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随着“30”、“60”目标的提出，近年来新能源行业得到了快速的发展，笔者也因此接触到了一些光伏发电项目。起初，该类项目融资的难点主要集中在项目合规性手续、项目盈利性（资源区及电价）、电力消纳等问题上，如：土地类型及占用的合规性、审批手续的滞后、电力业务许可证办理与否及办理时间点、项目是否涉及路条行为、项目参与方的合作模式、项目所在区域的资源特性及电价、是否具有补贴及纳入补贴、项目所在区域电力供应及消纳问题等等。随着所接触的项目越来越多、对政策的把握越来越准确、对行业特性认识越来越清晰，该类项目前述难点已能较好判断及解决。
近期，笔者再次承做一笔分布式光伏发电站项目时，在面对无可行性研究报告（以下简称“可研”）参考时（发改委备案并未强制要求一定需要编制可研），突然发现：居然从未对光伏发电原理及项目测算数据来源进行深入理解，过往光伏发电项目仅在意其合规性、可研中的自偿性（仅依托可研数据测算）。在缺乏“源头理解”的情况下，前期部分认识存在偏差，如：电池片的选择（价格、面积规格、转换效率）、容配比的作用、测算时功率是选择直流侧还是交流侧、峰值发电小时数与光照小时数的区别等等。
通过一段时间“源头理解”，并结合项目承做过程中所遇到的实际问题，笔者将通过本文尽可能详尽的阐述光伏发电的原理及如何计算发电量，旨在为光伏发电行业的投融资方提供一些参考，提高光伏发电项目投融资效率，减少一些试错成本。本文共分三部分：什么是光伏发电？ 光伏发电的产业链（硅基）
、到底发了多少电？
第一部分 什么是光伏发电？
本部分主要阐述光伏发电的原理。“光伏发电”简单地说就是利用某种材料的特性将光能转化为电能。这里说的某种材料就是“半导体”，当对半导体进行特定加工处理后，当两种不同类型的半导体材料接触时，将在其界面形成具有光生伏特效应特性的 PN结
，PN结具有将光能转化为电能的特性——当太阳光照射在PN结及附近时， 载流子
将在PN结两边形成（此时可以将PN结两侧看做两个极板）电位差，“极板”连通后将在电路中形成直流电。说到这里，大家肯定还是不能很好地理解，甚至会产生更多的问号，下面将对太阳能电池“光伏发电”的原理进行更加详细的讲解。
一、光伏发电原理
1
、光伏发电站：
利用光伏电池的 光生伏特效应
，将太阳辐射能 直接转换成电能的发电系统，一般包含 光伏阵列、汇流器、逆变器和变压器，以及相关辅助设施等。
注：并不是全部的太阳辐射都能用于发电，而是一定波长范围内的光照射在光伏电池面板上，形成电子空穴对（载流子），并分别在PN结两侧积累——激发产生电子空穴对这个过程的原理称为本征激发，即：当有能量大于禁带宽度的光子照射到半导体时,价带中的电子吸收这个能量,跃迁到导带产生一个自由电子和自由空穴。
2
、半导体：
常温下导电性能介于导体与 绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。
注：电池片的主要材料为半导体，本文主要以硅半导体材料进行讲解。
3
、光生伏特效应：
光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间
产生
电位差
的现象。首先，是由 光子（光波）转化为电子、
光能量 转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程，如果两者之间连通，就会形成电流的回路
。
注：此处是“不均匀半导体”而非“均匀半导体”。以硅（Si，最外层4个电子）半导体材料为列，Si最外层电子分别与四个相邻Si所带电子形成共价键，成为8电子（4共价键）的稳定结构，即使受到激发后形成载流子也易复合，导电性差——均匀半导体；当在Si半导体材料中掺杂磷原子（P，最外层5个电子），P最外层4个电子分别与相邻Si形成共价键，剩余一个电子易脱离P原子核的束缚，易成为“自有电子”——N型半导体；当在Si半导体材料中掺杂硼原子（B，最外层3个电子），B最外层三个电子分别与相邻Si形成共价键，Si最外层缺一个电子，形成“空穴”——P型半导体。当P型半导体和N型半导体中自有电子和空穴浓度不相同时，同时P型半导体与N型半导体相接触时，由于扩散原理的存在，将在接触面形成PN结，PN结的产生是光伏电池将太阳能转化为电能的必要条件。PN结形成原理详见下述。
4
、PN结：
P型和N型接触，在交界面处，由于物质的扩散运动原理（因为物质浓度差，导致物质从高浓度向低浓度扩散，称为扩散运动），P型中的自由空穴向N型移动（空穴的移动是一个等效移动，实际是非自有电子在相邻原子中的移动，表现为空穴的反向移动），N型中的自由电子向P型移动，当空穴和自有电子相遇时，释放能量进行
复合（半导体中导带的电子跃迁至价带中，与空穴结合的过程），随着自有电子和空穴的移动使得N区带正电荷P区带负电荷，从而形成内电场，自有电子和空穴受到内电场的电场力作用且作用方向与扩散运动相反，当电场力正好阻碍扩散运动时，在中间区域产生一个无自有电子和空穴的区域，此时将其称为
耗尽区，也可称为PN结。
注：导带为自有电子所能活动的空间；价带为非自有电子所能活动的空间，即：共价键中；利用PN结的特性不仅能进行光伏发电，还可制造二极管等。
二、转换效率的产生
光照照射在太阳能电池片上，其中一定波长范围的光子照射在PN结及其附近时，所激发的电子空穴对分别在PN结两侧进行积累，形成电位差，当PN结两侧外接电路使其导通时，电子从负极通过导线移动到正极，从而形成从正极到负极的电流。但是不同材料、不同光照条件、不同类型电池片的转换效率均各不相同。
1
、转换效率产生的原因
照射在太阳能电池片上的太阳辐射并不能完全转化为电能
。主要原因为：（1）部分光照被电池片表面反射；（2）部分短波光子进入电池片激发载流子，但由于载流子距离PN结较远，超过了载流子扩散宽度，从而在扩散至PN结被富集之前就发生了复合；（3）部分长波光子辐射到电池片深处，产生载流子，但其也同样远离PN结，也在扩散至PN结前则被复合；（4）部分光子所携带能量较小，并不能将共价键中的电子从价带激发到导带，因此无法形成载流子；（5）部分太阳光直接透射过电池片，无法激发载流子；（6）只有一定波长范围的光子在PN结及其附近形成载流子，并通过扩散被PN结富集形成电位差，才可最终转化为电能。
2 、转换效率不同的原因
在太阳光照射条件相同的情况下，不同类型的电池片其转换效率存在差异
。主要原因为：（1）自有电子浓度差别，如：N型电池
中具有更高浓度的自有电子，因此N型电池转换效率大于P型电池转换效率；（2）同类型电池（N型或P型电池），由于其电镀工艺不同，导致所产生的载流子被复合的程度不一样，从而所形成的电位差不同，如：PERC电池和铝背场电池同为P型电池，但PERC电池局域金属接触工艺使得其复合程度低于铝背场电池，促使PERC电池转换效率高于铝背场电池；（3）电池片“开源”的效果不同，即：某些电池能够吸收更多的太阳辐射产生更多的载流子，如：钙钛矿太阳能电池，其对光的吸收能力强,光谱吸收范围更广。
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、转换效率的计算
太阳能电池片的转换效率是指将太阳能辐射能转化为电能的比例，即：太阳能电池片输出功率与照射在太阳能电池片上的太阳能辐射功率的比值。太阳能电池片生产商会在STC（详见第三部分基础概念）条件下，测量电池片的瞬时输出功率（STC条件下所测量的瞬时输出功率也称为峰值功率，详见第三部分基础概念），因此电池片的转换效率如下：
转换效率（%）=峰值功率（W p）/1000(W/㎡)/电池片面积（㎡）
第二部分 光伏发电的产业链（硅基）
本部分主要写一下光伏发电产业链（硅基）上分别有哪些；再讲述一下光伏电站的类型；最后探讨一下面对不同转换效率、面积规格及价格的电池片，应该如何选择。
一、光伏电站产业链
1
、上游：
硅矿一步一步加工到硅片；单晶硅相比多晶硅工艺复杂，转换效率更高（单晶硅片中硅原子排列有序）；当前随着单晶硅片制造和需求规模化的形成，其制造成本逐步降低，综合考虑转换效率及成本，新建光伏发电站项目绝大多数均选择了单晶硅电池片。
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、中游：
产业链该环节主要分为电池组件（光伏电池和光伏辅件）和其他组件。其中光伏辅件和其他组件无过多的技术更替，因此该类产品生产企业的利润率在光伏电站产业链中并不高。光伏电池为光伏发电站的核心，其决定了项目建设成本及未来收益，对项目投资回收期、内含报酬率等存在较大影响。光伏电池技术多样，竞争异常激烈，更替较为频繁，因此该类生产企业需要持续保持较大的研发投入，同时要合理选择技术赛道进行优先布局，才可在持续的技术优势助力下创造较大的利润空间——当前市场主流产品为PERC电池，处于竞争性的技术是 Topcon电池
和异质结电池，由于Topcon电池生产线及工艺上可以延用部分PERC电池生产线，因此Topcon电池将在一定时间内成为下一个阶段性的主流，但是考虑到Topcon电池生产工艺步骤较多，且理论转换效率不足29%，后续必将被其他技术所替代，比如：异质结、钙钛矿等。
3
、下游：
发电企业采购中游产品，并根据电站发电场景、地形地貌等，合理规划、设计、施工建设，将中游产品进行有机结合，最终形成光伏发电站。光伏发电站建成后，运营成本较低，收入主要依赖光资源、当地绿电灵活性消纳能力、电价交易市场或电价保障等。
二、光伏电站的分类
根据光伏发电站设计功率大小、接入点位个数、项目盈利方式、合规手续等的不同，光伏发电站主要分为：集中式光伏发电站和分布式光伏发电站。
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、集中式光伏发电站特点：
功率较大，单点并网功率超6MW；建设规模较大，需选择较大空间集中铺设光伏面板，并建设变电站；项目所需合规手续较多，项目主体方还需办理电力业务许可证；集中式光伏发电站主要通过上网的方式将其所生产的电力销售给电网或在电力交易系统中售电，其终端直接用电客户往往是不确定的；现阶段，新建项目均采用平价上网方式，其电价为项目所在地燃煤标杆电价，但有的地方存在绿电灵活性消纳问题，部分电需在电力交易系统中出售，电价存在波动性、不确定性；随着光伏发电站并网量的大幅提升，存在主动弃光的问题，为减少弃光，部分地区在项目备案时就要求光伏发电项目在发电端配建储能。
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、分布式光伏发电站：
功率较小，单点并网功率不应高于6MW；分布式光伏发电站主要是就近消纳，其主要类型有：自发自用、“自发自用，余额上网”、全额上网（也主要是就近消纳）；该类项目合规手续简化，发电企业无需办理电力业务许可证，项目建设周期较短，使用场景灵活多样，常应用于工厂屋顶、家用屋顶、农田上方、鱼塘上方、露天停车场上方、建筑物表面等有限的、分散的空间；项目自发自用部分的成本通常是低于用电企业向电网购电成本，如：某生产企业，其电费均为工业用电，适用于大工业两部制电价，该企业可在厂房屋顶自建分布式光伏发电项目，也可采用合同能源管理的模式由节能服务公司进行分布式光伏发电站项目建设的投入，以上两种方式均可有效降低用电企业的电费成本。
三、电池片选择策略
电池片类型较多，不同类型的电池片其规格、转换效率、单价均各不相同。想必你肯定会提出一个疑问：在光伏发电站建设中，应该选择什么类型的电池片才可提升项目的整体收益情况？ 笔者将通过假定条件的方式，理论分析规格、转换效率、单价的关系，以此解答上述问题：
假设条件
：1、光照、温度、大气质量等环境条件相同；2、光伏电站设计总功率不变（W总），且总设计功率下两种电池片均为整数片；3、除电池片以外的构造及投资成本完全相同；4、电池片A和电池片B，单片电池片面积分别为S A（㎡）和SB（㎡），转换效率分别为EFF A和EFFB，单价分别为P A和PB。
根据下文第三部分中“标准测试条件”、“标称功率”、“标称功率与转换效率的关系”可知电池片A和电池片B的标称功率（峰值功率）分别为：
WA=1000W/㎡*SA*EFFA ------------------------------------------------------①
WB=1000W/㎡*SB*EFFB ------------------------------------------------------②
根据总功率W总、标称功率、电池片单价，可知电池片所需总投资分别为：
PA- 总
=W 总 / WA*P A-----------------------------------------------------------③
PB- 总 =W总 / WB*P B ----------------------------------------------------------④
分别将①和②代入③和④，可得：
PA- 总 =W总 / (1000W/㎡*SA*EFF A)*PA----------------------------------------⑤
PB- 总 = W总 /(1000W/㎡*SB*EFF B)*PB ----------------------------------------⑥
将⑤-⑥，可得：
W 总 / (1000W/㎡*SA*EFF A) *PA-W 总/(1000W/㎡*SB*EFF B )*PB --------------⑦
当
⑦≥
0时，PA/( SA*EFFA)≥PB/( SB*EFFB)，即：SB*EFFB *PA≥SA*EFFA *PB，应选择电池片B，反之则选择电池片A。
注：实际中，由于电池片数量不同，光伏阵列设置不同，将改变汇流器、逆变器、线路等成本，因此以上假设仅为简易假设，如有需要，可根据其他成本与电池片数量关系添加变量。
第三部分 到底发了多少电？
在投资一个光伏发电项目时，我们肯定比较在意该项目到底能发多少电？有的小伙伴会说了：专业的事儿交给专业的人来处理，可研就能解决这个问题，根本不需要我们关注。可研里确实有相关内容，但是可研是在选定项目并进行项目正式备案前才做的（部分项目也可选择不进行可研，可根据企业内部经验进行项目测算），然而作为投资人在找项目、筛选项目的时候往往没有可研作为参考，此时就需要投资人有相关经验进行初步判断。本部分将阐述如何估算某地区的光伏发电站发电量及各参数的意义。
一、基本概念
1
、光伏阵列表面总辐射： 光伏阵列表面接收到的直接辐射、散射辐射及下垫面反射辐射之和。
2
、斜面总辐照量： 等于斜面直接辐照量、斜面反射辐照量与斜面散射辐照量的和。
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、光伏阵列安装方式：固定安装式 （选择一个最佳倾角，完全固定：找一个年斜面辐照量的最大值对应的倾角确定为最佳倾角； 固定可调安装方式：将全年按不同标准，如：月份、季节等，分为若干段，选择每段中最佳倾角做光伏阵列倾角的调整。）、 跟踪式安装（ 双轴跟踪式安装方法：通过光伏组件方位角和倾角的调节，使光伏组件始终垂直于入射直射光； 平单轴跟踪安装方法：光伏阵列轴线南北向水平布置，光伏阵列东西旋转跟踪太阳； 斜单轴跟踪安装：光伏阵列轴线为南北向固定倾角布置，光伏阵列东西旋转跟踪太阳）
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、STC（ 标准测试条件-Standard Test Conditions ）：即环境温度25℃，大气质量AM=1.5
，E=1000W/㎡。
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、标称功率
： 在标准测试条件（STC）下，所测出的光伏组件输出功率，也称为 峰值功率（Wp）。
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、峰值日照时数
： 一段时间内的辐照度积分总量相当于辐照度为1000W/㎡的光源所持续照射的时间，其单位为小时（h）。
注：峰值日照时数是个等效时数，不是实际光照时长。
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、标称功率与转换效率的关系：标称功率= 1000W/㎡*电池片面积（㎡）*转换效率。
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、日照时数
： 是指太阳中心从出现在东方地平线到进入西方地平线，照射到地面所经历的时间。单位为小时(h)。
注：实际光照时长，可直观感觉到的时长。
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、安装容量： 光伏发电系统中安装的光伏组件的标称功率之和，单位是峰瓦（Wp）。
注：安装容量简单讲就是直流侧光伏阵列峰值功率之和，此功率并不是真实发电的瞬时功率。
10、额定容量： 光伏发电系统中安装的逆变器的额定有功功率之和，单位为瓦（W）。
注：额定容量就是交流侧实际输出最大有功功率。
11、容配比 ：光伏发电系统安装容量与额定容量的比值。
二、发电量
1 、直流侧
or
交流侧
根据上述基本概念，我们知道光伏发电站是有两个容量的，一个是安装容量，另一个是额定容量，两者其实分别代表直流侧和交流侧容量。此时，一个核心问题就出现了： 在进行项目发电量测算时，我们应该选择直流侧还是交流侧？先说结论：直流侧，下面将详述原因：
首先 ，我们要知道电池片的峰值功率是在STC条件下的瞬时功率（如下图中的W 3，其等于1000
W/㎡*转换效率*电池片面积），实际光照条件下，瞬时辐射强度往往是低于1000W/㎡的（我国绝大部分地区光资源日瞬时辐射强度是低于1000W/㎡的），因此W 瞬往往是低于W 3。
其次 ，要注意区分日照时数和峰值日照时数——太阳东升西落的时间是日照时数，在这个时间里不是所有光照辐射强度都能促使发电（低于一定辐射强度是无法进行发电的）； 峰值日照时数是一个等效值，是光照连续积分后的总辐射量（如下图T 1时段，即：8至17点，辐射量积分S等于S 1、S 2、S 3三部分面积之和）除以1000W/㎡的等效小时数，即：峰值小时数（下图T 2时段，当S 3和S 4面积之和等于S时，其所对应的小时数），而此时的1000W/㎡就是STC条件中的要素，这就可以理解为 将一段时间的总辐射量等效为电池片以峰值功率进行发电的小时数。
再次 ，要知道逆变器的额定功率会限制交流侧的输出功率， 理论上只要逆变器的额定功率（如下图W 2）大于等于直流侧的W 瞬，项目所发电就不会被交流侧额定功率所限制，也就是说并不要求一定大于等于直流侧的安装容量。以上也是光伏发电站为什么 存在容配比的原因，即：交流侧实际不需要配备与峰值功率对等的容量——逆变器容量越大成本越高，当交流侧容量超过一定值时，则会出现部分额定容量冗余的情况，此时如继续增加额定容量将只是增加了投资成本，并不能提高发电量，因此项目设定合理的容配比，可有效提高项目综合收益率）。
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