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太阳能前景一片光明

标签:太阳能前景一片光明

2009-10-7 0:00:00

  理论上,解决世界能源问题的办法十分简单。找一块阳光充足的地方,只要半个青海省那么大,然后设法利用那儿太阳的能量,只要能够利用其20%,那么问题就解决了——你已经拥有足够的电力来满足全世界的能源需求,而且这种取之不尽的电力是最清洁的。 

  有这么简单吗?多年以来,每当太阳能技术取得什么进展,人们总会欢呼雀跃地认为新的革命来临了。但是这些革命每次都以失败告终,主要是因为太阳能技术太过昂贵,而且和核能、风能等其他替代能源比较起来产出效率太低,没有足够的资金来启动大规模的太阳能转化项目。最近,事情却不同了。在政治意愿、经济压力和技术进展的共同作用下,我们即将迎来一个太阳能时代。 
   
  ●传统的太阳能利用技术 
  石油价格居高不下,民众普遍认识到石油给环境造成的破坏,对太阳能电池产业的投资狂飙突进,太阳能电池的效率稳定提升,所有这些因素使得我们利用太阳来满足全世界所有电力需求——2005年的保守估计是1.5亿千瓦时——的愿望终于变成了现实。 

  应用最为广泛的太阳能技术是聚光系统。成排的聚光镜对准太阳,将它的能量聚集在充满液体(比如油或水)的管道上。然后将液体加热到大约400摄氏度,产生的蒸汽推动传统的涡轮发电机。聚光系统能够将它所捕捉的太阳热量的大约20%转化为电能,和某些商业光伏电池差不多,但成本相比之下低得多。 

  20世纪80年代,美国内华达沙漠建起了9个聚光太阳能发电庄园,它们的总面积才1平方公里,装机容量为35.4万千瓦。这些太阳能庄园本来有扩张的计划,但在20世纪90年代初期,由于石油价格低迷,该计划没有得到实施,但它们继续向当地电网输送电能。现在石油价格高涨,这些计划又重新被提起。2005年12月,自1988年以来美国第一个聚光系统在亚利桑那州宣告落成,它的装机容量为1000千瓦。 

  其他传统的太阳能发电技术包括西班牙的阳光塔和美国加州的碟状镜。前者的太阳能利用率大约为15%,后者约为24%。2006年西班牙方面投资兴建了第二座阳光塔,装机容量为两万千瓦。美国加州则在该州的沙漠地带兴建两万个碟状镜,建成之后装机容量将达到50万千瓦。 
   
  ●光伏电池技术 
  1954年,美国的贝尔实验室发明了第一块光伏电池;自那以后,电池将光能转化为电能的效率就一直是该技术的弱点。问题的根源在于光伏电池运作的方式。所有的光伏电池本质上都是半导体材料,每受到一个光子的撞击,就会释放出一个电子。科学家们设法让这些电子形成电流。 

  而撞击这块半导体的太阳光子所携带的能量并不相同,并非所有光子都能激发出电子。 

  贝尔实验室发现硅最适合于阳光中的光子能量谱。即便如此,他们所制造的第一块电池的转化率只有6%。在随后很长一段时间里,该技术的进展非常缓慢,转化率最高只能达到百分之十几,且成本十分高昂,只能派上军事或航天用途。但过去10年相关技术取得了极大的进展,商业化的光伏电池转化率能够达到20%,实验室的转化率则更高。 

  2006年,艾伦•巴奈特和他在特拉华大学的同事打破了纪录,他们设计的光伏电池的能量转化率高达42.8%。巴奈特说在不久的将来,转化率为50%的光伏电池将会进入商业领域。他们的设计和现代的生产技术结合在一起,意味着利用太阳能发电的成本已经迅速下降。
 
  德国亚琛的太阳能产业分析家迈克尔•罗格尔指出,由于这项科研成果,在全世界电价最高的地方(日本的部分地区、美国的加州和意大利),太阳能发电的成本已经接近甚至相当于天然气和核能发电的成本。例如在美国,平均电价(传统方式发电)是每度电10美分,而太阳能发电的成本已经下降到差不多每度电20美分。 

  ●光伏电池的利用现状 
  在这场阳光革命中领先的国家是德国。2003年11月,由于石油和天然气价格飞涨、全球变暖越来越严重,德国国会批准了一项“馈入税”计划,这项计划给太阳能开辟了广阔的市场。任何人只要利用太阳能发电,就能把所发的电卖给国家电网,价格为每度45~57美分,这几乎是市场价的3倍——消费者用电每度只需支付19美分。法律规定德国的电力公司在2024年之前必须按照这个价格收购居民利用太阳能所发的电。这项计划使大量的德国人产生了投资太阳能电池板的兴趣。时至今日,德国的光伏发电系统已经超过30万套。这让德国成为全世界增长最快的光伏发电市场。世界上已经安装的光伏电池板有55%在德国,每年能够利用太阳能发电30亿瓦特,相当于3到5座传统的发电厂。
 
  意大利和西班牙在2006年追随德国的脚步,也颁布了他们的“馈入税”方案;美国加州的太阳能促进计划投入了28亿美元的现金,资助新安装的光伏发电系统,分摊下来每瓦特的资助额大约为2.5美元。罗格尔预测到2008年,将会有20个国家颁布同样的税收方案。 

  人们希望,通过刺激需求,这些资助也会刺激光伏技术研究和相关材料的制造技术,将光伏发电的成本降下来。这可能有助于加速已经存在的光伏技术的发展,但也有可能将这个产业逼进死胡同,因为用硅材料制成的光伏电池板很快就会到达转化率的理论极限——大约为30%。然而,澳大利亚新南威尔士大学的马丁•格林认为,人们有可能利用其他材料制造出转化率极限为74%的光伏电池。而且尽管这些资助从某些方面来讲刺激了市场,但多数分析家认为现有光伏电池的成本还是太高,无法成为主流。 

  ●新技术带来的曙光 
  所以有许多研究人员开始寻找其他的替代方案。最为便宜的光伏电池是薄膜电池,薄膜电池的体积只有传统光伏电池体积的1%,而且它的禁带可以通过调整薄膜中所含成分的比例而得到改善。例如,一种由铜、铟、镓和硒混合而成的电池很便宜,但在实验室的实验中,它的转化率已经能够达到19%左右。 

  此外还有通过滤镜或者纳米晶体(nanocrystals)来提高转化率的方法。但是最有效和前景最为广阔的当属塑料光伏电池技术。圣巴巴拉加州大学的艾伦•希捷和同事一起发明了一种能够导电的塑料。这种半导体塑料和硅以及其他光伏电池材料一样,都能够让光子释放出电子。2007年7月份,希捷成功地研制了一块转化率达到6.5%的塑料光伏电池,创下了新的纪录。希捷指出,塑料光伏电池真正诱人的地方在于,一旦技术成熟,我们能够像印刷报纸一样生产光伏电池。“我们的目标是达到10%的转化率,而且最终将会超过目标,”他说,但他并不在意转化率的问题。“关键的因素是每瓦特多少美元,”他说,“即使我们的转化率低于硅,但在每瓦特成本上我们仍然占有优势,因为它的生产成本极其低廉。” 

  也许利用太阳能的前景就在于塑料光伏电池。这是一场漫长的革命,但经过多年的不懈研究,加上一群真正有信心者开始划拨的投资,太阳能时代终于到来了。
 

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