美国宏伟的太阳能计划如何解决世界能源危机
来源：科学人 | 0评论 | 6175查看 | 2012-06-08 16:28:00
《科学人》网站上的文章——幻想美国如何在之后的半个世纪以太阳能解决世纪能源危机（A Solar Grand Plan）（以下表述金额皆为美金）
如今汽油及家庭供暖用油价格高涨。美国发起中东战事的原因也有保护境外石油生意的成分。再加上中国、印度及其他国家的化石燃料需求日益增加，围绕能 源的纷争日趋热化。即使在这个情况下，燃烧煤(coal)、天然气的电厂(power plant)以及铺天盖地的车辆依然持续排放着数百万吨的污染物和温室气体进入大气，从而威胁着这个星球。
尽管科学家、工程师、经济学家及政治人物们意图利用各种方法去降低化石燃料的使用量，但那是不够的。美国需要一个更庞大的计划才能从化石燃料中抽身。我们的分析促使我们承认大规模转用太阳能才是符合逻辑的方法。
太阳能的潜在能量是无法预知的。日光照射地表40分钟的能量相当于全球能量消耗1年的份量。很幸运的，美国拥有广大的疆域。西南部适合铺设太阳能装 置的地区就有超过25万平方英里，而将这片地域1年吸收的4500兆英热单位(British thermal units, Btu)的太阳辐射中的2.5%转化为电能的计划将在2006年配合国家能源消耗推出。
把国家能源来源转换到太阳能需要在大量土地上铺设太阳能电池面板(photovoltaic panel)，亦需要架设一直流电(direct-current, DC)传导中枢以便高效的在国内传输电力。
当下的技术已经达到足够水平了。接下来要在这里介绍一个可以提供美国电力69%及35%能源（包括传输）的伟大计划。这个太阳能计划将在2050年 前实施。我们计划能将这些能源以与现在普通能源的价格出售给客户，即千瓦小时(kWh)约5分。如果风能、生物能量与地热同样能完成开发则全国所有的电能 消耗和90%的其他能量消耗都能使用环保能源。
联邦政府需要投资4000亿在将来的40年才能完成2050计划。尽管需要的金额相当庞大但是回报是更大的。太阳能厂消耗的能量趋近于无，每年可以 节省约10亿。一间产生的能源相当于300间煤电厂再加300间天然气厂以及它们的运行消耗。这个计划能有效地消除对输入油的需要，能从根本上解决美国的 财政赤字并舒缓美国与中东及其他地区的外交问题。而因为太阳能厂是接近无污染的所以这个计划每年可以减少17亿吨温室气体的排放，另外由综合燃料包括太阳 能的汽车取代汽油汽车还可以再减少19亿吨由汽油车排放的污染气体。到2050年时美国的二氧化物排放将会剩下2005平均的62%，推动解决全球暖化。
太阳能发电田
过去几年在生产太阳能发电池及组件的投资相当程度上停止了，开始进入铺设阶段。虽然样式众多，但是如今最便宜的组件是由镉碲化合物(cadmium telluride)制造的薄膜。如果要在2020年达成电力每千瓦时6分钱的话，镉碲化合物转换电力的效率至少要在14%以上、而系统的安装则需要降至 1.2元每瓦容量。现在通用的组建效率约为10%系统安装费用需要4元每瓦。尽管进程的速度还需要更快，但是科技的进步已经很迅速了，过去的12个月中效 率已经从9%提升到10%。藉着它的无消耗特性加上技术逐渐改良，在屋顶上安装太阳能发电面板将成为一种有竞争价值的房屋配件，因为它可以大量减轻白天的 能源消耗。
按照我们的计划，在2050年太阳能发电技术将可以产生将近3000亿甚至3兆瓦的能量。这需要在3万平方英里建设太阳能发电厂，尽管这个数字听起 来很庞大但是架设这些远比现在在西南部架设煤炭厂和煤矿矿区要小得多。国家可再生资源实验室的研究表明西南部有比足够量还要广大的可利用区域，不包括环境 敏感区(environmentally sensitive area)、人口集中地区或地形复杂地带。亚利桑那州水土保持部门发言人Jack Lavelle曾表示该州80%的土地都非私有地且该州对太阳能源的开发很有兴趣。太阳能源可以达到对环境造成最小影响。
现在最需要的就是将组件效率提升到14%。尽管通用的组件不会使用如实验室里的材料但是如今在国家可再生资源实验室(National Renewable Energy Laboratory)的镉碲化合物效率已经达到16.5%而且还在上升。同时至少第一家生产商——在俄亥俄州Perrysburg的初创公司 （First Solar）已经在2005到2007年间把组件效率从6%提升到了10%且将在2010年达到11.5%。
加压洞室(pressurized cavern)
太阳能发电最大的限制条件莫过于在阴天及夜晚只能生产微量能源。为此在晴天必须储存备用的能源以供其他时候使用。而大部分能源储存设备诸如电池等都很贵而且缺乏效率。
压缩空气能源储存是比较成功的方法之一，即让太阳能发电产生的电力将空气压缩进空旷地下洞室、废弃矿山、地下水含水层(aquifers)及废弃天 然气井中。释放这些压缩空气可以推动生产电力的涡轮机，只需要燃烧少量天然气辅助。压缩空气能源储存自1978年起已经在德国Huntorf稳定运行，阿 拉巴马州的McIntosh也在1991年加入这个行列。这些涡轮机只需要燃烧原本需要量的40%即可，而更先进的热能回收技术可以把这个值降低到 30%。
加州Palo Alto电力科学研究院研究指出现今压缩空气能源储存的成本是铅酸蓄电池的一半左右。研究同时表示这种设备会增加3或4分钱每千瓦时的太阳能发电成本，于是2020年能源价格应该是8或9分钱每千瓦时。
从西南部太阳能发电田生产出的电力经过高压直流电缆传输到遍及全国的压缩空气能源储存设施，然后由涡轮机制造全年使用的电力。要达成这样目的其关键 就是寻找适合的基地。由天然气生产商及电力科学研究院(Electric Power Research Institute)的筛选指出75%适合架设基地的地点都靠近大都市区域。确实压缩空气能源储存系统也与天然气系统有不少相似。天然气工业有8兆立方英 尺气体储存在400个地下储存库中，而我们这个计划在2050年会需要5350亿立方英尺储存空间给压缩成每立方英吋1100磅的压缩气体。这项开发会有 一定难度、需要大量的空气筒但是天然气生产商一定会有兴趣涉及这个领域的。
热盐
另一项现今可以供应大约五分之一太阳能源的是聚光太阳能发电(concentrating solar power)。在一面被计算过的长形金属镜上反射阳光到一条充满流体的管子中，被如放大镜般的效果加热后的流体经过热能转换器，生产出的蒸汽推动涡轮转 动。为了储存能量管子会被导入一充满熔盐的大型绝缘隔热罐体中以保持热效率。热能会在夜间提取形成蒸汽然后熔盐慢慢冷却。所以能源的储存需要花费一整天。
九座总发电量3.54亿瓦（MW）的聚光太阳能发电厂已经在美国持续提供电力。一座在内华达州的6.4千万瓦发电厂也已经在2007年3月开始运 作，不过这座发电厂没有蓄热。还有一座具有7小时盐储存的50MW发电厂正在西班牙兴建，还有更多的电厂在世界开工。这些电厂需要16小时来储存电力并可 以提供24小时的电能。
现有的聚光太阳能发电厂证明聚光太阳能发电是可行的，但是其成本势必需要降低。规模和持续性经济研究将有助于他们降低成本。在2006年由西部州长 协会中太阳能专责小组(Solar Task Force)提出的报告中指出聚光太阳能发电可以在2015年提供每千瓦时10美分或更低的价格如果有总发电量超过4百亿瓦的电厂进入运营。设法提高热能 转换器的温度将可提高经营效率。工程师也正在研究如何让熔盐本身成为热交换液以减少热流失及成本。但因为盐具有腐蚀性所以还需要更有弹性的管道系统。
聚光太阳能发电与太阳能电池是两种不同的技术途径。但两者都还没有完全发展，所以我们的计划让它们都能在2020年大规模部署，也给它们时间去变得成熟。然后太阳能技术也能得到进化以满足经济的要求。从中工程师可以评估两者的优缺点让投资者决定支持一方。
直流电
太阳能发电站的地理位置与国家电流供应计划是明显不同的。今日煤炭、石油、天然气和核能的发电厂遍布各地，与它们需要的资源本身距离在较近的地方。 而美国大部分的太阳能电厂将会建在西南地区而现在的交流电(AC)网络还不足以承载将这些发电站出来的能源传送到客户处，而在传输过程中将会损失大量的能 源，所以架设一种新型的高压直流电(HVDC)传输骨干是势在必行。
橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)研究表明
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