光伏能源情况介绍

图像
图解图标为光伏能源的事实说明

利用太阳能有两种基本方式。首先,太阳能热技术利用阳光为家庭用水加热,为建筑空间供暖,或加热流体以驱动发电涡轮机。其次,光伏(pv)是利用阳光产生电流的半导体。2021年,美国只有2.8%的电力是由太阳能技术产生的。1

太阳能资源与潜力

  • 平均为1.73 x 105太瓦(TW)的太阳辐射持续袭击地球,而全球电力需求平均为2.7太瓦。3、4
  • 电力需求在一天中不断变化。能源储存和需求预测将有助于将光伏发电与需求相匹配。5
  • 如果与需求共存,太阳能光伏可以用来减少配电网络的压力,特别是在高峰期间。6
  • 光伏转换效率是入射太阳能转化为电能的百分比。7
  • 虽然大多数商用电池板的效率在15%到20%之间,但研究人员已经开发出了效率接近50%的光伏电池。beplayer官网入口8、9
  • 假设效率中等,覆盖0.6%的美国土地面积的光伏发电将产生足够的电力来满足全国需求。10
  • 2011年,美国能源部(DOE)宣布了“阳光计划”(SunShot Initiative)。其目标是将太阳能的成本降低75%,使其在成本上具有其他能源选择的竞争力。2017年,美国能源部宣布,2020年公用事业规模太阳能0.06美元/千瓦时的目标比预期提前三年实现。2030年的目标包括将公用事业规模的太阳能降低到0.03美元/千瓦时,比化石燃料能源的电力更便宜。11

年平均太阳辐射2
图像
年平均太阳辐射

光伏技术及影响

光伏电池

  • 光伏电池是由半导体材料制成的,当光线照射到表面时,会弹出电子,产生电流。15
  • 大多数光伏电池都很小,呈矩形,产生几瓦的直流电(DC)。16
  • 光伏电池还包括电触点,允许电子流向负载和表面涂层,减少光反射。15
  • 多种半导体材料可用于pv,包括硅、铜铟镓二硒化物(CIGS)、碲化镉(CdTe)、钙钛矿甚至一些有机化合物(OPV)。15虽然光伏转换效率是一个重要的衡量标准,但成本效率——每瓦电力的成本——对大多数应用来说更为重要。

光伏技术类型和效率9、12
图像
光伏技术类型和效率

PV电池图13
图像
PV电池图

光伏组件及系统平衡(BOS)

  • 光伏组件通常由60到72个单元组成的矩形网格,连接在几个并联电路中,并在透明的前表面和结构的后表面之间叠层。它们通常有金属框架,重34至62磅。17
  • 光伏阵列是一组模块,通过电连接并固定在刚性结构上。18
  • BOS组件包括除实际光伏电池板外的任何必要元素,如连接模块的电线、合并电路的接线盒、安装硬件和管理光伏阵列输出的电力电子设备。18
  • 逆变器是一种电力电子设备,它将光伏系统产生的电力从直流转换为交流电(AC)。18
  • 充电控制器是一种电力电子设备,用于管理电池中的能量存储,电池本身可以是BOS组件。18
  • 与机架式光伏阵列相比,建筑集成光伏(BIPV)取代了瓦等建筑材料,提高了光伏的美观性。19
  • 一些地面安装的光伏阵列使用太阳跟踪器。这项技术可以将能量输出提高100%。20.

住宅光伏系统14
图像
住宅光伏系统

光伏安装,制造和成本

  • 2020年,全球光伏发电容量增长超过138吉瓦,达到773.2吉瓦。自2000年以来,太阳能光伏发电容量增长了近500倍。23
  • 2020年装机容量最大的国家是中国(48.2 GW)、美国(19.2 GW)和越南(11.6 GW)。23
  • 2020年,新增光伏装机容量增长18%,占全球电厂新增装机容量的39%。即使有如此显著的增长,太阳能发电也只占全球发电量的3.1%。23
  • 自2009年以来,太阳能的成本已经下降了近89%。世界各地签署了各种合同,太阳能电价低至1-2美分/千瓦时;这比传统能源便宜得多。23相比之下,2021年美国所有行业的零售电力平均为11.18美分/千瓦时,住宅消费者的零售电力平均为13.72美分/千瓦时。1
  • 2019年,全球太阳能投资降至1311亿美元。这部分是由于光伏系统的资本成本下降。24
  • 2018年,光伏系统/组件制造业在美国雇用了3.4万人。beplay官网苹果手机下载18

全球累计光伏装机容量21
图像
全球累计光伏装机容量

中位安装价格,住宅,商业,和公用事业规模的光伏系统22
图像
中位安装价格,住宅,商业,和公用事业规模的光伏系统

能源表现与环境影响

  • 净能量比将光伏系统的生命周期能量输出与其生命周期一次能量输入进行比较。一项研究表明,非晶硅pv产生的能量是生产所需能量的3到6倍。25
  • 重复使用多晶电池可以减少50%以上的制造能量。26
  • 虽然在光伏制造过程中会排放污染物和有毒物质,但生命周期的排放量很低。例如,薄膜CdTe的生命周期排放约为14克CO2e每千瓦时交付,远低于电力来源,如煤(1001g CO2e /千瓦时)。27日、28日
  • 与煤炭等不可再生技术(687加仑/兆瓦时)相比,光伏发电平均耗水更少(26加仑/兆瓦时)。29

解决方案和可持续行动

促进可再生能源的政策

  • 没有太阳能电池板屋顶空间的消费者可以加入社区太阳能项目,这是社区成员可以分享和获得电费信贷的当地太阳能项目。30.物业评估清洁能源(PACE)项目允许业主通过自愿评估每年的物业税来资助太阳能安装的前期成本。31绿色银行和其他贷款机构正在发展,专门为地方、区域和国家范围内的清洁能源项目提供资金和支持。32
  • 碳限额与交易政策将通过增加化石燃料发电成本来有利于pv。33
  • 光伏政策激励包括可再生能源组合标准(RPS)、上网电价(FIT)、容量回扣和净计量。
    • RPS要求电力供应商从可再生资源中获得最低比例的能源。34
    • FIT规定了零售电力供应商必须向可再生能源发电机支付的最低每千瓦时价格。35
    • 容量补贴是针对建设可再生能源项目的一次性预付款,基于装机容量(瓦特)。35
    • 通过净计量,光伏业主从公用事业公司获得信用(最高可达他们每年的能源使用量),将能源返回电网。35

你能做什么

  • “绿色定价”允许客户为支持可再生能源技术投资的电力支付溢价。可再生能源证书(RECs)可以购买以“抵消”商品用电量,并帮助可再生能源变得更具竞争力。36

未来科技

  • 新兴的光伏技术包括钙钛矿、双面光伏组件和聚光光伏(CPV)技术。钙钛矿太阳能电池转换效率高(超过25%),生产成本低。双面模块能够在光伏电池的两侧收集光线。CPV利用低成本的光学器件将光集中到一个小型太阳能电池上。37、38、39
  • 针对寿命终结进行设计可以提高目前光伏组件10%的回收率。40
一个瓦特是能量的单位,或能量流动的速率。1 TW = 1,000 GW = 1,000,000 MW = 1,000,000,000 kW。
一个千瓦时是能量的单位。1千瓦时是点亮100瓦灯泡10小时所需的电能。

引用作为

可持续系统中心,密歇根大学,2021。“光伏能源概况介绍。”酒吧。不。CSS07-08。

  1. 美国能源情报署(EIA)(2022年)《每月能源评论》,2022年6月。
  2. 美国能源部(DOE),国家可再生能源实验室(NREL)(2018)美国年度太阳能GHI地图。
  3. 美国国家海洋和大气管理局(2017)“球体上的能量。”
  4. 美国EIA(2022)国际能源统计。
  5. 美国能源部,能源效率和可再生能源(EERE)(2017)“面对鸭子曲线:如何解决太阳能发电过度。”
  6. 美国能源未来委员会可再生资源发电,国家研究委员会(2010)《可再生资源发电:现状、前景和障碍》。beplayer官网入口
  7. 美国能源部,EERE(2020)“太阳能术语表。”
  8. 能源圣人(2021年)“最高效的太阳能电池板:太阳能电池板电池效率解释。”
  9. NREL(2022)最佳研究单元效beplayer官网入口率。
  10. NREL(2012)太阳射击视觉研究。
  11. 美国能源部(2021年)“阳光倡议”。
  12. NREL(2022)冠军模块效率。
  13. 改编自NASA科学(2008)“光伏如何工作?”
  14. 图片来自国家可再生能源实验室,NREL-45218
  15. 美国能源部,EERE(2021)“太阳能光伏电池基础”。
  16. 美国能源部,EERE(2021)“太阳能光伏技术基础”。
  17. Platzer, M.(2015)美国太阳能光伏制造:行业趋势,全球竞争,联邦政府支持。国会研究服务部。beplayer官网入口
  18. 国会研究服务(2020年)太beplayer官网入口阳能:常见问题。
  19. Barbose, G.等人(2014)《跟踪太阳VI: 1998年至2012年美国光伏装机价格的历史总结》。劳伦斯伯克利国家实验室,LBNL-6350E.2013.2017。
  20. Mousazadeh, H.等人(2009)“最大化太阳系输出的原理和太阳跟踪方法的综述。”可再生能源与可持续能源评论,13:1800-1818。
  21. 国际能源机构(2021年)选定IEA国家1992年至2020年光伏应用趋势调查报告。
  22. NREL(2022)美国太阳能光伏系统成本基准2021年第一季度
  23. 太阳能欧洲(2021)2021-2025年全球太阳能市场展望。
  24. 法兰克福学院、联合国环境规划署、彭博新能源财经(2020)《2020年全球可再生能源投资趋势》。
  25. Pacca, S.等(2007)“影响光伏技术和系统生命周期性能的参数。”能源政策,35:3316-3326。
  26. Muller, A.等人(2006)“太阳能组件回收过程的生命周期分析”。材料研究学会研讨会论beplayer官网入口文集,895。
  27. Kim, H.等(2012)“薄膜光伏发电生命周期温室气体排放。”工业生态学报,16:S110-S121。
  28. Whitaker, M.等(2012)“燃煤发电生命周期温室气体排放。”工业生态学报,16:553 - 572。
  29. NREL(2011)发电技术运行用水量和提取因素综述。
  30. 太阳能产业协会(SEIA)(2021)“社区太阳能。”
  31. 美国能源部,EERE(2021)“财产评估清洁能源计划。”
  32. 清洁能源信用合作社(2020)《我们的故事》。
  33. Bird, L.等人(2008)“碳限额与交易对美国自愿可再生能源市场的影响。”能源政策,36(6):2063-2073。
  34. 美国环保署(2021)“国家可再生能源资源。”
  35. 美国能源部,EERE(2022)社区太阳能:地方政府指南。
  36. 美国环境保护署(2021年)“绿色电源选择”。
  37. 美国能源部EERE(2022)“钙钛矿太阳能电池。”
  38. NREL(2016)双面光伏组件功率额定值方法的评估和现场评估。
  39. NREL(2017)聚光光伏技术现状。
  40. NREL(2021)太阳能光伏组件回收:美国政策和举措的调查。

从这里往哪里走