“可再生能源+儲能+電動汽車”在小城鎮應用分析

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 廣大農村將迅速出現猛烈的用能需求隨著中國社會經濟相繼走上工業化、城市化、現代化,一個必然要出現的需求是,中國必須加速發展農業,加速建設農村,加速改善農民生活,而"三農(農民、農村、農業) 是"工業化、城

1 廣大農村將迅速出現猛烈的用能需求

隨著中國社會經濟相繼走上工業化、城市化、現代化,一個必然要出現的需求是,中國必須加速發展農業,加速建設農村,加速改善農民生活,而"三農”(農民、農村、農業) 是"工業化、城市化、現代化"的基礎.

一個顯然的事實是:中國現有2億農民進城"打工",未來10年,還可能新增3億人涌入城市. 中國的農業必須在有大量優秀勞動力持續向城市轉移的條件下,又能高效持續地增加向城市提供糧食和原材料的供應;中國的農村必須成為農產品初級加工和某些適合在農村深加工的生產基地;中國農民也必將相繼走向富裕,成為居民消費的主體.

所有這些"新"出現的"三農"問題的解決,必定轉化為"市場前景大、資源消耗低、就業機會多、綜合效益好"的"戰略性新興產業",關鍵是如何"認真把握好科技超前部署的規律".

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村、邊遠地區和中、小城鎮即將涌現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,現代"空調"技術只應用于城市,不普及到農村!)

徹底解決這一需求的唯一途徑是大力發展分布式供能系統,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:"一個在廣大農村、小城鎮亟待開拓的戰略性新興產業———建立以‘太陽能+風能+小水電+生物質能+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'為‘中心'的供電、供熱的新能源體系".

2 為什么這里強調建設以"小型智能電網"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. 解決農村、小城鎮用電,最好組成大小等級不同的"智能型"電網. 由微電網、小電網、中電網,進而發展為大型、超大型的智能型電網. 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"屋頂光伏發電+鋰離子儲能電池"組成的"微電網". 我國約有100億平方米的屋頂, 廣大農村約有全部屋頂面積的70%—80%. 正在發展中的第三代光伏發電技術已做到每平方米能發出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. 以年平均發電1500小時計,4億千瓦將發出6000 億度電能. 以10 億農村人口計,可實現人均供應600度電. 這將完全滿足農村各住戶照明、電器、空調……用電,節余的電可輸往"小電網". 圖 1 為安置在屋頂的一個可"供熱 + 供電"轉盤示意圖.

圖1 安置在屋頂的一個可"供熱+供電"轉盤示意圖

解決農村生產用電的最佳方案,是因地制宜地建設能連續供電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. 我國現有 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電用地. 如以每平方米發電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稍差,但均離廣大農村較近,離用電地區較近,而且大多是連片千畝以上干旱的土地,非常適合在農村臨近建設由大、中、小型的"光伏電站+儲能電池"所構成的"中、小型"智能電網. 由于這些地區大多臨近發達地區,其開發成本、輸電成本均較低. 以年發電1500小時計,1億畝荒地上的 33.3 億千瓦的裝機,將等價于能發電6000小時,裝機8億千瓦的火力發電的全年發電量, 所提供的電能還是高峰用電時間所需要的峰電. 在發達地區,"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,將有廣闊的發展前景!

用在中、小型智能電網中的儲能電池還可兼作包括拖拉機在內的農用客運、貨運電動車輛的動力電池.

據說,正在研發中的"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.

3 更有發展前景的產業———由可再生能源組成的分布式的、供電供熱的聯合電站

如果廣大農村出現較大量的生產性供熱的需要,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"太陽能發電+秸稈或沼氣發電"聯合供電供熱電站.

近年來,在太陽能熱發電技術上,新出現的理念是:用一種新型的"陳式定日鏡 + 小塔支撐的集熱面",來克服已走向產業化的"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"熱發電技術中的"點聚焦"集熱技術,同"槽式"熱發電的"柱聚焦"技術相比,有更高的集熱量和集熱溫度,有更高的熱電轉化效率;但同時又保留了"槽式"熱發電技術具有的結構簡單、易于規模化、產業化等優點. 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,可實現大規模產業化. 所以,它的單位功率造價將可比現在德國使用的槽式電站發電成本至少下降30%—40%,可將現有在國外發展的槽式發電成本,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"聯合集熱的照片.