主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

6 太阳能

我们在估计我们的能量消耗和可能的可再生能源。前面三章，我们发现开车和飞行消耗的能量大于英国陆上风能资源。太阳能能否弥补？

晴天无云情况下，地面中午太阳垂直照射能量约为每平方米1000瓦。为了估算英国陆上太阳能，我们必须做些修正。我们必须考虑地平面倾斜，太阳非垂直入射，使太阳能减少40％。我们还要考虑处于中午时分的太阳时间很短。无云情况下，从3月到9月，平均太阳能强度与中午太阳能强度比约是32％。最后，由于云雾覆盖降低了太阳能。典型英国光照时间仅是白天34％。

外链图片需谨慎，可能会被源头改

图6.1 春分或秋分中午时，太阳照射到纬度为52度剑桥能量约是赤道60％。

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图6。2英国伦敦和爱丁堡平均太阳能强度与月份关系。年平均强度为100瓦/平方米

上面三个效应加上季节变化和昼夜变化，使英国倾斜的向南屋顶平均太阳能强度是110W/m2，水平地面太阳能强度是100W/m2。

太阳能可以用于四个方面：

1、转换为热能：使用太阳能加热水和建筑物；

2、转换为电能：产生电能的光伏技术；

3、生物质：使用树木、微生物、藻、玉米，大豆，或油麻生产燃料，化学品或建筑材料。它们的能量来自太阳能

4、食物：与生物质相同。

后面章节将介绍适合应用在沙漠中太阳能发电技术。

让我们快速估计这四种转换途径所能得到的最大能量。我们将忽略生产成本，设备制造和维护成本。

太阳热能

最简单的太阳能技术是使用平板制造热水。假设我们将所有面南屋顶覆盖太阳能集热板，平均每人约10m2，假设效率是50％，就是说50％太阳能转换为热水。 我们得到热水能量

50％×10平方米×110瓦/平方米＝550瓦

因此，每人每天可以得到0.55千瓦×24小时＝13千瓦时；

图6.3 屋顶太阳能集热板3平方米产生热水试验，Viridian 太阳能，平均每天获得3.8千瓦时能量。试验模拟欧洲通常家庭每天耗用60度热水100升，使用和产生的能源之间差距是1.5－2千瓦时/天是各种散热产生。

我将这个结果加入到热能生产和消费表中，如图6.4，使用白色代表热水能量，其品质最低，价值比电能差，热能不能通过电网输出。如果您不使用它，它只能被浪费。我们要记住，这种热能常常不在正确的位置。在城市，人口密集，每个居民拥有的屋顶面积低于平均，此外，太阳能热水在一年里很不均匀，随季节发生变化。

光伏发电

光伏电池板能将太阳光转换为电。典型的太阳能电池板效率是10％。非常贵的效率达到20％。物理基本原理限制了使用完美聚光器光伏电池效率是60％，没有聚光的是45％。在南面屋顶使用效率20％光伏电池可以获得

20％×110W/m2＝22W/m2

图6.5 太阳能光伏发电试验：2006年Cambridgeshire25平方米电池板发电数据，峰值功率是4kW，按照年平均每天发电12kWh，相当于每平方米20W

图6.5试验数据支持这个结果。下面我们假设每人拥有10平方米效率20％太阳能光伏电池板，安装在南面屋顶。它们将每天产生 5千瓦时。

由于每人使用面南屋顶10平方米，我们就没有空间同时放置光伏电池和太阳能集热板。我们不得不选择是使用光伏还是光热获得能量。这里我们先不管这个问题。顺便提及，目前安装光伏电池得费用是集热板4倍，而获得能量仅是一半，但是获得的是品质高电能。这里我建议首先选择安装太阳能集热板。聪明的方法也许是通过简单安装同时得到电和热水系统。Heliodynamics首先提出了这个方法，使用平面镜阵列，将光学聚焦到小面积砷化镓太阳能电池上，同时使用水冷却，从而同时获得热水和电。

结论是，将您的屋顶覆盖太阳能电池能够提供部分您消耗的电能。但是，这两者之间还有巨大差距。我们需要继续寻找办法。图6.6显示两个太阳能战士的方法。

图6.6 两个太阳能战士使用120个电池板，每个2.2平方米，300W，总面积268平方米，输出峰值功率是30.5kW，平均输出功率是5kW，在美国加州Santa Cruz附近，由Kenneth Adelman友情提供。

太阳能工厂

如果太阳能技术有突破性进展，同时成本大幅度下降，我们在整个国家安装光伏电池板，我们能获得多少能量？假设使用10％效率电池，使用5％英国土地，则每个人每天获得：

10％×100W/m2×5%×4000m2/人×24小时/天≈50kWh/天/人

这里假设10％效率，因为必须大规模制造低成本电池板。太阳能电池板发电密度是10％×100W/m2=10W/m2，这个密度是Bavaria 太阳能公园两倍（图6。7）。

图6.7 德国巴伐利亚Muhlhausen太阳能公园安装6.3MW电池板，平均单位土地太阳能功率是5W/m2，照片由Sunpower提供。

是否让风力发电设备与太阳能电池板同时存在？是的，没有问题，风力涡轮会有一点阴影。地面太阳能电池板对风力涡轮影响可以忽略。这个方案非常大胆，让这个系统为每个英国人每天提供50kWh，需要电池板是全世界现有量100倍。我是否应当将其加入到能源消耗和供应表中？有两种主意。本书开头，我说要使用物理原理探索可再生能源极限，不考虑成本。基于这些，我应当考虑将乡村工业化，将所有太阳能发电厂加入到表中。同时，我想帮助人们认清从现在开始到2050年，我们需要做什么。今天，太阳能电池板生产的电成本是市场价格的4倍。我感到一点不负责任。在英国5％国土上安装太阳能电池板受很多因素限制，显得不太可能。如果我们认真考虑这件事，我们应当将电池板放在太阳能丰富地区，通过线路输送，有些国家和地区太阳能密度是英国两倍以上。我们在第25章讨论。

图6.8 英国人均土地用途

图6.9 光伏电池对能源的贡献，假设10平米电池板，效率20%，每天产生5kWh电

神话

制造太阳能电池板消耗能量大于其生产的。

错误，在中欧，安装在屋顶联网的太阳能电池板，在20年生命周期内，能量产率（什么周期内产生的能量与生产电池系统消耗能量之比）是4，在太阳能丰富的澳大利亚，产率大于7，从能源角度来看，产率大于1都是好事。寿命20年的风力涡轮的能量产率是80。

通过改进技术，光伏电池效率是否会提高？

我认为光伏电池价格会下降；我也相信光伏电池生产能耗会逐步下降。但是，本章不关心生产成本和制造能耗。本章关心的是我们能获得多少太阳能。20％效率电池板已经接近理论上限。本章估计结果不需要做较大修改，因为未来不会在效率上有所突破。

生物质能

突然，我们能源产业要依靠农场生长的草。将其收割，转换为能量，这是即将发生的事情。

乔治 布什，2006年2月

图6.10 Emily博士种植的芒草 英国种植芒草的能力密度可达到0.75W/平米 伊利诺伊大学提供图片

生物质能解决方案包括绿色植物生长，然后将其转化。我们能从植物中获得多少能量？有四种转换方法获得来源于太阳的植物能量。

1、 我们养殖某种植物，然后在火电厂燃烧发电或/和产生热。我们称之为煤取代。

2、 养殖特定植物，如油菜，甘蔗，玉米，将其转化为究竟，生物油等，可以用于驱动汽车，火车，飞机或生产化学品。或培养细菌，蓝藻或其他藻类，直接生产氢气、酒精、丁醇甚至电。我们称这种方法叫“替代石油”。

3、 我们使用其他农业副产品，燃烧发电。如作物秸秆等。这也是取代煤。焚烧农业副产物不占用土地生产生物质，但是产生的能量少于专门农场。燃烧来自填埋厂产生的甲烷也能获得能源，但是不能持久。填埋厂甲烷来自废弃的食物，每个英国人每天扔掉300克食物。焚烧家庭垃圾有时一种从生物质中获得太阳能。

4、 将植物作食物，供应人类或牲畜。

在这些方法中，首先是将太阳能储存到植物分子中，如糖。我们来估算这个阶段能获得多少能量。所有其他步骤，包括拖拉机收割、动物吸收、化学转化，填埋厂转化或发电都损失能量。因此，第一步限制了这个方案的上限。

我们先简单估算这个阶段获得能量，前面各章我们会估算每个过程最大贡献。英国太阳能平均能量是100W/m2。欧洲最有效率的植物将太阳能转化为糖的效率是2％，因此，我们得到2W/m2生物质能。这是特定季节最佳结果，按照一年平均，这个效率还会大幅度下降，在欧洲，能源植物最好结果是0.5W/m2。让我们让英国土地75％覆盖绿色植物。每个人可以获得3000m2上生物质能。这等于英国农业用地。每个人能够获得的生物质最大能量为：

0.5W/m2×3000m2/person×24hour/day=36kWh/d/person

喔，那并不多，考虑到我们刚刚所作的不可能发生的假设，以获得一个较大数字。 如果您想利用植物为汽车或飞机生产燃料，还有增加从农产到火花塞之间很多没有效率的步骤。我认为应通过优化，让整个过程带来的损失小于33％。即使焚烧植物生产热能也会损失20％能量。因此，实际从生物质中获得能量或生物燃料不会超过24kWh/d/person。不要忘记，我们还要使用植物为人类和动物生产食品。

我们是否能根据将太阳能高效转化为化学能。我们可以想象，但是，到目前为止，在欧洲，预测净能量产率不超过1W/m2。

我在表中加入24kWh/人/天到生产栏中，我强调这个数字高估了，由于农场和加工处理过程中会消耗很多能量，实际最大值比这个小得多。

图6.11 不同植物生产的能源，单位面积上的生产的能量。严重依赖灌溉条件，施肥情况等，木材产能是0.095-0.254W/平米，底部三个是生长在热带

本章结论：生物燃料在英格兰这样国家不能取代汽车燃料。即使不考虑它们同食物生产竞争土地，由于生产或转化过程中能耗，它们所能提供的净能量很少。我认为讨论它们没有多少价值。

图6.12 太阳能生物质能量贡献

图6.13 英国剑桥太阳能情况 纵坐标是晴天时数与白天时数之比

图6.14 生物质能的净能量

图6.16 各国太阳能资源情况

图6.17 Shockley 和Queisser解释光伏电池理论效率31%

图6.18 市场销售太阳能光伏电池效率情况

图6.19 Heliodynamics 聚光太阳能发电技术

使用反射聚光镜加热液体介质，得到中温热能80W/平米，用于发电，得到电能12W/平米，成本低廉。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)