“可再生能源+储能+电动汽车”在小城镇应用分析

2017-12-06 19:51:19 来源:中国物理学会作者:何祚庥　点击量：评论 (0)

1 广大农村将迅速出现猛烈的用能需求随着中国社会经济相继走上工业化、城市化、现代化,一个必然要出现的需求是,中国必须加速发展农业,加速建设农村,加速改善农民生活,而"三农(农民、农村、农业) 是"工业化、城

1 广大农村将迅速出现猛烈的用能需求

随着中国社会经济相继走上工业化、城市化、现代化,一个必然要出现的需求是,中国必须加速发展农业,加速建设农村,加速改善农民生活,而"三农”(农民、农村、农业) 是"工业化、城市化、现代化"的基础.

一个显然的事实是:中国现有2亿农民进城"打工",未来10年,还可能新增3亿人涌入城市. 中国的农业必须在有大量优秀劳动力持续向城市转移的条件下,又能高效持续地增加向城市提供粮食和原材料的供应;中国的农村必须成为农产品初级加工和某些适合在农村深加工的生产基地;中国农民也必将相继走向富裕,成为居民消费的主体.

所有这些"新"出现的"三农"问题的解决,必定转化为"市场前景大、资源消耗低、就业机会多、综合效益好"的"战略性新兴产业",关键是如何"认真把握好科技超前部署的规律".

在诸多有待"超前"部署的科技项目之中,最为重要的是必须解决广大农村、边远地区和中、小城镇即将涌现出来的迅速而猛烈的能源的需求(例如,不能设想,在南方气候十分炎热的地区,现代"空调"技术只应用于城市,不普及到农村!)

彻底解决这一需求的唯一途径是大力发展分布式供能系统,包括供电和供热,有望将所需能源的利用率提高到60%—80%. 但如果这一次能源来自煤炭、石油、天然气,那就不仅和"到2020年,单位 GDP释放的 CO2 减排40%—45%"的约束性指标背道而驰,而且运费将占供能成本的大部分! 所以,在发展分布式供能的问题上,必须"因地制宜"、"就地取材".也就是本文作者这里建议的:"一个在广大农村、小城镇亟待开拓的战略性新兴产业———建立以‘太阳能+风能+小水电+生物质能+小型抽水储能电站+中小型储能兼中小型电动车的动力电池'相组合的‘小型智能电网'为‘中心'的供电、供热的新能源体系".

2 为什么这里强调建设以"小型智能电网"为"中心"的"供电、供热"的体系?

电能较易传输,热能往往有较大传输损失. 解决农村、小城镇用电,最好组成大小等级不同的"智能型"电网. 由微电网、小电网、中电网,进而发展为大型、超大型的智能型电网. 供热就需要尽量缩短管道供热距离.

解决生活用电的最佳方案是"屋顶光伏发电+锂离子储能电池"组成的"微电网". 我国约有100亿平方米的屋顶, 广大农村约有全部屋顶面积的70%—80%. 正在发展中的第三代光伏发电技术已做到每平方米能发出50W 的电力,其等价于不跟踪太阳的平板电池的"等效"峰值功率的组件售价,已下降到15—16元/W.80亿平方米的屋顶面积,可安装约4亿千瓦的电力. 以年平均发电1500小时计,4亿千瓦将发出6000 亿度电能. 以10 亿农村人口计,可实现人均供应600度电. 这将完全满足农村各住户照明、电器、空调……用电,节余的电可输往"小电网". 图 1 为安置在屋顶的一个可"供热 + 供电"转盘示意图.

图1 安置在屋顶的一个可"供热+供电"转盘示意图

解决农村生产用电的最佳方案,是因地制宜地建设能连续供电8—10小时的、功率为 500—2000kW 的"太阳能光伏电站+风能+锂离子储能电池"构成的"小型"智能电网. 我国现有 18.26 亿亩(1.2174亿公顷)的耕地,但我国还有面积约4亿亩宜能荒地(指可开垦种植能源作物的荒地). 其中有2亿亩是质量较差、需大力改造后才可种植能源作物、不十分"宜能"的荒地,但却十分适合用作太阳能发电用地. 如以每平方米发电50W 计,1亩荒地可装机33.3千瓦,1亿亩荒地可装机33亿千瓦!! 这些荒地的太阳能资源虽然比沙漠地区稍差,但均离广大农村较近,离用电地区较近,而且大多是连片千亩以上干旱的土地,非常适合在农村临近建设由大、中、小型的"光伏电站+储能电池"所构成的"中、小型"智能电网. 由于这些地区大多临近发达地区,其开发成本、输电成本均较低. 以年发电1500小时计,1亿亩荒地上的 33.3 亿千瓦的装机,将等价于能发电6000小时,装机8亿千瓦的火力发电的全年发电量, 所提供的电能还是高峰用电时间所需要的峰电. 在发达地区,"峰谷比"之间的电价差距将越来越大,所以,这一"光伏电站+储能电池"所组成的"小型"智能电网,将有广阔的发展前景!

用在中、小型智能电网中的储能电池还可兼作包括拖拉机在内的农用客运、货运电动车辆的动力电池.

据说,正在研发中的"以锰酸锂为正极、钛酸锂为负极"的新型储能电池,能充放电 20000—30000次,因而其储能成本将下降到0.1元/度次! 我们迫切希望近期就有这类新技术的出现.

3 更有发展前景的产业———由可再生能源组成的分布式的、供电供热的联合电站

如果广大农村出现较大量的生产性供热的需要,其最佳方案将是建设热电两用的中、小型热电站,也就是能大幅度地提高一次能源利用率的、分布式的"太阳能发电+秸秆或沼气发电"联合供电供热电站.

近年来,在太阳能热发电技术上,新出现的理念是:用一种新型的"陈式定日镜 + 小塔支撑的集热面",来克服已走向产业化的"槽式"电站具有的严重热量损失的重大缺点. 图2是槽式电站的示意图.

图2 槽式电站示意图

陈式定日镜的特点是:不论太阳自晨至晚,从冬到夏,这一定日镜能自动地在时间、空间分布上较均匀地将太阳光反射到某一由"小塔"所支撑的某一"集热面"上. 图3是陈式定日镜和小塔支撑的集热面的照片.

图3 陈式定日镜和小塔支撑的集热面照片

这种新型的陈式定日镜技术继承和吸收了"塔式"、"碟式"热发电技术中的"点聚焦"集热技术,同"槽式"热发电的"柱聚焦"技术相比,有更高的集热量和集热温度,有更高的热电转化效率;但同时又保留了"槽式"热发电技术具有的结构简单、易于规模化、产业化等优点. 因为只要将一座座"小塔"重复连接成十几公里的 "多塔", 就能构建功率达1MW、10MW,甚而100MW 的太阳能热电站. 而新型定日镜,由于它的结构单一,可实现大规模产业化. 所以,它的单位功率造价将可比现在德国使用的槽式电站发电成本至少下降30%—40%,可将现有在国外发展的槽式发电成本,从2.0元/kW˙h下降到0.8—1.0元/kW˙h. 图4是一组"定日镜+集热面+小塔"联合集热的照片.