□作者: 肯·茨魏贝尔 詹姆斯·梅森 瓦西利斯·弗塞纳基斯
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汽油和民用燃料油的价格居高不下。美国发动中东战争的原因之一，就是为了保护美国在进口原油方面的利益。随着中国、印度和其他国家对化石燃料需求的快速增长，未来各国对能源的争夺将更加激烈。但燃煤、燃油、燃气电站和随处可见的交通工具，每年都会向大气排放上百亿吨污染物和温室气体，给地球环境造成严重威胁。
科学家、工程师、经济学家和政治家们提出了各种各样的方案，用于减少化石燃料使用量。削减污染物和温室气体的排放。但这些措施还远远不够。美国需要实施一个大胆的计划，来摆脱对化石燃料的依赖。我们的分析表明：大规模利用太阳能是明智的选择。
太阳能潜力巨大。40分钟内通过阳光抵达地球的能量，就相当于全世界一年消耗的总能量。幸运的是，美国拥有的太阳能资源极为丰富。单是美国西南地区，就有65万平方千米的土地，适合建造太阳能电站。这片土地每年接收的太阳辐射超过450亿亿英制热量单位(B ritish thermal unit，简称Btu，1 Btu约等于1055焦耳)。将其中2.5％的辐射转化为电力，就能满足2006年美国全国的能量需求。
要全面转向太阳能，必须在广阔的土地上覆盖大量光伏电板和太阳能集热槽，还要建设直流电力骨干输送网，将能量高效输往全国各地。
技术已经具备，我们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)。我们预计，这样的电力能以每度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，美国政府需要在未来40年内投入4,200亿美元。投资是巨大的，但回报会更加丰厚。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，将它们消耗的燃料全部节省下来。这一计划将有效终止美国的所有原油进口，缓解中东紧张局势。
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％，为缓解全球变暖作出巨大贡献。
光伏电站
到2050年，光伏电池阵列将占地7.77万平方千米，提供将近30亿千瓦的电力。
在过去几年里，光伏电池和光伏模块的生产成本大大降低。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。为了让太阳能发电成本在2020年降到每度6美分。碲化镉电池必须能够将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 1.2美元——目前，光伏模块的电力转换效率只有10％，装机容量平均成本约为每瓦4美元，明显需要进一步改进。不过，这项技术正在迅速发展：仅在过去 12个月里，商业化电池的效率就从9％提高到10％。值得一提的是。随着光伏模块的不断改进，对房屋业主来说，在屋顶架设光伏电池也会越来越划算。这样一来，白天的电力就可以“自给自足”，大大减轻对电网供电的需求。
按照我们的计划，到2050年，光伏技术将提供将近30亿千瓦的电力。为此，美国必须建造大约7.77万平方千米的光伏电池阵列。虽然这个数字听起来十分庞大，但我们不妨换一种思路：如果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。美国国家可再生能源实验室(National Renewable EnergyLaboratory。位于科罗拉多州戈尔登市)的研究显示，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。亚利桑那州水力资源部新闻发言人杰克·拉韦尔(Jack Lavelle)指出，该州超过80％的土地为公有土地，他们很有兴趣开发该州的太阳能潜力。光伏电站特有的优势(比如不需要水)，可以把人们对环境问题的担忧减至最轻。
实现上述目标所需的最重要技术改进。就是将光伏模块的光电转换效率提高到14％。在美国国家可再生能源实验室，碲化镉光伏电池的效率已经达到16.5％，并且仍在升高，不过商业化电池的效率还达不到实验室电池的水平。至少有一家生产商——位于俄亥俄州佩里斯堡市的First Solar公司，已经将光电转换效率从2005年的6％提高到2007年的10％，并预计在2010年达到11.5％。
压缩储能
白天用太阳能电力把空气压缩到地下，晚上再释放出来发电，就能实现不间断电力供应。
众所周知，太阳能的一大局限就是，阴天和夜晚几乎发不了电。因此，阳光明媚时生产出来的多余电力。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，而且效率低下。
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压缩空气。把空气泵入地下空洞、废弃矿坑、含水土层和资源耗竭的天然气井中。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，便能推动涡轮生产电力。德国亨托夫市(Huntorf)的压缩空气储能站早在1978年就开始运行，直到今天仍然安全可靠地提供电力；美国阿拉巴马州麦金托什市(McIntosh)的同类电站也从1991年起运行至今。压缩空气储能站消耗的天然气，只有传统燃气电站的40％。如果采用更好的余热回收技术，这一数字还可降低到30％。
美国电力研究所(Electric PowerResearch Institute。位于加利福尼亚州帕洛阿尔托市)的研究显示，现有压缩空气储能成本大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上涨3～4美分，达到每度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线输送到全国各地的压缩空气储能站，那里的涡轮发电机再不分昼夜地生产电力。问题的关键是要找到合适的地点。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75％，而且往往靠近大都市。事实上，压缩空气储能系统与美国的天然气存储系统非常类似。天然气业界在400个地下贮存库中存储的天然气总量达2,300亿立方米。预计到2050 年，美国将需要150亿立方米的贮存空间，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，天然气业界投资压缩空气储能网络也是理所当然的事情。
聚光太阳能发电
把阳光聚集起来加热液体，产生蒸汽推动涡轮，是另一种可行的太阳能发电方案。
在我们的计划中，太阳能电力中有1/5将由另一项技术提供，这就是所谓的“聚光太阳能发电”(concentrated solar power)技术。在这一技术中。长长的金属反射镜槽将阳光聚焦在一根充满液体的管道上，像一个巨大的放大镜那样加热液体。被加热的液体穿过一个热交换器，产生蒸汽推动涡轮旋转。
为了储存能量，被加热的液体将沿着管道。流经一个巨大的隔热容器。容器中充斥着熔化盐——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。不过，熔化盐会缓慢冷却，因此储存的热量必须在一天内提取出来。
在美国，9座聚光太阳能电站已安全运转多年，总装机容量达35.4万千瓦。2007年3月，内华达州一座6.4万千瓦的新电站投入使用。不过，这些电站都不具备储热功能。
第一座具备储热功能的商业化电站正在西班牙建造，这座装机容量5万千瓦的电站配有可持续放热7小时的熔化盐储能装置。世界各地都在设计建造类似的电站。在我们的计划中，这样电站需要配备可以维持16小时的储能装置，让电站能够24小时不间断发电。
现有的电站证明，聚光太阳能电站是可行的，但成本必须降低。规模经济和进一步的改进研究都会有所帮助。2006年，美国西部地区州长联合会 (Western Gove rnors’Association)太阳能特别评估组发布的一份报告中指出：如果400万千瓦的电站能够建成，到2015年，聚光太阳能电站的发电成本就有可能低于每度10美分。提高热交换液体的温度，可提高发电效率；工程师们还在研究如何将熔化盐本身用作热交换液体，来减小热量流失，也可以降低资本成本。不过盐具有腐蚀性，因此需要更加耐腐蚀的管道系统。
聚光太阳能电站和光伏发电代表了两条不同的技术路线。两种技术都没有发展成熟，因此我们计划在2020年以前，对它们同时进行大规模开发。多种太阳能技术的组合使用也许更符合经济学要求，随着建造规模的扩大，工程师和会计师们可以评估各种技术的优缺点，投资者也会作出决定，偏向于某一种技术。
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