光伏和其他创新

三种不同的技术——电脑、电话和航天器设备——之间形成的这种协同作用，很好地说明了当不同发明相互作用并聚集在一起时，创新浪潮是如何形成的。如同软件系统和许多新应用的设计一样，刚才提到的许多想法源于美国的实验室和公司，但随后大量消费产品的设计发生在日本和韩国。不仅在这些国家有制造设施，在中国和东南亚也有。与此同时，欧洲的计算机公司由于合并而不断衰落和消失。许多曾推动过这一次浪潮的半导体工程和信息技术的从业者，开始担心浪潮在2000年左右达到顶峰。^[15]

到了2015年，日本和韩国的一些研究人员和规划人员意识到他们从这一创新浪潮中获益良多，于是开始思考：当这个浪潮过去时，下一个浪潮将从何而来？一个可能的答案是重新调整半导体研究的方向，以追求低能耗的目标。如前所述，硅不仅是制造微处理器芯片的基本元素，它也是制造光伏电池的主要材料。对包括镓和铟以及硅等一系列半导体材料特性的早期研究，促使了LED的发展。长期以来，光伏电池（PV cell）的低转换效率限制了其应用范围，但LED设计的改进意味着，自2000年左右，光伏电池板与LED灯的结合作为离网照明系统变得越来越可行。然而，工程师们认识到，实现太阳能电池板供电的全部潜力的下一步是设计智能能源系统，能够通过自动的需求响应来管理供需平衡。

在这里，我们再次看到了一个浪潮的聚集势头。在20世纪初，包括LED在内的光电器件的研究发展缓慢，但这种发展在20世纪60年代开始加速，出现了一系列的发现和改进。最初参与的实验室和公司大多是美国的，但后来在欧洲和日本出现了新的研究节点。日本、韩国和一些中国公司在LED创新领域处于领先地位，正在快速发展。同时，到20世纪90年代末，光伏太阳能电池板的制造成本变得非常低，其使用不再局限于专业应用。2000年后不久，在非洲采用的小型、低成本的光伏电池板使得在没有公共电力供应或传统电话网络的地方，用太阳能发电为移动电话充电成为可能（第十一章）。LED灯的耗电量非常低，这使许多生活在这样的离网地区的家庭也能从电灯中受益。

通过太阳能为小型社区提供用电，包括为手机充电、为一些LED灯供电是一回事，开发可再生能源的应用以满足工业社会的需求则是另一回事。虽然人们对用高科技手段替代偏远地区的传统电网信心倍增，但用太阳能、风能或其他形式的可再生能源为发达经济体供电似乎仍是一个不可能的梦想。为公共电力供应开发可再生资源的建议通常会被驳回，理由是它们无法提供足够的能源，而且成本太高。但成本正在迅速下降，在有利条件下，风能和太阳能很快就能以低于化石燃料的成本发电。其结果是，自2012年以来，对可再生资源的投资已经等同于，有时甚至超过了对煤炭、石油和天然气的投资，在一些国家的电力消费中，有很大一部分已经由可再生资源提供。(https://www.daowen.com)

成本下降是因为在许多行业，特别是电子行业，当特定设备的制造数量越来越多时，单个设备的制造成本就会急剧下滑。此外，随着制造商生产出更多的产品，他们会掌握更多生产技巧，并学会预测和避免生产中可能出现的问题。事实证明，光伏板中使用的分层硅的制造就是这种情况。从20世纪70年代开始，太阳能发电的成本稳步下降，到2010年，太阳能电池板的装机量增加了更多，它们不仅被安装在大型太阳能发电场，也被安装在个人的屋顶。风力发电场的数量和效率在增加，其制造和安装设备的成本在下降，而智能系统的发展有助于使供应与需求相匹配。在苏格兰，陆上和海上风电场在2019年上半年的发电量是该国国内使用量的两倍，该国的一家主要能源公司选择放弃化石燃料，转而使用风力发电。德国则在光伏发电设施方面进行了大量投资，在阳光明媚的日子里，其大部分电力来自太阳能和风力发电。^[16]

但是，这只发生在阳光明媚的日子里（苏格兰则是在大风天气情况），这也强调了可再生能源的一个问题：如何在阳光明媚的时候储存电力，以满足冬季黑暗的日子里或晚上的电力需求？在无风的天气条件下，对风能的投资如何能起到作用？为了进一步发展可再生能源的使用，有必要找到方法来储存在有利天气下产生的电力，或者用其他廉价的电力来源来补充，以便在没有太阳或风速下降时使用。

到2015年，锂离子电池（lithium-ion batteries）的成本已经低到足以让欧洲和美国的一些公共事业部门开始安装锂离子电池组，以储存和释放来自可再生能源的能量，从而管理消费者需求的波动和供应的变化。这些电池可以充电数百次也不会发生衰竭，为能源使用进行彻底的转变提供了前景。2019年，三位科学家（两位在美国的大学工作，一位在日本）因其在锂离子电池方面的工作而获得了诺贝尔化学奖，诺贝尔委员会称，“自1991年首次进入市场以来，锂离子电池已经彻底改变了我们的生活。它们为一个无线、无化石燃料的社会奠定了基础，并为人类带来了最大的利益”。^[17]

锂电池在提供能量的比例上极为有效，到目前仍然是应对24小时内供需波动的最经济技术。但是，供应和需求在不同的季节也有所不同，特别是在冬季漫长的北方国家。锂电池存储的成本随着时间的推移而急剧上升：当在几个小时内发生充放电时，电池是经济的，但在更长的时间内则是昂贵的；此外，提取锂的环境成本很高。因此，其他技术已成为积极研究的对象。其中最著名的可能是氢气储存（hydrogen storage），其原理是使用剩余的可再生能源电力，通过电解从水中产生氢气。储存起来的氢气之后可以被用作与天然气差不多的零排放燃料。就目前的技术而言，锂电池在储存时间低于13小时的情况下具有经济优势；对于任何更长的时间，氢气储存已经更便宜。因此，看起来氢气可能是未来的发展方向，特别是如果车辆和其他机器能够适应氢气燃料。在本书写作时，德国正开始投资利用风力涡轮机发电的氢气生产项目，以及利用氢气为本来由柴油驱动的火车提供燃料。^[18]