Understanding Solar Energy

过去十五年最大的能源故事是太阳能光伏（solar photovoltaics）的崛起，也称为 solar PV 或简单的太阳能板。Solar PV 发明于 20 世纪 50 年代，并在 21 世纪初开始在美国大量用于公用事业规模的发电，但直到 2010 年代左右，它才开始成为全球计划发电项目的重要组成部分。

此后，太阳能发电能力增长非常迅速。通过一些指标来看，Solar PV 的部署速度比历史上任何其他能源都要快，仅用了 8 年时间就从 100 太瓦时增加到 1000 太瓦时，而风能和核能用了 12 年，天然气用了 28 年，煤炭用了 32 年。在美国，Solar PV 项目是计划新增发电能力中占比最大的部分。在约 1900 吉瓦的电力发电项目中，大约 50% 是某种类型的 Solar PV 项目。

但尽管 Solar PV 增长迅速，但从绝对值来看，它仍然相当渺小。截至 2023 年，太阳能约占总发电量的 4%，占美国总能源产量的不到 1%。这意味着围绕 Solar PV 的主要问题在于它的潜力：其快速增长率能持续多久，以及它能有效地供应我们能源的多少比例？

这个问题的答案取决于关于太阳能发电的两个显着事实。首先，它的成本随着时间的推移急剧下降。自从 20 世纪 50 年代发明以来，Solar PV 的成本已经下降了接近 10,000 倍。仅在过去的 10 年中，Solar PV 电池的成本就下降了 50% 以上，并且预计还会变得更便宜。这使得 Solar PV 成为最便宜的发电方法之一。

关于 Solar PV 的第二个显着事实是，它无法按需发电。与通过燃烧燃料来产生能量的技术（例如天然气、煤炭、核能）不同，太阳能是间歇性的，仅在阳光照射时才产生电力。

太阳能的未来潜力，广义上讲，是这两个因素的函数。有些人认为太阳能的间歇性从根本上限制了它可以供应我们多少能源。因此，他们认为，我们应该减少对太阳能的重视，而支持“稳定”的能源，例如燃气轮机、下一代核能或先进的地热能。另一些人则认为，Solar PV 和储能电池将变得非常便宜，以至于它的间歇性将变得越来越不重要：建造的成本越低，就越可以通过简单地建造更多的面板和储能来弥补太阳能的间歇性。

虽然很难预测未来，但一些简单的建模似乎有利于第二种结果。纯粹依靠太阳能来供应大部分能源消耗确实需要大量的“过度建设”：也就是说，建造的 Solar PV 和储能能力大大超过了日常能源消耗。但是，即使进行了这种过度建设，太阳能和储能成本也不会有太大进展，太阳能就能像今天一样便宜，甚至更便宜，即使在电力消耗的很大一部分中也是如此。

太阳能发电的原理

太阳能板通过将太阳光转换为电能来工作。我的上一篇关于太阳能的文章提供了更详细的解释，但简而言之，太阳能板由称为 p-n 结 的半导体组件组成。当光照射到 p-n 结时，它会激发电子，这些电子被 p-n 结内的电场推到一侧，在另一侧留下电子空穴。通过导线连接结的两侧，当电子试图重新建立平衡时，就会有电流流动。

不同类型的太阳能板具有不同的转换效率（转换成电能的太阳能比例），但美国公用事业规模的太阳能板通常具有 20-23% 的效率。光强度越高，面板产生的功率就越大。在地球上，阳光以每平方米 1,360 瓦的 辐照度 到达大气层的顶部，但当它穿过空气时会衰减，并且在地球表面，当太阳直接在头顶并且没有被云层阻挡时，辐照度约为 每平方米 1,000 瓦（1 千瓦）。因此，21% 效率的太阳能板的最大输出功率为每平方米 210 瓦。

对于地球表面上的给定位置，辐照度将从完全黑暗时的每平方米 0 瓦开始，逐渐上升到最大值，然后在夜间降回零。下图显示了 3 月份某一天赤道的太阳辐照度。

当光垂直于被击中的表面时，太阳辐照度达到最大值：对于地面上的水平表面，当太阳直接在头顶时，就会发生这种情况。因为地球大致是一个球体，所以你越往北走，地球的表面相对于太阳的倾斜度就越大（即：太阳在天空中的位置越低），从而降低了水平表面上的辐照度。并且由于地球轴的倾斜度在一年中会相对于太阳发生变化，太阳辐照度也会根据一年中的时间而变化：在北半球，辐照度在夏季上升，在冬季下降。下图是在 3 月份的同一天，佐治亚州亚特兰大（我居住的地方）的太阳辐照度与赤道的辐照度进行了比较。

这是亚特兰大一年中水平表面上的最大辐照度。

这意味着即使不考虑云层遮挡等因素，同一地点的同一块太阳能板在一年中的不同时间会产生明显不同的电量。如果我有 20 平方米的太阳能板，转换效率为 20%，平放在亚特兰大附近的地面上，在 6 月份晴朗的一天，这些太阳能板在其峰值输出时将产生接近 4 千瓦的电力。在 1 月份晴朗的一天，它们的峰值输出将约为其一半。

昼夜循环、随一年中时间和地理位置变化的太阳辐照度以及云层遮挡都意味着 Solar PV 面板通常产生的功率远低于理论上可能产生的功率。美国公用事业规模的 Solar PV 的平均容量系数约为 23%，这意味着平均而言，如果它们每天 24 小时暴露在每平方米 1,000 瓦的阳光下，它们将产生 23% 的功率。该容量系数因地点而异，阳光充足的西南部州的容量系数高于东北部州。

Solar PV 系统的峰值发电量将在一天中的中间，即太阳在空中最高的时候。这与电力消耗模式不太吻合，电力消耗模式往往在傍晚最高。对于我们在亚特兰大的 20 平方米的太阳能板，这是产生的功率，叠加在单户住宅的电力消耗上。

我们可以看到，4 千瓦的功率远大于峰值需求，峰值需求小于 2 千瓦。在大多数白天，我们的太阳能系统可以满足我们的电力需求。但是峰值需求发生在傍晚，那时太阳能发电几乎为零。并且我们模拟的房屋在整个夜晚都在继续消耗电力，那时根本没有阳光。电力需求和 Solar PV 供应之间的这种错位产生了著名的“鸭子曲线”，它显示了当电网上有大量太阳能容量时，非太阳能资源所需的电力。

在冬天，情况甚至更糟。我们模拟的亚特兰大房屋使用热泵进行供暖，从而增加了冬季的电力消耗。我们 1 月份的峰值电力需求现在超过 9 千瓦，远远超过我们的 Solar PV 系统即使在其峰值时也能产生的电力。并且太阳辐照度的减少意味着峰值发电量降至约 2 千瓦。

在 6 月份，我们的 20 平方米的太阳能板可以满足我们房屋电力需求的约 52%。在 1 月份，它只能满足约 10%。

事实上，情况甚至比这更糟，因为这个简单的模拟不包括云层覆盖。云层不仅会零星地减少我们面板产生的电力，而且云层覆盖往往在冬季更高，从而进一步减少了我们已经非常贫乏的冬季 PV 输出。这是一周从我们模拟的 1 月份 20 平方米 PV 系统中获得的输出，既没有云层，也没有简单的云层模拟。

这种间歇性是太阳能的根本挑战。我们无法随意打开和关闭阳光，并且 Solar PV 面板接收到的光量会根据一天中的时间、一年中的时间和该面板在地球上的位置而变化。与此同时，电力需求会发生显着变化，无论是在一天之内还是在季节性方面，其方式对 Solar PV 来说都不是特别方便。电力峰值需求发生在太阳能峰值时间之外，无论是在一天之内还是（假设使用电气化供暖）在一年之内。

应对太阳能间歇性的挑战

我们可以通过几种不同的方法来解决这种间歇性问题。最明显的一种方法是在阳光不照射时使用其他电源；可以使用按需打开和关闭的电源（例如燃气轮机），或者可以使用峰值与太阳能抵消的其他间歇性电源（例如风能）。

如果我们想使用纯粹的太阳能系统，我们基本上有两种策略来应对间歇性。一种是增加太阳能板产生的电量：这不会让您在夜间（在地球上）产生电力，但足够的面板容量可以让您满足冬季、低光照早晨或有云时的电力需求。有多种方法可以增加面板的功率输出：

应对间歇性的另一种方法是添加某种形式的储能。有多种方法可以做到这一点——使用来自我们 PV 面板的电力来旋转飞轮，或将水抽到山上，或合成甲烷以供以后燃烧——但实际上，今天大多数新的储能都采用大型锂离子电池的形式。

实际上，应对间歇性需要既增加我们面板产生的电量，又增加储能。如果没有储能，世界上最大的地面太阳能阵列仍然在夜间产生零功率，并且只有在我们的 PV 系统足够大，能够产生超过立即消耗所需的过剩能量时，储能才有用。

额外的 Solar PV 容量与额外的储能相比，哪个更有价值？我们可以通过模拟不同数量的太阳能板容量和储能，并将其与我们理论上的单户住宅的电力需求进行比较来理解这一点。下图显示了我们单户住宅在不同 Solar PV 容量下的发电量，没有任何储能。

仅使用太阳能板，我们最多只能满足我们 Solar PV 系统年度电力需求的略低于 50%：无论我们添加多少面板，我们的系统仍然无法在夜间提供任何电力。但是让我们看看当我们开始添加储能容量时会是什么样子。

随着我们增加储能的量，我们可以供应越来越大比例的家庭用电需求，使用 42 千瓦（约 200 平方米）的 PV 容量和 80 千瓦时的储能达到 99% 以上。这大约是我们家庭最大功耗的四倍，并且比基本型 Tesla Model 3 的容量多出约 40% 的存储空间。

但是我们的储能容量和 Solar PV 容量都受到收益递减的影响。每增加一平方米的面板和每增加一千瓦时的储能，所供应的整体电力需求的比例都会越来越小，这意味着每增加一千瓦时的电力所提供的成本都会比上一次更高。我们可以使用 15 平方米的面板来满足我们家庭电力需求的 25%。但是要供应 75% 的需求，不仅需要三倍的面板面积（45 米），而且需要五倍以上（85 米），再加上 20 千瓦时的储能。并且要从满足 75% 的需求到满足 95% 的需求，需要将系统的大小大致翻倍，达到 135 平方米的面板和 50 千瓦时的储能。

太阳能和成本

因此，虽然太阳能可以轻松地供应相对较小比例的电力需求，但随着我们希望太阳能供应的能量比例越来越大，这变得越来越困难，需要越来越多的基础设施。对于我们模拟的家庭来说，要满足 100% 的电力需求，需要 52 千瓦（约 250 平方米）的面板，大约是我们每年峰值消耗量的五倍，并且需要足够的存储空间来为我们的房屋在夏季连续供电近四天。即使这样，如果我们在冬季遇到一系列糟糕的阴天，也可能不够。（满足约 100% 需求的系统所需的确切尺寸可能会有所不同，面板数量较少会与更多存储空间进行权衡，但在某种程度上基本观点仍然存在。）

但是，如果太阳能和储能变得足够便宜，那么这种“过度建设”就不再那么令人担忧：足够低的成本意味着即使每增加一千瓦时的成本比上一次更高，系统仍然可以保持竞争力。在购买新电脑时，没有人会担心浪费金钱在很少使用的额外硬盘空间上：硬盘容量非常便宜，我们可以购买大量的硬盘容量来满足我们未来的任何需求。因此，理解 Solar PV 的潜力意味着理解其成本轨迹是什么样的。

Solar PV 系统的成本可以分为硬成本、软成本以及运营和维护 (O&M) 成本。硬成本是实际太阳能系统本身的成本：光伏面板、逆变器、支架、安装所需的人工等等。软成本是设计工作、许可、开发商管理费用以及与建造物理系统没有直接相关的其他事项。O&M 成本是在运营过程中产生的成本，包括保险、土地租赁、清洁、更换损坏的部件等等。以下是美国固定倾斜公用事业规模太阳能目前的硬成本和软成本细分。

美国整体成本略高于每千瓦 1,000 美元。我们看到，由于 70 年来的学习曲线改进，Solar PV 电池本身的成本不到整个系统的 1/3。PV 电池的成本与系统其余部分的成本相比所占的比例越来越小，这就是为什么人们对地面安装的太阳能感兴趣，它可以完全消除支架，并通过机器人安装太阳能板来降低安装成本。

对于储能，我们看到了大致相似的模式。公用事业规模储能的成本可以分为系统本身的硬成本、与安装相关的各种软成本以及持续的维护成本。与 Solar PV 一样，由于各种学习曲线效应（规模扩大、材料效率更高的电池等等），锂离子电池的成本随着时间的推移稳步下降，但电池本身的成本在整个储能系统成本中所占的比例仍然高于 Solar PV 的组件成本。

这些是资本成本，那么运营和维护 (O&M) 成本呢？由于太阳能和储能系统不需要购买燃料，并且几乎没有移动部件，因此运营和维护成本很低。NREL 估计，对于公用事业 PV，O&M 约为每年每千瓦 16 美元，约占资本成本的 1.5%。

对于电池储能的维护成本，NREL 没有给出细目分类，但估计电池储能的年度 O&M 成本约为资本成本的 2.5%，或以当前美国电池成本计算约为每千瓦时 12 美元。

我们可以将所有这些放在一起，以计算太阳能加储能系统的平准化电力成本 (LCOE) 以及所供应的不同比例的电力。LCOE 只是电力发电系统的成本除以其产生的电力量，并按贴现率进行调整（这既降低了未来付款的现值，又降低了未来发电的现值）。

（实际上，不可能以这些成本建造小规模太阳能系统；住宅 Solar PV 成本要高得多。目的是说明当 Solar PV 供应更大比例的电力需求时，成本如何变化。虽然我们正在模拟单个家庭，但相同的原则适用于电网规模的需求。）

下图显示了我们之前研究的 Solar PV 容量和储能的不同组合的 LCOE。这基于以下参数，这些参数大致是美国公用事业规模太阳能的当前参数：

我们可以看到，在没有任何形式的储能的情况下，并且在太阳能含量较低的情况下（电力可以简单地立即使用而不会浪费），我们的太阳能系统成本约为每千瓦时 5.7 美分。这恰好位于 Lazard 列出的 美国公用事业规模太阳能 LCOE 的当前范围的中间，并且略高于最近建造的美国公用事业规模太阳能发电厂的平均 LCOE。

但是，随着我们扩大系统规模以满足更大比例的电力需求，我们的每千瓦时成本迅速上升。在满足 50% 的电力需求时，我们每千瓦时为 13 美分。在满足 70% 的电力需求时，我们超过了 16 美分。在满足 90% 的电力需求时，我们接近 25 美分。

如果太阳能和储能成本继续下降，这种情况会发生多大的变化？下图显示了美国当前太阳能和储能成本下的电力成本，与欧洲当前成本（PV 每千瓦 750 美元，储能每千瓦时 300 美元）以及潜在的未来可实现成本（太阳能每千瓦 400 美元，储能每千瓦时 150 美元）进行了比较。

即使只是将成本降低到当前高效水平，也可以将美国太阳能成本降低约三分之一，即使在 50% 的电力供应下，我们的模型中的成本也低于每千瓦时 10 美分。如果成本可以进一步降低到专家预测我们可能达到的水平（BloombergNEF 预测未来太阳能成本为每千瓦 400 美元），那么我们可以在满足美国住宅电力发电平均成本的条件下，使用太阳能和储能满足近 80% 的电力需求每千瓦时 10 美分左右。

当然，无法保证太阳能成本会继续下降。即使电池和太阳能电池的学习曲线继续存在（它们可能不会：学习曲线在它们不起作用之前一直起作用），如果我们找不到降低系统其他部分成本的方法，太阳能成本可能会保持平稳甚至上升。我们已经看到了一定程度的这种情况。根据 太阳能行业协会 的数据，即使组件成本下降，由于系统中其他地方的成本上升，美国公用事业规模的太阳能成本在过去六年里大致持平。

结论

除了环境因素外，太阳能的主要优势在于其低成本。太阳能电池不需要燃料，没有移动部件，可以在大型工厂中以巨大的规模生产，并且几乎不需要维护。将其平放在地面上，它就会开始发电，无需大惊小怪。

太阳能的主要缺点是我们无法控制阳光何时照射：昼/夜循环、云层以及太阳位置的季节性变化都会减少太阳能板的发电量，并使其难以 可靠地 产生给定的电量。太阳能供应的电力份额越大，克服这一缺点所需的基础设施就越多，成本也就越高。

但是，随着太阳能成本持续下降，这一缺点变得越来越不重要，并且在经济上可以证明“过度建设”太阳能基础设施并用它来满足越来越大比例的能源需求是合理的。

感谢 Austin Vernon 阅读本文草稿。所有错误均由我负责。

1 成本从 1957 年的每兆瓦约 300,000 美元降至 2020 年代的每兆瓦约 36 美元。 2 太阳能使用的光当然是由太阳中消耗燃料的核反应产生的，但我们无法控制这些反应。 3 目前，美国整体电力需求冬季低于夏季，但能源生产脱碳意味着大规模采用电热泵，这将改变这种模式。 4 美国平均住宅电力成本略高于每千瓦时 16 美分，平均61% 的电力成本来自发电成本，其余来自输配成本。