1.1 开发利用太阳能的重要意义

1.1.1 化石燃料正面临逐渐枯竭的危机局面

随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，对于能源供应的需求量日益增加，而在目前的能源消费结构中，主要还是依赖煤炭、石油和天然气等化石燃料。

美国能源信息署（Energy Information Administration，EIA）于2021年10月发表的 International Energy Outlook 2021对2050年前的国际能源市场进行了预测，全球一次能源消费量在2020年为601.5×10 ¹⁵ Btu，2025年将增加到667.5×10 ¹⁵ Btu，2050年将达到886.3×10 ¹⁵ Btu，增幅近50%，平均年增长率1.3%。到2050年，全球化石能源在能源消费结构中所占份额仍然高于3/4。根据报告附表 A1 参考情况统计和预测，2020—2050年世界部分国家和地区一次能源消费量如表1-1所示。

2021年全球一次能源需求涨幅5.8%，创史上最大增幅，其增量主要由可再生能源贡献。能源结构逐步从以煤炭为主转向以更低碳能源为主，但石油仍然是全球最重要的燃料，占全球一次能源消费的30.9%，煤炭为第二大燃料，占26.9%，天然气占24.4%，可再生能源消费占6.7%。可再生能源发电量增加了近 17%，在过去两年中占全球发电量增量的一半以上。以风能和太阳能为主导的可再生能源继续强劲增长，目前占总发电量的13%。2021年世界部分国家一次能源消费结构如表1-2所示。

预计到2050年，全球煤炭消耗趋于稳定，份额逐渐下降；石油消费量逐年增加，仍占据能源消费的主要份额；天然气消费预期将增长 31%，所占份额略有下降；可再生能源消费倍增，份额预计从2020年的15%增长到2050年的27%。图1-1为全球一次能源消费结构和占比预测。

我国能源消费结构不断改善，2021年煤炭占一次能源消费总量的比重为56.0%，石油占18.5%，天然气占8.9%，水电、核电、风电等非化石能源占16.6%。与十年前相比，煤炭占能源消费比重下降了14.2%，水电、核电、风电等非化石能源比重提高了8.2%。2021年煤炭产量41.3亿吨，消费量42.3亿吨。石油产量1.99亿吨，消费量7.2亿吨。天然气产量2075.8亿立方米，消费量3690亿立方米。

据统计，截至2020年年底，全球石油储量为2444亿吨，储采比53.5，主要集中在中东和美洲地区。石油储量前5强是委内瑞拉、沙特阿拉伯、伊朗、加拿大和伊拉克，5国总储量1488.9亿吨，占全球储量的63%。中国石油储量为35亿吨，位列全球第13位，储采比为18.2。2021年全球石油产量约44.23亿吨，同比增长1.3%。

全球天然气储量达到188.1万亿立方米，储采比48.8，主要集中在中东、东欧地区。天然气储量前5强是俄罗斯、伊朗、卡塔尔、美国和土库曼斯坦，5国总储量129.2万亿立方米，占全球储量的63%。中国天然气储量为8.4万亿立方米，位列全球第6位，储采比为43.3。

能源领域中污染最严重的煤炭储量情况稍微乐观一些，全球已探明的煤炭储量为1.07万亿吨，储采比139。煤炭储量前5强是美国、俄罗斯、澳大利亚、中国、印度，5国总储量占全球总储量的76%。美国煤炭储采比超过500，俄罗斯达407。中国煤炭已探明储量在全球排行前列，但是储采比远远低于其他国家，仅为37。世界煤炭消费3个大国分别是中国、美国和印度，合计占世界消费总量的70%以上，中国大约占54%。

能源消费不断增长的情况正面临挑战，地球上化石燃料的蕴藏量是有限的。据世界卫生组织估计，到2060年全球人口将达100亿～110亿，如果到时所有人的能源消费量都达到今天发达国家的人均水平，则地球上主要的35种矿物中，将有1/3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿吨）和铀，所以世界化石燃料的供应正面临严重短缺的危机局面。

为了应对化石燃料逐渐短缺的严重局面，必须逐步改变能源消费结构，大力开发以太阳能为代表的可再生能源，在能源供应领域走可持续发展的道路，才能保证经济的繁荣发展和人类社会的不断进步。

1.1.2 保护生态环境逐渐受到人们的重视

由于人类的活动，主要是化石燃料的燃烧，造成了环境污染，导致全球气候变暖，冰山融化，海平面上升，沙漠化日益扩大等现象的出现，自然灾害频繁发生。人们逐渐认识到：减少温室气体的排放，治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步。

2022年全球平均温度比1850年至1900年工业化前平均温度高出约1.15℃，并且比过去12.5万年的任何时候都高。由于人类排放，大气中的温室气体含量持续上升，二氧化碳浓度处于200万年来的最高水平，甲烷和一氧化二氮的浓度达到80万年来最高水平。

人类社会、自然生态系统正遭受着愈加严峻的冲击，极端天气正在“常态化”，成为人类社会必须时时面对的生存危机之一，增强气候变化适应力迫在眉睫。从自然科学的角度来看，将人类活动导致的全球变暖限制在特定的水平需要限制二氧化碳累计排放量，2018年IPCC发布《全球升温1.5℃特别报告》指出，与将全球升温限制在2℃相比，限制在1.5℃对人类和自然生态系统有明显的益处，同时还可确保社会更加可持续和公平。若要将升温限制在1.5℃，全球碳排放需在2030年前减半，并在21世纪中叶达到净零。此外，采取有力的、快速的且持续的甲烷减排行动也具备减缓和改善空气质量的双重效应。

对世界2010—2050年不同种类燃料产生的CO ₂ 排放量进行统计和预测，结果如图1-2所示。从CO ₂ 排放源来看，2020年全球煤炭CO ₂ 排放量为147.94亿吨，石油为117.52亿吨，天然气为77.97亿吨。煤炭作为碳含量最高的化石燃料，从2010年起CO ₂ 排放量占比始终为最高，石油产生的CO ₂ 排放量次之，天然气在总CO ₂ 排放量中占比相对较小。

2020年中国发布“30·60”双碳目标之后，日本、英国、加拿大、韩国等发达国家相继提出，到2050年前实现碳中和目标的政治承诺。日本承诺，2050年实现碳中和。英国提出，2045年实现净零排放，2050年实现碳中和。加拿大政府也明确提出，要在2050年实现碳中和。世界主要经济体相继做出减少碳排放的承诺，全球碳减排迎来拐点。

从各地区碳排放看，中国、印度、日本、韩国等碳排放量大国均位于亚太地区，亚太地区碳排放遥遥领先且呈上升趋势；北美地区、中南美地区碳排放呈下降趋势。2021年全球CO ₂ 排放量前十名国家分别为中国、美国、印度、俄罗斯、日本、伊朗、德国、韩国、沙特阿拉伯、印度尼西亚。2021年全球 CO ₂ 排放量前十名国家占比如图1-3所示。其中中国、印度是人口大国，而美国是人均碳排放量最高的国家。

按行业分类统计，2021年CO ₂ 排放量增加最多的是电力及供热行业，为9亿吨以上，占全球增量的46%，主要原因是所有化石燃料的使用量增加，以帮助满足电力需求的增长。该行业的CO ₂ 排放量接近146亿吨，比2019年增加约5亿吨，为历史最高水平。可见，采取措施，减少发电排放的CO ₂ 十分重要。

减少 CO ₂ 排放量，保护人类生态环境，已经成为当务之急。各国纷纷开始了加快对可再生能源和绿色能源的研究和使用，促进世界经济向绿色经济和可持续发展的经济形势方面转变。尽管煤炭使用量出现反弹，但2021年可再生能源和核能在全球发电中所占份额高于煤炭；且可再生能源的发电量达到历史最高水平，超过8000TW ·h，比2020年高出500TW ·h。风能和太阳能光伏发电量分别增加了270TW ·h和170TW ·h，而水电由于干旱的影响减少了15TW ·h，尤其是在美国和巴西。核电增加了100TW ·h。如果不增加可再生能源和核能的发电量，2021年全球CO ₂ 排放量将增加2.2亿吨。

太阳能是清洁无公害的新能源，光伏发电不排放任何废弃物，大力推广光伏发电将对减少大气污染，防止全球气候变化，具有突出的贡献。

1.1.3 常规电网的局限性

在全球范围内，还有很多国家都缺电或者出现供电不正常、经常断电等情况。主要原因还是发电厂供应不足，电力传输设施薄弱，电力配电变压器不足及老化等。而缺电的国家主要集中在发展中国家和欠发达地区，特别是非洲和亚洲一些国家和地区。除埃及、南非之外，非洲的其他国家和地区，现在仍然缺电。电力在非洲一些国家、亚洲的缅甸农村是一件奢侈品。

国际能源署、联合国等机构发布的《2022年可持续发展目标7进展报告》指出，尽管当前全球能源普及率已达到90%，但仍有7.33亿人生活在无电地区，其中75%生活在撒哈拉以南非洲，84%生活在农村地区。无电人口大部分生活在经济不发达的边远地区，由于居住分散，交通不便，很难通过延伸常规电网的方法来解决用电问题。2020年无电人口数量排名全球前二十的国家见表1-3，其中尼日利亚9200万人、刚果民主共和国7200万人、埃塞俄比亚5600万人。

IEA预计到2030年全球仍然还有6.6亿多人口用不上电，这意味着联合国此前提出的在2030年“确保人人获得负担得起、可靠和可持续的现代能源”目标恐难实现。若要在2030年实现全球普遍用电，需要从现在到2030年间每年投资300亿美元。

电网覆盖范围扩大及独立光伏系统的快速部署为无电人口数量下降做出了贡献。没有电力供应严重制约了当地经济的发展，而这些无电地区往往太阳能资源十分丰富，利用太阳能发电是个理想的选择。随着光伏和电化学储能成本持续快速下降，更加分散的小型分布式供电成为可能。对于偏远地区的供电，光伏发电作为有效的补充能源将会大有用武之地。