史珺博士：低能量密度光伏的弱點(diǎn)，還是優(yōu)勢(shì)？

圖：陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī) 本文想重點(diǎn)談?wù)劰夥?a href="http://www.msthinker.com/news/" target="_blank">新能源的一個(gè)公認(rèn)的弱點(diǎn)，就是能量密度低的問(wèn)題。之所以以光伏為例，因?yàn)樵陲L(fēng)力、光伏、生物質(zhì)等各種新能源中，光伏發(fā)電的這個(gè)弱點(diǎn)最明顯。 能量密度，指單位能源介質(zhì)能夠釋放出的能量，這個(gè)單位可以是單位重量、單位體積，或者單位面積。例如，討論煤炭的時(shí)候，我們所說(shuō)的熱值，就是單位重量所能夠釋放的能量，通常以“熱值”來(lái)表示。而對(duì)于石油或天然氣等流體，既可以用重量（每克多少千卡），也可以用單位體積的能量來(lái)表示，如對(duì)于天然氣通常以每立方米多少千卡熱量來(lái)表示。 傳統(tǒng)能源的能量密度是很高的，例如，一車廂煤炭能夠讓火車跑數(shù)千公里，能夠發(fā)出20萬(wàn)度電，足夠滿足1萬(wàn)個(gè)家庭一天的用電需求。汽車加滿一箱油，能夠跑七八百公里，這就是能量密度高的好處。能量密度高，還使得傳統(tǒng)能源便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，無(wú)論是煤倉(cāng)還是儲(chǔ)罐，一個(gè)幾十畝的地方，就能夠儲(chǔ)存供幾十萬(wàn)戶居民一個(gè)月的能源消費(fèi)所需的煤炭和石油。 光伏發(fā)電的能量密度低，不是光伏發(fā)電組件的問(wèn)題，而是照射到地面的陽(yáng)光的能量密度本來(lái)就很低，由于接受光照是按照面積計(jì)算的，因而光伏發(fā)電的能量密度也以單位面積的能量計(jì)算。晴天的中午，照射到地面上每平方米的陽(yáng)光的總功率大約是1千瓦，如果光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率按照20%計(jì)算，那么，每平方米光伏組件的發(fā)電功率就是200瓦。如果按照現(xiàn)代城市家庭每戶5KW的用電功率計(jì)算，每戶需要25平方米的組件?？紤]到每天光伏發(fā)電的平均小時(shí)數(shù)只有3~6小時(shí)，這個(gè)面積可能還要大上兩到三倍，即70~80平方米才能滿足5KW的用電需求。那么，1萬(wàn)戶居民的家庭用電，需要70萬(wàn)平方米的光伏組件，再考慮維護(hù)通道和組件面板之間的空隙，大約需要100萬(wàn)平方米，也就是說(shuō)，占地（或占屋頂）1平方公里的光伏電站才能滿足1萬(wàn)戶的家庭用電。 與石油煤炭相比，光伏的能量密度低似乎的確是一個(gè)缺點(diǎn)。但是，如果我們看看電力的用戶，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了大型工廠和設(shè)施以外，絕大多數(shù)的電力用戶其實(shí)所需要的能量密度并不高。以居民為例，按照前面每戶5KW的功率計(jì)算，采用光伏發(fā)電大約需要25平米的光伏組件，占有約70平方米左右的屋頂面積，這是絕大多數(shù)居民的房屋都能夠滿足的。而大多數(shù)電子、機(jī)械、電子工廠，假如廠房的面積是5000平方米，屋頂?shù)墓夥M件將能夠提供800K的電力（考慮了維護(hù)通道），這樣的功率在大部分的情況下，能夠滿足該屋頂下的車間里的設(shè)備生產(chǎn)和人員辦公的用電。 而農(nóng)村和城鎮(zhèn)，由于建筑高度不大，相對(duì)用電功率不大，光伏發(fā)電的能量密度更加不是問(wèn)題。至于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、油田、礦山、野外基地、哨所等地方，光伏發(fā)電的能量密度簡(jiǎn)直是由大自然（你也可以說(shuō)上帝）為這些場(chǎng)合量身定做的。 真正需要高能量密度的，只有高層建筑、冶金、化工等高載能工業(yè)項(xiàng)目。從建筑物或者工業(yè)設(shè)施的數(shù)量上來(lái)說(shuō)，他們所占的比重并不大。 因此，光伏發(fā)電的能量密度低，與大部分電力用戶的能量密度分布情況是一致的。因此，應(yīng)當(dāng)說(shuō)，除了那些高載能的工廠需要傳統(tǒng)的化石能源來(lái)用于供電外，對(duì)于大多數(shù)的居民、城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、野外設(shè)施的供電來(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電與電力用戶的需求的能量密度反而更加匹配，更加合適。 那么，為什么在大多數(shù)人們的心目中，能量密度低會(huì)成為一個(gè)缺點(diǎn)，而且是很大的缺點(diǎn)呢？這是由于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)所決定的。 由于煤炭、石油的能量密度高，因此，逐步形成了大功率發(fā)電機(jī)組集中發(fā)電的形式，而且，鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的功率越大，效率也越高，因此，發(fā)電廠的功率就越來(lái)越大。發(fā)電廠發(fā)出的電力經(jīng)過(guò)骨干電網(wǎng)送往各地，然后再經(jīng)過(guò)較低電壓的輸配電網(wǎng)絡(luò)傳送到工業(yè)區(qū)、居民區(qū)等最終電力用戶。如果光伏發(fā)電也要采用這樣的模式來(lái)進(jìn)行輸電和配電，自然，能量密度低就成為缺點(diǎn)，因?yàn)椴粌H占地面積大，而且，電力收集的成本也非常高。 但是，現(xiàn)代電力輸電網(wǎng)絡(luò)的體系，并非是天生的，而是隨著發(fā)電技術(shù)逐步演變成為現(xiàn)在的電力輸配系統(tǒng)。 1880年，在愛(ài)迪生發(fā)明了電燈，使得電力第一次具有實(shí)際的作用（照明）以后，愛(ài)迪生開(kāi)始為路燈的照明鋪設(shè)輸電系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)的電力和電燈都是直流電，愛(ài)迪生的電力系統(tǒng)是低壓直流電（與現(xiàn)在的光伏發(fā)電完全相同），在距離發(fā)電機(jī)半英里的范圍內(nèi)，直流電是高效率而且經(jīng)濟(jì)的，與現(xiàn)在光伏所倡導(dǎo)的“低成本高效率”的目標(biāo)一樣。因此，愛(ài)迪生在一個(gè)城市里建立多個(gè)直流中心站，從中心站電線呈放射狀輻射到周圍一英里方圓內(nèi)的建筑。當(dāng)時(shí)愛(ài)迪生電燈公司的第一批客戶包括德雷克賽爾財(cái)團(tuán)、摩根財(cái)團(tuán)、帕克銀行，還有《紐約時(shí)報(bào)》。愛(ài)迪生的電力系統(tǒng)逐步從門羅公園擴(kuò)充到華爾街，然后是華盛頓的白宮，再到巴爾的摩。愛(ài)迪生建立了自己的低壓直流電網(wǎng)體系，并深深為之自豪。他根本不想與交流電有任何關(guān)系。 這時(shí)，電力歷史上另外一個(gè)重要的人物威斯汀豪斯（Westing House，他用自己的名字命名的公司，被音譯為西屋公司）出現(xiàn)了。威斯汀豪斯發(fā)現(xiàn)，愛(ài)迪生的低壓直流電網(wǎng)的物理局限是顯而易見(jiàn)的。因?yàn)槊總€(gè)直流中心電站只能覆蓋1英里方圓，而在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，建筑內(nèi)使用電燈的用戶越來(lái)越多，每個(gè)家庭內(nèi)使用的電燈數(shù)量也會(huì)越來(lái)越多，因此，中心站很快就不能滿足所覆蓋區(qū)域內(nèi)的越來(lái)越大的電力需求。此外，發(fā)電機(jī)的噪聲使得附近居民不堪其擾。著名的摩根公司總裁摩根先生在自己的地下室里安裝了一臺(tái)蒸汽機(jī)和發(fā)電機(jī)，這些機(jī)器的聲音如此之大，使得他的鄰居詹姆斯-布朗太太不停地抱怨，不僅她的整個(gè)房子都在一致發(fā)抖，而且討厭的濃煙使得她家里的銀器褪色，滿地的煤灰則使得院子無(wú)法保持整潔，還有討厭的嗡嗡不已的噪音，和冬天溫暖的煙囪管道招來(lái)的野貓的嚎叫。 威斯汀豪斯在從交流電的變壓功能想到了一種新的、更經(jīng)濟(jì)有效的輸電方式。為了減少各個(gè)直流電中心的發(fā)電機(jī)的噪音和污染等對(duì)附近居民的騷擾，他將發(fā)電機(jī)從設(shè)立在居民附近的直流中心電站搬到遠(yuǎn)離居民和市中心的郊外，并將大量的小型發(fā)電機(jī)升級(jí)為大功率發(fā)電機(jī)組，使單個(gè)發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率得到大幅提高。為了減少輸電損失，采用變壓器升壓后再輸電，為此交流電和高壓輸電技術(shù)被采用，高壓電后通過(guò)長(zhǎng)途輸電線路，送到市區(qū)和工業(yè)區(qū)，再變壓到低壓，通過(guò)配電網(wǎng)到用戶。這就是現(xiàn)代電網(wǎng)的雛形。 交流電網(wǎng)一面世就顯示了優(yōu)勢(shì)，這當(dāng)然嚴(yán)重影響了愛(ài)迪生電燈公司的利益。從此，愛(ài)迪生為了交流電還是直流電和威斯汀豪斯之間進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十余年的殘酷競(jìng)爭(zhēng)，這種競(jìng)爭(zhēng)并不像他們兩位紳士表面上看上去那么有風(fēng)度。惡意中傷、爾虞我詐、賄賂、間諜等多種卑鄙手段都出現(xiàn)了，當(dāng)然，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決定性因素還是取決于技術(shù)的先進(jìn)性，而不是其它。最終，通過(guò)1892年的芝加哥世界博覽會(huì)的照明中標(biāo)和1895年尼亞加拉大瀑布的水電站的建成為標(biāo)志性勝利，威斯汀豪斯公司終于戰(zhàn)勝了愛(ài)迪生的直流系統(tǒng)，確立了交流電的主導(dǎo)地位。從那以后，從此以后，火力發(fā)電廠機(jī)組的功率越來(lái)越大，輸電距離越來(lái)越長(zhǎng)，輸電電壓越來(lái)越高。特高壓、超大功率、超遠(yuǎn)距離傳送成為了現(xiàn)代電網(wǎng)的標(biāo)志和象征。 時(shí)代輪回。隨著光伏等新能源的推廣應(yīng)用，光伏電源成為了隨處可得的電源，它沒(méi)有噪音，沒(méi)有污染，也沒(méi)有討厭的黑煙。既然自己的屋頂就能夠產(chǎn)生電力，為什么還要遠(yuǎn)距離送電？當(dāng)然，已經(jīng)建成的輸電體系還是有它的用途，例如，上海這樣的大都會(huì)城市，寶鋼這樣的鋼鐵廠，都需要。但是，對(duì)于農(nóng)村，對(duì)于新城鎮(zhèn)，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于大量用電量不大、卻有著大面積的屋頂?shù)墓S，為什么還要采用長(zhǎng)途電網(wǎng)來(lái)輸電？如果再考慮深一步，我們家庭的電器，都完全可以采用直流電，而且大部分必須采用直流電。例如，電視，電話，電腦，LED電燈。而那些大功率的家電，如空調(diào)、冰箱、電飯鍋，其實(shí)也完全可以采用直流電。那么，直流電和交流電會(huì)不會(huì)發(fā)生第二次大戰(zhàn)，這一次的勝利者會(huì)是哪一個(gè)呢？ 可以確定的是，隨著光伏發(fā)電等新能源的大量應(yīng)用，直流電網(wǎng)很可能再次興起，并在家庭和辦公場(chǎng)所占據(jù)上風(fēng)。但是，這絕對(duì)不會(huì)是倒退，而是一種進(jìn)步，是螺旋式的上升。 首先，電源是完全的綠色能源，不再有噪音和污染；其次，直流與交流的轉(zhuǎn)化都是通過(guò)電力電子的方式進(jìn)行變換，不需要發(fā)電機(jī)和整流器；不同新能源與就地的負(fù)載共同組成了微電網(wǎng)，而且會(huì)逐漸出現(xiàn)交直流并存的混合電網(wǎng)。而且，現(xiàn)代的光伏與當(dāng)年的中心站也不同，愛(ài)迪生的中心站依然是一點(diǎn)發(fā)電對(duì)多點(diǎn)用電的放射性結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在的光伏完全是在每個(gè)屋頂上的多點(diǎn)發(fā)電對(duì)多點(diǎn)用電（更像是互聯(lián)網(wǎng)的peer-to-peer的結(jié)構(gòu)），因此，電力傳輸距離很短。需要指出的是，目前，長(zhǎng)途輸電線路的輸電損失占到了電廠所發(fā)出的電力的25%左右，這是一個(gè)驚人的浪費(fèi)。更不用說(shuō)那些線路的架設(shè)所需要花費(fèi)的投資了。 今后，對(duì)于那些用電功率不是那么大的場(chǎng)、設(shè)施和建筑，完全可以采用新能源以微電網(wǎng)的形式進(jìn)行供電。你可以稱之為“分布式發(fā)電”，但這個(gè)叫法并不嚴(yán)謹(jǐn)。“微電網(wǎng)”是更科學(xué)的叫法。各種新能源對(duì)所在的電力負(fù)載進(jìn)行就地供電，電源與負(fù)載共同組成了一個(gè)微電網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載增加與電源的增加完全可以同步，不會(huì)存在發(fā)電容量限制的問(wèn)題，因?yàn)?，新的電力需求必然需要建筑的增加，而新房子必然有新屋頂。然后，大量的微電網(wǎng)將通過(guò)智能技術(shù)互聯(lián)，而那些載能大的用戶則可以依然采用現(xiàn)有的電網(wǎng)體系進(jìn)行輸配電，微電網(wǎng)將與骨干電網(wǎng)融合到一起，組成一個(gè)遍布全地區(qū)、全國(guó)乃至全球的能源互聯(lián)網(wǎng)。 微電網(wǎng)大量誕生后，大家會(huì)發(fā)覺(jué)，原來(lái)光伏發(fā)電的能量密度低，也未必是一件壞事，反而可能是上天為我們?nèi)祟愒缇妥龊玫囊粋€(gè)恰到好處的、美妙的安排。