以色列太陽能技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀及未來趨勢分析

丁 銳

山東省創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院

0 引言

能源是維持一個國家經(jīng)濟社會發(fā)展的決定性因素。以色列作為中東乃至世界范圍內(nèi)的發(fā)達經(jīng)濟體之一，沙漠面積占到國土面積的三分之二，人口為905萬[1]，且主要集中在特拉維夫、海法等城市，是典型的人口稠密型國家。雖地處油氣資源豐富的中東地區(qū)，但受制于地緣政治、宗教、沖突等因素，導致不能從周邊國家進口石油、天然氣和電力，成為典型的“能源孤島”。同時，擔心恐怖襲擊對傳統(tǒng)發(fā)電站等基礎(chǔ)設(shè)施造成不良影響，開發(fā)、利用以太陽能為代表的新能源，便成為其現(xiàn)實選擇。

經(jīng)過多年努力，以色列在太陽能技術(shù)研發(fā)、應用等方面取得了顯著成效。據(jù)國際能源署最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年可再生能源發(fā)電量占全國總發(fā)電量的10%。其中，有70%是來自太陽能熱電廠和光伏發(fā)電廠，其余來自家用光伏發(fā)電機組、風能和生物質(zhì)能[2]。

目前，國內(nèi)關(guān)于以色列太陽能研究主要集中在三個方面：一是從以色列國家戰(zhàn)略著眼，對歷史沿革、特點等進行介紹和評價。例如，仝品生結(jié)合以色列國家發(fā)展歷史，梳理不同時期能源戰(zhàn)略特點，將太陽能技術(shù)置于高科技能源發(fā)展和以美關(guān)系的視角下進行考察[3]。二是以能源政策為切入點，將開發(fā)與使用太陽能作為關(guān)鍵補充。例如，李鴻煒將太陽能技術(shù)稱作是“創(chuàng)新造就能源傳奇”[4]。三是對以色列的太陽能具體應用技術(shù)進行介紹。例如，李志民、唐潤生、鐘浩對以色列太陽能各應用領(lǐng)域的情況說明[5]。本文通過對成功技術(shù)、案例的展示，分析各要素間內(nèi)在聯(lián)系，為我國開展太陽能技術(shù)研究、同以色列開展行業(yè)合作提供參考。

1 成熟技術(shù)及成功案例

上世紀50年代，為解決國內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展問題，以色列開始太陽能研究。伴隨70年的發(fā)展，以色列在太陽能技術(shù)領(lǐng)域成績斐然。清潔技術(shù)集團和世界自然基金會（WWF）聯(lián)合發(fā)布的《2014年全球清潔技術(shù)指數(shù)報告》顯示，以色列新能源技術(shù)的創(chuàng)新能力和商業(yè)化水平位居榜首。

1.1 成熟技術(shù)

以色列太陽能技術(shù)主要應用在兩個方面：一是先把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能供人們直接利用,或用來發(fā)電（即“太陽熱發(fā)電”）。二是通過光電器件將太陽光轉(zhuǎn)換為電能(即“太陽光發(fā)電”)。目前，主要有以下應用方面。

1.1.1 太陽熱發(fā)電

太陽熱發(fā)電有槽式、塔式、碟式和太陽池等應用技術(shù)，它們的工作原理是先用不同方式收集熱量，進行工質(zhì)加熱后，再經(jīng)過換熱裝置將水加熱成具有高溫、高壓特性的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機帶動發(fā)電機。

槽式光熱發(fā)電技術(shù)：平行排列同等彎曲程度的反射鏡聚集陽光，加熱集熱器中的工質(zhì)，形成過熱蒸汽并帶動發(fā)電機發(fā)電。

塔式光熱發(fā)電技術(shù)：由定日鏡聚光鏡場、吸熱塔和塔頂?shù)奈鼰崞鞯炔糠纸M成，匯集通過定日鏡反射而來的太陽光到中央吸熱器，再加熱工質(zhì)，完成光熱轉(zhuǎn)化。

碟式光熱發(fā)電技術(shù)：利用眾多拋物面反射鏡將太陽光匯集到接收器上，加熱工質(zhì)到750℃，驅(qū)動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電，因此，也被稱為拋物面反射鏡斯特林系統(tǒng)。此技術(shù)優(yōu)點是光學效率高，適用于獨立電站。

太陽池：利用鹽池不同水面密度存在差異這一屬性，借助下層高溫鹽水進行加熱工質(zhì)，進而驅(qū)動汽輪發(fā)電機組，產(chǎn)生電能。此類發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，建造成本相對低廉，對光照強度要求不高，即便是在夜晚等光照條件不佳時，依然可以工作。此項技術(shù)發(fā)端于匈牙利，以色列在1960年在死海附近進行技術(shù)實驗，后在國內(nèi)建設(shè)了7個太陽池電站[6]。

1.1.2 太陽能發(fā)電

利用太陽能電池的光生伏特效應，將光能轉(zhuǎn)化為電能。當太陽能電池中的PN結(jié)與太陽光進行接觸后，內(nèi)部產(chǎn)生大量自由電子并開始游動，導致在原位置產(chǎn)生一個帶正電的空穴，電子在接收到光能后，向N結(jié)移動，產(chǎn)生負電。同時，空穴向P結(jié)移動，并產(chǎn)生正電。這樣PN結(jié)兩端產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生電流。

1.2 成功案例

目前，以色列在太陽能技術(shù)應用方面，有若干成功應用案例，它們因地制宜，采用不同形式，提升對太陽能的開發(fā)利用程度。

1.2.1 阿沙利姆（Ashalim）綜合體

阿沙利姆綜合體位于內(nèi)蓋夫沙漠中的阿沙利姆村附近，由兩個光熱發(fā)電區(qū)塊（Plot A和Plot B）及一個裝機為70 MW的光伏發(fā)電項目組成。其中，Plot A為塔式光熱項目，裝機容量是121 MW，占地3．15 km2，集熱塔高240 m，是目前世界上最高的集熱塔。Plot B為槽式光熱項目，裝機容量是121 MW，占 地3．99 km2，配 熱4．5 h，能 夠 為120 000戶家庭提供清潔可靠的電力，并且每年減少超過110 000 t的碳排放，幫助以色列實現(xiàn)了在2020年10%的電力來自可再生能源的目標[7]。

1.2.2 愛因布科克（Ein Bokek）太陽池

1979年12月，在死海附近的愛因布科克鎮(zhèn)的太陽池開始運行，它是以色列國內(nèi)最大的太陽池發(fā)電站。占地面積是7 500 m2，當時裝機容量是150 kW。時至今日，該工程仍在源源不斷地為當?shù)靥峁╇娏Α?/p>

2 現(xiàn)狀各要素分析

2.1 政策方面

多年來，以色列政府不斷調(diào)整政策，出臺一系列針對太陽能開發(fā)、利用的法案。1973年第一次石油危機之后，政府意識到開發(fā)替代能源的重要性，進而開始從制度及政策層面推動可再生能源的研發(fā)與利用。截止到目前為止，以色列共有14部關(guān)于能源方面的法律法規(guī)和16個能效標準，其中大部分是強制性的[8]。以下法律法規(guī)具有里程碑的意義：1980年通過法律，要求高度在27 m以下的新建住宅建筑（包括私人建筑和公共住宅）必須加裝太陽能熱水系統(tǒng)。1986年,頒布特別法令,要求每幢新建筑必須安裝太陽能熱水器[9]。2002年，將可再生能源引入電力部門,并對使用可再生能源電力的用戶進行資金補貼。2003年,制定以高科技和原創(chuàng)技術(shù)為核心的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃,計劃從2007年以后,從可再生能源中生產(chǎn)至少2%的電力。2006年又制定《可持續(xù)與替代能源研究計劃》，進一步加強對新能源技術(shù)的開發(fā)和利用。2009年，通過《關(guān)于發(fā)展可再生能源的法案》，提出大力發(fā)展太陽能等新能源，并計劃在2020年使新能源發(fā)電在全國電力供應中占10%。2020年10月，內(nèi)閣批準計劃將新增約15 GW太陽能的產(chǎn)能部署，以推進實現(xiàn)可再生能源在全國電力結(jié)構(gòu)中所占比例從17%提高到30%的2030年目標。

2.2 科研機構(gòu)

當時在中國駐以色列大使館科技處任職的李小夫在《以色列能源經(jīng)濟現(xiàn)狀》一文中，第一次向國內(nèi)介紹了以色列從事太陽能研究的科研單位及研究側(cè)重[10]。目前，進行太陽能技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)的科研機構(gòu)主要有魏茲曼科學院（Weizmann Institute of Science）和內(nèi)蓋夫本-古里安大學（Ben-Gurion University of the Negev，下文簡稱“本-古里安大學”）。

2.2.1 魏茲曼科學院

魏茲曼科學院創(chuàng)建于1934年，以猶太科學家、學院創(chuàng)始人、以色列首任總統(tǒng)魏茲曼命名，在自然科學、精密科學等領(lǐng)域位居世界前列[11]。目前，有生物化學、生物學、化學、計算機和物理學等五個二級學院，有280個尖端研究團隊穿插其中。

化學學院是開展太陽能技術(shù)研究的主要機構(gòu)，具體有五個方向：一是運用云系統(tǒng)動力學原理，對大氣層進行綜合研究，從而為利用太陽能提供氣象支持。二是研究光物質(zhì)相互作用、熱學原理和光譜等領(lǐng)域。三是以材料科學為依托，針對納米材料和其它新型材料在能量轉(zhuǎn)化和儲存應用上的研究。四是在納米化學、超分子化學、小分子相互作用等涉及分子化學與納米科學相關(guān)領(lǐng)域的研究。五是運用衍射、核磁共振等方法，在生物學、化學和物理學等領(lǐng)域找到共同點和結(jié)合處。

2.2.2 本-古里安大學

本-古里安大學建立于1969年，1973年以色列第一任總理戴維·本-古里安過世后，改為現(xiàn)名。其在新能源、旱地農(nóng)業(yè)、水資源等領(lǐng)域的研究居于世界領(lǐng)先地位，并與工業(yè)界有著密切合作，獲得非政府資助經(jīng)費居以色列大學首位[12]。

負責進行太陽能研發(fā)的機構(gòu)有本-古里安國家太陽能研究中心（The Ben-Gurion National Solar Energy Center）和隸屬于雅各·布勞施泰因沙漠研究所（Jacob Blaustein Institute for Desert Research）的瑞士旱地環(huán)境與能源研究所（The Swiss Institute for Dryland Environmental&Energy Research）。

本-古里安國家太陽能研究中心主要研究太陽能的收集與存儲、材料科學、光學等，如高效太陽能電池原理、有機光伏、超級電容器和電池用高濃度電解質(zhì)、輕物質(zhì)活性超材料的研發(fā)。同時，借助阿爾伯特·卡茲沙漠研究國際學校（The Albert Katz International School for Desert Studies）、雅各布科學合作中心（The Jacob Blaustein Center for Scientific Cooperation）開展本科和研究生專業(yè)教育。

瑞士旱地環(huán)境與能源研究所有以沙漠生態(tài)、太陽能開發(fā)與利用為主題的多個研究團隊。其中，亞歷山大·耶爾森太陽能與環(huán)境物理學小組（Alexandre Yersin Department of Solar Energy and Environmental Physics）最具代表性，它是一個涵蓋應用數(shù)學、化學、物理學和地質(zhì)學等跨學科的研究團隊，重點是太陽能利用和光學應用。與此同時，提供一系列在太陽能應用領(lǐng)域內(nèi)的決策咨詢服務(wù)。

2.3 知名企業(yè)與非政府組織

企業(yè)作為市場中的主體，發(fā)揮著不可替代的作用。各非政府組織在具體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，在政府、企業(yè)和學術(shù)界發(fā)揮著橋梁和紐帶作用。結(jié)合歷史與現(xiàn)實，主要梳理出以下知名企業(yè)與非政府組織。

2.3.1 Luz和Solel公司

Luz公司是由美以聯(lián)合成立的第一家太陽能公司，它的運營是以色列境內(nèi)首次將太陽能技術(shù)應用于公共事業(yè)規(guī)模電廠的標志性成果，也為后期太陽能發(fā)展儲備了大量專業(yè)性人才。后因石油價格下跌，政策變動等因素，Luz公司于1991年宣布破產(chǎn)。其主要技術(shù)人員成立了Solel公司，繼續(xù)進行太陽能技術(shù)研發(fā)，并在太陽能接收器方面成為世界領(lǐng)先的供應商。2009年，西門子公司以4．18億美元完成對其并購，并改名為西門子集光型太陽能發(fā)電廠（Siemens Concentrated Solar Power）。

2.3.2 BrightSource公司

該公司大部分關(guān)鍵技術(shù)人員來自Luz公司，推出了利用計算機進行控制的LPT電力塔，通過對太陽運動軌跡進行跟蹤，將水加熱到538℃，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動渦輪發(fā)電機組進行發(fā)電。2013年，由該公司在美國莫哈維沙漠（Mojave Desert）建設(shè)的Ivanpah塔式太陽能光熱發(fā)電站項目，裝機總?cè)萘窟_392 MW，是全球塔式光熱電站的標志性項目，每年減少CO2排放量40萬t以上。

2.3.3 AORA公司

AORA公司是以色列太陽能發(fā)電領(lǐng)域的一家新興公司。與BrightSource研發(fā)利用計算機進行控制的LPT電力塔不同，其發(fā)電設(shè)施具有尺寸優(yōu)勢，可以對單元模塊進行拆分和組合，在成本、體積和時間上占有優(yōu)勢，可以有效應對各種不確定性因素。它曾經(jīng)在以色列南部的薩馬基（Samar）建設(shè)一個全面運行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，使它成為以色列首個將太陽能產(chǎn)生的電能并入國家電網(wǎng)的商用太陽能設(shè)施。

2.3.4 內(nèi)蓋夫能源公司（Negev Energy）

它由阿本戈和Shikun&Binui可再生能源公司合并而成。承建的項目是阿沙利姆綜合體的塔式光熱電站，根據(jù)與政府簽訂的為期28年的合同，承接的具體任務(wù)包括電廠建設(shè)、運營和移交。2018年7月投入運營后，公司擁有25年的經(jīng)營權(quán)，所產(chǎn)生的電能由以色列電力公司收購并入國家電網(wǎng)。經(jīng)營權(quán)到期后，整個電廠將移交給政府[13]。

2.3.5 非政府組織

以色列新能源方面的非政府組織，在參與相關(guān)政策制定、評估和拓展企業(yè)國際市場等方面發(fā)揮著重要作用。其中，以色列能源論壇（Israel Energy Forum）和以色列智能能源協(xié)會（The Israeli Smart Energy Association）最具代表性。

以色列能源論壇，是能源領(lǐng)域的著名智庫，長期致力于促進可再生能源的開發(fā)和利用。曾在2014年，對未來實現(xiàn)以色列100%依賴可再生資源可行性進行了“零碳計劃”研究。該研究基于目前以色列電網(wǎng)只能接納20%～30%可再生能源的現(xiàn)實，通過對太陽能發(fā)電（包括光伏和光熱兩種方式）、風電（含海陸兩種方式）等新能源的使用情況進行調(diào)研，綜合各影響因素，得出“當前技術(shù)條件下，實現(xiàn)向100%可再生能源的過渡并不現(xiàn)實。但是，隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷進步，以色列未來終將實現(xiàn)該目標”[14]的結(jié)論。同時，也提出了“未來能源政策也應更加注重效能提升（尤其要加大對節(jié)能的關(guān)注，如普及節(jié)能建筑等），風電以及屋頂式光伏的發(fā)展也需要得到進一步的扶持”等建議。

以色列智能能源協(xié)會，是一個匯聚本土和全球智能能源廠商等利益相關(guān)方分享知識、開展創(chuàng)新和建立合作的國家級非營利性組織。它有兩大目標：一是在國內(nèi)加速智能能源解決方案的使用；二是支持本土創(chuàng)新型智能能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展[15]。定期組織惠普、施耐德、IBM等知名國際電氣公司與本土天使投資、新能源開發(fā)商、能源公司等產(chǎn)業(yè)要素舉行論壇。截止到目前為止，共舉辦了4屆，參加人數(shù)1 500人次。以2016年舉辦的第四屆以色列智能能源會議為例，聚焦能源公共事業(yè)創(chuàng)新、微電網(wǎng)與賦能社區(qū)和智慧城市中的智能能源三大議題。2014年，組織Grid ON公司、Metrycom公司和RAD公司等8家企業(yè)訪華，幫助國內(nèi)企業(yè)積極拓展國際市場[16]。

2.4 國際合作

開展太陽能領(lǐng)域的國際合作是以色列發(fā)展太陽能技術(shù)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵組成。通過與中國、德國和美國等國家開展合作，推進技術(shù)迭代、拓展市場，促進本土產(chǎn)業(yè)升級。

中國：自1992年1月24日兩國建交以來，雙方在各領(lǐng)域的合作日益密切。2013年5月，中以建立政府間經(jīng)濟技術(shù)合作機制。2014年5月，中以建立創(chuàng)新合作聯(lián)委會機制。2016年9月，中以啟動自貿(mào)協(xié)定第一輪談判[17]。2017年3月19日至22日期間，時任以色列總理內(nèi)塔尼亞胡同國務(wù)院總理李克強正式簽署《中華人民共和國和以色列國關(guān)于建立創(chuàng)新全面伙伴關(guān)系的聯(lián)合聲明》，明確“兩國對現(xiàn)有能源和環(huán)保領(lǐng)域合作感到滿意，希望在治理空氣污染、廢物管理、環(huán)境技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境立法與執(zhí)法、低碳城市發(fā)展、能源高效利用、可再生能源等相關(guān)領(lǐng)域進一步開展合作”。就太陽能方面的合作而言，兩國開展了多次富有建設(shè)性的合作：2008年，中國無錫尚德太陽能電力有限公司與以色列當?shù)叵到y(tǒng)集成公司成功聯(lián)手在北部卡茨林工業(yè)區(qū)，建設(shè)了這一以色列迄今最大、發(fā)電效率最高的晶體硅太陽能發(fā)電項目[18]。2012年，中以（常州）國際科技合作園憑借在光伏等裝備制造領(lǐng)域內(nèi)取得的成績，獲科技部授予的“國家國際合作示范基地”稱號。2011年，甘肅自然能源研究所與以色列國家太陽能研發(fā)中心達成合作共識。2017年9月，時任中國財政部部長肖捷與時任以色列財政部長摩西·卡隆(Moshe Kahlon)在北京共同簽署了中以清潔技術(shù)財政合作議定書，總額3億美元。該協(xié)議的簽訂將中以經(jīng)濟合作拓展至先進農(nóng)業(yè)技術(shù)、智能綠色能源技術(shù)等環(huán)?？萍碱I(lǐng)域[19]。

德國：1986年，成立德以技術(shù)研究與開發(fā)基金會（German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development，簡稱GIF），主要目的是在兩國間推動與支持應用技術(shù)研究用于和平目的。從歷年來活動來看，主要合作領(lǐng)域是在醫(yī)學方面，但是也有光學等太陽能技術(shù)等方面的研究[20]。

美國：1993年，成立美以科學技術(shù)委員會（The U．S．-Israel Science and Technology Commission，簡稱USISTC），其中的重點任務(wù)是通過消除兩國行政性上的限制，從而促進私營高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之間的合作。最近開展的項目包括開發(fā)可以產(chǎn)生數(shù)十兆瓦電力的太陽能發(fā)電技術(shù)等。1995年，發(fā)起成立了美以科學技術(shù)基金會（U．S．-Israel Science and Technology Foundation，簡稱USISTF），每年可以從美國國家技術(shù)與標準研究會（National Institute of Standards and Technology）的年度預算中獲得經(jīng)費支持[21]，從而重點支持環(huán)境技術(shù)等六大領(lǐng)域的研發(fā)。2007年12月，美國政府通過了《美以能源合作法案》，進一步加強兩國就太陽能等新能源方面的合作。

3 結(jié)論

3.1 以色列太陽能產(chǎn)業(yè)將得到進一步發(fā)展

這主要是基于以下四個方面原因：

一是周邊政治環(huán)境。從2021年5月期間，巴勒斯坦向以色列發(fā)射火箭彈襲擊情況來看，發(fā)電站、輸電設(shè)施等關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施遭受襲擊的風險加大，在提升“鐵穹”攔截系統(tǒng)的同時，必然會加大在公共設(shè)施上太陽能發(fā)電設(shè)施的覆蓋面積，以分散安全壓力、緩解能源風險。

二是國家政策。2020年初，為克服新冠肺炎造成的不良影響，加大對太陽能等新能源基礎(chǔ)設(shè)施的投入，進一步刺激國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展。比如，2020年內(nèi)閣通過了新增約15 GW的太陽能產(chǎn)能計劃。

三是大型太陽能發(fā)電設(shè)施產(chǎn)能優(yōu)勢進一步顯現(xiàn)。以阿沙利姆項目為例，2號機組槽式光熱電站于2019年正式投入運營，同年，塔式光熱發(fā)電項目已取得運行證書并投產(chǎn)，這將為新能源發(fā)電注入動力。

四是科研單位的大力支持。魏茲曼研究所和本-古里安大學在太陽能開發(fā)上的研究，聚焦能量的轉(zhuǎn)化、儲存等關(guān)鍵材料的研發(fā)，為產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展提供技術(shù)支持。同時，接受來自各國的專家參加聯(lián)合科研，將提升太陽能技術(shù)的專業(yè)化水平。

3.2 以色列太陽能產(chǎn)業(yè)國際合作進一步加強

就當前和今后發(fā)展來看，以色列政府將太陽能技術(shù)作為開展對外援助、拓展外交空間的重要工具，目標就是緩解同周邊國家的緊張局勢，鞏固雙邊關(guān)系。例如，2020年9月以色列與阿拉伯聯(lián)合酋長國建立外交關(guān)系后，2021年1月兩國就簽署了關(guān)于可再生能源的首份協(xié)議。用以色列能源部長尤瓦爾·斯坦尼茨（Yuval Steinitz）的話說：“此次合作將使以色列在六年內(nèi)成為全球太陽能領(lǐng)導者?！盵22]積極發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢，融入其他國家的發(fā)展，為商界、學界拓展新空間。

我國將“碳達峰”和“碳中和”寫入“十四五”規(guī)劃，作為世界第二大經(jīng)濟體，對以太陽能為代表的新能源需求將會增加，在涉及技術(shù)開發(fā)、學術(shù)交流等領(lǐng)域?qū)㈤_展進一步合作。

3.3 進一步影響美國能源政策走向

隨著新冠疫情、經(jīng)濟政策調(diào)整等因素，美國在石油、天然氣等傳統(tǒng)能源領(lǐng)域內(nèi)進行配套政策調(diào)整。以太陽能為代表的新能源，在很大程度上會成為能源政策的“調(diào)節(jié)器”與“緩沖區(qū)”。以色列擁有太陽能先進技術(shù)以及前期合作經(jīng)驗，也會進一步影響美國的能源政策走向。