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光伏发电（PV）是一种利用具有光伏效应的半导体将太阳辐射转化为直流电 来发电的方法。 [ 1 ]光伏发电采用太阳能电池板，太阳能电池板由多个含有光伏材料的电池组成。目前用于光伏发电的材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉和硒化铜铟/硫化铜。
由于对可再生能源的需求不断增长，近年来太阳能电池和光伏阵列的制造技术取得了长足的进步。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]本文探讨了光伏系统的组成部分，描述了它们的作用和重要性，并为希望投资光伏系统的人士提供入门指南。
背景
每天，太阳照射到地球上的能量足以满足全球能源需求。[ 5 ]太阳光子中的能量可以转化为电能。这个过程被称为光伏效应。因此，收集能量的光伏板越多越好。事实上，美国能源部曾多次报告称，如果莫哈韦沙漠9%的面积都安装太阳能电池板，就能满足美国日常用电需求。同样，如果撒哈拉以南非洲1%的面积都安装太阳能电池板，就能满足全世界的永久用电需求。
第一块光伏电池是由查尔斯·弗里茨于1883年制造的，他用硒和金制造了一块30厘米的电池。[ 6 ]现代硅光伏技术于1954年由贝尔实验室的研究人员发现，他们意外地开发出了使光伏电池能够产生可用电力的pn结。[ 7 ] 1958年，美国国家航空航天局（NASA）开始使用光伏电池作为其卫星的备用电源系统。[ 6 ]第一座太阳能住宅于1973年在特拉华大学建成，第一个兆瓦级光伏项目于1984年在加利福尼亚州安装。[ 6 ]
自20世纪60年代首款商用太阳能电池板问世以来，光伏（PV）技术在全球范围内持续得到探索和发展（Pratt & Schaeffer 51）。[ 8 ]该技术的不断发展使其效率不断提高，光伏电池板的价格也比以往任何时候都更加亲民，尽管最初价格仍然较高。如今，人们仍在不断探索新的途径，力求使光伏技术成为全球每个人的可行选择。由于我们大多数人并未深入研究这项技术的原子层面，我们可以通过其他方式提供帮助——例如，增进对光伏技术的理解并传播这种理解，以及帮助他人获得太阳能或光伏系统。
截至2010年，太阳能光伏发电已在100多个国家开展，虽然其在全球所有能源总发电量4.8太瓦（TW）中所占比例仍然很小，但却是世界上增长最快的发电技术。[ 9 ] 2004年至2009年间，并网光伏发电装机容量年均增长60%，达到约21吉瓦（GW）。[ 10 ]此类装置可以安装在地面（有时与农业和畜牧业相结合）[ 11 ]，也可以安装在建筑物的屋顶或墙壁上，即所谓的建筑一体化光伏（BIPV）。[ 12 ] 离网光伏发电装机容量约为3-4吉瓦。[ 10 ]受技术进步以及制造规模和工艺水平提高的推动，自第一批太阳能电池问世以来，光伏发电的成本一直在稳步下降。[ 13 ] 净计量和财政激励措施，例如对太阳能发电的优惠上网电价（例如[ 14 ] ），支持了许多国家的太阳能光伏装置。
优势
与传统发电技术相比，光伏技术具有诸多独特的优势。光伏系统可根据各种应用和运行要求进行设计，并可用于集中式或分布式发电。光伏系统没有移动部件，采用模块化设计，易于扩展，在某些情况下甚至可以运输。阳光是免费的，光伏系统运行不会产生噪音或污染。太阳能电池板甚至不需要阳光直射即可发电。[ 15 ]光伏电池板在能源生产过程中无需使用煤炭、石油或天然气等化石燃料。相反，传统燃料来源造成了一系列环境问题，例如全球变暖、酸雨、烟雾、水污染、垃圾填埋场迅速填满、石油泄漏造成的栖息地破坏以及自然资源的流失（Solar Energy International 2004）。光伏组件以硅为主要成分。用一吨沙子制造的硅电池产生的电量相当于燃烧50万吨煤炭产生的电量（Solar Energy International 2004）。设计精良且安装得当的光伏系统维护需求极低，使用寿命长。如果维护得当[ 16 ]（清洁和保护），光伏组件的使用寿命可达三十年甚至更久。而系统的其他部件，例如蓄电池，使用寿命则短得多，可能需要在使用几年后更换。
《国际太阳能》（2004）指出，选择光伏技术时还有许多其他好处需要考虑：
- 可靠性：即使在最恶劣的条件下，光伏系统也能维持电力供应。相比之下，传统技术往往在最关键的时刻无法供电。
- 耐久性：一般来说，光伏组件的额定功率有 80% 的质保，有效期为 20 年或更久。因此，最坏的情况是每年性能下降 1%。一些研究表明，性能衰减甚至更低，约为每年 0.2%。光伏组件在其使用寿命内产生的能量比生产它们所需的能量更多。[ 17 ]
- 维护成本低：光伏系统无需频繁检查或维护。虽然运输耗材可能会产生一些成本，但通常低于传统系统的成本。
- 零燃料成本：由于没有燃料来源，因此无需支出购买、储存或运输燃料。
- 减少噪音污染：光伏系统运行安静，移动量极小。
- 光伏模块化：与传统系统不同，光伏系统可以添加模块来增加可用功率。
- 安全性：光伏系统不需要使用可燃燃料，如果设计和安装得当，则非常安全。
- 独立性：光伏系统可以独立于电网系统运行。这对于缺乏基本基础设施的国家的农村社区来说是一大优势。
- 电网分散化：小型分散式电站降低了电网频繁发生停电的可能性。参见：分布式发电
- 高海拔性能：使用太阳能时，海拔越高，功率输出越优化。这对于高海拔偏远地区来说非常有利，因为在这些地区，柴油发电机由于效率和功率输出的损失，必须降低功率输出。
通过减少对传统电力的需求，分布式太阳能发电从电网角度来看带来了可衡量的好处，包括：[ 18 ]
- 由于高峰需求减少，传统电力市场价格走低。
- 使用免费的可再生燃料而非价格波动较大的化石燃料，可以实现有效的价格对冲。
- 避免了为管理集中式发电厂的电力输送而新建输配电基础设施的成本；
- 减少建设、运营和维护天然气发电厂的需求
- 由于电力系统更加可靠、分布式，停电次数减少。
- 降低未来缓解煤炭、天然气、核能和其他发电方式对环境影响的成本
- 与传统发电方式相比，太阳能发电能创造更多本地就业机会，从而增加税收收入。例如，加拿大政府通过支持光伏制造来增加收入。[ 19 ]
缺点
太阳能是一种取之不尽的能源，但这并不意味着光伏发电也是如此。光伏系统具有以下特点：
- 必须一次性付清所有费用。过去七年来，太阳能电池板（即发电机）的价格每年下降20%至40%。曾经价格昂贵且享受补贴的技术（1995-2009年），如今即使在阳光充足的美国和南欧地区（2012年）也变得经济实惠。能源价格飙升也使太阳能电池板更具成本效益，因为其投资回收期缩短了。[ 20 ]在英国天然气和电力市场监管局（Ofgem）于2022年4月实施价格上限后，英国家庭平均可以提前2.5年收回太阳能电池板的成本。[ 21 ]该价格上限导致大多数家庭的能源成本上涨了54%。[ 22 ]系统组件的更换成本很高。在美国，一套典型的光伏系统的成本在每瓦峰值功率（Wp）2美元至6美元之间。[ 23 ]因此，为一个典型的美国家庭安装一套5千瓦的系统需要花费1万美元至3万美元。对于能效更高的住宅以及用电量较小的住宅（例如，仅使用少量高效LED灯），成本要低得多。近期太阳能级硅的短缺，使得过去几十年随着产能提升而持续下降的成本趋势戛然而止。随着更多太阳能级硅钨厂投入运营，成本下降的趋势正在恢复。此外，随着真正利用工业共生模式的大规模生产启动，太阳能光伏发电有望在成本上与电网供电相媲美。[ 24 ]
- 高科技——虽然光伏电池本身的运行和维护相对容易，但其制造需要熟练的劳动力。目前还没有很好的方法让人们能够利用当地材料自行制造光伏系统。高科技的特性使得利用现有技术进行规模化生产具有巨大优势。
- 某些光伏材料具有毒性，例如碲化镉太阳能电池中的镉。许多作者认为，在电池板本身中，镉不会受到环境污染——但这也意味着需要对报废后的电池板进行谨慎处理。
- 间歇性——太阳能电池只有在阳光照射时才能发电，不受遮挡影响，因此作为高耗电设备的能源并不稳定。在夜间或恶劣天气下，您需要储能电池或备用电源。（另一方面，太阳能电池板非常适合负载平衡，因为用电量高峰和太阳能发电高峰都出现在阳光明媚的炎热天气。）
环保人士经常提到高科技光伏发电的两个缺点：
- 生产污染——光伏组件的开采、生产和运输都需要大量使用化石燃料。[ 25 ]这些过程也会产生相应的污染源。事实上，当今几乎所有产品都存在这种情况。幸运的是，光伏系统的生命周期分析显示其对环境的净效益为正，因为在其约25年以上的使用寿命内，它可以抵消化石燃料能源的生产。
- 高能耗——生产需要消耗大量能源。过去甚至有人认为，生产光伏电池所需的能源比消耗的能源还要多。这种说法是错误的。[ 26 ]本文作者清晰地表明，构成当前太阳能市场主体的三种光伏（PV）材料：单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池，在几年内（1-5年）就能收回成本。因此，它们在其使用寿命内产生的能量足以使其自身多次复制（6-31次），具体次数取决于材料类型、系统平衡以及系统所在地理位置。
- 将电池储能系统添加到太阳能系统中，就是一个微电网的例子。白天储存的能量可以在夜间使用。
在设计离网光伏系统时，电池容量必须考虑实际效率损失。标称的瓦时数代表的是存储的能量，而不是逆变器转换损耗（通常为 10-15%）后的可用输出。基于负载的计算有助于确定合适的容量。便携式电源计算器可以简化小型离网系统和应急准备系统的估算。
光伏系统安装
光伏太阳能热
笔记
比起在住宅中安装光伏系统，还有许多更具成本效益的改进措施。例如，将资金投入到太阳能热水器和能源效率提升，甚至用于碳补偿，都能更有效地减少碳排放和生态足迹。[需要核实]
相关项目
系统
设备
参见
- 太阳能光伏公开讲座
- 市售光伏组件
- 太阳能充电汽车
- 带净计量功能的家用光伏系统
- 太阳能收集器的最佳朝向
- 全息太阳能
- 太阳能发电系统的维护
- 对 CR1000 数据记录器进行编程
- 发展中国家的制冷
- 太阳能光伏地面安装
- 乡村照明
- 太阳能光伏电池常见问题解答
- 太阳辐射图
- 光谱选择性涂层 - 设备
- PVTOM - 一款基于技术、经济和排放性能来模拟和优化混合光伏和三联产能源系统的软件。
- 开源DIY太阳能光伏支架
- 冷阴极荧光灯
- 固态照明
- 太阳能光伏软件
- 用于光伏应用的太阳能资源测量
- 洪堡光伏展馆
- 如何识别假冒太阳能电池板——5个检查要点，避免上当受骗
外部链接
要查看光伏发电相关外部链接的完整列表，请点击此处。
参考
- Pratt, Doug & John Schaeffer. Solar Living Source Book. Tenth. NV: Chelsea Green Publishing Company, 1999.
- ↑ Al-Ezzi, AS, & Ansari, MNM (2022).光伏太阳能电池：综述. 应用系统创新, 5(4), 67. https://doi.org/10.3390/asi5040067
- ↑ 德国光伏市场
- ↑ BP Solar将在西班牙和印度扩建其太阳能电池工厂
- ↑ 大规模、廉价的太阳能发电
- ↑ Lewis, NS, & Nocera, DG (2006).为地球提供动力：太阳能利用中的化学挑战。美国国家科学院院刊，103(43), 15729–15735。DOI: 10.1073/pnas.0603395103。
- ↑跳转至：6.0 6.1 6.2 Luque, A. 和 S. Hegedus (2003)，光伏科学与工程手册，Wiley，霍博肯，新泽西州。
- ↑ Goetzberger, A. 和 VU Hoffmann (2005)，光伏太阳能发电，Springer，纽约州纽约市。
- ↑ Green, MA (2005).硅光伏组件：前 50 年简史。光伏进展：研究与应用，13(5)，447–455。DOI：10.1002/pip.612。
- ↑ Zhang, HL, Van Gerven, T., Baeyens, J., & Degrève, J. (2014).光伏：回顾欧洲上网电价补贴政策以及光伏效率和成本的变化。《科学世界杂志》，2014 年，文章编号 404913。DOI：10.1155/2014/404913。
- ↑跳转至：10.0 10.1 REN21. 2010 年全球可再生能源状况报告第 19 页。
- ↑ 通用电气投资兴建全球最大太阳能发电厂之一
- ↑ 建筑一体化光伏发电
- ↑ Richard M. Swanson.光伏发电，科学，第 324 卷，2009 年 5 月 15 日，第 891 页。
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- ↑ https://www.makemyhousegreen.com/green-guides/do-solar-panels-need-direct-sunlight/
- ↑ 有关大型系统运维的非常好的总结文章，请参阅第 1 部分：[1]和第 2 部分：[2]。
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- ↑ 摘要；http://web.archive.org/web/20121110185859/http://www.onlinetes.com :80/solar-energy-bargain-nj-pa-11912.aspx
- ↑ K. Branker 和 JM Pearce，“加拿大政府支持大规模薄膜太阳能光伏制造的财务回报”，《能源政策》 38，第 4291–4303 页（2010 年）。开放获取
- ↑ Huang, J., & He, C. (2025年6月13日).最大化太阳能电池板效率的最佳角度. Neexgent.
- ↑ https://www.makemyhousegreen.com/green-guides/press-release-solar-panels-roi-2-5-years-faster/
- ↑ https://www.ofgem.gov.uk/publications/price-cap-increase-ps693-april
- ↑ 通常来说，将模块价格翻倍以涵盖系统组件和安装费用——有关面板成本的最新平均值，请参阅此处的零售价格调查。
- ↑ Pearce, JM 2008.“超大规模光伏制造的工业共生”，《可再生能源》33，第1101-1108页。[3]
- ↑ Fthenakis, VM, & Kim, HC (2011).光伏：生命周期分析. 太阳能, 85(8), 1609–1628. DOI: 10.1016/j.solener.2009.10.002.
- ↑ 有关太阳能电池生命周期能源成本的详细分析，请参阅：Joshua Pearce 和 Andrew Lau，“基于硅的太阳能电池可持续能源生产的净能量分析”，美国机械工程师学会太阳能 2002：可靠能源经济的曙光，R. Cambell-Howe 编辑，2002 年。
| 作者 | 约书亚·M·皮尔斯、朗尼·格拉夫曼、泰·穆霍、梅根·摩尔、佩德罗·克拉赫特 |
|---|---|
| 执照 | CC-BY-SA-3.0 |
| 引用方式 | Joshua M. Pearce、Lonny Grafman、TyMuho、Megan Moore、Pedro Kracht (2006–2026)。“光伏技术”。Appropedia 。检索日期：2026 年 6 月 26 日。 |