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太阳能:未来真正的能源之王?

时间:2022-11-06 09:03:42 | 浏览:878

近日,美国通过史上最大气候法案,此次法案规模高达3900亿美元,虽然,对比美国总统拜登上任之初设想的万亿美元,该法案的具体规模已大为缩水,但无疑仍将是一个历史性的气候法案。该法案的通过和实施,可能帮助美国温室气体排放在2030年减排40%,

近日,美国通过史上最大气候法案,此次法案规模高达3900亿美元,虽然,对比美国总统拜登上任之初设想的万亿美元,该法案的具体规模已大为缩水,但无疑仍将是一个历史性的气候法案。该法案的通过和实施,可能帮助美国温室气体排放在2030年减排40%,已接近拜登提出的减排50%的承诺。


太阳能:未来真正的能源之王?

文/陈思进

众所周知,人与动物的差别不仅在对于工具的利用,更在于对能源的利用。一直以来,能源危机之说虚虚实实,石油和矿物燃料告罄有日,而新能源尤其是非常规油气资源的发展,却使得当代能源危机变成了一个伪命题。

之前,我在《再谈可控核聚变:未来能源希望之星》一文中曾经提及,《商业内幕》(Insider)杂志母公司Axel Springer的首席执行官Mathias Dpfner,在加州弗里蒙特的特斯拉工厂与马斯克展开深度的对话,自然而然地探讨了能源的话题。马斯克认为,当下最佳的能源是核能,而太阳能则属于未来。

话音刚落,紧随着英国之后,南韩总统尹锡悦发布了《核电复活宣言》,甚至痛批前任总统文在寅“犯傻5年”,他毫不犹豫地决定,将废除文在寅前政府的去核电政策,并表明让新韩蔚核电厂3、4号机组建设项目尽快复工的立场,而且雄心勃勃地表示将在2030年之前出口10座核电站!

其他一些国家如德国、法国、日本、甚至中国的台湾,也都纷纷宣布了力推核能的决心,因为核能发电除了能解决目前的能源高价,更能解决高科技发展的能源问题。顺便一下,未来的芯片之争,除了技术等方面,还将是电力之争……

而可控核聚变的问题,已经在之前的《再谈可控核聚变:未来能源希望之星》的文章中议论过了,那么此文就着重谈一下未来的能源之王——太阳能。

首先必须认清的是,太阳非但拥有人类取之不尽,用之不竭的能量,更是我们地球上几乎所有能源的源泉。而太阳的能量是来自于太阳内部的核聚变,其所蕴藏的能量非常之巨大,并且不断向外辐射。

据粗略的估计,太阳向宇宙全方位辐射的总能量流为4×10^26 J/s。其中,太阳向地球输送的光和热,每分钟达250亿亿卡的热能(2.5×10^18 cal/min),换算成煤炭能源,大致相当于每秒燃烧667万吨所产生的能量;如果按一年365天计算,太阳辐射到地球表面的能量,相当于人类现有各种能源在同一年中所提供能量的上万倍。太阳能除了能量巨大,最关键是具有长久性。据目前太阳产生的核能速率估算,氢的储量足够维持上百亿年,那么相对地球、尤其对于人类而言,太阳能便是取之不尽用之不竭的能源。

当下,最广为使用的太阳能技术有三种:分别是光伏(PV)设备,例如太阳能板,通过半导体将太阳光直接转化为电能;聚光太阳能(CSP)发电厂,利用镜子将太阳光聚焦,产生足够的热能为蒸汽轮机或发动机提供动力发电;以及太阳能加热与冷却(SHC)系统,利用太阳的热能提供热水或冷气,以取代所需的电力或天然气。

再特别提一下太阳能的环保性。

与烧煤产生的能量所不同,太阳能不会产生造成全球变暖的温室气体,是迄今为止最清洁的能源之一,在环境污染越来越严重的今天,这一特点极其宝贵。

美国能源部(U.S. Department of Energy)最新的一项研究认为,到2035年将利用太阳能为全美提供40%的电力,而且这个比例到了2050年将达到45%。美国能源部长(Secretary of Energy)珍妮弗·格兰霍姆(Jennifer M. Granholm)于去年9月8日在发布《2021年太阳能前景研究》(2021 Solar Futures Study)时表示:“这项研究表明,太阳能这种价格最便宜、增长最快的清洁能源,到2035年能提供足够的电力,供美国所有的住户使用,并能在这个过程中让多达150万人就业。”

美国承诺到2030年将碳排放削减50%到52%,到2035年实现电力脱碳,并到2050年实现碳中和,而这些研究为在州及联邦层面采取有魄力的行动开辟了道路。

事实上,中国也在大力发展太阳能,以光伏发电为例,当今中国的光伏产业在经历了多年的快速发展之后,在2018年经历了行业低谷,“531”政策的实施使得光伏补贴降低、产品利润下降、企业盈利能力堪忧。但与此同时,这也加速了中上游企业的“洗牌”,淘汰落后产能,促进企业加大技术创新投入,加速光伏补贴完全退出市场,促使中国光伏平价上网时代更早的到来。无论外部环境如何,随着越来越多的科研工作者投入到各类太阳电池的研发,中国在光伏材料、器件及应用方面都取得了重大进展,相信未来的太阳能产业,必定会进一步地发展与扩大。

当然,太阳能也存在着两大缺点,至少目前还难以克服,不然的话,太阳能早就取代石化能源了:

首先是分散性,到达地球表面的太阳辐射总量尽管很大,但是能流密度很低,也就是说地球单位面积内所接收的太阳能较少。这就意味着在利用太阳能时,想要达到一定的转换功率,就需要面积相当大的一套收集和转换设备,系统造价较高;

其次,太阳能存在着不稳定性。由于太阳能受到昼夜、季节、地理纬度和海拔等自然条件的限制,以及晴、阴、云、雨等随机天气因素的影响,到达某一地面的太阳辐射能量极不稳定,这给太阳能的大规模应用增加了难度。

埃隆·马斯克也说过:从长远来看,人类文明的大部分能源将来自太阳能,但这需要使用电池来储能,因为只有白天才有太阳,而且有时还会出现阴天,所以需要太阳能电池,未来还有很多技术问题有待解决。但长期来看,太阳能将是为人类文明供电的主要手段。

不过,即使我们能够将太阳辐射到地球上的能量全部吸收利用,几百年后一旦能源需求增长到上述极限了,怎么办?戴森球就是要设法解决这个问题。

1959年,曾担任爱因斯坦副手的美籍英裔理论物理学家Freeman Dyson(弗里曼·戴森)认为,任何技术文明对能量的需求都是“贪得无厌”、不断增长的。如果人类文明能够延续足够长的时间,有一天必然对能量的需求会膨胀到利用其母恒星(如太阳)“全部”的能量输出。

因为太阳的辐射总能量,绝大部分都在无垠的太空中白白浪费了,地球依靠太阳的自然照射,能够得到其中的多少份额呢?戴森已经估算过了,大约是十亿分之一。

换句话说,地球从太阳自然照射中得到的总能量,虽然是目前地球全球总能耗的约一万倍,但这只是太阳总辐射能量中的约十亿分之一。戴森球的想法,就是要让地球这颗小豆子,从太阳辐射能量的这十亿分之一外,尽可能再多拿到一些。

1960年戴森在《Science》杂志上发表了一篇短文,提出了戴森球的想法:一个足够先进的行星文明,应该有能力建造一个球形结构,将自己和自己的恒星(太阳)包裹在里面,这样太阳的很大部分辐射能量,便可以被采集起来供该文明使用。此后人们就将这种想象中的球形结构称为戴森球。

戴森还认为,这样的结构是在宇宙长期存在,并且能源需求不断上升的文明的逻辑必然。虽然戴森球的设想从提出至今已过60多年,它的实施(如果可能的话)必定在极为遥远的将来。而人类发明的众多高科技,不就是从不断地畅想中产生出来的吗?

2022年07月18日写于多伦多安大略湖畔

(思进注:除注明作者之外,所有文章皆为思进原创。原创文章,谢绝未保留作者相关信息的任何形式的转载。【免责声明】本文仅代表原作者个人的论述和观点,敬请读者自行判断。内容或者数据仅供参考,不构成任何具体投资建议、不作任何商业用途、更不对其真实性负责。投资者据此操作,风险自担。)

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