鄧英淘：太陽能資源的開發利用
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摘自鄧英淘《新能源革命與發展方式躍遷》
太陽能是一種取之不盡、用之不竭而又沒有污染的超潔淨可再生能源。在當前石油價格高企、全球變暖加劇的情況下，開發和利用這種可再生能源，意義十分重大。
據計算太陽的幅射能每秒放射出相當於3.75×1026瓦的能量，而其每秒抵達地面的能量亦高達80萬億千瓦，相當於550萬噸原煤的能量。地球每年接收的太陽能相當於目前地球上每年燃燒的固、液、氣體燃料的兩千倍左右。
在我國土地上的太陽幅射能約為1.2萬億千瓦，相當於十萬個發電量為1200萬千瓦發電廠的總和。如以高度現代化水平時人均裝機二千瓦計，則至21世紀50年代，當我國人口達到15億人時，全國總裝機約30億千瓦，僅相當於1.2萬億千瓦的0.25%；可見太陽能的潛力和開發前景是多麼鉅大。
本文共分兩個部分，第一部分介紹美國的太陽世紀計劃，第二部分對我國利用和開發太陽能光熱資源的一個可能前景略作描述。
一、美國的太陽世紀計劃
太陽能潛力鉅大，40分鐘內通過陽光抵達地球的能量，就相當於全球一年消耗的總能量。美國擁有的太陽能資源極為豐富，僅是西南地區就有65萬平方公里的土地，適合建造太陽能電站。這片土地每年接收的太陽能輻射超過450億億英熱單位（一英熱約等於1055焦耳），將其中2.5%的輻射轉化為電力，就能滿足2006年全美的能量需求。
目前的技術已經具備，肯．茨魏貝爾等三位學者因此制訂了一個宏大的計劃：到2050年，太陽能將為美國提供69%的電力和35%的總能量（包括交通工具耗能在內）。預計：這樣的電力能以每度電五美分的價格出售給消費者，與目前常規電力的電價相當。如果風能、生物質能和地熱資源都能得到開發的話，到2100年，美國所有的電力供應和所消耗能量的90%，都將由可再生能源提供。
要實現這一計劃，美國政府要在未來40年內投入4200億美元。太陽能電站幾乎不需要燃料，每年能節省數十億美元。這些基礎設施將取代三百座大型燃煤電站和三百多座大型燃氣電站，將它們所消耗的燃料全部節省下來。
由於太陽能技術幾乎沒有污染，該計劃每年將減少17億噸原本由常規電站排放的溫室氣體。通過太陽能電網補給燃料的充電式複合動力汽車也將取代常規汽車，會另外再削減19億噸溫室氣體。到2050年美國二氧化碳排放量將比2005年降低62%，為緩解全球變暖作出鉅大貢獻。
光伏電站
在過去幾年裡，光伏電池及其模塊的生產成本大大降低，這為光伏產業的大規模發展鋪平了道路。在現有的各種光伏電池中，由碲化鎘製造的薄膜電池最為便宜。為使太陽能發電成本在2020年降到每度電六美分，碲化鎘電池必須能將14%的太陽輻射轉換為電力，系統裝機容量的平均成本也必須降到每瓦1.5美元。目前，光伏模塊的光電轉換效率只有10%，裝機容量的平均成本約為每瓦四美元。但這項技術正在迅速發展：僅在過去一年裡，商業電池的效率就從9%提高到10%。
按照該計劃，到2050年，光伏技術將提供近30億千瓦的電力。為此，美國必須建造7.8萬平方公里的光伏電池陣列。這個數字聽起來十分龐大，但不妨換一種思路：如把煤礦的面積也計算在內，燃煤電站產生一百萬度電力所需的土地，其實比美國西南地區太陽能產生相同電力所需的土地更大。美國西南地區可利用的土地資源非常充足，無須徵用環境敏感、人口密集或地形複雜的地區。光伏電站特有的優勢（如不需要水），可把人們對環境問題的擔憂減至最小。
在美國國家可再生能源實驗室，碲化鎘光伏電池的效率已達到16.5%，並且仍在昇高，但目前商業電池的效率還達不到這一水平。但至少有一家生廠商——First Solar公司已將光電轉換效率從2005年的6%提高到了2007年的10%，並預計在2010年達到11.5%。
壓縮儲能
太陽能的最大局限是：陰天和夜晚幾乎發不了電。因此，陽光明媚時生產出的多餘電力，必須儲存起來以供夜晚使用。然而，電池之類的大多數儲能系統都十分昂貴，且效率較低。
壓縮空氣儲能方式是一種相當成功的替代方案。用光伏電站產生的電力來壓縮空氣，將空氣泵入地下空洞、廢棄礦坑、含水土層和廢棄的天然氣井中。需要時，再將壓縮空氣釋放出來，通過燃燒少量天燃氣加以輔助，便能推動渦輪產生電力。德國亨托夫市的壓縮空氣儲能站早在1978年就開始運行，至今仍安全可靠地提供電力；美國麥金托市的同類電站也從1991年運行至今。目前，壓縮空氣儲能站消耗的天然氣，只有傳統燃氣電站的40%。如採用更好的餘熱回收技術，該數還可降至30%。
美國電力研究所的研究顯示，現有壓縮空氣儲能成本約是鉛蓄電池的一半；研究還指出，這些設施的成本分攤到電價上，將使2020年時美國的太陽能電價增加3~4美分，達到每度電8~9美分。
美國西南地區光伏電站生產的電力，將通過高壓直流輸電輸送到全國各地的壓縮空氣儲能站，那裡的渦輪發電機再不分晝夜地生產電力。美國電力研究所和天然氣業界共同繪製的地圖顯示，地質構造適合建造壓縮空氣儲能站的地區佔美國國土面積的四分之三，而且往往靠近大都市。實際上，這種儲能系統與美國天然氣存儲系統非常類似。天然氣業界在四百個地下貯存庫中存儲的天然氣總量達2300億立方米。預計到2050年，美國將需要150億立方米的存貯空間，來容納壓強為75個標準大氣壓的壓縮空氣。儘管技術開發仍有難度，但可供選擇的地下貯存庫數量豐富，天然氣業界投資壓縮空氣儲能網絡也是理所當然的事。
聚光太陽能電站
在計劃中，太陽電力中有五分之一將由另一項技術提供，即「聚光太陽能發電」技術。其中，長長的金屬反射鏡槽把陽光聚焦在一根充滿液體的管道上，如一個鉅大的放大鏡那樣加熱液體，熱液穿過一個熱交換器，產生蒸汽推動渦輪旋轉發電。
為了儲存能量，被加熱的液體沿著管道流經一個鉅大的隔熱容器，容器充滿了熔鹽—它們可以有效保持熱量。這些熱量在夜晚被提取出來，產生蒸汽。儲存的熱量要在一天內提取出來用掉。
美國有九座聚光太陽能電站已安全運行多年，總裝機容量達35.4萬千瓦，但它們不具備儲熱功能。第一座具備儲熱功能的商業化電站正在西班牙建造，這個五萬千瓦的電站配有可持繼放熱七小時的熔鹽儲能裝置。世界各地都在建造類似的裝置。在此計劃中，這種電站需配備可維持16小時的儲能裝置，讓電站能24小時不間斷地發電。
現有的電站證明，聚光太陽能電站是可行的，但必須降低成本；而規模經濟和進一步的改進研究都會對此有所幫助。最近的一份評估報告指出：如四百萬千瓦的太陽能電站能夠建成，到2015年，聚光太陽能電站的發電成本就有可能低於每度電十美分。提高熱交換液體的溫度，可提高發電效率；專家還在研究如何將熔化鹽本身用作熱交換液體，來減小熱量損失，這樣也可降低投資成本，但此需要更耐腐蝕的管道。
上述兩種太陽能發電技術都還沒有完全發展成熟，因此，該計劃在2020年以前，對它們同時進行大規模開發。多種太陽能技術的組合使用或許更符合經濟學的要求。
2100年的遠景
按照該計劃，到2100年，包含交通耗能在內的全美能量總需求將達到14億億英熱，發電裝機容量將是目前的七倍。在採取了最保守的策略後（如假設從2020~2100年，在太陽能利用方面沒有出現任何技術改進和成本降低），美國將用以下方式滿足能量需求：光伏電站產生的電力，29億千瓦直接併入電網，另外7.5億千瓦用於壓縮空氣儲能；聚光太陽能電站產生23億千瓦的電力；分散式光伏發電設備還將輸出13億千瓦的電力。除此之外，風力電站將提供十億千瓦的電力，地熱電站提供二億千瓦電力，生物質燃料提供的能量相當於2.5億千瓦電力。這個模型中還包括五億千瓦地熱泵，直接給建築物加熱或者冷卻。所有的太陽能設備將佔地50.5萬平方公里，仍然小於美國西南地區適宜開發太陽能的土地面積。
到2100年，美國所有的電力供應和所消耗能量的90%，都將由可再生能源提供。在春季和夏季，太陽能基礎設施將產生足夠的氫，除了滿足90%的交通燃料需求以外，還將取代在壓縮空氣渦輪中起到輔助作用的少量天然氣。此外，480億加侖的生物質燃料將補足餘下10%的交通能量需求。與能量有關的二氧化碳排放量將比2005年減少92%。
二、中國的太陽能利用前景
到21世紀50年代末，我國將實現高度現代化，屆時人口達15億人，人均用電量約六千度，總用電量約九萬億度。
其中，各種電能的供應結構大體如下：水電四億千瓦，年利用4500小時，供應電能為1.8萬億度；可設核電提供的電能佔總電能的20%，則其供應電量1.8萬億度；風能裝機五億千瓦，年利用三千小時，年發電量為1.5萬億度；利用生物質能4.5億噸（約合三億噸標煤），年發電量一萬億度；以六億噸標煤（約合原煤8.4億噸）用於發電，年發電量兩萬億度。
以上五項總計8.1萬億度，其餘約一萬億度的電量由太陽能提供，如設年利用1500小時，則太陽能電站需裝機約六億千瓦。太陽能提供能源主要分成以下三種方式：一種為集中式的光伏電站，一種為集中式的聚光電站，一種為利用房頂面積的分佈式供能裝置。下面對此分別略加討論。
我國太陽能資源的分佈類型
我國各地太陽能輻射年總量大致在每年80~200千卡平方釐米之間。每年140千卡平方釐米的等值線的走向和森林與草原分界線大體一致，它將全國分為西北與東南兩大部分，西北高於東南。這是因為西北受乾旱大陸性氣候影響，降水少，晴天多，所以其接受的太陽總輻射較東南為高。
根據我國各地太陽能資源的多少，可把全國劃分為以下五種類型區。
第I類地區：全年日照時數2800~3300小時，太陽能資源每年160~200千卡平方釐米，每年一平方米所接受的太陽熱量相當於燃燒285公斤標煤：寧夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部、西藏。
第II類地區（指標同上，下同）：3000~3300小時，140~160千卡平方釐米，228公斤標煤：河北西北部、山西北部、內蒙、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部、新疆南部。
第III類地區：2200~3000小時，120~140千卡平方釐米，兩百公斤標煤：山東、河南、河北東南部、山西南部、北疆、吉林、遼寧、陝西北部、甘肅東南部、雲南、廣東南部、福建南部。
第IV類地區：1400~2200小時，100~120千卡平方釐米，171公斤標煤：湖北、湖南、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陝西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江。
第V類地區：1000~1400小時，80~100千卡平方釐米，143公斤標煤：四川、貴州。
從上述我國太陽能資源的類型看，太陽輻射的年總量在分佈上差異很大，這主要是受太陽高度角的變動、雲量的變化等因素的制約，從而形成各地分佈不均的狀況。但是，總的來看，我國太陽能資源十分豐富的地區佔全國總面積的三分之二以上。
我國各地根據不同條件，已發展了太陽灶、熱水器、製冷取暖、溫室、發電等利用方式，節省了一定數量的燃料，其中尤以太陽能熱水器最為普遍，年產熱水器面積一千多萬平方米，累計已達兩億平方米左右，目前我國是世界上生產太陽能熱水器最多的國家。
但太陽能的大規模利用，由於受各種因素的限制，長期以來發展緩慢。不過，由前述第一節的介紹可知，近十年以來，在大規模集中利用太陽能的技術方面，進展很快，已離根本性的突破相距不遠。對此，我國與世界先進水平的差距很大，特別是在工程放大和產業化方面，差距尤為明顯。例如，目前世界上已有數百座高溫太陽爐，在20世紀80年代，最大的一座在法國，它的聚光鏡有九層樓高，中心溫度可達攝氏四萬度，輸出功率約一千千瓦。再如，前述第一節提到國際上各種太陽能利用設施，在我國均未見諸報道。因此，如何儘快縮小這種差距，實乃亟待考慮和解決的戰略性課題。
大規模集中式的太陽能發電設施
先看太陽能光伏電站。我國大規模光伏電站的首選場地應為騰格里沙漠。它位於雅布賴山與賀蘭山之間，面積約4.3萬平方公里（其中3.3萬平方公里位於內蒙，其餘一萬平方公里分屬甘肅和寧夏），南臨黃河，北至中蒙邊界。該區地勢平坦，降水量100~150毫米；全年10℃的積溫在3300~3400℃，屬於我國第I類和II類光照條件最好的地區。
根據前述第一節所提供的參數：美國南加州地區7.8萬平方公里的沙漠面積可提供近30億千瓦的電力。據此，則只需在騰格里沙漠開闢出兩萬平方公里的面積，就可使其光伏電站的裝機達到7.7億千瓦；如年利用1500小時，則總發電量為1.16萬億度。如向西拓展至巴丹吉林沙漠（4.4萬平方公里），還可開闢出不少於兩萬平方公里的面積；在總計四萬平方公里的沙漠上可裝機15.4億千瓦，年發電總量2.3萬億度。
這個大面積光伏電站的選址還有以下幾大優點：其一，它與我國蒙寧陝晉的煤炭、油氣基地和火電基地相毗鄰，較易解決貯能問題。其二，可以就近利用我國西電東送的北線，不需建設新的高壓輸電線路。其三，它位於我國陸上風能最佳區域南緣—世界上最佳的北緯西風環流帶，可實現風光互補發電。其四，如需建設太陽能聚光電站，使用蒸汽輪機發電，可就近從黃河取水，水源有充分保障。
關於儲能問題可作如下考慮：由第一節的描述可知，為解決30億千瓦光伏電站的壓縮空氣儲能問題，需配置150億立方米的存儲空間，即每億千瓦的光伏電站要配有五億立方米的存貯空間。那麼，上述7.7億千瓦的騰格里光伏電站，需配有約40億立方米的存貯空間；就現有的資料可知，僅山西省就已累計採出煤炭數十億噸，其已廢棄的礦井就夠壓縮空氣存貯空間的大半之用。如展望未來二、三十年，這就更不成為問題。（註：目前陝北蘇里格氣田已探明的天然氣儲量達五千億立方米，現已向華北（包括北京）年輸氣數十億立方米。隨著這些天然氣的開發，那些採空的氣井均可作存貯壓縮空氣之用。）
關於風光互補問題：在上述北緯西風環流帶內的我國諸省區，十米以下高度內的可開發風能約有2.5億千瓦，如展高至40~50米的高度，其可開發的風能將超過五億千瓦。內蒙古中西部是我國唯一連成一片的太陽能和風能都豐富的地區。這一區域太陽月總輻射量最小值出現在12月，最大值出現在6~7月。9、10月冷空氣開始南侵，每7~10天就有一次，每當冷空氣過境，就有5~6級以上的大風，所以冬半年風大。夏半年冷空氣勢力減弱，地面為熱低壓佔據，由於水平氣壓梯度小，風力不大。故而兩種能源出現的最大和最小值的時間是相反的，恰好補充了兩者各自的不足，是我國綜合利用太陽能∼風能最優越的地區。如此，電網的供電負荷將更為均衡，同一單位的存貯空間，可供兩種能源貯能之用。
再看太陽能聚光（熱）電站。由前述可知，新疆的東南部是我國太陽輻射的最高值區，在吐∼哈盆地、羅布泊一帶至少可闢出不少於四萬平方公里的面積，建立太陽能聚光（熱）電站。由前面相應的參數可知，其總裝機可達15億千瓦，年利用1500小時，發電量為2.3萬億度。
由於塔里木盆地下面貯有數萬億立方米的地下水（大部分為苦鹹水，但最近有報道稱，在羅布泊下面發現了數百億立方米的淡水資源）；因此，用太陽能電站抽取地下水，作為儲能介質和冷卻用水，應無問題。另外，在發電的過程中，可利用蒸汽餘熱及周邊的太陽能光熱資源聯產淡水，為種植高品質作物提供水源，並兼收改造沙漠之效。
這種模式的開發還可拓展至塔里木盆地的其他地區，如臺特瑪湖一帶、盆地南緣，在用太陽能聚光（熱）發電的過程中，聯產淡水，可實現對沙漠的大規模改造，其前景未可限量。
分佈式的太陽能利用
展望21世紀中葉，我國農村居民的生活和生產方式也將實現高度現代化，屆時農村人口約為三億人（其中農業人口約為兩億人左右），居住在縣級市及其以下的小城鎮人口約為五億人左右。
對於三億農村人口而言，如以人均住房建築面積60平方米及樓層不超過兩層來計算，則其屋頂面積不少於90億平方米。對後一部分的五億城鎮人口而言，人均住房建築面積50平方米，樓層平均為五層，則其屋頂面積約50億平方米。兩者之和為140億平方米。
根據工程院院士翁史烈提供的參數，如在140億平方米的房頂上安裝太陽能熱水系統，則可替代約24億噸標煤。140億平方米等於1.4萬平方公里，以前述每萬平方公里裝機3.85億千瓦的一半和年利用一千小時來計算，如在太陽能熱水系統上面相隔兩米再裝一層光伏發電系統，則140億平方米的面積可裝機約2.7億千瓦，年發電量2700億度。
若以高度現代化水平時人均消費能源四噸標煤來計算，則上述八億人口需消費的能源總量為32億噸標煤（包括生活和生產的全部用能）。上述雙層分佈式太陽能屋頂設施所提供的約25億噸標煤（2700億度電折合約一億噸標煤），佔32億噸標煤的78%。若再加上數十億噸的畜禽糞便所提供的沼氣、數億噸秸稈和分佈式的風電系統，則居住在縣域八億人口的現代化能源消費量便可全部由可再生能源來滿足。（註：這是從能量總量上來說的，對於具體的用能形態而言，現代技術的進展也提供了相應的解決方案。例如，太陽能熱水系統的出水溫度只要達到60℃以上時，便可用溴化鋰作介質實現直接製冷，不需發電這一環節；而美國的空調用電量達到總用電量的15~17%。又如，通過秸稈汽化製合成氣，經過催化可成二甲醚，後者是超清潔的交通運輸工具的燃料。）
三、小結
展望未來50~100年，我國大規模集中式的太陽能電站面積可逐步發展到八萬平方公里以上，總裝機30億千瓦，年發電量約4.6萬億度，佔總用電量九萬億度的一半以上。在這個過程中，煤電和核電可逐步收縮至一定規模，以完成電能來源的可更新化。
通過分佈式的太陽能利用設施，可實現對25億噸標煤的替代，這為生活在縣域的八億人口（含三億左右的農村人口），可提供現代化水平的全部生活用能以及相當一部分生產用能。如再利用由畜牧業提供的沼氣能源、部分秸稈資源和分佈式的風能系統，這八億人口的現代化生產和生活的能源供應將全面實現可更新化。
摘自鄧英淘：《新能源革命與發展方式躍遷》，大風出版社2011年
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