令人驚訝的多樣化創(chuàng)新可以帶來更便宜的太陽能電池板

自 1970 年代以來，太陽能電池板的成本下降了 99% 以上，從而廣泛采用將陽光轉(zhuǎn)化為電能的光伏系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院的一項新研究深入研究了能夠大幅降低成本的具體創(chuàng)新，揭示了不同研究工作和行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該研究發(fā)表在 PLOS ONE 上。

研究結(jié)果可以幫助可再生能源公司做出更有效的研發(fā)投資決策，并幫助政策制定者確定優(yōu)先領(lǐng)域，以刺激制造和部署的增長。

研究人員的建模方法表明，關(guān)鍵創(chuàng)新通常起源于太陽能領(lǐng)域之外，包括半導(dǎo)體制造、冶金、玻璃制造、石油和天然氣鉆探、建筑工藝甚至法律領(lǐng)域的進(jìn)步。

“我們的結(jié)果表明，成本改進(jìn)過程是多么復(fù)雜，以及科學(xué)和工程進(jìn)步（通常是在非?；镜膶用嫔希┦沁@些成本降低的核心。大量知識來自不同的領(lǐng)域和行業(yè)，這種知識網(wǎng)絡(luò)使這些技術(shù)得到改進(jìn)，“該研究的資深作者、麻省理工學(xué)院數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和社會研究所教授杰西卡·特蘭西克 （Jessika Trancik） 說。

Trancik 與共同主要作者 Goksin Kavlak 一起撰寫了這篇論文，Goksin Kavlak 是前 IDSS 研究生和博士后，現(xiàn)在是 Brattle Group 的高級能源助理;Magdalena Klemun，前 IDSS 研究生和博士后，現(xiàn)在是約翰霍普金斯大學(xué)的助理教授;前麻省理工學(xué)院博士后 Ajinkya Kamat;以及國家可再生能源實驗室的布列塔尼·史密斯和羅伯特·馬戈利斯。

識別創(chuàng)新

這項工作建立在研究人員之前開發(fā)的數(shù)學(xué)模型之上，這些模型梳理了工程技術(shù)對光伏 （PV） 組件和系統(tǒng)成本的影響。

在這項研究中，研究人員旨在更深入地挖掘推動成本下降的科學(xué)進(jìn)步。

他們將定量成本模型與對影響光伏系統(tǒng)材料、制造步驟和部署過程成本的創(chuàng)新進(jìn)行詳細(xì)的定性分析相結(jié)合。

“我們的定量成本模型指導(dǎo)了定性分析，使我們能夠仔細(xì)研究由于缺乏定量數(shù)據(jù)而難以衡量的領(lǐng)域的創(chuàng)新，”Kavlak 說。

在早期確定關(guān)鍵成本驅(qū)動因素（例如每個模塊的太陽能電池數(shù)量、布線效率和硅片面積）的基礎(chǔ)上，研究人員對文獻(xiàn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化掃描，以尋找可能影響這些驅(qū)動因素的創(chuàng)新。

接下來，他們將這些創(chuàng)新分組以識別模式，揭示通過改進(jìn)材料或預(yù)制組件來簡化制造和安裝來降低成本的集群。最后，該團(tuán)隊跟蹤了每項創(chuàng)新的行業(yè)起源和時間，并咨詢了領(lǐng)域?qū)＜?，以將最重要的?chuàng)新歸零。

總而言之，他們確定了自 1970 年以來影響光伏系統(tǒng)成本的 81 項獨特創(chuàng)新，從抗反射鍍膜玻璃的改進(jìn)到完全在線許可接口的實施。

“通過創(chuàng)新，你總是可以進(jìn)入更深層次的，比如原材料加工技術(shù)，所以知道何時停止是具有挑戰(zhàn)性的。擁有定量模型來為我們的定性分析奠定基礎(chǔ)確實很有幫助，“Trancik 說。

他們選擇將光伏組件成本與所謂的系統(tǒng)平衡 （BOS） 成本分開，后者涵蓋安裝系統(tǒng)、逆變器和布線等內(nèi)容。

光伏組件連接在一起形成太陽能電池板，可批量生產(chǎn)并可出口，而許多 BOS 組件是在當(dāng)?shù)卦O(shè)計、制造和銷售的。

Kavlak 說：“通過研究 BOS 層面和組件內(nèi)部的創(chuàng)新，我們確定了光伏技術(shù)這兩個部分中出現(xiàn)的不同類型的創(chuàng)新。

BOS成本更多地依賴于軟技術(shù)，即許可程序等非物理元素，與硬件創(chuàng)新相比，這些因素對光伏過去成本改善的貢獻(xiàn)要小得多。

“通常，這歸結(jié)為延誤。時間就是金錢，如果你在建筑工地出現(xiàn)延誤和不可預(yù)測的流程，這會影響這些系統(tǒng)平衡成本，“Trancik 說。

自動許可軟件等創(chuàng)新顯示出希望，該軟件標(biāo)記符合規(guī)范的系統(tǒng)以進(jìn)行快速審批。盡管本研究尚未量化，但該團(tuán)隊的框架可以支持未來對其經(jīng)濟(jì)影響的分析以及簡化部署流程的類似創(chuàng)新。

互聯(lián)行業(yè)

研究人員發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體、電子、冶金和石油行業(yè)的創(chuàng)新在降低光伏和 BOS 成本方面發(fā)揮了重要作用，但 BOS 成本也受到軟件工程和電力公用事業(yè)創(chuàng)新的影響。

非創(chuàng)新因素，如批量采購帶來的效率提升和太陽能行業(yè)知識的積累，也降低了一些成本變量。

此外，雖然大多數(shù)光伏電池板創(chuàng)新起源于研究機構(gòu)或行業(yè)，但許多 BOS 創(chuàng)新是由市政府、美國各州或?qū)I(yè)協(xié)會開發(fā)的。

“我知道這項技術(shù)有很多事情要做，但所有這些領(lǐng)域的多樣性以及它們之間的密切聯(lián)系，以及我們可以通過這種分析清楚地看到該網(wǎng)絡(luò)的事實，這很有趣，”Trancik 說。

Klemun補充道：“光伏處于非常有利的位置，可以吸收其他行業(yè)的創(chuàng)新——這要歸功于正確的時機、物理兼容性和支持性政策，以適應(yīng)光伏應(yīng)用的創(chuàng)新。

該分析還揭示了通過自動化工程審查系統(tǒng)和遠(yuǎn)程現(xiàn)場評估軟件等進(jìn)步，更強大的計算能力在降低 BOS 成本方面可以發(fā)揮的作用。

“就知識溢出而言，到目前為止，我們在光伏領(lǐng)域看到的情況可能實際上只是一個開始，”Klemun 說，并指出機器人和人工智能驅(qū)動的數(shù)字工具在推動未來成本降低和質(zhì)量改進(jìn)方面的作用越來越大。

除了定性分析之外，研究人員還展示了如果擁有可以插入成本方程的數(shù)值數(shù)據(jù)，如何使用這種方法來估計特定創(chuàng)新的定量影響。

例如，利用有關(guān)材料價格和制造程序的信息，他們估計線鋸是一種在 1980 年代引入的技術(shù)，通過減少硅損耗和提高制造過程中的吞吐量，使光伏系統(tǒng)的總體成本每瓦降低 5 美元。

“通過這種回顧性分析，你可以學(xué)到一些對未來戰(zhàn)略有價值的東西，因為你可以看到哪些有效，哪些無效，而且這些模型也可以前瞻性地應(yīng)用。了解哪些相鄰部門可能有助于支持特定技術(shù)的改進(jìn)也很有用，”Trancik 說。

展望未來，研究人員計劃將這種方法應(yīng)用于廣泛的技術(shù)，包括其他可再生能源系統(tǒng)。他們還希望進(jìn)一步研究軟技術(shù)，以確定可以加速降低成本的創(chuàng)新或流程。

“盡管技術(shù)創(chuàng)新的過程可能看起來像一個黑匣子，但我們已經(jīng)證明，你可以像研究任何其他現(xiàn)象一樣研究它，”Trancik 說。