(对这些材料的更新处理出现在第13章有限星球上的能源和人类野心(免费)教科书。］
在讨论太阳能光伏发电时，我经常遇到的一个问题是:“现在电池板的典型效率是多少?”当我回答大众市场的多晶硅电池板通常在15-16%左右时，我经常看到提问者皱着鼻子，然后轻蔑地嘟囔着15%还是太低了，也许他们会等到更高的数字才会亲自尝试太阳能。在这篇文章的最后，你会明白为什么这个回答让我很恼火。15%的利率，我们的状况很好:足够满足我们的需求了。让我们来算算必威在线，对抗势利。
一个多晶光伏(PV)电池的特写，显示蓝色的色调和拼接的晶体域。
首先，让我们看看其他熟悉的能源使用的效率，以全面了解光伏。我会表现得好像我是在直接面对光伏效率势利者，因为这很有趣，而且我本人绝不会这么粗鲁。这可能不适用于你，读者，所以请从容对待这种好斗的语气。
蛇鲨攻击
15%对你来说太低了?也许你认为实验室原型和昂贵的航天器应用可以得到40%以上的结果，所以考虑到15%的糟糕结果，让我们不要过早地冒险。
也许你开车。也许当你意识到它能将燃烧汽油的热能以15-25%的效率转化为机车动力时(而且这是有限的资源)，你就会停下来了。我们应该等待更好的。
电动汽车将电池储存的能量以85%的效率传递给车轮。现在我们开始讨论了。但充电过程又增加了85%的效率，真正的问题是，提供电力的化石燃料(或核能)工厂的效率只有35%，而化石燃料到车轮的净效率约为25%(与汽油汽车相同)。
氢燃料电池在实践中没有效率优势，往返氢转换的效率为20-40%，不包括创造和传递电能以驱动氢的形成的效率。
如果你能量不足，你可以考虑吃东西。但转念一想，我们将化学能转化为机械输出的代谢效率与汽车的代谢效率相似，所以为什么要麻烦呢?扬起你的鼻子。
也许你是生物燃料的粉丝。这可能是与太阳能驱动的PV最好的比较。爱荷华州的一块玉米田以微不足道的1.5%的效率捕获太阳能!好吧，但我们现在知道玉米乙醇有很多问题。藻类的效率要高得多，对吧?但即使在这里，光合作用在理想条件下的效率最高也只有5-6%。
PV实际上相当了不起
考虑到最后一点，我认为在短短几十年的努力中，我们以3倍的优势击败了生物学，这是相当令人印象深刻的(生物学有更长的时间来研究这个问题)。此外，正如我们在最后将看到的，15%完全足够满足我们的需求。
抛开定性评估不谈，了解光伏效率的起源，并认识到我们离理论极限并不遥远，是值得的。关键是，在我们拥抱太阳能光伏之前，我们不应该坚持某种任意的效率:我们真的不需要额外的效率，而且在任何情况下，物理学都能说明我们可能期望的效率有多高。
光伏基础知识
光伏电池通常是200 ~ 300 μm厚的晶体硅片。(μm =微米=微米=百万分之一米)。结构可以是单晶-慢慢地从一个大的单晶球，或多晶它被铸造在一个铸锭中，并在不同的方向上布满了晶体域(翻译过来就是:看起来很漂亮)。单晶品种在效率上有一点优势:比如18%对15%。单元格是掺杂变成我们所说的apn结，基本上就是一个二极管。重要的是，这个结非常靠近细胞的前表面，在这里可以有效地收集能量。
它的工作原理是这样的:一束光子从天空射进来，穿透一定深度进入硅。如果它有足够的能量(想象一下前面有一个牌子:“你必须这么高才能坐这个过山车”)，它可以从晶格中弹出一个电子，在后面留下一个“洞”。
大热门:光谱极限
这就是我们第一次尝试效率期望所需要知道的一切。第一个知识是光子低于一个特定的能量截止点，称为隙能量(1.12电动汽车在硅;对应波长为1.1 μm)不会被材料吸收:它们就像穿过透明的玻璃一样直接穿过。第二，光子是只需要1.12 eV的能量就能将一个电子从晶格中解放出来。任何多余的电子都被浪费了，以高速释放出电子。它在晶格周围嘎嘎作响，在它平静下来的时候，释放出“高糖”的热量。
综上所述，我们可以说，如果一个完美的黑体太阳光谱入射到PV电池上(忽略大气对光谱的影响)，超过1.1 μm的红外透明度损失了23%的光，加上热损失随着光子能量的增加而增加(波长更短)。净效果是我们可以保留44%用于光伏能源生产。这忽略了我们将在下面讨论的许多其他实际物理限制，但它至少代表了效率期望的上限。
仅考虑光子能量效应，硅光伏电池忽略了23%的入射能量，并且浪费了33%的能量，这些能量超过了可以利用的能量，最多留下44%。
我们可以在上图中看到这些影响。在1.1 μm处，光子与释放电子所需的能量完全匹配，我们使用了它100%的能量。当波长变短时，光子能量的一小部分被利用，导致33%的入射能量变成废热。
因此，这个最基本的分析表明，当粗略确定的上限为44%时，我们已经很好地从硅光伏电池中获得了16%的效率。这与汽车或发电厂没有太大区别，就我们在实践中达到的理论热力学极限有多低而言。
比硅更好?
另外，硅的能带隙能量为1.12 eV，对应波长为1.1 μm。其他半导体材料具有不同的带隙能量。为什么要把自己限制在硅上——即使它非常丰富，而且我们从计算机芯片行业和相关企业的大量知识和经验中受益?我很好奇，如果我们允许自己选择任何带隙，我们44%的理论效率计算会发生什么。
如果我们减少带隙波长，我们就浪费了更多的红外光，但更有效地利用了太阳光谱中可见光主导的部分。更长的波长带隙意味着更多的光子可用，但在可见波长的效率较低。平衡在哪里?
仅考虑光谱损失，与其他常见的光伏材料相比，硅的效率接近最高。
我惊讶地发现，在这种权衡中，硅几乎占据了最高效率的位置。谁知道呢?一个更细心的治疗-使用地面接收的光谱和下面探索的效果，发现峰值性能接近0.9 μm (1.38 eV)，约为34%。
进入杂草:其他有害的限制
警告一句:我们即将进入细节，所以如果你已经感觉有点恶心，跳到本节的最后一段也不会有太大的伤害。
到目前为止，我们只考虑了单带隙器件的输入频谱的影响。但其他物理限制也在起作用，涉及光子被吸收的位置(或是否)，产生的电子和空穴的路径历史，表面效应等。以下是四个需要考虑的影响(不是一个完整的列表):
- 光子进入硅的预期穿透深度取决于波长/能量。带隙附近的光子在被吸收之前可以传播很长一段距离，而高能光子几乎在前表面被吸收。
- PV电池通常采用反射背表面(也作为电极)制造，因此穿过整个晶圆的光子仍然有机会在反弹过程中被吸收。反射屏障还减少了红外线的热量，否则会被电池后部吸收。
- 的pn结的深度是有限的，所以在这上面吸收的光子更容易受到表面损失的影响。
- 波长较短的光比波长较长的光在前表面遭受更多的反射损失，这就是PV电池通常呈现蓝色的原因。
吸收长度(本网站资料)显示在下面的对数图中。这只是特征吸收深度，但在任何给定波长的剖面遵循一个指数衰减的吸收概率，由这个尺度设定。
硅中吸收长度随波长变化的对数图。
在波长约0.5 μm(绿灯)时，吸收长度约为1 μm。除此之外，上面列举的第三种效应变得很重要。当波长为1.0 μm时，吸收长度变为> 200 μm，光往往到达背表面，这时因子2起作用。
被吸收的光子形成电子-空穴对后，电子四处游荡，到处碰撞，没有生命的方向(扩散)。如果它碰巧碰到pn在靠近前表面的结中，它被扫向前面，在那里它加入了一群渴望跑到外部电路中做功的电子。如果它偏离另一个方向(更深地进入晶体)，它可能永远找不到结合点;最终与其他地方的“孔洞”重新结合——通常是由于晶体的晶界和表面，或者晶体中的缺陷和杂质。
同样地，在结的上方产生的空穴可能会游荡到结中并被推到后面，在一个安排的婚姻(重组)中，电子从外部电路中返回到电池的背面。因此这个结就像a泵，将电子推向一个方向，将另一个方向打洞——鼓励它们参与通过外部设备的电流流动。
我做了一个简单的模型来解释这些影响，其中被“泵浦”的概率在交界处是统一的，在正面和背面线性逐渐减少到一些较小的概率(pf而且pb分别)。线性是有意义的，因为——正如我必须通过模拟证明的那样——随机漫步撞到一个极端或另一个极端的概率与它相对于这两个边界的起始位置成线性比例。如果结总是扫过电荷，变现它的能量，而表面有固定的概率吞噬电荷，从而丧失能量，那么点之间的概率关系是线性的。这忽略了沿途的内部重组，这不利于长途路径，使背部表面“饥饿”。
评估转换概率作为深度和穿透的函数的模型，忽略大量重组损失。对于给定波长，吸收曲线(红色)乘以收集概率(蓝色)，并通过整体进行积分。前表面和后表面都有可能吞噬撞到它们的载流子。这个交叉点实际上更接近前面，但为了清晰起见，它后退了一点。
将这种效应与指数吸收概率与深度的关系结合在一起，并允许在后面进行完美的反射，我可以产生一个解释上述前三个因素的期望。我没有明确地覆盖前表面反射损失。大多数新型光伏电池都有一层防反射涂层，可以将30%的表面反射降低到大多数可见光和近红外波段的几个百分点。但它在蓝色或近紫外线端释放，使反射率回升到30%。由于表面损失和光子能量利用不好，蓝色端PV响应已经很弱，我只是将额外的反射损失吸收到前表面吞噬概率中，这主要与短波有关，因为它们的穿透深度很小。
好吧，伙计们，我们在杂草中:让我们试着拔出来。把这些影响放在一起，我们得到了硅PV的预期效率为35%:与其他评估相差不远。因此，实际设备实际上是理论最大值的两倍，这比我们在许多其他重要领域得到的要好。
包括吸收长度和表面损失，当前后表面概率设置为0.5时，最大可能效率下降到35%。不考虑批量重组。
修改后的曲线如图所示。我添加了一条转换概率曲线。现在，接近带隙的光子大部分都穿过了设备，甚至由于后面的反射而经过了第二次。我们得到的概率很高，在0.6-0.9 μm之间，因为光被转换成电子的地方离背面足够远，但我们还没有受到前表面效率低下的影响。对于短波，概率稳定在50%的水平，我任意指定为正面和背面的吞噬因子。35%的结果可以范围从28%到41%当我改变前后吞食因子从0%到100%时。
总之，通过考虑实际上不可避免的物理过程，我们已经将最初44%的期望降低到35%左右。我们可以继续这样的跋涉，考虑到在实践中导致16%效率的所有物理现象，但我认为我已经夸大了这一点:确实有很好的理由说明效率不会攀升到任意高的值。基础物理是障碍，我对我们所拥有的印象深刻。
精彩的PV教程
在进行上述分析之后，我遇到了一个很好的网站解释光伏发电所涉及的基本物理过程。丰富的交互图形尤其令人愉快。对于我熟悉的部分，我认为信息是可靠和准确的。我特别高兴地看到确认集合的概率(如果你通过增加扩散长度来忽略体重组，并加大表面重组效果，在交互模拟中你会得到相同的线性效果)。
PV恶作剧
为什么一些实验室测试或昂贵的航天器光伏板比上面计算的理论最大值更好?大多数情况下，这些是多结器件。如果我们用硅以外的材料制成一堆PV结，每个都有不同的带隙，我们就能更有效地利用频谱。我们会在前面放一层蓝色带隙的薄材料，然后是绿色带隙材料，下面可能是硅。较长的波长会穿过前两层，被硅利用。短波在硅中有困难，但前面的层能更有效地利用。更多的光子能量释放了电子，而不是它的速度(热)，更多的光子被捕获。
这样的设备当然是可以制造出来的。它们更复杂，需要的标准半导体材料更少，因此可能非常昂贵。对于一颗卫星来说，电池板的成本只是总成本的一小部分，发射质量意味着一切。因此，花高价在更小的面板上满足他们的电力需求是值得的。对于大规模部署，我们可能会采取低成本和低效率的方式。事实上，大规模部署更有可能使用薄膜(例如非晶硅)器件，这种器件的效率通常低于10%，但更容易大规模生产。
归根结底是这样的
这给我们带来了一些实际问题。回到PV效率势利，效率有效地映射到区域．在美国的一个典型地区，每年平均每天有5个相当于全日照的小时。这意味着，当太阳直射头顶时，到达地面的1000 W/m²太阳通量每天有效可用5个小时。因此，每平方米的面板暴露在5千瓦时每天的太阳能。以15%的效率，我们的平方米捕捉并传递0.75千瓦时的能量给房子。一个典型的美国家庭每天使用30千瓦时的电力，所以我们需要40平方米的太阳能板。这相当于430平方英尺，大约是典型美国房屋屋顶面积的六分之一(一个两车位车库的屋顶面积)。有什么问题吗?
如果计算的结果是6倍的屋顶面积，甚至是1倍的屋顶面积，我就会发现问题所在。甚至一半或三分之一的屋顶也存在问题，因为找到面向赤道的合适屋顶部分是一个问题。但在1/6的时候，大多数房子都能搞定(除了遮阳树，在这种情况下不你需要更高的效率!)如果可能的话，将效率提高两倍至45%，相当于减少5%的屋顶占地面积。但这并没有什么神奇的。从能量学/面积的角度来看，我们已经达到了可行和实用的地步。别皱鼻子了!
事实上，我们可以将这一论点扩展到整个国家或世界。如下图所示，即使在8%的效率(典型的薄膜多结器件)下，我们也可以用很小的土地占用来产生所有的一次电力。效率是不瓶颈．通常是价格。更复杂、纯度更高、效率更高的电池通常不会降低价格。
使用8%的高效光伏发电产生18太瓦(比2010年增加50%)所需的土地面积，如黑点所示。资料来源:维基百科。
我们在地球上并不缺乏从光伏中获得足够能量的面积/资源，即使是目前硅效率的一半。其他的替代方案远不能做到这一点。顺便说一句，由于北美目前消耗了全球25%的能源，它的网点可能需要增长一点，但不能过度增长。
就像这张图片让人放心一样，光伏面积比世界上所有的铺装面积都要多。这让我很困扰。我已经在这个国家来回跑过很多次了，相信我，有一个很多的人行道上。铺设的基础设施反映了几十年来的巨大投资。我们在这里谈论的是沥青和混凝土，而不是高科技半导体。我真的很难理解这种光伏部署所代表的规模。我甚至没有称呼存储在这里。因此，尽管这在物理上是可能的，而且效率也足以让它成为可能，但它仍然是一个艰巨的挑战。
我们可以开始了吗?我们同意这是正确的道路吗?鉴于它不是液体燃料的替代品，它对石油有多大的影响力吗?在被便宜得离谱的化石燃料宠坏后，它会永远看起来贵得可怕吗?一旦全球石油价格最终下跌，各经济体将难以应对，而现在似乎不是进行前所未有的大规模支出的最佳时机，其成本和收益将被激烈辩论。
我有没有提到过一个简单的解决方案是自愿减少能源需求?但这听起来不像扩张/增长，所以如何那你的想法获得过支持吗?
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问:PV电池是否遵循与其他硅晶片相同的轨迹，即摩尔定律?
不。正如Tom在他的文章中所述，PV效率有一个上限。消费级光伏发电效率多年来基本持平。缓慢增长，但不像摩尔定律那样剧烈，计算能力每18个月左右翻一番。
真正重要的是每瓦的成本——空间很少是问题——但购买足够多的电池板通常需要多少钱。随着生产能力的提高，这一数字也在下降。
您正在将自己和您的读者置于“全有或全无”的陷阱中，这是实用程序反复利用的。100%使用太阳能会很好吗?当然，但是太阳能——以及其他可再生能源——可以在低得多的水平上做出重要贡献。哪个更好?以今天的速度消耗煤炭还是以今天的3/4或1/2的速度消耗煤炭?欧洲有一项名为Desertec的提议，在北非的沙漠中使用太阳能热发电(不是光伏)来提供电力。虽然还只是一个提议，但它就可以实现的目标提出了一些具有挑衅性的想法。
我想我要说的恰恰相反:不要把15%当作一个低数字。它很好。这篇文章说，从效率的角度来看，我们现在很好。让我们开始吧!
[主持人缩短]
当我开始阅读这篇文章时，我真诚地希望您能向我们展示PV可以取得的巨大进步。每隔几个月，就会有一篇新闻文章出现在slashdot、谷歌news等网站上，研究人员制作了一个效率为40%的面板。但没有任何东西能进入市场，听了你的解释，我怀疑他们永远不会。当我说到平均只有1/6的屋顶需要光伏板时，我几乎实现了我的愿望，我看着地图上那些看起来很小的点。
但是，唉，那些看起来很小的点其实很大，就像一辆汽车的后视镜扭曲了巨大的拖拉机拖车，尽管它看起来只有几米远。当你考虑到光伏板需要如何分布时，情况就更糟了。我有一种感觉，北美的Dot将不得不大幅增长，以弥补美国的人均能源消耗。
不要因为我们可能看不到效率远高于15%的廉价光伏而感到沮丧。它已经足够好用了。如果你认为我们需要40%，那么我希望这篇文章可以重新校准你，让你接受15%的PV:这已经足够好了。是的，全尺寸的太阳能需要巨大的面积。即使在100%的效率下，这个定性的陈述也不会改变。
我担心的是，如果PV只能以相对便宜的15%的价格存在，我们未来将依靠什么?
1.化石燃料——也许很快就会达到顶峰
2.水电——大多数好的地方已经在使用了
3.地热-只适用于特定的地方，可能会或可能不会引起小地震，这取决于研究
4.太阳能-需要很大的平方英尺才有用，只在某些良好的位置
5.潮汐-野生动物的影响，地点
6.核储存耗费材料，初始成本高得离谱
也是最大的问题。用电量不断增加。似乎总是前进一步，后退两步。更高效的燃气发动机——更大更重的车辆。更高效的冰箱-更大的冰箱，更好的空调和供暖-更大的房子。
答案是“以上皆有”。问题是，效率是一个问题:绊脚石是人们认为能源生产有效率问题，而实际上，是我们的能源使用有问题。两者都可以做得更好。老实说，如果有超级便宜的太阳能电池板，我很乐意用它们覆盖我的整个屋顶，而不是用昂贵的太阳能电池板覆盖我的屋顶的六分之一。
从理论上讲，硅电池当然有可能超过极限(我认为硅电池的上限更接近30%，因为它们可以在没有阳光集中的情况下工作)。本文将多结单元作为一种路由进行介绍。我写了一篇关于高效方法的综述，你可能会觉得有趣，http://www.modernenergyreview.com/articles/routes_to_high_efficiency_photovoltaic_conversion.html
我不认为高效率就在眼前，但我认为只要有足够的时间，我们就会朝着这些方向前进。
做得好，谢谢。你读过吗可持续能源-没有热空气大卫·JC·麦凯?
麦凯博士从字面上和比喻上都涵盖了大量的领域(尽管基于英国的参数，它在美国和其他地方仍然非常相关)。最根本的一点是，国家规模的可持续能源解决方案需要国家规模的设施。我认为他的介绍方式和信封背后的估计和计算与您的方法很吻合，我相信您会喜欢的。
是麦凯和他书的忠实粉丝。大家看看吧(免费PDF版本在http://www.withouthotair.com)．我的博客上也有。
鉴于一些评论，我重写了文章的部分内容，以更好地强调15%的PV不是问题。做我们需要的就足够了。我想阻止人们认为我们需要为了更高的效率而坚持不懈:物理是阻碍。把15%当作一个光荣而有用的数字。如果这一点现在在文章中被夸大了，我道歉。
一个有趣的推论:我们能改善光合作用吗?如果绿色植物的平均效率为3%，那么效率翻一番，用于粮食的耕地就会减少一半，腾出一半的土地用于生物量。
绿色植物忽略了接收到的大量阳光(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/biology/ligabs.html)．如果我们，比方说，改造植物也使用视紫红质，并吸收540纳米左右的光谱呢?
吃吧!
事实上，植物的主要奇迹并不在于它们能吸收能量。获得能量确实是他们所做的事情的先决条件，即创造难以置信的复杂分子，维持生命。而且我们已经通过消耗越来越多的有用产品来拉长作物的生长。许多人认为我们通过育种等手段提高了产量，但这实际上是不正确的。我们增加了我们想要的产品的产量。因此，在田里，我们杀死了所有的杂草，我们使小麦或玉米生产更多的谷物，减少茎和根(这也是为什么它们有更多的害虫，需要化肥，这需要大量的能源生产)等等。我们实际上提高生物生产力的主要方式是增加一些基本的自然因素，最明显的例子是灌溉，我们可以使沙漠开花(耗尽水资源，盐碱化土壤等)。我们的普通农田并没有任何明显高于野生自然的生物生产力，即使它们有，它们也很少提供其他有价值的生态系统服务。大多数人似乎忽略了一点，即所有事物都有相当固定的生物极限。化石燃料已经宠坏了我们，让我们相信有简单的解决办法——但事实上，它们只是植物长期积累的太阳能
不要在意道路的表面积。
它与屋顶的表面积相比如何?
假设开发一种屋顶瓦/瓦/之类的，它是目前使用的屋顶瓦/瓦的临时替代品，其成本并不比标准沥青/陶瓷/之类的高出多少，这样整个屋顶表面都可以使用。我们需要什么样的效率?我怀疑这远远低于我们已经在市场上销售的这类产品的低效率。
我的猜测——也希望——是这样的太阳能屋顶将在不到十年的时间内成为常态。沥青只会越来越贵，光伏只会越来越便宜。即使一个新屋顶的价格是原来的两倍，但在这个过程中可以省去你的电费，这也是显而易见的。
智能屋顶承包商正在向光伏业务扩张，而智能光伏承包商正在向屋顶业务扩张。
欢呼,
b
需要多少屋顶空间取决于建筑物的电力使用情况。
你通常会看到商业建筑可以通过屋顶系统抵消大约25-30%的使用量。
大多数郊区的房子都能100%抵消屋顶系统的使用。例如，我的房子屋顶上有一个3.24千瓦的阵列，每年产生约4.8兆瓦时，几乎足以抵消我每年的家庭使用量。但如果我真的想，我可能可以在我的屋顶上安装20千瓦的PV。我可能会得到大约23兆瓦时/年，近2000千瓦时/月。
让我们看看，我还为我的房子增加了2辆电动汽车，每辆每年行驶约12,000英里。电动汽车从墙上获得约3.5英里/千瓦时的电量，但每月也只有约600千瓦时。即使这样，我生产的电力也很容易超过我的家庭用电量。
@ drees这和我的想法是一致的。在最便宜的材料上降低效率(可能没有足够的硅来满足我们所需要的所有光伏电池)，并将它们遍布整个屋顶。让每个屋顶都成为能源发电站。你可以在家里使用和储存，然后将剩余的通过电网发送。
商业总是密集的用户，就像城市中的高层建筑一样(我住在一个城市街区的7层公寓大楼里)。如果我有房子，我肯定会考虑用薄膜瓦替代屋顶和家庭储能系统。我知道我不能脱离电网，但如果它能使我的账单变为零或更好，并为我的“情况”提供了一个安全网，那就值得了。
然后我可以花更多的钱在罐头食品和猎枪壳上。哈哈
沃尔玛在加州使用太阳能。
http://www.tekgoblin.com/2011/09/21/walmart-appeals-to-california-liberals-with-solar-movement/
如果沃尔玛能让这些数字发挥作用，它就“足够好”了。我相信会有税收抵免或补贴(甚至是善意的)，但它将推动采用和帮助大规模安装公司-工程服务公司-进入业务。
当然，一个2升的汽水瓶在白天也很管用:
http://www.youtube.com/watch?v=JOl4vwhwkW8
瓶子戏法很巧妙。让我们看看:10厘米直径收集大约8瓦的太阳能。太阳黑体接近100流明每瓦，所以我们得到大约800流明，这相当于一个50瓦的白炽灯泡。它的工作原理!
我在家里安装了两个solatube——一个更复杂、更昂贵的版本。它们不仅足够亮——我白天从不开厨房或浴室的灯——而且光线的质量也是一流的。我在房子的其他地方安装了一些SoLux日光平衡照明(艺术博物馆照明的黄金标准)，即使是这样也无法与Solatubes相比。
每个人都认为太阳能热水是最便宜、最划算的利用太阳能的方式，这当然是一笔非常划算的交易。但我认为太阳能照明更好。
欢呼,
b
我很想听听你对太阳能发电以外的其他形式的见解。
上面的评论开始朝着太阳能照明的方向发展，但我特别想到了供暖。我记得我读到过钢铁铸造厂的典型用电量是每月数百万美元，我相信还有其他高温作业也会类似(比如玻璃或混凝土生产，或烧砖)。
取代它会有多现实:
石化——>电力——>输电网——>制造热能
与
太阳能热-制造热
或
太阳能热->热传导电网->制造热
吗?
分开来看
太阳能热->热传导电网->家庭供暖
吗?
谢谢!
迈克
制造过程中的热几乎总是直接来源。不要摆弄电。直接燃烧煤、天然气、石油。聚光太阳能可以使介质变得非常热，但我还没有评估它对钢铁加工等的作用。我的直觉告诉我这很难。
你可能会读到瓦茨拉夫·斯米尔(Vaclav Smil)关于最基本的工业流程之一面临的挑战的论文:http://www.vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-20090917-iron-age.pdf
很棒的帖子，汤姆。
我觉得这种势利源于普遍存在的“进步神话”。http://en.wikipedia.org/wiki/Idea_of_Progress］．换句话说，很多人仍然期待技术解决方案来拯救我们——我们只需要开发它们，然后砰的一声，我们就可以转向可持续能源了。
在我看来，这只是进步神话叙述的延伸。在你的文章中明确的观点是:我们有技术，技术不是问题。我们知道我们需要做什么，我们有能力去做，我们只需要……这样做。但是自从启蒙运动以来，我们的社会意识一直是我们可以做任何我们想做的事情，我们的科学和技术将允许我们这样做。
讽刺的是，我觉得这种叙事的流行概念导致人们完全误解了身体的局限性和现实。就好像我们已经因为相信技术进步的魔力而对物理学失去了真正的尊重。这种叙述扭曲了我们对现实的真正理解。
说得很好。正是这些情绪促使我投入宝贵的时间写一篇博客，将物理学重新纳入讨论。在计算机代码中，物理!=魔法。你也发现了问题的一个关键方面，在叙述中令人难以置信的重要的是，我们目前的叙述被我们前所未有的以化石燃料形式发现的地球百万年电池严重扭曲了:眨眼之间就能消耗完。我们需要一个合理的解释。
所以正确的。在过去的几年里，我逐渐意识到叙述的力量。如何改变主流叙事这个重大问题相当令人生畏(你如何确保你的治疗方法不会比疾病本身更糟糕?)
我确实认为，当前的经济气候正促使更多人质疑一些主流的说法。我发现这篇文章(不是自我链接)真的说到了这一点:
http://nofearofthefuture.blogspot.com/2011/09/day-narrative-died.html
人们没有意识到的是，“私营部门总是知道最好的”意识形态已经主导了任何话语。利益动机是一股强大的力量，经常把人们拉向错误的方向。让我们看看煤炭行业。该公司雇佣了近10万名员工，并与公用事业公司合作了数十年。事实上，可以说公用事业和煤炭行业是形影不离的。因此，任何关于能源的讨论都被既得利益集团积极推动的虚假信息所颠覆。我们不要被愚弄了。目前我所有的电力都来自风力发电，每千瓦时9.4美分。事实上，地球总是处于热平衡状态。因此，风能将会存在，只是位置的问题。 The central US has some of the best Wind resources in the World, but what are the utilities in the Midwest using predominately? Coal and nuclear. Let’s end the Tyranny of corporate multi-nationals (not even “corporate America”) and move forward.
我们都知道，这篇文章也证明了，问题不在于效率，而在于成本。降低初始成本，你就可以在每个屋顶上安装太阳能板。
文章中一个有趣的评论是比较了美国的消费率所需要的面板空间量，以及分配给铺砌街道的空间量。
我多年前就提出了这个想法——建造更坚固的嵌板，并在所有铺设的街道上铺设嵌板。
这将不会对环境造成任何影响(丑陋的面板，沙漠的阴影)，并将使电力在人们居住的地方可用。
好的，我知道这个想法就像猫身上的铃铛，好主意，现在谁来做呢?
但是，有没有可能制造出一种能够承受汽车和卡车交通的太阳能电池板呢?
嗯? ?
即使它能承受车辆的撞击，也能承受风化(你有没有在中西部每两年就不重铺一次的街道上行驶过)
当道路被雪覆盖时，你将获得零能量，而在美国的大部分地区，这是12月到3月。至少你可以刮掉屋顶上的雪，但你不能刮掉路上的雪。在我长大的地方，你不会在路上撒盐，而是用沙子，因为那里的雪不会融化。
我所见过的关于屋顶容量的最好的研究是NREL的一项旧研究，该研究预测美国屋顶可容纳600吉瓦的光伏发电。如果针对不完美斜坡开发出更好的技术，这个数字可能会增加两倍左右。此外，我们可能会开始看到人行道、道路和停车场的屋顶结构安装更多的太阳能板。这仍然是这个国家总能源需求的三分之一，但是如果你开始在沙漠中增加太阳能农场，你很快就会得到我们所需要的所有能源。好消息是，我们有几十年的时间来建设这些基础设施，就像我们在国家铺设的道路系统中所做的那样。
全球对18TWe的需求是否包括用于运输的能源?如果是这样的话，令人鼓舞的是，由于全球20-27%的能源用于交通运输，我们可以减少10-15%的TW，假设我们都能接受我们不会到处开车，而是乘坐电动公共交通工具。
我们不仅包括运输费用。今天我们总共使用了大约12太瓦，其中大部分用于低效的热机。在一个太阳世界里，我们也许能够以8太瓦或更少的能量进行今天的活动。不会像化石燃料那么便宜，所以不清楚我们如何应对这个新阶段——或者我们是否朝着这个方向前进。
汤姆，又一个赢家。
在可再生能源行业工作了20年之后，我还没有看到比这更好的能效问题解释。
我很想看看你如何解决成本问题。我经常被公用事业领域的许多人炮轰，他们毫不含糊地说:“太阳能太贵了，煤炭很棒!”考虑到采矿、铁路运输、热电发电的低效率、输电损耗和大多数电器的低效率等总成本，从中央发电厂的角度来看，发电是向公众提供电力的最低效的方式之一。我们通常认为，需要3千瓦时的发电量才能将1千瓦时的电量提供给最终用户。然而，自从托马斯·爱迪生在19世纪末开始这样做以来，它仍然没有太大的变化。主要的区别是交流和直流，其固有的缺点。
虽然光伏成本最近已经大幅下降，但仍然很难引起任何人的关注。付水电费而不考虑未来实在是太容易了。
由于供应链上下游的补贴，光伏组件的真实成本估算也很难得到:
http://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/solar/will-the-real-pv-price-please-stand-up
太真实的。由于化石燃料的补贴——公开的和隐藏的——同样很难与化石燃料进行真正的比较。石油公司在联邦土地上钻探不支付特许权使用费就是一个很好的例子。核工业的贷款担保和责任限制是另一个问题。此外，将污染和气候变化的社会成本考虑在内，将使这种比较更加有趣。
比较高度集中的能源(如汽油或核能)和弥散能源(如太阳能或风能)之间的效率百分比，需要讨论给定能源与其环境之间的火用差异。
太阳能最有效的使用实际上是低火用项目，如空气和水的被动加热或集中燃烧太阳能烤箱。使用低火用源来做低火用任务必须是可持续发展对话的重要组成部分。
主要依靠太阳能(和其他低火用能源)运行的文明与依靠化石燃料运行的文明看起来有很大的不同，因为使用从低火用能源收集和储存的高度集中的能源(即电力)永远是一种奢侈。
对不起，火用这个词被过度使用了，但我发现它经常被忽视或不被理解。对这些影响的深刻理解，对于规划现实的未来道路至关重要。
我并不是说这是一种批评，只是对谈话和思考过程的补充。
很好地用图形显示了我们需要多少土地面积来满足我们的电力需求。与我们目前种植粮食的土地面积(60倍多)进行比较也不错。
我们能不能用太阳能热水器加热水然后利用太阳能电池板上的热量让电子从太阳能电池板上释放出来?“太阳射线”只能从PV中获得电子的释放吗?不是热浪吗?如果热浪可以，我们可以将光伏板堆叠在一起，而不是覆盖在屋顶上，然后用同样平方面积的可用屋顶面积产生更多的电力?
不可能。即使在沸腾温度下，特征粒子能量也只有0.03 eV:远低于将一个电子射入传导带所需的1.1 eV。而且，即使这样的方法可行，堆叠大量的细胞也不会增加可用的入射能量:可供分配的能量就这么多。
加州在家庭屋顶上的光伏发电潜力巨大。我们有激励机制，但在我看来还不够。这些问题在政治上复杂，但在技术上并不复杂。对我来说，关键是不能把权力卖给提供商。相反，人们只能从账单中扣除你产生的东西。至少对我来说，这意味着对节能的激励要比对光伏的投资大得多。有人能补充或纠正我的观点吗?
http://www.cpuc.ca.gov/PUC/energy/Solar/．
http://solar.calfinder.com/rebates/California
很棒的博客，尤其是你关于增长限制的帖子(不幸的是已关闭评论)。我也一直在思考类似的问题。我上传了一些关于指数增长的材料，你和你的读者可能会觉得有趣，在http://www.slideshare.net/amenning/．
关于经济增长能否通过GDP与资源使用的“脱钩”来持续的问题，我设计了一个这样的练习:
***考虑一个由“物质”部门和“非物质”部门组成的模型经济。前者生产汽车、风力涡轮机、互联网服务器等产品，每单位产出需要一个单位的吞吐量。后者提供基于知识或信息的“无形”服务，如在线学习、音乐下载、网络赌博、按揭证券、诉讼等，对吞吐量要求为零。最初，每个部门占经济的50%，总价值为1。我们的模式经济将以每年3.5%的速度增长，而不增加其吞吐量，即只有“非物质”部门将增长。100年后，经济的“非物质”份额会是多少?更现实的是，假设非物质部门的吞吐量效率是物质部门的10倍(即每单位产出的0.1单位吞吐量)。计算该模型中的总吞吐量，并描述其增长
当然，这种做法显示了赫尔曼•戴利(Herman Daly)所嘲笑的“天使般的GDP”的荒谬之处。不确定的指数级经济增长不可能与物质有限的世界的约束相协调。
我们不要忘记能源储存的问题。并网光伏系统现在很流行。我听说过一些光伏系统可以产生他们所有的能源需求，但这只是把电网看作一个巨大的电池。如果电网完全依赖化石燃料，电网系统如何可能长期可持续(峰值后)?如果电网坏了，那么与电网相连的系统也会陷入黑暗。我听说过这样的说法:一些并网光伏系统在夏天产生的能量比它们使用的还要多，然后通过向电网输送多余的能量获得积分。在冬天，这些系统利用它们的信用为建筑物供暖。但让我们面对现实吧，你不能用信用来为建筑物供暖，因此你经常会使用某种化石燃料形式的储存能源来为你的冬季供暖。
在您比较光伏系统和生物燃料时，您是否考虑过生物燃料不仅是一种捕获太阳能的方式，而且也是一种存储太阳能的方式?如果你想在太阳能被捕获后6-12个月使用太阳能，那么PV电池的效率与生物燃料相比如何?
我想指出的是，光伏电池板不是太阳能，而是太阳能发动机。在比较技术时，我们应该把苹果和苹果进行比较。光伏电池板就像被砸得很薄的柴油发电机，放在屋顶上，每天(大部分时间)都是由2号柴油暴雨提供燃料。没有井，没有管道，没有炼油厂，也没有海军保护的海港。唯一的后台是生产面板的行业，就像生产柴油发电机的行业一样。有了太阳能增殖复制器，光伏电池板可以制造更多的电池板。挖一些硅砂。
此外，那些抱怨太阳能间歇性特性的人需要明白，地球上大多数发电机在凌晨3点负荷低于容量时都是无用的。
有趣的帖子，但这是一个误导性的比较。传统太阳能电池(单带隙)的理论最大效率约为作者指出的44%，并使用详细的平衡参数(见Shockley-Queisser极限)计算，假设量子效率为100%和其他限制性假设，例如生成/重组事件仅为辐射。然而，作者没有提到，这种理论效率计算是基于电池吸收完全集中的光(见下文)的前提下进行的，但与传统电池吸收非集中光的比较。一个更好的比较是假设传统电池吸收未集中的光来进行理论效率计算(苹果对苹果)，恰好是31%。
集中的光
用来达到44%的假设之一是电池只吸收具有太阳特征温度的光子。这就是所谓的“完全集中”。是的，光学和透镜可以增加具有太阳特征温度的光子的数量，相对于具有环境特征温度的光子，但没有达到完全集中的程度。
在后期，简化比比皆是(完美量子效率等)。但浓度并不是假设的。入射光的光谱是唯一需要考虑的。无论是否集中，光谱都是一样的。因此，亚带隙传输所损失的能量的比例是相同的，而促进电子进入传导带的光子能量的比例也是相同的。我不懂太阳特有温度的语言。分布或光谱当然是由温度来表征的，但对于单个光子来说，它不是一个有用的度量标准。如果我必须用光子的光谱来描述环境温度，它将是以10微米为中心的热辐射，这根本不是PV所利用的(即使是不集中的)。
为了达到44%的效率值，我们需要假设撞击电池表面的入射光子通量表现得像一个具有太阳温度的黑体。从地球上看太阳，光子通量减少了约4.6 X10^4。看到http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5124319为什么不集中光的效率是31%。我觉得我们都在扯淡…是我的错。