作者：齐威柏 梅森 佛德纳奇斯 甘锡安 译
如果有计划地发展太阳能发电，到了2050年，美国可以不再依赖进口石油，温室气体排放量也可大幅降低！
汽油和家庭用油的价格居高不下，已经是普遍的现象。美国在中东掀起战事，至少部份原因是为了保护境外石油利益，加上中国、印度和其它国家对石化燃料的需求激增，未来的能源争夺战已经浮现眼前。同时，燃烧煤炭、石油与天然气的发电厂与遍布各地的汽车，每年持续排放数以百万吨的污染物与温室气体，威胁着我们居住的地球。
用心良苦的科学家、工程师、经济学家和政治家提出了各种方案，可略微降低石化燃料的使用与排放量，但这些方案仍然不够，美国需要大刀阔斧的计划，完全摆脱石化燃料。根据分析结果，我们相信全面改用太阳能将是合理的解决之道。
太阳能的潜力无穷，阳光照射地球40分钟带来的能量，相当于全球一年的能源总消耗量。美国幸运地拥有丰富的太阳能资源，单单美国西南部，至少就有64万平方公里的土地适合用于建造太阳能发电厂，每年可接收的太阳辐射能超过4500千兆英制热量单位（4500×1015 BTU）。只要将这些辐射能的2.5%转换成电力，就相当于美国2006年的总用电量。
要让全美国改用太阳能发电，必须占用大片土地安装太阳能光电板及太阳能集热装置，同时建造直流电输送干线，以便将能量有效率地输送到全美各地。
现在这些技术都已经完备。我们将在本文提出一项规模庞大的计划，将可在2050年用太阳能发电满足美国69%的电力与35%的总能源需求（包含运输）。我们预估这种能源能够以目前传统发电的费率卖给消费者，每度（千瓦小时）大约为0.05美元。如果风力、生物燃料和地热等能源也同时发展，到了2100年，再生能源将可供应美国全部的电力和90%能源。
要在2050年完成这个计划，美国政府必须在未来40年投入4000亿美元以上，这个金额相当庞大，但报酬将更大。太阳能发电厂消耗的燃料极少，甚至不需燃料，因此每年可省下数十亿美元；这些基础建设将可取代300座大型燃煤发电厂和300座天然气发电厂，就省下这些电厂消耗的燃料。这项计划将使美国不需再进口石油，大幅缩减贸易逆差，降低中东与其它地区的紧张局势。由于太阳能发电技术几乎零污染，因此每年还可减少发电厂排放量的17亿吨温室气体，此外，用太阳能电力网充电的插电式油电混合车，还可减去汽车排放的19亿吨温室气体，到了2050年，美国二氧化碳排放量将比2005年降低62%，大幅缓解全球暖化现象。
降低发电成本
近几年来，光电池和模块的生产成本大幅降低，开启了大规模运用的可行性。光电池的种类很多，但目前价格最低的模块是鍗化镉制成的薄膜，如果要在2020年将电价降到每度0.06美元，鍗化镉模块的电力转换效率必须达到14%，系统的建造成本也必须降低到每瓦1.2美元（以发电容量计算）。目前模块的转换效率为10%，建造成本每瓦约为4美元，显然还有许多进步空间，但技术方面进展相当快，近一年来，商业化应用的转换效率已由9%提高到10%。另外值得注意的是，随着模块逐渐进步，屋顶光电池的价格也越来越为大众接受，降低了日间电力需求。
在我们的计划中，到了2050年，光电技术供应的电力将可达到3兆瓦（万亿瓦）左右，必须建造的太阳光电数组总面积为7.6万平方公里。这样的面积听来虽然吓人，但从已建造的装置看来，在美国西南部以太阳能发电，平均每百万度的用地面积比燃煤火力发电厂还少（包含开采煤矿所需的土地）。美国科罗拉多州哥登市国家再生能源实验室的研究显示，美国西南部的土地面积已经供过于求，不需用到可能影响环境的地区、人口密集区或崎岖地带。美国亚利桑那州水资源保护局发言人拉维尔表示，该州的土地有80%以上非私人拥有，而且该州很有兴趣开发太阳能资源。太阳能发电厂的环保本质（包括不需用水）应可将环境影响降到最低。
因此，目前最亟需的进展就是将模块效率提高到14%，尽管商业化模块的效率一定赶不上实验室中的太阳能电池，但美国国家再生能源实验室的鍗化镉电池效率已达16.5%，而且还在继续提高中。目前至少有一家制造厂商，也就是位于俄亥俄州派瑞斯堡的第一太阳能公司（First Solar），已将太阳能模块的效率由2005年的6%提高到2007年的10%，预计将于2010年达到11.5%。
用高压空气与热盐储存电能
当然，太阳能发电最大的限制就是阴天时产生的电力极少，夜间更完全无法发电。因此晴天时生产过剩的电力，必须储备做为阳光不足时使用。但是，电池之类的能源储存系统大多昂贵或效率过低。
压缩空气能源储存装置是效果不错的替代方案，这种技术以太阳能发电厂生产的电力压缩空气，并送入闲置的地下洞穴、废矿坑、地下水层或采尽的天然气井等，再依据需求释放出压缩空气，推动涡轮产生电力，同时燃烧少量天然气加以辅助。压缩空气能源储存厂目前有两座，分别于1978年在德国亨托夫和1991年在美国亚拉巴马州麦金塔希开始运作。这类电厂的天然气消耗量只有完全燃烧天然气时的40%，如果有更好的热回收技术，这个数字还可进一步降低到30%。
位于加州帕洛亚托的美国电力研究所进行的研究显示，压缩空气能源储存系统目前的成本大约是铅酸电池的一半，根据研究结果，这类设施会使太阳能发电的平均每度成本增加0.03~0.04美元，因此2020年的发电总成本为每度0.08~0.09美元。
来自美国西南部太阳能发电厂的电力，将透过高压直流电输送线路，送到全美各地的压缩空气能源储存设施，并在当地以涡轮终年不停地产生电力。这种方式的关键是寻找适合的地点：依据天然气产业和电力研究所提供的地图，全美国有75%的地区拥有适合的地质结构，而且通常靠近都会区。其实，压缩空气能源储存系统看起来很类似美国的天然气储存系统，美国的天然气产业拥有400座地下储气槽，总共储存了2000亿立方公尺的天然气。到了2050年，这项计划将需要145亿立方公尺的容量，储存压力为每平方公分77公斤。虽然开发工作是项挑战，但可使用的储气槽相当多，而且天然气产业也很有理由投资在这里。
在我们的计划中，另一项可以提供1/5太阳能的技术称为“集光型太阳能发电”。这项技术以长型金属反射镜将阳光集中照射装满液体的管子，以类似超大型放大镜的方式加热管中液体，加热的液体流过热交换器，产生蒸气推动涡轮。
为了储存能量，把管子通入装满熔盐的大型隔热槽可有效储存热能，在夜间取用其中的热能，产生蒸气，但熔盐仍会缓缓冷却，因此储存的能量须在一天内用完。
目前有9座集光型太阳能发电厂在美国运转多年，供电总容量达3亿5400万瓦，内华达州最新的6400万瓦发电厂也于去年3月开始运作，但都没有热储存设备。西班牙正在建造第一座拥有热储存设备的商业化厂房（5000万瓦电厂搭配7小时储存容量的熔盐设备），世界各地也有其它电厂在规划。在我们的计划中，储存容量须达16小时，才可24小时产生电力。
已建造的电厂证明集光型太阳能发电是可行的，但成本必须降低，规模经济与持续研究应该会有所帮助。2006年，美国西部州长协会太阳能工作小组在报告中的结论表示，如果能建造40亿瓦的发电厂，2015年时集光型太阳能发电的电价将可降到每度0.1美元以下，找出大幅提高热交换器液体温度的方法，也可提高运作效率。另外，工程师也在研究如何以熔盐本身当做热传输液体，同时降低热损耗及资金成本，不过盐类有腐蚀性，因此必须使用活性更高的管线系统。
集光型太阳能发电和太阳能光电池代表两种不同的技术途径，但都尚未完全发展，因此我们的计划可在2020年大规模建置这两种技术，给它们时间逐渐成熟。另外也可结合各种太阳能技术，以最经济的方式满足需求。随着设备逐步扩充，工程师和会计师可评估优缺点，投资人或许会决定支持某种技术，放弃其它技术。
直流电输送以避免损耗
太阳能发电厂的地理位置显然跟美国目前的供电方案不符合，目前煤、油、天然气和核能发电厂遍布全美，通常都相当接近需要电力的地区。美国的太阳能发电厂大多数会建造在西南部，目前的交流电（AC）输电系统不够强健，无法从电力中心将电力输送给各地的用户，而且长途输送的能量损耗过大，因此必须建造新的高压直流电（HVDC）电力输送干线。
美国橡树岭国家实验室进行的研究显示，长距离HVDC输电线路的能量损耗远低于输送距离相同的交流电线路。这条干线将由美国西南部通往美国各地，在线路末端的变电所将电力转换为交流电，并透过现有的地区输电线路送往各用户。
交流电系统的容量现在也已经不足，因此造成著名的加州与其它地区停电事件；而直流电线路的建造成本和土地面积都低于相同的交流电线路。美国目前约有800公里的HVDC输电线路在运作，可靠性和效率都不错，这种线路在技术上不需要很大的进展，但丰富的经验应该有助于改善运作。美国德州的西南部电力联营组织正在设计交流电与直流电的整合输电系统，以便在德州西部建造100亿瓦的风力发电厂，同时，泛加拿大公司（TransCanada, Inc.）也提议建造3500公里的HVDC输电线路，将电力由蒙大拿州与怀俄明州南部输送到拉斯韦加斯及更远的地区。
2020年以前完成量产技术
我们投入了许多心力研究如何实行这项大规模的太阳能计划，预计有两个不同的阶段，第一阶段（从现在到2020年）必须让太阳能拥有量产的竞争力，这个阶段需要政府保证提供30年贷款，并同意购买电力及提供价格补贴，年度辅助方案将由2011年到2020年逐年提高。在这段时间内，太阳能技术将可自力站稳脚步，累计补助总金额将达4200亿美元（后面会说明如何支付这笔款项）。
到了2020年，将有大约840亿瓦的光电及集光型太阳能发电厂可以建造完成。除此之外，直流电输送系统也会建立起来，这个系统将藉由州际高速公路沿线现有的铺设权扩张，以减少用地取得与法规限制。这条干线将朝西通往凤凰城、拉斯韦加斯、洛杉矶和圣地亚哥的主要市场，朝东则通往圣安东尼奥、达拉斯、休斯敦、纽奥良、亚拉巴马州伯明翰市、弗罗里达州坦帕市，以及亚特兰大等地。
在最初五年内，每年建造15亿瓦的光电装置及15亿瓦的集光型太阳能发电设备，将可促使许多制造厂商扩大规模；接下来的五年内，每年的建造量将提高到50亿瓦，可协助企业改良生产线效率。如此一来，太阳能电力的价格将可降低到每度0.06美元。这个执行时程是实际可行的，从1972年到1987年，美国每年建造的核能发电厂超过50亿瓦，不仅如此，太阳能系统的生产和建造速度也比传统发电厂快许多，因为它的设计简洁，所造成的环境与安全影响也相当小。
至2050年可供应七成电力
有一点相当重要的是，对主要市场的奖励必须持续施行到2020年，以便使它在2020年后不假外力维持增长，计划扩展到2050年时，则采取比较保守的做法。我们未纳入2020年后才会出现的技术改良或成本降低，同时假设美国的能源需求每年提高1%。在这些条件下，到了2050年，太阳能发电厂将可满足美国69%的电力和35%的总能源需求，这个数字包含3亿4400万辆插电式油电混合车消耗的电力，到时这种车将取代汽车，这也是减少美国对进口石油的依赖和降低温室气体排放量的关键。美国国内将产生300万个新的工作机会（尤其是生产太阳能组件方面），与届时将大幅衰退的石化燃料产业减少了工作机会相比，差距可达数倍。
进口石油量大幅降低，将使美国每年的贸易逆差缩减3000亿美元（以原油每桶平均价格60美元计算，但2007年价格更高），虽然太阳能发电厂建造后必须维修，但阳光永远是免费的，因此每年都可省下这么多的燃料成本。不仅如此，太阳能投资还可进一步保障美国的能源安全，减轻军事的财政负担，大幅降低污染与全球暖化的社会成本，包括国民健康问题、海岸线与农地破坏等。
出乎意料的是，这项太阳能大计划同时也可降低能源消耗。即使每年的能源需求增长1%，2006年消耗的100千兆BTU，也可在2050年减少为93千兆BTU。这个不增反减的现象主要是因为有许多能量是用于开采及处理石化燃料，而且燃烧和控制废气排放所浪费的能量更多。
要符合2050年的预期，需要11万7760平方公里的土地来建造光电和集光型太阳能发电设备。这个面积数字相当庞大，但其实只占美国西南部适用土地的19%。这个地区的土地大多寸草不生，也没有其它利用价值，而且土地不会遭到污染。我们假设2050年的太阳能发电容量只有10%来自美国各地屋顶或收费停车场的分散型光电装置，但随着价格逐渐降低，这些方式扮演的角色会更加重要。
虽然现在难以预测50年以后的事，但是为了充份说明太阳能的潜力，我们假想了2100年的状况。依据计划，届时预计的能源总需求（包含运输）为140千兆BTU，大约为目前发电容量的七倍。
不过为了保守起见，我们在估算需要多少太阳能发电容量时，是依据美国西南部史上太阳辐射能最低的状况。根据1961~2005年美国国家太阳辐射能数据库的记录，这类状况发生于1982~1983年冬季和1992与1993年皮纳图博火山爆发后。另外，我们也未纳入2020年后的技术进展和成本降低，不过几乎可以确定，80年的持续研究应可提升太阳能发电技术的效率、降低成本并改良储存方式。
在这些前提下，美国的能源需求可由以下几种来源满足：太阳能发电厂直接供应给电力网2.9兆瓦（万亿瓦），以及由压缩空气储能装置供应7.5兆瓦（万亿瓦）；集光型太阳能发电厂供应2.3兆瓦（万亿瓦），零散的光电装置供应1.3兆瓦（万亿瓦）。另外加上风力发电厂的1兆瓦（万亿瓦）、地热发电厂的0.2兆瓦（万亿瓦）、生物燃料的0.25兆瓦（万亿瓦）。模型中包含用于直接加热或冷却建筑物所需的0.5兆瓦（万亿瓦）。太阳能系统将需要42万7350平方公里土地，仍然少于美国西南部的适用土地面积。
2100年，这些再生能源将可供应美国全部的电力与90%能源。在春夏两季，太阳能设备生产的氢将满足美国90%的运输燃料需求，并取代辅助压缩空气储能涡轮所需的少量天然气。再加上1817亿公升的生物燃料，即可满足剩余的运输能源需求。与能源有关的二氧化碳排放量，将可降低到比2005年的数字低92%。
谁来出钱？
我们这项计划并不是严格的限制计划，因为其中包含了1%的年度需求增长，让我们在预期的能源生产与使用方式改良下，维持与目前相仿的生活方式。其中最大的问题，或许是如何支付全面更换美国能源基础建设所需的4200亿美元。最常见的构想是课征碳税。依据国际能源总署的建议，每公吨碳必须课征40~90美元的碳税，以促使电力生产者采用碳捕集与封存系统，减少二氧化碳排放量。这个税额相当于将每度电价调高0.01~0.02美元。但我们的计划花费更少，4200亿美元可透过每度0.005美元的碳税取得，以目前电价每度通常为0.06~0.1美元而言，增加0.005美元应该是合理的。
美国国会可采纳全国性的再生能源计划，建立金融奖励方案。就如同“美国农业价格补贴”计划，是为了美国的国家安全而成立的，太阳能价格补贴计划可保障美国的能源稳定，这对国家的长期健全发展也十分重要。另外，补助金也会在2011~2020年逐步给予，以标准的30年支付时间而言，将在2041年到2050年间结束补助。政府不一定会补助HVDC配电公司，因为这些公司能筹措到建造线路与变电所的经费，就像现在建造交流电线路一样，靠输送电力赚取营收。
4200亿美元虽然庞大，但每年的花费其实比目前美国农业价格补贴计划还少，另外，这笔钱也低于过去35年来美国为建设高速电信基础建设所征收的税，而且美国将从此不需面对国际能源冲突造成的政策和预算问题。
没有补助金，这项太阳能计划不可能成功，在其它国家也相同：日本已开始提供补助金，建立庞大的太阳能基础设施；德国也在实行全国性计划。尽管投资金额相当庞大，但我们必须记住，阳光能源是免费的，不像煤、石油或核能每年要燃料或污染防制成本，只有压缩空气储能系统需极少的天然气成本，而且能以氢或生物燃料取代。计入燃料省下的费用后，太阳能的成本在未来数十年内将非常划算，但我们不能等到以后才积极投入。
批评人士提出了其它疑虑，例如材料限制是否会影响大规模建造。在快速建置时确实可能暂时短缺，但目前光电池有好几种，材料组合各不同。更完善的处理与回收可减少电池材料用量，长期看来，旧式太阳能电池大多可回收再制成新的太阳能电池，我们的能源供应方式将由可耗尽的燃料变为可回收的材料。
不过，要在美国建立再生能源系统，最大的障碍不是技术或经费，而是大众尚未体认到太阳能是实际可行的替代方案，而且可为运输工具提供能源。有远见的思想家应该向民众与政治及科学领导人倡导，让他们了解太阳能的无穷潜力。一旦体认到这个潜力，我们相信对能源自给自足的渴望，以及对二氧化碳减量的需求，将促使美国采纳全国性的太阳能计划。
