百年清华

何祚庥，1951年毕业于清华大学物理系。中国科学院院士，北京大学科学与社会研究中心兼职教授、科学技术哲学专业博士生导师，中国科学院理论物理研究所研究员、理论物理专业博士研究生导师。

生存和发展是人类的两大基本问题。生存的关键是吃饭，所以农业是基础。发展的关键是能源，能源是发展的先导。要实现可持续发展，就必须大力节约化石能源，如果当代人把化石能源用完了，后代人将无可使用！不过幸运的是地球上尚存在大量“取之不尽、用之不竭”的可再生能源，所以，胡锦涛同志在2005年国际可再生能源大会上致辞中提出两个“必由之路”，“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。”

目前全世界能源需求量有大幅增加的趋势，一个非常重要的原因就是中国的崛起。中国现在的13亿人口已初步实现了温饱，正要向小康阶段迈进，也就是向工业化阶段迈进。早已实现工业化的发达国家总人口才8亿多，就已消耗了世界上近一半的能源；我们现在是13亿人口要加入这个队伍；另外印度也将加入，印度的人口跟我们差不多，这几年经济发展很快，能源需求量很大。

但是， 现在我国还没有到能源真正发生危机的时候。我们国家还有煤，石油就是贵点还买得到，2020年以前，中国还不存在真正尖锐的能源危机。但2020年后我国的煤也用掉不少，石油也快没了，而那时我们的发展规模却更快更大，能源问题就必然尖锐。

长期以来， 在中国能源界有一种理念“GDP翻两番，而能源翻一番”。但是中国正处在工业化的中间阶段，不可能做到“GDP翻两番，能源翻一番”。即使中国经济转入以第三产业为主的阶段，在这一阶段的发展初期，仍将保持能源消耗的高速增长，因为居民用电、用能将大幅度增加。

能源问题是综合性问题，该问题的解决，有赖于对能源技术、自然资源、社会经济，甚至政治问题的综合研究。如果涉及“未来”，就需要从“理论”上展望一下“未来”的发展，并且需要从“现在”做出决策和部署。

作为理论物理研究员，尤其需要运用理论物理的知识和方法综合探讨有关问题。通过“粗略”的量的估计，对某个研究对策的各个侧面作大致的数量级的估算，从而排除次要因素，突出主要因素。在需要时对其中某些因素，作深入的精确计算。这就是在理论物理工作中常用到的“物理的分析方法”，也称为“数量级”的“估计”方法。运用理论物理的分析方法，常常能从“理论”上对复杂的现象作出很好的解释，并据此提出“科学”的预见。但是，由于客观事物十分复杂，理论上看来可行的“建议”或“措施”，有时并不可行。但作为理论工作者，如果对事物的“未来”发展，没有提出相应的“预见”或“建议”，那是未能尽到职责。重要的是理论物理学家提出的这些“建议”和“措施”，必须和实际工作者仔细磋商，以确保这些“建议”和“措施”的真正“可行性”。

为什么近来关注起中国的能源问题，尤其是未来能源问题，一个原因是：2006年1月9日，胡锦涛同志在《全国科技大会讲话》中说，“要大力……促进哲学社会科学与自然科学相互渗透，为建设新型国家提供更好的理论指导”。另一个原因是：据2006年1月25日《科学时报》报道：侯祥麟院士说，“要提前考虑2050年怎么办？”侯老着重谈的是石油问题。我觉得应“放大”到整个能源问题，其中包括石油问题。尤其是可再生能源问题，需要提前做出决策。

下面具体讨论一下有关能源政策的问题——彻底解决我国未来能源问题是依靠核能，还是依靠可再生能源？

2002年全世界消费的可再生能源为19.66亿吨标准煤，约相当于全球一次能源消费总量的13.4%。其中传统利用的可再生能源约占77.5%，新的可再生能源利用约占22.5%。可再生能源发电量占总发电量的17.9%，仅次于煤电39%和气电19.1%，高于核电16.6%。那么,中国应该怎么办?下面我从资源、技术、经济效益亦即电价、劳动种类等多种角度，对核能和可再生能源的优缺点作一比较。并将这一比较结果列为如下简表：

从以上几个表可以看出，中国将不能走“以核为主”的道路，只能走“以可再生能源为主”的道路。一个需要回答的问题是：当前太阳能发电成本约是火电的10倍，在未来发展中，太阳能发电有无可能下降到和火力发电相竞争的水平？

太阳能发电技术发展介绍

在国际市场上，目前太阳能电池的价格大约为每瓦3.15美元，并网系统价格为每瓦6美元，发电成本为每千瓦小时0.25美元。目前太阳能光电系统的发电成本，约是1996年美国煤电成本4.8～5.5美分/千瓦时的5倍。有许多人纷纷看好太阳能光伏电池的未来。认为到了2020年，光伏电池成本将由现在的25美分/千瓦时下降到10美分/千瓦时，也有人认为到2010年即能下降到10美分/千瓦时。

最近，美国布什总统认为，到2015年，美国的光发电成本将可能下降到和火力发电相竞争的水平，原因有四条：

第一， 有可能大幅度降低所用单晶硅或多晶硅的材料成本。

例如，有可能将厚度为300微米的光电池下降到厚度为100～200微米的光电池。更重要的，有可能设计专供太阳能光电池用的单晶硅或多晶硅的生产设备，亦即由通常要求的9个9，下降到太阳能光电池的6个9的纯度。这就可能大幅度降低其生产成本。目前已出现一种能持续跟踪太阳，将10000倍太阳光聚焦在某一方位的定日镜，已做到在大小约为一个乒乓球范围的空间，将温度上升到3500℃，而且价格才大约几十万元人民币！这就有可能利用这种廉价的高温能源，取代热效率甚低的电能，来制作6个9的多晶硅，并有可能将光电池制作成本下降60%～80%。

现在，这一建造中的太阳炉已取得以下三项成就。

1）太阳炉反射面子镜的行和列的运动最大幅度地消除了传统镜面的象差，从而使一次聚光的聚光度相比传统太阳炉提高了一个数量级或更高。

2）太阳炉反射面的主动跟踪，摒弃了传统所使用的仰角—方位角跟踪公式，而采用了更为优越一些的仰角—自旋角跟踪公式。

3）新型太阳炉的总体设计摒弃了传统太阳炉两阶式的设计方案（使用平板式的定日镜与大型的抛物镜的结构），而采用了准一阶型的设计， 从而大大降低了制造成本。

已出现某些高效、简易、可行但又成本低廉的集光技术，将能大幅度提高光电池的电能产出，一般为300～500倍。

首先目前并没有大规模的廉价的聚光光电池的供应，这有待于技术的开拓；其次在缺水地区如沙漠地区将难以实现冷却。所以最近又出现一个新的建议——数倍集中的太阳硅电池发电装置的研究及样机研制。下图是所使用的4倍太阳装置，所使用的光漏斗能够保证在一次反射的条件下，在太阳电池表面上有均匀的光强分布。

预期其使用寿命至少是12年，而且在大规模实现产业化后，其发电成本约为目前平板式光伏电池的50%～60％。不排除这类产品还能有更大的价格下降的空间，并能和火电成本相竞争。

第四，有可能大幅度改进太阳能光电池的表面结构，将硅电池的光电转化率，从1 5%提高到3 0%，或更高一些的转化率。尤其是这一高效转化率的光电池， 如果能和300～500倍的高倍聚光镜相结合，将能获得巨大的技术效益和经济效益。下面是在电子显微镜拍摄下的某种光电池的表面结构，仅这一结构就能提高3%～5%的光电转化率。

4）即使太阳能热发电成本较高，但有望用作风电或光发电的调峰电站，所以仍是太阳能发电领域内的重要技术。

当前在世界范围内发展的太阳能热发电技术共有塔式、碟式和槽式三种类型，然而这三种类型都有一些本质上的缺点。所以国际上主导的思潮并不看好太阳能热发电。

塔式太阳能发电系统的基本原理是：用某种庞大的定日镜，将分散在较大面积的阳光聚焦在某高塔的太阳能锅炉上，从而获得高温、高压的气体，并转化为电力。塔式发电站的优点是：有较高的热力学转化效率。其重大缺点是：所需定日镜体系极为庞大，价格十分昂贵，很难实现产业化。

碟式太阳能发电系统的基本原理是利用抛物面聚光镜，将太阳能聚焦到某一随聚光镜而移动的集热器上。这一方案的优点是：集热器将达到较高的温度，有较高的热力学效率。可作为无电地区的小型电源，也可以并联起来成为太阳能热发电站。其重大缺点是：集热器必须随跟踪太阳的聚光镜而运动，在构造大型太阳能热电站时，将遇到一系列技术上的困难。

槽式太阳能发电系统的基本原理是：利用柱形抛物面将太阳光聚焦在某一蓄有热介质的管道上，再进一步将热能转化为电能。这一方案所需要的有跟踪性能的定日镜较为简单，但聚光性能较差，集热器集热的温度不能太高，因而相应的热力学效率较低。但由于槽式太阳能热发电投入最少，成本最低，因而有相当一些人认为槽式太阳能发电站最容易商业化。

但是， 在中国出现的一个新的机遇是，利用中国科技大学陈应天教授所发明的高效、简易可行但又成本低廉的新型的定日镜，将能保持上述三种形式的所有优点，而且还能产业化。因为首先这一定日镜有很好的跟踪和聚焦太阳能的性能；其次， 聚焦将固定在某一方位；再次它可根据不同聚焦需求，确定几种基本的镜面，用模具大规模生产，因而制作成本并不贵。考虑到以上一些理由， 我认为中国在大力推进光发电技术的同时，也应大力发展太阳能热发电技术，尤其是槽式太阳能热发电站。因为太阳能光发电技术的重大缺点是：有太阳有电，无太阳无电。所以，必须同时发展太阳热发电调峰技术。即使太阳能热发电站的成本较贵，但这是资源最为丰富的最佳的调峰技术。