背景

今年4月份，习大大在气候峰会上做出了郑重承诺，中国将在2030年实现碳达峰、2060年前实现碳中和。要实现双碳目标，就必须减少化石能源的使用，逐步推行清洁能源。在清洁能源中，太阳能无疑是最重要的一种。由于近期在项目中要用到太阳能板与蓄电池，在做测算评估中需要了解一些太阳能方面的知识，这里顺便整理一下，做个记录。

1. 关于太阳能板

太阳光的能量到底有多少？

太阳的辐射功率约为每平方米1325W～1457W。1957年国际地球物理年决定采用1380W/m^2。世界气象组织1981年公布的太阳常数值是1368w/m^2。但实际到地面会有损耗，需要采用更科学的测量方式。地球大气层外接受到的太阳辐射，未受到大气层的反射和吸收，称为大气质量为0的辐射， 以AM0表示。太阳辐射在到达地球之前，被大气层中的气体分子及悬浮微粒所吸收、散射和反射而被削弱，这种削弱还与穿透大气层的距离有关，这又决定于太阳辐射的方向。 通常，以AM1表示垂直于太阳入射方向上单位面积上得到的太阳光谱。AM1.5， AM2等分别表示不同方向得到的太阳光谱（对应的角度分别为48.2度和60度）。AM1.5的条件下，差不多是1000W/m^2。那1000W是多还是少呢？我们常用的用电单位是千瓦时（度），也就是1000W的功率工作1小时消耗的能量。如果有个1000W的太阳能板，光照5小时，就能产生5度电。

太阳光转换成电能的效率高么？

当前的光伏设备，大概只有百分之十几到二十的转换效率。也就是刚才的1000W的功率，其实能转换的也就一两百W。理论上基于硅材料的转换效率好像是33%（具体基于什么理论得出的我也不清楚）。当前世界最好的转换效率能达到45%左右，提升转换效率有赖于基础技术的突破，而要广泛应用，还要解决成本和量产的问题。

太阳能板的安装角度

我们知道阳光垂直照射到太阳能板上时，能获得最大的能量。但是不同的地区，不同的时间，太阳光的照射角度是不一样的。为了简单起见，我们可以只考虑中午时刻的太阳高度角。比如北京的纬度大概是北纬40度，地球自转轴角度按67度计算，在夏至日，太阳高度角最大可以达到90 -（40 – 23) = 73度。而在冬至日，太阳的高度角则只有 90 – （40 + 23）= 27度，当然这是水平的高度角。实际太阳能板在安装时，可以通过倾斜一定的角度，让太阳光尽量垂直的照射到太阳能板上。原则上，太阳光是随着时间变化的，但是实际应用中大部分的太阳能板都是固定的，所以就得找一个中间的角度。北京大部分的都是40-50度的角度安装。

太阳能板的寿命

太阳能板的寿命一般有20年以上，衰减低于20%，所用的材料是硅，所以对环境无污染。从这个角度看，太阳能确实是一种比较好的清洁能源。

太阳能板的种类

目前太阳能板的主要材料是单晶硅与多晶硅，单晶硅的转换效率比多晶硅要高一些。其他还有非晶硅材料的太阳能板，目前并不是主流的。非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产。

2. 关于电池

太阳能板解决了发电问题，但是没有解决存储问题，需要靠蓄电池来解决能量存储问题。当前的电池都是以锂电池为主，锂是原子序号最低的金属元素。当前主流的锂电池有三元锂电池和磷酸铁锂电池。

电池容量

通常电池的容量是通过mAH或AH来表示的，比如2600mAH的充电宝。通常电池容量是假定了一个工作电压的。电池的容量对应的是电池的正极材料和负极材料中可移到对端的阳离子和电子的量。随着时间的推移，会因电极上产生钝化膜以及其他的因素使得电池容量逐步降低。电池的容量下降与使用习惯也有极大的关系。

标称电压

锂电池的放电电压不是恒定不变的，而是随着放电量的增加成曲线下降的，但是在中间的某个时段能维持较长时间的某个电压，这个电压就是电池的标称电压。通常的单个电芯的标称电压是3.7V。

充电终止电压与放电终止电压

当充电充满时，再多充电也不会再提升电压，没法再充更多的点了，这个时候应该停止充电，这个电压值就是充电终止电压。通常锂电池的充电终止电压为4.2V和4.35V。同样，放电的时候，如果电压已经低于某个电压，无法得到期待的电流输出，也会对电池形成损害，这个电压就是放电终止电压。通常的锂电池放电终止电压是2.7V。

电池内阻

电池内阻是内部的等效阻抗，它会随着充放电状态的变化而变化。普通的万用表是无法测量电池内阻的，需要用专门的设备来测量。

充放电倍率

电池有一个充放电倍率参数C，通常是指充满电1小时放完电时的电流大小。通常充电电流和放电电流并不一致，我们都期望充电五分钟，通话五小时。不同的应用场景需要不同的充放电特性。比如手机电池，0.3C的充电电流意味着约3小时充满；放电0.1C的话，就可以支撑10个小时。放电慢意味着续航时间长，放电快意味着能得到较高的输出功率，但持续时间会短。作为动力电池就会要求比较高的输出功率。通常来说三元锂电池有较高的充放电倍率，所以被广泛的使用在电动自行车、电动汽车上。

充放电次数

电池的寿命与充放电次数直接相关，当然不恰当的使用会大大缩短电池的寿命。通常来说，三元锂电池的充放电次数在800次左右，而磷酸铁锂电池则可达到2000次。一般厂家说的充放电次数是指经历这么多次充放电后，容量还能保持在80%以上。如果是浅充浅放，对应的充放电次数还会更多一些。

电池组

当需要更大电压和电池容量时，可以通过串并联的方式来形成电池组。常见的电池电芯有18650、32650、32700等。这里的18指的是直径18mm，高度65mm，0表示圆柱形， 32650和32700的含义类似。如果要提升电压就串联，如果要提升容量就并联，组合非常方便。但这里存在一个问题，如果这些电池的特性不完全一致，比如个别的电池容量下降得比较快，就会影响整个电池组。正所谓一粒老鼠屎坏了一锅汤。所以电池厂商对电芯的一致性要求非常高。如果有因为一致性问题导致淘汰的电动汽车的电池组，那么就有人把里面的电芯拆出来，去掉老鼠屎，把剩下的再拿去给电动自行车使用。说得难听点是奸商行为，说得好听电是资源的充分利用。

能量密度

对于电池而言，除了容量外，能量密度也是一个重要的考虑因素。一个是质量密度，另一个是空间密度。对电动车而言，肯定期望电池体积小、重量轻，还要有非常大的容量。这其实就是一个高能量密度的需求。通常来说，三元锂电池的能量密度比磷酸铁锂电池的能量密度要更高，差不多是磷酸铁锂电池的1.5到2倍。

安全性

近些年电动车爆炸事件时有发生，这里就和锂电池的特性有关了。磷酸铁锂电池需要在500摄氏度以上才会失控，三元锂电池的失控温度在300摄氏度以下。相比之下三元锂电池更容易发生爆炸，导致安全事故。

低温性能

三元锂电池比磷酸铁锂电池更耐低温，在零下20°C时，三元锂电池能够释放70.14%的容量，而磷酸铁锂电池只能释放54.94%的容量，且由于在低温条件下，三元锂电池的放电速度远远高于磷酸铁锂电池，故三元源锂电池的车启动速度更快。

成本

大规模商用的东西，除了良好的性能，最重要的就是价格了。磷酸铁锂电池由于没有贵重金属元素，成本相对三元锂电池要低不少。

环保

磷酸铁锂电池由于不含重金属，对环境无毒无害。三元锂电池则因为含重金属，对环境是有害的。

3. 关于电联网

当前的清洁能源都有一个问题，就是太不稳定。不管是太阳能发电还是风力发电，都要看自然条件，且无法形成稳定的供给。电能的供给与消费并不能形成很好的匹配。这里的不匹配分时间和空间两个层面。电池的电能存储解决了需求在时间上的错配问题，但是解决不了空间上的错配。由于地理条件的不同，太阳能和风能丰富的地方并不能消耗这么多能源，需要传输到东南沿海需要大量能源的地方，这是空间上的错配，需要通过能源传输技术来解决。目前的超高压输电技术就是通过提升输电电压来降低传输的损耗。基本原理很简单，功率P=U*I，功率不变的情况下，提升输电电压就会让输电电流降低。输电的损耗为线路的电阻发热Q=I^2 * R * T，故提升输电电压后，就能把输电损耗降就能降低。

解决了电能的传输和存储问题，那么我们把世界的太阳能发电连成一个巨大的网，太阳照射到东半球时产生的电能可以输送到西半球去使用，等晚上太阳照射到西半球时，可以把西半球的太阳能发电输送到东半球来使用。再加上电能的存储技术，能形成较大的缓冲。最终能形成一个全天候、平稳的、服务于全球的电联网。

4. 太阳能真的是未来么？

如果未来太阳能技术逐步成熟，转换效率逐步提升，存储和传输能源也不是问题。原本这些能量被地面的生态环境吸收了，如今转换成电能后，是否破坏了原有的一个平衡呢？我的理解，除了原有的太阳能驱动的碳循环外，还增加了一条太阳能直接到电的通路。当前的化石能源是过去几十亿年地球积累下来的太阳能储存形式，对应到碳循环是把气体二氧化碳中的碳变成煤、石油等化石碳能源。近现代人类的工业活动消耗了大量的能源，也就是把化石能源又转换成空气中的二氧化碳，并且速度比植物吸收的二氧化碳的速度更快，这样就形成了温室效应。如果我们减少化石能源的使用，直接用太阳能变成电能，就能打破当前的趋势，真正实现碳中和，甚至实现碳循环逆转。