太阳能发电主要分为太阳能光伏发电和太阳热能发电两种。2011年全球新增太阳能发电装机容量约2800万千瓦，累计装机容量达6900万千瓦，当年全球太阳能产值为930亿美元。欧盟在太阳能发电方面居于领先地位，但美国和中国的发展势头迅猛。今年3月美国太阳能产业协会和GTM市场调研公司共同发布的报告预计，到2016年美国占全球太阳能板市场的份额将由2011年7%提升至15%。届时，美国与中国可能将成为全球两大领先的太阳能市场。
太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成，其中太阳能电池是光伏发电系统的关键部分，太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两类，前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种，后者主要包括非晶体硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉太阳能电池。
单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高可达23%，在太阳能电池中光电转换效率最高，但其制造成本高。单晶硅太阳能电池的使用寿命一般可达15年，最高可达25年。多晶硅太阳能电池的光电转换效率为14%到16%，其制作成本低于单晶硅太阳能电池，因此得到大量发展，但多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池要短。
提高太阳能发电竞争力的途径，就是要提高其光电转换效率，降低生产成本。因此，硅太阳能电池的研发主要围绕以下两个方面进行：一是提高太阳光辐照能转化为电能的光电转换效率;二是大幅度降低单瓦成本。
2010年美国能源部启动了“太阳计划”，旨在降低太阳能发电的均化成本，计划到2020年在没有补贴的前提下将其降为每千瓦50到60美元。就公用事业电站项目的太阳能发电而言，其安装成本必须降至每瓦1美元，其中太阳能电池模块的成本为每瓦0.5美元，并入常规电网的成本为每瓦0.1美元，软性成本(包括安装、许可证的获取和其他成本等)为每瓦0.4美元。据美国SunRun发布的一份报告显示，地方审批流程这一项就使每户住宅的光伏安装成本增加2500多美元，降低这类软性成本也有利于提高太阳能的竞争优势，而“太阳计划”的目标之一就是致力于降低软性成本以降低模块成本。
由于产能过剩、全球经济不景气，以及工程和制造技术的创新，硅太阳能模块的售价自2008年第2季度以来大幅降低：从原来的每瓦4美元降为每瓦1美元。随着未来技术创新步伐的加快，其售价将会降为每瓦0.8美元，2020年将降为每瓦0.5美元。相比之下，软性成本的降幅不大。
薄膜太阳能电池是用硅、硫化镉、砷化镓等薄膜为基体材料的太阳能电池。薄膜太阳能电池可以使用质轻、价低的基底材料(如玻璃、塑料、陶瓷等)来制造，形成可产生电压的薄膜厚度不到1微米，便于运输和安装。然而，沉淀在异质基底上的薄膜会产生一些缺陷，因此现有的碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池的规模化量产转换效率只有12%到14%，而其理论上限可达29%。如果在生产过程中能够减少碲化镉的缺陷，将会增加电池的寿命，并提高其转化效率。这就需要研究缺陷产生的原因，以及减少缺陷和控制质量的途径。太阳能电池界面也很关键，需要大量的研发投入。
此外，也需要设计一套在线监测和控制系统，以改进生产质量控制，并将之作为一种长期性措施。目前，碲化镉薄膜太阳能板的成本最低(大约为每瓦0.7美元)。未来20到25年，所有新型太阳能发电技术都将受惠于财政贴息政策，因此光伏发电技术必将有相当大的发展空间，这将增强该项技术的市场竞争力。如果能够将光电转化率从17%提高到20%，太阳能电板的成本和某些软性成本将会大幅度降低，这将会给未来的市场带来变革性的重大影响，其影响可以与将多晶硅太阳能电池的光电转化效率提高到18%以上相媲美。
高效多结太阳能电池技术也非常引人注目。高效多结太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。
太阳能光伏发电技术竞争异常激烈，从经济性的角度考虑，任何一项技术只有在商业化规模上能将太阳电池板的成本降为每瓦0.5美元，才有实际应用价值。
太阳热能发电是利用集热器将太阳辐射能转换为热能，并通过热力循环过程进行发电，其均化成本可以降为每千瓦时50到60美元。太阳热能发电系统有三类：抛物槽式聚焦系统、塔式聚焦系统和碟式系统，转换效率大约为30%到35%。聚焦式太阳能热发电系统的传热工质主要是水、水蒸汽和熔盐等，这些传热工质在接收器内可以加热到摄氏450度然后用于发电。此外，该发电方式的储热系统可以将热能暂时储存数小时，以备用电高峰时之需。
抛物槽式聚焦系统是利用抛物柱面槽式发射镜将阳光聚集到管形的接收器上，并将管内传热工质加热，在热换气器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。塔式太阳能热发电系统是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到一个固定塔顶部的接收器上以产生高温。
为了实现均化成本为每千瓦时50到60美元的目标，必须提高热机的效率。这需要将传热工质的温度加热到摄氏600度，需要研制性能更好的抛物柱面太阳能反射镜和发电塔。此外，也需要研发太阳能聚热器使用的低成本、耐高温新型材料。如果能将太阳聚热器内传热工质的温度加热到摄氏600度以上，太阳热能发电将能与天然气混合循环发电技术相媲美。
另一个有潜力的途径是将太阳能光伏发电和热能发电有机地结合起来。可将聚光太阳辐射中的可见光谱过滤出来用于光伏发电，其余光谱用于热能发电;此外，由于太阳热能发电极少能完全利用聚光太阳辐射，这也为光伏发电和太阳能聚热器的有机整合提供了可能性。
利用太阳热能发电需要及时准确预测太阳辐射量的变化情况，以适应计划配电的需要。同时还需要开发相应的电力储能技术，以克服太阳能发电波动性所带来的诸多不便。
风能发电
风能发电是可再生能源领域中技术最成熟、最具商业化发展前景的发电方式之一。全球风能理事会今年2月发布的报告指出，2011年全球风力发电设备的安装量为41GW(1GW为10亿瓦)，比2010年增加了21个百分点，全球的安装总量达到238GW。此外，全球75%的国家安装了商用风力发电项目，且这些国家中的22%，安装量还超过了1GW。
风力发电机组由风轮、发电机和风能塔三部分组成。其发电原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升来促使发电机发电。目前全球最大风力涡轮机的发电容量为7.5兆瓦，而大多数涡轮机的容量为1.5到2兆瓦。近年来涡轮机、叶片和变速箱等领域的巨大技术进步，以及风能塔高度的不断增高，使风能发电成本也不断降低。
海上风力发电是风电的一个新增长点。目前全球海上风电装机容量为100万千瓦，欧盟风能协会预测到2020年风电装机容量将达到1.8亿千瓦，其中海上风电约为8000万千瓦。英国的塔奈特海上风力发电场是目前全球最大的海上风力发电场，它由100多座巨型涡轮机组成，发电总量最高可达3兆瓦。
海上风力发电具有风力资源丰富、风速稳定、对环境负面影响较少等优点，但对风机质量和可靠性要求很高。海上风电机组必须能够承受海上强风、腐蚀和波浪冲击等恶劣环境，其基础结构复杂，技术难度和建设成本都很高。此外，海上风电场的运行和维护费用也很高，如风电机组需要采取防腐处理等特别措施，也需要设计、安装特殊的维修装置,这些都会导致发电成本的增加。目前在海上风电场的总投资中，基础结构占15%到25%，而陆上风电场仅为5%到10%。因此，发展低成本的海上风电基础结构是降低其成本的主要途径。据世界风能协会预测，2020年海上风机的造价将降低40%以上 。[page]
低碳化技术(CCS和CCUS)
为保证全球能够继续使用化石燃料发电，在未来数十年内必须大幅降低发电厂等主要二氧化碳排放源的排放量。一方面，需要进一步提高热力效率改善成本效益，合理地采用热电联产和废热利用等途径;另一方面，必须对煤炭和天然气电厂及其他大规模的二氧化碳排放源(如水泥厂等)采用碳捕获和封存技术(CCS)。
CCS是指通过碳捕捉技术，将工业和某些能源产业所生产的二氧化碳分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。碳捕获和封存分为三个阶段：捕获阶段，从电力生产、工业生产和燃料处理过程中分离、收集二氧化碳，并将其净化和压缩。目前采用的方法是燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧燃烧捕获;运输阶段，将收集到的二氧化碳通过管道和船只等运输到封存地;封存阶段，主要采用地质封存、海洋封存和化学封存三种方式。
目前CCS技术仍处于试验阶段，因其成本过高而难以大规模推广。据麦肯锡咨询公司估计，捕获和处理二氧化碳的成本大约为每吨75到115美元，与开发风能、太阳能等可再生能源的成本相比并不具备竞争优势。此外，由于被捕获的二氧化碳缺乏良好的工业应用，封存是碳捕捉的最终路径。CCS技术的普及与二氧化碳的排放价格也密切相关，当二氧化碳价格为每吨25到30美元时，CCS技术的推广速度将会加快。2012年5月，由欧盟资助的目前世界最大的碳捕获和封存示范工程在挪威建成，其总投资为10亿美元，设计能力为年捕获二氧化碳10万吨。
如果利用CCS技术将现有煤焚电厂进行技术改造，可以捕获其二氧化碳排放量的90%，但所需费用相当于重新建造一座电厂。此外，发电厂生产的电力将有20%到40%被用于二氧化碳的分离、压缩和输送。因此，只有那些最具有超临界或超超临界机组的发电厂采用这种技术才比较合算。全球知名的埃森哲咨询公司曾对配备碳捕获和封存设备的发电场的成本进行预估，结果显示到2020年，将现有电厂翻新配备碳捕获设备并将捕获的碳加以封存，将使每度电的成本增加约3美分，使其成本增加为8美分左右，接近于2015年风力发电和2050年太阳能发电的预估价格。由于碳捕获和封存的成本仍高于国际上的碳交易价格，而配备碳捕获与封存设备将使燃煤发电厂的成本提高，因此除非政府提供补助，或开征高额碳税以增加厂商的经济诱因，否则碳捕获与封存尚难以产生具有利润的商业模式。
基于此，开发碳捕获、利用和封存技术(CCUS)，探索利用二氧化碳进行油气增产和地热增产的相关技术途径，将成为一个具有吸引力的方向。研究人员可以利用高清晰仿真模拟技术来研究先进的CCS和CCUS，以减少小规模示范性工程向大型实用化系统转化过程中的风险，加快工业界采用这些技术的进程。
核能发电
核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电，它是实现低碳发电的一种重要方式。国际原子能机构2011年1月公布的数据显示，全球正在运行的核电机组共442座，核电发电量约占全球发电总量的16%。拥有核电机组最多的国家依次为：美国、法国、日本和俄罗斯。
2011年，日本福岛核电站事故影响了全球核电发展的步伐。当年德国和日本共减少了180太瓦时的核能发电量，核能发电占全球发电总量的比例下降为12%。此外，福岛核事故也促使一些国家纷纷重新审视和调整了各自的核电政策。
2011年，德国宣布所有的核电站都将按计划在2022年全部停运，它将成为近25年来首个放弃核能发电的主要工业化国家，意大利和瑞士也相继宣布将全面放弃核电。2012年9月，日本政府在其出台的“可再生能源及环境战略”草案中，提出“早日摆脱依赖核电”的目标。计划分两个阶段实现“零核电”，2030年核电发电比例低于15%，此后再力争废除核电。
美国、法国等国家则坚持发展核电的既定方针。美国核管理委员会提出了一系列建议，希望核电站有能力应对超出原设计标准的意外情况，包括长时间电力中断和多座反应堆同时受损。2012年2月，该委员会批准佐治亚州一座核电站可修建两个新的核反应堆，这是美国30多年来首次批准新建核反应堆。法国的核电占全国用电量的75%，是世界上核电使用比例最高的国家。法国政府表示不会放弃核电，认为采用核电是确保其能源独立必不可少的条件。英国也坚持继续发展核电。在其最新提出的核电建设计划中，准备新建总装机容量达1600万千瓦的核电站，并计划在2050年之前重新建设22座反应堆，以替代目前正在运行的20个反应堆。俄罗斯国内18%的电力供应来自核电，预计到2020年俄罗斯的核电装机将在目前的基础上增加一倍。印度核能发电目前占全国电力供应的3%，它计划2030年将这一比例提高到13%，2050年达到25%。
核电站的安全性和核能发电的成本是制约核电发展的两个重要因素。在美国，一座核电厂的正常运营成本是每兆瓦时23美元,其中包括每兆瓦时1美元的核废料基金，用于支付核燃料处理费用。据估算，每座核电厂退役的成本为5000万美元，其中包括废弃核燃料处置费用和核电站现场恢复费用。尽管核能发电存在潜在的安全隐患，甚至可能涉及核武器扩散问题，但面对全球变暖带来的严峻挑战，人类依然需要以积极稳妥的方式发展核电。
第三代核能发电厂较之前的核电厂更为安全可靠。一旦核反应堆发生紧急关闭的情况，在无法从外部获得应急电力和冷却水的情况下，新反应堆可以安全地冷却3天。其最终目标是实现被动式安全，在反应堆突然关闭时不需要外界的主动控制就可以基本保证反应堆的安全。
新建核电厂的均化成本约为每兆瓦时100到120美元，虽与天然气发电相比缺乏竞争力，但低于配备CCS技术的化石燃料电厂的成本。另一个挑战是，一座发电量为1.0到1.5GW的反应堆在配置冷却系统和电力配送设备后的体积较大。这种核发应堆的建设成本包括核工程设计费、采购和建造费、运营和维护费以及退役处理费等，每千瓦容量的平均成本约为6000到6600美元，相当于天然气发电平均成本的6倍。因此，建造这样一座核反应堆的总造价大约为60亿到100亿美元。此外，巨大的财务风险、建造风险和运营许可证被耽搁等因素都会增加核电厂的建设成本。
应美国核管制委员会的要求，目前美能源部积极推进装机容量为80到300百万瓦的小型模块化核反应堆开发和设计认证的研究。采用这种核反应堆，利用核能的方式可以更加安全。未来的核电厂可以由十几个经济可靠型的小型模块化反应堆组成，而不是采用以前一次性建造一个大型核反应堆的做法。与此同时，随着获得核电站运营许可证和建造工期延误等方面风险的减少，发展中小型核反应堆可能代表未来核电发展的一种新模式。
早在2011年5月美能源部就成立了“先进轻水反应堆模拟仿真联盟”，利用超级计算机来研究轻水反应堆的性能，并开发高度复杂的模型来进行模拟仿真，以加快传统核反应堆及小型模块化反应堆的开发和设计认证进程。今年1月，美国又宣布了一项为期5年、总金额达4.52亿美元的成本分摊计划，以支持首批两个小型模块化反应堆的设计、设计认证和许可证申请工作。[page]
电力储能技术
如何保持电力生产和供应之间的平衡并使之最优化是一个巨大的挑战，这需要统筹协调技术进步、商业运作和管理政策等诸多因素。电力储能技术是智能电网、可分布式发电、微电网以及可再生能源并入常规电网不可或缺的支撑技术，有助于电网系统的安全、稳定、高效运行，大规模储能技术则有望将可再生能源发电并入常规电网的比例提高到20%以上。据PikeResearch预测，从2011年到2021年的十年间，储能技术应用领域的全球总投资将超过1220亿美元，其中用于可再生能源并网(特别是风电)和电力市场削峰填谷的投资将分别占50%和31%。
由于受到季节、气象和地域等条件的影响，风能和太阳能发电等可再生能源发电存在明显的随机性、间隙性和波动性等问题，其电力大规模并入常规电网会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响。研究表明，如果风力发电装机占电网容量比例达20%以上，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。而电力储能技术在很大程度上解决了上述问题，使大规模风力发电和太阳能发电能够方便可靠地并入常规电网，因而成为提高电网运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种有效手段。
储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠流电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。根据各种储能技术的特点，飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等;而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。
目前最成熟的大规模储能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游两个水库。在负荷低谷时段抽水蓄能设备处于电动机工作状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，在负荷高峰时设备处于发电机工作状态，利用储存在上游水库中的水发电。其能量转换效率在70%到75%左右。但由于受建站选址要求高、建设周期长和动态调节响应速度慢等因素的影响，抽水储能技术的大规模推广应用受到一定程度的限制。目前全球抽水储能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。
压缩空气储能是另一种能实现大规模工业应用的储能方式。利用这种储能方式，在电网负荷低谷期将富余电能用于驱动空气压缩机，将空气高压密封在山洞、报废矿井和过期油气井中;在电网负荷高峰期释放压缩空气推动燃汽轮机发电。由于具有效率高、寿命长、响应速度快等特点，且能源转化效率较高(约为75%左右)，因而压缩空气储能是具有发展潜力的储能技术之一。
加快开发新能源是人类的明智选择
随着化石能源的不断发现和采掘技术的进步，未来数十年内其成本依然会比其他零碳排放能源具有竞争优势。此外，从美国目前的状况来看，未来50年能源供应结构依然会保持能源形式多样化的局面。但为了能够及时减缓未来全球气候变暖的风险，必须加速清洁能源和可再生能源技术大规模商业化应用的步伐。虽然任何技术创新将取决于其所能带来的效益，但人类的惰性、现实状况及可预见的财务风险等因素，使人们更倾向于维持现状。为此，各国政府的政策必须致力于激励发明和创新，并使之能与市场力量密切配合。
过去30年间，全球发生极端天气事件(如极端高温、洪水和干旱等)的频度不断增加，由此造成的经济损失每年超过1500亿美元，而越来越多的证据也表明极端天气事件与全球气候变暖有关。虽然缓解这种状况的总体代价具有巨大的不确定性，但我们需要制定相关政策，将各种能源形式的总体成本直接考量到其市场价格中。
未来几十年，全球范围内使用经济合算的可再生能源的需求将会不断增加，人类利用可再生能源的效率也将会不断提高，其成本也会越来越具有竞争优势。随着科技的进步、研发投入的加大、公共政策关注力度的增加，以及公众认识程度的逐步提高，人类利用经济合算、可获取和具有可持续性的能源步伐一定会加快，并将以此推动作为经济增长的动力，增加能源安全和减缓全球气候变暖的风险。否则，人类将会遇到难以预测的后果。正如国际能源署在《全球能源展望》中所指出的那样——“如果我们人类不改变目前的方向，未来将会在这条道路上毁灭自己。”
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