2008-06-23
作者：邢永爱
一、全球能源紧缺，人类持续发展面临危机
在人类文明进程跨入21世纪的今天，确保能源供应是人类社会发展中一个十分重要的课题。目前，人们享受着飞机、火车、轮船以及各种高科技产物带来的巨大便利，然而，随着煤炭、石油和天然气等传统化石能源的大量消耗，人们也产生了深刻的危机感，据各国政府及专家公认统计数字，目前全球石油已知储量可开采约40年，天然气已知可开采约50年，原煤已知可开采约200年；而我国可采储量的化石能源仅为：原煤114.5年，原油仅20.1年，天然气仅49.3年。即使乐观的认为还存在许多未探明的储量，但以目前可预见的开采技术和条件，对这部分资源的开发成本也将提升到可能不具备开发价值的程度。
地球上超过50亿年积累的能源，在几十上百年间即被人类文明耗尽，能源危机正逐渐蔓延到世界的任何一个角落，成为经济社会发展的一个瓶颈，不仅羁绊了全球经济发展，也成为全球政治、军事冲突的重要因素。所以，不论国内还是世界来看，全球性的能源危机已非常突出。与此同时，燃烧这些煤炭、石油、天然气等化石能源释放出的大量二氧化碳，所造成的环境污染和导致的温室效应，可能在这些能源被耗光之前，就已经把地球环境破坏到人类无法居住的程度，目前全球二氧化碳排放量已经超过300亿吨，如不加控制，这一数字将在2030年达到400亿吨，其中我国将占据1/4的比例。因此，大力发展可再生能源，已成为人类可持续发展和生存延续的首要问题。目前，可供人类利用的可再生能源主要有生物质能、水能发电、风能发电和太阳能发电。
二、几种最主要能源对比分析
1、生物质能
生物质能的能量转换路线，是由植物光合作用积累太阳能辐射，进而转化为机械能或电能，同时，目前生物质能另外一个比较公认的利用方式是转换成乙醇等。数据表明，每生产一吨酒精需要消耗3—3.5吨玉米，而目前植物光合作用的光能利用率平均仅为0.2%，最高也只有1—2%，玉米一般为1.2%，则其对太阳能的转换效率为0.34%转变成乙醇，倘若转换为电能，其效率将更低，仅有0.13%。
现在国内外有相当部分人大力倡导生物质能，但由于土地有限，尤其是必须考虑到不与民争粮，不与粮争地等问题，生物质能是有限的。目前我国玉米每公顷产量5吨—10吨左右，2007年我国消耗3.4亿吨原油，假设其中不到1/3也就是1亿吨，用玉米生产生物酒精来替代，则需要消耗3.5亿吨生物能源，也就是需要至少7000万公顷土地来生产这些生物能，相当于占用我国目前耕地总面积1.3亿公顷的50%还多。此外，大量生物质作为能源使用，会进一步打破生态系统中“生产—消费—分解—再生产”的自然生态循环系统，降低生态系统的生产潜力，加重危害生态系统的健康与可持续发展。对于耕地面积有限、生态严重退化和生物质存量有限的我国来说，生物质能的大范围发展和应用既不可能也不现实。
2、水电
水电的能量转换是经由“太阳能辐射——水蒸发——水能——电能”这一过程。尽管我国河流水能资源蕴藏量达到6.76亿千瓦，其中经济可开发水能资源大约3.78亿千瓦，但是其中有近一半的水能资源因在开发过程中要淹没大量良田，以及迁徙大量移民而不具有开发价值，尤其是大型水坝建设关乎民生、政治、经济、文化、生态、环保等诸多问题，导致开发的经济和社会成本大幅増加，比如叁峡水库评估了40年后才建成，周期太长，成本太高，代价太大。
虽然水电发电过程不会产生污染性废物，属于比较理想的清洁能源，但是其对局部生态环境的破坏是非常明显的。在过去，水坝被认为是解决洪水或水灾、灌溉、航运、发电、蓄水问题的首要选择。但今天人们逐渐认识到水库中的水会从水表大面积蒸发掉，或由于藻类的过度生长而变成死水，尤其是水坝切断了鱼类迁徙路线，如叁峡大坝建设完工后，严重影响了我国珍稀动物中华鲟的繁殖，还造成了水库的泥沙淤积，需要花费大量资金来修复或重建。埃及阿斯旺大坝在上世纪70年代竣工，一度成为埃及的骄傲，然而近年来埃及政府发现，它严重破坏了尼罗河流域的生态平衡，引发出一系列生态灾难，突出的比如两岸土壤大量盐渍化，河口叁角洲剧烈收缩，血吸虫病广泛流行等。类似的严重问题也出现在肯尼亚的姆韦亚水电站、中国台湾的美浓水库等很多地方。2003年底，在泰国召开的第二次世界反水坝大会，终于对水坝利弊提出了全球性质疑。许多国家已陆续忍痛拆除大坝，拆坝及恢复江河生态的费用大大高于当初建坝成本，这样水力发电的“可再生性”以及对生态环境的影响等需重新评估。
3、风电
风电的能量转换路线主要是太阳辐射加热空气后形成的对流，也就是风经由风轮机转换为电能。权威数据表明，到达地球的太阳能中约2％可以转化为风能，部分可经过风力发电机转化为电能。如果直接计算从太阳能到电能的转换效率，则低于0.5%。根据全国陆地上900多个气象站分析估算，我国风能资源蕴藏量约32.26亿千瓦，但在10米高空的可开发利用风电资源仅为2.53亿千瓦，而且主要集中在东南沿海地区风能丰富带、"叁北"（东北、华北、西北）地区风能丰富带、内陆局部风能丰富地区。由于风能本身存在密度低、不稳定、地区差异大、广域分散性、随机性和能量的低密度性等问题，以及风场建设的条件要求高，开发难度很大。风电建设选址对自然环境(风速)要求较高，光测风阶段就要历时1年以上。同时，由于风速的不可控性，利用小时数低,通常只有2000小时/年左右。
目前一般每平方公里风力发电的装机容量为0.6—1万千瓦，相比之下，太阳能发电按目前比较保守的技术水平计算，每平方公里装机容量可达5—10万千瓦。考虑我国风能资源丰富地区集中于东南沿海发达地区、内蒙的草原地区，开发风电所需要的大面积土地将是一个非常棘手的难题，一个100万千瓦的风电站占地面积达到100多平方公里，对电网电力输送也将造成困难。而且，根据欧美大力开发风电的经验，风力发电必然对当地的区域生态造成不良影响，阻滞或减缓大气层对流，以中国而言，倘若在东南沿海大范围开发风电，将对给中国大陆带来大量降水的东南季风形成拦截，导致大陆降水减少，甚至可能引起内陆水能、植被等生态的连锁损害，沙漠化将进一步加剧。此外，风电设备采用风轮机等机械传动装置，大规模应用的后期维护成本和难度较高。
4、太阳能发电
太阳能发电的能量转换路线是直接将太阳辐射能转换为电能，是所有可再生能源中对太阳能的转换环节最少、利用最直接的。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加了整个系统的运作成本和不稳定性。目前，晶体硅太阳能电池的转换效率实用水平在15—20%之间，实验室水平最高可达35%。因此，从这个角度讲，太阳能发电是我们目前可以使用的能源中一次性转换效率最高，并且使用最简单、最可靠、最经济的新兴能源。
我国幅员广阔，有着十分丰富的太阳能资源，全国有三分之二的国土面积，每平方米太阳能年辐射总量为3350—8400兆焦，平均为5860兆焦（相当于199kg标准煤），每年地表吸收的太阳能大约相当于2.4万亿吨标准煤的能量，相当于我国2007年全国能源消耗总量26.5亿吨标准煤的905倍。其中西藏西部是我国太阳能资源最富集的地区，最高达2333 千瓦时/平方米（日辐射量6.4千瓦时/平方米），居世界第二位，仅次于非洲撒哈拉大沙漠。我国现有沙漠化土地面积达100万平方公里左右，并且呈逐年扩大的趋势，主要分布在太阳能资源比较丰富的西北和西南地区，假设将这些沙漠化土地的1%，用来安装并网光伏发电系统，按目前比较保守的100Wp/m2技术水平计算，装机容量即可达到10亿千瓦，而2007年全国发电总装机容量仅为7.13亿千瓦。
叁、太阳能光伏发电前景无限广阔
从本质上讲，前叁种能源实际上都是太阳能的某种转换形式和转化环节，其根本还是来源于太阳辐射产生的能量。综合来看，在资源条件尤其是土地资源方面，生物能、风能是很苛刻的，而太阳能则很灵活和广泛。开发这些能源都需要占地，如果说太阳能发电要占用土地面积为1的话，风力则是太阳能的8—10倍，生物能则达到100倍。而水电，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十到上百平方公里的广袤土地。此外，太阳能发电实际上不需要占用额外的土地，屋顶、墙面都可成为其应用的场所，还可以利用我国广阔的沙漠地区，以中国最大的沙漠塔克拉玛干沙漠为例，通过在沙漠上建造太阳能发电基地，既稳固了原来不断吞噬绿地的沙丘，又向自然索取了我们需要的清洁可再生能源。当然同时需采取必要手段和措施减少沙尘暴对发电设施的损害。
由于太阳能电池板的遮盖，降低了沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减少蒸发量，进而使得植物的存活和生长相当程度上成为可能。沙漠变绿洲，可有效遏制和改善我国土地沙漠化加剧的趋势，并可随着太阳能电站的逐步延伸，将大漠变成沃土。而在能量的投入产出比方面，目前光电已可普遍达到5～10倍，最新的技术已经达到18倍。另外，目前每千瓦光伏电能建设成本为3—5万元，但我们完全有理由相信，随着太阳能光伏发电的大规模应用和推广，尤其是上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，建筑中房顶、外墙等平台的复合开发利用，每千瓦光伏电能的建设成本将在2010年前后达到7000元—1万元左右，这将具有相当的竞争优势。从可开发的资源蕴含量来看，生物质能1亿千瓦，水电3.78亿千瓦，风电2.53亿千瓦，而太阳能是21039亿千瓦，只需开发1%即达到210亿千瓦，从比例看，生物质能占0.46%，风电占1.74%，水电1.16%，光电96.64%；从目前各种发电方式的碳排放率（驳碳/碍奥贬）来看，不计算其上游环节：煤电为275克，油发电为204克，天然气发电为181克，风力发电为20克，而太阳能光伏发电则接近零排放。并且，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害物质，因而不会污染环境。因此，太阳能发电也是我们目前可以使用的能源中最环保、最经济的能源。
近年来，随着太阳能光伏发电的大规模应用、快速发展和巨大前景，其上游的多晶硅生产技术已和电脑、半导体等产物一样，大规模、产业化生产应用技术已很成熟和完善，尤其是从国内及全球现有生产工艺来看，完全可以确保整个多晶硅生产实现整个产业链和系统内部的封闭运行，从而达到零排放的水平。近些年来，全球太阳能光伏产业得到了迅猛发展，近10年光伏产业平均年增长率为41.3%，近5年为49.5%，2007年比2006年增长56.2%。2007年我国成为全球太阳能第一生产大国，产量1062.8惭奥，占全球产量4000.05惭奥的26.6%，但我国太阳能发电市场发展却极为缓慢，截止2007年底累计装机不足全球的1%，产业和市场极不平衡。鉴于光伏产业在我国资源上的独特、巨大的优势，长久、安全、方便、普遍、管理和维护简单，运行成本低等显着特点。国家应优先发展光电，配套相关政策，大力扶持处于发展初期的光电产业，成为新的经济增长点，参加全球经济竞争。
展望未来，放眼全球，欧盟预计能够在2010年安装3GW（百万千瓦）的光伏发电装置，在2030年安装的光伏发电装置可能增加到200GW左右，全世界可能会达到1000GW。在世界太阳能大会期间发布的《中国光伏发展报告》指出,中国太阳能光伏发电发展潜力巨大,到2030年光伏装机容量将达1亿千瓦,年发电量可达1300亿千瓦时, 建筑并网光伏系统和大规模光伏荒漠电站这两种形式将逐渐成为中国光伏市场的主流。同时,太阳能光伏发电可以继续在解决中国偏远地区老百姓用电和脱贫方面发挥重要作用。随着化石能源的逐渐耗竭以及太阳能技术和产业规模的进一步发展，太阳能最终将以其高转换效率、简单、可靠、经济和环保等特性，成为人类未来的能源之星。我们完全可以展望，太阳能发电的大规模利用，对环境的影响和破坏将得到充分遏制，那时候汽车不排尾气了，烟囱不冒烟了，青山绿水，鸟鸣山涧，湖光山色，整个地球将是一个童话的世界。