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光伏革命引领全球未来

作者:李河君   出版社:中信出版社  和讯读书
  在现在和未来,人类能否发明一种技术,像植物利用阳光制造能量一样直接利用太阳能?答案是肯定的。这种技术就是具备多种优势的太阳能光伏技术。太阳能的竞争方式是核心技术竞争,谁掌握了技术,谁就掌握了能源。从中国政府制定的一系列政策来看,中国有望抢占先机。

  “叶绿素式革命”

  人类对光伏的追求可以总结为一句简单的话:人类要像叶绿素一样利用太阳能。

  自然界一直有一套太阳光捕捉系统,从第一个绿色生命诞生算起,这套系统已经运转了247亿年。这就是光合作用。

  人们对光合作用的研究已经持续了200余年,颇有收获。1845年,德国科学家迈尔首先发现植物有将太阳能转化为化学能的本领。1864年,德国科学家萨克斯发现光合作用能够产生淀粉。1880年,德国科学家恩吉尔发现了能够释放氧气的叶绿体。20世纪初,德国化学家维尔斯泰特发现了叶绿素—在绿色植物中含量最丰富,被视为捕光复合物。这是一个具有典型正20面体对称结构的空心球体,其中布满了色素分子,以便吸收光能并进行传递。

  奇妙的叶绿素和光合作用激发人们做延伸思考:在自己的经济活动、工业生产和日常生活中,人类能不能发明一种人工制造的叶绿素,进而直接利用太阳能呢?

  虽然人类早在19世纪就已经发现了太阳光照射到材料上引发的“光起电力”效果并进行研究,进而发现了光生伏特效应,又尝试用金属–半导体结来制造太阳能电池,但太阳能电池技术的时代直到20世纪50年代才最终到来。这主要得益于人们对半导体物理性质的深入了解,而且加工技术也上了一个新台阶。

  1954年,第一个有实际应用价值的单晶硅太阳能电池在贝尔实验室诞生,其发明者是贝尔实验室的皮尔逊、富勒和蔡平。他们发现,若在硅中掺入一定的微量杂质,经过太阳光照射,其中会产生电流,而且从光能到电能的转化率达到10%左右。

  因为它能实现利用光电材料吸收光能后发生光电转化,人类获取太阳能的方式也因科技的发展而逐渐走向真正的“叶绿素式”的获取。

  进入21世纪,科研人员对叶绿素的研究又有了新突破:为了应对弱光环境,有些植物还衍生出了吸收长波光线的色素。2010年,研究人员在西澳大利亚鲨鱼湾的一个藻青菌菌落中偶然提取到这种叶绿素,将其命名为叶绿素f。它能够吸收红光和红外线,波长范围为0.7~0.8微米(红外线的波长是0.77~1 000微米)。

  科学家们开始尝试利用光合作用原理研制电池。比如,将植物里的叶绿素提取出来,放到人工制备的膜里,从以叶绿素为主的捕光系统到光反应中心,再加上10种辅助因子(如锰、铁、镁等)的共同作用,光合作用这个复杂且精巧的系统先把光转化成电,再转化为固定状态的化学能。

  如今,模拟光合作用原理的电池已经制造出来了,这就是染料敏化电池。染料敏化电池是用敏化剂类人工合成染料代替了植物中的叶绿素。2011年11月19日,国内首个新型染料敏化太阳能电池项目在青岛高新区胶州湾北部园区投产。

  光合作用是世界上最伟大的化学反应之一,通过太阳能电池实现的光伏发电也是伟大的研究成果,它从根本上改变了人类利用能源的方式。

  太阳能发电是对太阳能的直接利用,从根本上改变了人类利用能源的方式。终有一天,人类将能够像绿色植物一样,直接利用取之不尽、用之不竭的太阳能。现在,薄膜的光电转化率已经达到15%~20%,其产生的能量没有任何污染,而且几乎是零排放,这是人类能源利用的终极方式!

  因而,光伏发电可称为“叶绿素式”的光伏革命,它将是世界上最伟大的能源革命之一。通过叶绿素式的能源革命,人类将回归最初的能源形态。

  国家的态度

  “叶绿素式革命”的颠覆性不仅表现在能源的利用方式上,而且表现在它可以突破传统能源利益格局的限制。

  从国际层面上讲,这种限制就是美国的石油霸权以及石油带来的地缘政治格局。欧美对中国光伏产品实施“双反”调查主要有两大目的:一方面是增强新能源的技术和专利壁垒,比如美国在硅晶体太阳能、德国在精密机械太阳能方面的控制权;另一方面是压制中国的新能源发展。

  中国的煤炭资源相当丰富,如果继续以煤炭为主要能源,倒也能维持多年。但是,《京都议定书》的限制、全球温室效应的压力都要求我们走可持续的新能源道路,然而,新能源的技术和专利都在他人手中。因此,我们摆脱困境的唯一出路就是抢占新能源和高科技的领先地位。

  从国家层面上讲,就是要突破本国旧能源利益集团的障碍。在美国,这种障碍主要表现在国会里的政策之争,即以共和党为主体的石油集团、军工集团和以民主党为主体的硅谷半导体集团的对立。

  为了突出自己在能源独立和绿色经济上的信心,奥巴马将2009年总统就职典礼的主色调由传统的红色改为绿色。那时候,奥巴马重点提到了未来美国的汽车和工厂可以“由太阳能和风能驱动”,并且认为可再生能源的前景“宽广而有潜力”。但是2013年1月21日,奥巴马在国会山发表第二任期的就职演讲时,近20分钟的演讲,只有一分钟是关于气候问题的,而对可再生能源的推广也只是泛泛地提到“道阻且长”。

  在这种微妙的变化中,美国页岩气革命被提上了日程—虽然麻省理工学院的一项研究声称,页岩气只能算是向低碳未来前进的一个“暂时性”的过渡方案。夸大其价值可能会严重妨碍碳收集和碳封存等低排放科技的发展。

  欧洲则由于传统化石能源供应问题,要么被俄罗斯掐住脖子,要么挨美国的拳头,因此对传统化石能源并没有那么眷恋。欧洲石油巨头(如英国石油公司、荷兰皇家壳牌石油公司、道达尔公司)的市场都遍布全球,因而欧洲各国没有受限于大牌传统能源公司的金钱目标。

  但欧洲缺乏政治上的统一,目前尚难以对现有的以各个国家为基础的电力公司和能源网络进行有效整合。

  在这方面,中国则具有较大的政治优势。第一,受制于环境压力和经济增速,中国对新能源的渴望比他国更强烈。在过去的20年里,中国一直在宣扬转向绿色能源的必要性。第二,中国领导人对第三次工业革命极为重视,而且十分关注新能源的战略规划。规划是一种国家态度。第三,中国传统化石能源企业几乎都是国有企业,中国政府在制定能源政策时,不存在美国政府面临的来自利益集团的巨大压力。

  2012年9月12日,国家能源局印发《太阳能发电发展“十二五”规划》,提出的发展目标是:到2015年,中国太阳能发电装机容量达到21GW以上,其中,光伏分布式发电达到10GW。

  2012年9月14日,国家能源局拟定了一个名为《关于申报分布式光伏发电规模化应用示范区的通知》的文件,并下发到中国各大光伏企业。该通知称将出炉一个“一期为15GW总装机容量的分布式发电规划”,并要求各省区市能源主管部门在10月15日前上报实施方案,凸显国家扶持光伏企业、发展新能源的强烈意愿。

  两相比较,后者比前者的要求更高—光伏分布式发电装机容量提升为15GW,较之前者加码50%。

  据了解,国家能源局目前正在做光伏产业30年、50年的规划:到2015年中国的累计装机容量将达到35GW,到2020年将达到100GW;2020~2050年光伏装机容量还会大幅提高,平均每年新增装机容量30GW。

  中国的实力

  中国距离光伏革命只是咫尺而已。

  第一,中国有技术实力。光伏科技进步迅速,中国也掌握了一定的先机。汉能早在数年前就已经转向薄膜电池技术。

  2013年6月15日,全联新能源商会薄膜论坛及薄膜专委会发起成立仪式在北京举行,来自全球的200余名光伏行业人士、专家、媒体参加了论坛。我在致辞中强调,以太阳能为代表的新能源的核心竞争方式与传统能源相反,即不是资源竞争,而是核心技术竞争。谁掌握了核心技术,谁就掌握了能源。

  中国的《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》提出,将重点布局晶硅电池技术、薄膜电池技术及新型电池技术研发。到2015年,力争使单晶硅电池的产业化转化率达到21%,多晶硅电池达到19%,非晶硅薄膜电池达到12%,碲化镉、铜铟镓硒薄膜电池实现产业化,初步实现用户侧并网光伏系统平价上网,公用电网侧并网光伏系统上网电价低于0.8元/度。

  第二,中国政府不遗余力地推动清洁能源的投资。彭博新能源财经2013年7月的统计数据显示,2013年第二季度,中国的清洁能源投资额达138亿美元,环比上升63%,总额位居全球第一。同期,全球清洁能源投资额达到531亿美元,较第一季度增加了22%,显著高于第一季度的436亿美元,但不及2012年第二季度的631亿美元。中国第二季度的清洁能源投资额占全球同期清洁能源投资额的25.9%。

  第三,中国有着广阔的本土市场。根据国家能源局的规划,在“十二五”期间,中国太阳能发电将进入多元化、大规模应用阶段。一是在西部太阳能资源丰富地区,主要包括西藏、内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆、云南等地区,建成并网太阳能电站500万千瓦。二是大力推广城市屋顶太阳能分布式发电,重点在经济开发区、工业园区等建筑屋顶面积总量大的区域集中建设,鼓励用户自发自用。三是在国家组织实施的100个新能源示范城市和200个绿色能源示范县建设中,积极推广太阳能发电的应用,研究探索光伏发电和智能微电网系统的协调发展,为太阳能分布式发电建立技术和管理支撑体系。到2013年年底,我国太阳能发电累计容量将达到1 000万千瓦左右。

  “得光伏者得天下”

  能源终极替代正在进行,以可再生能源为主的分布式发电将为世界带来一场新的能源革命,阳光将成为这场革命的主角。

  我们已经论述过太阳能成为能源终极替代主角的必然性,让我们沿着这条路径设想一下未来。

  首先,人类会进入一个连接石油时代与光伏时代的“后石油时代”。在这个阶段,技术竞赛将成为核心。

  既然我们能确认可再生能源将在未来引领风骚,而可再生能源的特点决定了必须通过现代装备制造技术,才能?地热、风力和太阳光等自然资源转化为可用及可控的能源,因此我们必须积极投入研发,抢夺先机。

  从研发到产业化需要时间,各国必然拼尽全力争取自己在技术上的领先地位,具有能源霸权主义情结的国家会通过各种贸易战来打击、削弱对手。未来10年,贸易战还会升温。

  不可不防的是,由于发达国家拥有技术、资本等先发优势,将更有可能成为新型装备、新材料的主要提供商。在“技术制高点”的优势下,发达国家有可能成为未来全球高附加值终端产品、主要新型装备产品和新材料的主要生产国和控制国,发达国家的实体经济将进一步增强。

  在石油时代,技术阴谋论并不是什么新鲜事。比如,美国在半导体行业拥有很多优势和数十年经验,但为何选择晶体硅作为其太阳能的发展方向而不是薄膜?这与硅谷的一批半导体研发领军者的推动有关。这些人士大多在大规模集成电路、平板显示器、计算机硬盘等领域拥有非常丰富的经验。从工艺来看,从半导体到电池板只不过是产品变化,而很多技术和生产设备都可以通用。其核心就是美国人把持的两大技术核心—能源和半导体。第一次半导体革命带来了电脑和消费类电子产品,而第二次半导体革命就是半导体向能源的回归,把自己变成能源的来源。

  其实在高科技革命之前,美国的半导体芯片和电路板就是在能源工业的电网和输电技术的基础上兴起的。半导体的处理器芯片和三极管则为人类带来了大规模生产的收音机、电视机、电脑和其他消费类电子产品。

  美国把晶体硅的优势说得绝无仅有,吸引他国共同开发,实际上是把产业链里最低端、利润最薄的那一块给他国糊口,而自己则控制最关键的技术。

  由此我们可以看出美国人的策略:把新能源的发展和国家对关键技术的控制紧密地联系在一起。通过对能源技术和半导体技术的合流主导世界的技术发展方向,并以此确保美国的国际竞争力。

  因此,在技术上开辟出一条完全不同的新路,打破美国控制的局面,就是一个国家增强未来国际竞争力的良好途径。同理,要在“光伏时代”领先一步,只有一个办法:技术赶超,抢先进入光伏时代。

  太阳能发电技术是我们抢先进入光伏时代的钥匙。目前中国已经领先一步,而凭借先进的技术优势、广阔的市场以及政府的战略布局,中国一定会赢得这场光伏革命。

  新能源产业的发展是中国难得的机遇:

  1.实现我国太阳能产业从晶硅到薄膜的战略升级,保持我国在薄膜太阳能领域的领先地位,加快薄膜太阳能产业的发展,对于我国“稳增长、调结构和产业转型升级”具有重大的战略意义。

  2.新能源产业的发展已经超出我们所有人的想象。对中国来说,这是一个难得的机遇,抓住这次机遇,中国将实现能源独立和能源安全。

  3.这次新能源革命是以制造业为基础的,而制造业是我国的传统优势行业,完全有可能由我们中国人主导!

  4.与美国、欧洲和日本相比,中国有发展太阳能产业的独特优势。太阳能产业需要资金、技术和市场,三者缺一不可。美国受到利益集团绑架,把发展新能源的主要精力放到页岩气上;欧洲有技术和市场,但是缺少资金;日本拥有资金和技术,但是缺少市场。只有中国三者兼备。

  若中国抢先进入光伏时代,我们就可以与300年来的传统工业经济发展模式告别了,我们会建立起以更高效、更快速发展、共享为特点的全新的工业方式和工业体系—光伏工业体系。

  届时,每个人都可以生产无限的、清洁的能源,人们在家里就可以利用能源互联网,以各种高智能设备进行个性化制造,生产少量但多样化的产品。这会改变简单重复性的工厂流水线模式,模糊制造业与信息高科技等智能行业的界限,使发明和制造的过程结合得更加紧密,大大缩短从发明到制造的时间。

  当中国进入光伏时代,我们会发现自己可以获得几近免费的、永不枯竭的能源,因为在能源互联网上,每一个微型电站生产的多余能源都可以跨洲传输和交易。

  当中国进入光伏时代,我们就能摆脱“污染”、“有限”、“不可持续”等旧的经济发展模式,同时也能与压在全世界人民头上的“雾霾”、“气候恶化”、“温室效应”等环境问题告别。

  当中国进入光伏时代,我们会发现能源供应的格局已完全改变,全面、可持续发展成为可能,中国也可以彻底掌握发展的主动权。随着国家间比较优势和产业结构的变化,世界经济地理格局也随之重构,原先以第二次工业革命为基础的国际经济分工会被改变。中国会在新一轮的产业分工与财富版图划分中赢得主动。

  当中国进入光伏时代,我们会发现化石能源引发的地缘政治影响已不复存在。由于太阳照耀大地的“公平性”,国与国之间的冲突从能源战变成了技术战。数十亿人在一个跨越大洲的绿色电力互联网上分享各自的可再生能源,这将为全球经济和社会奠定民主和公平之基。

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