光伏 - 氢原子百科

光伏（Photovoltaic generation system）是太阳能光伏发电系统的简称，是一种将太阳光的辐射能转化为电能的发电系统，借助半导体材料的光伏电池，产生光伏效应，将太阳能直接转换为电能。^[4]

太阳能光伏发电系统由太阳能电池组，太阳能控制器，蓄电池等组成，^[5]有并网光伏发电系统^[6]和独立光伏发电系统两种类型，^[7]具有环保低碳的特点，但不同类型光伏发电系统的成本和经济效益差别较大。^[8]

2022年3月,全球累计光伏装机总量已跨越1太瓦大关,正式进入"太瓦级时代"，^[9]光伏度电价格和装机成本不断下降，^[10]光伏在新能源和制造业领域应用广泛。^[11]

光伏是清洁能源产业的主体之一，解决了化石能源发电的高碳排放和不可持续性问题，推动了全球能源经济的转型和升级。^[12]^[13]^[14]

发展历史

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中国光伏的发展历程

1839年，法国科学家贝克雷尔（Becquerel）发现光照能让导电液中的两种金属电级的电流得到强化，产生光生伏特效应，这种光伏效应是为太阳能产业的发展奠定了物理基础。^[15]^[16]

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室制成了第一个实用的单晶硅太阳能光伏电池，太阳能转化为电能的光伏发电技术也由此诞生了。^[17]^[18]

20世纪六七十年代，太阳能电池开始进入空间应用领域和地面应用领域，^[19]随后两次石油危机的影响，让光伏发电在全球范围内引起高度重视，成为常规能源的替代选择，^[20]欧美发达国家推出光伏产业扶持政策，鼓励和支持太阳能技术发展，亚洲中国也开始研究光伏发电技术，全球的太阳能光伏产业迎来了发展的机遇期，^[21]^[22]太阳能光伏发电技术在民用市场得到广泛应用，全球安装了大量光伏发电系统，而这些系统的应用主要集中在通信、管网保护、交通信号和边远地区供电等领域。^[23]

20世纪80年代以来,太阳光伏电池一直保持15%～25%的发展速度,世界各国不断推动太阳能电池技术发展，太阳能电池转换效率不断提高，^[24]^[25]而太阳能电池的种类和应用范围也随着不断增加，出现了硅基太阳能电池和薄膜太阳能等的应用。^[26]

2000年到2008年是全球光伏产业高速发展的第一阶段，高额补贴和市场需求增长让欧美和中国的光伏产能快速扩张。^[27]^[28]

2008年-2009年，次贷危机爆发，国际市场的光伏装机需求大幅萎缩，欧美的光伏企业巨头纷纷破产倒闭，而中国第一代光伏企业由于依赖欧美光伏市场和进口的多晶硅原料，在多晶硅材料价格暴涨暴跌下，也陷入亏损破产的风险，最终退出了国际光伏市场。^[29]^[30]^[31]

次贷危机发生之后，欧美太阳能产业一直没有恢复产能，而亚洲的中国完成了光伏产业链的原材料、技术和市场的迭代升级，实现国产替代，并且打开了东南亚市场，欧盟和美国光伏产品生产也逐步依赖中国光伏产业链，中国最终主导全球光伏产业。^[32]^[33]^[34]

2020年全球光伏产业迎来碳中和时代，在全球碳中和共识下，中国，美国，欧盟等国家都不断提高光伏发电系统的装机量，提高光伏发电量占比，实现平价上网，向新能源经济转型。^[35]^[36]

构成

太阳能光伏发电系统太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池储能装置、逆变器、电缆、负载端等构成。^[5]

其中太阳能电池组件和蓄电池储能装置构成电源系统；控制器和逆变器构成控制保护系统；直流负载和交流负载构成系统终端。^[37]^[38]^[39]

太阳能电池组件

太阳能电池组件也叫做太阳能电池板，在光电转换过程中，太阳能电池单体是最小的单元，将太阳能电池单体串并联起来，并且进行封装，形成可作为单独电源使用的太阳能电池组件。^[40]^[41]

光伏发电系统的电能产生器叫做太阳能电池阵列，是由太阳能电池组件串联和并联在一起，封装在支架上形成的。^[42]^[43]

太阳能控制器

太阳能控制器是防止蓄电池过分充电和过分发电的自动控制设备，调节充放电深度，从而提高蓄电池循环充放电的使用寿命。^[44]

蓄电池储能装置

储能设备是解决太阳能发电间歇性和波动性的关键，白天光照充足的时候，可以通过蓄电池来储存多余的电能，晚上没有太阳能的时候，可以使用蓄电池白天储存的电力。蓄电池在独立光伏发电系统中具有重大作用。^[45]^[46]

逆变器

逆变器是电力电子变换器的简称，是一种可以把直流电转变为交流电的装置。太阳能发电系统发出的电力是直流电，而居民日常生活使用的电力是交流电，逆变器可以把太阳能阵列发出的直流电转变为居民使用的交流电，改善光伏发电系统的供电质量，逆变器是光伏发电系统不可缺少的重要配套设备。^[47]^[48]

电缆

光伏电缆指的是电能运输使用的线缆，应用于太阳能光伏电站的直流侧电路系统，具有耐寒耐高温，阻燃环保，防止紫外线等特点。^[49]

负载端

光伏发电负载端指的是消耗电流的输出侧，通过逆变器的调节，光伏发出的电可以优先负载使用，负载端用不完，再输送到电网。^[50]

原理

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光伏发电的原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应（photovoltaic effect），光生伏特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位差的现象。这也是将光能直接转换为电能的一种技术，这种技术的关键元件是太阳能电池。^[51]^[52]

太阳能电池是一个半导体光电二极管，当太阳光照在光电二极管上时，光电二极管就会把太阳能光能转化为可以使用的电能，光伏发电的能量转换过程其实就是利用光生伏特效应，首先将光子转化电子，即将光能转化为电能，形成了电压，有了电压之后，两者连通就会形成电流回路，发出绿色电力。^[53]^[54]

太阳能电池阵列和太阳能控制器在光伏电路的输入侧，而蓄电池，逆变器和负载端在输出侧。太阳能电池产生的是直流电能，通过控制器和光伏电缆进入到输出侧的负载端，供直流负载端使用；如果是市区的交流负载，需要再通过逆变器转换为交流电，由变压器的调节升压，输送到电网交流负载端，供千家万户使用；太阳能电池端产生的直流电能，也可以经过太阳能控制器调节，进入到输出侧的蓄电池，把电力储存起来，作为备用电源。^[55]^[56]^[57]

太阳能控制器可以自动控制和调节蓄电池的充放电过程，以及光伏和蓄电池两端电压，光伏和公共电网并网发电的时候，蓄电池是充电状态，而当电网出现故障的时候，蓄电池可以提供电力，维持光伏系统运行。^[58]^[57]

类型

光伏发电系统按照供电方式，可以分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统两种类型。^[59]

并网光伏发电系统和独立光伏发电系统最大区别在于是否依赖传统电网运行，并网光伏发电系统往往与家庭电网和公共电网连接在一起，依赖传统电网运行，而独立光伏发电系统不与电网连接，可以离网独立运作，但必须带蓄电池。^[60]

并网光伏发电系统

并网光伏发电系统指的是太阳能组件产生的直流电经过并网逆电器，转换成符合市电电网需要的交流电之后，直接接入传统电网系统的光伏发电系统。^[61]

根据是否带有蓄电池或者储能系统，可以把并网发电系统再细分为蓄电池并网光伏发电系统和不带蓄电池并网光伏发电系统。^[62]

蓄电池并网光伏发电系统

带蓄电池的并网光伏发电系统具有灵活调度的特点，可以根据需要并入和退出公共电网，当公共电网断电的时候，蓄电池提供紧急电力，保持光伏发电系统继续运行，充当备用电源，比如安装在居民建筑的小型并网发电系统。^[63]^[64]

不带蓄电池并网光伏发电系统

不带蓄电池的并网光伏发电系统，在电力供给侧相对缺乏灵活性，受公共电网系统和输电通道约束，一般安装在大型光伏系统上。^[65]

并网光伏发电系统的优点是可以不用蓄电池，大大节约成本，而且国家政策支持的家庭并网光伏电站可以免费接入电网，多余电力还可以出售给电力公司。^[66]^[67]

并网光伏发电系统的缺点是当公共电网断电，光伏发电也不能运行，无法应对突发情况，电力调度的灵活性不足。^[68]^[69]^[70]

并网光伏发电系统可以应用于大面积沙漠、荒原等集中建立的大型光伏发电站，也可以应用于个人用户和家庭侧的自发自用，余电上网的分布式光伏发电站。^[71]^[72]

独立光伏发电系统

独立光伏发电系统指的是不依赖电网而独立运行的光伏发电系统，也叫做离网光伏发电，主要由太阳能电池组件、控制器、逆变器、蓄电池组成。^[73]^[74]

独立光伏发电系统一般分布在无电网的人口分散地区和边远地区，常见的有边远地区村庄供电系统、太阳能户用电源系统、太阳能路灯等各种带有蓄电池，可以独立运行的光伏发电系统。^[66]^[75]^[76]^[77]

独立光伏发电系统的优点是可以实现储能，白天发的电力储存起来，晚上蓄电池的电力可以释放出来使用，循环充放电即使没有电网供电，也可以稳定运作，而且不受地域限制，可广泛使用，对于缺电和经常停电的地区来说，实用性非常强。^[78]^[79]

独立光伏发电系统的缺点是建造和使用成本太高，其中蓄电池成本昂贵，需要定期维护更换，经济性不足，所以很难大规模推广使用，不适合电力充足且有公共电网的城市和地区使用。^[80]^[81]

独立光伏发电系统应用可以分为直流光伏发电和交流光伏发电两类，比如太阳能光伏水泵，市电互补光伏型光伏发电系统等。^[82]^[83]^[84]^[85]

根据光伏系统并网是否集中，光伏系统也可以划分为集中式并网光伏系统和分布式并网光伏系统。^[86]

集中式光伏发电系统

集中式光伏指的是将光伏阵列安装在荒漠、矿山、水面等宽阔且光照资源丰富的地区的大型光伏电站和水上光伏电站，发电直接接入公共电网和高压输电系统，实现远距离输电比如大型的国家级光伏电站等。^[87]^[88]

集中式光伏具有选址和运行方式灵活、发电输出稳定性更高、环境适应力强等优点，而缺点是依赖长距离的输电线路送电入网，电压容易越限失稳，投资成本高等。^[89]^[90]

分布式光伏发电系统

分布式光伏是在用户所在场地附近建设，且需要配电系统平衡调节的发电设施，运行方式主要是用户侧的自发自用和余电上网，容量较小，电压等级较低。^[91]

分布式光伏具有可就近供电、节约用地、并网难度低、运行灵活、初期投资成本低等优点，缺点是电压和无功调节难度大，需依赖配电网级的能量管理系统调节，配电网存在逆潮流损耗等。^[92]^[93]^[94]^[95]

光伏发电优点

低碳环保：不会像化石能源那样产生大量温室气体，污染环境。^[96]天然可再生性：光伏发电利用的是太阳能，取之不尽用之不竭。^[97]使用寿命长：多晶硅等光伏组件可使用20年以上。^[98]维护成本低：光伏发电系统建成后比常规发电厂的维护费用低。^[99]无噪声污染：光伏系统运行无机械转动部件，安静不产生噪音。^[100]模块化设计：光伏系统可根据需要调整容量，安装灵活方便。^[101]安全：光伏系统不消耗燃料，安全性能高。^[100]高海拔性：在日照充足和海拔高地区，光伏发电量与光照强度正相关。^[102]独立供电：可离网运作，独立供电，不受公共电网影响。^[103]运行稳定：在恶劣的气候环境下，可以实现正常供电。^[104]

光伏发电缺点

初期投入成本大：光伏系统早期的投资成本是比较高的，需要评估单个光伏系统的经济性，合理安装。^[105]^[106]波动性：光伏发电功率波动性大，特别是在偏远地区，电网会无法消纳，需搭配储能设备。^[107]间歇性：光伏发电受到季节和光照等气候影响，发电不稳定。^[108]需专业培训：光伏系统使用了用户不熟悉的新技术，在光伏系统运营前，需要对相关人员进行专门的技术培训。^[109]

主要应用领域

随着光伏发电在建筑、工业、农业领域的广泛应用，也催生了多个与光伏制造相关产业应用体系。^[110]^[111]

能源领域

光伏在全球电力供给领域的应用是比较广泛的，光伏发电可以提供绿色电力，^[112]也是可再生能源发电的重要组成部分，光伏绿电产业应用常见的有太阳能发电厂，^[113]并网光伏发电系统，独立光伏发电系统等。^[114]

全球光伏发电产业处于高速发展期，欧美发展光伏绿电产业，来提高清洁能源发电比例，减少化石能源发电的依赖，从而实现电力供给的可持续发展，而中国则在中西部地区打造光伏产业基地，解决西藏和新疆地区的缺电用电问题，并且把光伏发电产生的多余绿色电力，通过西电东输工程，输送到东部城市，为西部地区创造光伏绿电收益。^[115]^[116]^[117]

建筑领域

在建筑行业碳减排背景下，光伏带来的绿色电力可以减少建筑行业再能源侧的碳排放，光伏建筑一体化的产业应用和发展模式是打造低碳建筑和绿色建筑的关键，比如工业园区的屋顶光伏，解决园区能源供给问题。^[118]^[119]^[120]

农业领域

光伏农业是一种新的农业形式，也是推动畜牧业、渔业、种植业的可持续发展的关键，而光伏与农业的融合发展，不仅增加了农民收入，还提高土地资源利用效率，实现农村绿色低碳发展。^[121]^[122]

比如在西部地区，沙漠戈壁可以铺上光伏，输送绿色电力，沙漠戈壁的光照被光伏转化成电能之后，可以促进沙漠戈壁生态修复，重新生长出绿植，变成草原，而西部的牧民可以在光伏基地放牧，推动畜牧业可持续发展，形成了一个光伏发电+牛羊畜牧业+草原生态碳汇的生态农业发展模式。^[123]^[124]^[125]

汽车领域

全球汽车产业转向电动化和智能化发展，新能源汽车电力驱动模式可以实现交通领域碳减排，降低汽车使用过程碳排放。^[126]

光伏+新能源汽车的产业应用模式，解决新能源汽车的绿色充电问题，采用光伏电站和光伏充电基础设施供给的绿色电力，将会实现能源供给侧的碳中和，进一步降低碳排放，让新能源汽车产业实现长期低碳可持续发展模式^[127]^[128]

氢能领域

绿氢是推动能源碳中和的清洁高效能源，在绿氢制取过程中，如果采用化石能源燃烧来制取氢气，会带来大量碳排放，而在电解水制氢等绿色氢气生产模式中，采用光伏的绿色电力，将会降低绿氢制造过程的，能源侧的碳排放，光伏制氢是全球助力经济体发展绿氢产业的主要方向。^[129]^[130]

实际应用

2013年，欧盟国家新增光伏装机容量接近11GW，美国新增装机达到5.1GW,而中国新增装机容量达到11.8GW，成为全球第一大光伏市场。这也是自2003年以来，欧盟第一次在新增光伏发电装机容量指标上，失去了全球领先地位。但欧盟累计光伏装机总容量达81.5GW，依然占据全球59%的份额，高于中国和美国的市场份额。^[131]^[132]

2015年中国光伏发电累计装机容量达到4318万千瓦，超越欧盟和美国，正式成为全球光伏发电装机容量最大的国家，每年发电量突破392亿千瓦时，2016 年底,全球太阳能光伏装机容量累计超过 300 GW，有 24 个国家迈过 GW 大关,6 个国家累计装机容量超过 10 GW。^[133]^[134]

2022年全球光伏累计装机量突破1000GW，正式进入太瓦时代，而亚洲的中国是全球光伏新增装机容量的主要贡献者。^[9]^[135]

根据《可再生能源发电成本报告》2010到2019年，全球光伏发电度电成本已经从每千瓦时0.378美元，下降到每千瓦时0.068美元，下降幅度达82%。^[136]

全球光伏发电量稳步提升，2018年中国光伏发电量达到174GW，位居全球第一；美国光伏发电量达到63GW，位居全球第二；日本光伏发电量达到60GW，位居全球第三；德国光伏发电量达到46GW,位居全球第四。^[137]2023年，中国光伏行业装机规模连续10年位居全球第一，新增总装机容量连续8年位居全球第一。^[138]

影响

光伏成为国际公认的能源生产利用方式，改变了传统电网的供电格局，利用太阳能等可再生能源，逐步取代传统煤炭和石油能源，而光伏发电平价上网体系，不仅推动了煤电价格下降，还实现了能源的低碳绿色发展，解决了全球能源供给体系的可持续性问题，改变全球能源供给格局。^[152]^[35]

在全球化石能源危机频发，石油价格暴涨的环境下，全球能源经济迎来了转型期，新能源经济成为全球经济的新增长点，太阳能光伏发电和光伏产业体系是不仅推动全球能源经济再增长，而且实现了全球能源利用的多样化。^[153]^[154]^[155]

光伏电站对提高电网稳定性和可靠性有一定作用，也可以减少电力运输和配送过程中的电能损失，提升电网系统的灵活性，相比化石能源和核能发电，光伏电站投资和太阳能电池研发投入较少。^[156]^[157]^[158]

随着光伏电力系统与传统电网融合发展，光伏发电度电成本不断下降，大幅降低了居民用电和工业用电的电费支出成本，当光伏发电成本低于燃煤发电成本之后，电费也将进一步下降。^[159]^[160]^[161]

发展趋势

在传统能源经济增长放缓之际，光伏是全球主要经济体实现经济转型、促进绿色增长重要方向，也是全球新能源绿色电力供给的主体，全球大力发展光伏产业，从而解决化石能源经济通胀和全球电力短缺问题，并且让光伏产业逐步成为全球新能源经济的支柱性产业。^[162]^[163]^[164]

在全球能源碳中和背景下，欧盟开启了清洁能源产业转型计划，而中国和美国也在不断扩大光伏发电装机量，光伏发电成为全球绿色能源开发的重要组成部分，也是全球可再生能源领域内，发展最快的新兴产业之一。^[165]^[166]^[167]^[168]

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