В период с 1992 по 2023 год использование фотоэлектрических систем (PV) во всем мире росло в геометрической прогрессии . За этот период он превратился из нишевого рынка мелкомасштабных приложений в основной источник электроэнергии. [3] В 2016-2022 годах ежегодный рост мощности и производства составил около 26%, удваиваясь примерно каждые три года.
Когда солнечные фотоэлектрические системы были впервые признаны многообещающей технологией использования возобновляемых источников энергии , ряд правительств реализовали программы субсидирования, такие как льготные тарифы , чтобы обеспечить экономические стимулы для инвестиций. В течение нескольких лет движущей силой роста в основном были Япония и европейские страны-первопроходцы. Как следствие, стоимость солнечной энергии значительно снизилась из-за эффектов кривой опыта , таких как усовершенствование технологий и эффект масштаба . Несколько национальных программ сыграли важную роль в увеличении внедрения фотоэлектрических систем, таких как Energiewende в Германии, проект «Миллион солнечных крыш» в США и пятилетний план Китая по производству энергии на 2011 год. [4] С тех пор внедрение фотоэлектрических систем набрало обороты во всем мире, все больше конкурируя с традиционными источниками энергии. В начале 21 века возник рынок промышленных установок, дополняющих крышные и другие распределенные приложения. [5] К 2015 году около 30 стран достигли сетевого паритета . [6] : 9
С 1950-х годов, когда были коммерчески произведены первые солнечные элементы, в мире сменился ряд стран, являющихся крупнейшими производителями электроэнергии из солнечных фотоэлектрических систем. Сначала это были США, затем Япония, [7] затем Германия, а теперь и Китай.
К концу 2022 года глобальная совокупная установленная мощность фотоэлектрических систем достигла около 1185 гигаватт (ГВт), обеспечивая более 6% мирового спроса на электроэнергию [8] по сравнению с примерно 3% в 2019 году . [9] В 2022 году вклад солнечных фотоэлектрических систем составил более 10% годового внутреннего потребления электроэнергии в девяти странах, при этом в Испании , Греции и Чили более 17%. [8]
Официальные агентства публикуют прогнозы роста солнечной энергии, часто недооценивая их. [10] Международное энергетическое агентство (МЭА) на протяжении десятилетий последовательно увеличивало свои оценки, но при этом все еще далеко не соответствовало прогнозам фактического развертывания в каждом прогнозе. [11] [12] Bloomberg NEF прогнозирует, что к 2030 году будут подключены дополнительные 600 ГВт. [13] К 2050 году МЭА прогнозирует, что мощность солнечной фотоэлектрической энергии достигнет 4,7 тераватт (4674 ГВт) в сценарии с высоким уровнем возобновляемых источников энергии, из которых более половины будет будет развернута в Китае и Индии, что сделает солнечную энергию крупнейшим в мире источником электроэнергии. [14] [15]
Паспортная мощность обозначает пиковую выходную мощность электростанций в единицах ватт с удобным префиксом , например, киловатт (кВт), мегаватт (МВт) и гигаватт (ГВт). Поскольку выходная мощность переменных возобновляемых источников непредсказуема, средняя выработка источника обычно значительно ниже паспортной мощности. Чтобы получить оценку средней выходной мощности, мощность можно умножить на подходящий коэффициент мощности , который учитывает различные условия — погоду, ночное время, широту, техническое обслуживание. Во всем мире средний коэффициент мощности солнечных фотоэлектрических систем составляет 11%. [16] 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 фотоэлектрической электростанции, подключенной к сети . [17] : 15 [18] : 10
Ветровая энергия имеет другие характеристики, например, более высокий коэффициент мощности и примерно в четыре раза больше производства электроэнергии, чем солнечная энергия в 2015 году. По сравнению с энергией ветра, производство фотоэлектрической энергии хорошо коррелирует с потреблением энергии для кондиционирования воздуха в теплых странах. По состоянию на 2017 год [обновлять]несколько коммунальных предприятий начали комбинировать фотоэлектрические установки с аккумуляторными батареями, получая таким образом несколько часов управляемой генерации , чтобы помочь смягчить проблемы, связанные с утиной кривой после захода солнца. [19] [20]
В 2022 году общая мировая фотоэлектрическая мощность увеличилась на 228 ГВт, при этом количество новых установок увеличилось на 24% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. В результате к концу года общая мировая мощность превысила 1185 ГВт. [8]
Азия была крупнейшим установщиком солнечной энергии в 2022 году с 60% новых мощностей и 60% от общей мощности. На долю одного только Китая приходится более 40% новой солнечной энергии и почти 40% общей мощности, но только 30% генерации. [21]
Северная Америка произвела 16% мирового объема, во главе с Соединенными Штатами . В 2022 году в Северной Америке был самый высокий коэффициент мощности среди всех континентов - 20%, опередив Южную Америку (16%) и мир в целом (14%). [21]
Почти вся солнечная энергия в Океании (39 ТВтч) была произведена в Австралии в 2022 году, что в любом случае составило 3% от общемирового объема. Однако в Океании в 2022 году была самая высокая доля солнечной электроэнергии - 12%, опередив Европу (4,9%), Азию (4,9%) и мир в целом (4,6%). [21]
Соединенные Штаты на протяжении многих лет были лидером по количеству установленных фотоэлектрических систем, а их общая мощность в 1996 году составляла 77 мегаватт , что больше, чем в любой другой стране мира на тот момент. С конца 1990-х годов Япония была мировым лидером по производству солнечной электроэнергии до 2005 года, когда Германия взяла на себя инициативу и к 2016 году имела мощность более 40 гигаватт . В 2015 году Китай обогнал Германию и стал крупнейшим в мире производителем фотоэлектрической энергии [22], а в 2017 году стал первой страной, установленная мощность которой превысила 100 ГВт. Странами-лидерами на душу населения в 2022 году стали Австралия, Нидерланды и Германия.
Соединенные Штаты , где были изобретены современные солнечные фотоэлектрические системы, в течение многих лет лидировали по установленной мощности. Основываясь на предыдущих работах шведских и немецких инженеров, американский инженер Рассел Ол из Bell Labs в 1946 году запатентовал первый современный солнечный элемент . Ячейка была разработана в 1954 году. [26] [27] Компания Hoffman Electronics , ведущий производитель кремниевых солнечных элементов в 1950-х и 1960-х годах, улучшила эффективность ячеек, произвела солнечные радиоприемники и оснастила Vanguard I , первый спутник на солнечной энергии, запущенный в космос. орбите 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 [28], а в Голдене, штат Колорадо, была основана Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии , первоначально называвшаяся Исследовательским институтом солнечной энергии . В 1980-х и начале 1990-х годов большинство фотоэлектрических модулей использовалось в автономных энергосистемах или в потребительских товарах с питанием, таких как часы , калькуляторы и игрушки, но примерно с 1995 года усилия отрасли все больше сосредотачивались на разработке подключенных к сети фотоэлектрических систем на крыше и энергетических систем. станции . К 1996 году мощность солнечных фотоэлектрических систем в США составила 77 мегаватт – больше, чем в любой другой стране мира того времени. Затем Япония двинулась вперед.
Япония стала крупнейшим в мире производителем фотоэлектрической электроэнергии после того, как город Кобе пострадал от Великого землетрясения Хансин в 1995 году. После землетрясения в Кобе произошли серьезные перебои в подаче электроэнергии, и фотоэлектрические системы тогда рассматривались как временный поставщик. электроэнергии во время таких событий, поскольку сбой в электросети парализовал всю инфраструктуру, включая заправочные станции, которые зависели от электричества для перекачки бензина. Более того, в декабре того же года произошла авария на многомиллиардной экспериментальной атомной электростанции Мондзю . Утечка натрия вызвала крупный пожар и привела к остановке (классифицируется как INES 1). Когда выяснилось, что полуправительственное агентство, отвечающее за Мондзю, попыталось скрыть масштабы аварии и нанесенного ею ущерба, вызвало массовое общественное возмущение. [29] [30] Япония оставалась мировым лидером в области фотоэлектрических систем до 2004 года, когда ее мощность составила 1132 мегаватт. Затем акцент на развертывании фотоэлектрических систем переместился в Европу.
В 2005 году Германия опередила Японию. С принятием Закона о возобновляемых источниках энергии в 2000 году «зеленые» тарифы были приняты в качестве политического механизма. Эта политика установила, что возобновляемые источники энергии имеют приоритет в энергосистеме и что за произведенную электроэнергию должна платиться фиксированная цена в течение 20-летнего периода, обеспечивая гарантированный возврат инвестиций независимо от фактических рыночных цен. Как следствие, высокий уровень инвестиционной безопасности привел к резкому росту числа новых фотоэлектрических установок, пик которого пришелся на 2011 год, в то время как инвестиционные затраты в возобновляемые технологии были значительно снижены. В 2016 году установленная фотоэлектрическая мощность Германии превысила отметку в 40 ГВт.
К концу 2015 года Китай превзошел по мощности Германию, став крупнейшим в мире производителем фотоэлектрической энергии. [31] Быстрый рост фотоэлектрической энергетики в Китае продолжился в 2016 году: было установлено 34,2 ГВт солнечных фотоэлектрических систем. [32] Быстрое снижение льготных тарифных ставок [33] в конце 2015 года побудило многих застройщиков сохранить тарифные ставки до середины 2016 года – поскольку они ожидали дальнейшего снижения (и это правильно [34] ). В течение года Китай объявил о своей цели установить 100 ГВт в течение следующего китайского пятилетнего экономического плана (2016–2020 гг.). Ожидалось, что за этот период Китай потратит 1 триллион йен (145 миллиардов долларов) на строительство солнечной энергии [35] . Большая часть фотоэлектрических мощностей Китая была построена на относительно менее населенном западе страны, тогда как основные центры потребления электроэнергии находились на востоке (например, в Шанхае и Пекине). [36] Из-за отсутствия адекватных линий электропередачи для передачи электроэнергии от солнечных электростанций Китаю пришлось сократить производство солнечной энергии. [36] [37] [38]
Средняя цена за ватт солнечных элементов резко упала за десятилетия, предшествовавшие 2017 году. В то время как в 1977 году цены на элементы из кристаллического кремния составляли около 77 долларов за ватт, средние спотовые цены в августе 2018 года составляли всего 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. [41] После 2014 года цены на модули и элементы еще больше снизились (см. котировки цен в таблице) .
Эта ценовая тенденция рассматривалась как свидетельство, подтверждающее закон Суонсона (наблюдение, похожее на знаменитый закон Мура ), который гласит, что стоимость ватта солнечных элементов и панелей падает на 20 процентов при каждом удвоении совокупного производства фотоэлектрической энергии. [42] Исследование 2015 года показало снижение цены за кВтч на 10% в год с 1980 года и предсказало, что к 2030 году солнечная энергия может составлять 20% от общего потребления электроэнергии. [43]
Следующие цифры для некоторых стран представляют стоимость за киловатт солнечной генерации для коммунальных предприятий, а также цену за киловатт-час в 2022 году и сравнение с 2010 годом. Доллары указаны в международных долларах 2022 года . Данные предоставлены IRENA. [44]
За годы, предшествовавшие 2017 году, произошли значительные успехи в технологии традиционного кристаллического кремния (c-Si). Падение стоимости поликремния с 2009 года, последовавшее за периодом острой нехватки (см. ниже) кремниевого сырья, усилило давление на производителей коммерческих тонкопленочных фотоэлектрических технологий , включая аморфный тонкопленочный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия-галлия (CIGS), привели к банкротству нескольких компаний по производству тонких пленок, которые когда-то были очень разрекламированный. [46] Сектор столкнулся с ценовой конкуренцией со стороны китайских производителей кристаллических кремниевых элементов и модулей, а некоторые компании вместе со своими патентами были проданы по цене ниже себестоимости. [47]
В 2013 году на тонкопленочные технологии приходилось около 9 процентов мирового внедрения, а 91 процент приходился на кристаллический кремний ( моно-кремний и мульти-кремний ). Имея 5 процентов общего рынка, CdTe занимал более половины рынка тонких пленок, оставляя по 2 процента каждому CIGS и аморфному кремнию. [48] : 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 стимула расширять производство.
Однако в 2005 году возникла острая нехватка кремния, когда правительственные программы привели к увеличению на 75% количества солнечных фотоэлектрических систем в Европе. Кроме того, рос спрос на кремний со стороны производителей полупроводников. Поскольку количество кремния, необходимого для полупроводников, составляет гораздо меньшую часть производственных затрат, производители полупроводников смогли перебить цены компаний, занимающихся солнечной энергетикой, за доступный на рынке кремний. [60]
Первоначально действующие производители поликремния не спешили реагировать на растущий спрос на солнечную энергию из-за болезненного опыта чрезмерных инвестиций в прошлом. Цены на кремний резко выросли примерно до $80 за килограмм и достигли $400/кг по долгосрочным контрактам и спотовым ценам. В 2007 году ограничения на производство кремния стали настолько серьезными, что солнечная промышленность была вынуждена простаивать около четверти своих мощностей по производству элементов и модулей — примерно 777 МВт от имеющихся на тот момент производственных мощностей. Дефицит также предоставил специалистам по кремнию как деньги, так и стимул для разработки новых технологий, и на рынок вышли несколько новых производителей. Первые отклики солнечной промышленности были сосредоточены на улучшении переработки кремния. Когда этот потенциал был исчерпан, компании стали более внимательно рассматривать альтернативы традиционному процессу Siemens . [61]
Поскольку строительство нового завода по производству поликремния занимает около трех лет, дефицит сохранялся до 2008 года. Цены на обычные солнечные элементы оставались постоянными или даже немного выросли в период дефицита кремния с 2005 по 2008 год. Это можно рассматривать как «плечо». это бросается в глаза на кривой обучения фотоэлектрических систем Swanson, и существовали опасения, что длительный дефицит может задержать конкурентоспособность солнечной энергии по сравнению с ценами на традиционную энергию без субсидий.
Тем временем солнечная промышленность снизила количество граммов на ватт за счет уменьшения толщины пластин и потерь в прорези, увеличения выхода продукции на каждом этапе производства, уменьшения потерь модулей и повышения эффективности панелей. Наконец, рост производства поликремния избавил мировые рынки от нехватки кремния в 2009 году и впоследствии привел к избыточным мощностям с резким снижением цен в фотоэлектрической промышленности в последующие годы.
Поскольку в период дефицита индустрия поликремния начала строить дополнительные крупные производственные мощности, цены упали до 15 долларов за килограмм, что вынудило некоторых производителей приостановить производство или выйти из сектора. Цены на кремний стабилизировались на уровне около 20 долларов за килограмм, а быстро развивающийся рынок солнечных фотоэлектрических систем помог сократить огромные глобальные избыточные мощности, начиная с 2009 года. Однако избыточные мощности в фотоэлектрической отрасли продолжали сохраняться. В 2013 году глобальная рекордная мощность в 38 ГВт (обновленные данные EPIA [17] ) все еще была намного ниже годовой производственной мощности Китая, составляющей примерно 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 затраты или оставаться конкурентоспособными. Поскольку во всем мире продолжается рост внедрения фотоэлектрических систем, ожидается, что разрыв между избыточными мощностями и мировым спросом в 2014 году сократится в ближайшие несколько лет. [63]
IEA-PVPS опубликовало в 2014 году исторические данные о мировом использовании производственных мощностей солнечных фотоэлектрических модулей, которые показали медленный возврат к нормализации производства в годы, предшествовавшие 2014 году. Коэффициент использования представляет собой отношение производственных мощностей к фактическому объему производства для данный год. Минимальный показатель в 49% был достигнут в 2007 году и отражал пик дефицита кремния, из-за которого простаивала значительная часть мощностей по производству модулей. По состоянию на 2013 год коэффициент использования несколько восстановился и увеличился до 63%. [62] : 47
После подачи антидемпинговой петиции и проведения расследований, [64] Соединенные Штаты в 2012 году ввели тарифы от 31 до 250 процентов на солнечную продукцию, импортированную из Китая. [65] Год спустя ЕС также ввел окончательные антидемпинговые меры. и меры по борьбе с субсидированием импорта солнечных панелей из Китая в среднем на 47,7 процента за двухлетний период. [66]
Вскоре после этого Китай, в свою очередь, ввел пошлины на импорт поликремния из США, сырья для производства солнечных элементов. [67] В январе 2014 года Министерство торговли Китая установило антидемпинговый тариф для американских производителей поликремния, таких как Hemlock Semiconductor Corporation, на уровне 57%, в то время как другие крупные компании-производители поликремния , такие как немецкая Wacker Chemie и корейская OCI, были гораздо меньшими. затронутый. Все это вызвало много споров между сторонниками и противниками и стало предметом дискуссий.
.png/1280px-PV_power_plant_cluster_near_Bhadla_(India).png)
Цифры развертывания в глобальном, региональном и национальном масштабе хорошо документированы с начала 1990-х годов. Хотя мировые фотоэлектрические мощности постоянно росли, показатели развертывания по странам были гораздо более динамичными, поскольку они сильно зависели от национальной политики. Ряд организаций ежегодно публикуют подробные отчеты о развертывании фотоэлектрических систем. Они включают годовую и совокупную установленную фотоэлектрическую мощность , обычно выраженную в пиковых ваттах , разбивку по рынкам, а также углубленный анализ и прогнозы будущих тенденций.
ежегодное развертывание с 2002 г.
2023 г.: 413 ГВт (оценка) [68]
Количество стран с фотоэлектрическими
мощностями в гигаваттном масштабе
В период с 2000 по 2022 год мощность солнечной энергии увеличивалась в среднем на 37% в год, удваиваясь каждые 2,2 года. За тот же период коэффициент мощности увеличился с 10% до 14%. Данные в следующей таблице взяты из Ember, выпущенного в 2023 году [21] , а более ранние данные из BP были опубликованы в 2014 году. [70]
