隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)相繼走上工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化,一個(gè)必然要出現(xiàn)的需求是,中國(guó)必須加速發(fā)展農(nóng)業(yè),加速建設(shè)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(chǔ).

 

一個(gè)顯然的事實(shí)是:中國(guó)現(xiàn)有2億農(nóng)民進(jìn)城"打工",未來(lái)10年,還可能新增3億人涌入城市. 中國(guó)的農(nóng)業(yè)必須在有大量?jī)?yōu)秀勞動(dòng)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(yīng);中國(guó)的農(nóng)村必須成為農(nóng)產(chǎn)品初級(jí)加工和某些適合在農(nóng)村深加工的生產(chǎn)基地;中國(guó)農(nóng)民也必將相繼走向富裕,成為居民消費(fèi)的主體.

 

所有這些"新"出現(xiàn)的"三農(nóng)"問(wèn)題的解決,必定轉(zhuǎn)化為"市場(chǎng)前景大、資源消耗低、就業(yè)機(jī)會(huì)多、綜合效益好"的"戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)",關(guān)鍵是如何"認(rèn)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(xiàng)目之中,最為重要的是必須解決廣大農(nóng)村、邊遠(yuǎn)地區(qū)和中、小城鎮(zhèn)即將涌現(xiàn)出來(lái)的迅速而猛烈的能源的需求(例如,不能設(shè)想,在南方氣候十分炎熱的地區(qū),現(xiàn)代"空調(diào)"技術(shù)只應(yīng)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(lái)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(biāo)背道而馳,而且運(yùn)費(fèi)將占供能成本的大部分! 所以,在發(fā)展分布式供能的問(wèn)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(gè)在廣大農(nóng)村、小城鎮(zhèn)亟待開(kāi)拓的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)———建立以‘太陽(yáng)能+風(fēng)能+小水電+生物質(zhì)能+小型抽水儲(chǔ)能電站+中小型儲(chǔ)能兼中小型電動(dòng)車(chē)的動(dòng)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".

 

 

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(jí)不同的"智能型"電網(wǎng). 由微電網(wǎng)、小電網(wǎng)、中電網(wǎng),進(jìn)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(chǔ)能電池"組成的"微電網(wǎng)". 我國(guó)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(shù)已做到每平方米能發(fā)出50W 的電力,其等價(jià)于不跟蹤太陽(yáng)的平板電池的"等效"峰值功率的組件售價(jià),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(shí)計(jì),4億千瓦將發(fā)出6000 億度電能. 以10 億農(nóng)村人口計(jì),可實(shí)現(xiàn)人均供應(yīng)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€(gè)可"供熱 + 供電"轉(zhuǎn)盤(pán)示意圖.

圖1 安置在屋頂?shù)囊粋€(gè)可"供熱+供電"轉(zhuǎn)盤(pán)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(shè)能連續(xù)供電8—10小時(shí)的、功率為 500—2000kW 的"太陽(yáng)能光伏電站+風(fēng)能+鋰離子儲(chǔ)能電池"構(gòu)成的"小型"智能電網(wǎng). 我國(guó)現(xiàn)有 18.26 億畝(1.2174億公頃)的耕地,但我國(guó)還有面積約4億畝宜能荒地(指可開(kāi)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(yáng)能發(fā)電用地. 如以每平方米發(fā)電50W 計(jì),1畝荒地可裝機(jī)33.3千瓦,1億畝荒地可裝機(jī)33億千瓦!! 這些荒地的太陽(yáng)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(shè)由大、中、小型的"光伏電站+儲(chǔ)能電池"所構(gòu)成的"中、小型"智能電網(wǎng). 由于這些地區(qū)大多臨近發(fā)達(dá)地區(qū),其開(kāi)發(fā)成本、輸電成本均較低. 以年發(fā)電1500小時(shí)計(jì),1億畝荒地上的 33.3 億千瓦的裝機(jī),將等價(jià)于能發(fā)電6000小時(shí),裝機(jī)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(shí)間所需要的峰電. 在發(fā)達(dá)地區(qū),"峰谷比"之間的電價(jià)差距將越來(lái)越大,所以,這一"光伏電站+儲(chǔ)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(chǔ)能電池還可兼作包括拖拉機(jī)在內(nèi)的農(nóng)用客運(yùn)、貨運(yùn)電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力電池.

 

據(jù)說(shuō),正在研發(fā)中的"以錳酸鋰為正極、鈦酸鋰為負(fù)極"的新型儲(chǔ)能電池,能充放電 20000—30000次,因而其儲(chǔ)能成本將下降到0.1元/度次! 我們迫切希望近期就有這類(lèi)新技術(shù)的出現(xiàn).

 

 

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(shè)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(yáng)能發(fā)電+秸稈或沼氣發(fā)電"聯(lián)合供電供熱電站.

 

近年來(lái),在太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)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(lái)克服已走向產(chǎn)業(yè)化的"槽式"電站具有的嚴(yán)重?zé)崃繐p失的重大缺點(diǎn). 

 

 

陳式定日鏡的特點(diǎn)是:不論太陽(yáng)自晨至晚,從冬到夏,這一定日鏡能自動(dòng)地在時(shí)間、空間分布上較均勻地將太陽(yáng)光反射到某一由"小塔"所支撐的某一"集熱面"上..

 

這種新型的陳式定日鏡技術(shù)繼承和吸收了"塔式"、"碟式"熱發(fā)電技術(shù)中的"點(diǎn)聚焦"集熱技術(shù),同"槽式"熱發(fā)電的"柱聚焦"技術(shù)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(shí)又保留了"槽式"熱發(fā)電技術(shù)具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn). 因?yàn)橹灰獙⒁蛔?quot;小塔"重復(fù)連接成十幾公里的 "多塔", 就能構(gòu)建功率達(dá)1MW、10MW,甚而100MW 的太陽(yáng)能熱電站. 而新型定日鏡,由于它的結(jié)構(gòu)單一,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化. 所以,它的單位功率造價(jià)將可比現(xiàn)在德國(guó)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(guó)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. 

 

陳應(yīng)天教授在這一試驗(yàn)中所獲得的突出的成就是,已做到其定日鏡的造價(jià)為1200元/m2,能抗12級(jí)大風(fēng),而且還有大幅度價(jià)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(fēng)根本不成為問(wèn)題.顯然,這些技術(shù)為我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的提前產(chǎn)業(yè)化開(kāi)拓了新途徑. 尤其,這一技術(shù)完全是我國(guó)自主研發(fā)的,并擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù).

 

為進(jìn)一步降低太陽(yáng)能熱發(fā)電成本,陳應(yīng)天教授等人還提出了"兩步走"升溫的新理念,現(xiàn)簡(jiǎn)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(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所所長(zhǎng)吳仲華院士指出:利用熱能的基本準(zhǔn)則是"溫度對(duì)口,梯級(jí)利用". 否則將出現(xiàn)"大浪費(fèi)". 高品位的煤,承擔(dān)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(shí),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(jī)組發(fā)電過(guò)程中,也存在著上述 "大浪費(fèi)". 發(fā)電機(jī)組往往用"煤"從加熱冷水開(kāi)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(lái)取代! 或者說(shuō),在熱能利用問(wèn)題上,要"溫度對(duì)口,優(yōu)質(zhì)優(yōu)用,梯級(jí)加熱,梯級(jí)利用".

 

太陽(yáng)能供熱當(dāng)然也應(yīng)發(fā)展"兩步走"梯級(jí)升溫的技術(shù).

 

第一步利用價(jià)廉、技術(shù)較簡(jiǎn)單的溫度和品位較低的太陽(yáng)能,將水加溫成為160—200℃中低溫的水蒸汽.

 

第二步利用技術(shù)較復(fù)雜、成本也相對(duì)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(jī)組所需高溫高壓的水蒸汽,推動(dòng)渦輪機(jī)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(dá)540cal之多. 所以,在"兩步走"的太陽(yáng)能集熱裝置的設(shè)計(jì)中,其"第一步"由冷水加溫到 160—200℃的水蒸汽,所收集的太陽(yáng)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(yáng)能僅占全部熱量的20%—30%.

 

由于"第一步"吸收的熱量,用廉價(jià)而品位較低的太陽(yáng)能,占全部熱量的70%—80%;所以"兩步走"升溫技術(shù)將大幅度地降低太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的集熱成本.

 

上述"設(shè)想"已付諸實(shí)踐. 陳應(yīng)天已在他研發(fā)的4倍聚光光伏發(fā)電裝置基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)展為5倍聚光集熱太陽(yáng)能中低溫蒸汽發(fā)生器. 

 

陳應(yīng)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(jìn)的余地. 

 

初步測(cè)算,如果用"5倍聚光轉(zhuǎn)盤(pán)+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(jià)下降到15000—16000元,而且有和火力發(fā)電技術(shù)近似相同的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命,所發(fā)電能還是可直接上網(wǎng)的交流電.

 

問(wèn)題是這一發(fā)電技術(shù),難以避免太陽(yáng)能所固有的"間隙性"的缺點(diǎn). 如果遭遇連陰天,這一太陽(yáng)能的"間隙性"可用秸稈氣化或沼氣發(fā)電來(lái)彌補(bǔ). 但如果要求太陽(yáng)能熱發(fā)電能"持續(xù)、穩(wěn)定"地供電8—10小時(shí),這一缺點(diǎn)就最好用"光伏電站+鋰離子儲(chǔ)能電池+直流變交流的逆變器"來(lái)彌補(bǔ)太陽(yáng)能供電的"間隙性". 這一方案的優(yōu)點(diǎn)是:比"純"光伏電站少用3/4的"鋰離子儲(chǔ)能電站+逆變器"卻仍能持續(xù)供電8—12小時(shí),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(chǔ)能電池持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(yáng)能鍋爐"直接推動(dòng)小型蒸汽渦輪機(jī)組或單螺桿式機(jī)組發(fā)電,只不過(guò)這一太陽(yáng)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(jié)構(gòu)上做"大改革"

 

現(xiàn)在人們紛紛呼吁中國(guó)要建設(shè)大型、超大型的智能電網(wǎng),大幅度提高能源利用效率. 中國(guó)工程院杜祥琬院士提出,"中國(guó)要發(fā)展智能電網(wǎng),首先要做好概念設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì),在戰(zhàn)略指導(dǎo)下做好規(guī)劃、方案,尤其要先做好示范",而且所建設(shè)的智能電網(wǎng),必須"在技術(shù)上是可行的,經(jīng)濟(jì)上是劃算的,環(huán)境上是友好的,是符合中國(guó)國(guó)情的". 杜祥琬院士還提出,"現(xiàn)在還有一些沒(méi)有解決好的問(wèn)題",如"新能源與電網(wǎng)如何友好","間歇性的風(fēng)、光、如何與電網(wǎng)相融合"等等?

 

從我們來(lái)看,一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的智能電網(wǎng)的"概念設(shè)計(jì)"、"頂層設(shè)計(jì)",只能是"由小到大",只能在"微電網(wǎng)"、"小電網(wǎng)"、……等各級(jí)電網(wǎng)做到初步"智能"化的基礎(chǔ)上,才能做到"全局"上的智能化. 正如計(jì)劃經(jīng)濟(jì)必定由市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所取代的"理念"一樣,集中的中央計(jì)劃部門(mén)往往難以準(zhǔn)確地了解不斷變動(dòng)中的居民的需求. 即使采用了現(xiàn)代化的通信技術(shù),能迅速全面地將一切信息集中到中央指揮機(jī)關(guān),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(zhǎng)期以來(lái),中國(guó)電力集團(tuán)奉行的準(zhǔn)則之一,是追求"規(guī)模"效益. 發(fā)電機(jī)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(yán)重地忽略了一個(gè)因素:無(wú)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(wù)于"大煤電"的"特高壓"的大電網(wǎng),決不是"中國(guó)能源輸送體系深度改革之路". 因?yàn)?quot;煤從空中走",只能做到"電送全中國(guó)";而"熱能

 

留當(dāng)?shù)?quot;,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(yīng)的能源是太陽(yáng)能、風(fēng)能. 太陽(yáng)能、風(fēng)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(lái)的智能電網(wǎng)的建設(shè)中,就存在一個(gè)直流和交流的矛盾.從電流的傳輸來(lái)看,直流輸電無(wú)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(dāng)前用戶所用電流卻均是交流. 所以,中國(guó)未來(lái)的電力體制,必不可免地將出現(xiàn)一個(gè)"大改革".

 

在當(dāng)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(jī)容量已高達(dá)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村用電的增加,將出現(xiàn)白天用電的強(qiáng)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(gè)"以太陽(yáng)能為中心、由其他可再生能源為補(bǔ)充"的調(diào)供"高峰"用電的網(wǎng)絡(luò),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(jī)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(guó)在電力體制上必將到來(lái)的又一"大改革".

 

為應(yīng)對(duì)即將來(lái)到的為減少溫室氣體排放而推行的"碳關(guān)稅"、"碳貿(mào)易"和未來(lái)可能出現(xiàn)的化石能源的枯竭,中國(guó)的能源價(jià)格、稅收、貿(mào)易……價(jià)格體制等等,也必須進(jìn)行一場(chǎng)適應(yīng)"時(shí)代"的"大改革",真正發(fā)揮市場(chǎng)需求在資源合理的配制上的基礎(chǔ)作用.

 

萬(wàn)事起頭難!

 

這一"大改革"帶來(lái)的"大變動(dòng)",必定先從這里所呼吁的"建立以‘太陽(yáng)能+風(fēng)能+小水電+生物質(zhì)能+中小型儲(chǔ)能兼中小型電動(dòng)車(chē)的動(dòng)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(shù)層面上說(shuō),有一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是:必須盡快提供"低成本、長(zhǎng)壽命、高轉(zhuǎn)化率、而又有高功率的大型、超大型的鋰離子儲(chǔ)能電池".

 

5 結(jié)束語(yǔ)

 

不僅僅中國(guó)能源體制需要"大改革",而且中國(guó)的"農(nóng)業(yè)"也需要"大改革". 中國(guó)的農(nóng)村,將不再局限于向社會(huì)提供糧食和衣物,而且將成為"可再生能源"(包括太陽(yáng)能和生物質(zhì)能)長(zhǎng)期持續(xù)供應(yīng)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(biāo)題:太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)能電池