫研究所将“学习率”定义为随着累积产量翻倍的价格下降，1980年至2010年间下降了约25%。尽管模块的价格下降迅速，但当前逆变器的价格下降速度要低得多，在2019年占到每千瓦峰功率成本的61%，而在2000年代初仅占四分之一。[24]

请注意，上述价格是裸模块的价格，另一种看待模块价格的方式是包括安装成本。根据美国太阳能产业协会的数据，2006年家庭屋顶光伏模块的安装价格从每瓦9.00美元下降到2011年的每瓦5.46美元。包括工业安装支付的价格，全国平均安装价格降至每瓦3.45美元。这比世界其他地方要高得多，在德国，家庭屋顶安装的平均价格为每瓦2.24美元。据认为，这种成本差异主要基于较高的监管负担以及美国缺乏国家太阳能政策。[25]

截至2012年底，中国制造商的最便宜模块的生产成本为每瓦0.50美元。[26] 在某些市场，这些模块的分销商可以获得可观的利润，以工厂门市价购买，然后以市场支持的最高价格出售（“基于价值定价”）。[22]

在加利福尼亚州，2011年太阳能光伏达到了网络平价，通常定义为光伏发电成本在零售电力价格之下（尽管通常仍高于煤炭或燃气发电的电厂价格，未计算分布和其他成本）。[27] 2014年，在19个市场中实现了网络平价。[28][29]

电力的平均成本

 
AWM慕尼黑ETFE气垫光伏

电力的平均成本（LCOE）是每千瓦时的成本，基于项目寿命周期内分摊的成本，并被认为是比每瓦价格更好的衡量可行性的指标。LCOE根据地点的不同而大不相同。[22] LCOE可以被视为客户为了使公用事业公司在新发电站投资上达到盈亏平衡所必须支付的最低价格。[30][31] 当LCOE降至与传统本地电网价格相似时，大致实现电网平价，尽管实际上计算不是直接可比的。[32] 2011年，加利福尼亚的大型工业光伏装置已实现电网平价。[33][32] 到那时，屋顶系统的电网平价仍被认为遥不可及。[32] 许多LCOE计算被认为不准确，并且需要大量假设。[22][32] 模块价格可能会进一步下降，太阳能的LCOE可能会相应下降。[34]

因为能源需求在一天之内上升和下降，而太阳能受到太阳落山的限制，太阳能公司还必须考虑为电网提供更稳定的替代能源供应的额外成本，以稳定系统，或以某种方式储存能源（目前的电池技术不能储存足够的电能）。这些成本没有纳入LCOE计算，特殊的补贴或优惠也没有纳入其中，这可能会使购买太阳能更有吸引力。[35][36] 太阳能和风能发电的不可靠性和时间变化是一个重大问题。这些不稳定的能源来源过多可能会导致整个电网的不稳定性。[37]

截至2017年，美国太阳能电厂的电力购买协议价格低于0.05美元/千瓦时，在一些波斯湾国家的最低报价约为0.03美元/千瓦时。[38] 美国能源部的目标是实现太阳能光伏的电能LCOE为每千瓦时0.03美元的水平。[39]

内部链接

外部链接

参考资料

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