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“可再生能源+儲能+電動汽車”在小城鎮(zhèn)應用分析

2017-12-06 19:51:19 來源:中國物理學會作者:何祚庥　點擊量：評論 (0)

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

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. 凡較易轉化為電能的為高品位能源,較難轉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倍聚光轉盤+集熱小塔+陳定日鏡",而又用"水蒸汽"作為傳熱介質,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)調供給和需求的方案,也必定是"就近"調節(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)?quot;,卻很難再加以利用,而由"電"直接轉化為"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".

在當前的電力調度中,最為頭痛的是夏季 "空調"用電. 往往一到炎熱天氣,居民紛紛用"空調"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!

原標題:太陽能發(fā)電和儲能電池