2008-06-23
作者：邢永愛(ài)
一、全球能源緊缺，人類(lèi)持續發(fā)展面臨危機
在人類(lèi)文明進(jìn)程跨入21世紀的今天，確保能源供應是人類(lèi)社會(huì )發(fā)展中一個(gè)十分重要的課題。目前，人們享受著(zhù)飛機、火車(chē)、輪船以及各種高科技產(chǎn)品帶來(lái)的巨大便利，然而，隨著(zhù)煤炭、石油和天然氣等傳統化石能源的大量消耗，人們也產(chǎn)生了深刻的危機感，據各國政府及專(zhuān)家公認統計數字，目前全球石油已知儲量可開(kāi)采約40年，天然氣已知可開(kāi)采約50年，原煤已知可開(kāi)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(lè )觀(guān)的認為還存在許多未探明的儲量，但以目前可預見(jiàn)的開(kāi)采技術(shù)和條件，對這部分資源的開(kāi)發(fā)成本也將提升到可能不具備開(kāi)發(fā)價(jià)值的程度。
地球上超過(guò)50億年積累的能源，在幾十上百年間即被人類(lèi)文明耗盡，能源危機正逐漸蔓延到世界的任何一個(gè)角落，成為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的一個(gè)瓶頸，不僅羈絆了全球經(jīng)濟發(fā)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(lái)看，全球性的能源危機已非常突出。與此同時(shí)，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(huán)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(jīng)把地球環(huán)境破壞到人類(lèi)無(wú)法居住的程度，目前全球二氧化碳排放量已經(jīng)超過(guò)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(fā)展可再生能源，已成為人類(lèi)可持續發(fā)展和生存延續的首要問(wèn)題。目前，可供人類(lèi)利用的可再生能源主要有生物質(zhì)能、水能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電。
二、幾種最主要能源對比分析
1、生物質(zhì)能
生物質(zhì)能的能量轉換路線(xiàn)，是由植物光合作用積累太陽(yáng)能輻射，進(jìn)而轉化為機械能或電能，同時(shí)，目前生物質(zhì)能另外一個(gè)比較公認的利用方式是轉換成乙醇等。數據表明，每生產(chǎn)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(yáng)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(zhì)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(wèn)題，生物質(zhì)能是有限的。目前我國玉米每公頃產(chǎn)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(chǎn)生物酒精來(lái)替代，則需要消耗3.5億噸生物能源，也就是需要至少7000萬(wàn)公頃土地來(lái)生產(chǎn)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(zhì)作為能源使用，會(huì )進(jìn)一步打破生態(tài)系統中“生產(chǎn)—消費—分解—再生產(chǎn)”的自然生態(tài)循環(huán)系統，降低生態(tài)系統的生產(chǎn)潛力，加重危害生態(tài)系統的健康與可持續發(fā)展。對于耕地面積有限、生態(tài)嚴重退化和生物質(zhì)存量有限的我國來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)能的大范圍發(fā)展和應用既不可能也不現實(shí)。
2、水電
水電的能量轉換是經(jīng)由“太陽(yáng)能輻射——水蒸發(fā)——水能——電能”這一過(guò)程。盡管我國河流水能資源蘊藏量達到6.76億千瓦，其中經(jīng)濟可開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)過(guò)程中要淹沒(méi)大量良田，以及遷徙大量移民而不具有開(kāi)發(fā)價(jià)值，尤其是大型水壩建設關(guān)乎民生、政治、經(jīng)濟、文化、生態(tài)、環(huán)保等諸多問(wèn)題，導致開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟和社會(huì )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(cháng)，成本太高，代價(jià)太大。
雖然水電發(fā)電過(guò)程不會(huì )產(chǎn)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(tài)環(huán)境的破壞是非常明顯的。在過(guò)去，水壩被認為是解決洪水或水災、灌溉、航運、發(fā)電、蓄水問(wèn)題的首要選擇。但今天人們逐漸認識到水庫中的水會(huì )從水表大面積蒸發(fā)掉，或由于藻類(lèi)的過(guò)度生長(cháng)而變成死水，尤其是水壩切斷了魚(yú)類(lèi)遷徙路線(xiàn)，如三峽大壩建設完工后，嚴重影響了我國珍稀動(dòng)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(lái)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(lái)埃及政府發(fā)現，它嚴重破壞了尼羅河流域的生態(tài)平衡，引發(fā)出一系列生態(tài)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(chóng)病廣泛流行等。類(lèi)似的嚴重問(wèn)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(kāi)的第二次世界反水壩大會(huì )，終于對水壩利弊提出了全球性質(zhì)疑。許多國家已陸續忍痛拆除大壩，拆壩及恢復江河生態(tài)的費用大大高于當初建壩成本，這樣水力發(fā)電的“可再生性”以及對生態(tài)環(huán)境的影響等需重新評估。
3、風(fēng)電
風(fēng)電的能量轉換路線(xiàn)主要是太陽(yáng)輻射加熱空氣后形成的對流，也就是風(fēng)經(jīng)由風(fēng)輪機轉換為電能。權威數據表明，到達地球的太陽(yáng)能中約2％可以轉化為風(fēng)能，部分可經(jīng)過(guò)風(fēng)力發(fā)電機轉化為電能。如果直接計算從太陽(yáng)能到電能的轉換效率，則低于0.5%。根據全國陸地上900多個(gè)氣象站分析估算，我國風(fēng)能資源蘊藏量約32.26億千瓦，但在10米高空的可開(kāi)發(fā)利用風(fēng)電資源僅為2.53億千瓦，而且主要集中在東南沿海地區風(fēng)能豐富帶、"三北"（東北、華北、西北）地區風(fēng)能豐富帶、內陸局部風(fēng)能豐富地區。由于風(fēng)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(wèn)題，以及風(fēng)場(chǎng)建設的條件要求高，開(kāi)發(fā)難度很大。風(fēng)電建設選址對自然環(huán)境(風(fēng)速)要求較高，光測風(fēng)階段就要歷時(shí)1年以上。同時(shí)，由于風(fēng)速的不可控性，利用小時(shí)數低,通常只有2000小時(shí)/年左右。
目前一般每平方公里風(fēng)力發(fā)電的裝機容量為0.6—1萬(wàn)千瓦，相比之下，太陽(yáng)能發(fā)電按目前比較保守的技術(shù)水平計算，每平方公里裝機容量可達5—10萬(wàn)千瓦。考慮我國風(fēng)能資源豐富地區集中于東南沿海發(fā)達地區、內蒙的草原地區，開(kāi)發(fā)風(fēng)電所需要的大面積土地將是一個(gè)非常棘手的難題，一個(gè)100萬(wàn)千瓦的風(fēng)電站占地面積達到100多平方公里，對電網(wǎng)電力輸送也將造成困難。而且，根據歐美大力開(kāi)發(fā)風(fēng)電的經(jīng)驗，風(fēng)力發(fā)電必然對當地的區域生態(tài)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(kāi)發(fā)風(fēng)電，將對給中國大陸帶來(lái)大量降水的東南季風(fēng)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(tài)的連鎖損害，沙漠化將進(jìn)一步加劇。此外，風(fēng)電設備采用風(fēng)輪機等機械傳動(dòng)裝置，大規模應用的后期維護成本和難度較高。
4、太陽(yáng)能發(fā)電
太陽(yáng)能發(fā)電的能量轉換路線(xiàn)是直接將太陽(yáng)輻射能轉換為電能，是所有可再生能源中對太陽(yáng)能的轉換環(huán)節最少、利用最直接的。一般來(lái)說(shuō)，在整個(gè)生態(tài)環(huán)境的能量流動(dòng)中，隨著(zhù)轉換環(huán)節的增加，轉換鏈條的拉長(cháng)，能量的損失將呈幾何級增加，并同時(shí)大大增加了整個(gè)系統的運作成本和不穩定性。目前，晶體硅太陽(yáng)能電池的轉換效率實(shí)用水平在15—20%之間，實(shí)驗室水平最高可達35%。因此，從這個(gè)角度講，太陽(yáng)能發(fā)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(jiǎn)單、最可靠、最經(jīng)濟的新興能源。
我國幅員廣闊，有著(zhù)十分豐富的太陽(yáng)能資源，全國有三分之二的國土面積，每平方米太陽(yáng)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(yáng)能大約相當于2.4萬(wàn)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(yáng)能資源最富集的地區，最高達2333 千瓦時(shí)/平方米（日輻射量6.4千瓦時(shí)/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(wàn)平方公里左右，并且呈逐年擴大的趨勢，主要分布在太陽(yáng)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(lái)安裝并網(wǎng)光伏發(fā)電系統，按目前比較保守的100Wp/m2技術(shù)水平計算，裝機容量即可達到10億千瓦，而2007年全國發(fā)電總裝機容量?jì)H為7.13億千瓦。
三、太陽(yáng)能光伏發(fā)電前景無(wú)限廣闊
從本質(zhì)上講，前三種能源實(shí)際上都是太陽(yáng)能的某種轉換形式和轉化環(huán)節，其根本還是來(lái)源于太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的能量。綜合來(lái)看，在資源條件尤其是土地資源方面，生物能、風(fēng)能是很苛刻的，而太陽(yáng)能則很靈活和廣泛。開(kāi)發(fā)這些能源都需要占地，如果說(shuō)太陽(yáng)能發(fā)電要占用土地面積為1的話(huà)，風(fēng)力則是太陽(yáng)能的8—10倍，生物能則達到100倍。而水電，一個(gè)大型水壩的建成往往需要淹沒(méi)數十到上百平方公里的廣袤土地。此外，太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)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(chǎng)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(guò)在沙漠上建造太陽(yáng)能發(fā)電基地，既穩固了原來(lái)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(shí)需采取必要手段和措施減少沙塵暴對發(fā)電設施的損害。
由于太陽(yáng)能電池板的遮蓋，降低了沙漠地帶直射到地表的太陽(yáng)輻射，有效降低地表溫度，減少蒸發(fā)量，進(jìn)而使得植物的存活和生長(cháng)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(zhù)太陽(yáng)能電站的逐步延伸，將大漠變成沃土。而在能量的投入產(chǎn)出比方面，目前光電已可普遍達到5～10倍，最新的技術(shù)已經(jīng)達到18倍。另外，目前每千瓦光伏電能建設成本為3—5萬(wàn)元，但我們完全有理由相信，隨著(zhù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規模應用和推廣，尤其是上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，建筑中房頂、外墻等平臺的復合開(kāi)發(fā)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(wàn)元左右，這將具有相當的競爭優(yōu)勢。從可開(kāi)發(fā)的資源蘊含量來(lái)看，生物質(zhì)能1億千瓦，水電3.78億千瓦，風(fēng)電2.53億千瓦，而太陽(yáng)能是21039億千瓦，只需開(kāi)發(fā)1%即達到210億千瓦，從比例看，生物質(zhì)能占0.46%，風(fēng)電占1.74%，水電1.16%，光電96.64%；從目前各種發(fā)電方式的碳排放率（g碳/KWH）來(lái)看，不計算其上游環(huán)節：煤電為275克，油發(fā)電為204克，天然氣發(fā)電為181克，風(fēng)力發(fā)電為20克，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電則接近零排放。并且，在發(fā)電過(guò)程中沒(méi)有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒(méi)有噪音，不產(chǎn)生對人體有害物質(zhì)，因而不會(huì )污染環(huán)境。因此，太陽(yáng)能發(fā)電也是我們目前可以使用的能源中最環(huán)保、最經(jīng)濟的能源。
近年來(lái)，隨著(zhù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規模應用、快速發(fā)展和巨大前景，其上游的多晶硅生產(chǎn)技術(shù)已和電腦、半導體等產(chǎn)品一樣，大規模、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應用技術(shù)已很成熟和完善，尤其是從國內及全球現有生產(chǎn)工藝來(lái)看，完全可以確保整個(gè)多晶硅生產(chǎn)實(shí)現整個(gè)產(chǎn)業(yè)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(lái)，全球太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，近10年光伏產(chǎn)業(yè)平均年增長(cháng)率為41.3%，近5年為49.5%，2007年比2006年增長(cháng)56.2%。2007年我國成為全球太陽(yáng)能第一生產(chǎn)大國，產(chǎn)量1062.8MW，占全球產(chǎn)量4000.05MW的26.6%，但我國太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展卻極為緩慢，截止2007年底累計裝機不足全球的1%，產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)極不平衡。鑒于光伏產(chǎn)業(yè)在我國資源上的獨特、巨大的優(yōu)勢，長(cháng)久、安全、方便、普遍、管理和維護簡(jiǎn)單，運行成本低等顯著(zhù)特點(diǎn)。國家應優(yōu)先發(fā)展光電，配套相關(guān)政策，大力扶持處于發(fā)展初期的光電產(chǎn)業(yè)，成為新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，參加全球經(jīng)濟競爭。
展望未來(lái)，放眼全球，歐盟預計能夠在2010年安裝3GW（百萬(wàn)千瓦）的光伏發(fā)電裝置，在2030年安裝的光伏發(fā)電裝置可能增加到200GW左右，全世界可能會(huì )達到1000GW。在世界太陽(yáng)能大會(huì )期間發(fā)布的《中國光伏發(fā)展報告》指出,中國太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展潛力巨大,到2030年光伏裝機容量將達1億千瓦,年發(fā)電量可達1300億千瓦時(shí), 建筑并網(wǎng)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(chǎng)的主流。同時(shí),太陽(yáng)能光伏發(fā)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(fā)揮重要作用。隨著(zhù)化石能源的逐漸耗竭以及太陽(yáng)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規模的進(jìn)一步發(fā)展，太陽(yáng)能最終將以其高轉換效率、簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟和環(huán)保等特性，成為人類(lèi)未來(lái)的能源之星。我們完全可以展望，太陽(yáng)能發(fā)電的大規模利用，對環(huán)境的影響和破壞將得到充分遏制，那時(shí)候汽車(chē)不排尾氣了，煙囪不冒煙了，青山綠水，鳥(niǎo)鳴山澗，湖光山色，整個(gè)地球將是一個(gè)童話(huà)的世界。