太阳能时代——人类的光明未来

从燃烧燃料到将光转化为闪电

自古以来，能源就是文明的中心。除了简单的肌肉力量（人力或动物）外，大多数情况下，燃烧物质是主要能源。

从原始熔炉将青铜熔炼成第一副盔甲和剑，到现代燃烧煤炭、石油和天然气的发电厂，我们的复杂性不断进步。但基本理念保持不变：利用热量转化材料（如将矿石熔炼成金属），包括将水转化为蒸汽以产生电力。

光伏技术改变了这一现状，首次实现了无需任何运动部件（甚至不包括风能）的大规模能源生产。

这种设计具有巨大的优势，因为没有移动部件意味着相关机械的耐用性会大大提高。它还是一种直接产生电能的能源生产系统，而不是像化石燃料和核电站那样需要转换成电能的其他能源形式，后者的循环是从热能 -> 蒸汽 -> 电能。

巨大的增长

过去几年，太阳能市场迅猛增长，预计到 15.4 年，美国太阳能市场复合年增长率仍将达到 2030%。

来源: 大观研究

与全球太阳能的增长相比，西方国家对太阳能的采用实际上相形见绌，中国处于领先地位，因为中国的太阳能项目储备量比世界其他地区的总和还要多。

中国一直在逐年提高可再生能源产能，2023 年至 2024 年期间安装的太阳能发电量将超过前三年的总和，并超过 2023 年全球安装的总产能。

这使得这个亚洲巨人有望在今年年底前实现 1,200 吉瓦的风能和太阳能装机容量，比政府的目标提前六年。

来源: 能源风力媒体

这使得《经济学人》等重要出版物将其称为一个新时代：

来源: “经济学家”

当然，《经济学人》的封面也可能有点为时过早，因为它长期以来都是错误的，也就是“杂志封面诅咒“。

然而，从长远来看，你可能会发现它被证明是有预见性的。

热能太阳能与光伏能源

生产太阳能的方法实际上有两种。目前占主导地位的是光伏发电，它依靠半导体材料在受到光子撞击时产生电能的能力。

来源: EIA

另一种方法是使用镜子将太阳光集中到一个点，并将其加热到数百度。大多数时候，光线会汇聚到塔上，塔将热量转化为电能。

来源: 缅因大学

热能太阳能项目曾经很受欢迎，但后来遇到了盈利问题，因为高温可能导致技术问题。对野生动物，尤其是鸟类的危险也是一个问题。

与此同时，半导体制造业的进步和太阳能电池板生产规模经济的不断增长，导致光伏成本稳步下降，自 30 年以来已便宜了 1990 倍。

来源: EIA

因此，光伏技术现在主导着太阳能行业。

从多晶硅到先进太阳能电池板

如今，太阳能电池板90%以上都是采用硅基技术制造的。

来源: EIA

这项技术，尤其是多晶硅一直处于太阳能产业发展和近期成本下降的前沿（单晶硅更耐用，但成本效益也较低）。

然而，多晶硅技术研发也开始遇到收益递减点。因此，该行业正在寻找多种方法来提高太阳能电池板的效率。

来源: 清洁能源评论

薄膜碲化镉

单晶硅或多晶硅的替代品是 碲化镉.由于其效率高，它是唯一在成本上能与多晶硅具有竞争力的薄膜光伏技术。

这项技术具有一些关键优势，但也存在一些问题。

它的主要好处是：

• 制造流程更简单，可以以更少的资本支出实现快速生产。
• 比硅轻。
• 根据能源部的数据，制造硅所排放的碳比制造硅少 6 倍。
• 光的吸收效率更高，太阳光光谱的利用率更高。

然而，该技术依赖于大量镉和碲化物的使用，这两种物质都具有相当的毒性。这引发了人们对其生态成本的质疑，即需要通过避免碳排放来平衡采矿影响和重金属污染。

另一个问题是资源的可用性。碲是一种相对稀有的矿物，几乎和铂一样稀有。因此，很难提高碲化镉薄膜太阳能电池板的产量并完全取代目前的硅产量，更不用说未来增加电池板产量的预期了。

在资源稀缺和污染风险两种情况下，都需要妥善处理产品的回收和整个生命周期。

由于这些限制，这项技术很可能仅限于特定的应用，特别是在太阳能电池的重量是关键因素的情况下， 例如可穿戴设备，还有移动性、空间等等）。

钙钛矿

钙钛矿是一种钙钛矿矿物，是另一种因其在光伏能源方面的潜力而受到研究的材料。

这项技术在过去几年取得了巨大进步，3.8 年实验室原型的效率（转换成电能的光量）仅为 2009% 到 33.9 年，设计比例将达到 2024% 隆基绿色能源技术.

钙钛矿的优势在于成本低，以及可以“打印”太阳能电池。成本较低的一大推动力是它可以在室温下生产，而硅则需要数百度的高温。

钙钛矿电池也具有柔性，为汽车车顶和无人机等新应用开辟了道路。它还能吸收大部分太阳光， 从而提高理论效率.

限制钙钛矿应用的主要因素是其耐用性。大多数钙钛矿太阳能电池只能使用几年。重金属（尤其是铅）的潜在泄漏也是一个问题。

总体而言，钙钛矿太阳能电池是一项非常有前景的技术，但也是刚刚进入商业阶段的技术。加快其应用的一种方法可能是研究硅-钙钛矿串联电池，就像隆基开发的电池一样。

量子点和其他量子效应

提高太阳能电池板效率的关键是增加光吸收量。目前使用的多晶硅仅吸收一部分可见光，而忽略了红外线（大部分太阳光输出）和紫外线。

来源: 量子点太阳能

一种选择是使用量子点，即根据尺寸不同光吸收率不同的纳米粒子， 该发现于 2023 年获得了诺贝尔奖（点击链接阅读我们关于量子点的文章).

量子点在吸收目前硅太阳能电池板无法吸收的光方面可能特别有效。

因此，虽然传统太阳能电池的转换效率最高可能达到 30-35%，但量子点太阳能电池的理论最高效率可达 66%。

其他先进设计可以利用其他量子效应来提高太阳能效率，例如， 利用卡西米尔效应和范德华力捕获光的蝴蝶结谐振器.

高级涂层

提高太阳能电池板效率的大部分努力都集中在硅的替代化学上。微小的设计变化也可能发挥作用。

例如，加拿大私营公司 SunDensity 使用特殊的纳米涂层来保护太阳能电池板免受紫外线引起的降解，而不是将紫外线转化为更多的电能。SunDensity 最近还收购了量子点太阳能电池板开发商 QD Solar。

来源: 量子点太阳能

双面电池板和移动支架

大多数太阳能电池板的设计只能从一侧吸收光线，因此，它们与太阳的完美角度非常重要。

相反，双面太阳能电池板的设计目的是从电池板的正面和背面产生光线。这可以总体上提高其能量产出。它还可以实现新类型的安装，例如将电池板垂直放置在东西轴线上。

这样的安装有很多优点：

• 在许多气候条件下，中午的阳光会“饱和”太阳能电池板吸收光线的能力，从而降低朝南的吸引力。
• 更好的空气循环可降低面板的温度，减少因过热造成的产量损失。
• 这些面板可以吸收反射光，例如来自混凝土表面或雪的光。
• 东西轴线可在早上和晚上实现最大产量，此时能源需求最高，而太阳能发电“缺失”。

来源: 维基百科上的数据

虽然双面电池板可能不是一场革命，但未来它可能会变得更加普遍。尤其是当电价的“鸭子曲线”降低了中午最大化生产的盈利能力，而冬季生产又需要增加时。

来源: 视觉资本家

另一种最大化太阳方位的方法是使用可移动支架或“太阳能追踪器”，全天跟踪太阳的方向。这可以提高发电量，尤其是在北方气候条件下，因为那里太阳的位置在一年中变化很大，但情况复杂，而且太阳能装置的一部分会移动。

来源: 镍能源解决方案

热能与热光伏

热管理是光伏板面临的一个严重问题。这是因为物理学规定，随着半导体材料升温，能量产量将下降。

这意味着保持面板冷却非常重要。大多数安装都使用气流，尤其是风，但现在其他系统正在将循环水集成到面板背面以保持冷却。

来源: 可持续能源研究

太阳能电池板的另一项功能是吸收以红外光形式发出的热量。在这种情况下，它们被称为热光伏电池板。

它们可以与热电池结合使用，利用储存的热量产生电能.

浮式光伏

来源: RWE

由于土地对于大规模太阳能应用来说可能非常宝贵，因此人们想到了使用水体。这种方法 浮动光伏系统将使太阳能电池板漂浮起来，而不是安装在地面或屋顶上.

这不仅节省了农业用地，而且还有助于保持面板凉爽，使其成为炎热热带气候的理想选择。

农用电

即使排列完美，太阳能电池板也只能吸收部分太阳光，其阴影并非完全黑暗。农业光伏的概念是利用这些剩余的阳光种植农作物，同时太阳能电池板发电。

如果操作正确，它可以带来多种好处：

• 保护农作物免受过度阳光和紫外线的伤害。
• 减少蒸发和灌溉需求。
• 土地的双重用途减少了太阳能公用事业规模项目对可用农田的压力。
• 可以为农场动物提供阴凉。
• 植物叶子的蒸发使面板冷却下来。

来源: Dezeen

这些效果在沙漠地区尤其有益，因为额外的阴影有利于草的生长。这反过来又减少了灰尘和清洁面板的需要。用于清洁面板的水还可以灌溉面板下的植物。

然而，这可能很难付诸实践，因为它需要对农民和太阳能安装人员进行额外的培训和新的做法。

太空太阳能

无论太阳能多么高效或安装得多么完善，夜间太阳能发电量都会降至零。在远离赤道的地区，冬季太阳能发电量也往往会大幅下降。

为了解决这个问题，一些人建议将太阳能电池阵列直接放入太空，绕地球运行。

这将提供全天候的太阳能，甚至可以根据最需要的地方分配到全球各地的不同收集天线。

来源: ESA——欧洲航天局

实现这一目标的一个关键因素是降低将材料送入轨道的发射成本，和/或利用小行星或月球材料直接在太空中生产太阳能电池板。

我们在“太空能源解决方案带来无尽的清洁能源“。

太阳能的极限

尽管太阳能成本大幅下降，但它仍然存在一些限制，阻碍了其完全取代其他能源。

间歇性和季节

太阳能发电量每天（阴天或晴天）和每个月都有很大差异。晚上太阳能发电量也会完全停止。

解决这个问题只有少数几个方案，而且几乎所有方案都需要新技术和/或大量投资：

• 太空发电将太阳能转变为真正的基载电力来源。
• 长距离连接器通过 HDVC 电缆s，就像 澳大利亚飞往新加坡（4,300 公里），或 摩洛哥飞往英国 （4,000 km）。
• 大型电池组用于储存夜间和冬季所需的能量（见“储能的未来——公用事业规模的电池技术“）。

来源: Canadian Solar

电气化的局限性

电力仅占我们文明能源消耗的 20%，更多的能源用于运输（汽车、飞机、长途运输）、供暖/制冷和工业过程（钢铁和铝制造、化肥生产等）。

因此，虽然太阳能理论上可以满足我们的大部分能源需求，但它需要与其他技术和基础设施相结合，才能完全脱碳并转向可再生能源系统。

这可能包括 加氢 or 氨以及可能某种程度的 核能 or 地热 在冬季提供额外的能量。所以最有可能的是 未来我们的能源结构 不会 100% 基于太阳能.

地缘政治和对中国的依赖

目前，大部分太阳能供应链（以及总体绿色能源）由中国主导。

该国生产 全球 80% 的太阳能电池板、60% 的电动汽车以及 80% 以上的电动汽车电池.

来源: 中等

中国的生产并不像我们想象的那么低碳，大多数太阳能电池板工厂和硅精炼厂都直接由燃煤发电厂供电。

来源: 布赖恩·皮托克

再加上不断加剧的国际紧张局势和冲突，这可能会阻碍西方采用太阳能。 尤其是在中国制造的廉价太阳能电池板被征收关税的情况下.

资源限制

虽然硅在地球上非常丰富，但它并不是太阳能电池所需的唯一材料。例如，太阳能行业在 193 年消耗了 2023 亿盎司白银，比 64 年增长了 2022%。因此，太阳能消耗了全球白银产量的 10% 以上。

来源: 中等

幸运的是，太阳能行业对稀土金属的依赖程度低于风能。尽管如此，太阳能行业仍会消耗大量铟、镓和硒，而这些材料的供应量都很有限，开采这些材料会产生环境成本。

钙钛矿是否会被广泛采用，同样的钛生产限制也可能成为一个问题。

廉价电力的后果

太阳能发电的潜在限制可能主要通过投资、技术改进以及提高资源利用率和回收利用率来克服。

无燃料的丰富能源的优势是相当巨大的。

分散式能源生产。

与传统发电厂甚至核能相反，太阳能发电本质上是分散的。

虽然这可能值得批评（比其他能源占用更多的土地），但这也意味着每个屋顶、湖泊或田野都可以成为发电厂。

这可以减少对大型电网的需求，并提高能源生产的整体弹性。如果电池价格持续下降，允许同样分散的能源储存，那么这一点尤其正确。

穷国发展

世界上大多数最贫穷的国家都位于热带地区，这些地区受到地球上最多的太阳辐射。

来源: 阿莱格拉·斯潘德

直到最近，这些地区还倾向于依赖更便宜的化石燃料和生物质来满足能源需求。随着太阳能成本的下降，这种情况正在迅速改变。

这将为这些国家的人民和企业带来人工照明、水净化、交通、制冷、数字化等生产力促进技术，从而加速这些国家的发展。

由于这些国家没有投资大型电网或大规模、长寿命发电厂等传统技术，因此它们可以直接转向完全分散的太阳能能源系统。

通过这种方式，它可以模仿这些国家现在几乎完全通过移动和无线网络连接的方式，完全绕过投资固定电话的阶段。

极其丰富且廉价的能源

水、沙漠和农业

如果太阳能成本持续下降，我们可能突然拥有比目前使用量多得多的能源。这将为许多改变文明的创新开辟道路。

例如， 它可以为大型海水淡化站提供电力为沙漠地区提供丰富的淡水， 占到了惊人的1/3^rd 地球表面.

采矿与金属

丰富能源的另一个应用领域是采矿。如今许多金属和其他矿物之所以稀有，原因之一是大多数矿藏的品位太低，开采起来不经济。

充沛的能源可以直接“强力”熔化整块岩石，并提取矿石中蕴藏的矿物质。这可以制造锂、钛或 钨 未来资源将如今天的钢铁和铝一样丰富。

化肥

目前，大多数氮肥都是用天然气生产的。更便宜的能源可以实现更大规模、更环保的生产，从而提高全球农业产量，同时降低食品价格。

碳捕集

充足的太阳能不仅可以减少碳排放，还可以为我们提供彻底解决任何气候危机的手段。

这是因为，虽然我们已经拥有了捕获碳的技术，但它却非常耗能。

能源会变得更便宜吗？ 我们可以采用碳捕获解决方案来降低二氧化碳浓度，并以液体燃料或固体石墨的形式将其永久地锁在大气之外.

投资太阳能

太阳能生产正以两位数的速度持续增长，并将成为经济脱碳的关键驱动力。但还有很长的路要走，因为全球绝大部分电力生产，甚至更多的总能源都来自化石燃料。

多年来，该行业的发展趋势是让最大的公司受益，规模经济是在竞争激烈的环境中实现盈利的关键因素。当然，新技术可能会对老牌多晶硅板制造商造成冲击。

您可以通过许多经纪人投资太阳能公司，您可以在这里找到 证券网，我们推荐最好的经纪商 美国, 加拿大, 澳大利亚, 英国, 以及许多其他国家.

如果你对选择特定的太阳能公司不感兴趣，你也可以研究以下 ETF： 全球 X 太阳能 ETF (RAYS), 景顺太阳能ETF（TAN）或 Global X中国清洁能源ETF (2809.HK) 这将为利用太阳能和清洁能源行业提供更加多样化的机会。

您还可以阅读我们关于“十大值得投资的太阳能股票“。

太阳能公司

1. 大邱新能源股份有限公司

这家中国公司是多晶硅生产领域的全球领先企业之一，多晶硅是太阳能电池板制造的核心部件。 这也使得大全成为中国主导太阳能制造业的奠基支柱之一。

该公司的生产能力一直在快速增长，自 8 年以来增长了 2019 倍多。

来源: 大全

大全处于太阳能电池板供应链的中心地位，使其从该行业的增长中受益匪浅，营收从 0.68 年的 2020 亿美元增长到 4.6 年的 2022 亿美元。在 2022 年飙升之后，多晶硅价格有所降温，导致股价从 2021 年的高点暴跌。

公司通讯及网站 有点乏善可陈，但这并不违背工业 B2B 公司的特点，与大型公众或外国投资者相比，它们更注重其在行业内的形象。

2023 年，该股的交易价格与市盈率或现金流相比非常便宜。这部分是由于该公司与使用 新疆强迫劳动 并在华盛顿特区就对该地区运营的公司实施进一步制裁进行了会谈。

投资者应该意识到，大全股票具有非常现实的地缘政治风险，并且由于其估值倍数较低而具有巨大的财务上升空间。

2. 晶科能源控股有限公司

晶科能源是全球最大的太阳能电池板制造商之一，其主要业务位于中国。为了避免关税，该公司正在实现生产基地多元化，在越南生产硅片，在马来西亚和美国生产太阳能电池。

来源: 晶科太阳能

无论如何，该公司并没有过度依赖西方市场，中国、亚太地区 (APAC) 和新兴市场构成了该公司业务的主要部分。

来源: 晶科太阳能

晶科能源历史上已交付了 230 吉瓦的太阳能电池，预计 20 年第一季度将交付 1 吉瓦，高于一年前的 2024 吉瓦。

这使得晶科能源成为光伏行业的第一名。

晶科最先进的N型太阳能电池，实现了高达 25.8% 的能源效率。它还 提供双面面板.

2023年，N型电池占据了晶科大部分销量，占总出货量的80%，而来自56 GW生产设施的更多产能预计将在2024年底达到满速，到年底交付量将达到90%。

预计总产能将达到120-130吉瓦，或相当于该公司历史上累计产量的一半。

为了提高产品绿色环保形象，晶科能源还推出了 NeoGreen，这是第一款完全利用可再生能源（而非中国常用的煤炭）生产的 N 型太阳能电池板。

晶科能源超强的产能增长反映了该公司对N型技术的信心以及抢占亚洲、非洲和南美出口市场的雄心。以及太阳能接管世界能源系统的整体前景。