史珺博士：低能量密度光伏的弱点，还是优势？

图：阳光动力2号太阳能飞机 本文想重点谈谈光伏等新能源的一个公认的弱点，就是能量密度低的问题。之所以以光伏为例，因为在风力、光伏、生物质等各种新能源中，光伏发电的这个弱点最明显。 能量密度，指单位能源介质能够释放出的能量，这个单位可以是单位重量、单位体积，或者单位面积。例如，讨论煤炭的时候，我们所说的热值，就是单位重量所能够释放的能量，通常以“热值”来表示。而对于石油或天然气等流体，既可以用重量（每克多少千卡），也可以用单位体积的能量来表示，如对于天然气通常以每立方米多少千卡热量来表示。 传统能源的能量密度是很高的，例如，一车厢煤炭能够让火车跑数千公里，能够发出20万度电，足够满足1万个家庭一天的用电需求。汽车加满一箱油，能够跑七八百公里，这就是能量密度高的好处。能量密度高，还使得传统能源便于储存和运输，无论是煤仓还是储罐，一个几十亩的地方，就能够储存供几十万户居民一个月的能源消费所需的煤炭和石油。 光伏发电的能量密度低，不是光伏发电组件的问题，而是照射到地面的阳光的能量密度本来就很低，由于接受光照是按照面积计算的，因而光伏发电的能量密度也以单位面积的能量计算。晴天的中午，照射到地面上每平方米的阳光的总功率大约是1千瓦，如果光伏发电的转换效率按照20%计算，那么，每平方米光伏组件的发电功率就是200瓦。如果按照现代城市家庭每户5KW的用电功率计算，每户需要25平方米的组件。考虑到每天光伏发电的平均小时数只有3~6小时，这个面积可能还要大上两到三倍，即70~80平方米才能满足5KW的用电需求。那么，1万户居民的家庭用电，需要70万平方米的光伏组件，再考虑维护通道和组件面板之间的空隙，大约需要100万平方米，也就是说，占地（或占屋顶）1平方公里的光伏电站才能满足1万户的家庭用电。 与石油煤炭相比，光伏的能量密度低似乎的确是一个缺点。但是，如果我们看看电力的用户，就会发现，除了大型工厂和设施以外，绝大多数的电力用户其实所需要的能量密度并不高。以居民为例，按照前面每户5KW的功率计算，采用光伏发电大约需要25平米的光伏组件，占有约70平方米左右的屋顶面积，这是绝大多数居民的房屋都能够满足的。而大多数电子、机械、电子工厂，假如厂房的面积是5000平方米，屋顶的光伏组件将能够提供800K的电力（考虑了维护通道），这样的功率在大部分的情况下，能够满足该屋顶下的车间里的设备生产和人员办公的用电。 而农村和城镇，由于建筑高度不大，相对用电功率不大，光伏发电的能量密度更加不是问题。至于农业生产、油田、矿山、野外基地、哨所等地方，光伏发电的能量密度简直是由大自然（你也可以说上帝）为这些场合量身定做的。 真正需要高能量密度的，只有高层建筑、冶金、化工等高载能工业项目。从建筑物或者工业设施的数量上来说，他们所占的比重并不大。 因此，光伏发电的能量密度低，与大部分电力用户的能量密度分布情况是一致的。因此，应当说，除了那些高载能的工厂需要传统的化石能源来用于供电外，对于大多数的居民、城镇、乡村、农业生产、野外设施的供电来说，光伏发电与电力用户的需求的能量密度反而更加匹配，更加合适。 那么，为什么在大多数人们的心目中，能量密度低会成为一个缺点，而且是很大的缺点呢？这是由于电网的结构所决定的。 由于煤炭、石油的能量密度高，因此，逐步形成了大功率发电机组集中发电的形式，而且，锅炉、汽轮机、发电机的功率越大，效率也越高，因此，发电厂的功率就越来越大。发电厂发出的电力经过骨干电网送往各地，然后再经过较低电压的输配电网络传送到工业区、居民区等最终电力用户。如果光伏发电也要采用这样的模式来进行输电和配电，自然，能量密度低就成为缺点，因为不仅占地面积大，而且，电力收集的成本也非常高。 但是，现代电力输电网络的体系，并非是天生的，而是随着发电技术逐步演变成为现在的电力输配系统。 1880年，在爱迪生发明了电灯，使得电力第一次具有实际的作用（照明）以后，爱迪生开始为路灯的照明铺设输电系统。当时的电力和电灯都是直流电，爱迪生的电力系统是低压直流电（与现在的光伏发电完全相同），在距离发电机半英里的范围内，直流电是高效率而且经济的，与现在光伏所倡导的“低成本高效率”的目标一样。因此，爱迪生在一个城市里建立多个直流中心站，从中心站电线呈放射状辐射到周围一英里方圆内的建筑。当时爱迪生电灯公司的第一批客户包括德雷克赛尔财团、摩根财团、帕克银行，还有《纽约时报》。爱迪生的电力系统逐步从门罗公园扩充到华尔街，然后是华盛顿的白宫，再到巴尔的摩。爱迪生建立了自己的低压直流电网体系，并深深为之自豪。他根本不想与交流电有任何关系。 这时，电力历史上另外一个重要的人物威斯汀豪斯（Westing House，他用自己的名字命名的公司，被音译为西屋公司）出现了。威斯汀豪斯发现，爱迪生的低压直流电网的物理局限是显而易见的。因为每个直流中心电站只能覆盖1英里方圆，而在这个区域内，建筑内使用电灯的用户越来越多，每个家庭内使用的电灯数量也会越来越多，因此，中心站很快就不能满足所覆盖区域内的越来越大的电力需求。此外，发电机的噪声使得附近居民不堪其扰。著名的摩根公司总裁摩根先生在自己的地下室里安装了一台蒸汽机和发电机，这些机器的声音如此之大，使得他的邻居詹姆斯-布朗太太不停地抱怨，不仅她的整个房子都在一致发抖，而且讨厌的浓烟使得她家里的银器褪色，满地的煤灰则使得院子无法保持整洁，还有讨厌的嗡嗡不已的噪音，和冬天温暖的烟囱管道招来的野猫的嚎叫。 威斯汀豪斯在从交流电的变压功能想到了一种新的、更经济有效的输电方式。为了减少各个直流电中心的发电机的噪音和污染等对附近居民的骚扰，他将发电机从设立在居民附近的直流中心电站搬到远离居民和市中心的郊外，并将大量的小型发电机升级为大功率发电机组，使单个发电机组的能量转换效率得到大幅提高。为了减少输电损失，采用变压器升压后再输电，为此交流电和高压输电技术被采用，高压电后通过长途输电线路，送到市区和工业区，再变压到低压，通过配电网到用户。这就是现代电网的雏形。 交流电网一面世就显示了优势，这当然严重影响了爱迪生电灯公司的利益。从此，爱迪生为了交流电还是直流电和威斯汀豪斯之间进行了长达十余年的残酷竞争，这种竞争并不像他们两位绅士表面上看上去那么有风度。恶意中伤、尔虞我诈、贿赂、间谍等多种卑鄙手段都出现了，当然，市场竞争的决定性因素还是取决于技术的先进性，而不是其它。最终，通过1892年的芝加哥世界博览会的照明中标和1895年尼亚加拉大瀑布的水电站的建成为标志性胜利，威斯汀豪斯公司终于战胜了爱迪生的直流系统，确立了交流电的主导地位。从那以后，从此以后，火力发电厂机组的功率越来越大，输电距离越来越长，输电电压越来越高。特高压、超大功率、超远距离传送成为了现代电网的标志和象征。 时代轮回。随着光伏等新能源的推广应用，光伏电源成为了随处可得的电源，它没有噪音，没有污染，也没有讨厌的黑烟。既然自己的屋顶就能够产生电力，为什么还要远距离送电？当然，已经建成的输电体系还是有它的用途，例如，上海这样的大都会城市，宝钢这样的钢铁厂，都需要。但是，对于农村，对于新城镇，对于农业生产，对于大量用电量不大、却有着大面积的屋顶的工厂，为什么还要采用长途电网来输电？如果再考虑深一步，我们家庭的电器，都完全可以采用直流电，而且大部分必须采用直流电。例如，电视，电话，电脑，LED电灯。而那些大功率的家电，如空调、冰箱、电饭锅，其实也完全可以采用直流电。那么，直流电和交流电会不会发生第二次大战，这一次的胜利者会是哪一个呢？ 可以确定的是，随着光伏发电等新能源的大量应用，直流电网很可能再次兴起，并在家庭和办公场所占据上风。但是，这绝对不会是倒退，而是一种进步，是螺旋式的上升。 首先，电源是完全的绿色能源，不再有噪音和污染；其次，直流与交流的转化都是通过电力电子的方式进行变换，不需要发电机和整流器；不同新能源与就地的负载共同组成了微电网，而且会逐渐出现交直流并存的混合电网。而且，现代的光伏与当年的中心站也不同，爱迪生的中心站依然是一点发电对多点用电的放射性结构，而现在的光伏完全是在每个屋顶上的多点发电对多点用电（更像是互联网的peer-to-peer的结构），因此，电力传输距离很短。需要指出的是，目前，长途输电线路的输电损失占到了电厂所发出的电力的25%左右，这是一个惊人的浪费。更不用说那些线路的架设所需要花费的投资了。 今后，对于那些用电功率不是那么大的场、设施和建筑，完全可以采用新能源以微电网的形式进行供电。你可以称之为“分布式发电”，但这个叫法并不严谨。“微电网”是更科学的叫法。各种新能源对所在的电力负载进行就地供电，电源与负载共同组成了一个微电网。网内的负载增加与电源的增加完全可以同步，不会存在发电容量限制的问题，因为，新的电力需求必然需要建筑的增加，而新房子必然有新屋顶。然后，大量的微电网将通过智能技术互联，而那些载能大的用户则可以依然采用现有的电网体系进行输配电，微电网将与骨干电网融合到一起，组成一个遍布全地区、全国乃至全球的能源互联网。 微电网大量诞生后，大家会发觉，原来光伏发电的能量密度低，也未必是一件坏事，反而可能是上天为我们人类早就做好的一个恰到好处的、美妙的安排。