地球生态环境问题的本质和太阳能普及应用的关键技术问题

 

宋太伟   

上海陆亿新能源有限公司  上海日岳新能源有限公司

   

 

内容摘要：

新冠肺疫大流行让更多的人意识到，当代地球生态环境问题，是日益严重的全球性基础性的大问题，已经上升为威胁全人类生存发展的主要矛盾，大国博弈必将被合作应对取代。我国的绿色创新实践，及碳达峰碳中和战略，正是引领时代、立信树威之举。地球生态是在阳光照耀下的绿色大循环，生态环境问题是全人类日益频繁的生产生活等活动所造成，其产生与治理人人有责有份。从技术与物理层面来分析，太阳能充分的、广泛的、无二次污染或不过度消耗其它资源的推广利用，是治理或舒缓地球生态环境问题最重要最有效的手段。只吸收可见光的晶体硅光伏电池，光电转换效率远不够，担当不起大力普及太阳能发电的重任。阳光到了地面附近，有50%以上的能量变成了热能热红外，夏天的阴雨天、晚上，都有用不尽的热量，绿色高效热电技术及其与硅基光伏电池的叠层组合连接技术，成为绿色普惠的太阳能，能否在全球范围内得到普及应用的关键。

 

 

    一、前言

社会总在矛盾中前行。我国的不断发展，早已打破了世界的旧有利益格局，矛盾冲突的边界，在不断扩大、延伸与更新演化。随着我国对外影响力“作用力”日渐增强，由此反作用我们的外在压力，包括资源环境压力、外部负面舆论压力、周边猜疑与冲突压力、大国大经济体阻挠与对抗压力等等，也与日俱增，大国崛起的“修斯底德陷阱”，似乎就在脚下。难道5000年的人类文明史主要是中华文明史，孕育不出大智慧，真的找不到一条不以暴力对抗决胜负为标志的、人类文明新格局新纪元的光明大道？在前所未有的地球生态环境危机频发、多个人口大国实力大国纵横博弈的时代，人类文明的未来究竟在何方？多个大国，齐头并进、和谐共处、大举投资扩张发展各自经济的和平发展模式是否可行？本文不会就这类大问题展开探讨，只对当代能源环境问题及解决此问题的关键技术创新等进行扼要论述，并从此角度来窥视人类文明未来的光影与答案。

 

二、当代地球生态环境问题的本质

地球生态环境是在太阳能作用下的绿色大循环，人类是这个大生态中的一员，也可能只是大生态恒久演变中一个短暂角色。风雨雷电、地震火山，等等自然灾害，是地球生态循环的禀赋现象，不属于本文所述的“当代地球生态环境问题”。本文所述的生态环境问题是指由于人类的生产生活或破坏，所造成的自然生态环境的污染、改变、恶化、并由此给人类造成的灾害等问题，这种生态环境问题由人类活动造成，并反过来影响人类的生存与发展。

（一）当代地球生态环境问题，是日益严重的全球性基础性的大问题

因为空气与水的流动性及人类活动与视野的日益全球化，地球生态环境问题，显然是全球性的问题，它的产生与治理，人人有份有责。

同时，水和空气污染及气候变暖、资源枯竭等等地球生态问题，都是危机全人类生存发展的底层基础物质条件与环境问题，其危害性不仅是全局性的、还是毁灭性的，并与人类的活动正相关，人口增加、活动频繁、物质能量消耗与废物排放持续不断巨量增长，其结果不只是人类物质生活水平的不断提高，还有日益严重的资源环境危机。

（二）地球生态环境向危演变存在必然的物理逻辑（或自然逻辑）

地球作为围绕太阳在太空中运动的大球体，从能量物质角度来讲，除来自太阳的能量及地球辐射到太空的能量以外，其自身的物质是动态守恒的。简单说，具体到地球大生态环境，内部结构与组织在不断演变，但构成组织的物质基础主要是元素原子，是基本守恒不变的。

因为地球有比较独特的大气层，地球生物圈或者称地球整个生态系统，是一个完美的、巨大的热力学自组织体系，地球生态的演变，是在太阳能（阳光）驱动下的自组织过程，其内部各层次、各子区域（空间）的结构、组织、物质或物种演变，都存在以“诞生、成长、成熟、衰落”为周期标志的生命特征（宋太伟，《热运动与自组织的本质——时空统计热力学》，2014）。也就是说，地球生物圈本身就是个巨大“生命体”，其内部包括各层次的、不同大小与不同类型的生命体种群，人类是其中一类，只是属比较“聪明”的一类。

可以粗略估计一下人类作为一个整体的“生命极限”。人类种群的成熟表现，从物质能力层面来讲：大地球生态内的一般物体都是由原子分子构成，人类提取元素合成这些物质，几无困难；光速是运动极限，互联网的普及，已经使人类的沟通联系与反应速度，达到光速；只差对大脑智慧或人类作为智慧型生命体的神经中枢系统的认知与仿制了。如果真正破解了自身高度智慧的“大脑神经系统”的结构组织密码，人类作为地球生态大系统中的一个子生命体种群，肯定到了成熟期或最鼎盛时期。这好像感觉已“为期不远”，有人开始为逃离地球探路了。

地球生态系统各个主要子系统，如大气、海洋、平原高山、土壤植被矿藏等等，其内部的结构和物质组成成份及比例，如果以一个人的生命周期为时间单位，应该是比较稳定，这是巨大的地球生态环境系统相对稳定的主要物理基础与标志。但是随着人口的暴增，更主要的是随着科技水平与生产力的提升与发达，和人类需求的膨胀，个人、单位、组织、地区、国家、全球活动的“能量、消耗与对环境的影响力”，快速增长，人类每时每刻都在大量消耗地球生态资源，同时排放出大量的热量、垃圾、废气和“新物质”，现在至少有一部分排放物种，已经超越地球生态自组织的“容纳”与消化吸收的能力，地球生态中的大环境，如大气、水、土壤等的成份及对应的环境温度变化曲线，已经偏离旧有的动态平衡稳定的结构状态，整个地球生态系统的稳定基础被动摇，大波动变异自然会随时会出现，这对聪明的适用性强的人类来讲，也是决定命运性的大挑战。有一点是肯定的，地球大生态的动态变异，在不知不觉中加速。

从全局来看，即使是局部地区的先发展先污染、再治理，长期效果都是负的；全人类一同边发展边治理的理想模式，也改变不了地球生态向着不利于人类生存发展的方向变异的趋势，不过这模式可以增强人类对环境变异的适用性及抗风险能力。地球大生态系统的自组织变化过程，是不可逆的热力学过程，任何生命体终将寿终正寝。就人类来讲，不论是边污染边治理，还是走“绿色”“减排”的路线，都是活动、生产、发展行为，都在不断扩大地消耗能量资源并对应规模的排放废物热量，对地球生态的影响都在扩大，而且人类活动只会越来越频繁、需求只会越来越多，物质能量消耗只会越来越大；可能有意识地减少了一种排放，但质能守恒，肯定又增加另一种新的“排放负担”。即是是当下最被追捧的互联网和AI，其负面作用也是巨大的，庞大的数据中心都是电老虎，过度的物流与包装都在加速消耗能源资源并排放废物废气，同时信息泛滥不只是“熵”在增加，而且在大量的消耗人的好时光与生命。大国的支柱产业，如基建、房地产、乘用汽车等等，也是如此。

热力学系统最基础的是结构单元的热运动及系统内温度分布变化趋势。人类生存适应的温度，对应的光谱区是热红外、远红外等低温热区，不可逆过程是熵增加的过程，对地球生态来讲，也是热量增加的过程。地球表面，晚上可见光就几乎没有了，但热和热红外因为物质吸热储热及大气层的反射，永远存在并有不断增加趋势。二氧化碳的温室效应，只是地球生态热量与平均温度随着现代人类活动巨量增加而增加的一种表象而已，如果“捕捉了碳”，还会产生其它新的储热发热因素。

整个地球的外来能量几乎只有吸收的太阳能，如果没有人类大量的开采使用已经固化了的化石能源和自然资源，在阳光照耀下的地球生态自组织的过程，热量与“新物质”的积累就不会过快，完全不会影响地球绿色大循环的动态稳定。人类包括生产生活的任何活动或行为，根据质能守恒定律，都会变成热量和“废物或污染物”的排放，这是问题所在。在地球生态中，热量的传播速度比其它“排放物”的传播速度大得多，当然影响力更大影响范围更广，所以人类过多的热量排放和地球生态系统过快的热量积累，是导致地面环境平均温度高升与地球大生态加速变异恶化的最直接因素。此逻辑的重要推论之一是：充分普及利用太阳能，尤其是被一直忽视废弃的热量热红外能，是减缓由于人类日益频繁的活动引起地球生态环境加速变异和引发越来越严重的地球生态危机的最有效的技术物质手段。

（三）社会问题与生态环境问题的关系

人类是地球自然界的一部分，上文已经明确，环境问题是人类自身过度的过快的消耗自然资源与排放废热废物废气所造成的，是日益严重的全球性的基础性问题。按照物质决定意识的哲学逻辑，社会问题与生态环境问题肯定紧密相关且受制于后者。

1、地球人口肯定是太多了。现代文明社会，人口大国如果仍然以最原始的人口红利模式发展本国经济，太“落后”与不负责任，没有全局意识与创新担当。

2、大国之间的均衡发展问题。大国经济，实体经济是根，工业与房地产是当代实体经济的支柱，但产能过剩是巨大的浪费，又是对环境破坏作用最大的。我国制造业建筑业等产能过剩突出，对外输出扩张是基本出路，但这必将引起全球范围内的大国利益冲突及输入国国民的民族意识的“觉醒”。按照马列理论，资本输出是“帝国”性。全球经济平均发展速度3%左右（1%-3%左右是自然增长速度，或者说，是当下自然环境可以承受的全球经济发展速度），部分国家过高或过低的速度，即是“零和游戏”的结果，有高必有低，像我国、日本、德国、美国、英国、法国、印度、韩国、还有我国的台湾等等国家与地区，年国际收入盈余太多，必然引起其他大部分国家的国际收入减少或亏空举债或自然资源过度开采与出口，加剧地区之间经济发展的不平衡及全球生态危机；任何国家的国内经济不平衡问题也是一样的逻辑。分配问题与环境问题叠加互推，自然矛盾重重。我国当前发展所面临的国际人文环境问题，完全是国际利益冲突问题，与社会制度尤其是经济制度没有关系：我国的经济是开放的市场经济，市场的主体，绝对主体，都是与西方发达社会一样的股份制公司，国有企业也几乎都是全球性股份制且在整个经济体中的占比远小于50%，面向未来的最先进的企业都是民营与国际性的股份公司，甚至许多发达国家的全民福利体系也比我国的更为平均。大国发展是要发展的，但至少在国际上，要只讲担当与共享，不讲速度与“优势”，尽量避免引起他国的嫉妒与猜疑。

3、抓住解决地球生态环境问题这个大“矛”，就是抓住了未来，也就真正踏上了在广泛的国际合作中而不是对抗中确立我国大国领导地位的光明大道。地球生态环境危机日益严重，解决此问题需全球紧密合作，并且时不我待，这是聪明的人类当下最大的共识。环境污染，人人有份，解决生态环境问题，人人有责；对内对外都一样。这为我国在未来几十年中和平地实现国际引领大国指明了方向：谁带领全人类真心治理环境问题，得道多助，谁就会成为这个世界的真正领袖。深层次的逻辑也很简单：环境大问题，要全民参与，只有通过全民教育、注重公平、关心年轻人关心未来，才能对内提高全民文明意识与自觉性及参与广度和协作性、持久性，相应的政策与行动肯定以顺民意、向未来为基础，这种制度和生产生活方式的生命力、优越性，不言而喻；对外的逻辑也一样，无非是通过交流、示范与自我展示建立信任，通过联合壮大力量，通过不断成功实践确定威信并增强影响力、吸引力。近年来我国以习近平主席为核心的领导层，提出一系列环境治理的策略，尤其是今年初确立了2030年碳达峰2060年碳中和的长远减排目标，是非常及时、正确的大国国策，只要我们不畏艰难、切身践行、绿色共享发展和铸剑并举，和平走过修斯底德陷阱，成就大国应有的辉煌，定会水到渠成、顺理成章。事实上，美国、法国、英国、德国等大国，也意识到引领世界关爱、改善、保护地球生态环境的重要意义，早已积极谋划，但我国以绿色能源为代表的大实践与行动，已经走到前面，我们需要更广大民众的自觉性与文明行动，当然包括生产生活的绿色文明行为，不仅要照顾好“自己”，还要关心他人、关心未来。

 

三、新能源主要是太阳能在解决地球生态环境危机中所扮演的角色

上文已经讲过，地球作为一个围绕太阳运转的大星球，除了接受的阳光与辐射到大气层外的光热辐射能以外，自身物质（质能）是动态守恒的，当然地球作为一个整体，总吸收太阳能大于总辐射出去的能量，处于长期净吸收太阳能的状态。太阳能是不竭的绿色的普惠的能源，阳光均匀地照耀在每个人的头上。广义上讲，地球上的一切运动能量，也包括固化的化石资源或碳氢化合物等物质的结构能，都来自太阳。

上文也讲过，生态环境问题是人类的生产生活或破坏活动造成的，人类的任何生产生活活动，包括创新实践，都会消耗资源排放废热废物，都会影响环境。因此，只有充分利用眼前的太阳能包括包围着我们每个人的热能热红外能，尽量减少开采使用自然资源并尽量减少废热废物或新物质排放，才能使地球人类的活动，对自然生态环境大循环的负面影响最小。

基于以上逻辑，从技术与物理层面来讲，太阳能充分的、广泛的、无二次污染或过度消耗其它资源的推广利用，显然是治理或舒缓地球生态环境问题，最重要、最有效的手段。阳光到了地面附近，有50%以上的能量变成了热能热红外，夏天的阴雨天、晚上，都有用不尽的热量，所以地球人类要充分利用太阳能，不仅仅要充分利用可见光，还要充分利用热能热红外光，同时要保证包括原材料、加工制作、使用、废弃等全过程的绿色环保、无过度消耗、无资源瓶颈、无二次污染。

光热技术比较简单绿色，但能效比太低，加热水很好，但最重要的，发电就不行了。

晶体硅光伏电池主要吸收可见光，使用中23%左右的光电转换效率已经接近提升潜力的极限，而且即使这么高的效率，在没有补贴的情况下，也只能在极少数日照时间长的干旱的特殊地区使用，基本上远离大的能源需求中心，如果建设集中式大电站，还要占用大量的土地资源并建设长距电网，甚至还可能破坏现有吸碳植被与生态，同时需要应对峰谷调节调电等额外负担。使用中的非晶硅薄膜电池的效率只有7%-9%左右，更低更没吸引力。只吸收可见光的晶体硅光伏电池，效率远远不够，还担当不起大力普及太阳能发电的重任。

显然，绿色高效热电技术及其与硅基光伏电池的叠层组合连接技术，成为绿色普惠的太阳能，能否真正走向城市乡村走向千家万户、惠及全人类，并成为人类改善地球生态环境最重要手段的关键。热是客观物质能量的基本形态之一，本质是群体的无序运动能，是物质运动不确定属性量。确定性与不确定性是物质运动的两个完全不同的基本属性，经典力学（牛顿力学）与相对论描述的是前者，热学与量子统计描述的是后者，热学作为最基础的物理学科，没有明显的经典与现代之理论分界，这也说明热学的基础性、适用性。电是现代文明的动力给养，热是物质能量的基本形态，这就决定了热电技术的“江湖地位”。热电技术涉及热传导与热红外技术、原子物理、包括金属合金非金属半导体的固体物理、纳米与薄膜技术、表面与界面、包含MIM结构集成的微电子技术、新材料、储能与空调技术等，是底层物理技术皇冠上的明珠。除了美国个别顶级研发团队以外，世界上众多从事热电技术的研究者，还沉浸在“古老的”优值ZT理论中，并以稀缺的或有毒的材料为研究对象，乐此不彼，难以自拔。（参考，宋太伟等，《热的拓扑结构》、《光热谱的分解合成及傅里叶变换的物理表征》、《有序界面与大尺寸MIM二极管技术》等等著作或发明专利，2012-2020）。我们以普通的金属非金属材料为研究对象，经过十多年的不懈努力，研制出绿色的金属非金属薄膜结构的吸热红外电池，并解决了这种绿色吸热电池与现有的晶体硅电池或非晶硅薄膜电池的叠加连接技术，使晶体硅吸可见光电池叠层金属非金属薄膜吸热电池的复合结构吸全光谱电池的光电转换效率有机会大到30%-35%以上。还有比这更好的吗？

展望未来，最底层的、关系地球生态环境与人类未来的重大技术，还包括氢能主要是储氢技术、核能主要是受控核聚变、人工智能中的人脑神经、生物基因检测与修剪组合技术等。

在地球上氢气几乎没有天然储藏，制氢需要能量，前文已经明确，只有充分利用眼前的太阳能的人类活动，对地球生态的影响最小，因此制氢要充分利用“闲置的”太阳能，氢能利用和太阳能利用，关系密切、几为同道。氢原子的原子核外“大空间”只有一个电子，一旦电子被其它原子吸附，氢原子几乎就“消失了”，所以以合金为代表的固态吸氢材料，储氢潜力巨大。近似逻辑，以氢原子与其它无害元素组成“高能”化合物的室温液体相，类似酒精但低碳，也是很好的技术路线。氢能技术的突破，感觉为期不远。氢能应该作为包括车辆、飞机、轮船等大的移动设备及小型备用电站等的主要动力之一。

核能是物质能，分有辐射危害的重核裂变能和无辐射污染的轻核聚变能，威力巨大，将其驯服为能发电的可控能源，安全成本巨大，现在的核裂变电站单瓦成本是煤电的10倍以上，太阳能发电已比煤电便宜、还会更便宜、单位或家庭用分布式太阳能发电终会零成本。深海核电站，应该是一个（全球合作的）方向。人类向往的受控核聚变技术，感觉还很远。如果人类能够随意进行小当量的无风险的核聚变，那就可以制造出任何物质，这是上帝才有的能力；另一方面，如果人类受控核聚变技术成熟并获广泛应用，地球生态环境中的新增能量与新生物质将大增，地球生态现在的弱平衡也可能不复存在。为所欲为是要付出代价的。

人工智能作为一个适用广泛的应用技术，正面来讲其提升效率的作用明显。人工智能及相关领域的最底层未知逻辑，最重要的就是对人脑神经的“揭秘”了。人工智能的核心硬件芯片的集成度，已经接近物理尺度与热力学稳定性的极限，其最热领域之一，无人驾驶，最终也可能只是个卖点：自由度大数量级的天空中的民用飞机都离不开驾驶员，作为马路杀手的乘用车，路上的行人和车上的人，都能安心地让其在传感器和软件芯片的操纵下恣意飞奔？至于战胜癌症永不衰老，就更离谱了，人类新陈代谢和老人癌变有必然的逻辑关系，人都不老，人类生态更乱套。

                                             

四、结束语

已经持续了近500日的全球新冠肺疫大流行危机，还看不到尽头。大国博弈，生存环境持续恶化，再加上时不时会出现某种颠覆性技术的大流行，人类社会正在经历前所未有的不确定的大变革时代。大挑战与大机遇同在，环境是地球所有人的，责任和义务压在每个人身上，不断加剧的地球生态危机是全人类一切负面行为积累的结果，也是全人类携手走向未来的起点。生存环境问题已经上升为威胁生存发展的主要矛盾，最终会逼迫人类走向合作共对。太阳能是地球绿色生态之源，人类的未来，就是要自觉地融入大自然的绿色大循环，开发推广普及太阳能，是人类融入地球生态大循环的主要途径与手段。大变革与大动荡中合作携手，需要新旗手，领导新潮流的历史重任，已经落在中华文明身上。高效吸热红外电池及其与晶体硅电池非晶硅电池的叠层连接技术工艺日渐成熟，我们愿与越来越多的同道人携手奋进，在太阳能氢能等真正绿色能源的开发推广普及上，贡献自己的力量。

 

2021年4月21日