太阳能是一种取之不尽、用之不竭而又没有污染的超洁净可再生能源。在当前石油价格高企、全球变暖加剧的情况下，开发和利用这种可再生能源，意义十分重大。

据计算，太阳的辐射能每秒放射出相当于3.75×1026瓦的能量，而其每秒抵达地面的能量亦高达80万亿千瓦，相当于550万吨原煤的能量。地球每年接收的太阳能相当于目前地球上每年燃烧的固、液、气体燃料的2000倍左右。40分钟内通过阳光抵达地球的能量，就相当于全球一年消耗的总能量。

在中国土地上的太阳辐射能约为1.2万亿千瓦，相当于10万个发电量为1200万千瓦发电厂的总和。如以高度现代化水平时人均装机2千瓦计，则至本世纪50年代，当中国人口达到15亿人时，全国总装机约30亿千瓦，仅相当于1.2万亿千瓦的0.25%。可见，太阳能的潜力和开发前景是多么巨大。

本文共分两部分，第一部分介绍美国的太阳世纪计划；第二部分对中国利用和开发太阳能光热资源的可能前景略作描述。

一、美国的太阳世纪计划

美国拥有的太阳能资源极为丰富，仅西南地区就有65万平方公里的土地适合建造太阳能电站。这片土地每年接收的太阳能辐射超过450亿亿Btu（英热单位，1Btu约等于1055焦耳），若将其中2.5%的辐射转化为电力，就能满足2006年全美的能量需求。

目前的技术已经具备，肯·茨魏贝尔等三位学者因此制订了一个宏大的计划：到2050年，太阳能将为美国提供69%的电力和35%的总能量（包括交通工具耗能在内）。预计，这样的电力能以每度电5美分的价格出售给消费者，与目前常规电力的电价相当。如果风能、生物质能和地热资源都能得到开发的话，到 2100年，美国所有的电力供应和所消耗能量的90%，都将由可再生能源提供。

要实现这一计划，美国政府要在未来40年内投入4200亿美元。太阳能电站几乎不需要燃料，每年能节省数十亿美元。这些基础设施将取代300座大型燃煤电站和300多座大型燃气电站，将它们所消耗的不可再生燃料全部节省下来。

由于太阳能技术几乎没有污染，该计划每年将减少17亿吨原本由常规电站排放的温室气体。通过太阳能电网补给燃料的充电式复合动力汽车也将取代常规汽车，会另外再削减19亿吨温室气体。到2050年，美国二氧化碳排放量将比2005年降低62%，可为缓解全球变暖作出巨大贡献。

1．光伏电站

在过去几年里，光伏电池及其模块的生产成本大大降低，这为光伏产业的大规模发展铺平了道路。在现有的各种光伏电池中，由碲化镉制造的薄膜电池最为便宜。为使太阳能发电成本在2020年降到每度电6美分，碲化镉电池必须要将14%的太阳辐射转换为电力，系统装机容量的平均成本也必须降到每瓦1.5美元。目前，光伏模块的光电转换效率只有10%，装机容量的平均成本约为每瓦4美元。但这项技术正在迅速发展：仅在过去一年里，商业电池的效率就从9%提高到10%。在美国国家可再生能源实验室，碲化镉光伏电池的效率已达到16.5%，并且仍在升高。

按照该计划，到2050年，光伏技术将提供近30亿千瓦的电力。为此，美国必须建造7.8万平方公里的光伏电池阵列。这个数字听起来十分庞大，但不妨换一种思路：如把煤矿的面积也计算在内，燃煤电站产生100万度电力所需的土地，其实比美国西南地区太阳能产生相同电力所需的土地更大。美国西南地区可利用的土地资源非常充足，无须征用环境敏感、人口密集或地形复杂的地区。光伏电站特有的优势（如不需要水），可把人们对环境问题的担忧减至最小。

2．压缩储能

太阳能的最大局限是：阴天和夜晚几乎发不了电。因此，阳光明媚时生产出的多余电力，必须储存起来以供夜晚使用。然而，电池之类的大多数储能系统都十分昂贵，且效率较低。

压缩空气储能方式是一种相当成功的替代方案。用光伏电站产生的电力来压缩空气，将空气泵入地下空洞、废弃矿坑、含水土层和废弃的天然气井中。需要时，再将压缩空气释放出来，通过燃烧少量天然气加以辅助，便能推动涡轮产生电力。德国亨托夫市的压缩空气储能站早在1978年就开始运行，至今仍在安全可靠地提供电力；美国麦金托市的同类电站也从1991年运行至今。目前，压缩空气储能站消耗的天然气，只有传统燃气电站的40%。如采用更好的余热回收技术，该数字还可降至30%。

美国电力研究所的研究显示，现有压缩空气储能成本约是铅蓄电池的一半；研究还指出，这些设施的成本分摊到电价上，将使2020年时美国的太阳能电价增加3-4美分，达到每度电8-9美分。

美国西南地区光伏电站生产的电力，将通过高压直流输电输送到全国各地的压缩空气储能站，那里的涡轮发电机在不分昼夜地生产电力。美国电力研究所和天然气业界共同绘制的地图显示，地质构造适合建造压缩空气储能站的地区占美国国土面积的3/4，而且往往靠近大都市。预计到2050年，美国将需要150 亿立方米的存贮空间，来容纳压强为75个标准大气压的压缩空气。尽管技术开发仍有难度，但可供选择的地下贮存库数量丰富。

3．聚光太阳能电站

在计划中，太阳电力中有1/5将由另一项技术提供，即“聚光太阳能发电”技术。其中，长长的金属反射镜槽把阳光聚焦在一根充满液体的管道上，如一个巨大的放大镜那样加热液体，热液穿过一个热交换器，产生蒸汽推动涡轮旋转发电。

为了储存能量，被加热的液体沿着管道流经一个巨大的隔热容器，容器充满了熔盐——它们可以有效保持热量。这些热量在夜晚被提取出来，产生蒸汽。储存的热量要在一天内提取出来用掉。

美国有九座聚光太阳能电站已安全运行多年，总装机容量达35.4万千瓦，但它们不具备储热功能。第一座具备储热功能的商业化电站正在西班牙建造，这个5万千瓦的电站配有可持续放热7小时的熔盐储能装置，世界各地都在建造类似的装置。在该计划中，这种电站需配备可维持16小时的储能装置，让电站能 24小时不间断地发电。

现有的电站证明，聚光太阳能电站是可行的，但必须降低成本，而规模经济和进一步的改进研究都会对此有所帮助。最近的一份评估报告指出：如400万千瓦的太阳能电站能够建成，到2015年，聚光太阳能电站的发电成本就有可能低于每度电10美分。通过提高热交换液体的温度，可提高发电效率；专家还在研究如何将熔化盐本身用作热交换液体，来减少热量损失，这样也可降低投资成本，但这需要更耐腐蚀的管道。

上述两种太阳能发电技术都还没有完全发展成熟，因此，该计划在2020年以前，将对它们同时进行大规模开发。多种太阳能技术的组合使用，或许更符合经济学的要求。

4．2100年的远景

按照该计划，到2100年，包含交通耗能在内的全美能量总需求将达到14亿亿Btu，发电装机容量将是目前的七倍。届时，美国所有的电力供应和所消耗能量的90%，都将由以太阳能为主的可再生能源提供。在春季和夏季，太阳能基础设施将产生足够的氢，除了满足90%的交通燃料需求以外，还将取代在压缩空气涡轮中起到辅助作用的少量天然气。此外，480亿加仑的生物质燃料将补足余下10%的交通能量需求。与能量有关的二氧化碳排放量将比2005年减少 92%。

二、中国的太阳能利用前景

到本世纪50年代末，中国将实现高度现代化，届时人口达15亿，人均用电量约6000度，总用电量约9万亿度。

其中，各种电能的供应结构大体如下：水电4亿千瓦，年利用4500小时，供应电能为1.8万亿度。可设核电提供的电能占总电能的20%，则其供应电量1.8万亿度。风能装机5亿千瓦，年利用3000小时，年发电量为1.5万亿度。利用生物质能4.5亿吨（约合3亿吨标煤），年发电量1万亿度。以6 亿吨标煤（约合原煤8.4亿吨）用于发电，年发电量2万亿度。

以上五项总计8.1万亿度，其余约1万亿度的电量由太阳能提供，如设年利用1500小时，则太阳能电站需装机约6亿千瓦。

1．中国太阳能资源较为丰富

中国各地太阳能辐射年总量大致在80-200千卡/平方厘米年之间。140千卡/平方厘米年的等值线的走向和森林与草原分界线大体一致，它将全国分为西北与东南两大部分，西北高于东南。这是因为西北受干旱大陆性气候影响，降水少，晴天多，所以其接收的太阳总辐射较东南高。

中国不同地区太阳辐射的年总量在分布上差异很大，但是，总地来看，中国太阳能资源十分丰富的地区占全国总面积的2/3以上。

中国各地根据不同条件，已发展了太阳灶、热水器、制冷取暖、温室、发电等利用方式，节省了一定数量的燃料。其中尤以太阳能热水器最为普遍，年产热水器面积1000多万平方米，累计已达两亿平方米左右，目前中国是世界上生产太阳能热水器最多的国家。

由前述第一节的介绍可知，近十年以来，在大规模集中利用太阳能的技术方面，进展很快，已离根本性的突破相距不远。对此，中国与世界先进水平的差距很大，特别是在工程放大和产业化方面，差距尤为明显。这是一个亟待考虑和解决的战略性课题。下面为中国太阳能的开发和利用作一个初步的设想。

2．大规模集中式的太阳能利用

先看太阳能光伏电站。中国大规模光伏电站的首选场地应为腾格里沙漠。它位于雅布赖山与贺兰山之间，面积约4.3万平方公里（其中3.3万平方公里位于内蒙，其余1万平方公里分属甘肃和宁夏），南临黄河，北至中蒙边界。该区域地势平坦，降水量100-150毫米；全年100C的积温在 3300-3400度，属于中国光照条件最好的地区之一。

根据前述第一节所提供的参数，只需在腾格里沙漠开辟出2万平方公里的面积，就可使其光伏电站的装机达到7.7亿千瓦；如年利用1500小时，则总发电量为1.16万亿度。如向西拓展至巴丹吉林沙漠（4.4万平方公里），还可开辟出不少于2万平方公里的面积；在总计4万平方公里的沙漠上可装机 15.4亿千瓦，年发电总量2.3万亿度。

这个大面积光伏电站的选址还有以下几大优点：其一，它与中国蒙宁陕晋的煤炭、油气基地和火电基地相毗邻，较易解决贮能问题。其二，可以就近利用中国西电东送的北线，不需建设新的高压输电线路。其三，它位于中国陆上风能最佳区域的南缘——世界上最佳的北纬西风环流带，可实现风光互补发电。其四，如需建设太阳能聚光电站，使用蒸汽轮机发电，可就近从黄河取水，水源有充分保障。

关于储能。7.7亿千瓦的腾格里光伏电站，需配有约40亿立方米的存贮空间。就现有的资料可知，仅山西省就已累计采出煤炭数十亿吨，其已废弃的矿井就够压缩空气存贮空间的大半之用。如展望未来二三十年，这就更不成为问题。

关于风光互补问题。在上述北纬西风环流带内的中国诸省区，10米以下高度内的可开发风能约有2.5亿千瓦，如展高至40-50米的高度，其可开发的风能将超过5亿千瓦。内蒙古中西部是中国惟一连成一片的太阳能和风能都丰富的地区。2两种能源出现的最大值和最小值的时间是相反的，恰好补充了两者各自的不足。因此，这里是中国综合利用太阳能-风能最优越的地区。如此，电网的供电负荷将更为均衡，同一单位的存贮空间可供两种能源贮能之用。

再看太阳能聚光（热）电站。新疆的东南部是中国太阳辐射的最高值区，在吐哈盆地、罗布泊一带至少可辟出不少于4万平方公里的面积，建立太阳能聚光（热）电站。由前面相应的参数可知，其总装机可达15亿千瓦，年利用1500小时，发电量为2.3万亿度。

由于塔里木盆地下面贮有数万亿立方米的地下水（大部分为苦咸水，但最近有报道称，在罗布泊下面发现了数百亿方的淡水资源），因此，用太阳能电站抽取地下水，作为储能介质和冷却用水，应无问题。另外，在发电的过程中，可利用蒸汽余热及周边的太阳能光热资源联产淡水，为种植高品质作物提供水源，并可实现对沙漠的大规模改造，其前景无可限量。对此，需作专文讨论，此处不拟细说。

这种模式的开发，还可拓展至塔里木盆地的其他地区，比如台特玛湖一带、盆地南缘。

展望未来50年至100年，中国大规模集中式的太阳能电站面积可逐步发展到8万平方公里以上，总装机30亿千瓦，年发电量约4.6万亿度，占总用电量9万亿度的一半以上。在这个过程中，煤电和核电可逐步收缩至一定规模，以完成电能来源的可更新化。

3．分布式的太阳能利用

展望本世纪中叶，中国农村居民的生活和生产方式也将实现高度现代化。届时：农村人口约为3亿人（其中农业人口约为2亿人左右）；居住在县级市及其以下的小城镇人口约为5亿人左右。这8亿县域居民的建筑屋顶面积总共约140亿平方米。

如在140亿平方米的房顶上安装太阳能热水系统，则可替代约24亿吨标煤。140亿平方米等于1.4万平方公里，以前述每万平方公里装机3.85 亿千瓦的一半和年利用1000小时来计算，如在太阳能热水系统上面相隔2米再装一层光伏发电系统，则140亿平方米的面积可装机约2.7亿千瓦，年发电量 2700亿度，折合约1亿吨标煤。3

若以高度现代化水平时人均消费能源4吨标煤来计算，则上述8亿人口需消费的能源总量为32亿吨标煤（包括生活和生产的全部用能）。上述双层分布式太阳能屋顶设施所提供的约25亿吨标煤，占32亿吨标煤的78%。若再加上数十亿吨的畜禽粪便所提供的沼气，数亿吨秸秆和分布式的风电系统，则居住在县域 8亿人口的现代化能源消费量便可全部由可再生能源来满足