niweidou的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/niweidou 倪维斗,清华大学教授,博士生导师,中国工程院院士。

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因地制宜,因应用制宜,充分利用可再生能源

已有 4069 次阅读 2009-12-27 12:29 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述| 可再生能源


可再生能源的根本特点是能量密度低、随机性大、不可控因素多,和一个国家、一个地区的经济、资源分布、人口分布、人均占有量、用能形式、技术水平、社会发展阶段等有十分紧密的联系,适用的技术和所起的作用必然是各不相同。所以,可再生能源的应用一定要从国情,从各地区的具体情况出发,千万不能套用国外的模式。对我国来说,虽然都在谈论可再生能源的重点发展,但从各种能源(煤、水、油、气、核)的配合,可再生能源应该有的地位并不清楚,没有一个和其它能源取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局,而是各提指标,“各打各的仗”,“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个整体,是一个各种不同能源的转换,各种不同能源的输送,以各种不同形式(交流电、直流电、高温热、低温热、机械能等)服务于不同的终端用户的庞大复杂系统。若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中,必须对整个能源系统作相应的调整,使之各得其所,发挥各自的长处——这是需要我们深入研究的。不然的话,费了很大人力、物力、财力去发展可再生能源,表面上看起来轰轰烈烈,但从国家能源系统的整体来看,收益却不大。所以说,因地制宜,因不同的需求制宜是一个原则,或者说,从国家高度一定要把“合适的能源放在合适的地方”。

可再生能源种类繁多,从其所能提供的能量,在总的能源平衡可以起相当份额作用的角度看,一般是指风能、太阳能和生物质能。

风能

我国风能资源是相对比较丰富的,按照目前流行的说法是陆上2.54亿kW(按10m高度),近海7.5亿kW。这些数据只是一个大概,很不准确,对现代大型风力发电来说,更重要的是50m,甚至100m高度的风力资源。目前,国家正在着手详细的风力资源调查,这是我国风电发展的基础,但工作量较大。

到2005年,我国风力发电装机容量是126万kW,所产生的总电量约是当前发电总量的1/1000左右。目前运作的机组约75%是引进的国外机组,25%是国产的。自主产权的机组有600kW,750 kW,1.2MW和1.5MW,后两种还有一个成熟期。目前,我国风电发展的关键不是急急忙忙利用国外技术和设备建设很多风场,因为我国根本不缺这些“微不足道”的电量,而是要利用大家关注可再生能源的时机,集中有关力量,研制出具有自己自主知识产权的大型风力发电机组(1.5-3.0MW)。在风机整体优化、气动设计、强度疲劳、振动、长期可靠运行、控制、材料制造等方面掌握关键技术,在3~5年后给市场提供和国外机组相当水平的大型风电机组。不然的话,大家一哄而上,几十个、甚至上百个企业都在做风电的整机,运作的模式都是找一个外国的合伙人,形成八国联军,把我们自己已经多年积累、形成一定规模的风电产业“边缘化”了。也就是说,近几年风电发展要投入的资金,应主要用于支持培植我国自己风电产业的研制和生产能力,而不是拿到一定量的风力发电装机容量,宁愿容量少一些、增长慢一些,而给我国风电产业这个“弱小母鸡”多一些食吃,以便将来满足大规模风电发展的需要。

中国的风电发展还有另一个重要制约因素。新疆、内蒙地区风力资源十分丰富,但这些地方经济相对不发达,用电负荷不紧张,其它化石能源价格低,供应充足,地区电网规模小,电价比较低。因而,这些地区的电网没有发展风电的驱动力,风电多了不仅对电网的稳定性产生负面影响,且由于当地电价低,电网对每度风电要补贴更多,会降低地区电网的效益。

在这样情况下,中国风电应如何发展?中国的电力负荷中心在东部沿海,是否应重点发展东部沿海和近海的风电?此外,是否把大型风力发电装置并网是唯一的出路?中国有大量的耗能工业,如氯碱(每吨耗电3000kWh)、电解铝(每吨耗电15000~18000kWh),这些工业都由电网供电,且要从高压交流通过降压、整流转换成低压、大电流的直流电。是否可以设想由风电“直供”这些耗能企业,而不通过并网?这样就可以免除并网所带来的消极后果和风电上网所需的复杂设备。例如,可以免除齿轮箱,不需要转速调节和昂贵的发电机控制,使风电设备造价大幅度降低。风电发出的低频、频率变化不定的交流电经整流后直接供给用户。

这种非并网风电和目前世界上正在迅速发展的分布式热、电、冷联供在思路上有相通之处,即能源的利用和转换尽量贴近用户的需求(从地域、从用能形式)。这是一个十分值得探讨的问题,总之要结合我们具体情况,走出我国自己风电发展的路子。

太阳能利用

太阳能光伏(PV)利用肯定是一个有十分广阔前景的方向。可惜的是近年来PV的研究虽然取得了很大成绩,但相对常规发电,单位容量价格仍高几十倍,要真正变成有份额的发电还有很长的道路要走。我国在PV材料和工艺方面和国外先进技术相比还有不小的差距,在这方面开展深入的材料制备,先进工艺和提高转化效率方面的基础和基础性研究是十分必要的,国家也应加大投入力度。

太阳能热发电虽已有各种互有优劣的方案,如槽式、碟式、塔式等,国际也已有小规模示范,有必要开展这方面的基础性研究、关键元件和技术研究,同时也可以进行小规模的示范项目。不过,从本质上说,把能量密度十分低的太阳光能用聚焦的方法把温度提高到遵循卡诺循环原理的热力机械所需的水平,是否是一个主流方向?从和自然和谐、顺从自然的角度,应该是分散能源分散用,分散能源直接提供给合适的分散用户和其所需的用能方式。我国是否要发展大规模的太阳能的热发电值得深入探讨,不能因为国外有示范我们就一定要“跟上”。

太阳能热利用 太阳能热利用是一种最现实、最有前途、最能够有份额的替代化石能消耗的太阳能利用方式。我国在真空集热管的高吸收率涂层和工艺处于世界领先,在应用方面也居世界首位,已有6000万m2的太阳能集热管在全国和世界各地应用。目前的应用主要是用于生活热水供应,其实在建筑节能方面有很大的、更为广阔的应用前景。目前,尤其是我国房屋总建筑面积迅速增长,用于空调、采暖的能耗必随之增加,建筑用能已达总能耗的30%。因而,更应利用太阳能集热管,研究中温和高温集热管,和地源热泵相结合,组成新的采暖,空调系统,大大降低建筑中的化石能源(包括电能)的消耗。

从建筑耗能的本质来说,大量能源消耗是用在将室内温度相对环境温度下降7~8℃(夏天)和提高18~20℃(冬天),而所用能源却要通过多重转换(化石燃料的化学能转换成1500℃的热能,通过传热、传质和各种热力机械转换成电能或高温热能)和相当距离的输运才能解决上、下只有十余度的温差。怎样使本质上分布式的建筑用能和大自然中分布式的太阳热能更紧密结合起来,是一个意义十分重大、和建筑理念、政策调控相结合的长期大课题。

生物质能

关于粮食和非粮食作物转换成车用燃料的问题前面已有分析。我国可利用的农作物秸秆大约相当于3亿tce,可利用的森林废弃物大约也是相当于3亿tce。因此总量相当有限、人均更少。这和美国(大农场)、巴西(大量、高产甘蔗)和一些北欧国家(如瑞典,人口800万,面积40万平方公里,森林覆盖率80%)有本质的差别。我国人均耕地少(1亩多一些),从而人均生物质保有量也很少,且高度分散。所以,绝不能照搬国外的做法,而是必须从国情出发,因地制宜。

生物质是高度分散的资源,顺其自然,应该是分布式利用,应发展各种生物质就地加工、就地使用的新工艺、新方法。要总结多年来小规模气化、做液体燃料难以为继的经验教训。目前比较好的方法之一就是用新的力学原理(挤、切、捻),把秸秆和其它各种纤维质、木质素做成颗粒,不需要加热和粘接剂,制造颗粒的能耗尽量小。这种颗粒燃尽率高,使用方便,污染小,是建设社会主义新农村解决能源问题的有效途径。这样,可以把农村居民相当普遍使用的炊事、采暖用煤替换出来,用于高效低污染的大电厂。此外,我国还有大量低效率(65%左右)和高污染的小型工业锅炉,这些锅炉每年用煤量为2~3亿吨,生物质颗粒亦可以把它们的用煤部分替换出来,大大提高利用效率和减少污染。

目前国家发改委的优惠政策导向和利用生物质的规划都是以全生物质发电为主,很多地方和电网公司也热衷于建设25MW级容量以下的生物质发电厂,这个方向是很值得质疑的。这类电站单位容量投资大(常规电站一倍以上),热效率偏低(30%左右),收集困难,消耗大量的其它能源(如柴油)来运输低密度的秸秆,而产生的电量有限,从全生命周期来说是很不划算的。以此导向,就会出现一种“怪”现象,集中开采、高能量密度的煤分散到广大农村和小型锅炉被低效、高污染的应用,而高度分散的生物质却要组织庞大的物流系统,把它集中起来作效率偏低的小规模的发电。我国正在迅速发电超临界、高超临界100万kW级煤电机组,用电的任务完全可以由这些现代化的大电厂来承担。用收集困难、单位体积能量密度小的生物质来发电,是逆自然而动的、不合理的安排和人力、物力、资源的浪费。


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