中國儲能網(wǎng)訊：1 廣大農(nóng)村將迅速出現(xiàn)猛烈的用能需求
隨著中國社會經(jīng)濟相繼走上工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化,一個必然要出現(xiàn)的需求是,中國必須加速發(fā)展農(nóng)業(yè),加速建設農(nóng)村,加速改善農(nóng)民生活,而"三農(nóng)”(農(nóng)民、農(nóng)村、農(nóng)業(yè)) 是"工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化"的基礎.
一個顯然的事實是:中國現(xiàn)有2億農(nóng)民進城"打工",未來10年,還可能新增3億人涌入城市. 中國的農(nóng)業(yè)必須在有大量優(yōu)秀勞動力持續(xù)向城市轉(zhuǎn)移的條件下,又能高效持續(xù)地增加向城市提供糧食和原材料的供應;中國的農(nóng)村必須成為農(nóng)產(chǎn)品初級加工和某些適合在農(nóng)村深加工的生產(chǎn)基地;中國農(nóng)民也必將相繼走向富裕,成為居民消費的主體.
所有這些"新"出現(xiàn)的"三農(nóng)"問題的解決,必定轉(zhuǎn)化為"市場前景大、資源消耗低、就業(yè)機會多、綜合效益好"的"戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)",關鍵是如何"認真把握好科技超前部署的規(guī)律".
在諸多有待"超前"部署的科技項目之中,最為重要的是必須解決廣大農(nóng)村、邊遠地區(qū)和中、小城鎮(zhèn)即將涌現(xiàn)出來的迅速而猛烈的能源的需求(例如,不能設想,在南方氣候十分炎熱的地區(qū),現(xiàn)代"空調(diào)"技術只應用于城市,不普及到農(nóng)村!)
徹底解決這一需求的唯一途徑是大力發(fā)展分布式供能系統(tǒng),包括供電和供熱,有望將所需能源的利用率提高到60%—80%. 但如果這一次能源來自煤炭、石油、天然氣,那就不僅和"到2020年,單位 GDP釋放的 CO2 減排40%—45%"的約束性指標背道而馳,而且運費將占供能成本的大部分! 所以,在發(fā)展分布式供能的問題上,必須"因地制宜"、"就地取材".也就是本文作者這里建議的:"一個在廣大農(nóng)村、小城鎮(zhèn)亟待開拓的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)———建立以‘太陽能+風能+小水電+生物質(zhì)能+小型抽水儲能電站+中小型儲能兼中小型電動車的動力電池'相組合的‘小型智能電網(wǎng)'為‘中心'的供電、供熱的新能源體系".
2 為什么這里強調(diào)建設以"小型智能電網(wǎng)"為"中心"的"供電、供熱"的體系?
電能較易傳輸,熱能往往有較大傳輸損失. 解決農(nóng)村、小城鎮(zhèn)用電,最好組成大小等級不同的"智能型"電網(wǎng). 由微電網(wǎng)、小電網(wǎng)、中電網(wǎng),進而發(fā)展為大型、超大型的智能型電網(wǎng). 供熱就需要盡量縮短管道供熱距離.
解決生活用電的最佳方案是"屋頂光伏發(fā)電+鋰離子儲能電池"組成的"微電網(wǎng)". 我國約有100億平方米的屋頂, 廣大農(nóng)村約有全部屋頂面積的70%—80%. 正在發(fā)展中的第三代光伏發(fā)電技術已做到每平方米能發(fā)出50W 的電力,其等價于不跟蹤太陽的平板電池的"等效"峰值功率的組件售價,已下降到15—16元/W.80億平方米的屋頂面積,可安裝約4億千瓦的電力. 以年平均發(fā)電1500小時計,4億千瓦將發(fā)出6000 億度電能. 以10 億農(nóng)村人口計,可實現(xiàn)人均供應600度電. 這將完全滿足農(nóng)村各住戶照明、電器、空調(diào)……用電,節(jié)余的電可輸往"小電網(wǎng)". 圖 1 為安置在屋頂?shù)囊粋€可"供熱 + 供電"轉(zhuǎn)盤示意圖.
圖1 安置在屋頂?shù)囊粋€可"供熱+供電"轉(zhuǎn)盤示意圖
解決農(nóng)村生產(chǎn)用電的最佳方案,是因地制宜地建設能連續(xù)供電8—10小時的、功率為 500—2000kW 的"太陽能光伏電站+風能+鋰離子儲能電池"構成的"小型"智能電網(wǎng). 我國現(xiàn)有 18.26 億畝(1.2174億公頃)的耕地,但我國還有面積約4億畝宜能荒地(指可開墾種植能源作物的荒地). 其中有2億畝是質(zhì)量較差、需大力改造后才可種植能源作物、不十分"宜能"的荒地,但卻十分適合用作太陽能發(fā)電用地. 如以每平方米發(fā)電50W 計,1畝荒地可裝機33.3千瓦,1億畝荒地可裝機33億千瓦!! 這些荒地的太陽能資源雖然比沙漠地區(qū)稍差,但均離廣大農(nóng)村較近,離用電地區(qū)較近,而且大多是連片千畝以上干旱的土地,非常適合在農(nóng)村臨近建設由大、中、小型的"光伏電站+儲能電池"所構成的"中、小型"智能電網(wǎng). 由于這些地區(qū)大多臨近發(fā)達地區(qū),其開發(fā)成本、輸電成本均較低. 以年發(fā)電1500小時計,1億畝荒地上的 33.3 億千瓦的裝機,將等價于能發(fā)電6000小時,裝機8億千瓦的火力發(fā)電的全年發(fā)電量, 所提供的電能還是高峰用電時間所需要的峰電. 在發(fā)達地區(qū),"峰谷比"之間的電價差距將越來越大,所以,這一"光伏電站+儲能電池"所組成的"小型"智能電網(wǎng),將有廣闊的發(fā)展前景!
用在中、小型智能電網(wǎng)中的儲能電池還可兼作包括拖拉機在內(nèi)的農(nóng)用客運、貨運電動車輛的動力電池.
據(jù)說,正在研發(fā)中的"以錳酸鋰為正極、鈦酸鋰為負極"的新型儲能電池,能充放電 20000—30000次,因而其儲能成本將下降到0.1元/度次! 我們迫切希望近期就有這類新技術的出現(xiàn).
3 更有發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè)———由可再生能源組成的分布式的、供電供熱的聯(lián)合電站
如果廣大農(nóng)村出現(xiàn)較大量的生產(chǎn)性供熱的需要,其最佳方案將是建設熱電兩用的中、小型熱電站,也就是能大幅度地提高一次能源利用率的、分布式的"太陽能發(fā)電+秸稈或沼氣發(fā)電"聯(lián)合供電供熱電站.
近年來,在太陽能熱發(fā)電技術上,新出現(xiàn)的理念是:用一種新型的"陳式定日鏡 + 小塔支撐的集熱面",來克服已走向產(chǎn)業(yè)化的"槽式"電站具有的嚴重熱量損失的重大缺點. 圖2是槽式電站的示意圖.
圖2 槽式電站示意圖
陳式定日鏡的特點是:不論太陽自晨至晚,從冬到夏,這一定日鏡能自動地在時間、空間分布上較均勻地將太陽光反射到某一由"小塔"所支撐的某一"集熱面"上. 圖3是陳式定日鏡和小塔支撐的集熱面的照片.
圖3 陳式定日鏡和小塔支撐的集熱面照片
這種新型的陳式定日鏡技術繼承和吸收了"塔式"、"碟式"熱發(fā)電技術中的"點聚焦"集熱技術,同"槽式"熱發(fā)電的"柱聚焦"技術相比,有更高的集熱量和集熱溫度,有更高的熱電轉(zhuǎn)化效率;但同時又保留了"槽式"熱發(fā)電技術具有的結構簡單、易于規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點. 因為只要將一座座"小塔"重復連接成十幾公里的 "多塔", 就能構建功率達1MW、10MW,甚而100MW 的太陽能熱電站. 而新型定日鏡,由于它的結構單一,可實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化. 所以,它的單位功率造價將可比現(xiàn)在德國使用的槽式電站發(fā)電成本至少下降30%—40%,可將現(xiàn)有在國外發(fā)展的槽式發(fā)電成本,從2.0元/kW˙h下降到0.8—1.0元/kW˙h. 圖4是一組"定日鏡+集熱面+小塔"聯(lián)合集熱的照片.
圖4 一組"定日鏡+集熱面+小塔"聯(lián)合集熱照片
陳應天教授在這一試驗中所獲得的突出的成就是,已做到其定日鏡的造價為1200元/m2,能抗12級大風,而且還有大幅度價格下降的空間! 至于"小塔",由于它的集熱面較小,塔身較矮,抗風根本不成為問題.顯然,這些技術為我國太陽能熱發(fā)電技術的提前產(chǎn)業(yè)化開拓了新途徑. 尤其,這一技術完全是我國自主研發(fā)的,并擁有完全自主的知識產(chǎn)權的新技術.
為進一步降低太陽能熱發(fā)電成本,陳應天教授等人還提出了"兩步走"升溫的新理念,現(xiàn)簡介如下.
能源有高品位和低品位之分. 凡較易轉(zhuǎn)化為電能的為高品位能源,較難轉(zhuǎn)化為電能的為低品位能源. 正如已故的中國科學院工程熱物理研究所所長吳仲華院士指出:利用熱能的基本準則是"溫度對口,梯級利用". 否則將出現(xiàn)"大浪費". 高品位的煤,承擔著低品位的職能;可發(fā)電的"煤",卻用作室溫為23—27℃的供暖.
其實,不僅在室內(nèi)供暖,在各種工業(yè)鍋爐供暖、供氣,甚至在火力發(fā)電機組發(fā)電過程中,也存在著上述 "大浪費". 發(fā)電機組往往用"煤"從加熱冷水開始,逐步加溫產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽. 但"加熱冷水"完全可用各種低品位的熱能來取代! 或者說,在熱能利用問題上,要"溫度對口,優(yōu)質(zhì)優(yōu)用,梯級加熱,梯級利用".
太陽能供熱當然也應發(fā)展"兩步走"梯級升溫的技術.
第一步利用價廉、技術較簡單的溫度和品位較低的太陽能,將水加溫成為160—200℃中低溫的水蒸汽.
第二步利用技術較復雜、成本也相對較高的"定日鏡+集熱面+小塔"裝置,將低品位的中低溫的水蒸汽,繼續(xù)升溫加熱到發(fā)電機組所需高溫高壓的水蒸汽,推動渦輪機組發(fā)電.
水的比熱約為 1cal/g˙℃,水蒸汽的比熱約為0.5cal/g˙℃,液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)蒸汽吸收的"相變"熱,高達540cal之多. 所以,在"兩步走"的太陽能集熱裝置的設計中,其"第一步"由冷水加溫到 160—200℃的水蒸汽,所收集的太陽能將占到全部熱量的70%—80%;"第二步"升溫所吸收的高品位的太陽能僅占全部熱量的20%—30%.
由于"第一步"吸收的熱量,用廉價而品位較低的太陽能,占全部熱量的70%—80%;所以"兩步走"升溫技術將大幅度地降低太陽能熱發(fā)電技術的集熱成本.
上述"設想"已付諸實踐. 陳應天已在他研發(fā)的4倍聚光光伏發(fā)電裝置基礎上,進一步擴展為5倍聚光集熱太陽能中低溫蒸汽發(fā)生器. 圖5為60kW 太陽能5倍聚光蒸汽發(fā)生器照片.
圖5 60kW 太陽能5倍聚光蒸汽發(fā)生器照片
陳應天等人利用這一5倍聚光的蒸汽發(fā)生器已能持續(xù)產(chǎn)生壓力為3—5大氣壓力,溫度為160℃的水蒸汽,而且還有繼續(xù)改進的余地. 圖6為能連續(xù)發(fā)出中溫蒸汽的蒸汽發(fā)生器照片.
圖6 能連續(xù)發(fā)出中溫蒸汽的蒸汽發(fā)生器照片
初步測算,如果用"5倍聚光轉(zhuǎn)盤+集熱小塔+陳定日鏡",而又用"水蒸汽"作為傳熱介質(zhì),完全可能將每千瓦造價下降到15000—16000元,而且有和火力發(fā)電技術近似相同的持續(xù)運轉(zhuǎn)壽命,所發(fā)電能還是可直接上網(wǎng)的交流電.
問題是這一發(fā)電技術,難以避免太陽能所固有的"間隙性"的缺點. 如果遭遇連陰天,這一太陽能的"間隙性"可用秸稈氣化或沼氣發(fā)電來彌補. 但如果要求太陽能熱發(fā)電能"持續(xù)、穩(wěn)定"地供電8—10小時,這一缺點就最好用"光伏電站+鋰離子儲能電池+直流變交流的逆變器"來彌補太陽能供電的"間隙性". 這一方案的優(yōu)點是:比"純"光伏電站少用3/4的"鋰離子儲能電站+逆變器"卻仍能持續(xù)供電8—12小時,又有大量"廢"熱用作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供熱和維持某些鋰離子儲能電池持續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的"恒溫".
如果農(nóng)業(yè)上僅有"小型"供電、供熱需要,完全可用8m×8m 的"定日鏡+秸稈氣化或沼氣+太陽能鍋爐"直接推動小型蒸汽渦輪機組或單螺桿式機組發(fā)電,只不過這一太陽能熱發(fā)電效率較低,但卻能回收較多熱能.
4 建造智能電網(wǎng),必須"由小到大",必須在電力結構上做"大改革"
現(xiàn)在人們紛紛呼吁中國要建設大型、超大型的智能電網(wǎng),大幅度提高能源利用效率. 中國工程院杜祥琬院士提出,"中國要發(fā)展智能電網(wǎng),首先要做好概念設計、頂層設計,在戰(zhàn)略指導下做好規(guī)劃、方案,尤其要先做好示范",而且所建設的智能電網(wǎng),必須"在技術上是可行的,經(jīng)濟上是劃算的,環(huán)境上是友好的,是符合中國國情的". 杜祥琬院士還提出,"現(xiàn)在還有一些沒有解決好的問題",如"新能源與電網(wǎng)如何友好","間歇性的風、光、如何與電網(wǎng)相融合"等等?
從我們來看,一個經(jīng)濟有效的智能電網(wǎng)的"概念設計"、"頂層設計",只能是"由小到大",只能在"微電網(wǎng)"、"小電網(wǎng)"、……等各級電網(wǎng)做到初步"智能"化的基礎上,才能做到"全局"上的智能化. 正如計劃經(jīng)濟必定由市場經(jīng)濟所取代的"理念"一樣,集中的中央計劃部門往往難以準確地了解不斷變動中的居民的需求. 即使采用了現(xiàn)代化的通信技術,能迅速全面地將一切信息集中到中央指揮機關,其最佳協(xié)調(diào)供給和需求的方案,也必定是"就近"調(diào)節(jié).
長期以來,中國電力集團奉行的準則之一,是追求"規(guī)模"效益. 發(fā)電機組的規(guī)模越大越好,熱電轉(zhuǎn)化率越高越好,從次臨界到亞臨界,還要走向超臨界、超超臨界. 但卻嚴重地忽略了一個因素:無論是生活用能、生產(chǎn)用能,均不能只局限于電能,而>50%的需要是熱能. 所以,服務于"大煤電"的"特高壓"的大電網(wǎng),決不是"中國能源輸送體系深度改革之路". 因為"煤從空中走",只能做到"電送全中國";而"熱能
留當?shù)?,卻很難再加以利用,而由"電"直接轉(zhuǎn)化為"熱",其效率極低,極低!
可再生能源中資源量最豐富、最能持久供應的能源是太陽能、風能. 太陽能、風能發(fā)出的電流是直流,而傳統(tǒng)能源發(fā)出的電流是交流. 所以,在未來的智能電網(wǎng)的建設中,就存在一個直流和交流的矛盾.從電流的傳輸來看,直流輸電無論是在輸電成本上還是在電能損耗上,均比交流輸電有更好的投資效益比;但當前用戶所用電流卻均是交流. 所以,中國未來的電力體制,必不可免地將出現(xiàn)一個"大改革".
在當前的電力調(diào)度中,最為頭痛的是夏季 "空調(diào)"用電. 往往一到炎熱天氣,居民紛紛用"空調(diào)"取冷,所需電力裝機容量已高達1.5—2億千瓦之多,而且這一用電需求,還在迅速增加! 而隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,農(nóng)村用電的增加,將出現(xiàn)白天用電的強烈的需求,也就是"峰谷比"將不斷加大. 解決這一疑難的最佳方案是迅速建立一個"以太陽能為中心、由其他可再生能源為補充"的調(diào)供"高峰"用電的網(wǎng)絡,將大幅度減少拉閘限電,大幅度減少正在迅速增加的火力發(fā)電機組壓力,做到"可再生能源"和"傳統(tǒng)發(fā)電模式"的雙贏. 這也是中國在電力體制上必將到來的又一"大改革".
為應對即將來到的為減少溫室氣體排放而推行的"碳關稅"、"碳貿(mào)易"和未來可能出現(xiàn)的化石能源的枯竭,中國的能源價格、稅收、貿(mào)易……價格體制等等,也必須進行一場適應"時代"的"大改革",真正發(fā)揮市場需求在資源合理的配制上的基礎作用.
萬事起頭難!
這一"大改革"帶來的"大變動",必定先從這里所呼吁的"建立以‘太陽能+風能+小水電+生物質(zhì)能+中小型儲能兼中小型電動車的動力電池'相組合的‘微型、小型智能電網(wǎng)'為‘中心'的供電、供熱的新能源體系"做起!
從技術層面上說,有一項關鍵技術是:必須盡快提供"低成本、長壽命、高轉(zhuǎn)化率、而又有高功率的大型、超大型的鋰離子儲能電池".
5 結束語
不僅僅中國能源體制需要"大改革",而且中國的"農(nóng)業(yè)"也需要"大改革". 中國的農(nóng)村,將不再局限于向社會提供糧食和衣物,而且將成為"可再生能源"(包括太陽能和生物質(zhì)能)長期持續(xù)供應基地. 其單位土地面積的收益,將至少是傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品的10倍!
