环境及气候
太阳能崛起：廉价电力背后的秘密与挑战
太阳能光伏发电飞速增长，成本骤降，但间歇性仍是难题。未来，它能靠低价和储能突破极限吗？
过去十五年，能源界最大的亮点莫过于太阳能光伏的崛起，也就是我们常说的太阳能板。这玩意儿1950年代就有了，到2000年代初，美国开始大规模用它发电。不过，真正火起来是2010年代，全球计划中的发电项目里，太阳能开始占大头。
增长速度快得惊人。有数据说，太阳能光伏的部署速度史上无敌，从100太瓦时跳到1000太瓦时只用了8年，风能和核能花了12年，天然气28年，煤炭32年。在美国，计划新增的发电容量里，太阳能项目遥遥领先，大约1900吉瓦的待建项目中，近一半是太阳能光伏。
不过，说到实际贡献，太阳能还挺不起眼。到2023年，它只占美国电力的4%，总能源生产的不到1%。所以，大家都在问：太阳能还能疯长多久？它能撑起我们多少能源需求？
答案得看两个关键点。首先，成本降得太夸张。从1950年代发明到现在，太阳能光伏的价格跌了近万倍，光过去10年，电池成本就砍了一半多，未来还会更便宜。这让它成了最划算的发电方式之一。
可第二点是个硬伤：太阳能没法随叫随到。不像烧煤烧气或者核能，想开就开，想关就关，太阳能得看太阳脸色，只有白天有光才行。这局限性让它的未来充满争议。
有人觉得，间歇性会死死卡住太阳能的脖子，顶多占能源的一小块，所以该多搞燃气轮机、新一代核能或者地热这种“稳当”的能源。但也有人反驳，太阳能和储能电池会越来越便宜，间歇性根本不是事儿——建更多板子、加更多电池，就能解决问题。
未来不好猜，但简单模拟似乎偏向乐观派。要靠太阳能供应大部分能源，确实得“超建”，也就是装远远超出日常需求的面板和储能。可就算这样，只要成本再降一点，太阳能就能跟现在的电价打平，甚至更便宜，哪怕它占了大半电力。
太阳能怎么发电？简单说，面板把阳光变成电。具体点，它靠半导体里的p-n结工作。阳光打上去，电子被激发，电场把它们推到一边，另一边留下空穴，用线连起来，电流就跑起来了。美国公用规模的面板效率一般在20-23%，光越强，发电越多。地球表面阳光直射时，每平方米能有1000瓦(1千瓦)的辐照度，一个21%效率的面板，最高能出210瓦。
可这功率不是固定的。拿赤道来说，一天从黑夜0瓦升到中午顶峰，再落回晚上0瓦。越往北，地球表面和太阳的角度越大，辐照度就越低。季节也影响，在北半球，夏天辐照高，冬天就低。我住在亚特兰大，3月一天的辐照跟赤道比差不少，一年里最高值也有起伏。
这意味着，同一块面板在不同时间、地点发电量差别巨大。比如我家附近装20平方米、20%效率的平放面板，6月晴天中午能发4千瓦，1月晴天就剩一半。加上云遮日晒、昼夜交替，美国公用太阳能的平均容量因子只有23%，也就是理论满负荷的23%。西南阳光足的地方高些，东北就差远了。
发电高峰在中午，可用电高峰在傍晚。我家那20平方米面板，夏天白天绰绰有余，4千瓦远超2千瓦的峰值需求。可到了傍晚，面板没电，而家里还得用，晚上更是全靠别的来源。冬天更惨，用热泵取暖，1月需求飙到9千瓦，面板最多才2千瓦。6月能供52%的电，1月只剩10%，还不算云的影响——冬天多云，发电更少。
这间歇性是太阳能的命门。阳光不由人控，日夜、季节、地点都让发电量飘忽不定，而用电需求却不配合，每天和每季的高峰都跟太阳能错开。
怎么破？最直接的办法是用别的能源顶上，比如燃气轮机，或跟风能错峰配合。要纯靠太阳能，有两条路：一是多发电，二是加储能。多发电靠加面板、提效率、调角度、用镜子聚光，甚至把面板送太空——那儿几乎24小时有光，不过成本和传回地球的难度让这想法还停在理论。储能呢，现在流行锂电池，也有人试过飞轮、抽水发电或合成甲烷。
实际中，得双管齐下。没储能，再多面板晚上也废；没足够发电，储能也没用。加面板和加储能哪个更值？我模拟了下我家的用电需求。没有储能，面板再多也只能满足不到50%的年需求，加了储能就不同了。42千瓦(约200平方米)面板配80千瓦时储能，能盖99%的需求——这比我家最高耗电多4倍，储能比特斯拉Model 3的基础电池还多40%。
可回报递减很明显。15平方米面板能供25%的电，75%却要85平方米加20千瓦时储能，95%得135平方米和50千瓦时。100%需求得52千瓦(250平方米)和近4天的夏日储能，冬天多云还可能不够。
但如果太阳能和储能够便宜，这“超建”就不算啥。就像买电脑硬盘，便宜到没人担心浪费空间。太阳能系统成本分三块：硬件(面板、逆变器、支架、安装人工)、软成本(设计、许可、开发开销)和运维成本(保险、清洁、更换零件)。美国公用太阳能现在每千瓦略超1000美元，面板本身不到三分之一。电池储能也类似，锂电池成本降了不少，但占系统比例比面板高。运维成本低，太阳能每年每千瓦16美元，储能每千瓦时12美元。
算下来，无储能时，每千瓦时5.7美分，跟美国公用太阳能平均值差不多。可供50%需求时涨到13美分，90%近25美分。如果成本再降呢？欧洲现成本(太阳能750美元/千瓦，储能300美元/千瓦时)能把50%需求的电价压到10美分以下。未来若到400美元/千瓦和150美元/千瓦时，80%需求也能10美分，跟美国居民电价差不多。
当然，成本不一定一直降。面板和电池的学习曲线可能停滞，其他部分的成本还可能涨，美国过去六年公用太阳能成本就没怎么动。所以，太阳能的优势是便宜、无燃料、低维护，劣势是间歇性。成本越低，建多点就不心疼，它供能的比例就能越大。未来会怎样？拭目以待吧。
本文译自 construction physics，由 BALI 编辑发布。
