2008-06-23
作者：邢永愛
一、全球能源緊缺，人類持續(xù)發(fā)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(fā)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(chǎn)品帶來的巨大便利，然而，隨著煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源的大量消耗，人們也產(chǎn)生了深刻的危機感，據(jù)各國政府及專家公認統(tǒng)計數(shù)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(shù)和條件，對這部分資源的開發(fā)成本也將提升到可能不具備開發(fā)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(jīng)濟社會發(fā)展的一個瓶頸，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(nèi)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(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)境破壞到人類無法居住的程度，目前全球二氧化碳排放量已經(jīng)超過300億噸，如不加控制，這一數(shù)字將在2030年達到400億噸，其中我國將占據(jù)1/4的比例。因此，大力發(fā)展可再生能源，已成為人類可持續(xù)發(fā)展和生存延續(xù)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(zhì)能、水能發(fā)電、風能發(fā)電和太陽能發(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(zhuǎn)換路線，是由植物光合作用積累太陽能輻射，進而轉(zhuǎn)化為機械能或電能，同時，目前生物質(zhì)能另外一個比較公認的利用方式是轉(zhuǎn)換成乙醇等。數(shù)據(jù)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%，則其對太陽能的轉(zhuǎn)換效率為0.34%轉(zhuǎn)變成乙醇，倘若轉(zhuǎn)換為電能，其效率將更低，僅有0.13%。
現(xiàn)在國內(nèi)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(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，會進一步打破生態(tài)系統(tǒng)中“生產(chǎn)—消費—分解—再生產(chǎn)”的自然生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，降低生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)潛力，加重危害生態(tài)系統(tǒng)的健康與可持續(xù)發(fā)展。對于耕地面積有限、生態(tài)嚴重退化和生物質(zhì)存量有限的我國來說，生物質(zhì)能的大范圍發(fā)展和應用既不可能也不現(xiàn)實。
2、水電
水電的能量轉(zhuǎn)換是經(jīng)由“太陽能輻射——水蒸發(fā)——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(jīng)濟可開發(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發(fā)過程中要淹沒大量良田，以及遷徙大量移民而不具有開發(fā)價值，尤其是大型水壩建設關乎民生、政治、經(jīng)濟、文化、生態(tài)、環(huán)保等諸多問題，導致開發(fā)的經(jīng)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(fā)電過程不會產(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。在過去，水壩被認為是解決洪水或水災、灌溉、航運、發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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，血吸蟲病廣泛流行等。類似的嚴重問題也出現(xiàn)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(zhì)疑。許多國家已陸續(xù)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、風電
風電的能量轉(zhuǎn)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(jīng)由風輪機轉(zhuǎn)換為電能。權(quán)威數(shù)據(jù)表明，到達地球的太陽能中約2％可以轉(zhuǎn)化為風能，部分可經(jīng)過風力發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。如果直接計算從太陽能到電能的轉(zhuǎn)換效率，則低于0.5%。根據(jù)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(fā)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(qū)風能豐富帶、"三北"（東北、華北、西北）地區(qū)風能豐富帶、內(nèi)陸局部風能豐富地區(qū)。由于風能本身存在密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)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(fā)難度很大。風電建設選址對自然環(huán)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(shù)低,通常只有2000小時/年左右。
目前一般每平方公里風力發(fā)電的裝機容量為0.6—1萬千瓦，相比之下，太陽能發(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—10萬千瓦?？紤]我國風能資源豐富地區(qū)集中于東南沿海發(fā)達地區(qū)、內(nèi)蒙的草原地區(qū)，開發(fā)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(wǎng)電力輸送也將造成困難。而且，根據(jù)歐美大力開發(fā)風電的經(jīng)驗，風力發(fā)電必然對當?shù)氐膮^(qū)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發(fā)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(nèi)陸水能、植被等生態(tài)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(guī)模應用的后期維護成本和難度較高。
4、太陽能發(fā)電
太陽能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換路線是直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，是所有可再生能源中對太陽能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接的。一般來說，在整個生態(tài)環(huán)境的能量流動中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加，轉(zhuǎn)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(tǒng)的運作成本和不穩(wěn)定性。目前，晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)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(fā)電是我們目前可以使用的能源中一次性轉(zhuǎn)換效率最高，并且使用最簡單、最可靠、最經(jīng)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(qū)，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(xiàn)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(qū)，假設將這些沙漠化土地的1%，用來安裝并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，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)電總裝機容量僅為7.13億千瓦。
三、太陽能光伏發(fā)電前景無限廣闊
從本質(zhì)上講，前三種能源實際上都是太陽能的某種轉(zhuǎn)換形式和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，其根本還是來源于太陽輻射產(chǎn)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(fā)這些能源都需要占地，如果說太陽能發(fā)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(shù)十到上百平方公里的廣袤土地。此外，太陽能發(fā)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(qū)，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(fā)電基地，既穩(wěn)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(fā)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(fā)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(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—5萬元，但我們完全有理由相信，隨著太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)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—1萬元左右，這將具有相當?shù)母偁巸?yōu)勢。從可開發(fā)的資源蘊含量來看，生物質(zhì)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(fā)1%即達到210億千瓦，從比例看，生物質(zhì)能占0.46%，風電占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）來看，不計算其上游環(huán)節(jié)：煤電為275克，油發(fā)電為204克，天然氣發(fā)電為181克，風力發(fā)電為20克，而太陽能光伏發(fā)電則接近零排放。并且，在發(fā)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪音，不產(chǎn)生對人體有害物質(zhì)，因而不會污染環(huán)境。因此，太陽能發(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，隨著太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)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(guī)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(nèi)及全球現(xiàn)有生產(chǎn)工藝來看，完全可以確保整個多晶硅生產(chǎn)實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)內(nèi)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(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(chǎn)大國，產(chǎn)量1062.8MW，占全球產(chǎn)量4000.05MW的26.6%，但我國太陽能發(fā)電市場發(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(yōu)先發(fā)展光電，配套相關政策，大力扶持處于發(fā)展初期的光電產(chǎn)業(yè)，成為新的經(jīng)濟增長點，參加全球經(jīng)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(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，全世界可能會達到1000GW。在世界太陽能大會期間發(fā)布的《中國光伏發(fā)展報告》指出,中國太陽能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?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, 建筑并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和大規(guī)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(fā)電可以繼續(xù)在解決中國偏遠地區(qū)老百姓用電和脫貧方面發(fā)揮重要作用。隨著化石能源的逐漸耗竭以及太陽能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的進一步發(fā)展，太陽能最終將以其高轉(zhuǎn)換效率、簡單、可靠、經(jīng)濟和環(huán)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(fā)電的大規(guī)模利用，對環(huán)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?qū)⑹且粋€童話的世界。