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当全球暖化导致北极冰河融化
和飙涨的油价 让全球最大经济体陷入阴霾
全球对电力的需求仍持续高涨
某种解决之道可能在地平线上
某种能源便宜、充足 且不会造成污染
就像阳光一样
数十年来 太阳能一直是未来的能源
但有些人说时候已来到
以内华达州一成的联邦土地
就能生产全美国所需的电力
如今，从美国西南部
到西班牙
再到澳大利亚
各方竞相建造21世纪 第一座大型太阳能电厂
他们在追寻能源界的圣杯
致力让太阳能之梦付诸实现
伟大工程巡礼：太阳引擎
内华达州拉斯维加斯
在黑暗沙漠中的光亮城市
这些灯光每年吸引来 数百万名游客
但也毫不保留地消耗能源
拉斯维加斯大道的灯光
每天使用超过450万千瓦电力
白天数百万台空调开启 以阻挡沙漠高温
这城市需要极大量的电力
至今电力来源包括 这些燃煤和天然气的发电厂
这种资源有限、昂贵
而且会造成污染
但或许我们能用完全免费 无污染
能无止尽再生的资源产生电力
那就是太阳
现在是莫哈未沙漠的黎明
位处拉斯维加斯以南48公里
这是北美洲最干燥的地方之一
工人一早就来此对抗强风 狂飞的沙
以及无情的高温
对人类的艰困环境
却是吉伯科恩脑中的完美环境
欢迎来到 内华达太阳能一号电厂
近20年来即将兴建完成的 首批大型商业太阳能电厂之一
其唯一的燃料就是太阳热能
吉伯科恩是有远见的工程师
他决心让太阳能付诸实现 并成为主流能源
大家把使用可再生能源的人
视为60年代的嬉皮
事实并非如此
这是商业化的科技
这是某个问题的解决之道
全面营运时，这座太阳能电厂 所产生的电力将足以提供
邻近城市如拉斯维加斯 超过1.3万个家庭使用
但首先内华达太阳能一号 必须证明自己的效能
科恩是此计划的总工程师 且必须在期限内交差
6个月后 电厂必须进行重要测试
为了能合格进入 内华达州电力网络
他的团队必须证明电厂 至少能生产1.8万千瓦的电力
并传送到电力网络中
因此他们必须先完成 电厂的主要部分
一座巨大的太阳能场
完工后，太阳能场的面积 将为141公顷
大约等同于265座足球场
太阳能场的构造包括
数吨的铝框
近20万片特制的镜板
和超过72公里的集热管
这些是一种简单 却强有力科技的基本材料
这称为集光型太阳能发电 或CSP
说到太阳能，大多数人会想到 屋顶的太阳能板
太阳能电池或光电科技
这些装在玻璃里的太阳能电池
将阳光直接转换成电力
问题是这些太阳能板 只捕捉少量的太阳能
且大规模使用起来太昂贵
相反地，集光型太阳能发电
不会直接产生电力
而是捕捉和聚集阳光 来产生热能
很像我们幼时玩的小游戏
但内华达太阳能一号 用的不是小放大镜
而是用大型抛物面镜或曲面镜
阳光照到镜子时 只会反射到这里
这就是抛物面的功能
镜上每一点反射到一根管子
而这根管子就像一面放大镜
这里温度非常高
镜子是用非常纯净的玻璃制成
里头不含铁
因此若与窗玻璃相比
能透进来的光亮
比窗玻璃多100倍
阳光照到银色镜面并反射
所以效能才这么高
这些镜子将比一般强度 高70倍的阳光
聚焦于单一焦点
一根装了合成油 被称为集热管的长圆柱
流体流经无数排镜子 搜集越来越多的热
直到温度达到近摄氏400度
接着滚烫管子经过热传导器 将水变成蒸气
最后，如同所有传统发电厂
蒸气驱动涡轮来产生电力
这种科技利用的是热能
它采用集中在 这些管子上的太阳光
取得非常高的温度
我们就能将水加热来制造蒸气
建造十个月后的今日
科恩的团队已进入最后阶段
他们已组装好大部分的镜阵 来聚集阳光
镜子厚度约4毫米
如大家所见 镜子能自行挺立
不需要镜架
只有背部装了四个小垫子
就这样
镜面形状为完美的抛物线
为了将阳光潜能发挥到最大
团队将镜子和管子装在铝框上
每个铝框包含一个特殊感应器
和让框架全天候精准跟随 阳光角度移动的马达
团队将抛物面镜排成长排
因此这种集光型太阳能发电 被命名为…
槽型系统
安装这些镜阵相当简单
但建造九千组镜面则令人却步
整个电厂需要 16个月的建造时间
但对科恩来说 这是构筑30年的梦想
他得克服一个所有CSP电厂 都得面临的重大挑战
他的计划差点因此 在开始前就夭折
吉伯科恩是 太阳能科技业领导者之一
他于20世纪70年代石油危机时发迹
当时美国政府提供 研发太阳能的奖励措施
科恩开始和一群工程师 与企业家合作
在加州设计全球首批 商业太阳能电厂之一
这家公司建造了九座巨大电厂
这是全球首创的太阳能电厂 且造价昂贵
但它们不会排放任何毒物 或温室气体
并用免费的太阳能来制造电力
电厂火力全开时生产的能源
足以供应如邻近长堤市般 大小的人口使用
当时我认为那棒透了
我知道这么做是对的
藉由使用替代能源
我们能降低能源需求
我马上看出替代能源的潜力
但1991年 科恩的梦想破碎
石油价格下降
政府补助枯竭
而这家建造 太阳能电厂的公司破产
最后科恩失业 并在接下来20年间
艰辛且失败地 推动新太阳能计划
但当化石燃料价格维持低档
太阳能科技无法与其竞争
而大多数投资者也不感兴趣
长久以来
我国的能源成本很低
人们不会想降低能源花费
能源很便宜，何必担心？
但那段期间全球对电力的需求 几乎成长一倍
全球只好兴建数千座 会造成污染的化石燃料新电厂
如今这些电厂 每年对全球每个人
约释放1.5吨的二氧化碳
以及大量的有毒气体
我们如今面临另一种能源危机
我们开始看到其他国家 展开他们的工业革命
如印度和中国
他们将使用大量 地球短缺的化石燃料
石油价格涨破每桶50英镑
全球变暖成为严重问题
你以为大家会抢搭太阳能热潮
乍看之下 集光型太阳能科技看似简单
太阳能电厂干净、简单 且行得通
但你可能从未见过这种电厂 有一个原因
太阳能电厂造价昂贵
内华达太阳能一号 造价1.3亿英镑
如此的起始造价几乎是 产能相当的最大竞争对手
燃煤电厂造价的近两倍
燃煤电厂造价很便宜 因为燃煤所需要的
只是一个火炉
太阳能电厂则需要数百英亩
特制的昂贵镜子、管子和框架
来取得制造蒸气的热能
此外，各国政府 给予燃煤电厂高额补助
从古至今皆是为了便宜的电力
太阳能电厂的补助少许多
在美国尤其如此
但虽然燃煤电厂的造价 比太阳能电厂低
环境付出的代价却很高
燃煤电厂每年排放 全球近四成的二氧化碳
还有铅、锌、砷和盐酸
许多人也相信长远看来
太阳能可能比燃煤便宜
虽然起始造价较高
太阳能电厂的燃料不用钱
以燃煤和天然气电厂为例
造价再加上30年的燃料费用
也许会比太阳能电厂还贵
太阳能电厂的优点是…
我们都知道阳光不用钱
内华达太阳能一号将证明 以长期来看
太阳能发电 是可行且经济的选择
这种计划一开始的成本很高
因此需要企业界的参与
投资者通常非常保守
他们不会投资未经证实的技术
科恩很幸运 有一家公司例外
专门从事可再生能源计划的
西班牙“亚环纳”能源集团
亚环纳受到内华达州 积极的锌能源政策所吸引
该州2001年制订的法律规定
2015年前 全州制造的所有电力中
两成必须来自新的可再生能源
他们还规定15％中的5％ 必须来自太阳能
就是这5％促使各公司呈交提案
一切就是这么开始的
亚环纳集团雇用科恩 和其他太阳能先驱
建造近20年来 首批大型太阳能电厂之一
内华达太阳能一号
这是科恩等了20年的机会
而他决心要做到最好
我们必须再次证明 这种技术已成熟
这间电厂将决定未来 使用同种科技电厂的命运
它将成为典范
并证明这种技术是可行的
科恩和设计团队 有两大重要考量
降低起始造价
和提高效能
他对槽型系统已很成熟
因为数年前他已在加州使用过
但这回他的目标 是改进机器零件和工程
加州案例之后 出现了另一种太阳能电厂
名为“能源塔”
这种系统用独立镜子
将阳光反射到高塔顶端的 单一接收器
塔顶接收器的管子 吸收集中的阳光
并加热内部的液体
藉由将所有阳光 同时聚焦到单一定点
原型电厂让集中的阳光强度 增加到一千倍
因此创造出更多热能和电力
但要达到这种效能
定日镜必须分别运作 并矗立在两个轴上
科恩认为这种技术还不够成熟
所有的能源都聚集到一个点
这个点出了问题就完了
一切都会停摆
让能源塔发挥效能更困难
对科恩团队 及他们的投资者来说
较安全的计划是改善加州电厂 使用抛物面镜槽型系统
对内华达太阳能一号 毋庸置疑地
我们必须使用已证实的技术
没有真正经过证实的技术
我们无法为这么大的计划
也是多年来第一个这种计划 筹措资金
而槽型系统是唯一的选择
而这数十年来证明了 加州电厂的成功
至今，加州电厂供应的电力
足以让近十亿个家庭使用
科恩知道他能以 21世纪的科技和建材
改进20世纪80年代的电厂
但最大挑战仍是起始造价
太阳能科技仍昂贵 因为这是较新的技术
太阳能零件的需求增加
但整个系统的成本仍过高
内华达太阳能一号使用的 镜子、管子和框架
都必须是为亚环纳 量身设计与建造
镜子方面 内华达太阳能一号工程师
找上德国华博公司
这是全球最创新的 玻璃加工公司之一
重要制造汽车镜的华博公司
同意改装其中一间工厂
以完成这次的订单
太阳能板和浴室里的镜子 截然不同
并研发已超过25年 并耗资数百万
我们相信自己已发展出
特殊的制作方法和技术
华博公司使用名为“白玻璃”的 罕见玻璃
一般玻璃因含有铁等矿物 而呈现绿色调
白玻璃则较洁净
玻璃板也较薄，仅仅4毫米
在太阳能的世界中
薄且透明是最大重点
因为阳光从镜面反射时
会先通过透明玻璃
抵达反射镜面
然后再穿出去 并抵达集热管
若玻璃太厚或不透明
能源就会流失
电厂生产的电力会减少
华博公司的玻璃板非常透明且薄
这种玻璃做的镜子反射的阳光 比一般镜子多两成
透明玻璃板被送到这装配线
装配线比一整座足球场还长
在装配线最前端 技师将玻璃放上传送带
喷洒工以现今反射性 最强的素材之一：银
喷上玻璃的凸片
快速清理后 数层防腐蚀漆
包覆银层以作为保护
接近装配线尾端处 玻璃板进行干燥和冷却
最后，高度专业的巨型机械 将玻璃板磨到光亮无暇
磨亮的镜子抵达最后装配室
工人在这里加上绝缘板
并进行最后检查
然后就把镜子运送到 内华达太阳能一号
内华达太阳能一号将使用 近20万面这种太阳能板
辛勤工作一年后 团队到达一个里程碑
华博工厂送来最后一批镜板
组装反射板很简单
每个框架上有20面板子
它们一同组成 单一的曲面反射器
长100米，宽5米
集热管是太阳能电厂 另一关键且昂贵的零件
如同镜子 集热管也由德国厂商制造
而如同华博 这家公司也得改变某些制造程序
来符合内华达太阳能一号的 产品需求
肖特公司以各式玻璃产品 和玻璃管闻名
但此时他们的工厂产能全开
来制造内华达太阳能一号 所需的最后一批集热管
新电厂订购了 超过1.9万根管子
这可不是一般的玻璃管
如同镜子，集热管的主要成分 是罕见的纯净砂
少了会让一般玻璃混浊的铁
在摄氏1650度的熔炉中
工人将砂融化成 有延展性的液体
接着塑造成管子的形状
冷却，并切割成数段
在最高机密的装配区
工程师在玻璃管壁内 加装钢管
钢管上涂的特殊漆能吸收 95％从镜子反射出的太阳能
这样的能效很重要
管子的效能越好
电厂的发电功率越高
每一度电的成本也越低
最后，机器抽出管内所有空气 让管子变成真空
回到内华达太阳能一号
工人把集热管 三个一组焊接在一起
接着团队将管子 抬至框架上的定位
这位置正是 太阳能板的精确焦点
从外头看来 集热管看似简单装置
但其实这是科技奇观
透过镜子集中的阳光
通过集热管的抗反射涂层
再穿过内部真空 过程中很少能源流失
阳光抵达中央的钢管 加热内部的液体
但此时周围的真空 变成隔热体
防止热能流失
这就像热水瓶
管内温度为700度
但外部… 我能把手放上去
并不会很烫
热会留在管内
这些德国制的零件效能很高
也是内华达太阳能一号 成功的关键
但它们必须量身定制 也导致起始造价居高不下
你得请汽车工厂 制造这些镜子
他们必须停产两个月 来为一间这样的电厂服务
因此工厂的成本很高
但若内华达太阳能一号成功 且其他电厂跟进
可能会有大量工厂投入 太阳能零件制造
如此就能降低成本
吉伯科恩等人相信 他们高科技且高成本的零件
是发展太阳能的正途
但有些人想以低成本 发展太阳能发电
约翰欧唐诺是新兴太阳能公司 奥斯拉的执行副总裁
他的公司研发出 新式的集光型太阳能发电
他们相信这种方式 终将让太阳能够便宜
来与传统电厂竞争
这种方式称为线性菲涅尔系统
它与旧式太阳能科技 有一个最主要的差异
槽型和塔型系统 以发挥更大效能
让所有镜子和管子产生更多热 来降低电力成本
但那些高科技零件很昂贵
相反地，线性菲涅尔系统
虽然效能较低
目标却放在便宜和低科技
较便宜可能比效能较高更重要
因为太阳能发电的燃料不用钱
重要的是...
建造搜集太阳能的仪器 要花多少钱？
与其使用昂贵的曲面镜
线性菲涅尔系统 将低科技平面镜装在弯曲框架
镜阵将阳光向上反射到 长集热管上
里头便宜的水而不是合成油
被加热至沸腾
从另一端出来的是 600度的饱和蒸气
一种水和蒸气的混合物
藉由建造温度较低的系统
许多零件突然变得便宜许多
你可以用 没那么精准的光学系统
可以用造价约三分之一的 能源储存系统
便宜多少？
欧唐诺说 线性菲涅尔系统发电厂的造价
可能是内华达太阳能一号的一半
同时也能节省土地
我们镜子的地面利用率很高
因此每英亩的能源更多
镜子离地面很近
所以早上和下午不会投出长影
因此镜子的间隔可以很近
至今尚未出现 大型线性菲涅尔电厂
但澳洲一间实验电厂露出曙光
若这种新科技能解决成本问题
就能让太阳能优于别种能源
若你检视所有选择
地热、风力、太阳能 或海浪发电，随便你选
只有太阳能没有土地问题
没有主要资源问题
以及最重要的，没有成本问题
如今我们要不要真的这么做
只是意愿问题了
在内华达太阳能一号
吉伯科恩和团队 进行得很顺利
安装好最后一批 太阳能场的框架后
电厂进入工程的最后阶段
此时随着工程进入尾声
一辆巨大的36轮拖车 出现在电厂
上头绑着一台45吨的发电厂
这台机器并不高科技
但却是电厂最重要的部件之一
它能将涡轮转动出的机械能
转变成电力
团队必须尽快将它装进电厂里
他们以吊车吊起发电机
小心将它吊至蒸气厂中央
沙漠强风随时可能飙起 让机器摇晃
导致行动失败
两小时后
发电机安全就定位
距离将阳光变成电力 并传送至内华达电力网络
内华达太阳能一号 又前进了一步
但若太阳能科技要真正成为 能源产业的要角
还得面对一项挑战
几乎所有人都赞同 这是太阳能的致命弱点
阳光不会永远照耀
若拉斯维加斯突然只靠 内华达太阳能一号等电厂供电
夜里的日落大道会像这样…
因为太阳能科技 有一致命缺点
日落
没有太阳，没有热能
代表没有电力
燃煤电厂可以全天候燃煤
来产生电力
太阳能电厂 一天只有8到10小时的日照
理论上来说 这个弱点有一个解决之道
解决办法是…
储存能源以待当天稍后使用
问题是电力不用 就会浪费掉
没有任何商业电厂
太阳能、燃煤
天然气或核能
会设计储存电力系统
它们通常产生马上要用的电力
若热能转换和发电机运转 遭到打断
就是全面大停电
缺乏有效的储存系统
太阳能电厂 就无法在夜里运作
但太阳能业界先驱 可能有解决之道
储存热能是有可能的
若科学家找到一种 储存系统和物质
来保留白天搜集的热能
电厂就能在夜里 靠热能制造蒸气
如此的物质正在数千英里外 进行测试
吉伯科恩希望能发展出 革命性的储存科技
最后能在内华达太阳能一号 派上用场
并让电厂整晚持续运作
看起来没什么
但该物质可能会是 太阳能的圣杯
这种物质叫做“熔盐”
这里是国家能源与环境局 或ENEA
位于意大利罗马市郊的 大规模研究机构
20多年来
这里的科学家 一直努力研究太阳能发电
熔盐很类似一般肥料盐
加热时 熔盐会变成不易燃、无毒
且便宜的液体
熔盐还有一个惊人特性
熔盐能加热至约摄氏600度
这种温度会让水蒸发 并导致油爆炸
因为能达到如此高的温度 同时保持稳定
熔盐可以保留足够的热 来整晚制造蒸气
但熔盐有一个缺点 具有潜在毁灭性
它会在非常高的温度
摄氏238度时固化
若无法保持足够的热度
盐会硬化并阻塞电厂管子
避免固化的唯一方法
是让熔盐保持高温且流动
这在夜里或机器故障时
可能变得棘手
ENEA正在进行实验 来解决这个问题
他们的目标
以太阳能集热器加热熔盐 避免固化
然后在镜子停止集热后
看液体能保留高温多久
一台电暖气将熔盐融化成液体
接着工程师将液体抽入
类似内华达太阳能一号的 集热管
镜子将阳光集中到集热管
将阳光能量转换到 里头的熔盐上
仅仅循环数分钟后
液体到达摄氏480度
对集光型太阳能电厂 是很高的温度
一个特制、隔热的不锈钢槽 储存熔盐
工程师接着转开阳光反射镜 以模拟黑夜
技师每小时读取数据
确保温度绝不低于摄氏238度
若温度过低 熔盐会在管内固化
对整个电厂造成大破坏
团队读取槽内的熔盐温度
温度完全未降低 熔盐也没固化
很令人振奋的结果
太阳能界已追踪 ENEA的实验多年
虽然离成功还有一段距离
但熔盐有可能成为 业界期待已久的解答
他们只需以足够的能量 让熔盐整晚保持熔融状
因此你必须让温度升高
有一个集团已开始 在现实世界中使用熔盐
有些人说他们将 集光型太阳能发电
带到新的高度
70米高
这是阿美里亚太阳能塔 或PSA
建在西班牙塔贝纳斯沙漠中央
这里是欧洲最大的 集光型太阳能发电研究所
主建筑是38层楼的 混凝土高塔
300面太阳能板或定日镜
围成半圆形面对主建筑
其任务之一是 进行能源塔科技相关实验
这种科技可能会产生 比其他CSP方式更高的温度
在20世纪70和80年代 加州一个实验机构证实
使用熔盐的能源塔行得通
科学家发现熔盐和能源塔
能非常可靠地提供太阳能发电
西班牙研究员现在要实验 熔盐保留热度的能力
PSA科学家要使用塔内的熔盐
储存热能15小时
若实验成功 这种技术能被用来建造
全球第一座 使用熔盐的商业能源塔
工程师将数白面镜子 对准高处的接收器
流经接收器后
加热的盐被放在特制隔热槽里
虽然塔能轻易达到更高的温度
今天实验团队的目标是 摄氏400度
但此时他们尚未达成目标
熔盐在摄氏约378度附近徘徊
若温度过低
熔盐会固化并阻塞管子
工程师必须重新让镜子聚集 以增加热能
若动作太慢
集中的阳光可能会在 实验接收器上烧出一个洞
但有个问题在减慢加热过程
为了找出问题 工程师检查整个程序
数分钟后，他们找到 导致加热减慢的原因
风正在摇晃定日镜
导致镜子轻微晃动
虽然镜子应该能抵挡高风速
强风仍可能导致镜子失焦
并降低能量
但下午三、四点时 风平息下来
定日镜很稳定
接收器上的聚焦也稳定下来
槽内的熔盐 达到惊人的摄氏565度
工程师相信如今他们能 建造一座商业能源塔
每面镜子生产的能源 将高于槽型电厂
而藉由使用熔盐
日落后电厂还能生产 12到15小时的蒸气
但能源塔尚未完全成功
一般认为这种技术
仍比内华达太阳能一号使用的 既有槽型系统更危险
全球第一座大型商业能源塔
2007年在西班牙正式启用
如今投资者在对这种技术 投入大笔金额前
要先等着看能源塔的获利能力
全球各地这些原型计划
正在决定太阳能发电的未来
但在内华达州沙漠
吉伯科恩团队希望能让大众
更早享用到太阳能科技
他们终于准备好面对 这1.3亿英镑的一刻
莫哈未沙漠早上8点
温度上升至酷热的摄氏49度
工人在此破土动工 至今已16个月了
而今天，他们将完成 内华达太阳能一号电厂
其太阳能场
和控制室的最后部分
对内华达太阳能一号来说 未来已降临
吉伯科恩和团队 将试图实际运营电厂
并首度供应电力 到内华达电力网络
内华达太阳能一号 若要通过测试
至少必须生产1800万瓦电力 达成电力网络的规定
他们需要高温才能成功
在晴朗的天空下
科恩团队准备好展开测试
首先，控制员让所有镜子 对准太阳
当集热管内的温度逐渐升高
合成油开始加热
科恩团队每分钟监控温度一次
到了早上10点 油温达到摄氏330度
团队即将开始制造蒸气
涡轮开始转动
数分钟后 发电机开始产生大量电力
但科恩至少需要1800万瓦
电表数字缓慢上升
他们成功了
2200万瓦的电力
以一个简单的电脑指令
控制员将电力 从发电机传送到变电所
然后送到内华达电力网络
电力突然传送到输电线
数分钟后，电力在网络中穿梭
并供电给拉斯维加斯地区的 灯光和空调设备
对吉伯科恩 和其他CSP先驱来说
这一刻只有两个字能形容
漂亮
这也让科恩和太阳能产业 回到原点
70和80年代
集光型太阳能科技 几乎就要解决全球能源问题
但之后20年又几乎消失无踪
如今这新电厂生产电力时 不会排放温室气体
且即将赚钱
内华达太阳能一号产能全开时
能供电给拉斯维加斯地区 超过1.3万个家庭
但吉伯科恩相信
内华达太阳能一号 一旦证明其价值
整个计划的规模就可能提升
下一步是加大规模
大规模发电厂
这间规模很迷你
这里占地400英亩 看似很大
你看到数千面镜子
但这种科技 是为大规模使用而设计
占地更广大的电厂
然后太阳能将成为 真正的要角
若内华达太阳能一号的规模 大幅增加
最后产生的电力可能足以点亮 几乎整个拉斯维加斯
而若储热技术变得可行
也许这巨大的霓虹灯绿洲
将以太阳能点亮一整晚
太阳能发电能否 终将被广为接受仍是未知数
怀疑者认为只要起始造价仍高 就不可能
但有些人认为 他们少算了一个元素
我们的燃料来源就在这里
我们从第一天就 付清所有东西
我们第一天就付了 所有燃料费
之后都不必再付
没有远见的人
可以永远用那种借口
当你建造像这样的电厂
必须想到你已买下 接下来30年的能源
若太阳能发电真的成功
有些人认为 它有改革能源产业的能力
以内华达州一成的联邦土地
就能生产全美国所需的电力
亚利桑那州可用的土地
是为全美国供电 所需土地的六倍
唯一的问题是要愿意这么做
革命尚未成功
但新科技即将让太阳能电厂 遍及各地
若在商业上获得成功
太阳能发电不只能跟 化石燃料电厂竞争
还可能在不久的将来取而代之
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