光伏革命：從沙漠到太空的“追光之戰(zhàn)”

敦煌戈壁的烈日為城市點(diǎn)亮燈火，太空中的光伏電站向地球傳輸電能，這是正在上演的能源革命實(shí)況，從沙漠到太空，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)鏈，一場無聲的“追光之戰(zhàn)”已然打響。

十年前，當(dāng)國際能源專家們還在爭論光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性時，在中國西北的荒漠深處，一群工人正頂著烈日安裝一塊塊雙面光伏板。如今，一排排深藍(lán)色的光伏板如海浪般鋪展，在金色沙丘上勾勒出一片壯觀的人造“海洋”，600多萬塊光伏板組成的矩陣正改寫能源生產(chǎn)與生態(tài)治理的法則——這里位于新疆若羌縣，屬于中綠電若羌400萬千瓦光伏工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目日均發(fā)電4.8億度，這一數(shù)據(jù)超越了三峽水電站單日4.6億千瓦時的發(fā)電量，刷新了全球最高紀(jì)錄。

2025年上半年，我國光伏發(fā)電累計(jì)新增裝機(jī)212.21GW，超2024年全年總量（102.48GW），總裝機(jī)突破1100GW，占全球一半以上。光伏發(fā)電量全國占比首次逼近10%，可再生能源發(fā)電量占比達(dá)35.5%，同比提升4.2個百分點(diǎn)。

但光伏陣列的功能遠(yuǎn)不止發(fā)電，其革命性在于開創(chuàng)了“光伏+”模式。

悄悄在沙漠里干大事

若羌光伏工程通過5.8萬余畝光伏板形成遮陽屏障，使地表溫度下降3～5℃，有效緩解戈壁熱力失衡問題；光伏板面導(dǎo)流雨水至板下80厘米區(qū)域，土壤含水率提升30～60%，光伏板下通過種植梭梭林、沙打旺等植物，植被覆蓋率提升至18～25%，部分區(qū)域自然生長出苜蓿、金銀花等耐旱植物，耐鹽堿植物存活率提高近2倍；260萬根樁基固沙面積達(dá)到9.9萬余平方米，實(shí)現(xiàn)了沙漠治理、生態(tài)修復(fù)和綠色發(fā)展三重增益。

中綠電若羌400萬千瓦光伏發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)

在內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣，有一個200萬千瓦“光伏+”生態(tài)治理示范項(xiàng)目區(qū)，里面一望無際的沙漠被披上一層光伏“鎧甲”，光伏板下，一叢叢植物隨風(fēng)搖擺，為沙漠增添綠意。如今，磴口縣已建和批復(fù)在建新能源裝機(jī)達(dá)542.66萬千瓦，光、林、草、藥融合發(fā)展的“光伏+生態(tài)治理”面積13.6萬畝，全縣已在光伏板間種植3.73萬畝梭梭、四翅濱藜，該“光林藥牧”一體化生態(tài)修復(fù)模式，3年后預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值8000萬元左右。

位于青海省海南藏族自治州的共和盆地上，有個塔拉灘，2020年起，為了解決光伏區(qū)草的長勢過于旺盛影響發(fā)電效率的問題，塔拉灘部分區(qū)域開始嘗試“光伏+牧業(yè)”模式，板間放牧，羊糞還田，草種傳播，形成“生態(tài)閉環(huán)”。試點(diǎn)引入的15000多只藏羊，在板下“遮陰、吃草、撒糞”三不誤。由于植被恢復(fù)，地表風(fēng)力減弱，沙塵減少，藏羊體重平均增長13%，成活率也更高了。研究人員還發(fā)現(xiàn)：藏羊活動并不會破壞光伏板基礎(chǔ)，反而有助于草種傳播和板下通風(fēng)降溫。

“現(xiàn)在，村里共有4000多只羊在園區(qū)吃著新鮮草。”牧民趙永貴說。對他們來說，只需把羊從園區(qū)外的草場趕到園區(qū)中，羊群有草吃，也不用承擔(dān)任何費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔拉灘光伏園區(qū)畝產(chǎn)草量174公斤，年總產(chǎn)值達(dá)到11.8萬噸，可滿足20萬只羊采食。因?yàn)椴墒程烊徊荩肮夥颉逼焚|(zhì)高，得到市場青睞，村里與聯(lián)點(diǎn)單位達(dá)成7萬畝草場免費(fèi)使用協(xié)議，全力打造“鐵蓋光伏羊”品牌，在恰卜恰鎮(zhèn)設(shè)立“鐵蓋光伏草膘羊”直營店，助力群眾增收，全村314戶全員入社，社員依托塔拉灘“光伏牧場”，年收益可達(dá)60萬元。微風(fēng)徐徐，牧民趙永貴頭戴草帽，坐在園區(qū)里的草灘高處，“過去躺在沙子地里休息，睜眼就是一臉沙，現(xiàn)在躺在綠草地上，日子美得很吶！”

光電轉(zhuǎn)換的三重突破

2025年4月，隆基綠能科技股份有限公司發(fā)布消息稱，公司自主研發(fā)的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到34.85%，再次刷新晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率世界紀(jì)錄，光伏材料的效率天花板正被一次次擊穿。

傳統(tǒng)晶硅電池的商業(yè)化效率通常在15～20%，而鈣鈦礦-晶硅疊層電池已突破33%，實(shí)驗(yàn)室中甚至出現(xiàn)了40%的超高效樣品，晶硅-鈣鈦礦疊層太陽能電池作為下一代超高效太陽能電池的主流技術(shù)路線，其理論極限效率高達(dá)43%，遠(yuǎn)超單結(jié)太陽能電池的SQ極限效率（33.7%）。更輕、更薄、更便宜的鈣鈦礦材料，被譽(yù)為“光伏界的石墨烯”。

與此同時，中國科技大學(xué)的銅銦鎵硒（CIGS）量子點(diǎn)技術(shù)，將稀有金屬用量降至傳統(tǒng)工藝的1/20，解決了材料稀缺的卡脖子問題，該值已經(jīng)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證。

清晨的陽光灑在車頂，一塊看似普通的車衣悄然展開褶皺，深藍(lán)色的光伏板如鱗片般層層覆蓋車身。短短幾分鐘后，手機(jī)App顯示“今日已儲能18公里續(xù)航”——這不是科幻電影場景，而是法國初創(chuàng)企業(yè)GazelleTech最新推出的光伏車衣工作實(shí)錄。當(dāng)新能源改裝領(lǐng)域還在比拼充電樁密度時，這項(xiàng)將光伏發(fā)電與汽車防護(hù)結(jié)合的技術(shù)，正讓“汽車自發(fā)電”從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)千家萬戶。

光伏板不再是笨重的藍(lán)色板子，柔性薄膜光伏可像壁紙一樣貼在曲面物體上，這項(xiàng)厚度不足3厘米的創(chuàng)新產(chǎn)品，核心在于“柔性光伏膜層”的突破。不同于傳統(tǒng)太陽能板的剛性結(jié)構(gòu)，車衣采用可折疊的碲化鎘薄膜技術(shù)，發(fā)電效率達(dá)到22%的同時，可承受5000次以上彎折。在荷蘭，一條全長100米的“光伏自行車道”每年發(fā)電量足以支持30戶家庭用電，光伏技術(shù)正從“發(fā)電設(shè)備”進(jìn)化為“能源皮膚”。

華為的智能光伏解決方案在寧夏基地創(chuàng)造了奇跡。AI算法實(shí)時分析天氣、灰塵和組件狀態(tài)，自動調(diào)整光伏板傾角、啟動無人機(jī)除塵，甚至預(yù)測未來72小時的發(fā)電曲線。在沙塵暴來臨前2小時，系統(tǒng)已提前啟動霧化除塵，將發(fā)電損失降至5%以下。

天合光能的SuperTrack算法，通過動態(tài)調(diào)整光伏板角度，發(fā)電量提升了5～15%；光伏板出了問題，傳統(tǒng)方法是人工巡檢，效率低還容易漏掉隱患，而AI的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，直接使用無人機(jī)采集光伏板的圖像，AI用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）分析，幾秒鐘就能找出裂紋、熱斑等故障。

光伏電站不再是“啞巴設(shè)備”，而是擁有自主決策能力的“能源大腦”。

光伏暗礁的破局之道

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的普及，光伏板數(shù)量越來越多，而它們的使用壽命通常在25年左右，預(yù)計(jì)到2030年全球?qū)a(chǎn)生約800萬噸的光伏板廢棄物，退役光伏板含有玻璃、鋁、銀和有毒的鉛，若處理不當(dāng)，將成為環(huán)境災(zāi)難，如何高效回收這些廢棄物，涉及新能源產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展。

比利時的研究機(jī)構(gòu)imec通過“金屬粒子選擇性分離”技術(shù)，通過物理破碎分選-化學(xué)提純的聯(lián)合工藝，不僅能安全分離有害物質(zhì)，還能將玻璃、鋁框等材料回收再利用，整體資源化率可達(dá)95%以上。中國仟川重工公司研發(fā)的光伏板破碎裂解技術(shù)，通過自動化拆解、精準(zhǔn)控溫?zé)峤夂投嗉壏诌x，實(shí)現(xiàn)鋁、硅、銀等8類材料高效回收，整線處理能力5噸/小時，綜合收益超9000元/噸。通過數(shù)據(jù)測算，全球光伏回收市場規(guī)模預(yù)計(jì)2030年將突破150億美元。歐盟自2012年將光伏板納入WEEE指令，要求生產(chǎn)者承擔(dān)回收責(zé)任；美國能源部2023年撥款5400萬美元支持回收技術(shù)研發(fā)；我國《光伏組件回收利用工作方案》提出到2025年建成10個區(qū)域回收中心。未來，光伏產(chǎn)業(yè)或?qū)?shí)現(xiàn)“零廢料閉環(huán)”。

碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）是薄膜太陽能電池的關(guān)鍵材料，它們嚴(yán)重依賴銦、碲等稀土金屬，但這一依賴也帶來了資源安全和供應(yīng)鏈穩(wěn)定的雙重壓力。面對稀土資源約束，全球科研機(jī)構(gòu)積極研發(fā)，開辟光伏技術(shù)發(fā)展的新路徑。其中，南開大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)取得最新研究成果，成功實(shí)現(xiàn)“低銦無銀”，在節(jié)約制造成本的基礎(chǔ)上，讓硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）太陽電池轉(zhuǎn)換效率接近26%；日本東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的二氧化鈦-硒復(fù)合光伏材料顛覆了傳統(tǒng)硅基器件的效率極限，美國伯克利實(shí)驗(yàn)室通過載流子高效分離技術(shù)，使無稀土量子點(diǎn)電池效率突破16.2%。這些突破不僅緩解了稀土短缺問題，更同步提升了光伏器件的性能和適用場景。

美國NREL研究顯示，晶體硅組件在40℃以上時每升溫1℃效率降低0.3～0.5%，在沙特阿拉伯的沙漠中，光伏板表面溫度夏季可達(dá)80℃，導(dǎo)致發(fā)電效率驟降20%；2025年青海共和光伏基地遭遇50mm直徑冰雹，單玻組件破損率高達(dá)37%；沙特Sakaka光伏公園每月積灰損失達(dá)1.8kWh/m2，清潔成本占運(yùn)維支出42%。

面對以上困境，科研人員通過研究給出破局之道。其中，沙特阿拉伯工程師在組件上涂覆石墨烯散熱膜，通過輻射冷卻原理將溫度降低21℃，年發(fā)電量提升9.7%；隆基綠能公司研發(fā)的雙玻組件通過IEC61215標(biāo)準(zhǔn)100mm冰雹測試，較單玻組件抗沖擊性提升300%；華為FusionSolar系統(tǒng)通過AI預(yù)測清潔窗口期，使沙特光伏電站除塵效率提升55%，歐洲ECMWF通過氣象模型成功預(yù)測2024年法國光伏區(qū)冰雹災(zāi)害，挽回?fù)p失2.3億歐元。面對酷熱、冰雹、沙塵等極端氣候挑戰(zhàn)，仍需產(chǎn)學(xué)界協(xié)同攻關(guān)，方能推動光伏成為真正“全天候”的能源支柱。

光伏文明的奇點(diǎn)降臨

2025年6月，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長征九號火箭尾焰劃破戈壁夜空。這不是普通的升空任務(wù)——2026年首批太空發(fā)電站模塊即將入軌，標(biāo)志著人類文明首次將發(fā)電設(shè)施送上3.6萬公里高空。傳統(tǒng)太陽能板在地面受云層遮擋，轉(zhuǎn)化效率不足40%，而中國科學(xué)家在赤道上空同步軌道部署的發(fā)電站，能24小時無間斷接收陽光直射，太陽光強(qiáng)度達(dá)地面7～12倍，且不受大氣衰減、晝夜及天氣影響。2028年建成后，這座“天外電站”將供應(yīng)10萬戶家庭用電，且燃料永不枯竭。

2028年建成只是開始。2030年后第二代電站將采用量子通信調(diào)控，傳輸效率再提30%，2035年首批民用接收站落地長三角，2040年全球市場預(yù)計(jì)破萬億美金，這個數(shù)字什么概念？這相當(dāng)于三個三峽工程的產(chǎn)值。“可上九天攬?jiān)拢上挛逖笞谨M”從來不是一句空話。生物光伏是一種通過光合微生物（如藍(lán)藻和真核藻類）或其離體光合元件（如類囊體、光系統(tǒng)）將光能轉(zhuǎn)化為電能的生物電化學(xué)系統(tǒng)。

劍橋大學(xué)生物化學(xué)家Paolo Bombelli利用一種常見的藍(lán)藻所產(chǎn)生的電流，使一個微處理器運(yùn)行了6個多月。新加坡國立大學(xué)與南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了三維導(dǎo)電共軛聚電解質(zhì)凝膠，與光合藍(lán)藻復(fù)合后，光電流輸出提升20倍，效率提高10倍，為界面電子傳遞優(yōu)化提供了新思路。西班牙加泰羅尼亞高級建筑學(xué)院的學(xué)生Elena Mitrofanova在其學(xué)術(shù)著作中，創(chuàng)新地提出了一種以苔蘚為關(guān)鍵材料的光伏發(fā)電體系。

中科院李寅研究團(tuán)隊(duì)通過合成微生物組，創(chuàng)建了雙菌生物光伏系統(tǒng)，展現(xiàn)出高效且穩(wěn)定的功率輸出，其最大功率密度顯著提升，高出單菌系統(tǒng)10倍以上。這是國際上首次利用具有定向電子流的合成微生物組來構(gòu)建生物光伏系統(tǒng)，同時也是我國自主研發(fā)的首臺生物光伏原型裝置，這一創(chuàng)新不僅顯著提高了BPV的光電轉(zhuǎn)化效率，還打破了人們對生物光伏效率和壽命的傳統(tǒng)認(rèn)知。生物光伏技術(shù)的出現(xiàn)，為可再生能源領(lǐng)域帶來了新的希望，其獨(dú)特的發(fā)電原理和潛在的低成本優(yōu)勢，使其有望成為未來可持續(xù)能源的重要選擇。

光伏板下種植的農(nóng)作物

在全球能源需求持續(xù)攀升以及對清潔能源的迫切需求下，空間太陽能電站（SSPS）這一新型能源解決方案備受矚目。空間太陽能電站概念最早由美國科學(xué)家Peter Glaser博士提出，主要由空間段發(fā)電衛(wèi)星和地面接收站組成。

美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)在空間太陽能電站領(lǐng)域均取得了顯著進(jìn)展。美國已提出多種概念方案并進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，日本在無線能量傳輸技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了短距離微波能量傳輸?shù)耐黄疲鴼W洲則聚焦于空間太陽能電站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成研究。

2025年，沈陽航空航天大學(xué)提出“SSPS-CMCA”（圓柱形模塊化空間太陽能電站）設(shè)計(jì)，通過全面分析現(xiàn)有太陽能電站技術(shù)，集成美、日、歐方案優(yōu)勢，提出了一種高可行性、高擴(kuò)展性的工程解決方案。當(dāng)人類邁向深空時，光伏技術(shù)不僅是地球的能源解決方案，更是宇宙文明的通用語言。

從荒蕪戈壁到浩瀚太空，從實(shí)驗(yàn)室的微光到點(diǎn)亮萬家燈火，無數(shù)“追光者”的腳步從未停歇。這場光伏革命，正將陽光轉(zhuǎn)化為驅(qū)動文明前行的不竭動力，在沙漠中播種綠洲，在軌道上編織電網(wǎng)，它昭示著：一個與自然和諧共生的未來，正由我們親手鑄就。（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心）

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2025年11月號）

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編校：苑寶平，審讀：郭麗

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