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造福穷人的太阳能:事实与数字

太阳能可能有助于减轻农村的贫困。David J. Grimshaw Sian Lewis阐述了它的进展、潜力和隐患。

增加能源的获取是确保世界上最贫穷的国家的社会经济发展的关键。

发展中国家估计约15亿人用不上电,其中80%以上生活在撒哈拉以南非洲或南亚。[1]

这个问题在偏远地区最严重:生活在撒哈拉以南非洲农村的89%的人的生活缺少电力,这是城市地区无电人群比例(46%)的2倍以上。[1]对于这些人,即便获取少量的电力也可以带来农业生产力、卫生、教育、通讯和获取清洁的水等方面的能挽救生命的改善。

拓展发展中国家的电力获取的选项倾向于把重点放在扩大电网,从而增加石油、天然气和煤等化石燃料产生的中心化的能源。但是这种方法几乎不能造福农村的穷人。在这些地区拓展电网可能无法实现或者过于昂贵。

这种策略也无法帮助应对气候变化。发电已经造成了全球温室气体排放的26%,尽管这大部分来自发达国家,到2030年,发展中国家每年预计将比发达国家多使用70%的能源。[2]

因此明显需要一些造福穷人的低碳方法,从而改善发展中国家对电力的获取,而太阳能可能是解决方案之一。

转向太阳能

地球每小时接受的太阳能比全世界人口全年消费的还多。

几乎所有的发展中国家都有巨大的太阳能潜力——例如,大多数非洲国家每年有大约325个强日照日,平均每天每平方米可以提供6千瓦时以上的能量 (见图1)。德国和约旦公司合作建立的Desertec基金会估计,把全世界沙漠的仅仅1%覆盖上太阳能板就能提供全世界所需的能源。[3]

图1:太阳能潜力的世界地图(以千瓦时/平方米/天为单位的日照)(来源:Hugh Ahlenius, PNUE / GRID-Arendal Maps and Graphics Library).

然而,获得太阳能最多的国家常常也是最无法利用它的国家,这是由于缺乏利用太阳能并把它转化成电能的知识和能力。

技术

利用太阳能有两种方式:收集它的热(太阳能光热)或把它的光转化成电(光伏发电)。

太阳能光热装置利用"收集器"(包括从屋顶上的平板到太阳能发电厂使用的抛物线碟、太阳能塔或太阳金字塔)吸收阳光并产生热。

可以简单地利用太阳能热装置取暖或冷却,但是它们也适合于把作物烘干、为水杀菌或做饭(见 表1)。聚光太阳能系统(CSP)利用透镜或反射镜和追踪系统把大片阳光聚焦成一小束, 它也可以用于发电。聚集的阳光把水加热,从而产生推动涡轮的蒸汽,而涡轮与发电机相连。

太阳能光伏发电系统(PV)使用连接在一起形成"组件"(太阳能板)的太阳能电池,从而把光转化成电。它们包括从让计算器工作的几小片电池到由成千上万的太阳能板组成的大型太阳能电站。

超过90%的PV系统是建立在硅材料的基础上的。与电网相连的PV系统包括了把太阳能板产生的直流(DC)电变换成电网使用的交流电(AC)的逆变器。

没有接入电网的PV系统可能也包括了逆变器,但是还需要电池从而储存剩余的能量,而且还需要充电控制器从而防止电池过充电。

目前,太阳能光热系统把热转换成电的效率大约是30%——相比之下PV系统的效率只有大约15%。但是从长远看来,开发PV系统的新材料——诸如聚合物和纳米颗粒——应该会增加它们的效率。

提升兴趣

太阳能热或PV都不是新技术,但是它们并没有被广泛用于发电,因为与碳基能源相比,它们仍然相对较贵。

国际能源署计算出,在2007年,太阳能PV和太阳能热对全球发电量的贡献不到0.2%

然而,随着化石燃料的价格上涨、人们越来越担心它们的供应(一些分析家提出我们可能最早在2025年就用完石油),以及人们越来越认识到化石燃料在气候变化方面的角色,市场环境将越来越偏爱太阳能。政府的补贴也可能有助于鼓励太阳能的成长。

无疑,在过去的5年中对太阳能的兴趣已经急剧增长。2008年对太阳能的新投资总额是335亿美元——与2004年6亿美元的投资相比,复合年 增长率是172%。[5]太阳能光伏发电能力同样也有了令人印象深刻的增长,在2004年到2008年期间增长到了原来的6倍,达到了16吉瓦时以上(见 图2)。[6]

图2:1995-2008年的全球太阳能光伏发电能力。 来源:21世纪可再生能源政策网络[6]

随着技术的改善、产品生产规模的扩大和成本的降低,对太阳能的兴趣将进一步增加。太阳能经济的目标就是实现与电网的同价,即未经补贴的太阳能成本等同或低于传统电网的成本。

管理咨询公司麦肯锡公司的一项分析预测说,"到2020年,至少有10个光照强烈的地区将实现电网同价"。[7]但是这些地区几乎可以肯定是在意大利、日本、西班牙和美国等发达国家的内部。

而对于发展中国家,即便实现了电网同价,仍然需要离网的解决方案,从而为偏远社区提供能源。

尽管和大规模电网连接的太阳能系统的成本将随着太阳能板价格的下降而下降,更小的离网系统不太可能出现类似的成本降低,这部分是由于电池的价格仍然很高。

电池可能占一个离网太阳能系统成本的至多40%。而且替换电池还有额外的费用,因为电池的寿命不太可能和太阳能板一样长。

电器的效率也对离网太阳能系统的供电成本有巨大的影响。例如,一位有把PV系统引入发展中国家的经验的德国工程师估计,如果一个村庄能分别安装节能灯和新型的冰箱和电脑,那么向村庄供应离网太阳能电力的成本可能从3.5万美元降低到仅8300美元。[8]

家庭太阳能系统

最常见的农村环境下使用的太阳能光伏发电系统是家庭太阳能系统,它由太阳能板、与之相连的电池和充电控制器组成。它通常包括了至少一盏灯和供其他电器(如收音机、电视机或移动电话充电器)使用的插座(见 图3)。

图3:太阳能家庭系统组件。来源:Household Energy Network

到2007年,发展中国家的超过250万家庭已经通过太阳能获得电力供应。[9]

太阳能家庭系统的增长在亚洲特别强劲——特别是在孟加拉国、中国和印度——在亚洲,小额信贷项目或政府和捐助者的支持已经推动了太阳能的获取。 在2008年,世界银行批准了孟加拉国的两个项目,从而安装130万套太阳能家庭系统。而于2008年中期结束的中国可再生能源发展项目已经为中国西北部 安装了40多万套太阳能家庭系统。[6]

在非洲,太阳能家庭系统的增长更慢。但是截至2007年,非洲仍然有超过50万套太阳能家庭系统在使用中,其中半数以上在肯尼亚和南非。[9]这两国之外的非洲农村的大多数项目相对较小。

例如,Zara Solar Ltd是一个向坦桑尼亚农村社区出售太阳能光伏发电系统的小型太阳能企业。由当地一位企业家创立的这家公司获得了包括世界银行、Lighting Africa、Ashden可持续能源奖等捐助者的支持,而且已经在坦桑尼亚北部安装了4000多套太阳能系统。

尽管存在较高的资本支出和持续的电池成本和维护成本,离网太阳能系统可以节省资金。如果有合适的融资机制,Zara Solar Ltd的顾客可以在不到两年的时间里收回太阳能家庭系统的成本。

太阳能系统还能为学校或乡村卫生诊所等公共建筑提供电力。例如,Solar Electric Light Fund支持安装太阳能-内燃机混合系统(90%以上的电能来自太阳能)从而为包括布隆迪、莱索托、卢旺达和2010年首都太子港刚刚遭遇特大地震的海地等国的卫生诊所供电。

晚间的灯

在许多情况下,优质而清洁的灯只需要很少的电能,而且成本很低,但是可以为生活质量带来很大的改善。

大多数非洲、亚洲和拉丁美洲的村庄的照明依赖于煤油灯和蜡烛。每年每户在这样的照明上的开支是40到80美元,而且它们释放出了污染物,造成严重的健康风险,包括呼吸系统或眼感染、肾脏和肝脏问题,而且还导致了致人死亡的家庭火灾。

太阳能灯提供了一种更加安全、更加廉价的替代品。印度的NEST Ltd公司制造小巧实用的太阳能灯,每只成本只有35美元。它们可以在一到两年的时间里用节省煤油的钱分期付款购买。印度安得拉邦和马哈拉施特拉邦的10万多户家庭使用了NEST的太阳能灯,每年减少了2万吨二氧化碳排放。[10]

太阳能灯是煤油灯的安全而廉价的替代方案

SELCO/Ashden Awards for Sustainable Energy

去年,IEEE Spectrum杂志报道了丹麦Risø可持续能源国家实验室开发出了一种"可能挽救生命的灯",它采用了发光二极管(LEDs)、光伏电池和超薄锂电 池。[11]它是一种柔性光伏电池片,当你把它的两角夹在一起的时候它就会发出能看书的光线。这种灯的原型的成本是27美元,寿命是大约1年。这个开发组 相信成本可以降低到7美元——如果他们把生产外包给中国,或许还能再降低一半——这可以为当地居民提供成本和健康方面的显著优势。

事实上,太阳能正在越来越多地用于一大批离网应用中。(见 表1)

应用

技术

工作原理

收益

例子

太阳能疫苗冰箱

光伏电池板+铅酸蓄电池

太阳能板为冰箱提供能量;电池储存能量,确保持续运行

.减少对有害的煤油的依赖;延长疫苗保存期

KXN Nigeria Ltd在尼日利亚北部安装了超过189台太阳能疫苗冰箱

太阳能净水(SODIS)

阳光+塑料PET(聚对苯二甲酸乙二酯)

暴露在太阳光紫外线下可以杀死病原体和细菌

提供清洁的水源,减少水传播疾病

亚洲超过140万人使用SODIS;拉丁美洲36万人使用它;非洲超过34万人使用它

太阳能巴氏消毒

太阳灶(见下表)+水巴氏消毒指示计(WAPIs)

太阳灶把水加热,WAPI(含有在65摄氏度熔化的蜡的小管/胶囊,在这个温度上病毒和细菌会被杀死)指示了水什么时候才能安全地饮用。

节省燃料;减少水传播疾病。

卫生教育与农业发展投资公司(AHEAD)已经为肯尼亚的10万多人提供了太阳能巴氏消毒装置。

太阳能水泵

太阳能板+电机

太阳能板驱动电机,后者带动水泵把水压入水库/水箱

为民用或灌溉供水;节省劳动力

全世界有超过10万个太阳能水泵正在使用[12];贝宁的研究表明滴灌太阳能泵能改善食物种类和收入[13]。

太阳能食品干燥器

箱子上装有玻璃盖和通风口+网架

食品放在网架上,太阳把箱子加热从而干燥食品。

减少化石燃料的使用;减少污染;减少收获后的损失。

乌干达的Fruits of the Nile从小农手里收购水果加以干燥,从而提高了1400人的收入。

太阳能电篱笆

太阳能电池+功率调节器+电池

太阳能电池为电池充电,后者为篱笆的电线提供直流电。

减少牲畜被袭击;保护牲畜和作物。

Community Markets for Conservation (COMACO)已经在赞比亚安装了太阳能电篱笆,保护了1500多户家庭的作物。

太阳能wifi无线网络

太阳能板+无线路由器和天线+电池+充电控制器

太阳能板为电池充电,从而为无线网络的天线和路由器提供能源,它们把互联网接入信号通过多个节点加以中继传输

.增加互联网接入;减少数字鸿沟。

Green Wifi已经为巴拿马和塞内加尔的学校建立了wifi无线网络

太阳能电话

整合了太阳能充电器的移动电话,或者太阳能板+电器插座

太阳能电池为电话内置电池充电;太阳能电池为电池充电从而为插座供能

改善农村通信;(通过充电站)提供生计。

Digicel在海地、巴拿马和新几内亚分发太阳能电话;Safaricom在肯尼亚销售太阳能电话;爱立信通过Millennium Villages项目在非洲村庄安装了12个充电站[14]。

太阳能收音机

太阳能板+收音机+电池

太阳能板为收音机的电池提供能量。

改善农村通信;减少运输成本;如果和笔记本电脑相连,它也能增加对网上信息和建议的获取。

Freeplay 基金会已经分发了1万多台太阳能收音机,从而提供关于健康、农业和环境的信息和建议。马德里无国界工程师协会利用太阳能收音机为秘鲁农村的5万人提供健康服务。

太阳能灶

太阳能热陷阱,曲面聚焦器,灶具

镜子或反光力强的金属把阳光和热聚焦到小的烹饪区域。

.减少对木柴或木炭等传统燃料的依赖;减少室内污染。

Solar Cookers International在非洲支持太阳能灶行业,而且已经向乍得、埃塞俄比亚、肯尼亚和最近的海地的成千上万的难民捐赠了太阳灶。

太阳能热水器

太阳能热收集器+储水罐

收集器加热流过它的水流,热水储存在储水罐里。

减少对传统燃料的依赖;减少碳排放和当地的污染。

在中国日照,99%的家庭使用太阳能热水器。

表1:离网太阳能的应用

太阳能也正在用于带来其他收益——在许多情况下,它能提供新的技能和新的收入来源,从而迈出脱贫的第一步。

例如,非政府组织SolarAid在发展中国家为企业家培训商业规划和市场研究,从而帮助他们建立小规模的太阳能企业,用太阳能灯替代煤油灯,并使用当地的材料制造太阳能充电器或太阳能收音机。

类似地,非政府组织赤脚学院培训"赤脚太阳能工程师"(大部分来自非洲和亚洲的农村)安装、修理和维护太阳能灯设备,从而促进农村的太阳能电力化并提高贫穷农民的收入。到2009年末,它培训了461位太阳能工程师,其中包括211位女性。而且根据它的估计,这已经让将近90万人受益。

 

赤脚学院已经为非洲和亚洲的农村培训了461位太阳能工程师

Flickr/Barefoot Photographers of Tilonia

资金和其他问题

但是改善发展中国家农村对太阳能的获取仍然面临着一些障碍。除了偏爱开发化石燃料的政策环境,最大的障碍是资金。

获取太阳能可以通过在开放市场上采购或者通过国际援助获得。

有一大批正在运作的援助模式。 诸如世界银行和国际金融公司等大型捐助者是发展中国家的这类太阳能光伏发电系统的主要资助者,它们支持了非洲、亚洲和拉丁美洲的项目,价值超过了6亿美元。

诸如SolarAid等专家组织筹集资金从而为学校或社区的太阳能系统投资,重点放在改善健康、教育和生计上。Sollatek等制造商每月向慈善组织捐赠一批太阳能设备。

但是人们也越来越有兴趣从直接援助转变为让穷人为自己的能源需求提供资金的策略。例如,小额信贷的提供者(它们向穷人提供数额很小的贷款,而且 常常不需要担保)正在表明对克服离网太阳能系统的相对较高成本具有关键作用。许多这样的小额信贷提供者是利用世界银行等大捐助者的资金建立的,但是它们在 更长的时期通过贷款偿还可以变为自我维持。

专门从事销售太阳能发电系统的小额信贷提供者常常也提供支持活动,诸如培训、维护设备和替换零件,或者回收损坏的电池。例如,孟加拉国的一个小额信贷提供者Grameen Shakti已经在过去的10年利用小额贷款安装了超过32万套家庭太阳能系统,而且打算到2012年把这个数字增加到100万。它已经培训了4400多名技术人员(大多数是女性)并建立了45个"技术中心"从而在当地安装和维护太阳能系统。

小额信贷的提供者可能包括慈善基金会,例如在埃塞俄比亚安装了2000多套家庭太阳能系统的 太阳能基金会。银行可能也会提供小额贷款。印度的Aryavart Gramin 银行 大批订购太阳能发电系统并为农村顾客提供购买、安装和维护的贷款。偿还的贷款数量要小于每月的煤油费用,而且可以在5年内还清。

私营的太阳能企业也能帮助提供小额信贷。例如,印度的SELCO公司已经在过去的13年售出了超过10万套家庭太阳能系统。尽管它自己并不发放贷款,它给顾客和小额信贷提供者牵线搭桥,在许多情况下提供一种"预付定金担保"从而帮助负担前期投入。

政府也应该发挥作用从而让穷人能够买得起太阳能装置——方法是通过支持让穷人获取太阳能技术的体系。这就意味着向这种技术的研发本身投资,并利 用补贴体制改善太阳能的采用,并且为安装和维护成本提供补贴。为了确保偏远社区的农村穷人能够受益,这种补贴必须向去中心化的、离网的、小型太阳能系统而 非中心化的、化石燃料解决方案倾斜。

除了资金,改善穷人获取太阳能还有其他一些障碍。这包括改善太阳能技术的地方所有权,把离网太阳能系统纳入气候变化政策和减少全球排放的目标,还要扩大生产技术的规模从而减少成本。

底线在于,扩大造福穷人的太阳能技术的生产将取决于科学进展、政策倡议以及着眼于应对气候变化和缺电贫穷的集体行动的总和。

David J. GrimshawPractical Actions组织的新技术国际项目负责人也是英国国际发展部新兴技术资深研究员。

Sian Lewis是科学与发展网络的约稿编辑。

References

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