中国学科发展战略·太阳电池科学技术
第一章 科学意义与战略价值
第一节 新能源应用的科学意义
能源是人类社会发展的动力，是一个国家经济和社会发展的命脉，而自然环境则是地球生物赖以生存与延续的物质基础。随着能源开采量和消费量的持续增加，大量化石能源被开发和使用，导致资源紧张、环境污染、气候异常、冰川消融、海平面上升等突出问题，严重威胁着地球上的生命。正确认识能源与环境的关系，妥善处理好经济发展与环境保护之间的平衡，已经成为各国政府的共识。而开发利用安全、清洁的可再生能源，是解决能源和环境双重危机，实现人类长久可持续发展的历史必然选择。
按其生成方式，能源分为天然能源（一次能源）和人工能源（二次能源）两大类。天然能源是指自然界中以天然的形式存在并没有经过加工或转换的能量资源，如煤炭、石油、天然气、核燃料、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等；人工能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，如煤气、汽油、煤油、柴油、电力、蒸汽、热水、氢气、激光等。其中，已被人类广泛利用并在人类生活和生产中起重要作用的能源称为常规能源，通常是指煤炭、石油、天然气等；而新近才被人类开发利用、有待进一步研究和发展的能量资源称为新能源。相对于常规能源而言，在不同的历史时期和科学技术水平下，新能源有不同的内涵。全球化石能源资源有限。据世界能源委员会（World Energy Council，WEC）2013 年的统计，世界已经探明可采煤炭储量共计 15 980 亿吨，预计还可以开采 200年。探明可采石油储量共计 1211 亿吨，预计还可以开采 30 ～ 40 年。探明可采天然气储量共计 119 万亿立方米，预计还可以开采 60 年。2013 年，占世界耗能 80% 的化石燃料的最终可采量相当于 33 730 亿吨原煤，而世界能耗正以每年 5% 的速度增长，预计只够人类使用 100 ～ 200 年。石油、天然气等能源正在逐步枯竭，但是新能源的开发利用还没有重大突破，世界正处在“青黄不接”的能源低谷时期。另外，一次能源的大量开发利用带来空气污染、生态破坏等一系列严重的环境问题，直接威胁着经济社会的可持续发展。化石能源燃烧产生的二氧化碳占全球人类活动温室气体排放的 56.60% 和二氧化碳排放的 73.80%，是导致全球气候变暖、冰川消融、海平面上升的重要因素。根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告，1880 ～ 2012 年，全球地表平均温度上升 0.85 摄氏度；1983 ～ 2012 年是北半球自有测温记录 1400 年以来最暖的 30 年。自 1750 年工业化以来，全球大气二氧化碳浓度已经从 278ppma 增加到 400ppm。若不尽快采取实质行动，到 21 世纪末，大气二氧化碳浓度将会超过 450ppm 的警戒值，全球温升将超过 4 摄氏度，对人类生存构成严重威胁。
第二节 新能源应用的战略价值
一、我国的能源情况
我国是能源大国，总地质储量居世界第三位。但从人均占有量来看，我国只有世界人均占有量的 1/2，仅为美国的 1/10、俄罗斯的 1/7。我国的能源结构是富煤、贫油、少气。在我国的一次性能源消费中，煤炭占 75% 以上，我国是世界上唯一以煤炭为基本能源的大国。我国以煤炭为主的能源结构，导致碳排放量长期居高不下。2013 年，我国的碳排放量已经达到 100 亿吨，占世界碳排放总量的 29%。预计 2030 年左右，我国的碳排放量将达到峰值。以煤炭为主的能源供应，加上技术和操作管理等诸多原因，使我国的能源利用率与发达国家相差很大。日本的能源综合利用率为 57%、美国为51%，而我国只有 30%。我国 85% 的二氧化硫、67% 的氮氧化物、70% 的烟尘排放来自以煤炭为主的化石能源燃烧。据北极星风力发电网报道，北京夏天 50%、冬天 70% 的细颗粒物（PM2.5）来自燃煤和汽车尾气排放，导致雾霾频发，严重威胁人们的身体健康。一方面，煤炭的大量开采带来严重的生态危害，造成大面积采空区、地面塌陷等地质灾害，导致地下水、耕地资源破坏。另一方面，我国的油气储量有限，仅占世界的 2% ～ 4%，石油和天然气的对外依存度分别达到 58.10% 和 31.60%，水电、核电价格相对较高。整体而言，我国的能源形势非常严峻。随着新型工业化、城镇化、农业现代化的不断推进，人民生活水平不断提高，我国的能源消费将持续增长，能源需求压力巨大。
二、世界新能源开发情况
日益恶化的生态环境，越来越受到国际社会的关注。人类应当不断更新自己的观念，随时调整自己的行为，以实现人与环境的协调共处。保护环境也就是保护人类生存的基础和条件。正如 1972 年联合国人类环境会议（the United Nations Conference on the Human Environment）发表的《联合国人类环境宣言》（United Nations Declaration of the Human Environment）中宣告的那样，“维护和改善人类环境已经成为人类一个紧迫的目标”“为了在自然界里获得自由，人类必须利用知识在与自然合作的情况下，建设一个良好的环境”。
为了缓解能源与环境的双重压力，世界各国都在积极研究开发新能源，特别是清洁可再生能源，确保长期稳定的能源供给。这方面的措施主要有：
（1）发展核能和利用太阳能、生物能、氢能、地热能、风能、潮汐能、海洋温差和波浪发电等。依托全球能源互联网，在能源开发上实施清洁替代，以清洁能源替代化石能源，走低碳绿色发展道路，实现从化石能源为主、清洁能源为辅向清洁能源为主、化石能源为辅的转变。
（2）在能源消费上实施电能替代，以电代煤、以电代油，推广应用电锅炉、电采暖、电制冷、电炊和电动交通等，提高电能在终端能源消费的比重，减少化石能源消耗和环境污染。电能作为优质、清洁、高效的二次能源，是未来最重要的能源形式之一，绝大多数能源需求都可由电能替代。对于大型城市而言，电从远方来，是优质清洁能源。
（3）充分利用可再生能源发电可以极大降低碳排放，减少生物质能源的消费。例如，全球水能资源超过 50 亿千瓦、陆地风能资源超过 1 万亿千瓦、太阳能资源超过 100 万亿千瓦，远远超过人类社会全部的能源需求。随着技术进步和新材料应用，风能、太阳能、海洋能等清洁能源的开发效率不断提高，经济性和市场竞争力逐步增强，将成为世界主要能源。
三、小结
能源是经济社会发展的重要物质基础。当前的环境问题在很大程度上是由传统化石能源的巨大消费引起的，能源与环境问题归根结底是发展的问题。
自第一次工业革命以来，煤炭、石油、天然气等化石能源快速发展成为经济社会发展的主导能源。同时，能源的广泛利用造成了严重的环境问题，威胁着地球生物的生存。我国现阶段的环境污染在一定程度上与以煤为主的能源结构相关。在中国现代化进程中，能源消耗带来的资源环境成本使我们必须反思能源资源利用的方式，提高利用效率。能源系统与经济系统、环境系统存在着相互影响、相互制约的发展关系。大力开发利用清洁可再生能源是实现经济效益和环境效益共赢的有效举措。
① 1ppm=1mg/kg。