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".

 

 

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.

 

 

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. 

 

 

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..

 

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. 

 

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電技術的提前產業化開拓了新途徑. 尤其,這一技術完全是我國自主研發的,并擁有完全自主的知識產權的新技術.

 

為進一步降低太陽能熱發電成本,陳應天教授等人還提出了"兩步走"升溫的新理念,現簡介如下.

 

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"大浪費". 高品位的煤,承擔著低品位的職能;可發電的"煤",卻用作室溫為23—27℃的供暖.

 

其實,不僅在室內供暖,在各種工業鍋爐供暖、供氣,甚至在火力發電機組發電過程中,也存在著上述 "大浪費". 發電機組往往用"煤"從加熱冷水開始,逐步加溫產生高溫高壓水蒸汽. 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,優質優用,梯級加熱,梯級利用".

 

太陽能供熱當然也應發展"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,繼續升溫加熱到發電機組所需高溫高壓的水蒸汽,推動渦輪機組發電.

 

水的比熱約為 1cal/g˙℃,水蒸汽的比熱約為0.5cal/g˙℃,液態水轉化為氣態蒸汽吸收的"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. 陳應天已在他研發的4倍聚光光伏發電裝置基礎上,進一步擴展為5倍聚光集熱太陽能中低溫蒸汽發生器. 

 

陳應天等人利用這一5倍聚光的蒸汽發生器已能持續產生壓力為3—5大氣壓力,溫度為160℃的水蒸汽,而且還有繼續改進的余地. 

 

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,而且有和火力發電技術近似相同的持續運轉壽命,所發電能還是可直接上網的交流電.

 

問題是這一發電技術,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電來彌補. 但如果要求太陽能熱發電能"持續、穩定"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"卻仍能持續供電8—12小時,又有大量"廢"熱用作農業生產供熱和維持某些鋰離子儲能電池持續運轉時所需的"恒溫".

 

如果農業上僅有"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電,只不過這一太陽能熱發電效率較低,但卻能回收較多熱能.

 

4 建造智能電網,必須"由小到大",必須在電力結構上做"大改革"

 

現在人們紛紛呼吁中國要建設大型、超大型的智能電網,大幅度提高能源利用效率. 中國工程院杜祥琬院士提出,"中國要發展智能電網,首先要做好概念設計、頂層設計,在戰略指導下做好規劃、方案,尤其要先做好示范",而且所建設的智能電網,必須"在技術上是可行的,經濟上是劃算的,環境上是友好的,是符合中國國情的". 杜祥琬院士還提出,"現在還有一些沒有解決好的問題",如"新能源與電網如何友好","間歇性的風、光、如何與電網相融合"等等?

 

從我們來看,一個經濟有效的智能電網的"概念設計"、"頂層設計",只能是"由小到大",只能在"微電網"、"小電網"、……等各級電網做到初步"智能"化的基礎上,才能做到"全局"上的智能化. 正如計劃經濟必定由市場經濟所取代的"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,其最佳協調供給和需求的方案,也必定是"就近"調節.

 

長期以來,中國電力集團奉行的準則之一,是追求"規模"效益. 發電機組的規模越大越好,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,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

 

留當地",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、風能發出的電流是直流,而傳統能源發出的電流是交流. 所以,在未來的智能電網的建設中,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! 而隨著社會經濟的發展,農村用電的增加,將出現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電機組壓力,做到"可再生能源"和"傳統發電模式"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'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"農業"也需要"大改革". 中國的農村,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)長期持續供應基地. 其單位土地面積的收益,將至少是傳統農產品的10倍!

 

原標題:太陽能發電和儲能電池