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为什么太阳能是地球的未来

人类能靠一片沙漠为整个地球供电吗？我们来看看这个想法，还有其他选择，从屋顶太阳能、农光互补到漂浮式太阳能阵列。我们会讲解太阳能发电到底怎么运作，也会探索像钙钛矿这样的新材料，它能把窗户变成太阳能板。太阳能如今是人类历史上最便宜的能源，但还有一些问题需要解决...

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影响速度成本成熟度自然影响

4.6总体

解决方案评分

  • 影响5 / 5阳光是地球最大的能源，而太阳能发展得最快。
  • 速度5 / 5太阳能电站从获批到发电只需几个月，扩张很快。
  • 成本5 / 5史上最便宜的电力；自己就能回本。
  • 成熟度5 / 5技术成熟、已大规模生产，几乎每个国家都已安装。
  • 自然影响3 / 5危害较小，但太阳能板需要材料，大型太阳能电站也会占地。

指南

这是这部影片的图文版旁白稿。本指南目前仅提供英文版 - 你的语言版本即将推出。

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测验

第 1 题，共 10 题

据说阿基米德用什么对付入侵的罗马战船？

得分 0 / 10

旁白稿

几千年来，人类怀着敬畏和惊奇，眯着眼仰望太阳。他们崇拜它，用它计时，还喜欢沐浴在它的阳光里（偶尔也会晒伤）。

但如果太阳不只是个晒黑工具呢？如果它能取代化石燃料，解决人类的能源问题呢？

欢迎来到太阳能的世界！

自从人类发现太阳存在，就一直在利用它的热量。事实上，据说古希腊科学家阿基米德曾用一堆巨大的镜子，把那些美丽的金色阳光聚成一束，热到能点燃来犯的罗马战船 [1,2,3]。这大概会把人晒伤得够呛！

但又过了2,000年，一位同样聪明的法国人埃德蒙·贝克勒尔才发现，只要用对材料，就能把阳光变成电 [4,5,6]。

再过不久，到了1954年，他的发现促成了第一块硅太阳能电池的诞生 [4,5,7,8]，也让人人都能拥有无限、便宜又充足的能源成为可能。但太阳能技术到底是怎么运作的呢？

光由叫作光子的微小粒子组成，它们带着能量，以……嗯，光速移动。

每秒钟，太阳发出的光子都会撞上地球的大气层、海洋和大陆，产生热量，要么温暖地球……要么点燃罗马战船，前提是你刚好手边有一堆巨大的镜子！

但如果它们撞上一种叫半导体的特殊材料，这些光子就会像保龄球一样，把撞到的原子里的电子击飞 [9,10]。而这些电子会产生电。所以，这就是太阳能板的原理……

但这项技术真的能满足人类永不满足的能源胃口吗？

要发出足够的电，为所有电视、电话、日光浴床，以及其他所有能电气化的东西供电，你需要超过10万平方公里的太阳能板 [11]，听起来可能很多，但这只占撒哈拉沙漠的1.5% [11]。

那人类为什么不靠一座巨大的撒哈拉太阳能电站为全世界供电呢？

嗯，沙漠其实不算适合人待的地方。灼热高温和沙漠风卷起的沙子会降低太阳能板的效率 [12,13,14]，而且撒哈拉非常偏远，安装和维护都很麻烦 [15,16]，更别提还得用数千公里的电缆输电 [17,18]。

这些技术难题理论上可以解决，但更大的问题来自这个雄心勃勃项目复杂的地缘政治挑战 [16,17,18]，这让一座为全世界供电的巨大撒哈拉太阳能电站，突然显得没那么合理了！

好在太阳能电站不一定要建在沙漠里。事实上，太阳能板几乎哪里都能装，只要在全球一半的屋顶上安装，就可能足以满足人类的用电需求 [19,20,21]。

它们也可以装在农田里的农作物旁边 [22,23]，一次产出人类最爱的两样东西：食物和电。

漂浮式太阳能板甚至可以装在全球的水库上 [24,25]，防止水分蒸发 [26,27]，确保人类长时间晒太阳时有足够的水补水。事实上，光是水库的水面面积，就足以提供全世界所需的全部电力 [28,29,30]。

所以，太阳能板当然有可能为全世界供电，但实际吗？

第一个挑战，是人类非常熟悉的一件事：先把太阳能板造出来。要制造它们，人类需要资源和能源，而这些全都有成本 [31]。比如，太阳能电池里的硅必须开采和加工，这本身就可能带来环境问题 [32,33]。

太阳能最大的障碍，也许可以用一个简单问题概括……太阳不照的时候怎么办？

如果你在地球上待过，大概会发现，每24小时里大约有12小时是黑的。而且，看你身在何处，有些地方比其他地方暗得多 [34,35]。

更糟的是，即使在白天，讨厌的云也会挡住阳光，要是你需要靠阳光发电，这可不太理想 [36]。这意味着，太阳能是一种所谓的间歇性能源。

由于用电需求会在一天中不断变化，太阳能并不总能发出所需的电：有时发得太多，有时又不够满足需求 [37]。所以，多出来的能源要么得储存起来以后用，要么在太阳不照时就得靠其他能源 [38,39,40]。

目前，人类还没想出怎样储存足够的太阳能，来可靠地供应全世界，所以暂时来说，太阳能还不能独自为地球供电。

但别怕！就像古代的阿基米德和聪明的贝克勒尔一样，许多现代人正在研究技术解决方案，而且成果正在显现。

像钙钛矿这样的材料，能让太阳能板比传统硅板更高效 [41,42]、更环保，也更少消耗资源 [43]。钙钛矿甚至可以涂、印或喷到包括玻璃在内的表面上 [41,44]，把窗户变成太阳能板 [45]。

回收技术的进步进一步减少了开采矿物的需求 [46,47]，而太阳能板的成本在过去40年里迅速下降了超过99% [48-52]，让太阳能在寻找人类历史上最便宜能源的激烈竞赛中，和风能并列第一 [53,54]。而且，如果说有什么比电、食物或晒黑更让人类喜欢，那就是便宜货！

那阿基米德把太阳能集中到一点的想法呢？能用来发电吗？嗯，能。如今已有聚光太阳能发电站，它们用巨大的镜子聚焦来加热熔盐；这些热量随后用来发电。不过，由于价格快速下降，太阳能板阵列现在的发电成本大约只有聚光太阳能电站的三分之一 [54]。

所以，太阳能板看来才是未来之路。事实上，它们现在便宜到全球装机容量大约每三年翻一倍 [55]，有望在2050年前提供超过一半的全球电力 [56,57,58]。

但它们真的能取代化石燃料、拯救地球吗？嗯，单靠它们大概不行……但太阳能板和其他能源一起使用（再搭配储能系统），就能帮助人类戒掉化石燃料，创造一个比以往更闪亮的未来！

专家顾问

我们要感谢

Prof. Alastair Buckley

谢菲尔德大学

数学与物理科学学院

Dr. Dan Lamb

斯旺西大学

CISM 氧化物和硫属化物 MOCVD 中心

更多视频

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概述 - 太阳能板如何工作 - 半导体内部 - PN结与物理

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太阳能的未来 - 成本、规模与全球渗透 - 智库预测

地理与应用 - 农场、漂浮式和混合系统的全球机遇

延伸阅读

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历史

工作原理

撒哈拉太阳能

农光互补

漂浮式光伏

鸭子曲线

太阳能电池回收

储能

未来太阳能技术

能源转型

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

  1. [1] 锡拉丘兹之围（公元前214-212年）| 意义、描述与阿基米德 | Britannica
  2. [2] 阿基米德 - 除了喊“尤里卡”，他还做了什么？（访问Archive.org）
  3. [3] 重现古代死亡射线 | The New York Times
  4. [4] 首个实用硅太阳能电池 | American Physical Society
  5. [5] 太阳能板简史 | Smithsonian Magazine
  6. [6] 贝克勒尔1839年论文 - 辐射对金属片的作用 | Academy of Sciences Weekly Reports
  7. [7] 太阳能电池的发明 | Popular Science（摘自Let It Shine - The 6,000-Year Story of Solar Energy）
  8. [8] 文件深度解读：首个实用太阳能电池的专利 | Smithsonian Magazine
  9. [9] 光伏与电力 | U.S. Energy Information Administration
  10. [10] 光伏科学与工程手册 | Wiley Online Library
  11. [11] 利用撒哈拉沙漠1%面积上的太阳能，我们就能为全世界供电 | Forbes（见参考注释*）
  12. [12] 光伏电池技术和高温对光伏系统性能的影响 | Ain Shams Engineering Journal
  13. [13] 沙粒与太阳能电池板玻璃表面的正向撞击 | Tribology International
  14. [14] 专家称，酷热天气会影响太阳能板 | World Economic Forum
  15. [15] 撒哈拉沙漠的巨型太阳能阵列能满足我们的能源需求吗？| CORDIS European Commission
  16. [16] 不只是清洁能源：撒哈拉的风能和太阳能可增加萨赫勒地区降雨 | UNEP
  17. [17] 在清洁能源争夺中，欧洲正转向北非 | Yale E360
  18. [18] （为何）Desertec失败了？大型可再生能源基础设施项目的阶段性分析 | Local Environment
  19. [19] 全球屋顶太阳能光伏发电潜力的时空评估 | Nature Communications（见参考注释*）
  20. [20] 农田和屋顶：全球未充分利用的太阳能光伏潜力 | Environmental Research Letters（见参考注释*）
  21. [21] 陆地全球光伏潜力及其对气候变化敏感性的建模 | Environmental Research Letters（见参考注释*）
  22. [22] 农光互补：让太阳能板和农业双赢 | Statkraft
  23. [23] 农光互补：太阳能与农业共址 | US Department of Energy
  24. [24] 漂浮式光伏：在欧洲兴起 | Intersolar Europe
  25. [25] Where Sun Meets Water: Floating Solar Market Report | ESMAP
  26. [26] 漂浮式太阳能的兴起-技术、优势与挑战 | Proceedings of the World Conference on Floating Solutions 2019
  27. [27] 在缺水地区利用漂浮式太阳能光伏减少蒸发并为抽水供电：约旦案例研究 | Energy Conversion and Management
  28. [28] 全球水库漂浮式太阳能光伏的发电量与节水潜力 | Nature Sustainability（被 研究发现，水库上的漂浮式太阳能板可满足全球三分之一的用电需求 | The Independent 引用）（见参考注释*）
  29. [29] 结合漂浮式太阳能光伏电站与水电水库 | Energy Procedia（见参考注释*）
  30. [30] 全球漂浮式光伏的现状与潜力 | Progress in Energy（见参考注释*）
  31. [31] 光伏发电的环境影响-能源供应方案的批判性比较 | 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference | UN CTNC
  32. [32] 硅石开采对环境的影响 | Journal of Geography and Regional Planning
  33. [33] 太阳能光伏系统的环境影响：近期进展与未来展望的批判性综述 | Science of The Total Environment
  34. [34] 全球尺度太阳能潜力的空间评估。一种地理学方法 | Journal of Cleaner Production
  35. [35] 太阳能发电的间歇性与聚合 | Nature
  36. [36] 气候变量的时空变化与间歇性可再生电力生产 - 综述 | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  37. [37] 解析鸭子曲线十年：NREL 2008年的一项发现如何助力如今电网上接入更多太阳能 | NLR (NREL)（存档）
  38. [38] 储能对打造价格可负担、可靠、深度脱碳的电力系统至关重要 | MIT News
  39. [39] 可再生能源来源互补性综述 | Solar Energy
  40. [40] 抽水蓄能与风电-光伏混合互补发电系统 | Applied Energy
  41. [41] 导言：为什么是钙钛矿和钙钛矿太阳能电池？ | Prevoskite Photovoltaics
  42. [42] 叠层电池大有潜力 | Science（见于 “神奇材料”钙钛矿打破太阳能板效率门槛 | The Independent）
  43. [43] 钙钛矿-硅叠层太阳能电池环境表现的新见解 | Sustainable Energy & Fuels | RSC（见于 钙钛矿光伏的环境影响 | PV magazine International）
  44. [44] 太阳能钙钛矿技术 | Encyclopedia of Sustainable Technologies (2nd Edition)
  45. [45] 新型智能窗会在阳光下变暗 - 同时还能发电 | Science | AAAS
  46. [46] 太阳能组件/面板回收综述 | Solar Energy Materials and Solar Cells
  47. [47] 太阳能光伏回收的技术进步：综述 | Minerals
  48. [48] 技术创新推动低成本减缓气候变化 | Energy Research & Social Science（见于 随着太阳能板价格暴跌，化石燃料“正在过时” | The Independent）
  49. [49] 全球装机容量每翻一番，太阳能板价格就下降约20% | Our World in Data（见参考注释*）
  50. [50] 为什么可再生能源这么快就变得如此便宜？ | Our World in Data（见参考注释*）
  51. [51] 太阳能（光伏）面板价格 | Our World in Data（见参考注释*）
  52. [52] 3Q 2024 Global PV Market Outlook | BloombergNEF（见参考注释*）
  53. [53] World Energy Outlook 2024 - 分析 | IEA
  54. [54] Renewable Power Generation Costs in 2023 | IRENA（见参考注释*）
  55. [55] Global Market Outlook For Solar Power 2022-2026 | Solar Power Europe（存档）
  56. [56] 低成本可再生电力是推动全球能源向可持续转型的关键动力 | Energy
  57. [57] 太阳能转型的势头 | Nature Communications（载于UCL News | University College London）
  58. [58] 到2050年，太阳能或可满足全球一半电力需求 | Bloomberg

参考注释

11

撒哈拉太阳能电站为全球供电所需的沙漠面积估算

本参考文献中的文章源自在线知识分享平台 Quora 上的一场讨论，因此未经正式同行评审，也未在科学期刊或报告中发表。不过，它曾被《福布斯》和《纽约时报》广泛引用、参考和转载，作者称这是首次提出用太阳能满足全球能源需求的解决方案，并探讨“撒哈拉解决方案”的可行性、实用性及相关数字。该文受到作者 - 一位学术和行业专家 - 的严格质疑与辩护，也获得同行学术界和行业专业人士的非正式认可。该提案的部分内容及支撑计算可被视为假设性的“粗略估算”，或是真实世界解决方案情景的基础，文中也在这两种语境下进行了讨论，但在这里用作说明性的估计。

尤其值得注意的是，它的估算基于能源总消费量，并假设所有能源用途都全面电气化，包括供热、交通和工业流程。这些用途能否直接电气化各不相同，有时并不实际或根本不可能（不过其中一些可使用由太阳能电解制成的绿氢）。基于麦肯锡、IRENA 和 IEA 全球能源展望中的行业洞见，AI 汇总估计全球约 60-70% 的能源需求可通过现有及近期技术实现电气化 A,B,C，同时也承认实际挑战依然存在。若只是满足目前的全球电力需求，所需的撒哈拉太阳能电站面积会小得多。

考虑到全球能源需求近期增长（截至 2023 年约为 19.6TW D,E），估计所需的撒哈拉沙漠面积已从 1.2% 调整为 1.5%。

19,20,21

屋顶太阳能板的全球潜力

多篇论文对全球屋顶太阳能光伏（PV）的潜力进行了建模，但结果各不相同。一篇论文 [19] 估算，适合安装屋顶光伏的总面积每年可发电27 PWh，超过了2018年当时的全球用电需求。由于各地和各季节的日照不同，光伏潜力也不同，地区屋顶面积对这一总潜力的贡献并不均匀，即一个地区的容量可能远远满足不了当地需求，而另一个地区的容量可能超过需求，并对全球供应作出不成比例的贡献。作者估计，要满足汇总各地区后的全球年度用电需求，至少需要50%的全球屋顶面积。

截至2023年，全球用电需求已增至略低于30 PWh F，超过了[19]报告的先前全球屋顶光伏潜力。与此同时，能源总需求（包括供暖、交通和工业流程，以及电力）约为172 PWh D,E。另一篇论文 [20] 指出[19]的方法存在不一致之处，并估计全球屋顶光伏潜力可达到约30.5 TW的最大可安装容量，折合每年超过267 PWh，甚至远超我们的能源总需求。第三篇论文 [21] 估计，到2050年全球屋顶光伏潜力将达到每年175 TWh，并会随不同的持续排放情景而变化。这一预测涉及扩建屋顶，以支持比[19]目前报告的总光伏面积大得多的规模。综合这些发现及其各自的方法，我们得出一个保守结论：世界上一半的屋顶，或许就足以满足人类的用电需求。

28,29,30

全球水库漂浮式太阳能板的潜力

一篇论文[28]估算，若全球每座水库的水面最多铺设30%的漂浮式光伏（FPV）（114,555座水库合计556,111千米2），每年潜在发电量可达9434太瓦时。由于技术和环境限制，漂浮式光伏覆盖面积有限（30%），这是一个保守估算。同样，另一篇论文[29]指出，全球水库水面的25%可发电8000太瓦时·年-1。按照IEA的预测G，这至少相当于可预见未来全球用电需求的四分之一（截至2023年底，接近需求的三分之一F），而随着新水库建成，容量还可能继续增加。

不过，一篇较新的论文[30]指出了此前研究未考虑的太阳能板技术进展，包括太阳追踪系统和双面太阳能板：“虽然追踪器可能提高系统对浮力和锚固的要求，并增加整体系统成本，但相比固定倾角系统，它带来的显著发电增益、技术不断进步和成本下降，可能会让它们在未来几年更普及”。为了解这些新技术在全球的表现，他们“分析了全球249,717座内陆水库（人工和天然水库）的不同漂浮式光伏配置的安装容量和发电潜力，包括不同倾角的固定倾角安装、不同追踪方式，以及不同面板类型（单面与双面），这些水库总面积为222,623千米2 -约为”[28]中分析水库面积的四倍。有了这些更新，作者发现漂浮式光伏总容量最高可达22太瓦峰值功率（TWp），可满足全世界的用电需求。

49-52

当前太阳能光伏价格

Our World in Data[51]汇总了多个来源的数据，包括 IRENA 2024H。正如网页所述，IRENA 列出了多种不同技术的太阳能光伏组件价格。自 2013 年第四季度起的数据，是“薄膜 a-Si/u-Si”技术的年度平均价格，或作为所有太阳能技术参考的全球价格指数，2023 年全球价格达到 $0.31/W。其他来源I,J,K则主要以主流或单面单晶组件技术为参考，其价格降得更低：

2024 年 1 月，在欧洲销售的薄膜 a-Si/u-Si 组件价格降至约 $0.16/WH。2024 年 4 月，单面单晶组件的全球现货价格据报为 $0.11/WI。2024 年 11 月，占据市场主导地位的单晶 PERC 组件和新一代 c-Si TOPCon 技术，在中国、欧洲和美国的价格分别达到 $0.087/W、$0.1/W 和 $0.29/WJ,K †。

†受物流、关税和地区市场因素影响，出口价格在全球市场通常高于中国，尤其是国际贸易术语（中国出口采用 FOB，美国和欧洲采用 DDPJ）。

Bloomberg[52]报道称，全球组件平均价格已降至 $0.096/W。与 1984 年全球组件平均价格 $19.48/W[51]相比，组件价格在 40 年间已下降超过 99%。

作为进一步比较，截至 2024 年第一季度，美国组件平均价格已降至 $0.29/WI。自 1989 年以来L,M，这在 35 年间下降了 96%。美国较高的价格一直受到中国组件关税和其他进口因素的支撑I。

54

太阳能光伏与聚光太阳能发电的平准化度电成本

IRENA《2023年可再生能源发电成本》指出，太阳能光伏的全球加权平均平准化度电成本（LCOE）为0.044美元/kWh。2010年至2023年间，CSP电站的全球加权平均LCOE下降了70%，从0.393美元/kWh降至0.117美元/kWh。因此，截至2023年，公用事业规模太阳能光伏的LCOE仅略高于CSP的三分之一。不过，太阳能光伏成本还在继续下降。2021年至2023年间，每年都只有一座CSP电站投运，因此这些年份未必具有代表性。鉴于CSP部署已放缓，且与太阳能光伏的竞争很激烈，这些电站可能是技术先进、高度优化的项目，旨在展示竞争力。因此，报告中的平均LCOE可能低于在CSP项目部署更典型或更多样的年份所观察到的水平。

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