爱华网摘要：以光伏发电、储能技术和聚光发电技术为基础，同时解决储能和成本问题，美国正准备在本世纪逐步推广使用太阳能这一可再生超洁净的新能源。中国太阳能资源十分丰富的地区占全国总面积的2/3以上。若能因地制宜，采用集中式和分布式两种方式进行太阳能开发利用，完全可以在本世纪内建立起以可再生能源为主的新能源结构模式。 太阳能是一种取之不尽、用之不竭而又没有污染的超洁净可再生能源。在当前石油价格高企、全球变暖加剧的情况下，开发和利用这种可再生能源，意义十分重大。 据计算，太阳的辐射能每秒放射出相当于3.75×1026瓦的能量，而其每秒抵达地面的能量亦高达80万亿千瓦，相当于550万吨原煤的能量。地球每年接收的太阳能相当于目前地球上每年燃烧的固、液、气体燃料的2000倍左右。40分钟内通过阳光抵达地球的能量，就相当于全球一年消耗的总能量。 在中国土地上的太阳辐射能约为1.2万亿千瓦，相当于10万个发电量为1200万千瓦发电厂的总和。如以高度现代化水平时人均装机2千瓦计，则至本世纪50年代，当中国人口达到15亿人时，全国总装机约30亿千瓦，仅相当于1.2万亿千瓦的0.25%。可见，太阳能的潜力和开发前景是多么巨大。 本文共分两部分，第一部分介绍美国的太阳世纪计划；第二部分对中国利用和开发太阳能光热资源的可能前景略作描述。 一、美国的太阳世纪计划 美国拥有的太阳能资源极为丰富，仅西南地区就有65万平方公里的土地适合建造太阳能电站。这片土地每年接收的太阳能辐射超过450亿亿Btu（英热单位，1Btu约等于1055焦耳），若将其中2.5%的辐射转化为电力，就能满足2006年全美的能量需求。 目前的技术已经具备，肯·茨魏贝尔等三位学者因此制订了一个宏大的计划：到2050年，太阳能将为美国提供69%的电力和35%的总能量（包括交通工具耗能在内）。预计，这样的电力能以每度电5美分的价格出售给消费者，与目前常规电力的电价相当。如果风能、生物质能和地热资源都能得到开发的话，到2100年，美国所有的电力供应和所消耗能量的90%，都将由可再生能源提供。 要实现这一计划，美国政府要在未来40年内投入4200亿美元。太阳能电站几乎不需要燃料，每年能节省数十亿美元。这些基础设施将取代300座大型燃煤电站和300多座大型燃气电站，将它们所消耗的不可再生燃料全部节省下来。 由于太阳能技术几乎没有污染，该计划每年将减少17亿吨原本由常规电站排放的温室气体。通过太阳能电网补给燃料的充电式复合动力汽车也将取代常规汽车，会另外再削减19亿吨温室气体。到2050年，美国二氧化碳排放量将比2005年降低62%，可为缓解全球变暖作出巨大贡献。 1．光伏电站 在过去几年里，光伏电池及其模块的生产成本大大降低，这为光伏产业的大规模发展铺平了道路。在现有的各种光伏电池中，由碲化镉制造的薄膜电池最为便宜。为使太阳能发电成本在2020年降到每度电6美分，碲化镉电池必须要将14%的太阳辐射转换为电力，系统装机容量的平均成本也必须降到每瓦1.5美元。目前，光伏模块的光电转换效率只有10%，装机容量的平均成本约为每瓦4美元。但这项技术正在迅速发展：仅在过去一年里，商业电池的效率就从9%提高到10%。在美国国家可再生能源实验室，碲化镉光伏电池的效率已达到16.5%，并且仍在升高。 按照该计划，到2050年，光伏技术将提供近30亿千瓦的电力。为此，美国必须建造7.8万平方公里的光伏电池阵列。这个数字听起来十分庞大，但不妨换一种思路：如把煤矿的面积也计算在内，燃煤电站产生100万度电力所需的土地，其实比美国西南地区太阳能产生相同电力所需的土地更大。美国西南地区可利用的土地资源非常充足，无须征用环境敏感、人口密集或地形复杂的地区。光伏电站特有的优势（如不需要水），可把人们对环境问题的担忧减至最小。 2．压缩储能 太阳能的最大局限是：阴天和夜晚几乎发不了电。因此，阳光明媚时生产出的多余电力，必须储存起来以供夜晚使用。然而，电池之类的大多数储能系统都十分昂贵，且效率较低。 压缩空气储能方式是一种相当成功的替代方案。用光伏电站产生的电力来压缩空气，将空气泵入地下空洞、废弃矿坑、含水土层和废弃的天然气井中。需要时，再将压缩空气释放出来，通过燃烧少量天然气加以辅助，便能推动涡轮产生电力。德国亨托夫市的压缩空气储能站早在1978年就开始运行，至今仍在安全可靠地提供电力；美国麦金托市的同类电站也从1991年运行至今。目前，压缩空气储能站消耗的天然气，只有传统燃气电站的40%。如采用更好的余热回收技术，该数字还可降至30%。 美国电力研究所的研究显示，现有压缩空气储能成本约是铅蓄电池的一半；研究还指出，这些设施的成本分摊到电价上，将使2020年时美国的太阳能电价增加3-4美分，达到每度电8-9美分。 美国西南地区光伏电站生产的电力，将通过高压直流输电输送到全国各地的压缩空气储能站，那里的涡轮发电机在不分昼夜地生产电力。美国电力研究所和天然气业界共同绘制的地图显示，地质构造适合建造压缩空气储能站的地区占美国国土面积的3/4，而且往往靠近大都市。预计到2050年，美国将需要150亿立方米的存贮空间，来容纳压强为75个标准大气压的压缩空气。尽管技术开发仍有难度，但可供选择的地下贮存库数量丰富。 3．聚光太阳能电站 在计划中，太阳电力中有1/5将由另一项技术提供，即“聚光太阳能发电”技术。其中，长长的金属反射镜槽把阳光聚焦在一根充满液体的管道上，如一个巨大的放大镜那样加热液体，热液穿过一个热交换器，产生蒸汽推动涡轮旋转发电。 为了储存能量，被加热的液体沿着管道流经一个巨大的隔热容器，容器充满了熔盐——它们可以有效保持热量。这些热量在夜晚被提取出来，产生蒸汽。储存的热量要在一天内提取出来用掉。 美国有九座聚光太阳能电站已安全运行多年，总装机容量达35.4万千瓦，但它们不具备储热功能。第一座具备储热功能的商业化电站正在西班牙建造，这个5万千瓦的电站配有可持续放热7小时的熔盐储能装置，世界各地都在建造类似的装置。在该计划中，这种电站需配备可维持16小时的储能装置，让电站能24小时不间断地发电。
现有的电站证明，聚光太阳能电站是可行的，但必须降低成本，而规模经济和进一步的改进研究都会对此有所帮助。最近的一份评估报告指出：如400万千瓦的太阳能电站能够建成，到2015年，聚光太阳能电站的发电成本就有可能低于每度电10美分。通过提高热交换液体的温度，可提高发电效率；专家还在研究如何将熔化盐本身用作热交换液体，来减少热量损失，这样也可降低投资成本，但这需要更耐腐蚀的管道。
