跨入21世纪,人类就面对着赖以生存的传统化石能源(即煤和石油,他们分别是古代植物和动物演变而成的化石类燃料)积聚耗尽的问题。由此还加剧了大气污染,增强了温室效应(地球温度升高),从而引起能源危机,地球气候恶变危机,直接制约人类的文明发展,甚至威胁人类的健康和繁衍。因此,开拓利用新的清洁能源是摆在世界各国政府和民众面前的共同课题。这些不会造成污染的所谓“绿色能源”包括太阳能发电、风力发电、生物质能发电、地热发电、潮汐发电等。特别是太阳能发电,只要太阳不灭,地球上的人类就可能享受几千万年巨大的清洁能源。相对于专家们基于勘探成果与耗能测算的估计,石油够用几十年,煤也只够用数百年的现实来,太阳能几乎是“取之不尽,用之不竭”的。
太阳能发电的关键当然在于大量生产具有较高光电转换效率的、具有较长工作寿命的、具有经济成本的阳光电池。为此,美国政府在上世纪末提出在每瓦1.5美元的发电设备成本基础上实施“百万屋顶计划”,即要在1百万个家庭的屋顶上各安装5KW-10KW的硅光电池瓦,解决各自家庭的生活用电,多余的发电量可以买给电力公司。这样需要每家投资1万多美元,希望由此“一劳永逸”地解决家庭经济用电、清洁用电的问题。日本是当今世界上太阳能电池的最大生产国,约占世界市场份额的43%。欧洲各国在普及太阳光热利用的同时,也大力推广太阳光电系统。1998年全球安装了28万KW,年递增12.5%
制造硅光电池,可以用单晶硅,效率最高(目前光电转换效率达16%-17%),成本也高,每峰瓦约3-4美元;可以用多晶硅生产厂,产品全部出口到日本。这实际上是消耗中国的电力,低价卖到日本,帮助日本节能,改善环境和气候,这是消耗能源的转移。最近,日本正在开发非晶硅太阳电池生产新工艺,其年生产能力将达到20万KW,这将是阳光电池制造技术和生产规模的一次大突破,值得世人关注。
硅光电池直接把太阳光能转换为电能,但是一方面必须储存起来,才能解决晚间及阴雨天没有阳光时的用电需求问题,通常要用蓄电池;另一方面,阳光发电只能是直流电,通常电压又比较低,必须经过电力电子技术加以变换,以变成通常电器使用的单相或三相交流电;此外,为保证最大光电转换效率,又要求太阳能电池板能对准太阳自动旋转,让太阳光保持直射到硅光电池上。这些都是电力电子技术发挥作用的地方。不少专家指出,利用阳光电池发电来电解水,以产生氢气,这些氢气存贮到镧六镍(La6Ni)内,以供燃料电池使用而发电,这将是未来电动车(代替现在的汽车)的最佳能源配置。这里,又有大量电力电子技术的课题和贡献。
我国政府首先在无法架设输电线的西藏、新疆、内蒙、青海、甘肃等草原牧民、沙漠绿洲、边防哨所、地质队员场所先采用太阳能发电。几年前,国家投资的“阳光计划”在西藏树立了太阳能发电的样板。最近,清华大学为新疆牧民提供了太阳能发电系统,不但成功地提供了照明、剪羊毛、电视等所用的电能,而且在沙漠中用太阳能发电带动水泵,首次在历史上为游牧生活的兄弟民族百姓打出了清澈的生命之水。目前,全国还有几百个乡村地处边疆,还没有用上电,国家决定投资帮助这些地方在今后5年内靠太阳能发电,使全国所有的乡村民众都能用上电,迈进物质文明和精神文明的新阶段。本刊发表清华大学从事太阳能发电系统与才用电力电子技术优化用电的师生们写的一组论文。从中我们将能看到,太阳能发电离普通百姓家门又近了一步。电力电子技术将在推广应用各种新能源的21世纪大显身手。21实际正在向一匹新的电力电子装置招手呢!