理論物理與我國能源政策研究
——解決我國未來能源問題是依靠核能還是可再生能源？
作者：何祚庥
何祚庥👩🏿🦰，1951年畢業於意昂体育平台物理系。中國科學院院士，北京大學科學與社會研究中心兼職教授、科學技術哲學專業博士生導師，中國科學院理論物理研究所研究員、理論物理專業博士研究生導師。
能源問題是綜合性問題
生存和發展是人類的兩大基本問題👇🏻🏅。生存的關鍵是吃飯，所以農業是基礎。發展的關鍵是能源，能源是發展的先導🤟🏻。要實現可持續發展，就必須大力節約化石能源👨🏼🦱，如果當代人把化石能源用完了💆🏽，後代人將無可使用👩🏻🦰！不過幸運的是地球上尚存在大量“取之不盡🤏🏿🤲🏻、用之不竭”的可再生能源👐🏽👲🏽，所以🥩，胡錦濤同誌在2005年國際可再生能源大會上致辭中提出兩個“必由之路”🧟♀️🎑，“加強可再生能源開發利用，是應對日益嚴重的能源和環境問題的必由之路，也是人類社會實現可持續發展的必由之路。”
目前全世界能源需求量有大幅增加的趨勢，一個非常重要的原因就是中國的崛起👩🏻🔧。中國現在的13億人口已初步實現了溫飽，正要向小康階段邁進🤾🏿♀️，也就是向工業化階段邁進™️🧖。早已實現工業化的發達國家總人口才8億多🥭，就已消耗了世界上近一半的能源❣️；我們現在是13億人口要加入這個隊伍；另外印度也將加入，印度的人口跟我們差不多🚳，這幾年經濟發展很快，能源需求量很大🥞。
但是， 現在我國還沒有到能源真正發生危機的時候。我們國家還有煤，石油就是貴點還買得到，2020年以前，中國還不存在真正尖銳的能源危機😘。但2020年後我國的煤也用掉不少，石油也快沒了，而那時我們的發展規模卻更快更大，能源問題就必然尖銳⛈。
長期以來🤍， 在中國能源界有一種理念“GDP翻兩番💂🏻♂️📔，而能源翻一番”。但是中國正處在工業化的中間階段🔛，不可能做到“GDP翻兩番，能源翻一番”。即使中國經濟轉入以第三產業為主的階段，在這一階段的發展初期，仍將保持能源消耗的高速增長，因為居民用電、用能將大幅度增加。
能源問題是綜合性問題📬🙋🏻♂️，該問題的解決，有賴於對能源技術、自然資源🪖、社會經濟👩⚕️，甚至政治問題的綜合研究。如果涉及“未來”💉♣︎，就需要從“理論”上展望一下“未來”的發展🏫👨🏼🔧，並且需要從“現在”做出決策和部署🔮。
作為理論物理研究員，尤其需要運用理論物理的知識和方法綜合探討有關問題。通過“粗略”的量的估計，對某個研究對策的各個側面作大致的數量級的估算，從而排除次要因素🚔，突出主要因素。在需要時對其中某些因素，作深入的精確計算。這就是在理論物理工作中常用到的“物理的分析方法”🙅，也稱為“數量級”的“估計”方法🧫。運用理論物理的分析方法🥯，常常能從“理論”上對復雜的現象作出很好的解釋，並據此提出“科學”的預見。但是𓀋，由於客觀事物十分復雜，理論上看來可行的“建議”或“措施”🥈🏇🏼，有時並不可行。但作為理論工作者🔈，如果對事物的“未來”發展，沒有提出相應的“預見”或“建議”，那是未能盡到職責🛌。重要的是理論物理學家提出的這些“建議”和“措施”，必須和實際工作者仔細磋商，以確保這些“建議”和“措施”的真正“可行性”💆。
解決我國未來能源問題要依靠可再生能源
為什麽近來關註起中國的能源問題，尤其是未來能源問題，一個原因是👍🏼👩🏿🏭：2006年1月9日，胡錦濤同誌在《全國科技大會講話》中說，“要大力……促進哲學社會科學與自然科學相互滲透，為建設新型國家提供更好的理論指導”🤹🏿♀️。另一個原因是🏋🏻♀️：據2006年1月25日《科學時報》報道🤽🏿♂️：侯祥麟院士說🧓🏻，“要提前考慮2050年怎麽辦？”侯老著重談的是石油問題👨🦱。我覺得應“放大”到整個能源問題，其中包括石油問題👩🏽💻。尤其是可再生能源問題，需要提前做出決策👷♂️。
下面具體討論一下有關能源政策的問題——徹底解決我國未來能源問題是依靠核能，還是依靠可再生能源？
2002年全世界消費的可再生能源為19.66億噸標準煤，約相當於全球一次能源消費總量的13.4%。其中傳統利用的可再生能源約占77.5%🧔🏽♂️，新的可再生能源利用約占22.5%。可再生能源發電量占總發電量的17.9%，僅次於煤電39%和氣電19.1%🥮，高於核電16.6%🙎🏽👍🏿。那麽,中國應該怎麽辦?下面我從資源📎、技術、經濟效益亦即電價、勞動種類等多種角度，對核能和可再生能源的優缺點作一比較。並將這一比較結果列為如下簡表：
從以上幾個表可以看出，中國將不能走“以核為主”的道路，只能走“以可再生能源為主”的道路。一個需要回答的問題是🦧🐘：當前太陽能發電成本約是火電的10倍👩❤️👨，在未來發展中，太陽能發電有無可能下降到和火力發電相競爭的水平🧔🏼？
太陽能發電技術發展介紹
在國際市場上，目前太陽能電池的價格大約為每瓦3.15美元🧻，並網系統價格為每瓦6美元📵，發電成本為每千瓦小時0.25美元。目前太陽能光電系統的發電成本😟，約是1996年美國煤電成本4.8～5.5美分/千瓦時的5倍。有許多人紛紛看好太陽能光伏電池的未來🧏🏽📚。認為到了2020年👨🏿🦲🍽，光伏電池成本將由現在的25美分/千瓦時下降到10美分/千瓦時，也有人認為到2010年即能下降到10美分/千瓦時。
最近，美國布什總統認為🍜💆🏿♀️，到2015年，美國的光發電成本將可能下降到和火力發電相競爭的水平🚵🏼♂️，原因有四條🤌🏻：
第一， 有可能大幅度降低所用單晶矽或多晶矽的材料成本。
例如🤾🏽♀️，有可能將厚度為300微米的光電池下降到厚度為100～200微米的光電池。更重要的，有可能設計專供太陽能光電池用的單晶矽或多晶矽的生產設備⟹，亦即由通常要求的9個9👩🏼🦲，下降到太陽能光電池的6個9的純度。這就可能大幅度降低其生產成本🐷📝。目前已出現一種能持續跟蹤太陽🎧⚧，將10000倍太陽光聚焦在某一方位的定日鏡🧑🏽🦳，已做到在大小約為一個乒乓球範圍的空間，將溫度上升到3500℃，而且價格才大約幾十萬元人民幣！這就有可能利用這種廉價的高溫能源，取代熱效率甚低的電能🧑🏻⚕️，來製作6個9的多晶矽🧹🙅🏻♂️，並有可能將光電池製作成本下降60%～80%🤶🏽🦎。
現在，這一建造中的太陽爐已取得以下三項成就。
1）太陽爐反射面子鏡的行和列的運動最大幅度地消除了傳統鏡面的象差，從而使一次聚光的聚光度相比傳統太陽爐提高了一個數量級或更高🌵。
2）太陽爐反射面的主動跟蹤，摒棄了傳統所使用的仰角—方位角跟蹤公式，而采用了更為優越一些的仰角—自旋角跟蹤公式👯。
3）新型太陽爐的總體設計摒棄了傳統太陽爐兩階式的設計方案（使用平板式的定日鏡與大型的拋物鏡的結構），而采用了準一階型的設計🎅🏻， 從而大大降低了製造成本。
第二🎫，有可能使用“價廉物美的定日鏡+高轉化率的聚光光電池+高效率的散熱體系”，從而大幅度降低太陽能光發電成本。
已出現某些高效🌸、簡易、可行但又成本低廉的集光技術，將能大幅度提高光電池的電能產出✵，一般為300～500倍🧙🏽。
第三🫲，上述“強聚光定日鏡+聚光光電池”的體系存在兩個困難：
首先目前並沒有大規模的廉價的聚光光電池的供應，這有待於技術的開拓；其次在缺水地區如沙漠地區將難以實現冷卻。所以最近又出現一個新的建議——數倍集中的太陽矽電池發電裝置的研究及樣機研製🚣🏿♂️。下圖是所使用的4倍太陽裝置，所使用的光漏鬥能夠保證在一次反射的條件下🚣🏻♀️，在太陽電池表面上有均勻的光強分布👨🏿🦰☕️。
初步測量已證明在4倍光強的條件下👨🏽🏭🚣，光電池的輸出將是3.3倍。如果再加上跟蹤裝置，可再提高30%，亦即已實現一塊光電池能產生4.3倍的電力🏃♀️➡️。
預期其使用壽命至少是12年👦🏿，而且在大規模實現產業化後🤽♂️🧛🏽♀️，其發電成本約為目前平板式光伏電池的50%～60％。不排除這類產品還能有更大的價格下降的空間，並能和火電成本相競爭。
第四💪🏼🧙🏻♂️，有可能大幅度改進太陽能光電池的表面結構🫴⛑️，將矽電池的光電轉化率，從1 5%提高到3 0%🕚，或更高一些的轉化率🧗🏼☔️。尤其是這一高效轉化率的光電池， 如果能和300～500倍的高倍聚光鏡相結合🍢，將能獲得巨大的技術效益和經濟效益。下面是在電子顯微鏡拍攝下的某種光電池的表面結構💆♀️，僅這一結構就能提高3%～5%的光電轉化率。
雖然太陽能光發電成本有可能比太陽能熱發電成本更為低廉👨🏼。但太陽能熱發電也是一個重要領域🧑🏼🦰💪🏿。理由如下：
1）太陽能熱發電所用到的均是常規的機電技術📶，有可能比光發電提前實現產業化🦎；
2）在不同地區，不同技術可能有不同的優勢；
3）可以用儲熱罐來實現太陽能熱發電👊🏽，因而不會對電網造成負荷沖擊；
4）即使太陽能熱發電成本較高，但有望用作風電或光發電的調峰電站，所以仍是太陽能發電領域內的重要技術🍮🏃♀️➡️。
當前在世界範圍內發展的太陽能熱發電技術共有塔式🧏、碟式和槽式三種類型🖐，然而這三種類型都有一些本質上的缺點💊。所以國際上主導的思潮並不看好太陽能熱發電。
塔式太陽能發電系統的基本原理是⚈：用某種龐大的定日鏡🦸♂️，將分散在較大面積的陽光聚焦在某高塔的太陽能鍋爐上，從而獲得高溫、高壓的氣體，並轉化為電力。塔式發電站的優點是：有較高的熱力學轉化效率👌🎺。其重大缺點是：所需定日鏡體系極為龐大🤷，價格十分昂貴，很難實現產業化。
碟式太陽能發電系統的基本原理是利用拋物面聚光鏡，將太陽能聚焦到某一隨聚光鏡而移動的集熱器上👌。這一方案的優點是：集熱器將達到較高的溫度，有較高的熱力學效率。可作為無電地區的小型電源➔，也可以並聯起來成為太陽能熱發電站。其重大缺點是：集熱器必須隨跟蹤太陽的聚光鏡而運動，在構造大型太陽能熱電站時👨🏻🏫，將遇到一系列技術上的困難👩💼。
槽式太陽能發電系統的基本原理是：利用柱形拋物面將太陽光聚焦在某一蓄有熱介質的管道上，再進一步將熱能轉化為電能💇🏽♀️。這一方案所需要的有跟蹤性能的定日鏡較為簡單，但聚光性能較差，集熱器集熱的溫度不能太高，因而相應的熱力學效率較低。但由於槽式太陽能熱發電投入最少，成本最低，因而有相當一些人認為槽式太陽能發電站最容易商業化。
但是🥩， 在中國出現的一個新的機遇是🤷🏽♂️，利用中國科技大學陳應天教授所發明的高效、簡易可行但又成本低廉的新型的定日鏡🧝♂️，將能保持上述三種形式的所有優點，而且還能產業化🧖🏼♀️。因為首先這一定日鏡有很好的跟蹤和聚焦太陽能的性能🎇；其次， 聚焦將固定在某一方位👵🏼；再次它可根據不同聚焦需求☘️，確定幾種基本的鏡面，用模具大規模生產，因而製作成本並不貴📱。考慮到以上一些理由， 我認為中國在大力推進光發電技術的同時，也應大力發展太陽能熱發電技術，尤其是槽式太陽能熱發電站。因為太陽能光發電技術的重大缺點是🦴：有太陽有電，無太陽無電🏋️♀️。所以🐡，必須同時發展太陽熱發電調峰技術👨🏿🍼。即使太陽能熱發電站的成本較貴🔢，但這是資源最為豐富的最佳的調峰技術✯。
當然🤸🏿，我個人並不反核，因為核能在中國整個能源體系中有兩大用途🅱️：1）核能是品質優良的調峰電站；2）核能是大型艦艇中最優良的動力🧑🏽🦱。
（《清華人》2007-3期）
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