□作者: 肯•茨魏貝爾 詹姆斯•梅森 瓦西利斯•弗塞納基斯
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汽油和民用燃料油的價格居高不下。美國發動中東戰爭的原因之一，就是為了保護美國在進口原油方面的利益。隨著中國、印度和其他國家對化石燃料需求的快速增長，未來各國對能源的爭奪將更加激烈。但燃煤、燃油、燃氣電站和隨處可見的交通工具，每年都會向大氣排放上百億噸污染物和溫室氣體，給地球環境造成嚴重威脅。
科學家、工程師、經濟學家和政治家們提出了各種各樣的方案，用于減少化石燃料使用量。削減污染物和溫室氣體的排放。但這些措施還遠遠不夠。美國需要實施一個大膽的計劃，來擺脫對化石燃料的依賴。我們的分析表明︰大規模利用太陽能是明智的選擇。
太陽能潛力巨大。40分鐘內通過陽光抵達地球的能量，就相當于全世界一年消耗的總能量。幸運的是，美國擁有的太陽能資源極為豐富。單是美國西南地區，就有65萬平方千米的土地，適合建造太陽能電站。這片土地每年接收的太陽輻射超過450億億英制熱量單位(B ritish thermal unit，簡稱Btu，1 Btu約等于1055焦耳)。將其中2.5％的輻射轉化為電力，就能滿足2006年美國全國的能量需求。
要全面轉向太陽能，必須在廣闊的土地上覆蓋大量光伏電板和太陽能集熱槽，還要建設直流電力骨干輸送網，將能量高效輸往全國各地。
技術已經具備，我們因此制訂了一個宏大的計劃︰到2050年。太陽能將為美國提供69％的電力和35％的總能量(包括交通工具耗能在內)。我們預計，這樣的電力能以每度5美分的價格出售給消費者，與目前常規電力的電價相當。如果風能、生物質能和地熱資源都能得到開發的話，到2100年，美國所有的電力供應和所消耗能量的90％，都將由可再生能源提供。
要實現這一計劃，美國政府需要在未來40年內投入4,200億美元。投資是巨大的，但回報會更加豐厚。太陽能電站幾乎不需要燃料，每年能節省數十億美元。這些基礎設施將取代300座大型燃煤電站和300多座大型燃氣電站，將它們消耗的燃料全部節省下來。這一計劃將有效終止美國的所有原油進口，緩解中東緊張局勢。
由于太陽能技術幾乎沒有污染，該計劃每年將減少17億噸原本由常規電站排放的溫室氣體。通過太陽能電網補給燃料的充電式復合動力車也將取代常規汽車，會另外再削減19億噸溫室氣體。到2050年，美國二氧化碳排放量將比2005年降低62％，為緩解全球變暖作出巨大貢獻。
光伏電站
到2050年，光伏電池陣列將佔地7.77萬平方千米，提供將近30億千瓦的電力。
在過去幾年里，光伏電池和光伏模塊的生產成本大大降低。為光伏產業的大規模發展鋪平了道路。在現有的各種光伏電池中，由碲化鎘制造的薄膜電池最為便宜。為了讓太陽能發電成本在2020年降到每度6美分。碲化鎘電池必須能夠將14％的太陽輻射轉換為電力，系統裝機容量的平均成本也必須降到每瓦 1.2美元——目前，光伏模塊的電力轉換效率只有10％，裝機容量平均成本約為每瓦4美元，明顯需要進一步改進。不過，這項技術正在迅速發展︰僅在過去 12個月里，商業化電池的效率就從9％提高到10％。值得一提的是。隨著光伏模塊的不斷改進，對房屋業主來說，在屋頂架設光伏電池也會越來越劃算。這樣一來，白天的電力就可以“自給自足”，大大減輕對電網供電的需求。
按照我們的計劃，到2050年，光伏技術將提供將近30億千瓦的電力。為此，美國必須建造大約7.77萬平方千米的光伏電池陣列。雖然這個數字听起來十分龐大，但我們不妨換一種思路︰如果把煤礦的面積也計算在內。燃煤電站產生100萬度電力所需的土地。其實比美國西南地區太陽能產生相同電力所需的土地更大。美國國家可再生能源實驗室(National Renewable EnergyLaboratory。位于科羅拉多州戈爾登市)的研究顯示，美國西南地區可利用的土地資源非常充足，無須征用環境敏感、人口密集或地形復雜的地區。亞利桑那州水力資源部新聞發言人杰克•拉韋爾(Jack Lavelle)指出，該州超過80％的土地為公有土地，他們很有興趣開發該州的太陽能潛力。光伏電站特有的優勢(比如不需要水)，可以把人們對環境問題的擔憂減至最輕。
實現上述目標所需的最重要技術改進。就是將光伏模塊的光電轉換效率提高到14％。在美國國家可再生能源實驗室，碲化鎘光伏電池的效率已經達到16.5％，並且仍在升高，不過商業化電池的效率還達不到實驗室電池的水平。至少有一家生產商——位于俄亥俄州佩里斯堡市的First Solar公司，已經將光電轉換效率從2005年的6％提高到2007年的10％，並預計在2010年達到11.5％。
壓縮儲能
白天用太陽能電力把空氣壓縮到地下，晚上再釋放出來發電，就能實現不間斷電力供應。
眾所周知，太陽能的一大局限就是，陰天和夜晚幾乎發不了電。因此，陽光明媚時生產出來的多余電力。必須儲存起來以供夜晚使用。然而，電池之類的大多數儲能系統都十分昂貴，而且效率低下。
壓縮空氣儲能方式是一種相當成功的替代方案。用光伏電站產生的電力壓縮空氣。把空氣泵入地下空洞、廢棄礦坑、含水土層和資源耗竭的天然氣井中。需要時，再將壓縮空氣釋放出來，通過燃燒少量天然氣加以輔助，便能推動渦輪生產電力。德國亨托夫市(Huntorf)的壓縮空氣儲能站早在1978年就開始運行，直到今天仍然安全可靠地提供電力；美國阿拉巴馬州麥金托什市(McIntosh)的同類電站也從1991年起運行至今。壓縮空氣儲能站消耗的天然氣，只有傳統燃氣電站的40％。如果采用更好的余熱回收技術，這一數字還可降低到30％。
美國電力研究所(Electric PowerResearch Institute。位于加利福尼亞州帕洛阿爾托市)的研究顯示，現有壓縮空氣儲能成本大約是鉛蓄電池的一半。研究還指出，這些設施的成本分攤到電價上，將使2020年時美國的太陽能電價上漲3∼4美分，達到每度8∼9美分。
美國西南地區光伏電站生產的電力，將通過高壓直流輸電線輸送到全國各地的壓縮空氣儲能站，那里的渦輪發電機再不分晝夜地生產電力。問題的關鍵是要找到合適的地點。美國電力研究所和天然氣業界共同繪制的地圖顯示。地質構造適合建造壓縮空氣儲能站的地區佔美國國土面積的75％，而且往往靠近大都市。事實上，壓縮空氣儲能系統與美國的天然氣存儲系統非常類似。天然氣業界在400個地下貯存庫中存儲的天然氣總量達2,300億立方米。預計到2050 年，美國將需要150億立方米的貯存空間，來容納壓強為75個標準大氣壓的壓縮空氣。盡管技術開發仍有難度，但可供選擇的地下貯存庫數量豐富，天然氣業界投資壓縮空氣儲能網絡也是理所當然的事情。
聚光太陽能發電
把陽光聚集起來加熱液體，產生蒸汽推動渦輪，是另一種可行的太陽能發電方案。
在我們的計劃中，太陽能電力中有1/5將由另一項技術提供，這就是所謂的“聚光太陽能發電”(concentrated solar power)技術。在這一技術中。長長的金屬反射鏡槽將陽光聚焦在一根充滿液體的管道上，像一個巨大的放大鏡那樣加熱液體。被加熱的液體穿過一個熱交換器，產生蒸汽推動渦輪旋轉。
為了儲存能量，被加熱的液體將沿著管道。流經一個巨大的隔熱容器。容器中充斥著熔化鹽——它們可以有效保持熱量。這些熱量在夜晚被提取出來，產生蒸汽。不過，熔化鹽會緩慢冷卻，因此儲存的熱量必須在一天內提取出來。
在美國，9座聚光太陽能電站已安全運轉多年，總裝機容量達35.4萬千瓦。2007年3月，內華達州一座6.4萬千瓦的新電站投入使用。不過，這些電站都不具備儲熱功能。
第一座具備儲熱功能的商業化電站正在西班牙建造，這座裝機容量5萬千瓦的電站配有可持續放熱7小時的熔化鹽儲能裝置。世界各地都在設計建造類似的電站。在我們的計劃中，這樣電站需要配備可以維持16小時的儲能裝置，讓電站能夠24小時不間斷發電。
現有的電站證明，聚光太陽能電站是可行的，但成本必須降低。規模經濟和進一步的改進研究都會有所幫助。2006年，美國西部地區州長聯合會 (Western Gove rnors’Association)太陽能特別評估組發布的一份報告中指出︰如果400萬千瓦的電站能夠建成，到2015年，聚光太陽能電站的發電成本就有可能低于每度10美分。提高熱交換液體的溫度，可提高發電效率；工程師們還在研究如何將熔化鹽本身用作熱交換液體，來減小熱量流失，也可以降低資本成本。不過鹽具有腐蝕性，因此需要更加耐腐蝕的管道系統。
聚光太陽能電站和光伏發電代表了兩條不同的技術路線。兩種技術都沒有發展成熟，因此我們計劃在2020年以前，對它們同時進行大規模開發。多種太陽能技術的組合使用也許更符合經濟學要求，隨著建造規模的擴大，工程師和會計師們可以評估各種技術的優缺點，投資者也會作出決定，偏向于某一種技術。
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