在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)強(qiáng)勁東風(fēng)的氛圍下，綜合能源服務(wù)是當(dāng)下能源界的“風(fēng)口”，太陽(yáng)能和氫能更是風(fēng)口上的“風(fēng)口”，但筆者認(rèn)為“太陽(yáng)能是人類未來(lái)能源發(fā)展的終極能源”。
一、太陽(yáng)能是人類未來(lái)發(fā)展的終極能源是由太陽(yáng)能自身的本質(zhì)決定的
1、什么是太陽(yáng)能？
太陽(yáng)能指來(lái)自太陽(yáng)、以電磁輻射形式傳播的能量。
廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢(shì)能等。狹義的太陽(yáng)能則限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。
2、太陽(yáng)能的能量巨大無(wú)比
太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1,369W/㎡。地球赤道周長(zhǎng)為40,076千米，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kW/㎡，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kW/㎡，相當(dāng)于有102,000TW的能量。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤，每秒照射到地球的能量則為1.465×101?焦。
太陽(yáng)能是自然界中最普遍的能源，可以說(shuō)取之不盡之能源，可謂萬(wàn)源之源，是上帝送給人類的巨大寶藏和恩施。太陽(yáng)能是極其豐富的能源資源，其資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用所有能源的一萬(wàn)多倍，可見(jiàn)資源潛力巨大，具有深遠(yuǎn)和廣泛的發(fā)展空間。
3、太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)
太陽(yáng)能最大的特點(diǎn)是能量巨大。在地球上，沒(méi)有任何能源能與太陽(yáng)能相比擬。其次，太陽(yáng)能具有典型的再生性,是典型的可再生能源。而且正是由于太陽(yáng)能的可再生性，決定了它的連續(xù)性。其三，太陽(yáng)能在時(shí)間上是長(zhǎng)久的，對(duì)于人類而言，可以說(shuō)是永久的、無(wú)限的，太陽(yáng)能是廣泛的，在整個(gè)地球表面上，幾乎都被太陽(yáng)光所普照。
其普遍性是太陽(yáng)光普照大地，沒(méi)有地域的限制，無(wú)論陸地或海洋，無(wú)論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開(kāi)發(fā)和利用，且無(wú)須開(kāi)采和運(yùn)輸。無(wú)害性是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能不會(huì)污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天更有其獨(dú)特性。
4、太陽(yáng)能也有其致命的缺點(diǎn)
太陽(yáng)能的分散性。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的總量盡管很大,但是能流密度很低。
不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響。
二、太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1、太陽(yáng)能的利用
太陽(yáng)能具有總量巨大、安全經(jīng)濟(jì)、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。人類利用太陽(yáng)能有三大技術(shù)領(lǐng)域：即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化轉(zhuǎn)換。
光電轉(zhuǎn)換就是太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能；太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化效率為15～25%，光熱轉(zhuǎn)化效率為65～85%，光熱轉(zhuǎn)化效率明顯比光電轉(zhuǎn)化效率高，因?yàn)楣鉄徂D(zhuǎn)化是直接能量轉(zhuǎn)化，光電轉(zhuǎn)化是間接能量轉(zhuǎn)化。光化轉(zhuǎn)換包括：光合作用、光電化學(xué)作用、光敏化學(xué)作用及光分解反應(yīng)。目前該技術(shù)領(lǐng)域尚處在實(shí)驗(yàn)研究階段。
2、全球太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀
世界能源形勢(shì)緊迫，已經(jīng)成為世界十大焦點(diǎn)問(wèn)題之首。預(yù)計(jì)到2050年，全世界人口總數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到100億，經(jīng)濟(jì)可開(kāi)采的資源大約只有0.9TW，風(fēng)能實(shí)際可開(kāi)發(fā)資源僅約2～4TW，生物能3TW（總計(jì)8TW）；太陽(yáng)能潛在資源120000TW，實(shí)際可開(kāi)采資源達(dá)到600TW，所以，太陽(yáng)能是唯一能保證人類未來(lái)需求的能源來(lái)源。
3、我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)
2020年，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到9.34億kW，核電裝機(jī)容量達(dá)5102.7萬(wàn)kW，二者合計(jì)達(dá)9.81億kW，占全國(guó)所有發(fā)電裝機(jī)容量的44.6%。
隨著“3060”目標(biāo)的提出，在“十四五”開(kāi)局之年，國(guó)家能源局已錨定：2030年全國(guó)非化石能源消費(fèi)比重達(dá)25%，風(fēng)電光伏裝機(jī)達(dá)12億kW以上的目標(biāo)，這表示2021-2030年間，我國(guó)風(fēng)電光伏新增裝機(jī)將達(dá)6.66億kW以上。
三、儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研判
儲(chǔ)能的發(fā)展，能夠完美彌補(bǔ)光伏發(fā)電間歇性的短板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，中國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模35.6GW，占全球市場(chǎng)總規(guī)模的18.6%，同比增長(zhǎng)9.8%。
電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院院長(zhǎng)杜忠明曾預(yù)測(cè)，2025年全國(guó)新型儲(chǔ)能規(guī)模約3000～5000萬(wàn)kW，2030年進(jìn)一步增加到1.5億kW左右。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，未來(lái)新型儲(chǔ)能規(guī)模將超10億kW！
風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源具有波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，若要建設(shè)高比例可再生能源體系，必須在能源系統(tǒng)的儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)能力上形成與可再生能源建設(shè)速度一致的發(fā)展節(jié)奏。能源系統(tǒng)是否具備足夠的“儲(chǔ)、調(diào)”能力，是決定中國(guó)非化石能源何時(shí)能夠替代存量化石能源的關(guān)鍵性因素。為此，不僅要進(jìn)一步增強(qiáng)煤電、氣電、抽水蓄能等傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性資源，還要加快物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、先進(jìn)儲(chǔ)熱（冷）、先進(jìn)儲(chǔ)氫等新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。
太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱也是解決太陽(yáng)能不穩(wěn)定性和間接性的主要方法之一。太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱供暖項(xiàng)目，是實(shí)現(xiàn)“冬病夏治”的最好案例，農(nóng)村居民清潔采暖是各級(jí)政府多年來(lái)十分頭疼的事情，“煤改電”、“煤改氣”、空氣能、生物質(zhì)能等等，無(wú)數(shù)次的變更，無(wú)數(shù)次的失敗，政府進(jìn)行了大量的財(cái)政資金補(bǔ)貼，都無(wú)法從根本上解決問(wèn)題，財(cái)政不補(bǔ)貼之日，就完全有可能是老百姓返回傳統(tǒng)燒煤的時(shí)代。
圖：山西省介休市董家莊村太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱供暖試驗(yàn)示范項(xiàng)目
四、人類未來(lái)能源發(fā)展預(yù)測(cè)
中國(guó)非化石能源在一次能源消費(fèi)中的比重從2010年的8.6%提高到2020年的15.9%左右，每年平均提高0.73個(gè)百分點(diǎn)。其中，“十二五”期間非化石能源所占比重年均提高0.68個(gè)百分點(diǎn)，“十三五”期間年均提高0.78個(gè)百分點(diǎn)。
業(yè)界普遍判斷，中國(guó)若到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，則非化石能源在2050－2055年所占比重需提高到70%～80%甚至更高，這意味著，未來(lái)30年中國(guó)非化石能源所占比重年均應(yīng)提高2個(gè)百分點(diǎn)左右。按照前低后高的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)10年，中國(guó)非化石能源比重年均提高幅度需大致保持在1～1.5個(gè)百分點(diǎn)。
水電、核電是中國(guó)重要的非化石能源，也是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要選擇。但囿于資源潛力等多種因素，水電難以實(shí)現(xiàn)翻番式增長(zhǎng)；核電增長(zhǎng)潛力大，但發(fā)展也存在一定不確定性。未來(lái)需要以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主力來(lái)支撐規(guī)模巨大的非化石能源增長(zhǎng)，這也是歐洲國(guó)家在實(shí)現(xiàn)碳中和方式上一致性的結(jié)論。
近年來(lái)，新能源發(fā)電成本下降明顯加速。從2021年開(kāi)始，新增新能源發(fā)電將步入平價(jià)上網(wǎng)的全新階段。2020年中國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電新增發(fā)電裝機(jī)容量合計(jì)1.2億kW，相當(dāng)于上兩年新增量之和發(fā)展速度之快，令人咋舌。
供熱是全球最大的終端能源消費(fèi)領(lǐng)域。國(guó)際能源署數(shù)據(jù)顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，占全球二氧化碳排放量的40%。熱力消費(fèi)中，工業(yè)部門(mén)占比約50%，建筑物房屋（主要用于空間采暖和熱水供應(yīng)，少量用于烹飪）占比約46%，其余為農(nóng)業(yè)部門(mén)占比。太陽(yáng)能是全球增長(zhǎng)最快的可再生熱源。
在過(guò)去10年中，全球太陽(yáng)能供熱累計(jì)裝機(jī)增長(zhǎng)了250%，達(dá)到480GW（熱）以上，但近年來(lái)增速有所放緩。2018年太陽(yáng)能供熱技術(shù)滿足了全球2.1%的空間采暖和熱水供應(yīng)需求。將光伏和光熱耦合的太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)（PVT）技術(shù)正在興起，并有望擴(kuò)展到傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供熱市場(chǎng)。
總體講，自然界的基本規(guī)律是大道至簡(jiǎn)，人類社會(huì)的發(fā)展，也是如此。一般的能源使用過(guò)程中都會(huì)造成資源浪費(fèi)，造成二氧化碳等污染。我們還是應(yīng)該回歸初心，回歸自然。從最基本的愛(ài)因斯坦的核聚變出發(fā)，回到太陽(yáng)能的世界。太陽(yáng)能是天賜能源，大地是天然儲(chǔ)能體。
百年大計(jì)，千年夢(mèng)想，我們堅(jiān)信太陽(yáng)能是人類未來(lái)唯一需要的終極能源。
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作者：國(guó)網(wǎng)山西省綜合能源服務(wù)有限公司喬云廷、楊長(zhǎng)青，山西省太陽(yáng)能協(xié)會(huì)劉效云
