中国社会科学院经济文化研究中心《调查研究通讯》No.2008-14
2007年8月6日
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太阳能资源的开发利用
——能源经济概观之五
柯 堤
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。
据计算太阳的幅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。
在我国土地上的太阳幅射能约为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，则至本世纪五十年代，当我国人口达到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。
本文共分两个部份，第一部份介绍美国的太阳世纪计划，第二部份对我国利用和开发太阳能光热资源的一个可能前景略作描述。
一、美国的太阳世纪计划
本节的内容全部来源于文献[1]，以下不再一一注明出处。
太阳能潜力巨大，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。美国拥有的太阳能资源极为丰富；仅是西南地区就有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450亿亿英热单位（1Btu约等于1055焦耳），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%，为缓解全球变暖作出巨大贡献。
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，碲化镉电池必须能将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放率只有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%。
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。
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，但目前商业电池的效率还达不到这一水平。但至少有一家生厂商——First solar公司已将光电转换效率从2005年的6%提高了2007年的10%，并预计在2010年达到11.5%。
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，通过燃烧少量天燃气加以辅助，便能推动涡轮产生电力。德国享托夫市的压缩空气储能站早在1978年就开始运行，至今仍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，那里的涡轮发电机再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土面积的3/4，而且往往靠近大都市。实际上，这种储能系统与美国天然气存储系统非常类似。天然气业界在400个地下贮存库中存储的天然气总量达2300亿立方米。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，天然气业界投资压缩空气储能网络也是理所当然的事。
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9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继放热7小时的熔盐储能装置。世界各地都在建造类似的装置。在本计划中，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。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，来减小热量损失，这样也可降低投资成本，但此需要更耐腐蚀的管道。
上述两种太阳能发电技术都还没有完全发展成熟，因此，本计划在2020年以前，对它们同时进行大规模开发。多种太阳能技术的组合使用或许更符合经济学的要求。
2100年的远景
按照该计划，到2100年，包含交通耗能在内的全美能量总需求将达到14亿亿Btu，发电装机容量将是目前的7倍。在采取了最保守的策略后（如假设从2020年到2100年，在太阳能利用方面没有出现任何技术改进和成本降低），美国将用以下方式满足能量需求：光伏电站产生的电力，29亿千瓦直接并入电网，另外7.5亿千瓦用于压缩空气储能；聚光太阳能电站产生23亿千瓦的电力；分散式光伏发电设备还将输出13亿千瓦的电力。除此之外，风力电站将提供10亿千瓦的电力，地热电站提供2亿千瓦电力，生物质燃料提供的能量相当于2.5亿千瓦电力。这个模型中还包括5亿千瓦地热泵，直接给建筑物加热或者冷却。所有的太阳能设备将占地50.5万平方公里，仍然小于美国西南地区适宜开发太阳能的土地面积。
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。在春季和夏季，太阳能基础设施将产生足够的氢，除了满足90%的交通燃料需求以外，还将取代在压缩空气涡轮中起到辅助作用的少量天然气。此外，480亿加仑的生物质燃料将补足余下10%的交通能量需求。与能量有关的CO2排放量将比2005年减少92%。
二、中国的太阳能利用前景
到本世纪五十年代末，我国将实现高度现代化，届时人口达15亿人，人均用电量约6000度，总用电量约9万亿度。
其中，各种电能的供应结构大体如下：水电4亿千瓦，年利用4500小时，供应电能为1.8万亿度。可设核电提供的电能占总电能的20%，则其供应电量1.8万亿度。风能装机5亿千瓦，年利用3000小时，年发电量为1.5万亿度。利用生物质能4.5亿吨（约合3亿吨标煤），年发电量1万亿度。以6亿吨标煤（约合原煤8.4亿吨）用于发电，年发电量2万亿度。
以上五项总计8.1万亿度，其余约1万亿度的电量由太阳能提供，如设年利用1500小时，则太阳能电站需装机约6亿千瓦。太阳能提供能源主要分成以下三种方式：一种为集中式的光伏电站，一种为集中式的聚光电站，一种为利用房顶面积的分布式供能装置。下面对此分别略加讨论。
我国太阳能资源的分布类型
我国各地太阳能辐射年总量大致在80-200千卡/cm2年之间。140千卡/㎝2年的等值线的走向和森林与草原分界线大体一致，它将全国分为西北与东南两大部分，西北高于东南。这是因为西北受干旱大陆性气候影响，降水少，晴天多，所以其接受的太阳总辐射较东南为高。
根据我国各地太阳能资源的多少，可把全国划分以下五种类型区[2]。
第I类地区：全年时照时数2800-3300小时，太阳能资源160-200千卡/㎝2年，每年1米2所接受的太阳热量相当于燃烧285公斤标煤：宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部、西藏。
第Ⅱ类地区（指标同上，下同）：3000-3300小时，140-160千卡/㎝2年，228公斤标煤：河北西北部、山西北部、内蒙、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部。
第Ⅲ类地区：2200-3000小时，120-140千卡/㎝2年，200公斤标煤：山东、河南、河北东南部、山西南部、北疆、吉林、辽宁、陕西北部、甘肃东南部、云南、广东南部、福建南部。
第Ⅳ类地区：1400-2200小时，100-120千卡/㎝2年，171公斤标煤：湖北、湖南、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江。
第Ⅴ类地区：1000-1400小时，80-100千卡/㎝2年，143公斤标煤：四川、贵州。
从上述我国太阳能资源的类型看，太阳辐射的年总量在分布上差异很大，这主要是受太阳高度角的变动、云量的变化等因素的制约，从而形成各地分布不均的状况。但是，总的来看，我国太阳能资源十分丰富的地区占全国总面积的2/3以上。
我国各地根据不同条件，已发展了太阳灶、热水器、制冷取暖、温室、发电等利用方式，节省了一定数量的燃料，其中尤以太阳能热水器最为普遍，年产热水器面积1000多万平方米，累计已达2亿平米左右，目前我国是世界上生产太阳能热水器最多的国家。
但太阳能的大规模利用，由于受各种因素的限制，长期以来发展缓慢。不过，由前述第一节的介绍可知，近十年以来，在大规模集中利用太阳能的技术方面，进展很快，已离根本性的突破相距不远。对此，我国与世界先进水平的差距很大，特别是在工程放大和产业化方面，差距尤为明显。例如，目前世界上已有数百座高温太阳炉，在20世纪八十年代，最大的一座在法国，它的聚光镜有9层楼高，中心温度可达40000C，输出功率约1000千瓦。再如，前述第一节提到国际上各种太阳能利用设施，在我国均未见诸报道。因此，如何尽快缩小这种差距，实乃亟待考虑和解决的战略性课题。
大规模集中式的太阳能发电设施
先看太阳能光伏电站。我国大规模光伏电站的首选场地应为腾格里沙漠。它位于雅布赖山与贺兰山之间，面积约4.3万平方公里（其中3.3万平方公里位于内蒙，其余1万平方公里分属甘肃和宁夏），南临黄河，北至中蒙边界。该区地势平坦，降水量100至150mm；全年100C的积温在3300至3400度，属于我国第I类和第Ⅱ类光照条件最好的地区。
根据前述第一节所提供的参数：美国南加州地区7.8万平方公里的沙漠面积可提供近30亿千瓦的电力。据此，则只需在腾格里沙漠开辟出2万平方公里的面积，就可使其光伏电站的装机达到7.7亿千瓦；如年利1500小时，则总发电量为1.16万亿度。如向西拓展至巴丹吉林沙漠（4.4万平方公里），还可开辟出不少于2万平方公里的面积；在总计4万平方公里的沙漠上可装机15.4亿千瓦，年发电总量2.3万亿度。
这个大面积光伏电站的选址还有以下几大优点：其一，它与我国蒙宁陕晋的煤炭、油气基地和火电基地相毗邻，较易解决贮能问题。其二，可以就近利用我国西电东送的北线，不需建设新的高压输电线路。其三，它位于我国陆上风能最佳区域南缘——世界上最佳的北纬西风环流带，可实现风光互补发电。其四，如需建设太阳能聚光电站，使用蒸汽轮机发电，可就近从黄河取水，水源有充分保障。
关于储能问题可作如下考虑：由第一节的描述可知，为解决30亿千瓦光伏电站的压缩空气储能问题，需配置150亿立方米的存储空间，即每亿千瓦的光伏电站要配有5亿立方米的存贮空间。那么，上述7.7亿千瓦的腾格里光伏电站，需配有约40亿立方米的存贮空间；就现有的资料可知，仅山西省就已累计采出煤炭数十亿吨，其已废弃的矿井就够压缩空气存贮空间的大半之用。如展望未来二、三十年，这就更不成为问题[3]。
关于风光互补问题：在上述北纬西风环流带内的我国诸省区，10米以下高度内的可开发风能约有2.5亿千瓦，如展高至40米-50米的高度，其可开发的风能将超过5亿千瓦。由文献[4]可知：内蒙古中西部是我国唯一连成一片的太阳能和风能都丰富的地区。这一区域太阳月总辐射量最小值出现在太阳高度最低的12月，最大值出现在6-7月。9、10月冷空气开始南侵，每7-10天就有1次，每当冷空气过境，就有5-6级以上的大风，所以冬半年风大。夏半年冷空气势力减弱，地面为热低压占据，由于水平气压梯度小，风力不大。故而两种能源出现的最大和最小值的时间是相反的，恰好补充了两者各自不足，是我国综合利用太阳能——风能最优越的地区。如此，电网的供电负荷将更为均衡，同一单位的存贮空间可供两种能源贮能之用。
再看太阳能聚光（热）电站。由前述可知，新疆的东南部是我国太阳辐射的最高值区，在吐哈盆地、罗布泊一带至少可辟出不少于4万平方公里的面积，建立太阳能聚光（热）电站。由前面相应的参数可知，其总装机可达15亿千瓦，年利用1500小时，发电量为2.3万亿度。
由于塔里木盆地下面贮有数万亿立方米的地下水（大部分为苦咸水，但最近有报道称，在罗布泊下面发现了数百亿方的淡水资源）；因此，用太阳能电站抽取地下水，作为储能介质和冷却用水，应无问题。另外，在发电的过程中，可利用蒸汽余热及周边的太阳能光热资源联产淡水，为种植高品质作物提供水源；并兼收改造沙漠之效。
这种模式的开发还可拓展至塔里盆地的其他地区，如台特玛湖一带、盆地南缘，在用太阳能聚光（热）发电的过程中，联产淡水，可实现对沙漠的大规模改造，其前景未可限量。对此，需作专文讨论，此处不拟细说。
分布式的太阳能利用
展望本世纪中叶，我国农村居民的生活和生产方式也将实现高度现代化，届时农村人口约为3亿人（其中农业人口约为2亿人左右）；居住在县级市及其以下的小城镇人口约为5亿人左右。
对于3亿农村人口而言，如以人均住房建筑面积60平方米及楼层不超过两层来计算，则其屋顶面积不少于90亿平方米。对后一部分的5亿城镇人口而言，人均住房建筑面积50平方米，楼层平均为五层，则其屋顶面积约50亿平方米。两者之和为140亿平方米。
根据文献[5]提供的参数，如在140亿平方米的房顶上安装太阳能热水系统，则可替代约24亿吨标煤。140亿平方米等于1.4万平方公里，以前述每万平方公里装机3.85亿千瓦的一半和年利用1000小时来计算，如在太阳能热水系统上面相隔2米再装一层光伏发电系统，则140亿平方米的面积可装机约2.7亿千瓦，年发电量2700亿度。
若以高度现代化水平时人均消费能源4吨标煤来计算，则上述8亿人口需消费的能源总量为32亿吨标煤（包括生活和生产的全部用能）。上述双层分布式太阳能屋顶设施所提供的约25亿吨标煤（2700亿度电折合约1亿吨标煤），占32亿吨标煤的78%。若再加上数十亿吨的畜禽粪便所提供的沼气、数亿吨秸秆和分布式的风电系统，则居住在县域8亿人口的现代化能源消费量便可全部由可再生能源来满足[6]。
三、小结
展望未来五十年至一百年，我国大规模集中式的太阳能电站面积可逐步发展到8万平方公里以上，总装机30亿千瓦，年发电量约4.6万亿度，占总用电量9万亿度的一半以上。在这个过程中，煤电和核电可逐步收缩至一定规模，以完成电能来源的可更新化。
通过分布式的太阳能利用设施，可实现对25亿吨标煤的替代，这为生活在县域的8亿人口（含3亿左右的农村人口），可提供现代化水平的全部生活用能以及相当一部份生产用能。如再利用由畜牧业提供的沼气能源、部分秸秆资源和分布式的风能系统，这8亿人口的现代化生产和生活的能源供应将全面实现可更新化。
引文和注释
[1]：肯·茨魏贝尔等著：“太阳世纪”，《环球科学》2008年2期。
[2]：陈国新主编：《地学基地手册》，测绘出版社，1984年10月。
[3]：目前陕北苏里格气田已探明的天然气储量达5000亿立方米，现已向华北（包括北京）年输气数十亿立方米。随着这些天然气的可发，那些采空的气井均可作存贮压缩空气之用。
[4]：朱瑞兆等：《中国太阳能·风能资源及其利用》，气象出版社，1988年6月。
[5]：工程院院士翁史烈：“我国可开发风能超过10亿千瓦”，经济参考报，2008年4月23日。
翁院士认为：中国现有建筑屋顶面积为100亿平方米，如果20%的屋顶（20亿平方米）安装太阳能热水系统，则可替代3.4亿吨标煤；如果20%的屋顶面积和2%的沙漠面积安装光伏发电系统，发电量将达到每年2.9万亿度，相当于目前全国全年的用电量。
[6]：这是从能量总量上来说的，对于具体的用能形态而言，现代技术的进展也提供了相应的解决方案；例如，太阳能热水系统的出水温度只要达到60度以上时，便可用溴化锂作介质实现直接制冷，不需发电这一环节；而美国的空调用电量达到总用电量的15%-17%。又如，通过秸秆汽化制合成气，经过催化可成二甲醚，后者是超清洁的交通运输工具的燃料。
