本文討論了如何用大型太陽能發電場取代世界上所有的石油、天然氣和煤炭。

太陽能有問題

關于太陽能農場的新聞報道展示了主題令人振奮的太陽能電池板圖片。然而，他們忽略了農場旁邊的東西，那里通常是空的。這更有趣，因為它告訴我們這些不利于賺錢，因為如果有的話，有人會建造更多。在多年的正面消息之后，讀者可能會懷疑太陽能是否存在問題。那么讓我們來看看數字。下圖顯示了每個國家來自太陽能的總能源的百分比。請注意插圖底部刻度上的小數字。

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下圖顯示了美國的太陽能裝置和陽光照明。美國2.3%的電力來自太陽能發電場（96 / 4126 TWh/yr）；它從太陽能發電場獲得總能源的 1.0% （96 / 9205 TWh/yr）。

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如果我們查看拉斯維加斯附近地區的衛星視圖，如下圖所示，我們只看到一小部分土地用于太陽能發電場。內華達州有大量未使用的陽光充足的土地，太陽能電池板也很便宜；然而，這個州的大部分電力來自天然氣。這告訴我們太陽能在解決 遠方消費者的傳輸挑戰之前會遇到障礙。

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太陽能的現實

由于以下幾個障礙，太陽能農場并不受歡迎：

間歇性：當太陽停止發光時，光伏太陽能發電場關閉，這意味著當太陽能關閉時，需要另一個發電站打開。擁有兩個設施是昂貴的。

協同定位過程的未充分利用：當使用光伏太陽能為制氫等工業過程提供動力時，加工設備有大約 75% 的時間處于閑置狀態，這是成本高昂的。

光伏太陽能的儲能成本高昂：作為上述問題的補救措施，人們可能會考慮每天 24 小時存儲能量和供電。但是，在使用光伏太陽能時，存儲成本很高。或者，在使用集中的太陽能熔鹽時，儲存是便宜的，因為可以以很少的額外成本將已經熱的鹽放入罐中。然而，聚光太陽能目前很昂貴。

傳輸成本高昂：典型的綠色能源傳輸方法是電線中的電力、管道中的氫氣或液氨，以及火車或輪船上的罐中的液氨。相對于將碳基發電站靠近消費者而言，所有這些都是昂貴的。

美國綠色能源預測

美國能源信息署 （EIA） 2021 年展望報告預測，美國太陽能發電場和建筑物光伏發電量將從 2020 年的 125 TWh/年（~3%）增加到 2050 年的~1000 TWh/年（~20%），如下所示。由于各種限制，預計到 2050 年太陽能不會超過美國總電力的 20%。然而，如果工程師們讓光伏太陽能和聚光太陽能比碳基燃料更便宜，并且政府不增加對太陽能行業的干預，這種情況就會改變。

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如果仔細觀察上圖，他們可能會注意到煤炭和天然氣并沒有減少。因此，EIA 預計美國的 CO 2排放量將在未來 30 年內保持不變。有關美國和其他國家為什么會失敗以及人們可能會怎么做的討論，請參閱實現零 CO 2排放的計劃。

關于太陽能的好消息

一個覆蓋內華達州 38% 的太陽能發電廠可以提供足夠的能源來滿足美國的能源需求；并取代所有的石油、天然氣和煤炭。此外，中國的沙漠大到可以為整個中國供電，而北非的沙漠大到可以為整個歐洲供電。換句話說，土地不是問題。

24 x 365 太陽能 = PV 太陽能 + 聚光太陽能 + 熔鹽儲存 + 碳燃料

集中太陽能，如左圖所示，從太陽中獲取熱量并用它來發電。在一個典型的系統中，太陽加熱熔鹽，熔鹽產生蒸汽，蒸汽推動電動渦輪機。或者，如右圖所示，PV 太陽能使用硅或薄膜材料將太陽能直接轉換為電能。

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聚光太陽能可用于直接通過熱量制造東西，如將沙漠變成工廠 中所述。這很重要，因為我們需要比非生熱成本更低的生熱來制造材料；通過電力產生熱量的成本很高。

光伏太陽能成本低于聚光太陽能；然而，通過將已經很熱的鹽放入罐中，聚光太陽能可以更容易地儲存能量。此外，當惡劣天氣耗盡存儲空間時，人們可以在聚光太陽能發電廠燃燒天然氣或煤炭，以加熱熔鹽或蒸汽。這樣做的額外成本很低，因為蒸汽發生器和其他基礎設施已經到位。所需要做的就是添加燃料、熔爐和火花。

將PV 太陽能、聚光太陽能和碳基燃料相結合，是獲得可靠的 24 小時、一年 365 天的太陽覆蓋的最低成本方式，并減少對伴隨碳基能源轉變的需求打開，當太陽能關閉時。

下圖所示的瓦爾扎扎特太陽能發電站是將光伏與聚光太陽能并置的示例。

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一個可以大小光伏太陽能滿足中午的需求，大小聚光太陽能來彌補平衡。例如，如果您在中午總共需要 1 GWe，那么 0.021 美元/千瓦時（0.67 美元/瓦）的光伏太陽能將被定為 1 GWe，并且與存儲并置的 0.049 美元/千瓦時（1.41 美元/瓦）聚光太陽能將被定為需要。聚光太陽能將在中午儲存，并在光伏太陽能無法滿足需求時提供幫助。例如，如果 33% 是 PV，66% 是集中的，那么客戶的平均成本將為 0.040 美元/千瓦時（1.16 美元/瓦）。

上述數字基于NREL對 2050 年（洛杉磯 - 中期）美國太陽能的估計成本。美元/瓦特值假設每瓦特以全功率運行 5.3 小時/天 （22%），平均而言，這是美國西南部的典型情況。由此產生的 0.040 美元/千瓦時的成本類似于美國當前的天然氣電力成本 （NREL Gas-CC-AvgCF）。

僅用太陽能農場解決氣候變化問題

美國西南光伏太陽能發電場目前的發電成本與天然氣相似（0.040 美元/千瓦時）；然而，這只是微不足道的幫助。天然氣電力是可調度的，這意味著您可以在需要時獲得；PV是間歇性的。你不能用一個交換另一個并得到同樣的東西。您需要添加帶存儲的聚光太陽能以獲得可調度系統，然后該系統可以取代燃氣或燃煤發電廠。據 NREL 稱，在美國西南部將光伏太陽能與集中太陽能相結合，成本為 0.08 美元/千瓦時（2021 年），是天然氣發電的兩倍。換句話說，我們需要將今天的聚光太陽能和光伏太陽能的成本降低 2 倍，以擊敗基于碳的可調度電力。

可以考慮在建筑物上使用光伏而不是在農場上使用光伏；然而，家庭光伏的成本通常是農場光伏的 3 倍，商業建筑光伏的成本通常是農場光伏的 2 倍，以美元/千瓦時為單位。此外，光伏建筑在太陽落山時大量使用傳輸和外部發電設備。維護這種外部設備的成本很高。從理論上講，光伏建筑應該為“存儲”充電，因為它們在將電子推入/拉出電網時進行存儲，即使它們是凈生產者。

有幾件事可以使太陽能發電場更可行：

降低集中太陽能的成本，如將沙漠變成工廠中所述。

降低光伏太陽能的成本，如機械化陸地光伏太陽能中所述。

降低傳輸成本，如如何降低電力傳輸成本中所述。

建立聯邦政府監管的透明太陽能發電場區，如政府需要思考大局中所述。

增加政府對太陽能行業的干預，如如何加速綠色能源生產中所述。

我們能否使遠程可調度太陽能比靠近消費者的碳更便宜？我相信，如果不首先在粗略設計和成本模型上花費數百萬美元，以便更好地了解數字，我們就無法回答這個問題。而真正讓它發揮作用可能需要數百億美元用于自動化工程和工廠。

全球太陽能農場數學

我們現在將運行數字，看看需要什么才能完全通過沙漠中的太陽能農場解決全球范圍內的整個氣候變化問題。換句話說，我們將計算在全球范圍內完全取代石油、煤炭和天然氣需要多少太陽能。

我們將使用一個簡單的模型使其易于理解，并忽略能源消耗增長和不同類型能源等問題。此外，我們將假設遠距離太陽能的存儲和傳輸成本低于靠近消費者的碳選項。換句話說，這是在我們降低今天的成本之后。如果我們不實現這一目標，例如太陽能發電場提供了世界能源需求的 20%，那么將以下數字乘以 20%。

世界消耗 583 EJ/yr 的熱能（例如石油、天然氣和煤炭），當使用 35% 效率的渦輪機 （583e18 * 277.8 * 35% / 1e12） 轉換時，這相當于 56，000 TWh/yr 的電力。如果太陽能平均每天全功率運行 5.3 小時 （（56，000 * 1e12 / （24hrs * 365days）） / （1e9 * 5.3hrs / 24hrs）），這相當于大約 28，900 GWe 的太陽能。例如，如果每天使用 5.3 小時每平方米獲得 140W 功率，那么這將對應于 206，000 平方公里的太陽能材料，例如 （（28，900 * 1e9 / 140W） / （1000m * 1000m））。如果該設施的 30% 被太陽能材料覆蓋，則需要 686，000 平方公里的土地 （206，000 / 30%）。

例如，如果太陽能加存儲設備的成本為 1.16 美元/瓦（0.04 美元/千瓦時，5.3 小時/天），那么全球總成本將為 33.6 噸。如果分攤超過 30 年（28，900 * 1e9 * $1.16 / 30yrs），這相當于每年 $1，121B。每個國家的成本與他們在碳基系統上的花費相似：美國 182 美元/年（16%），中國 272 美元/年（24%），歐洲 161 美元/年（14%） 。 如果綠色比非綠色便宜，政府就不需要為此買單，因為資本市場會放貸。

上述數字可能看起來很高；然而，它們與美國天然氣電力的當前成本相匹配（0.04 美元/千瓦時）。使用太陽能，人們在最初建造時會付出高昂的代價，而且燃料是免費的。或者，對于碳，人們最初支付小額費用，然后隨著時間的推移為燃料支付大額費用。為了比較這兩者，我們看一下 LCOE $/kWh 電力成本，它結合了初始建設成本和燃料超時成本。上述 33.6T 美元的太陽能數字對應于今天的天然氣電力成本。

全世界每年增加 131 TWh/年的太陽能。如果世界想要在 30 年內建造足夠的太陽能來滿足當今的能源消耗，則需要將太陽能產量提高 14 倍，例如 （（56，000 / 30yrs） / 131）。這就引出了一個問題，“什么會導致世界太陽能產量增加 14 倍？”

美國能源消耗量占世界總量的16%，內華達州為28.6萬平方公里；因此，美國需要分配內華達州的 38% 來抵消美國能源消耗總量 （686，000 * 16% / 286，000）。

上述許多數字都是粗略估計，由于各種原因，在任一方向上都可能相差兩倍。我們簡化以使其更易于遵循。

如果您想用自己的數字重新計算上述計算，請下載我們的電子表格并查看工作表“計劃”中的“使用太陽能農場解決氣候變化問題”。

這個太大了

讀者可能會認為上面的數字太大了（因為它們太大了）。

關于胡佛水壩、倫敦陣列風電場和首航太陽能發電場的新聞報道沒有說明需要多少來滿足世界能源需求。隨后，世界不知道我們從石油、天然氣和煤炭中獲得了多少能源。簡短的回答是“很多”。

如果世界領導人想知道如何處理這個問題，我建議他們花更多的時間與世界上的亨利福特在一起。他們是唯一知道如何處理大規模的人，這就是。

為了更好地了解沙漠的位置，可以參考維基百科的沙漠列表。

結論

政府不需要為 206，000 平方公里的太陽能材料付費。反而; 他們需要通過工廠大規模生產和自動化將光伏太陽能和聚光太陽能成本降低兩倍；降低成本的長距離輸電；然后讓市場做剩下的事情。而且，一國實施降本后，可以免費贈送工程，為其他國家脫碳。

困難的部分是這要求政府不要停止期望其他人這樣做，而是愿意在降低成本的工程上花錢。

一個人可以分階段工作，先用小錢驗證可行性，然后再花大錢。例如，1 億美元的階段 I 開發粗略設計和成本模型，3 億美元的階段 II 進行詳細設計和原型，1B 美元的階段 III 建造示范設施，而 100 美元的階段 IV 建造工廠。

不幸的是，四個階段可能需要 10 年，因為工程需要時間。

我們不知道遠距離的 24 x 365 太陽能加傳輸是否可以比靠近用戶的碳更便宜；因此，政府不應該考慮第一階段的成本降低工程來了解更多信息。

NREL 的 ATB模型預計需要 30 年時間才能獲得低于碳成本的光伏太陽能和聚光太陽能。但是，如果建造替代石油、天然氣和煤炭的大型太陽能發電場需要 20 年的時間；我們希望在 2052 年實現零 CO 2排放；那么我們需要在 2032 年（2052 年 - 20 年）使用比碳更便宜的聚光太陽能。

總之，政府不需要更多地參與降低大型太陽能發電場的電力和材料成本。