В период с 1992 по 2023 год мировое использование фотоэлектрических систем (ФС) росло экспоненциально . За этот период они превратились из нишевого рынка мелкомасштабных приложений в основной источник электроэнергии. [4] С 2016 по 2022 год они продемонстрировали ежегодный темп роста мощности и производства около 26% — удваиваясь примерно каждые три года.
Когда солнечные фотоэлектрические системы впервые были признаны перспективной технологией возобновляемой энергии , программы субсидирования, такие как фиксированные тарифы , были реализованы рядом правительств с целью предоставления экономических стимулов для инвестиций. В течение нескольких лет рост был в основном обусловлен Японией и ведущими европейскими странами. Как следствие, стоимость солнечной энергии значительно снизилась из-за эффектов кривой опыта , таких как усовершенствования в технологиях и экономия масштаба . Несколько национальных программ сыграли важную роль в увеличении развертывания фотоэлектрических систем, таких как Energiewende в Германии, проект Million Solar Roofs в Соединенных Штатах и пятилетний план Китая 2011 года по производству энергии. [5] С тех пор развертывание фотоэлектрических систем набирало обороты в мировом масштабе, все больше конкурируя с традиционными источниками энергии. В начале 21-го века появился рынок установок коммунального масштаба , чтобы дополнить крышные и другие распределенные приложения. [6] К 2015 году около 30 стран достигли сетевого паритета . [7] : 9
Начиная с 1950-х годов, когда первые солнечные элементы были произведены в коммерческих целях, ряд стран лидировали в мире как крупнейший производитель электроэнергии из солнечных фотоэлектрических систем. Сначала это были США, затем Япония [8] , затем Германия, а в настоящее время Китай.
К концу 2022 года глобальная совокупная установленная мощность фотоэлектрических установок достигла около 1185 гигаватт (ГВт), что обеспечивает более 6% мирового спроса на электроэнергию [9] по сравнению с примерно 3% в 2019 году [10]. В 2022 году доля солнечных фотоэлектрических установок составила более 10% годового внутреннего потребления электроэнергии в девяти странах, при этом в Испании , Греции и Чили она составила более 17%. [9]
Официальные агентства публикуют прогнозы роста солнечной энергетики, часто недооценивая их. [11] Международное энергетическое агентство (МЭА) на протяжении десятилетий последовательно увеличивало свои оценки, но все еще не достигало прогнозов фактического развертывания в каждом прогнозе. [12] [13] Bloomberg NEF прогнозирует ввод дополнительных 600 ГВт к 2030 году в Соединенных Штатах. [14] К 2050 году МЭА прогнозирует, что солнечная фотоэлектрическая энергия достигнет 4,7 тераватт (4674 ГВт) в своем сценарии с высоким уровнем возобновляемости, из которых более половины будет развернуто в Китае и Индии, что сделает солнечную энергию крупнейшим в мире источником электроэнергии. [15] [16]
Паспортная мощность обозначает пиковую выходную мощность электростанций в единицах ватт с удобным префиксом , например, киловатт (кВт), мегаватт (МВт) и гигаватт (ГВт). Поскольку выходная мощность для возобновляемых источников является переменной, средняя генерация источника, как правило, значительно ниже паспортной мощности. Чтобы получить оценку средней выходной мощности, мощность можно умножить на подходящий коэффициент мощности , который учитывает изменяющиеся условия - погоду, ночное время, широту, техническое обслуживание. Во всем мире средний коэффициент мощности солнечных фотоэлектрических систем составляет 11%. [17] Кроме того, в зависимости от контекста, указанная пиковая мощность может быть до последующего преобразования в переменный ток , например, для одной фотоэлектрической панели, или включать это преобразование и его потери для подключенной к сети фотоэлектрической электростанции . [18] : 15 [19] : 10
Ветроэнергетика имеет другие характеристики, например, более высокий коэффициент мощности и примерно в четыре раза больше электроэнергии, чем в 2015 году, чем солнечная энергия. По сравнению с ветровой энергией, фотоэлектрическая энергия хорошо коррелирует с потреблением энергии для кондиционирования воздуха в теплых странах. С 2017 года [обновлять]несколько коммунальных предприятий начали объединять фотоэлектрические установки с аккумуляторными батареями, таким образом получая несколько часов диспетчерской генерации , чтобы помочь смягчить проблемы, связанные с кривой утки после захода солнца. [20] [21]
В 2022 году общая мировая мощность фотоэлектрических установок увеличилась на 228 ГВт, а годовой рост новых установок составил 24%. В результате общая мировая мощность к концу года превысила 1185 ГВт. [9]
Азия была крупнейшим устанавливателем солнечных батарей в 2022 году, с 60% новых мощностей и 60% общей мощности. Только Китай составил более 40% новых солнечных батарей и почти 40% общей мощности, но только 30% генерации. [22]
Северная Америка произвела 16% от общего мирового объема, во главе с Соединенными Штатами . В 2022 году у Северной Америки был самый высокий коэффициент использования мощности среди всех континентов — 20%, опередив Южную Америку (16%) и мир в целом (14%). [22]
Почти вся солнечная энергия в Океании (39 ТВт·ч) была сгенерирована в Австралии в 2022 году, в обоих случаях составив 3% от общемирового объема. Однако в Океании была самая высокая доля электроэнергии, которая была солнечной в 2022 году — 12%, опередив Европу (4,9%), Азию (4,9%) и мир в целом (4,6%). [22]
Соединенные Штаты были лидером по установленной фотоэлектрической энергии в течение многих лет, и ее общая мощность составляла 77 мегаватт в 1996 году, больше, чем у любой другой страны мира в то время. С конца 1990-х годов Япония была мировым лидером по производству солнечной электроэнергии до 2005 года, когда Германия вышла вперед и к 2016 году имела мощность более 40 гигаватт . В 2015 году Китай превзошел Германию, став крупнейшим в мире производителем фотоэлектрической энергии, [23] а в 2017 году стал первой страной, превысившей 100 ГВт установленной мощности. Лидирующими странами на душу населения в 2022 году стали Австралия, Нидерланды и Германия.
Соединенные Штаты , где были изобретены современные солнечные фотоэлектрические системы, лидировали по установленной мощности в течение многих лет. Основываясь на предыдущих работах шведских и немецких инженеров, американский инженер Рассел Ол из Bell Labs запатентовал первый современный солнечный элемент в 1946 году. [24] [25] [26] Также там, в Bell Labs, в 1954 году была разработана первая практичная ячейка из c-кремния . [27] [28] Hoffman Electronics , ведущий производитель кремниевых солнечных элементов в 1950-х и 1960-х годах, улучшил эффективность элемента, выпустил солнечные радиоприемники и оснастил Vanguard I , первый спутник на солнечной энергии, запущенный на орбиту в 1958 году.
В 1977 году президент США Джимми Картер установил солнечные панели для нагрева воды в Белом доме (позже снятые президентом Рейганом), продвигая солнечную энергию [29] , а Национальная лаборатория возобновляемой энергии , первоначально называвшаяся Научно-исследовательским институтом солнечной энергии, была основана в Голдене, штат Колорадо. В 1980-х и начале 1990-х годов большинство фотоэлектрических модулей использовались в автономных энергосистемах или питали потребительские товары, такие как часы , калькуляторы и игрушки, но примерно с 1995 года усилия отрасли все больше сосредотачивались на разработке подключенных к сети фотоэлектрических систем на крышах и электростанций . К 1996 году мощность солнечных фотоэлектрических систем в США составила 77 мегаватт — больше, чем в любой другой стране мира в то время. Затем вперед продвинулась Япония.
Япония заняла лидирующее положение в качестве крупнейшего в мире производителя электроэнергии от солнечных батарей после того, как в 1995 году город Кобе пострадал от Великого землетрясения Хансин. После землетрясения в Кобе произошли серьезные перебои с электроснабжением, и фотоэлектрические системы рассматривались в качестве временного поставщика электроэнергии во время таких событий, поскольку нарушение электросети парализовало всю инфраструктуру, включая заправочные станции, которые зависели от электричества для перекачки бензина. Более того, в декабре того же года на экспериментальной атомной электростанции Мондзю стоимостью в несколько миллиардов долларов произошла авария . Утечка натрия вызвала крупный пожар и привела к остановке (классифицировано как INES 1). Было огромное общественное возмущение, когда выяснилось, что полуправительственное агентство, отвечающее за Мондзю, пыталось скрыть масштабы аварии и вызванного ею ущерба. [30] [31] Япония оставалась мировым лидером в области фотоэлектричества до 2004 года, когда ее мощность составила 1132 мегаватта. Затем акцент на развертывании фотоэлектрических систем сместился в Европу.
В 2005 году Германия переняла лидерство у Японии. С введением Закона о возобновляемых источниках энергии в 2000 году в качестве политического механизма были приняты фиксированные тарифы . Эта политика установила, что возобновляемые источники энергии имеют приоритет в сети, и что за произведенную электроэнергию должна быть уплачена фиксированная цена в течение 20-летнего периода, что обеспечивает гарантированный возврат инвестиций независимо от фактических рыночных цен. Как следствие, высокий уровень инвестиционной безопасности привел к резкому росту числа новых фотоэлектрических установок, пик которых пришелся на 2011 год, в то время как инвестиционные затраты на возобновляемые технологии значительно снизились. В 2016 году установленная мощность фотоэлектрических установок Германии превысила отметку в 40 ГВт.
К концу 2015 года Китай превзошел Германию по мощности, став крупнейшим в мире производителем фотоэлектрической энергии. [32] Быстрый рост фотоэлектрических мощностей в Китае продолжился в 2016 году — было установлено 34,2 ГВт солнечных фотоэлектрических установок. [ 33] Быстрое снижение тарифных ставок [34] в конце 2015 года побудило многих разработчиков закрепить тарифные ставки до середины 2016 года — поскольку они ожидали дальнейших сокращений (и это правильно [35] ). В течение года Китай объявил о своей цели установить 100 ГВт в течение следующего китайского пятилетнего экономического плана (2016–2020). Китай рассчитывал потратить 1 триллион иен (145 миллиардов долларов) на строительство солнечных электростанций [36] в течение этого периода. Большая часть мощностей фотоэлектрических установок Китая была построена на относительно менее населенном западе страны, тогда как основные центры потребления электроэнергии находились на востоке (например, Шанхай и Пекин). [37] Из-за отсутствия адекватных линий электропередачи для передачи электроэнергии от солнечных электростанций Китаю пришлось сократить выработку электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок. [37] [38] [39]
Средняя цена за ватт для солнечных элементов резко упала за десятилетия, предшествовавшие 2017 году. В то время как в 1977 году цены на кристаллические кремниевые элементы составляли около 77 долларов за ватт, средние спотовые цены в августе 2018 года были всего лишь 0,13 доллара за ватт или почти в 600 раз меньше, чем сорок лет назад. Цены на тонкопленочные солнечные элементы и солнечные панели c-Si составляли около 0,60 доллара за ватт. [42] Цены на модули и элементы снизились еще больше после 2014 года (см. котировки цен в таблице) .
Эта ценовая тенденция рассматривалась как доказательство, подтверждающее закон Свенсона (наблюдение, похожее на знаменитый закон Мура ), который гласит, что стоимость за ватт солнечных элементов и панелей падает на 20 процентов при каждом удвоении совокупного фотоэлектрического производства. [43] Исследование 2015 года показало, что цена за кВт·ч падает на 10% в год с 1980 года, и предсказало, что солнечная энергия может обеспечить 20% от общего потребления электроэнергии к 2030 году. [44]
Приведенные ниже цифры для некоторых стран представляют стоимость за киловатт солнечной генерации коммунального масштаба, а также цену за киловатт-час в 2022 году и сравнение с 2010 годом. Доллары указаны в международных долларах 2022 года . Данные предоставлены IRENA. [45]
В годы, предшествовавшие 2017 году, были достигнуты значительные успехи в технологии обычного кристаллического кремния (c-Si). Падение стоимости поликремния с 2009 года, последовавшее за периодом острой нехватки (см. ниже) кремниевого сырья, увеличило давление на производителей коммерческих тонкопленочных фотоэлектрических технологий , включая аморфный тонкопленочный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид галлия-индия-меди (CIGS), что привело к банкротству нескольких тонкопленочных компаний, которые когда-то были высоко разрекламированы. [47] Сектор столкнулся с ценовой конкуренцией со стороны китайских производителей кристаллических кремниевых ячеек и модулей, и некоторые компании вместе со своими патентами были проданы ниже себестоимости. [48]
В 2013 году тонкопленочные технологии составили около 9 процентов мирового развертывания, в то время как 91 процент принадлежал кристаллическому кремнию ( моно-Si и мульти-Si ). Имея 5 процентов от общего рынка, CdTe занимал более половины рынка тонкопленочных технологий, оставляя по 2 процента CIGS и аморфному кремнию. [49] : 24–25
В начале 2000-х годов цены на поликремний , сырье для обычных солнечных элементов, составляли всего 30 долларов за килограмм, и у производителей кремния не было стимулов расширять производство.
Однако в 2005 году наблюдался острый дефицит кремния, когда правительственные программы привели к 75%-ному увеличению развертывания солнечных фотоэлектрических систем в Европе. Кроме того, рос спрос на кремний со стороны производителей полупроводников. Поскольку количество кремния, необходимое для полупроводников, составляет гораздо меньшую часть производственных затрат, производители полупроводников смогли перебить цены солнечных компаний на доступный на рынке кремний. [61]
Первоначально действующие производители поликремния не спешили реагировать на растущий спрос на солнечные приложения из-за своего болезненного опыта с чрезмерными инвестициями в прошлом. Цены на кремний резко выросли примерно до 80 долларов за килограмм и достигли 400 долларов за кг по долгосрочным контрактам и спотовым ценам. В 2007 году ограничения на кремний стали настолько серьезными, что солнечная промышленность была вынуждена простаивать около четверти своих производственных мощностей ячеек и модулей — по оценкам, 777 МВт от тогдашней доступной производственной мощности. Дефицит также предоставил специалистам по кремнию как наличные, так и стимул для разработки новых технологий, и на рынок вышло несколько новых производителей. Первые ответы со стороны солнечной промышленности были сосредоточены на улучшении переработки кремния. Когда этот потенциал был исчерпан, компании стали более пристально рассматривать альтернативы традиционному процессу Siemens . [62]
Поскольку строительство нового завода по производству поликремния занимает около трех лет, дефицит продолжался до 2008 года. Цены на обычные солнечные элементы оставались неизменными или даже немного выросли в период дефицита кремния с 2005 по 2008 год. Это особенно заметно на кривой обучения Свенсона в области фотоэлектрических систем, и возникли опасения, что длительный дефицит может задержать конкурентоспособность солнечной энергетики по сравнению с ценами на традиционную энергию без субсидий.
В то же время солнечная промышленность снизила количество граммов на ватт за счет уменьшения толщины пластины и потерь при резке, увеличения выхода на каждом этапе производства, снижения потерь в модулях и повышения эффективности панелей. Наконец, наращивание производства поликремния избавило мировые рынки от дефицита кремния в 2009 году и впоследствии привело к избыточным мощностям с резким падением цен в фотоэлектрической промышленности в последующие годы.
Поскольку поликремниевая промышленность начала наращивать дополнительные крупные производственные мощности в период дефицита, цены упали до 15 долларов за килограмм, что заставило некоторых производителей приостановить производство или выйти из сектора. Цены на кремний стабилизировались около 20 долларов за килограмм, а бурно развивающийся рынок солнечных фотоэлектрических систем помог сократить огромный глобальный избыток мощностей с 2009 года. Однако избыток мощностей в фотоэлектрической промышленности продолжал сохраняться. В 2013 году мировой рекорд развертывания в 38 ГВт (обновленный показатель EPIA [18] ) все еще был намного ниже годовой производственной мощности Китая примерно в 60 ГВт. Продолжающийся избыток мощностей был дополнительно сокращен за счет значительного снижения цен на солнечные модули , и, как следствие, многие производители больше не могли покрывать издержки или оставаться конкурентоспособными. Поскольку всемирный рост развертывания фотоэлектрических систем продолжался, разрыв между избыточными мощностями и мировым спросом, как ожидалось в 2014 году, должен был сократиться в течение следующих нескольких лет. [64]
В 2014 году IEA-PVPS опубликовало исторические данные по мировому использованию производственных мощностей солнечных фотоэлектрических модулей, которые показали медленное возвращение к нормализации производства в годы, предшествовавшие 2014 году. Коэффициент использования представляет собой отношение производственных мощностей к фактическому объему производства за данный год. Минимальный показатель в 49% был достигнут в 2007 году и отражал пик дефицита кремния, из-за которого простаивала значительная часть производственных мощностей модулей. По состоянию на 2013 год коэффициент использования несколько восстановился и увеличился до 63%. [63] : 47
После подачи антидемпинговой петиции и проведения расследований [65] Соединенные Штаты ввели пошлины в размере от 31 до 250 процентов на солнечную продукцию, импортируемую из Китая в 2012 году. [66] Год спустя ЕС также ввел окончательные антидемпинговые и антисубсидиционные меры на импорт солнечных панелей из Китая в размере в среднем 47,7 процента в течение двухлетнего периода. [67]
Вскоре после этого Китай, в свою очередь, ввел пошлины на импорт американского поликремния, сырья для производства солнечных батарей. [68] В январе 2014 года Министерство торговли Китая установило антидемпинговый тариф для американских производителей поликремния, таких как Hemlock Semiconductor Corporation, в размере 57%, в то время как другие крупные компании-производители поликремния , такие как немецкая Wacker Chemie и корейская OCI, пострадали гораздо меньше. Все это вызвало много споров между сторонниками и противниками и стало предметом дебатов.
.png/1280px-PV_power_plant_cluster_near_Bhadla_(India).png)
Показатели развертывания в глобальном, региональном и общенациональном масштабах хорошо документированы с начала 1990-х годов. В то время как мировая мощность фотоэлектрических установок непрерывно росла, показатели развертывания по странам были гораздо более динамичными, поскольку они сильно зависели от национальной политики. Ряд организаций ежегодно публикуют комплексные отчеты о развертывании фотоэлектрических установок. Они включают в себя годовую и совокупную развернутую мощность фотоэлектрических установок , обычно выраженную в ваттах на пике , разбивку по рынкам, а также углубленный анализ и прогнозы будущих тенденций.
ежегодное развертывание с 2002 года
2023: 413 ГВт (оценка) [69]
Количество стран с
мощностью фотоэлектрических установок в гигаваттном масштабе
В период с 2000 по 2022 год мощность солнечных батарей увеличивалась в среднем на 37% в год, удваиваясь каждые 2,2 года. За тот же период времени коэффициент использования мощности увеличился с 10% до 14%. Данные в следующей таблице взяты из Ember, опубликованного в 2024 году, [22] с более ранними данными от BP, опубликованными в 2014 году. [71]
