《驯服太阳》 田牧歌解读

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你好，欢迎每天听本书，今天要为你解读的书是《驯服太阳》，它的副标题是“太阳能领域正在爆发的新能源革命”。

近几年，你很可能经常听到两个热词：“碳达峰”和“碳中和”。中国政府提出，中国的二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，实现碳达峰；同时，力争在2060年前，排放的二氧化碳被植树造林、节能减排等形式抵消，实现碳中和。

实现这两个目标，归根到底是保护环境的必然要求。目前，人类对石油和煤炭等化石燃料的依赖程度依然非常高。虽然这些化石燃料是推动经济发展社会进步的血液，但燃烧化石燃料会释放出大量二氧化碳，会引发温室效应，并最终导致一系列严重的气候问题。因此，为了人类的未来，控制碳排放，实现碳达峰和碳中和势在必行。不过，我们对能源的需求却不可能减少，那该如何解决这种矛盾呢？答案相信你已经猜到了，那就是大力发展以太阳能为代表的新能源。

实际上，我们已经在朝着这个方向努力。随着太阳能技术的不断成熟，它在我们日常生活中的应用也越来越广泛，比如现在很多农村地区，都已经开始在屋顶和山坡大规模铺设太阳能电池，昔日的尖端技术正在走进千家万户。不过，虽然产业前景一片良好，但太阳能在普及推广的路上，还面临着很多实际困难。比如最简单的，太阳只在白天出来，如果未来大规模推广太阳能，那晚上的电力缺口该怎么弥补？由此造成的电力输出波动、发电成本上升等问题，又该如何应对？

这些问题事关我们每个人未来的切身生活，而问题的答案就在今天这本《驯服太阳》里。本书从多个角度，为我们展示了太阳能产业的全景，既有商业前景分析，又有技术层面的讨论；既有历史中的沿袭、应用上的潜力，又有问题剖析与对策提供。

这种全面视角与作者的个人背景密不可分。本书作者瓦伦·西瓦拉姆是一名物理学家，哥伦比亚大学全球能源政策中心的高级研究员，主要研究清洁能源技术、气候变化与可持续城市化。同时，他还是一名企业家，曾在印度最大的可再生能源公司ReNew Power担任首席技术官。西瓦拉姆曾被《时代》杂志评为“接下来100年全球最具影响力的100人”之一，在太阳能行业颇受赞誉。物理学家和企业家的双重身份，让西瓦拉姆在这本书里，没有局限于太阳能技术的科普，而是在更高的层次上，讨论了整个产业的发展。

那么接下来，我就通过三个部分，来为你介绍这本书的内容。第一，从古至今，人类是怎样利用太阳能的？第二，在未来，太阳能又有怎样的优势和发展前景？第三，太阳能产业面临着哪些困境，又有哪些应对方案？

我们先聊聊，从古至今，人类是怎样利用太阳能的？

作者在书里说，我们中国人和太阳能打交道的历史其实非常悠久。3000多年前，中国人就开始使用一种叫“阳燧”的工具，就是一面用铜或者铜合金制作的凹面镜，可以用它来聚光生火。

到公元前7世纪，我们的祖先又开创了太阳能建筑的先河。这类建筑的特点是坐北朝南，冬天可以接收来自太阳的光和热，夏天屋顶的屋檐则可以阻挡正午的阳光，以避免高温。在此之后，人类又陆续开发了太阳能的多种应用，比如，在商业上大获成功的太阳能热水器。近几十年来，太阳能发电技术突飞猛进，它已经被人们视为太阳能未来发展的主流方向，而这也是本书讲述的重点。

太阳能发电的历史始于1839年，当时，法国物理学家埃德蒙·贝克雷尔发现了光伏效应。他把氯化银浸入酸性溶液中，提供光照，并将其连接到两个电极上，意外地发现两个电极之间会产生电压，这是人类第一次窥见光照与发电之间的关系。40年后的1879年，英国工程师威洛比·史密斯发现，由元素硒（xī）制成的半导体材料，在光照下的导电性会增强，在黑暗中的导电性会减弱，具有发电的潜能；1884年，美国发明家查尔斯·弗里茨在这个发现的基础之上，用硒材料制造出了第一块太阳能电池，也就是光伏电池。

听到这儿，你可能会好奇，为什么半导体材料受到光照能发电呢？这个谜题困扰了学界很长时间，最终在爱因斯坦手里才得以解开。简单来说就是，光就是通过这个原理来发电的，不过掌握原理与实际应用之间，还存在着很大距离。最早的硒光伏，光电转换效率非常低，只能把约0.5%的太阳能转换成电能，也就是说电池效率只有0.5%，显然还不具备多少实际应用价值。为了实现对太阳能的商业化应用，科学家们在提升电池效率方面付出了巨大的努力。

1953年，美国贝尔实验室的三位研究员，合作建造了世界上第一个由半导体硅制成的太阳能电池。尽管这个电池的效率只有2.3%，但也已经完胜以往的硒电池了。第二年，他们又在最初尝试的基础上，把效率提高到了6%；如今经过几十年发展，硅电池的效率已经提高到26%，有了巨大的进步。

电池效率不断提高，政府推动也必不可少。在普及太阳能的道路上，先后有多个国家在政府的推动下成为行业的引领者。第一个引领者是美国，硅电池技术正是在美国的主导下诞生和发展的。美国政府也曾十分重视太阳能产业，不过，美国对太阳能产业的投入，总是随着国际油价的波动而变化。往往是油价一上涨，就提高对太阳能产业的投入，油价下降时又会缩减。所以，虽然在20世纪80年代，美国太阳能产业占据了全球市场的85%，但这一优势没能延续下去；到90年代，随着美国对太阳能产业支持程度的缩水，日本和德国趁机成为行业的引领者，培养出了三洋、夏普、西门子等多个太阳能行业的领军企业，把全行业的规模扩展到了数十亿美元的水平。

接下来，真正大规模推广太阳能、让太阳能变得平民化的引领者是中国。2005年时，中国在太阳能产业中还只是一个小角色，但在接下来的5年里，中国出台了一系列政策，大力支持太阳能产业的扩张。在此之后，中国企业生产了全球一半的光伏，同时还大幅拉低了制造成本。光伏的原材料多晶硅，在2008年时每公斤还卖400多美元，可到了2010年，价格就已经下降到50多美元。

市场的大洗牌，最终结局是中国成为全球最大的光伏生产国和消费国。目前，全球太阳能产业已经基本成熟，行业结构也基本稳定，人类利用太阳能的历史进入全新篇章。

回顾完历史，接下来让我们看看未来，一起聊聊，未来太阳能又有怎样的优势和发展前景？

控制气候变暖是全人类的必答题，而要想控制二氧化碳等温室气体的排放，就必须发展替代化石能源的各类新能源。这些新的能源形式包括但不限于核能、风能、水能、太阳能，等等。既然选项这么多，我们为什么要大力发展太阳能呢？又或者说，在这些选项中，太阳能有什么优势呢？

其实，太阳能的优势非常明显。首先，太阳能取之不尽，用之不竭。太阳每秒钟产生的能量中，只有二十亿分之一会以阳光的形式到达地球，但即使是这么小的比例，这些阳光所携带的能量，也已经是人类所需能量的1万倍以上。作者计算过，要满足美国的全部电力需求，只需要把得克萨斯州土地面积的1%拿来铺设光伏就行，所以使用太阳能，我们完全不需要考虑这种能源够不够用的问题。

其次，太阳能非常环保且安全。在上世纪，核能曾被人们寄予厚望，发展速度一度非常之快，但经过几次严重的核泄漏事故后，人们对核能的担忧情绪开始愈发强烈。目前在全球范围内，很多国家已经在逐步放弃核电，最明显的表现是，核电的发电量在1996年就达到世界总发电量的17.6%，但从那之后，这个数字就一直在下降，到2016年就只剩下10%了。核电的逐渐掉队有多方面原因，但最重要的原因还是人们对核电安全和环保方面的担忧。相比之下，太阳能发电对环境的损害程度非常小，因而，很少受到环保和政治方面的阻力。

此外，太阳能对气候和地理的要求相对较低。你想想啊，核电站大多需要建造在海边，水电站需要有河流经过，风力发电站需要当地常年刮大风，它们都对一个地区的气候和地理环境有着比较高的要求。相比之下，地球表面的几乎所有地方都有阳光，虽然光照量有多有少，但只要有阳光，就有通过太阳能发电的可行性。

太阳能的另外一大优势是，它能形成微型电网，与大型电网构成互补关系，造福更多受众。中国的电网建设十分完善，所以我们的切身体会可能不明显，但世界上其实仍有10亿多人无法获得电力供应，还有更多人的电力供应时断时续，很不稳定。这些人口主要分布在撒哈拉以南非洲和南亚地区，这些地方往往战乱频发、经济落后，要想满足当地人的电力需求，没法指望当地政府建设大规模电网。这时候，由光伏主导的微型电网，就成了一个更现实的选择。虽然没有大规模电网那么稳定，但这种微型电网可以以较低成本向极端偏远的地区供电，也可以在大规模电网向偏远地区铺设的过渡期，作为一种临时的解决方案。对于那些已经建立起成熟电网的地区，微型电网还可以作为灾难来临时的一个后备电源，保障局部地区的临时供电。

你看，太阳能的优势其实真不少，它取之不尽，用之不竭，对环境友好，对气候和地理的要求相对较低，还能满足落后偏远地区的电力需求、提供电网故障时的备份方案。这些因素综合起来，让太阳能有资格成为人类未来的主流能源。既然如此，它的发展前景又是怎样的呢？

在2016年之前的20年，全球光伏年产量一直以每年约40%的速度增长。带来的结果是，如今太阳能发电量，已经能满足全球2%以上的电力需求。而且，光伏累计产量每增加一倍，其制造成本就会下降约20%。良好的发展势头和逐渐下降的成本，都为太阳能产业提供了良好的发展前景。

更重要的是，太阳能在未来势必扮演更重要的角色。作者估计，到2050年，要想把全球变暖的幅度限制在2℃以内，就需要确保太阳能在电力结构中的所占份额超过1/3。这个比例与德国订下的21世纪中叶目标基本一致，而2016年德国的太阳能发电量，只占总发电量的约7%。你看，就算是对德国这样的发达国家来说，太阳能普及率还要提高4倍多，而对世界平均水平而言，普及率更是要从2%提升到30%。这个宏伟的目标既意味着挑战，同时也给太阳能行业带来了光明的发展前景。

太阳能优势众多、前景光明，但要想成为未来的主流能源，仍然有很长的路要走。接下来的第三部分，我们就聊聊太阳能产业都面临着哪些困境，又有什么应对方案。

很明显，太阳能发电的最大局限，是只有在阳光照射时才能发电。而一天之中有白天有黑夜，有晴天有阴天，就算是晴朗的白天，又分为阳光最强烈的中午和光照强度较弱的早上和傍晚，所以，太阳能发电的功率，总是会随着时间和气候的变化而波动，一系列困境也就随之产生。

第一个困境是太阳能的电力输出很不稳定。要想提高太阳能的利用率，就必须扩大太阳能的总装机量，但矛盾的是，装机量越大，太阳能输出功率的波动就越大。晴朗的中午发电功率可以达到峰值，但晚上就会缩小到零；如果出现不稳定的天气现象，比如云层遮盖，可能上一分钟太阳能还在满功率发电，下一分钟发电功率就会大幅下降。

以德国为例，2016年德国的光伏满功率发电时，可以满足全国25%的电力需求，但与其他时间段一平均，太阳能发电量就只占总发电量的7%了。25%和7%之间的差距，足以体现太阳能电力输出的不稳定。假如未来要实现太阳能发电占比1/3的目标，就很可能意味着中午时分，太阳能发的电可以满足社会的全部需求，但到晚上，则需要完全依赖其他的发电形式。

这也引发了第二个困境，那就是太阳能的价值通缩。意思是，随着太阳能普及率的提高，太阳能为电网提供的经济价值就会不断缩水。有测算表明，当一个电网15%的电力来自太阳能发电时，太阳能的经济价值就会比最初下降一半以上。这是因为，为了配合太阳能发电，电网需要接入多种其他发电系统，这些系统本身就会带来更多建设成本；而且，电网中接入的光伏越多，需要其他发电系统调节的波动范围就越大，这就进一步增加了电力系统的整体维护成本。所以结果就是，太阳能占比越大，电网的综合成本就越高，太阳能的经济价值自然也就越低。

与此同时，第三个困境也随之出现，那就是电力系统的可靠性会下降。为了配合太阳能发电，其他发电系统白天都需要一定程度的闲置，直到傍晚再提高运行功率，而维持系统待机不仅需要大量成本，发电机每天的重复启停，也会增加设备的损耗和故障率。同时，因为太阳能的发电功率不可控，如果过多的光伏接入电网，也会增加电网负担，可能造成线路过载。比如，靠近德国的匈牙利、波兰和捷克等国就曾抱怨，天气特别好的时候，德国经常把过剩的太阳能电力分流到自己国家，这种行为损害了这些国家电网的稳定性，提高了故障发生的可能。

以上这些困境，都阻碍了太阳能产业的进一步发展。最明显的表现是，世界太阳能发电份额最大的5个国家中，有4个国家在达到5%至10%后，就停止了进一步上升。

那么，面对这些困境，太阳能产业又该如何破局呢？本书作者认为，应该在商业创新、技术创新和系统创新三个方面发力，让我们逐一了解一下。

首先是商业创新。资金问题往往就是最大的问题，只要有足够的财力，很多困境就容易克服，所以，太阳能领域的商业创新必不可少。根据预测，要想把全球变暖控制在2℃以内，那截至2040年，全球还需要2.5万亿美元的额外投资，这么多钱从哪儿来？光靠太阳能公司自己投资是远远不够的，作者认为，商业领域的创新可以助力解决资金方面的问题。

比如，可以把太阳能资产进行证券化，也就是把一系列太阳能建设项目打包成一家上市公司，通过出售这家公司的股票来筹集资金，从而进一步投资更多项目，这就为太阳能产业提供了不断扩大的资金池。而且，把多个项目打包，还能有效降低项目的整体风险，就算某些项目失败了，也不会对整体收益产生太大影响。目前在美国等国家，太阳能领域的商业创新已经有不少成功案例。

作者提到的第二种创新是技术创新，这方面我们详细说说。目前，硅电池是行业的技术主流，经过半个多世纪的发展，硅电池的效率目前已经达到26%。科学家们预测，理论的最高效率是29%。听到这儿你可能会觉得，硅电池都发展这么长时间了，为什么效率还是这么低呢？这其实和光伏的发电原理有关。

我们刚才说过，太阳能发电的本质，其实就是把光子的能量传递到电子上，从而形成电流。理论上，如果光子把能量都转移到电子上，那发电效率就是100%，可实际情况却远没有这么理想。因为要让一个电子从原子里挣脱，那它获得的能量需要超过一个特定的阈值。如果光子的能量低于这个阈值，电子跑不出来，就无法形成电流；而如果光子的能量大于这个阈值，电子也只能吸收这么多的能量，多余的能量就会以热能的形式浪费掉。而且，如果硅电池里的硅晶体不够完美，有缺陷或者有杂质，就会阻碍电子的流动，不同电池之间的接口缺陷，也会阻止部分电子到达外部电路，这些因素都会造成能量上的损耗。

所以，在现有的硅电池技术下，能达到26%的效率，其实已经相当不容易了。想进一步提高效率也可以，比如提高电池里硅晶体的纯度，但制造成本也会大幅上升，这在商业上是难以接受的。当然，除了硅以外，科学家们还开发了很多种用其他材料制成的太阳能电池，但这些新型电池，要么成本更高，要么效率更低，都很难在未来真正替代硅电池。

相比之下，最有希望获得突破的技术是钙钛矿电池。这种电池有很多优点，比如它能自发形成近乎完美的晶体，制造起来相对简单；还能制作柔性电池，比坚硬脆弱的硅电池应用范围广得多；最重要的是，钙钛矿电池的理论效率很高，也就是说理论上，这种可以多层半导体叠加的电池，单层最大效率就能达到33%，叠加三层之后可以达到50%，远高于目前硅电池的实际效率，前景相当光明。

不过，面对太阳能行业的困境，光提升电池效率并不够，我们还需要开发更先进的能量存储技术。在太阳能输出功率高时，把多余电力转换为容易存储的其他能源形式，并在输出功率下降时释放出来，作为对电力缺口的弥补。在这里，光靠现有的锂电池来存储电力是远远不够的，不仅成本过于高昂，而且，难以实现大规模长时间的存储。

作者提出，利用阳光生产氢气就是一种不错的思路，通过太阳能产生的多余电力，可以把水分子分解成氧气和作为清洁能源的氢气，这其实就相当于以另一种方式把太阳能储存了起来。更先进的电池和更完善的储能策略，可以大幅减少太阳能的输出波动，提升其使用价值和可靠性。

作者提到的最后一种创新是系统创新。顾名思义，就是在整个电网的系统层面进行创新。虽然，一个地方有黑夜有白天，但阳光总会照在地球的某些地方，如果我们扩大电网的规模，使其覆盖非常大的地理范围，就可以让整个电网中总有一部分光伏处于发电状态，从而在一定程度上抵消昼夜和天气变化带来的发电波动。理论上，如果把世界各国的电网都连接起来，打造一个全球超级电网，让光伏遍布世界各地，那太阳能的各种困境就能从根子上得到彻底解决。当然，考虑到技术和政治问题，目前超级电网还只算是一个愿景，目前阶段性的努力方向，是先尝试连通邻国之间的局域性电网。

除了扩大规模以外，系统创新还包括提升电网系统的智能化水平，通过借助更智能的算法实时调整电网的总体供需。比如，当过剩的太阳能充斥电网时，算法可以通知某些工业用电大户提高用电量，把这些能源消耗掉，或者控制每家每户智能电器的状态，使其以最合适的功率运行，并提前把电池充满电，等等。微软公司现在已经有了这方面的尝试，因为互联网公司的数据中心往往耗电量极大，而很多数据操作的时间段是可以灵活安排的，所以，微软现在就在通过机器算法，借助过去的记录，和现在的天气数据，预测光伏的实时发电量，从而调整数据中心的运作水平，以最高效的方式利用太阳能。

在系统创新方面，作者还提出了一个很有趣的思路，那就是通过万物互联，巧妙地调动系统中的现有设备来存储电力。我们刚才说了，虽然锂电池的成本太高，不适合长期大规模存储电力，但随着电动汽车的普及，这些汽车内部的大容量电池，也可以作为平衡电网的重要组成部分，通过实时调整充电功率，适当对电网进行充电放电等操作，实现对太阳能的更合理利用。

好，说到这，这本书的精华内容就讲得差不多了，我们简单总结一下。

太阳能有很多优点，比如不用担心能源枯竭、安全环保、方便为偏远落后地区供电，等等。科学家们估计，为了控制气候变暖，到本世纪中叶，太阳能要满足人类多达1/3的电力需求，而今天太阳能发电量只占世界总发电量的2%。对太阳能行业来说，从2%到30%，这既是一个目标、一个挑战，更是一个机遇、一个前景。

不过，太阳能也有自己的局限，那就是只有在阳光下才能发电，这就造成了电力输出不稳定、价值通缩、可靠性不高等一系列困境。为了解决这些问题，作者提出，未来我们应该在商业创新、技术创新和系统创新这三个方面努力，利用更多元的渠道融资，开发更高效的发电技术和储能技术，扩大电网规模、提升电网的智能化和协同化水平，通过源源不断的创新让太阳能更好地造福人类。

最后，我还想通过太阳能的例子，和你分享一些辩证看待创新的思考。今天，太阳能产业并不缺乏创新。比如，多晶硅生产商，在研发新技术提高硅晶体的纯度；晶圆制造商，在使用新工艺减少对原材料的浪费；电池制造商，也在开发新流程，不断压缩硅电池的制造成本。种种这些创新，都在一定程度上推进了产业链的发展，但问题是，硅电池效率的理论极限已经能一眼看到头了，这时候再投入大量资源，在硅电池领域进行小修小补式创新，真的划算吗？

对于研发机构来说，在已有路径上继续创新，确实更能看见短期收益，也更加稳妥，但这种创新很可能会逐渐锁定现有的技术路线，占据本就不富裕的研发资源，堵死可能更加优越的其他潜在路径。

我们当然需要创新，但并不是所有创新都符合我们的长期利益。比如，相比于在硅电池领域的小幅创新，我们可能更需要太阳能电池材料、太阳能储存和电网智能化方面的颠覆性创新。颠覆性创新的代价当然很大，它往往意味着更大规模的投入、更大概率的失败，但不破不立，它对整个行业和人类未来的影响势必也更加深远，因此，不管是太阳能还是其他领域，我们都不能只满足于小修小补式创新，颠覆性创新永远是必不可少的。

好，以上就是这本书的精华内容。这本书的全版电子书，已经附在文稿末尾，欢迎你去读一读。你可以点击音频下方的“文稿”查看全文和脑图，你还可以点击红包按钮，把这本书免费分享给你的朋友。恭喜你，又听完了一本书！

划重点

1. 光的发电原理：光线中含有一个个微小的光子，光子携带能量，当光子到达半导体的表面时，它能把自身携带的能量转移到半导体表面原子的核外电子上。这些电子获得了能量，就可以脱离原来的运行轨道，变成可以自由移动的电子。当这种自由电子的数量足够多的时候，电流就产生了。

2. 太阳每秒钟产生的能量中，只有二十亿分之一会以阳光的形式到达地球，但即使是这么小的比例，这些阳光所携带的能量，也已经是人类所需能量的1万倍以上。

3. 面对太阳能行业的困境，光提升电池效率并不够，我们还需要开发更先进的能量存储技术。在太阳能输出功率高时，把多余电力转换为容易存储的其他能源形式，并在输出功率下降时释放出来，作为对电力缺口的弥补。