雾霾天气持续 能源转型已成当务之急

中国建筑金属结构协会光电建筑委员会专家顾问 龙文志

图1 雾霾笼罩着上海

“美丽中国”是山清水秀的中国，不是雾霾天气的中国。中国共产党在十八大报告中明确提出要建设“美丽中国”，而“美丽中国”包含的概念虽然是多方面的，但山清水秀无污染的环境是最基础的条件之一。近几年持续频发的雾霾笼罩着小半个中国引起了人们深深的忧虑和沉思。在两会期间，空气质量更是引起了公众的集体危机感，由此引发的能源结构调整热议也在持续升温。“美丽中国”必然是一个山清水秀的中国，决不是一个雾霾天气的中国。两会期间，国家主席习近平直接询问有关PM2.5的问题。国务院总理李克强在做政府工作报告时，也用铿锵有力的语调宣布：“我们要像对贫困宣战一样，坚决向污染宣战。”

两会期间，国务院总理李克强宣读任内首份政府工作报告时称，推动能源生产和消费方式变革。加大节能减排力度，控制能源消费总量，今年能源消耗强度要降低3.9%以上，二氧化硫、化学需氧量排放量都要减少2%。今年要努力建设生态文明的美好家园。雾霾天气范围扩大，环境污染矛盾突出，是大自然向粗放发展方式亮起的红灯。必须加强生态环境保护，下决心用硬措施完成硬任务。出重拳强化污染防治。以雾霾频发的特大城市和区域为重点，以细颗粒物（PM2.5）和可吸入颗粒物（PMlO）治理为突破口，抓住产业结构、能源效率要提高非化石能源发电比重，发展智能电网和分布式能源，鼓励发展风能、太阳能，开工一批水电、核电项目。加强天然气、煤层气、页岩气勘探开采与应用。不少两会代表和委员针对日趋严峻的能源环境形势，纷纷递交光伏发电治理雾霜提案。太阳能光伏再次成为能源产业讨论焦点，尤以分布式发电关注明显，部分两会委员建议，我国应加快启动太阳能光伏市场的发展与应用，完善相关配套政策。

一、全国雾霾情况

2013年1月，中国雾霾平均天数为1961年以来同期最多的月份。全国中东部、东北以及西南的10个省市发生了连续高强度的雾霾污染，从10天到20多天不等。一年过后，这场危机未见丝毫缓解，从陕北高原到京津冀，从长三角到珠三角，中国大部分适合人类居住地区的空气污染都已达到非常严重的“临界状态”，一旦“静风天气、相对湿度合适”等外部条件触发，雾霾就会大规模来袭，中国从北到南，都笼罩着一条“灰色长城”，其覆盖面积更是达到了惊人的数百万平方公里。一些大城市的雾霾天数，已经达到全年的30%以上，有的甚至达到全年的一半左右。除宁夏、西藏、重庆外，多数城市空气质量都出现污染，华北的京津冀、东北三省、中部陕西、河南、湖北、湖南、安徽，以及东部沿海省市的部分城市，都出现了重度或严重污染，一条深褐色的“污染带”由东北往中部斜向穿越我国大部地区，长时间大范围雾霾天气，影响17个省（区、市），约占国土面积的四分之一，受影响人口达8亿。现在全面进入了继物价（CPI）、国民生产总值（GDP）、雾霾（PM2.5）的最为公众关心的问题的“三‘P’时代”。

图4 雾霾笼罩着小半个中国

二、雾霾的成因与危害

图2 雾霾笼罩着北京天安门

图3 雾霾笼罩着武汉长江大桥

PM2.5是雾霾天气形成的根源，目前我国从北到南均出现了严重的雾霾天气，这对人类呼吸道的损害很大。导致雾霾天气的“主犯”是二次粒子，即由可挥发的物质经过氧化变成的小颗粒，占整个大气颗粒物的50%—80%左右。由于二次粒子的“前身”是二氧化硫等可挥发气体，阻断该类气体的氧化作用是避免形成雾霾的关键。现在探明的导致可挥发气体氧化的“罪魁祸首”是氧化氮，而氧化氮的排放与煤、石油等燃料的质量和燃烧过程密切相关。雾霾的形成是因为空气污染物中的可溶性成分遇到浮尘矿物质凝结核后会迅速包裹，形成较大颗粒，再遇到较大的空气相对湿度后，就会很快发生吸湿增长，颗粒的粒径增长2倍至3倍，消光系数增加8倍至9倍，能见度下降为原来的八分之一至九分之一。通俗地讲，空气中原本存在的较小颗粒的污染物遭遇水汽后变成人们肉眼可见的大颗粒物，随即发生雾霾事件。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较大的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和空气环境质量的影响更大。席卷中国的雾霾污染物化学组成，是英国伦敦1952年烟雾事件和上世纪10-50年代开始的美国洛杉矶光化学烟雾事件污染物的混合体，并增加了中国特色的沙尘气溶胶。这无疑是威胁我们生活环境以及身心“最危险的信号”。

2012年2月国务院发布的新修订的《环境空气质量标准》，增加了PM2.5监测指标，采用的是世界卫生组织设定的最宽限值，《标准》中PM2.5年和24小时平均浓度分别设定为35微克/立方米，与世界卫生组织过渡期第一阶段目标值相同。而世界卫生组织的PM2.5的指导值是10微克/立方米，中国的标准是世界卫生组织指导值的3.5倍。中国新修订的国家空气质量标准，一定程度上推动了空气质量改善的措施。根据这两年多来雾霾天气持续恶化情况来看，中国执行更严格的第二阶段、第三阶段过渡值以及指导值，已成当务之急！

表1 有关国家PM2.5限值指标

三、雾霾提醒中国能源转型势在必行、势在快行

雾霾原因很多，主要原因包括汽车尾气排放、城市建设污染、煤炭排放等。治理汽车尾气如油品升级不会很难，城市建设污染也是可控的。减少煤炭消费是治理雾霾过程中最困难的问题，也恰恰是最需要面对的问题。中国煤炭能源占总能源的比例＞70%，全球煤炭能源占总能源的比例≤30%，中国的陆地面积占全球的6%，却消费了全球一年50%的煤炭产量，这种以煤炭为主的高比例化石能源结构在世界上绝无仅有。

中国强劲的经济增长，发电行业以及工业对煤炭的严重依赖，已成为PM2.5头号排放国。以煤为主的能源结构和直燃煤比重过高是引发雾霾污染的主要原因。我国的煤炭消费量已经到了一个底线，雾霾提醒中国能源转型势在必行、势在快行。治理雾霾，太阳能发电等新能源作为燃煤火电的替代能源不仅必行，还要快行！

图5 全球2008年各种能消耗比例

图6 中国2008年各种能消耗比例

表2 中国可再生能源的资源可开发量

四、能源转型——中国太阳能光电

1955年和1970年美国洛杉矶的光化学元素烟雾事件，1952年导致1.2万人死亡的英国伦敦烟雾事件治理空气污染是一个漫长的过程。美国用了10年时间，才使PM2.5浓度降低了27%。而伦敦则花了近50年时间，才完成对空气的治理。同北京的雾霾可以比对的是上世纪50年代的英国伦敦。但伦敦人口只有800多万，且周边没有源源不断的人口供应地。而北京有约2000万人口，整个东部沿海地区有5亿多人口。目前中国人的人均能量消费量只有日本的一半、美国的1/4。今后随着经济的发展还有继续增长的趋势。即使我们把能源效率再提高一倍，中国的能量消费总量和排放总量都不一定会减少。而环境污染最终还是取决于能源的消费总量。所以，中国的问题其实比发达国家的问题要严峻得多，发达国家的成功并不一定就能成为中国的成功，中国问题不能照搬发达国家的模式。中国人口是现在发达国家人口总和的2倍，过去发达国家的模式肯定是不适于高人口密度国家的。尽快发展光电中国必需走自己之路——发展大光电。在上世纪五六十年代，环境事故、生态困扰频频发生在比利时、美国、英国、日本等国家，到今天发达国家的工业化己经走过200多年，而我们国家的经济发展正处在火热的工业化阶段，我们不能用200年的时间来治理我们所造成的环境问题，必须采取最有效的政策与措施来应对日益严重的环境污染。国外的治理经验表明，要想根治雾霾必须从两个方面入手:一方面，加快发展可再生能源。另一方面，收紧P2.5排放途径、提高P2.5排放标准、严控排放总量。我国根治雾霾也要从两个方面入手：一方面，学习发达国家的经验：执行排放PM2.5的指导值≤5微克/立方米的标准，收紧P2.5排放途径、严控排放总量。另一方面根据我国的可再生能源资源情况，主要发展太阳能可再生能源。

今后五年，风电将以每年15～20 GW的速度增长，已经接近发展上限；水电的开发已经接近增长的极限，太阳能( Solar)是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是各种可再生能源中最重要的基本能源。也是人类可利用的最丰富的能源。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8x1023kW的辐射值，其中二十亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，27%被大气层吸收，47%到达地球表面。每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时，相当于1.3x106亿吨标准煤，大约为全世界目前一年耗能的一万多倍。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6×1010年。太阳能是唯一在数量上能够完全满足中国未来能源消耗的可再生能源。我国能源需求增长居高不下，2011年我国消费能源35亿吨标准煤，预计到2040年能源需求才会出现拐点，需求会平稳下来，但届时需求总量比现在翻一番到70亿吨标准煤左右。按照1万kW.h=3.5吨标煤折算，2040年总电量为20万亿kW.h。

预计2040年光电占全球能源整体市场比例约为50%，2080年全球人口增长出现拐点，届时光电占全球能源整体市场比例约为80%。21世纪中叶2040年中国人口将超过15亿。2040年能源需求出现拐点，虽然我国能源生产和消费总量都已是世界第一位，但人均年能源消费量才只有2.7吨标准煤，刚刚略高于世界人均年消费2.6吨标准煤的水平，人均年用电3500度，而人均生活用电才490度，处于较低水平。今后随着人民生活水平的进一步提高，人均用能、用电还会进一步提高，中国治理雾霾不能象英国伦敦那样花了近50年时间，最多用25年左右时间，到21世纪中叶2040年太阳能光电替代总能源≥80%，实现能源转型、战胜雾霾。

中国太阳能光电替代速度展望：

图7 中国、美国、印度能源消耗量对比（单位千亿kW.h）

2040年若中国光电占总能源的80%，年需总电量为16万亿kWh。约为2010年美国总发电量的3.7倍，(2010年美国总发电量为43259.39亿千瓦时)。2040年中国要达到上述的太阳能光电的发电量和替代速度，中国能源的转型要创造比目前发达国家更高的能源效率之外,还要创造比目前发达国家更广泛的光电；才可能在有限的资源保证下，用25年左右时间彻底消除雾霾，全国生态环境不恶化条件下,实现高速经济增长。因此，在国家能源发展战略上要充分把新型绿色电力——光电绿色电力——光电作为能源转型基本出发点。

五、建筑光电不能满足2040年全国总电量需求

1.中国现有房屋建筑光伏可利用面积（见表三）

表3 中国现有房屋建筑光伏可利用面积

2.预测2020-2040年我国新建房屋总面积

表4 中国沙漠分布

2040年城镇民用建筑总面积与中国现有房屋建筑总面积=(236+194)亿平方米=430亿平方米几乎相等，中国2040年新建房屋建筑光伏可利用面积也按185亿平方米估算，两者相加则中国2040年光伏建筑可利用面积总计为370亿平方米。

3.中国光电建筑装机容量及发电量估算

2040年光伏建筑可利用面积总计为370亿m2，假设光电板面积为可利用面积50%，按目前的太阳能电池制造水平及转化效率，面积1km2的电池板能发出100W的电力，平均每天按5h功率发电计算，2040年全国年发电量=370亿 ×0.5×100W×5h×365=33762500亿Wh=33762.5亿KWh，约占2040年全国电力需求量33762.5÷160000≌21%，单纯依靠建筑光电不能满足2040年全国总电量需求，还需要建设大规模光电和发展其它光电。

六、建设大规模光电

按照应用规模的大小，目前光电大致可分为3个层次：一是用于偏远地区的小型村落、乡级电站，系统容量小于100kW的小规模独立供电系统；二是建在城市周边，为城市社区供电，也可以与公共大电网并网的100-10000 kW的中等规模光电站；三是超大规模光伏发电系统(LS-PV)，其规模通常在10MW以上，甚至达到数个甚至数十个GW，可集中布置在数十km2甚至数百km2广阔区域。由于超大规模光电系统占地面积较大，而且要有尽可能长的日照时间，因此应优先考虑将这种发电站布置在沙漠或荒漠地区。中国沙漠总面积为5144亿平方米，仅用1/3沙漠总面积1700亿平方米，假设面积利用率为50%，平均每天按5h满功率发电计算，一年发电量=1700亿×105×0.5×100W×5h×365＝155125000Wh=155125亿KWh。（见表4）

初步设想先建立一个100MW的试验型光伏电站，以后逐步增容到15OOMW程度，最后到2040年达到数十GW瓦超级电站。就地开设光电设备制造企业和农业开发。最终建成全新的沙漠太阳能发电城市。其特点是CPV(聚光光伏电站)或CSP（聚光光热电站）和农田穿插配置，形成独特的景观。以戈壁沙漠为太阳能光电基地，在中国国内还可建设若干GW级的CPV(聚光光伏电站)或CSP（聚光光热电站）,就可以形成以戈壁为中心的，从西部输电到北京的供电网络。图8给出该电力网的概念图。

2040年华北、华东、华中、南方电网装机容量将超过6亿千瓦，1000千伏特高压交流将逐步成为骨干网架，西北电网装机达6~8亿千瓦，东北电网4亿千瓦左右。建成一批输送大型太阳能发电基地的跨区远距离特高压超高压交直流输电工程，西电东送、北电南送和电网间交换容量增强，电网电源协调发展。六大电网规模扩大，各级电压电网增强。建成世界一流大网与微网相联智能电网。

从以上分析可看出：要达到2040年中国光电年总电量16万亿kWh。在发展分布式建筑光电的同时，大型并网光电也要发展。必须从单一能源向复合能源转型，从单一的光伏发电向光热发电、热光发电、聚光光伏CPV与光热发电CSP并举转型。形成多元化、规模化、产业化的太阳能发电，简称为大光电。

七、大光电概念

1.太阳能发电形式

太阳能发电分为太阳能直接光发电和太阳能间接光发电。太阳能直接光发电有太阳能光伏发电、太阳能光感应发电等。太阳能间接光发电有太阳能热发电、太阳能光化学发电、太阳能光生物发电等。太阳能热发电分为太阳能热直接发电和太阳能热间接发电。太阳能热直接发电有太阳能热离子发电、太阳能热光伏发电、太阳能热温差发电和太阳能热磁流体发电等。太阳能热间接发电分为非聚光类太阳能热发电(低温)和聚光类太阳能热发电(中、高温)。非聚光类太阳能热发电有太阳池热发电、太阳能热气流发电等。聚光类太阳能热发电有塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能热发电。（见图9）

图8 利用现有的高压电网把沙漠光伏电站的电力从中国西部送至北京的概念图

目前，国际上应用太阳能发电主要有两种形式:一是利用光伏电池直接将太阳光能转化成电能的光电式(亦即光伏发电形式);二是将太阳光能量转换成热能然后发电的光热电式(亦即热发电形式)。太阳能光伏发电系统按供能方式，通常可分为独立光伏发电系统(也称离网系统)、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。按是否聚光，可分为聚光发电系统(CPV系统)和非聚光发电系统两大类。

2．发展大光电

发展大光电概念是：分布式光电和集中式光电都要发展；独立系统光电、并网系统光电和混合系统光电都要发展；大、中、小、型以至超大型太阳能光电系统都要发展；交流、直流、并网、混合、并网混合光电系统都要发展。既要发展光电建筑，也要发展沙漠光电；既要发展现有光电，也要发展新型光电。既要发展光伏发电，也要发展光热发电；在光伏发电中既要发展非聚光伏发电，也要发展聚光伏发电；在光热发电中既要发展间接光发电，也要发展直接光发电。根据国家可再生能源中长期发展规划、地区自然条件、太阳能资源、交通运输、接人电网、地区经济发展规划、其他设施等因素全面考虑。综合考虑日照条件、土地和建筑条件、安装和运输条件、安全可靠、经济适用、环保等因素的同时，优先发展“新技术、新工艺、新设备、新材料”的光电。从我国能源现状和发展趋势我国的能源战略转型出发，从彻底消除雾霾出发，我国必须抓紧光伏发电和其他太阳能发电技术的实用化，在发展分布式光电的同时，大型并网光电也要发展。光伏发电、光热发电并举，聚光发电、非聚光发电，形成多元化、规模化、产业化的太阳能发电，简称为大光电。（见图11）

太阳能光电正在经历一场产业变革，传统的产业边界正在被打破，太阳能光电正在向热能、热电以及多能源复合和拓界的大光电蓄势性爆发，大光电是多元化的太阳能光电，是战略性新兴产业，以“融合”“多元化”为主题的太阳能光电战略扩张打开整合创新空间。对以太阳能发电为核心，通过技术创新及多能源技术的复合，从单一能源向复合能源转型，从单一的光伏发电向光热发电、热光发电拓展多能源复合应用技术。

中国能源发展面临的问题，是由国际能源竞争格局、中国生产力水平以及所处发展阶段决定的，也与产业结构和能源结构不合理、能源开发利用方式粗放、相关体制机制改革滞后密切相关。“雾霾”就是典型的“中国式高效益”经济发展模式的直观展示。预示着后雾霹时代的来临。“向雾霾宣战！”是后雾霾时代人们所打出的口号，中国正式踏入以能源革命为实质的第三次工业革命时代、全面进行“蓝天工程”建设的历史转折点。紧紧抓住机遇，承担起历史使命，痛下决心、狠下工夫，坚决打好能源革命治理雾霾这场硬仗，为长远发展打下坚实基础。中国将大力推动能源生产和利用方式变革，不断完善政策体系，努力实现能源与经济、社会、生态全面协调可持续发展按照研发、示范和推广应用三个层次循序推进。建立太阳能发电国家标准体系和技术产品检测平台，形成我国完整的太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运行维护等产业链技术服务体系。中国将以科学发展观为指导，切实转变发展方式，着力建设资源节约型、环境友好型社会，依靠能源科技创新和体制创新，全面提升能源效率，大力发展新能源和可再生能源，推动化石能源的清洁高效开发利用，努力构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，为中国全面建设小康社会提供更加坚实的能源保障，为世界经济发展作出更大贡献！