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(jī)
在人類文明進(jìn)程跨入21世紀(jì)的今天，確保能源供應(yīng)是人類社會(huì)發(fā)展中一個(gè)十分重要的課題。目前，人們享受著飛機(jī)、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(jī)感，據(jù)各國(guó)政府及專家公認(rèn)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，目前全球石油已知儲(chǔ)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(guó)可采儲(chǔ)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(rèn)為還存在許多未探明的儲(chǔ)量，但以目前可預(yù)見的開采技術(shù)和條件，對(duì)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(jià)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(jī)正逐漸蔓延到世界的任何一個(gè)角落，成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，不僅羈絆了全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也成為全球政治、軍事沖突的重要因素。所以，不論國(guó)內(nèi)還是世界來看，全球性的能源危機(jī)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(dǎo)致的溫室效應(yīng)，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(dá)到400億噸，其中我國(guó)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(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電。
二、幾種最主要能源對(duì)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(yáng)能輻射，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，同時(shí)，目前生物質(zhì)能另外一個(gè)比較公認(rèn)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(duì)太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外有相當(dāng)部分人大力倡導(dǎo)生物質(zhì)能，但由于土地有限，尤其是必須考慮到不與民爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地等問題，生物質(zhì)能是有限的。目前我國(guó)玉米每公頃產(chǎn)量5噸—10噸左右，2007年我國(guó)消耗3.4億噸原油，假設(shè)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(wàn)公頃土地來生產(chǎn)這些生物能，相當(dāng)于占用我國(guó)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(tǒng)中“生產(chǎn)—消費(fèi)—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(duì)于耕地面積有限、生態(tài)嚴(yán)重退化和生物質(zhì)存量有限的我國(guó)來說，生物質(zhì)能的大范圍發(fā)展和應(yīng)用既不可能也不現(xiàn)實(shí)。
2、水電
水電的能量轉(zhuǎn)換是經(jīng)由“太陽(yáng)能輻射——水蒸發(fā)——水能——電能”這一過程。盡管我國(guó)河流水能資源蘊(yùn)藏量達(dá)到6.76億千瓦，其中經(jīng)濟(jì)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(jià)值，尤其是大型水壩建設(shè)關(guān)乎民生、政治、經(jīng)濟(jì)、文化、生態(tài)、環(huán)保等諸多問題，導(dǎo)致開發(fā)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)成本大幅増加，比如三峽水庫(kù)評(píng)估了40年后才建成，周期太長(zhǎng)，成本太高，代價(jià)太大。
雖然水電發(fā)電過程不會(huì)產(chǎn)生污染性廢物，屬于比較理想的清潔能源，但是其對(duì)局部生態(tài)環(huán)境的破壞是非常明顯的。在過去，水壩被認(rèn)為是解決洪水或水災(zāi)、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電、蓄水問題的首要選擇。但今天人們逐漸認(rèn)識(shí)到水庫(kù)中的水會(huì)從水表大面積蒸發(fā)掉，或由于藻類的過度生長(zhǎng)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(shè)完工后，嚴(yán)重影響了我國(guó)珍稀動(dòng)物中華鱘的繁殖，還造成了水庫(kù)的泥沙淤積，需要花費(fèi)大量資金來修復(fù)或重建。埃及阿斯旺大壩在上世紀(jì)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(yán)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(zāi)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(yán)重問題也出現(xiàn)在肯尼亞的姆韋亞水電站、中國(guó)臺(tái)灣的美濃水庫(kù)等很多地方。2003年底，在泰國(guó)召開的第二次世界反水壩大會(huì)，終于對(duì)水壩利弊提出了全球性質(zhì)疑。許多國(guó)家已陸續(xù)忍痛拆除大壩，拆壩及恢復(fù)江河生態(tài)的費(fèi)用大大高于當(dāng)初建壩成本，這樣水力發(fā)電的“可再生性”以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響等需重新評(píng)估。
3、風(fēng)電
風(fēng)電的能量轉(zhuǎn)換路線主要是太陽(yáng)輻射加熱空氣后形成的對(duì)流，也就是風(fēng)經(jīng)由風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。權(quán)威數(shù)據(jù)表明，到達(dá)地球的太陽(yáng)能中約2％可以轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，部分可經(jīng)過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。如果直接計(jì)算從太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換效率，則低于0.5%。根據(jù)全國(guó)陸地上900多個(gè)氣象站分析估算，我國(guó)風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量約32.26億千瓦，但在10米高空的可開發(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(qū)風(fēng)能豐富帶、"三北"（東北、華北、西北）地區(qū)風(fēng)能豐富帶、內(nèi)陸局部風(fēng)能豐富地區(qū)。由于風(fēng)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(jī)性和能量的低密度性等問題，以及風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的條件要求高，開發(fā)難度很大。風(fēng)電建設(shè)選址對(duì)自然環(huán)境(風(fēng)速)要求較高，光測(cè)風(fēng)階段就要?dú)v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(shù)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(jī)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(jì)算，每平方公里裝機(jī)容量可達(dá)5—10萬(wàn)千瓦。考慮我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)集中于東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)、內(nèi)蒙的草原地區(qū)，開發(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(dá)到100多平方公里，對(duì)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(fēng)電的經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電必然對(duì)當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域生態(tài)造成不良影響，阻滯或減緩大氣層對(duì)流，以中國(guó)而言，倘若在東南沿海大范圍開發(fā)風(fēng)電，將對(duì)給中國(guó)大陸帶來大量降水的東南季風(fēng)形成攔截，導(dǎo)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(jìn)一步加劇。此外，風(fēng)電設(shè)備采用風(fēng)輪機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)裝置，大規(guī)模應(yīng)用的后期維護(hù)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(zhuǎn)換路線是直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能，是所有可再生能源中對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、利用最直接的。一般來說，在整個(gè)生態(tài)環(huán)境的能量流動(dòng)中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加，轉(zhuǎn)換鏈條的拉長(zhǎng)，能量的損失將呈幾何級(jí)增加，并同時(shí)大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作成本和不穩(wěn)定性。目前，晶體硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率實(shí)用水平在15—20%之間，實(shí)驗(yàn)室水平最高可達(dá)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(zhuǎn)換效率最高，并且使用最簡(jiǎn)單、最可靠、最經(jīng)濟(jì)的新興能源。
我國(guó)幅員廣闊，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源，全國(guó)有三分之二的國(guó)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(dāng)于199kg標(biāo)準(zhǔn)煤），每年地表吸收的太陽(yáng)能大約相當(dāng)于2.4萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，相當(dāng)于我國(guó)2007年全國(guó)能源消耗總量26.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的905倍。其中西藏西部是我國(guó)太陽(yáng)能資源最富集的地區(qū)，最高達(dá)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(guó)現(xiàn)有沙漠化土地面積達(dá)100萬(wàn)平方公里左右，并且呈逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，主要分布在太陽(yáng)能資源比較豐富的西北和西南地區(qū)，假設(shè)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(jì)算，裝機(jī)容量即可達(dá)到10億千瓦，而2007年全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量?jī)H為7.13億千瓦。
三、太陽(yáng)能光伏發(fā)電前景無限廣闊
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(zhuǎn)換形式和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，其根本還是來源于太陽(yáng)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(fēng)能是很苛刻的，而太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電要占用土地面積為1的話，風(fēng)力則是太陽(yáng)能的8—10倍，生物能則達(dá)到100倍。而水電，一個(gè)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(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(yīng)用的場(chǎng)所，還可以利用我國(guó)廣闊的沙漠地區(qū)，以中國(guó)最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠為例，通過在沙漠上建造太陽(yáng)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(dāng)然同時(shí)需采取必要手段和措施減少沙塵暴對(duì)發(fā)電設(shè)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(zhǎng)相當(dāng)程度上成為可能。沙漠變綠洲，可有效遏制和改善我國(guó)土地沙漠化加劇的趨勢(shì)，并可隨著太陽(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(dá)到5～10倍，最新的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到18倍。另外，目前每千瓦光伏電能建設(shè)成本為3—5萬(wàn)元，但我們完全有理由相信，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)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(tái)的復(fù)合開發(fā)利用，每千瓦光伏電能的建設(shè)成本將在2010年前后達(dá)到7000元—1萬(wàn)元左右，這將具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。從可開發(fā)的資源蘊(yùn)含量來看，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，只需開發(fā)1%即達(dá)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）來看，不計(jì)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(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)電過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出，沒有噪音，不產(chǎn)生對(duì)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(jì)的能源。
近年來，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)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(dǎo)體等產(chǎn)品一樣，大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)已很成熟和完善，尤其是從國(guó)內(nèi)及全球現(xiàn)有生產(chǎn)工藝來看，完全可以確保整個(gè)多晶硅生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)內(nèi)部的封閉運(yùn)行，從而達(dá)到零排放的水平。近些年來，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(zhǎng)率為41.3%，近5年為49.5%，2007年比2006年增長(zhǎng)56.2%。2007年我國(guó)成為全球太陽(yáng)能第一生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量1062.8MW，占全球產(chǎn)量4000.05MW的26.6%，但我國(guó)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(jì)裝機(jī)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(guó)資源上的獨(dú)特、巨大的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)久、安全、方便、普遍、管理和維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低等顯著特點(diǎn)。國(guó)家應(yīng)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(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，參加全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)。
展望未來，放眼全球，歐盟預(yù)計(jì)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(dá)到1000GW。在世界太陽(yáng)能大會(huì)期間發(fā)布的《中國(guó)光伏發(fā)展報(bào)告》指出,中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?到2030年光伏裝機(jī)容量將達(dá)1億千瓦,年發(fā)電量可達(dá)1300億千瓦時(shí), 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(guó)光伏市場(chǎng)的主流。同時(shí),太陽(yáng)能光伏發(fā)電可以繼續(xù)在解決中國(guó)偏遠(yuǎn)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(yáng)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步發(fā)展，太陽(yáng)能最終將以其高轉(zhuǎn)換效率、簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)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(yáng)能發(fā)電的大規(guī)模利用，對(duì)環(huán)境的影響和破壞將得到充分遏制，那時(shí)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(gè)地球?qū)⑹且粋€(gè)童話的世界。