2008-06-23
作者：邢永愛
一、全球能源緊缺，人類持續發展面臨危機
在人類文明進程跨入21世紀的今天，確保能源供應是人類社會發展中一個十分重要的課題。目前，人們享受著飛機、火車、輪船以及各種高科技產品帶來的巨大便利，然而，隨著煤炭、石油和天然氣等傳統化石能源的大量消耗，人們也產生了深刻的危機感，據各國政府及專家公認統計數字，目前全球石油已知儲量可開采約40年，天然氣已知可開采約50年，原煤已知可開采約200年；而我國可采儲量的化石能源僅為：原煤114.5年，原油僅20.1年，天然氣僅49.3年。即使樂觀的認為還存在許多未探明的儲量，但以目前可預見的開采技術和條件，對這部分資源的開發成本也將提升到可能不具備開發價值的程度。
地球上超過50億年積累的能源，在幾十上百年間即被人類文明耗盡，能源危機正逐漸蔓延到世界的任何一個角落，成為經濟社會發展的一個瓶頸，不僅羈絆了全球經濟發展，也成為全球政治、軍事沖突的重要因素。所以，不論國內還是世界來看，全球性的能源危機已非常突出。與此同時，燃燒這些煤炭、石油、天然氣等化石能源釋放出的大量二氧化碳，所造成的環境污染和導致的溫室效應，可能在這些能源被耗光之前，就已經把地球環境破壞到人類無法居住的程度，目前全球二氧化碳排放量已經超過300億噸，如不加控制，這一數字將在2030年達到400億噸，其中我國將占據1/4的比例。因此，大力發展可再生能源，已成為人類可持續發展和生存延續的首要問題。目前，可供人類利用的可再生能源主要有生物質能、水能發電、風能發電和太陽能發電。
二、幾種最主要能源對比分析
1、生物質能
生物質能的能量轉換路線，是由植物光合作用積累太陽能輻射，進而轉化為機械能或電能，同時，目前生物質能另外一個比較公認的利用方式是轉換成乙醇等。數據表明，每生產一噸酒精需要消耗3—3.5噸玉米，而目前植物光合作用的光能利用率平均僅為0.2%，最高也只有1—2%，玉米一般為1.2%，則其對太陽能的轉換效率為0.34%轉變成乙醇，倘若轉換為電能，其效率將更低，僅有0.13%。
現在國內外有相當部分人大力倡導生物質能，但由于土地有限，尤其是必須考慮到不與民爭糧，不與糧爭地等問題，生物質能是有限的。目前我國玉米每公頃產量5噸—10噸左右，2007年我國消耗3.4億噸原油，假設其中不到1/3也就是1億噸，用玉米生產生物酒精來替代，則需要消耗3.5億噸生物能源，也就是需要至少7000萬公頃土地來生產這些生物能，相當于占用我國目前耕地總面積1.3億公頃的50%還多。此外，大量生物質作為能源使用，會進一步打破生態系統中“生產—消費—分解—再生產”的自然生態循環系統，降低生態系統的生產潛力，加重危害生態系統的健康與可持續發展。對于耕地面積有限、生態嚴重退化和生物質存量有限的我國來說，生物質能的大范圍發展和應用既不可能也不現實。
2、水電
水電的能量轉換是經由“太陽能輻射——水蒸發——水能——電能”這一過程。盡管我國河流水能資源蘊藏量達到6.76億千瓦，其中經濟可開發水能資源大約3.78億千瓦，但是其中有近一半的水能資源因在開發過程中要淹沒大量良田，以及遷徙大量移民而不具有開發價值，尤其是大型水壩建設關乎民生、政治、經濟、文化、生態、環保等諸多問題，導致開發的經濟和社會成本大幅増加，比如三峽水庫評估了40年后才建成，周期太長，成本太高，代價太大。
雖然水電發電過程不會產生污染性廢物，屬于比較理想的清潔能源，但是其對局部生態環境的破壞是非常明顯的。在過去，水壩被認為是解決洪水或水災、灌溉、航運、發電、蓄水問題的首要選擇。但今天人們逐漸認識到水庫中的水會從水表大面積蒸發掉，或由于藻類的過度生長而變成死水，尤其是水壩切斷了魚類遷徙路線，如三峽大壩建設完工后，嚴重影響了我國珍稀動物中華鱘的繁殖，還造成了水庫的泥沙淤積，需要花費大量資金來修復或重建。埃及阿斯旺大壩在上世紀70年代竣工，一度成為埃及的驕傲，然而近年來埃及政府發現，它嚴重破壞了尼羅河流域的生態平衡，引發出一系列生態災難，突出的比如兩岸土壤大量鹽漬化，河口三角洲劇烈收縮，血吸蟲病廣泛流行等。類似的嚴重問題也出現在肯尼亞的姆韋亞水電站、中國臺灣的美濃水庫等很多地方。2003年底，在泰國召開的第二次世界反水壩大會，終于對水壩利弊提出了全球性質疑。許多國家已陸續忍痛拆除大壩，拆壩及恢復江河生態的費用大大高于當初建壩成本，這樣水力發電的“可再生性”以及對生態環境的影響等需重新評估。
3、風電
風電的能量轉換路線主要是太陽輻射加熱空氣后形成的對流，也就是風經由風輪機轉換為電能。權威數據表明，到達地球的太陽能中約2％可以轉化為風能，部分可經過風力發電機轉化為電能。如果直接計算從太陽能到電能的轉換效率，則低于0.5%。根據全國陸地上900多個氣象站分析估算，我國風能資源蘊藏量約32.26億千瓦，但在10米高空的可開發利用風電資源僅為2.53億千瓦，而且主要集中在東南沿海地區風能豐富帶、"三北"（東北、華北、西北）地區風能豐富帶、內陸局部風能豐富地區。由于風能本身存在密度低、不穩定、地區差異大、廣域分散性、隨機性和能量的低密度性等問題，以及風場建設的條件要求高，開發難度很大。風電建設選址對自然環境(風速)要求較高，光測風階段就要歷時1年以上。同時，由于風速的不可控性，利用小時數低,通常只有2000小時/年左右。
目前一般每平方公里風力發電的裝機容量為0.6—1萬千瓦，相比之下，太陽能發電按目前比較保守的技術水平計算，每平方公里裝機容量可達5—10萬千瓦。考慮我國風能資源豐富地區集中于東南沿海發達地區、內蒙的草原地區，開發風電所需要的大面積土地將是一個非常棘手的難題，一個100萬千瓦的風電站占地面積達到100多平方公里，對電網電力輸送也將造成困難。而且，根據歐美大力開發風電的經驗，風力發電必然對當地的區域生態造成不良影響，阻滯或減緩大氣層對流，以中國而言，倘若在東南沿海大范圍開發風電，將對給中國大陸帶來大量降水的東南季風形成攔截，導致大陸降水減少，甚至可能引起內陸水能、植被等生態的連鎖損害，沙漠化將進一步加劇。此外，風電設備采用風輪機等機械傳動裝置，大規模應用的后期維護成本和難度較高。
4、太陽能發電
太陽能發電的能量轉換路線是直接將太陽輻射能轉換為電能，是所有可再生能源中對太陽能的轉換環節最少、利用最直接的。一般來說，在整個生態環境的能量流動中，隨著轉換環節的增加，轉換鏈條的拉長，能量的損失將呈幾何級增加，并同時大大增加了整個系統的運作成本和不穩定性。目前，晶體硅太陽能電池的轉換效率實用水平在15—20%之間，實驗室水平最高可達35%。因此，從這個角度講，太陽能發電是我們目前可以使用的能源中一次性轉換效率最高，并且使用最簡單、最可靠、最經濟的新興能源。
我國幅員廣闊，有著十分豐富的太陽能資源，全國有三分之二的國土面積，每平方米太陽能年輻射總量為3350—8400兆焦，平均為5860兆焦（相當于199kg標準煤），每年地表吸收的太陽能大約相當于2.4萬億噸標準煤的能量，相當于我國2007年全國能源消耗總量26.5億噸標準煤的905倍。其中西藏西部是我國太陽能資源最富集的地區，最高達2333 千瓦時/平方米（日輻射量6.4千瓦時/平方米），居世界第二位，僅次于非洲撒哈拉大沙漠。我國現有沙漠化土地面積達100萬平方公里左右，并且呈逐年擴大的趨勢，主要分布在太陽能資源比較豐富的西北和西南地區，假設將這些沙漠化土地的1%，用來安裝并網光伏發電系統，按目前比較保守的100Wp/m2技術水平計算，裝機容量即可達到10億千瓦，而2007年全國發電總裝機容量僅為7.13億千瓦。
三、太陽能光伏發電前景無限廣闊
從本質上講，前三種能源實際上都是太陽能的某種轉換形式和轉化環節，其根本還是來源于太陽輻射產生的能量。綜合來看，在資源條件尤其是土地資源方面，生物能、風能是很苛刻的，而太陽能則很靈活和廣泛。開發這些能源都需要占地，如果說太陽能發電要占用土地面積為1的話，風力則是太陽能的8—10倍，生物能則達到100倍。而水電，一個大型水壩的建成往往需要淹沒數十到上百平方公里的廣袤土地。此外，太陽能發電實際上不需要占用額外的土地，屋頂、墻面都可成為其應用的場所，還可以利用我國廣闊的沙漠地區，以中國最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠為例，通過在沙漠上建造太陽能發電基地，既穩固了原來不斷吞噬綠地的沙丘，又向自然索取了我們需要的清潔可再生能源。當然同時需采取必要手段和措施減少沙塵暴對發電設施的損害。
由于太陽能電池板的遮蓋，降低了沙漠地帶直射到地表的太陽輻射，有效降低地表溫度，減少蒸發量，進而使得植物的存活和生長相當程度上成為可能。沙漠變綠洲，可有效遏制和改善我國土地沙漠化加劇的趨勢，并可隨著太陽能電站的逐步延伸，將大漠變成沃土。而在能量的投入產出比方面，目前光電已可普遍達到5～10倍，最新的技術已經達到18倍。另外，目前每千瓦光伏電能建設成本為3—5萬元，但我們完全有理由相信，隨著太陽能光伏發電的大規模應用和推廣，尤其是上游晶體硅產業和光伏發電技術的日趨成熟，建筑中房頂、外墻等平臺的復合開發利用，每千瓦光伏電能的建設成本將在2010年前后達到7000元—1萬元左右，這將具有相當的競爭優勢。從可開發的資源蘊含量來看，生物質能1億千瓦，水電3.78億千瓦，風電2.53億千瓦，而太陽能是21039億千瓦，只需開發1%即達到210億千瓦，從比例看，生物質能占0.46%，風電占1.74%，水電1.16%，光電96.64%；從目前各種發電方式的碳排放率（g碳/KWH）來看，不計算其上游環節：煤電為275克，油發電為204克，天然氣發電為181克，風力發電為20克，而太陽能光伏發電則接近零排放。并且，在發電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪音，不產生對人體有害物質，因而不會污染環境。因此，太陽能發電也是我們目前可以使用的能源中最環保、最經濟的能源。
近年來，隨著太陽能光伏發電的大規模應用、快速發展和巨大前景，其上游的多晶硅生產技術已和電腦、半導體等產品一樣，大規模、產業化生產應用技術已很成熟和完善，尤其是從國內及全球現有生產工藝來看，完全可以確保整個多晶硅生產實現整個產業鏈和系統內部的封閉運行，從而達到零排放的水平。近些年來，全球太陽能光伏產業得到了迅猛發展，近10年光伏產業平均年增長率為41.3%，近5年為49.5%，2007年比2006年增長56.2%。2007年我國成為全球太陽能第一生產大國，產量1062.8MW，占全球產量4000.05MW的26.6%，但我國太陽能發電市場發展卻極為緩慢，截止2007年底累計裝機不足全球的1%，產業和市場極不平衡。鑒于光伏產業在我國資源上的獨特、巨大的優勢，長久、安全、方便、普遍、管理和維護簡單，運行成本低等顯著特點。國家應優先發展光電，配套相關政策，大力扶持處于發展初期的光電產業，成為新的經濟增長點，參加全球經濟競爭。
展望未來，放眼全球，歐盟預計能夠在2010年安裝3GW（百萬千瓦）的光伏發電裝置，在2030年安裝的光伏發電裝置可能增加到200GW左右，全世界可能會達到1000GW。在世界太陽能大會期間發布的《中國光伏發展報告》指出,中國太陽能光伏發電發展潛力巨大,到2030年光伏裝機容量將達1億千瓦,年發電量可達1300億千瓦時, 建筑并網光伏系統和大規模光伏荒漠電站這兩種形式將逐漸成為中國光伏市場的主流。同時,太陽能光伏發電可以繼續在解決中國偏遠地區老百姓用電和脫貧方面發揮重要作用。隨著化石能源的逐漸耗竭以及太陽能技術和產業規模的進一步發展，太陽能最終將以其高轉換效率、簡單、可靠、經濟和環保等特性，成為人類未來的能源之星。我們完全可以展望，太陽能發電的大規模利用，對環境的影響和破壞將得到充分遏制，那時候汽車不排尾氣了，煙囪不冒煙了，青山綠水，鳥鳴山澗，湖光山色，整個地球將是一個童話的世界。