新家装修完有一阵儿了，这两天正好连着中秋节一起放假，过去给房子通通风。意外的是到了小区发现停电了，电梯用不了就不上去了，走人。

后想到，十一就搬过来住了，以后遇到停电时，高层还是挺难受的；所以一时对安装屋顶光伏来了兴趣，就有了下面的内容 —— 可能是中文互联网中最好的光伏科普资料（之一）。

以下大部分内容编译自维基百科德文页面 ，其他引用来源亦有标注。

为什么是德文版呢，一是德国在光伏领域技术领先；二是中文光伏页面 信息量太少，相对来说中文使用者对维基的贡献还是小一些。

配图是自己根据文字内容后选的，有的还调整了下，挺花时间。😫

光伏 #

光伏技术是通过太阳能电池将主要来自太阳光的光能直接转换为电能。自 1958 年以来，它一直被用于太空旅行，后来也被用于向一些电气设备，如计算器或停车售票机提供能量。目前，屋顶和地面光伏系统的并网发电是迄今为止替代传统发电厂的最重要的应用领域。

光伏这个术语源自“光”以及电压单位“伏特”。

截至 2020 年底，全球安装的光伏系统容量为 707 吉瓦，当年光伏发电量为 844 太瓦时。1998 年至 2015 年，全球光伏装机容量平均每年增长 38%。根据 2019 年《科学》杂志发表的一篇论文，预计到 2030 年装机容量将达到约 1 万吉瓦，到 2050 年可能达到 3 万至 7 万吉瓦。

长期以来，光伏被认为是利用可再生能源发电的最昂贵形式，然而，这种观点后来被工厂组件的成本快速下降所取代。从 2011 年到 2017 年，光伏发电的成本下降了近 75%。截至 2020 年 4 月，阿布扎比的一个太阳能园区最便宜的中标价是 1.35 美分/千瓦时。在德国，自 2018 年以来，新建的大型光伏电站的电力成本也一直低于其他任何化石燃料或可再生资源。

早在 2014 年，世界上某些地区的光伏发电成本就与化石竞争对手的成本持平，甚至更低。但是，算上储存设施（当光伏发电在电力组合中占很高比例时，储存设施就变得很有必要），当时的成本仍然高于化石电厂。然而，如果考虑到化石发电的外部成本（即环境、气候和健康损害），太阳能发电即使在当时也是有竞争力的。

1. 光伏技术的历史 #

光伏技术是基于某些材料将光直接转化为电能的能力。光电效应早在 1839 年就被法国物理学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔发现。随后，人们对此进行了进一步的研究，尤其是阿尔伯特·爱因斯坦，他在 1905 年发表的关于光量子理论的工作在这项研究中发挥了重要作用，为此他于 1921 年获得了诺贝尔物理学奖。1954 年，第一批效率达 6% 的硅太阳能电池被生产出来，1955 年在电话放大器的电源中发现了第一个技术应用。

光伏电池自 20 世纪 50 年代末开始用于卫星技术，先锋 1 号是 1958 年 3 月 17 日发射到地球轨道的第一颗装有太阳能电池的卫星，一直运行到 1964 年。在 20 世纪 60 年代和 70 年代，来自太空的需求使光伏电池的发展取得了进展，而地球上安装的光伏只用于某些独立的系统。

然而，由 1973/74 年的石油危机引发，后来又因哈里斯堡和切尔诺贝利的核事故而加剧，开始对能源供应进行反思。自 20 世纪 80 年代末以来，美国、日本和德国对光伏技术进行了深入研究；后来，世界上许多国家增加了财政补贴，以促进市场，并通过规模经济使该技术更加便宜。由于这些努力，全球装机容量从 2000 年的 700 兆瓦上升到 2014年 的 177 吉瓦，并继续增长。

2. 光伏技术基础知识 #

在能量转换方面，使用了太阳能电池的光电效应，而这些电池又被连接起来形成太阳能模块。产生的电力可以直接使用，输入电网或储存在蓄能器中。在送入交流电网之前，产生的直流电压由逆变器转换。由太阳能电池组件和其他组件（逆变器、电源线）组成的系统被称为光伏系统。

光伏具体的工作原理就不写在这里了，我也没太看懂，感兴趣的自行深究。

2.1 标称功率和产量 #

光伏系统的额定功率通常以 W_p（瓦特峰值）或 kW_p 的符号表示，指的是在测试条件下的功率，测试条件用于标准化和比较不同的太阳能组件。测量是在 25℃ 的模块温度、1000 W/m² 的辐照度和 1.5 的空气质量下进行的。这些标准测试条件（通常缩写为 STC）已被定义为国际标准。如果在测试期间不能满足这些条件，必须根据给定的测试条件计算出额定功率。

作为比较：太阳在近地空间的辐射强度（太阳常数）平均为 1367 瓦/平方米。(晴天时，这些能量约有 75% 到达地面）。

光伏系统的尺寸和摊销的决定性因素不仅是峰值功率，最重要的是年产量，即产生的电能数量。辐射强度随日子、季节和天气的变化而波动。例如，在德国，一个太阳能系统在 7 月的产量可以达到 12 月的 10 倍。从 2011 年起，可在互联网上免费获得欧洲国家的具有高时间分辨率的每日馈入数据。

每年的产量以瓦时（Wh）或千瓦时（kWh）衡量。组件的位置和方向以及遮阳对产量有很大的影响，在中欧，屋顶坡度为 30-40°，朝向南方，产量最高。在实践中，建议采用更高的倾角，因为这样系统一天两次（上午和下午）和一年两次（5 月和 7 月）都能得到最佳调整。这就是为什么地面安装系统一般选择这样的方向。尽管一年中分布的平均太阳高度以及理论上的最佳倾斜度可以精确计算出每个纬度的情况，但由于各种因素，主要是与地形有关的因素（如遮阳或当地的特殊天气条件），沿纬度的实际辐照量会有所不同。由于与系统有关的有效性也随着辐照角度的变化而变化，因此必须为每个地点和系统的个别情况确定最佳方向。在这些调查中，确定了与场地有关的全局辐射，除了直接的太阳辐射，还包括通过散射（如云）或反射（如附近的房屋墙壁或地面）入射的漫射。

具体发电量被定义为每个时间段内每个安装的额定功率的瓦特小时数（Wh/W_p 或 kWh/kW_p），可以方便地比较不同规模的系统。在德国，对于一个合理优化的永久安装系统，人们可以预期每块 1 kW_p 的组件面积的年产量约为1000 kWh，其数值在德国北部的约 900 千瓦时和德国南部的 1150 千瓦时之间变化。

2.2 安装形式 #

2.2.1 屋顶上/屋顶内安装 #

“屋顶上”和“屋顶内”的安装系统是有区别的。

为了在文字视觉上方便区分，暂且称之为“屋顶外置”和“屋顶集成”。

在用于倾斜房屋屋顶的外置系统中，光伏系统借助于一个安装框架被连接到屋顶上。这种安装方式最常被选择，因为它在现有屋顶上最容易实施。

而屋顶集成方式，光伏系统被整合到屋顶覆层中，并接管其功能，如屋顶密封性和天气保护。这种系统的优点是视觉上更有吸引力的外观，以及节省了屋顶覆盖物，因此，较高的安装工作量通常可以得到补偿。

除了瓦片屋顶，屋顶外置的安装也适用于金属板屋顶、石板屋顶或波纹板。如果屋顶坡度太浅，特殊的钩子可以在一定程度上补偿这个问题。屋顶外置系统的安装通常比屋顶集成系统更容易和更便宜。屋顶外置的系统也确保了太阳能组件有足够的后部通风。安装材料必须是耐候性的。

另一种情况是平屋顶安装。由于平坦的屋顶完全没有倾斜或只有轻微的倾斜，安装系统将组件的角度控制在 6-13° 之间。东西向的倾斜也经常被用来实现更高的空间利用率。为了不损坏屋顶覆层，如果承重能力足够，安装系统将通过压载物来固定。

屋顶集成系统适用于屋顶翻新和新建筑，但并不是所有的屋顶都可以使用。瓦片屋顶允许屋顶集成安装，金属板屋顶或沥青屋顶则不允许。屋顶的形状也是决定性的。屋顶集成安装只适用于足够大的斜面屋顶，并有一个有利的太阳路径方向。一般来说，屋顶集成系统比屋顶外置系统需要更大的倾斜角度，以使雨水充分流走。屋顶集成系统与屋顶覆盖物的其他部分形成一个封闭的表面，因此从美学的角度来看更有吸引力。此外，屋顶集成系统对雪和风的载荷具有更高的机械稳定性。然而，与屋顶外置系统相比，模块的冷却效率较低，这在一定程度上降低了产出和产量。温度每升高 1℃，组件的输出就会减少约 0.5%。

2.2.2 地面安装系统 #

在地面安装的光伏系统中，有固定安装和跟踪系统之分。在固定安装的情况下，通过钢制或铝制框架将光伏组件固定在混凝土块上（或其他表面，这取决于底土）；安装后模块的角度不会改变。

跟踪系统跟踪太阳的走向，以确保模块始终处于最佳状态。这增加了电能产量，但也增加了投资成本，以及维护和跟踪所需能源的运营成本。

• 单轴跟踪
  • 仅有水平方向（面板从日出到日落都跟随太阳从东到西的位置）
  • 仅有垂直方向（朝南的面板根据太阳在地平线上的高度进行旋转）
• 双轴跟踪
  • 水平和垂直方向

与固定安装相比，跟踪系统明显增加了电产量：在中欧纬度地区，仅使用单轴跟踪时，产量增加了约 20%，使用双轴跟踪时，产量增加了 30% 以上。

地面安装的另一种形式是在水体上的浮动安装，即把模块安装在塑料浮筒上。而且，水的冷却效果增加了电产量。投资成本比传统安装方式高 20-25%。

2.3 发展情况 #

迄今为止，全世界的大多数光伏系统都是基于硅技术的。此外，各种薄膜技术已经能够获得市场份额。其他半导体也被使用，如碲化镉或砷化镓。在所谓的串联太阳能电池中，使用了不同的半导体层。

由于生产成本低，基于过氧化物的太阳能模块的发展被认为是非常有前途的。这种电池可以制造得比硅电池更薄。然而，低耐久性和铅含量仍然是个问题。

另一个研究目标是开发有机太阳能电池。

3. 使用 #

3.1 世界范围内的利用潜力 #

撞击地球大气层的太阳能每年达 1.56·10¹⁸ 千瓦时，这几乎是 2005 年人类一次能源消耗（1.33·10¹⁴ 千瓦时/年）的 12000 倍。这些能量中约有一半到达地球表面，使其有可能用于光伏能源发电。根据 2017 年发表在《自然能源》杂志上的一项研究，到 2050 年，光伏发电在技术上和经济上可以覆盖全球约 30-50% 的电力需求，从而成为主导的发电类型。这已经考虑到，届时能源系统将比现在更偏重于电力，因此，光伏也可以通过部门耦合的方式，为其他部门（如运输部门或工业能源消耗）的脱碳做出巨大贡献。

辐照度取决于地理位置。在赤道附近，例如肯尼亚、印度、印度尼西亚、澳大利亚或哥伦比亚，由于辐照密度高，电力生产成本比中纬度低。此外，与高纬度地区相比，赤道地区一年中能源产量的波动要小得多（相当稳定的季节性太阳位置和日出日落时间）。

3.2 销售发展 #

到 2020 年底，全球已安装的光伏系统容量约为 700 多吉瓦。仅在 2016/17 年，中国就新安装了超过 50 吉瓦的光伏装机容量。在欧洲，总装机容量约为 170 吉瓦。1998 年至 2015 年，全球光伏装机容量平均每年增长 38%。这比大多数预计增长方案所假设的要强得多。回头看，实际增长率不仅被国际能源署一再低估，而且也被 IPCC、德国全球变化咨询委员会和绿色和平组织多次低估。

由于几个原因，光伏系统的增长将仍会继续。

• 组件价格已大幅下降
• 电价的总体水平正在向政府补贴的价格靠拢
• 世界上大多数国家都在推行低利率政策；因此，投资者更喜欢这种低风险、回报相对较高的投资机会。

由于从中国进口的组件价格急剧下降，德国乃至欧洲的太阳能产业已经陷入了危机。众多制造商申请破产。2013 年 5 月，欧盟委员会对中国征收惩罚性关税，因为中国由于巨额的国家补贴而以低于生产成本的价格销售。惩罚性关税在业界和环保组织中都有争议。7 月底，中国和欧盟就 56 ct/W_p 的最低价格和 7 GW 的最大年供应量达成协议。

3.3 应用领域 #

除了发电并网外，光伏还被用于移动应用和不与电网连接的应用，即所谓的独立系统；可以直接使用直流电。因此，电池缓冲的直流电网是最常见的。除了卫星、太阳能汽车或太阳能飞机通常从太阳能电池中获取全部能量外，日常设施，如周末屋、太阳能灯、电动牧场围栏、停车售票机或袖珍计算器也由太阳能电池供电。

带有逆变器的独立系统也可以为交流电用户供电。在许多没有全国性电网的国家，光伏发电是一种比柴油发电机等更廉价的发电方式。

将光伏系统和太阳能电池整合到现有的独立电网中，也是大幅降低能源生产成本的一种方式。

3.3.1 双重利用 #

通过以一定角度安装的光伏组件，下面的草地可以作为羊群的牧场使用。

光伏发电与（通常是有围栏的）水或井保护区兼容。

光伏组件可以作为自行车停车设施的屋顶、公共交通候车亭或隔音墙的一部分。

在玻璃幕墙前的部分可渗透的光伏元件通过部分遮阳带来了理想的减少室内的太阳热效应。

光伏组件也可以作为外墙的设计包层。

4. 效率 #

效率是指当前产生的电力和照射的光功率之间的比率。它越高，系统可保持的表面积就越小。关于效率，重要的是要考虑哪个系统（单个太阳能电池、太阳能电池板或模块、带有逆变器或充电控制器的整个系统以及电池和布线）。太阳能组件的产量也与温度有关。例如，单晶硅组件的输出每摄氏度变化 -0.4%，因此在温度上升 25 摄氏度时，输出下降约 10%。太阳能电池和太阳能集热器的组合，即所谓的混合集热器，由于额外的热利用而提高了整体效率，并且由于集热器对太阳能电池的冷却，可以提高电效率。

太阳能电池可实现的效率是在标准化的条件下确定的，并根据所使用的电池技术而有所不同。2014 年，基于硅片的光伏组件的名义效率平均值约为 16%，薄膜组件的效率约为 6-11%。带聚光器的多个太阳能电池可以实现特别高的效率；实验室里已经实现了高达约 46% 的效率水平。通过将不同光谱灵敏度的太阳能电池结合在一起，它们在光学和电气上排列、串联或三联，效率得到了提高，特别是非晶硅。然而，在这样的串联中，具有最低电流的电池总是限制整个布置的总电流。另外，光学串联排列的太阳能电池的平行连接在一个双电路中得到了证明，该双电路用于正面玻璃上的非硅薄膜电池和背面玻璃上的 CIS （二硒化铜铟）。

这种技术的一个优点是，可以用简单而廉价的光学设备将太阳辐射集中到一个小型太阳能电池上，而这是光伏系统中最昂贵的部分。另一方面，聚光系统的缺点是，由于光束的原因，聚光系统必须依赖跟踪系统和电池的冷却装置。

今天的太阳能组件并不吸收部分阳光，而是在其表面反射阳光。因此，它们通常配备了一个抗反射层，已经大大减少了反射。黑硅几乎完全避免了这些反射。

4.1 性能比 #

性能比（PR）—— 通常也称为质量系数（Q）—— 是一个系统的实际有用产量与其目标产量的商。“目标产量”是根据组件表面的辐照能量和名义组件效率计算出来的；因此它描述了系统在标准测试条件（STC）和 100% 的逆变器效率下运行时将收获的能量。

在现实中，由于加热、较低的辐照度等原因，与 STC 相比，即使在无遮挡的系统中，组件效率也低于标称效率；此外，线路和逆变器的损耗也从目标产量中扣除了。因此，目标产量是 STC 下的一个理论计算值。性能比率始终是一个年度平均值。例如，在寒冷的日子里，PR 高于平均水平，而在温度较高的时候，以及在早晨和晚上，当太阳以更尖锐的角度照射在模块上时，PR 会下降。

随着光伏技术的发展，性能比明显提高。从 20 世纪 80 年代末的 50-75% 到 90 年代的 70-80%，再到 2010 年左右的 80% 以上。好的系统可以达到 80% 以上的数值，但对于非常差的系统来说，也可能低于 60% ，在这种情况下，逆变器故障或长期遮阳往往是原因。

4.2 脏污清洁 #

跟任何室外表面（如窗户、墙壁、屋顶、汽车等）一样，各种物质都可以在光伏系统上沉积。例如，树叶、虱子的粘性有机分泌物、花粉和种子、加热器和发动机的烟尘、沙子、灰尘、地衣、藻类和苔藓等先锋植物的生长，以及鸟粪。

在倾角约为 30° 的系统中，污染程度很低；发电损失约为 2-3%。另一方面，污染对浅倾角的影响更大，污染可造成高达 10％ 的发电损失。在农场动物畜栏上的系统，如果通风井的污物沉积在系统上，也可能会有更高的损失。在这些情况下，定期清洗是有意义的。

清洁的最新技术是使用完全去矿物质的水（demineralised water），以避免水垢污渍。携带水的伸缩杆被用来作为清洁的进一步辅助工具。清洁工作应在不刮伤模块表面的情况下进行。此外，屋顶系统清洁有必要采取适当的安全预防措施。

脏污也可以用热成像仪来检测。当暴露在阳光下时，组件上的脏污区域比清洁区域更热。

5. 融入能源系统 #

光伏发电是一种能源技术，但取决于天气的能源生产本身不具备基础负荷能力。因此，为了保证可预测的、安全的能源供应，光伏发电必须与其他具有基础负荷能力的发电机、储能系统、部门耦合技术或类似技术相结合。虽然目前在许多国家，传统的火力发电站发挥着这一作用，但在完全可再生的能源供应系统中还需要其他选择。因此，从中长期来看，发展储能基础设施被认为是必要的，其中对短期储能如抽水蓄能电站、电池等和长期储能如电力转天然气进行了区分。在后一种技术中，在绿色电力高产阶段会产生一种储存气体（氢气或甲烷），当绿色电力产量较低时，可将其反馈给电网。此外，还有一些有基础负荷能力的可再生能源，如生物质发电厂和地热发电厂，可以补偿波动。智能电网也是有帮助的，允许具有负荷转移潜力的消耗者，如热泵加热器、电动汽车、冰箱等，在发电量高的时候主要由可再生能源供电。例如，在智能电网中，可控制的冰箱可以在太阳能发电馈入高时比平时更深入地降温冷却，然后在热泵提前产生热量时停电一段时间。风力和太阳能发电的结合以及跨区域电力交换可以实现进一步的平衡效果，这与前面提到的方案一样，可以减少对储能的需求。

5.1 供应波动 #

太阳能发电受制于典型的日周期和年周期，并受到天气影响的叠加。通过观察天气，可以对这些情况进行一定程度的预测。

特别是在春季和夏季，在中午前后可以使用太阳能电力来覆盖部分中等负荷，但前提是天气允许（没有阴天）。在秋季和冬季（尤其是 11 月至 1 月），从极地到北纬 45 度左右的地区的光伏系统由于日照时间短，太阳位置低，只能产生少量的电力。由于供暖和照明需要用电，因此必须从其他能源中获得大量的电力。恰好，风力涡轮机在冬季比夏季供应更多的电力，因此，光伏和风能在季节上有很好的互补性。然而，为了补偿统计学上可预测的每日、天气和年度波动，还需要存储选项和可切换负载以进行消耗调整（与智能电表相结合的智能切换）。

5.2 传输 #

在由许多小型光伏系统（PVA）分散供电的情况下，功率范围在 10 千瓦左右，源头和用户相距很近，因此几乎没有任何传输损失，所产生的电力实际上不会离开低压范围。PVA 运营商将自己没有消耗的电力输入低压电网。如果光伏发电量进一步扩大，区域内将出现盈余，这些盈余必须通过电网输送到其他地区，或储存起来以备夜间需求。

5.3 储能 #

在独立系统中，产生的能量被缓冲在存储单元中，通常是蓄能器。更常见的互联系统将产生的电力直接送入互联电网，在电网中被消耗。因此，光伏发电成为电力组合的一部分。在小型光伏系统中，存储系统被越来越多地用于提高自用率。小型光伏系统的存储系统的发电成本在 16.34-47.34 美分/千瓦时之间。当发电成本低于当前终端用户的电价时，与使用电网电力相比，有一定的节省。

5.3.1 独立系统 #

在独立系统中，光伏系统的消耗和供电之间的差异必须通过储能来补偿，例如，在夜间或阳光不足的情况下让电器设备有电可用。储存一般通过直流链路进行，蓄能器可以在需要时向用户供电。除铅蓄能器外，还采用了效率更高的新型蓄能器技术，如钛酸锂蓄能器。通常的主交流电压可以通过逆变器从直流链路电压中产生。

例如，独立系统用于偏远地区，直接连接到公共电网是不经济的。此外，自主光伏系统还能使没有全国性公共电网的“发展中国家”的个别建筑物（如学校或类似设施）或定居点实现电气化。在世界许多非电气化地区，这种系统已经比柴油发电机更经济，尽管到目前为止，柴油的补贴往往仍然抑制了它们的普及。

5.3.2 互联系统 #

在采用小型光伏系统的情况下，所有可用的电力或超过自用的电力都被送入互联电网。如果它不发电（例如在晚上），消费者就通过互联电网从其他电站那里获取电力。对于大型光伏系统，需要通过远程控制进行馈电调节，如果供电网的稳定性需要，可以借助远程控制来降低馈电功率。在互联电网的系统中，本地储能可以省略，因为不同的消耗和供应输出的平衡是通过互联电网进行的，通常是通过常规电厂的平衡。然而，随着太阳能发电的份额逐渐走高，传统发电厂不再能补偿的情况下，就需要采取进一步的整合措施以保证供应安全。

一些动力转换技术因此受到关注。除储存外，这些措施特别包括灵活性措施，如使用电力转热、车辆转电网或使用智能电网，以控制某些用电设备（如冷却系统、热水锅炉，但也包括洗衣机和洗碗机）的方式，在发电高峰期自动打开。出于效率的考虑，灵活性最初应该是首选方案，更高的份额也需要使用储能电站，据此，短期储能最初就足够了，而长期储能，如电力转天然气，应该只在可变的可再生能源份额非常高时使用。

为了弥补大型发电机的故障，发电厂运营商必须保持手头的储备电力。在稳定的天气条件下，这对光伏发电来说是不必要的，因为并非所有的光伏电站在同一时间进行维修维护。然而，由于分散的小型光伏电站比例很高，必须由电网运营商集中控制负荷分配。

在 2012 年欧洲的寒流中，光伏发电产生了支持电网的作用。在 2012 年 1/2 月，它在正午高峰时输入了 1.3 至 10 吉瓦的电力。由于与冬季有关的高耗电，法国不得不进口约 7-8％ 的电力需求，而德国则是出口。

6. 经济效益 #

6.1 经济考虑 #

与来自化石燃料或核能的能源相比，太阳能发电对环境造成的破坏更小，从而降低了能源生产的外部成本。

就在 2011 年，通过光伏发电避免二氧化碳排放的成本为每吨二氧化碳 320 欧元，比其他可再生能源更昂贵。相比之下，节约能源（如通过建筑保温）的成本为每吨二氧化碳 45 欧元或更少，在某些情况下甚至可以产生经济效益。然而，由于光伏发电的成本急剧下降，德国屋顶光伏系统的减排成本已降至每吨二氧化碳约 17-70 欧元，使太阳能发电比气候变化影响的成本更便宜，后者估计为每吨二氧化碳 80 欧元。在世界阳光较好的地区，每减少一吨二氧化碳排放的效益甚至高达约 380 欧元。

在德国，光伏技术实际避免了多少二氧化碳排放，也取决于德国可再生能源法（EEG）与欧盟排放交易的协调；此外，还取决于用于生产模块的能源形式。

6.2 商业考虑 #

6.2.1 购置成本和投资回报 #

光伏系统的购置成本包括材料成本，如模块、逆变器、安装系统以及用于布线和电网连接的部件。此外，还有安装和并网的费用。模块占成本的最大份额（40-50%）。根据光伏系统的规模，电网连接可能占投资总额的很大一部分。对于 30 千瓦以下的小型屋顶系统，德国法律规定要连接电网；对于更高的输出，为了不使低压电网过载，有可能馈入中压电网，这需要在电网连接处铺设电缆和变压器或特殊逆变器的额外费用。

系统成本取决于安装类型和安装功率的大小（截至 2018 年）。

• 小型屋顶光伏系统（5-15 kW_p）：1200-1400 欧元/kW_p
• 大型屋顶光伏系统（100-1000 kW_p）：800-1000 欧元/kW_p
• 地面光伏系统（2 兆瓦以上）：600-800 欧元/kW_p

除了组件之外，这个价格还包括逆变器、安装和电网连接。

一个安装在德国的系统每年可提供约 700 至 1100 千瓦时的产量，这取决于位置和方向，如果安装在屋顶上，每 kW_p 输出需要 6.5 至 7.5 平方米的空间。

投资回报率取决于许多因素：调试时间、太阳能辐照、模块面积、系统的方向和倾斜度，以及外部融资的比例。通过 EEG 的上网电价提供的长期可靠的补贴是光伏发电成本大幅下降的决定性因素。

6.2.2 发电成本 #

长期以来，光伏发电一直被认为是利用可再生能源发电的最昂贵形式。由于价格的急剧下降，这种情况现在已经改变，使光伏发电与其他可再生和传统形式的发电相比具有竞争力。在一些地区，新装光伏系统现在已没有任何补贴。政府间气候变化专门委员会（IPCC）在其发布的第六次评估报告中指出，在世界许多地区，用光伏系统发电比用化石燃料发电更便宜。仅在 2015 年至 2020 年间，太阳能发电的成本就下降了 56%。同期，用于储能的电池成本下降了 64% 之多。

光伏的具体发电成本取决于各自的条件。例如，在美国，低于 5 美分/千瓦时的电价很常见。如果辐射和融资条件有利，类似的数值对其他国家也被认为是经济上可行的。截至 2017 年，最便宜的太阳能项目在招标中实现了 3 美分/千瓦时的发电成本。

大规模生产推动了太阳能组件价格的下降，自 1980 年以来，组件成本每年下降 10%；这一趋势可能会继续下去。截至 2017 年，光伏发电的成本在 7 年内下降了近 75%。根据斯旺森定律，太阳能组件的价格随着电力输出的翻倍而下降 20%。

截至 2018 年，新建的大型光伏系统一直是德国最便宜的电站。早在 2013 年第三季度，电力成本在 0.09 至 0.14 $/kWh 之间。这意味着当时光伏电站的发电成本已经与欣克利角C等新核电站的发电成本处于同一水平。然而，直接比较是困难的，因为必须考虑到其他一些因素，如光伏发电的生产受天气影响，最终存储和电站的保险。

截至 2014 年 1 月，至少有 19 个市场实现了电网平价，而且最终用户的经济效益得到了广泛的分析数据支持。德国经济研究所（DIW）指出，迄今为止，太阳能光伏的成本下降速度远远超过最近的预期。例如，欧盟委员会最近的一份报告仍然假设资本成本“已经部分低于委员会对 2050 年的预期值”。

直到 2016 年初，世界上最便宜的太阳能园区被认为是迪拜的一个光伏系统，它收到的上网电价为 6 美分/千瓦时。2016 年 8 月，这一记录在智利的一次招标中被大幅削弱。在那里，一个 120 兆瓦的太阳能发电站的电力生产成本为 2.91 美分/千瓦时，据彭博社报道，这是全世界发电厂项目所取得的最低电力生产成本。到 2020 年，这些数值再次减半。2020 年 4 月，Al-Dhafra 太阳能园区被授予一个投标人，该投标人同意以 1.35 美分/千瓦时的电价建设 2 吉瓦的太阳能发电站。在此之前，其他项目的中标价格也已低于 2 美分/千瓦时。

Al Dhafra 太阳能光伏电站距离阿布扎比市约 35 公里，将成为新的世界上最大的太阳能发电站，其发电量为 2 吉瓦，将阿布扎比的太阳能发电量提高到约 3.2 吉瓦。该电站将部署约 400 万块太阳能电池板，使用最新的晶体、双面太阳能技术，这将使该电站通过从电池板的正面和背面捕捉太阳辐射来更高效的提供电力。全面商业运营后，该电厂预计每年将减少阿布扎比的二氧化碳排放量超过 240 万公吨，相当于从公路上移走约 47 万辆汽车。

该项目的竞争性招标和财务结算导致了最具竞争力的太阳能电价之一，定在 4.85 迪拉姆/千瓦时（1.32 美元/千瓦时）。在 2020 年 7 月与项目合作伙伴签署购电协议后，七家国际银行已同意为该项目融资。

阿布扎比国家能源公司（TAQA）将拥有该项目 40% 的股份，马斯达尔公司、EDF 可再生能源公司和晶科电力各持有 20% 的股份。

—— 翻译后引用自 EWEC

6.2.3 模块价格 #

近年来，在规模经济、技术发展、太阳能硅价格正常化、产能过剩和制造商之间竞争压力的推动下，组件价格大幅下降。

由于德国、意大利和其他一些国家通过上网电价刺激市场，组件价格成本急剧下降，从 2000 年的 6-7 美元/瓦降至 2006 年的 4 美元/瓦和 2016 年的 0.4 美元/瓦。2018 年，组件价格在全球平均已经低于 0.25 美元/瓦。从历史上看，过去 40 年中组件价格每增加一倍装机容量，就会下降 22.5%。

价格的进一步下降取决于需求的发展以及技术的发展。薄膜系统的低价格在一定程度上被相同产量的系统的低效率和高安装成本所抵消。所给出的价格不是终端客户的价格。

6.3 进一步发展 #

总体而言，光伏市场仍在强劲增长（每年增长约 40％）。德国的发电成本预测显示，2035 年小型屋顶光伏系统（5-15 kW_p）的值在 4.20-6.72 美分/千瓦时之间。对于地面安装系统，预测值为 2.16-3.94 美分/千瓦时。地面安装系统每千瓦的价格低于 400 欧元/kW_p，小型系统的价格在 700-815 欧元/kW_p 之间。

在太阳辐射高于 1450 Wh/(m²·a)的地方，地面安装系统的发电成本在 2035 年可能降到 2 美分/千瓦时以下。

6.3.1 德国 #

自 2012 年以来，德国的电力生产成本一直低于家庭电价，这意味着已经实现了电网平价。

2020 年底，德国有 200 多万套光伏系统在运行。2020 年底的总装机容量为 53.8 吉瓦，2021 年上半年为 56.3 吉瓦。根据 Prognos AG 参与编写的研究报告，2045 年实现气候中立的德国将需要装机容量为 385 吉瓦的光伏系统。

6.3.2 美国 #

2014 年 6 月，巴克莱银行下调了美国电力公司的债券评级，原因是来自光伏和储能相结合的竞争，这导致了“自产自用”的增加。这可能会改变公用事业的商业模式。巴克莱银行写道：“我们预计分布式太阳能光伏和住宅储能的价格下降将在未来几年内打破现状。” 它接着说：“在电力公司 100 年的历史中，从来没有出现过电网电力的竞争性替代品。我们相信，太阳能光伏和储能可以在未来十年内改变电力系统。”

2014 年夏天，总部位于纽约的投资银行 Lazard 发表了一份关于美国当时太阳能光伏发电成本与传统发电机相比的研究。最便宜的大型光伏发电站的发电价格为每兆瓦时 60 美元。目前这种大型发电厂的平均价格为每兆瓦时 72 美元，上限为每兆瓦时 86 美元。相比之下，燃煤电厂每兆瓦时从 66 美元到 151 美元不等，核电每兆瓦时 124 美元。然而，小型屋顶光伏电站的价格仍在每兆瓦时 126 至 265 美元，但没有电力传输成本。陆上风力发电站的价格在每兆瓦时 37 至 81 美元之间。根据该研究，电力供应商认为太阳能和风能的波动性是一个不利因素。该研究认为，电池作为存储的解决方案，到目前为止仍然很昂贵。

7. 环境影响 #

7.1 生产 #

硅技术和薄膜技术对环境的影响是半导体生产的典型特征，以及相应的化学和能源密集型步骤。在硅技术中，超纯硅的生产是决定性的，因为高耗能和副产品的产生。1 公斤超纯硅会产生多达 19 公斤的副产品。由于超纯硅通常由供应商生产，供应商的选择及其生产方法对组件的环境平衡具有决定性意义。在 2014 年的一项研究中，即使不考虑运输所需的能源，在中国制造并安装在欧洲发电的光伏组件的碳足迹是使用在欧洲制造的光伏组件时的两倍，这是因为中国更多地使用不可再生的能源，特别是使用煤炭发电。

在薄膜技术中，工艺室的清洁是一个敏感问题。有时会使用破坏气候的物质三氟化氮和六氟化硫。使用重金属如碲化镉技术被认为在生命周期内的能源回收时间很短。

7.2 运作 #

2011 年，巴伐利亚州环境办公室确认，碲化镉太阳能电池组件在发生火灾时不会对人类和环境造成危险。

由于在运行过程中绝对没有排放，光伏发电的外部成本非常低。

7.3 温室气体平衡 #

即使运行本身没有二氧化碳排放，光伏系统的生产、运输和安装也不可能不产生二氧化碳。截至 2013 年，根据技术和地点的不同，计算出的光伏系统的二氧化碳排放量在 10.5 至 50 克/千瓦时之间，平均在 35 至 45 克/千瓦时之间。2015 年的一项研究确定的平均值为 29.2 克/千瓦时。这些排放是由化石燃料的燃烧造成的，特别是在太阳能系统的制造过程中。在全球向可持续能源转型的过程中，随着可再生能源的进一步扩大，温室气体的平衡将因此得到改善。随着技术进步，排放量也在减少。从历史上看，装机容量每增加一倍，排放量就会减少 14%（截至 2015 年）。

7.4 能源摊销 #

光伏系统的能源回收期是指光伏系统在其整个生命周期内，提供了与生产、运输、建设、运营和拆除或回收所消耗的相同数量的能源。

在 2011 年，它是在 0.75 和 3.5 年之间，取决于地点和使用的光伏技术。碲化镉组件表现最好，其数值为 0.75 至 2.1 年，而非晶硅组件则高于平均水平，为 1.8 至 3.5 年。单晶和多晶系统以及基于 CIS 的系统约为 1.5 至 2.7 年。研究中假设基于晶体硅电池的组件寿命为 30 年，薄膜组件为 20 至 25 年；假设逆变器的寿命为 15 年。到 2020 年，位于南欧的基于晶体硅的系统的能源回收期被认为可以达到 0.5 年或更少。

在德国使用时，2011 年生产一个光伏系统所需的能量在大约两年的时间内就能在太阳能电池中得到回收。在德国典型的辐照条件下，收获系数至少为 10，而且有可能进一步提高。使用寿命估计为 20 到 30 年。通常情况下，制造商为组件提供 25 年的性能保证。太阳能电池的能量密集型部分可以循环使用 4 到 5 次。

7.5 土地资源利用 #

光伏系统主要架设在现有屋顶和交通区域上方，这不会导致任何额外的土地需求。相比之下，太阳能园区形式的地面安装系统需要占用额外的土地，通常使用已经被占用的区域，如转换区（从军事、经济、交通或住宅用途）、高速公路和铁路线沿线（在 110 米带内）、被指定为商业或工业区的区域，或密封区域（前垃圾填埋场、停车场等）。如果在农业用地上架设光伏系统（目前在德国不提倡这样做），可能会出现使用竞争的情况。然而，必须考虑到，与相同面积上的生物能源生产相比，太阳能园区的能源产量要高得多。例如，太阳能园区每单位面积提供的电力约为能源作物的 25 至 65 倍。

在德国，超过 200 吉瓦的光伏容量可以安装在屋顶和外墙；超过 1000 吉瓦可以安装在休耕农田等地方。这意味着，德国的光伏发电潜力超过 1000 吉瓦，每年可生产远远超过 1000 太瓦时的电能；大大超过了目前德国的电力需求。然而，由于这将产生大量的盈余，特别是在晴天的中午时段，而且必须建立巨大的储能容量，因此，只大力发展一种技术是没有意义的，而与其他可再生能源相结合则是更合适的。这里的问题是，发电量随季节和一天的变化而波动很大，因此，完全基于太阳能的能源系统是不可行的。在德国，要实现完全可再生的能源供应，需要不同的可再生能源的混合，最大的潜力在于风能，其次是光伏发电。

火车、公共汽车、卡车、船舶、飞机和其他车辆的车顶上的光伏设备可以在不进一步消耗土地的情况下得到实现。

7.6 光伏组件的太阳辐射平衡 #

根据材料的不同，反射的太阳辐射量也不同。因此，不同程度的反射（反照率）也会对全球气候产生影响 —— 也被称为冰反照率反馈。如果两极和格陵兰岛的高反射率的冰雪区域变小，更多的太阳辐射被地球表面吸收，温室效应就会增强。

光伏组件的效率为 18%，太阳辐射的反射部分导致反照率约为 20%，与沥青的 15% 相比，这甚至是一个进步，与反照率为 20% 的草坪相比，没有任何不利影响。产生的光伏电力取代了燃烧发电厂的电力，从而额外减少了二氧化碳的排放。

7.7 光伏组件的回收 #

迄今为止，欧洲唯一的晶体光伏组件回收工厂（专业试验厂）在德国萨克森州的弗赖贝格运行。SolarWorld 的子公司 Sunicon GmbH（前身为 Solar Material）2008 年在那里实现了平均 75% 的组件大规模回收率，每年的产能约为 1200 吨。2008 年，欧盟的光伏组件废物量为 3500 吨/年。计划通过广泛的自动化来实现约 20,000 吨/年的产能。

2007 年，太阳能行业成立了 PV CYCLE 协会，作为一个联合倡议，建立一个自愿的、欧盟范围内的区域性回收系统。预计到 2030 年，欧盟每年会增加约 13 万吨废弃的组件。作为对整体发展不尽如人意的反应，自 2012 年 1 月 24 日起，太阳能组件也受到 WEEE（废弃电气电子设备）指令的修正。对于光伏行业，该修正案规定，所售太阳能组件的 85% 必须被收集，80% 被回收。到 2014 年，所有欧盟 27 国的成员国都应将该条例转化为国家法律。其目的是责成制造商提供回收结构。最好将模块与其他电器分开。现有的收集和回收结构也将被扩大。

8. 国家待遇 #

许多国家都在推广利用光伏发电。以下是一些国家的光伏相关的（非详尽）信息。

8.1 德国 #

8.1.1 支持方案 #

在德国，有一个由法律规定的、为期 20 年的上网电价；其数额由《可再生能源法》规定。上网电价是递减的，即对新安装的设备每年递减一定的百分比。此外，还有 12 个促进购买光伏系统的方案。

在联邦层面，制造业和与生产有关的服务领域的所谓光伏系统投资补贴可以以税收抵免的形式获得批准。

此外，KfW Förderbank 还提供针对性的贷款方案。

以下联邦州已经颁布了自己的太阳能促进法。

• 巴伐利亚 —— 贸易和工业中的合理能源生产和使用 —— （补贴）
• 下萨克森州 —— 创新促进计划（贸易） —— （贷款/特殊补贴）。
• 北莱茵-威斯特法伦州 —— progres.nrw “合理使用能源、可再生能源和节能” —— （补贴）。
• 莱茵兰-法尔茨州 —— 高能效的新建筑 —— （补贴）
• 萨尔州 —— 未来能源计划技术（ZEP-Tech）2007（示范/试点项目） —— （补贴）

许多城市和市政当局、地方气候保护基金以及一些私人供应商也提供进一步的资金补贴和赠款。其中一些可以与其他资助计划相结合。

上巴伐利亚州的博格豪森镇提供了一个地方资助计划，每 100 W_p 的装机容量补贴 50 欧元，每个系统和住宅楼最高为 1000 欧元。

8.1.2 对交易所电价的抑制作用 #

光伏适合作为高峰负荷电力提供，因为它在中午的“烹饪高峰”产量也最高，并将昂贵的天然气和燃煤发电厂从市场上取代。因此，太阳能抑制了高峰电力的交换价格（“功绩排序效应”）。与平均价格相比，近年来，随着太阳能的扩张，峰值电价也大幅下降。在夏季，较早的每日峰值已基本消失。然而，由于 EEG 均衡机制的构建存在缺陷，这种降价效果并没有到达私人用户，而是自相矛盾地使私人用户的电费更加昂贵，而工业却从电力交易所的较低采购成本中获益。

在 2008 年之前，电力交易所的电价一直持续上升，在 2008 年达到最高的 8.279 美分/千瓦时。由于可再生能源的出现增多，电价受到了压力。在 2013 年上半年，电力交易所的平均电价只有 3.75 美分/千瓦时，对于 2014 年的期货市场来说，2013 年 7 月的电价是 3.661 美分/千瓦时。

8.2 瑞士 #

在瑞士，光伏系统的运营商得到了联邦政府的补贴。以成本为导向的上网电价系统（EVS）是由所有客户每消耗一千瓦时支付的电网附加费来资助的。通过这种方式，EVS 的目的是保证所有可再生能源电力生产商的公平价格。此外，光伏系统的运营商可以选择获得固定的一次性付款（EIV）。一次性付款是一种一次性的投资援助，以促进较小的光伏系统。这相当于投资成本的 30％。对小型系统的一次性付款（KLEIV）和大型系统的一次性付款（GREIV）进行了区分。

能源供应商也通过上网电价来促进光伏系统。小型光伏系统的运营商尤其从中受益。此外，一些州和市也提供补贴。

8.3 奥地利 #

公用事业公司 Wien Energie 通过公民或客户参与模式，从 2012 年 5 月至 2015 年底资助了 23 个光伏电站，共计 9.1 MW_p（截至 2016 年 5 月 10 日）。公用事业公司向投资者支付租金。

8.4 罗马尼亚 #

罗马尼亚根据 2011 年 11 月的法律发放绿色证书，直到 2013 年 12 月 31 日，每 1000 千瓦时有 6 个证书。绿色证书可在证券交易所进行交易，并随着可再生资源发电量的增加而减少。2012 年 2 月，证书的价格相当于 55 欧元，意味着 1 千瓦时支付了 0.33 欧元。

8.5 中国 #

8.5.1 光伏最大生产国 #

中国政府正在大力推动光伏产业的发展。

根据中国光伏产业协会（CPIA）、德国 Federal Network Agency 和 Fraunhofer ISE 的数据，中国在 2015 年超过德国，成为全球光伏发电容量最大的国家。

近年来，中国的光伏市场经历了巨大的增长，无论是在光伏系统的生产方面还是在其安装方面。自 2013 年以来，中国也是世界上最大的光伏技术市场，拥有世界上四分之一的光伏产能。对光伏生产商的比较表明，中国已经在几年内上升到世界市场的主导地位。前十大光伏组件制造商中有六个来自中国（截至 2018 年）。

2017 年，太阳能供应了中国约 1% 的能源需求。截至 2020 年 3 月，中国的光伏总容量为 204 GW；光伏系统在 2019 年供应了 223.8 TWh 的电力，约占总电力输出 7325 TWh 的 3%。

8.5.2 环境污染 #

中国大陆是多晶硅的主要生产者，多晶硅在世界各地的第一代太阳能电池中使用。目前，中国的多晶硅生产厂所用改良西门子生产法是向俄罗斯购买的技术，而该技术与德、美、日等国企业还有相当差距，其缺点是气体回收率低，污染大，产出率低，耗能高。在生产多晶硅的过程中，会产生一种叫四氯化硅的副产物，是一种高度有毒的物质，会对环境造成严重污染。生产 1 吨多晶硅就产生 8 吨四氯化硅。这在发达国家通常以较高成本处理和回收，但中国大陆绿色初创公司通常都是未适当处理便弃置了事。2008 年，连带妥当回收的多晶硅成本每吨可达 84,500 美元，但是，中国大陆企业的生产成本仅为每吨 21,000-56,000 美元。

8.6 日本 #

福岛核灾难发生一年后，日本政府通过了一项仿照德国 EEG 的法律。自 2012 年 7 月 1 日起，输出功率在 10 千瓦以上的光伏系统可获得 42 日元/千瓦时（相当于约 0.36 欧元/千瓦时）的上网电价。该电价的支付期为 20 年。10 千瓦以下的小型系统只补贴 10 年。

8.7 塞拉利昂 #

在西非的塞拉利昂，到 2016 年底，大约四分之一的发电量来自可再生能源，特别是太阳能。在其首都弗里敦附近，将建设西非最大的太阳能园区，容量为 6 兆瓦。科因杜市中心自 2013 年 7 月开始使用太阳能路灯。此外，通往几内亚和利比里亚边境的村庄 Yenga 的部分道路也采用了光伏照明技术。