🔕 💄 ❕ 太阳能：今天和明天 👍🏼 🤙🏿 👩🏽‍⚖️

自1970年代石油危机以来，社会开始考虑寻找替代传统碳氢化合物能源的替代方法。太阳能作为人类最大和最容易获得的潜力，一直吸引着科学界的关注。可再生能源的使用构成了整个社会和政治运动概念的基础。在过去的十到十五年中，太阳能发展迅速，并在发电领域获得了一定的分布。总的来说，我们可以谈谈近二十年来光伏发电的指数增长趋势[1]：

现在看来，经验数据已经足够了，这意味着有可能从理论上绝不评估该行业的能力。但是，尽管如此，意见仍然极端极端。一侧指出，太阳能发电厂的电费比传统发电厂的电费高，没有成本有效的技术来存储电力，这是日常发电量波动所必需的，还有更多。另一方报道了SES发电量的指数增长，成本降低到传统火电行业水平以下。谁是对的？正如我们经常注意到的，真相在中间。我们认为，估计差异的原因很简单，可以解决冲突各方的争议：太阳能的相关性在许多方面有很大的不同，并且根据情况，事实证明，支持者阵营是正确的，反之亦然。在下文中，太阳能意味着光伏发电，太阳能热技术的使用仍然更加昂贵，而此类发电厂则不那么普遍。

概念层次-生态位方法

出于什么原因引起大惊小怪？
•日晒。如果将加利福尼亚州与俄罗斯北部地区进行比较，那么我们可以说有四倍的差异，并且成比例地影响了成本。
•在过去的35年中，太阳能电池的价格一直在下降，甚至存在经验模式：每5年，价格下降两次。因此，对太阳能发电成本的估算一直变得过时，在讨论中应考虑到这一因素。
•随着太阳能在电力平衡中所占份额的增加，配电网络的复杂性，对用于发电的存储技术的需求，分流能力以及主要电网的传输能力的增加也随之增加。
•传统电力的成本根据所研究国家的选择和时间段而有很大差异。
您可以继续使用很长时间，但是很明显，如果您考虑选择日照价格高，近期价格低廉，电力余额中的一小部分以及昂贵的当地传统电力，那么太阳能在盈利能力方面将大大超过传统电力，并且不需要对基础设施进行特殊投资。对于相反的情况，太阳能将看起来是不可接受的。

因此，如果不考虑特定案例的地域，气候和其他条件，就无法“割断肩膀”并匆匆忙忙寻求太阳能。我们认为，应采用“利基”方法来理解太阳能发电的可接受性。

定量估算-电力成本

光伏发电成本的估算取决于所选择的方法，资本成本和其他参数;因此，要大致了解，应依靠许多独立的估算：

传统能源的上限（更不用说石油产品的发电量）与光伏发电估算成本的下限相交。加上其他细微差别，这为太阳能的吸引力创造了利基。根据我们的估计，今天它们的规模约为全球发电量的3-5％。除了这些狭ni的利基以外，太阳能，通常，以及目前，在经济上都不可行。

壁ni的规模相对于整个世界发电来说微不足道，但仍超过装机容量的三倍，这为太阳能行业提供了进一步长期增长的机会。考虑到发展中国家用电量增加，太阳能发电成本降低和传统发电成本增加的因素，合乎逻辑的假设是，“利基”会随着时间的推移而增加。让我们看一些例子。

太阳能群岛

如果从总体上看，那么今天和一般而言，太阳能的使用是不合理的。但是在传统能源的海洋中，有一个单独的光伏岛的地方。我们列出了出现太阳能利基市场的原因：

石油产品的替代。首先，已经提到的成本。例如，在世界发电量中排名第三的日本，其石油产品发电量占总发电量的10％，这并不是福岛惨案的结果-以前是一样的。根据世界银行的数据，在43个国家中，石油产品（燃料油，柴油燃料）在发电中所占的比例超过10％[10]。通常，这种发电方式是临时使用的，以通过每天的能耗峰值，因为在晚上，能耗会大大降低。从每个意义上讲，这种昂贵的高峰发电，在石油产品的情况下为100美元/兆瓦时或更高，可以方便且廉价地用太阳能发电（100美元及以下）代替，日本已开始这样做。在昂贵的天然气进口中也可以观察到类似情况。

自身能源不足。另一个很好的例子是印度。总理的竞选承诺雄辩地表明，该国电力和能源生产都严重短缺，“每个家庭都要用电！”如此严重的短缺促使人们以任何方式解决问题，除了基本的一代外，还需要一个高峰。但是该国煤炭资源不足，没有铺设一条天然气管道-美国多年来威胁要制裁巴基斯坦，因为它同意进入该国通过伊朗从伊朗向印度运输天然气的项目，尽管情况最近已经向前发展。

长期能源短缺，外部参与者的政治游戏，进口依赖等的结果。这是增加太阳能发电份额的决定，日照量大和廉价劳动力的好处将使其相对便宜，尽管其价格比煤炭发电更为昂贵。考虑到经济的疯狂变化（2014年增长7.5％）和上述原因，这比目前2.5亿印度公民完全没有电力供应要好。新能源与可再生能源部已经启动了一个项目计划，该计划的象征性名称是“超大型太阳能发电厂”，在该框架内分配了用于太阳能发电厂公园的领土，铺设了基础设施等。近期目标是到2022年达到100吉瓦[11]。

环境因素。在大多数国家，尤其是在中国，热发电的成本低于太阳能。但是，例如，不能以金钱来购买健康。空气污染每年夺走中国约0.5-1百万人的生命，并对社会和政治局势造成负面影响。此外，世界上三分之二的太阳能电池生产能力都位于中王国[12]。因此，出现了另一个太阳能利基市场，中国国家可再生能源中心的目标是到2020年装机容量达到100吉瓦，到2030年达到400吉瓦[13]。考虑到2015年第一季度，中国的光伏装机容量增加了5吉瓦，达到了33吉瓦[14]，目标看来是相当充分的。

有复杂的案例，例如澳大利亚。尽管发电公司和政治力量正在争论谁应该为高零售价（250-350美元/兆瓦时）负责，但14％的家庭已经在使用光电电池[15]。等等。

因此，当使用利基方法时，很明显，在特定的狭窄壁ni的情况下，真相在太阳能附着体的一边，而在其他情况下，反对者的论点已经有效。但是，和以前一样，简化的过程非常好，下面将考虑正确方法的细微差别。

前景。成本是时间的函数。

能源发展问题不应侧重于战术因素和当前成本。核电站的使用寿命接近一个世纪，用于开发单个碳氢化合物矿床的资本支出已达到数千亿美元的规模，并具有适当的回收期，太阳能电池的电力成本每年减少15％，依此类推。也就是说，该方法必须是战略性的，并具有数十年的规划视野，而在法国和俄罗斯（其中核电扮演着特殊角色）的情况下，规划视野具有一个世纪的历史规模。因此，仅关注当前的发电成本会适得其反。

如您所知，预测是一项艰巨的任务。但是，总比没有好。技术进步使得降低光电电池（过去35年的200倍），逆变器等的生产成本成为可能，而市场的发展则降低了安装和维护的价格。进步不会停止，工人的技能也不会降低，因此预计太阳能电池和相关服务的价格将进一步下降，而“其他所有条件都相同”的能源价格将上涨。所有预测的基本本质是相同的-过去35年以来观察到的指数成本降低将继续，并且没有明显的理由阻止进展：

在“利基方法”的框架内，依靠成本的较低界限是合乎逻辑的，因为太阳能以最具成本效益的情况开始其发展，并将长期且缓慢地填满它们。填满全球5％的电力将花费大约10年的时间。

根据国际能源机构的预测，俄罗斯是该机构的成员，而德国太阳能研究所则以弗劳恩霍夫（Fraunhofer）太阳能正在变得越来越便宜，但并没有变得“免费”。来自俄罗斯，美国，中国，挪威等国家的廉价传统能源有望在许多年内比太阳能便宜。

网络环境

如今，尚未解决将大规模太阳能整合到单个能源网络中的问题，而且，甚至在即将出现时也没有解决方案。 “太阳”是应付日常高峰消费的一种方便选择，但是在某些情况下，还有一个高峰高峰的问题，更不用说冬天了。即使是意外的夏季晨雾，在德国几千兆瓦的光伏发电中遮住了阳光，也会使电气工程师感到困惑- 有例子。例如，目前，欧洲正在通过进出口电力来解决其“网络”失衡问题，但我们认为该工具的可能性有限。从概念上讲，有很多方法：

保留。一个方便的例子是德国。由于上述问题，尽管在夏季的白天高峰期使用太阳能发电可以完全放弃这种昂贵的发电，但是有必要保持“ 10警报”燃气发电处于“警报”状态，即储备太阳能发电。天然气TPP的电力成本的主要部分是燃料，尽管夏季TPP处于闲置状态，但该公司在一定程度上通过节省天然气进口而获得收益。

在分流煤炭TPP的情况下则观察到相反的情况，其中成本的主要部分是资本支出。在这种情况下，情况正好相反：燃料只占成本价格的一小部分，并且随着装机容量利用率（KIUM）的降低，整个电力将对社会造成更大的成本，因为它必须为太阳能发电和煤炭TPPs的闲置容量支付费用，而这比天然气要贵得多[16] ]。

积累。通过累积电能可以解决网络问题。在夏季日照量明显高于冬季的国家（例如德国），当光伏发电量占年均发电量的7％时，就会出现集成问题。在这种情况下，夏季的日平均百分比上升到10％，而白天则上升到30％[17]，这对于电力系统来说是一个严重的问题。尽管目前不需要蓄积，但蓄积是情况进一步发展的自然出路[18]。此外，对太阳能大规模发展的怀疑可以归结为廉价积累的问题，因为具有高可能性的太阳能电池发电成本高昂的问题迟早将不复存在，而仅存在集成到网络中的问题将继续存在。

2014年，全球存储系统的装机容量为145 GW；抽水蓄能电站（PSP）代表了99％[19]。压缩空气存储系统（ACSV）已使用了十多年，但尚未得到分发-两种系统的当前实施对地理和地质条件至关重要。

[20.21]

当前的下限阈值为$ 80 / MWh，我们有理由相信AHRN和其他技术能够降低该阈值，但至少在接下来的十年中这是现实。额外的$ 80 / MWh的存储容量对于太阳能来说是无法承受的，但是在某种程度上这是一个方法问题。在当前和中期，铅酸和其他类型的可充电电池在工业光伏存储系统中不宜使用。

EROEI光伏-能源效率

在上一篇文章中简要介绍了能源获利能力，并附带示例和计算，因此我们省略了基础知识的重复。EROEI光伏技术不是“七个密封背后的秘密”，对此有很多研究。如果我们总结38个研究[22]，我们可以得到以下针对不同技术的EROEI范围：

我们认为，这些都是很好的结果。因此，在能量上，太阳能电池将在0.5-4年内得到回报。

领土方面

光伏的领土问题是“中间真理”的另一个很好的例子-国家在单位面积上的能源消耗差异很大。麻省理工学院的研究人员估计，满足美国对电力的需求所需的光伏面积为170x170 km的正方形[9]。可以凭经验获得相同的数字：例如，现代Solar Star太阳能发电厂的容量为579 MW，面积为13平方公里，太阳跟踪系统使您可以将装机容量利用率（KIUM）提高到30％[7]，并将所有消耗在美国，电量为4.1 * 10 ^ 15 Wh * h-一些简单的计算将使好奇的读者得出相同的数字。例如，下面是美国的地图，在上面我们应用了太阳能发电厂的所需区域（需经过KIUM修正），以满足美国所有的电力消耗：

如

您所见，基于GoogleMaps，可以轻松摆脱亚利桑那州和内华达州沙漠的一小部分。有趣的是，美国所有屋顶的总面积为140x140 km平方[9]。但是日本的能源消耗是美国的四倍，而面积却是美国的25倍，因此对于日本来说，光伏领域的差异更加明显，那里没有多余的90x90公里。

历史经验教训：光伏潜力估算的演变

黑格尔的悖论指出：“历史告诉人，人不会从历史中学到任何东西。”尽管太阳能很年轻，但到今天为止，已经有很多经验表明是“艰难的错误之子”，值得注意以前的错误，以免增加自己的错误。两家领先的能源机构总结了多年前对太阳能的预测：

[23,24,25,26]

结论很明显-光伏被系统地低估了，而且非常强烈：2006年，IEA预测到2030年将达到87吉瓦，但是六年之后就超过了这个水平。 2015年至2016年将超过2009年的基准预测（208吉瓦）。美国能源部下属的AEI（EIA）的预测与此类似。预测的本质是相同的-当前指数级发展速度有所放缓，但光伏技术的发展系统地驳斥了这些假设。
因此，如回顾所教导的那样，以悲观色彩看光伏技术的发展将是一个错误。值得一提的是基数较低的影响：尽管事实上，太阳能发电量每年以50％的速度增长，但从绝对值上来说，近年来这相当于30 TW * h。尽管全球用电量每年平均增加650 TW * h [27]。也就是说，光伏发电的贡献仍然可以忽略不计-占全球发电量的1％和占全球一次能源产量的0.2％（此参数通常包括所有能源：碳氢化合物等）。

发现

真相在材料开头指示的两个位置之间的中间。

光伏发电迅速增长，这一趋势将持续下去
- 2030-

因此，尽管总体上光伏和可再生能源都取得了长足的进步，但化石燃料将不得不使用相当长的时间，并且过渡到新能源存储的困难还在前面。总体而言，发展尤其是能源消耗的增加是人类数百年来的不变属性，社会无疑将继续改善。根据世界银行的说法，十亿人没有电力供应[28]，为人类提供电力的任务是太阳能的挑战。鉴于全球用电量每年以3％的速度增长，并且到2040年将翻一番，相对和绝对数量的壁ni规模都会增加。
有趣的是，在文明方面看一下结果[12]：

在所提出的方法的框架内，可以说，欧洲人为创造的利基市场总体而言已被填补，进一步的发展是模糊的，将取决于经济状况。因此，欧洲光伏协会预测光伏的发展范围很广：到2020年将达到120-240 GW [28]。在过去的两年中，太阳能电池的生产和使用方式已被转移到亚洲，在过去的两年中，太阳能电池的装机容量将超过欧洲国家。

来源：
1. www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-__1992-2014.pdf
2。www.iea.org/bookshop/480-Medium-Term_Renewable_Energy_Market_Report_2014
3. www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf
4. www.iea.org/media/workshops/2014/solarelectricity/bnef2lcoeofpv.pdf
5 。www.db.com/cr/en/docs/solar_report_full_length.pdf
6. www.agora-energiewende.org/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/PV_Cost_2050/AgoraEnergiewende_Current_and_Future_Cost_of_PV_Feb2015_web.pdf
7. www.irena.org/DocumentDownloads/Publications /IRENA_RE_Power_Costs_2014_report.pdf
8。www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf-dateien-en/studien-und-konzeptpapiere/study-levelized-cost-of-electricity-renewable-energys.pdf
9. mitei.mit.edu/system /files/MIT%20Future%20of%20Solar%20Energy%20Study_compressed.pdf
10. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.PETR.ZS
11. mnre.gov.in/file-manager/UserFiles/Draft-Scheme -Solar-Park-and-Ultra-Mega-Solar-Power-Projects-for-comments.pdf
12. www.iea-pvps.org/index.php?id=3&eID=dam_frontend_push&docID=2150
13. www.cnrec.org .CN /去/ AttachmentDownload.aspx？ID = {1056eb44-8882-46a2-b4a4-c45c42d5c608}
14. cleantechnica.com/2015/04/20/china-installed-5-04-gw-new-solar-q115
15 。www.abs.gov.au/ausstats/abs@.nsf/mf/4602.0.55.001
16. www.iea.org/publications/freepublications/publication/projected_costs.pdf
17. www.ise.fraunhofer.de/en/downloads -englisch / pdf文件-englisch / data-nivc- / electrical-production-from-solar-and-wind-in-germany-2014.pdf
18. www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf -dateien-zh-cn / studien-und-konzeptpapiere / recent-facts-about-photovoltaics-in- germany.pdf
19. www.iea.org/publications/freepublications/publication/Tracking_Clean_Energy_Progress_2015.pdf
20. www.iea.org/publications /freepublications/publication/TechnologyRoadmapEnergystorage.pdf
21. energy.gov/sites/prod/files/2013/08/f2/ElecStorageHndbk2013.pdf
22. www.researchgate.net/profile/Defne_Apul/publication/273818473_Energy_payback_time_%28EPBT%29_and_energy_return_on_energy_invested_%28EROI%29_of_solar_photovoltaic_systems_A_systematic_review_and_meta-analysis/links/55143adb0cf23203199d12be.pdf?disableCoverPage=true
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25. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2006.pdf
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