以太陽能再造一箇中國大戰略的補充_風聞

汪濤

 “中國如何領導世界？（一）——以太陽能為引爆點的西部大開發”系列文章的第一篇發表後，很多網友提出了非常好的建議和意見。近期因接到科技部編寫錢學森創新生平介紹，科協約稿，央視採訪，遠望智庫約稿等一系列任務，延誤了一些後續寫作的時間。因很多網友提出的非常好的建議和意見，關於“再造一箇中國”的話題的確有必要展開一下討論，因此也需要花更多時間收集相關資料和論證。本文就將相應的話題展開。

一、儲能方案解決光伏波動問題

    大力發展太陽能遇到的一個最大的問題就光伏發電的波動問題。因為太陽能的能量來源是高度波動的，很不穩定。有些網友提到生產硅的爐子是24小時不能停的，但很顯然，別説是天晴和天陰太陽光會有巨大變化，每天24小時陽光的強度也會有週期性變化，到了晚上陽光就只剩月亮的反光了，供電怎麼解決？通過儲能等手段使太陽能發電具有一定的穩定性就是很自然想到的解決方案。如果僅僅是太陽能發電成本低，但儲能的成本很高，這會影響最後實際的用電成本，這樣就對是否能在大西北獲得一個接近零電價的超級能源基地存在疑問了。在太陽能發展的一開始，這個光伏的波動問題就已經引起業界高度關注。尋求合適的儲能技術也是從太陽能發展的一開始就成為業界關注的中心。

被業界關注並研究過的儲能技術非常多，其技術原理也天差地別。一種技術是否真正合用，真到了實際工程中會遇到各種各樣事先想到或沒想到的問題。最終是否合用，是需要經過大量理論技術研究和大量實驗工程驗證的。有些甚至要發展一段時間，才能看出其是不是適合繼續發展，或還是有用，但只是適用於某些特定場合。

例如，抽水蓄能電站是通過在太陽能或風能高峯期將下池的水抽到上池儲存能量，在低谷期上池水向下流發電，相當於一個水電站加了抽水功能。這種儲能方式效率非常高，可達到75%-80%的水平。因此，業界曾對它寄予過很高的期望。

抽水蓄能電站儲能原理

    但是，這種儲能方式也存在一些限制，首先是它得有高差，另一個它得需要有足夠的水。在沙漠地區，如果很難去找到有高差並且建高低兩個水池的地方，這個方案的應用就存在困難。大西北地區本來就嚴重缺水，它是否適用於大西北地區就存在很大疑問了。另外，它相當於建一個水電站，因此其工程建設成本早已經是優化到接近極限的，很難再有繼續大幅度下降的空間。

    曾進入過業界關注的儲能技術還有如下這些：

蓄電池儲能。採用鉛酸、鋰電池等二次電池儲電。

全釩液流儲能。

超導環儲能。

飛輪儲能。

壓縮空氣儲能。

各類改進的抽水儲能（如利用巨型岩石體活塞等）。

      ……

以岩石活塞改進的抽水蓄能電站原理示意圖

    以上技術原理網上都有，因此不再展開討論。它們各有優缺點，也都有過一些實際工程應用，或實驗工程驗證。有些技術當研究過一定時間後，就可很明顯發現其發展前景的限制。例如，全釩液流儲能主要材料是含釩的化合物，如V2O5、NH4VO3等。這種儲能技術的確有很多的優點：如可同時充放電；因儲能大小取決於全釩電解液容量，可以很靈活地設計；充放電效率較高，可達75%-80%，與抽水蓄能差不多……但是，這種技術也存在一些根本性的限制。如，能量密度約為40Wh/kg，這與鉛酸蓄電池差不多，並且很難有提升的空間。因此，要實現大容量的儲能，必須要很大容量的電解液儲備設施和電解液本身。這樣其成本很快就會遇到底部，並且要從技術上持續地降低成本很困難。

    不同技術的不同特點，決定了它們適用的場合，千萬不要帶着理想和絕對化的態度來看待。例如，鋰電池作為光伏能源儲能技術有一個好處，可以對純電動車的廢舊鋰電進行梯度利用。但這樣做也有一個限制，因為動力電池廢舊的程度不同，廠家參數有差異，如果簡單地將大量廢舊的鋰電池組合在一起作為大容量光伏發電廠的儲能設備，會遇到極為複雜的電池管理問題。其特性會取決於內阻，電量等特性最差的那一個。因此，這會帶來廢舊鋰電的挑選和電池管理的巨大困難。另外，將過多鋰電池堆在一起作大型儲能設備使用，還會帶來巨大的安全隱患，一旦內部有某個地方散熱不好而着火，可能會迅速燃爆整個鋰電池堆。但是，如果不用將多個鋰電池組合在一起，而是作為路燈等極小容量光伏電池的儲能，其參數一致性就不是太大問題，並且安全性問題也幾乎可以忽略不計。況且，在這個情況下，你總不能為每一個路燈的太陽能光伏電池，去分別建設一個微型抽水儲能電站作為儲能裝備吧？

    以上儲能技術都各有其適用的場合，在未來也會有不同的應用和發展。但是，要作為一種巨大規模的光伏電源儲能手段，都會遇到成本的根本約束問題。

二. 非儲能的解決方案

1. 用電側匹配與發電組合

    如果以為只有儲能才可以解決平滑太陽能波動問題，會嚴重限制人們的思維。本來降低太陽能或風能發電本身就耗費了很大的努力，儲能畢竟是一個附帶的投資，無論如何去研究發展相關技術，肯定都是增加成本的。一個跳躍性的創新思路是：因為我們只是為了使太陽能的波動獲得穩定，是不是隻能通過儲能才能將這種不平穩給削平呢？未必如此。能不能不要儲能或儘量少建儲能設備就實現平穩光伏波動的目的呢？是有可能的。

    我們並不是要把太陽能的波動完全削平成一個恆定值，因為實際用電也是波動的。一般在城市裏白天用電是高峯，晚上用電相對很小。這種用電的波動也大致符合太陽能波動的特點。

    如果大力發展純電動車，其本身就是儲能裝置，只要通過智能的電網管理設計充電的多少，就可以使海量的純電動車成為平滑太陽能電網波動的儲能裝置。這樣就不需要專門建設電源端的大型儲能設備了。

    以上説明，用電側也是不平穩的，如果能將兩者儘可能同步，就可以在一定程度上解決或緩解太陽能的不平穩問題。

    太陽能的能量來自陽光，而風能的能量來自風。風雖然也是不穩定的，但它與太陽光並不同步。晚上或陰天陽光沒了，但可能風還有。甚至於越是陰天風雨交加沒有太陽光時，風可能更大。所以，太陽能和風能如果組合在一起，是可以起到相當程度平穩能量供應作用的。當然，這種平穩作用並不完全，因為風能也是“靠天吃飯”，説不定什麼時候風和陽光都沒了，這該怎麼辦？

    雖然問題還在，但它卻給了我們一個很好的思路：如果用不同發電技術進行組合，本身就可以起到削平發電波動的作用。結合用電側本身就不平穩，並且有純電動車這類海量儲能終端，如果組合的有效發電技術更多，相互有效彌補，最終是否可以使發電波動得到良好的平穩，並與用電波動很好地相一致呢？這正是目前業界最感興趣的方向之一。因為這樣的組合技術，單純儲電的投入會極小化，從而給降成本創造最有利的條件。

2. 天然氣發電

    做什麼事情都不一定要搞100%純而又純，當然純科學除外。因為現實社會運行情況是極為複雜的，一説到新能源和可再生能源，不是説我們就要把一切不可再生的能源方案絕對排除在外。無論可再生還是不可再生，首先它得是能源，滿足社會能源需求，其次才是環保問題。天燃氣發電雖然還是屬於化石能源，但它有一些非常大的好處：

    相對來説其碳排放遠遠少於燃煤發電。因此其環境影響遠比煤炭小，這個不用展開太多。更重要的一點是，作為削平太陽能波動，天燃氣發電有一個很大的好處是啓動快，也可完全停機。相比之下燃煤的爐子不能完全關了，否則重新燃燒啓動不僅要花太長時間，而且能源消耗會大大增加。因此在燃煤發電的低谷期，主要是晚上，還是得保持一定的發電量。為了消化這一部分燃煤發的電，就制定了晚上的低谷電價。天燃氣發電的啓動快和可停機的優點對於削平太陽能的波動是有極大好處的。如果太陽能有大幅度的波動，天燃氣發電廠就可以快速地大幅度變動從而彌補其波動。也可以在太陽能過於富裕時完全停機。雖然天然氣發電的成本會比太陽能高，但因為它主要只是作為調峯和補償太陽能等的波動，因此其成本支出會是最小化。

    天燃氣發電原理圖

    因為利用了燃氣輪機發電和餘熱的蒸汽輪機發電這樣兩級的發電，因此其發電效率比較高，可達到近60%。再加上餘熱作為供暖甚至餘熱製冷等利用，其總的能量利用率是非常高的。在沙漠地區雖然白天陽光充足時高温酷熱，但晝夜温差極大，到了晚上非常冷。因此將餘熱利用作為供暖是有很大價值的。更重要的優點還在後面，為説明這一優點，我們需要先來介紹下光熱發電。

3. 光熱發電

    太陽能發電除了光伏發電外，光熱發電也是一個很重要的方向。其價值不僅在於光能利用率高，而且其本身就自帶儲能。這種儲能並不是外在附加的投資，而是其本身必要的功能。

    光熱發電主要有兩種方式：塔式和槽式。

    塔式光熱發電系統原理其成本構成（由智康科技提供，在此表示感謝）

塔式光熱發電的聚光系統部分效果圖

    塔式光熱發電是用大量反光板把太陽光反射到一個塔頂的吸熱器上。通過傳熱介質將熱量帶到儲熱罐裏，然後用熱交換器將水變成蒸汽驅動發電機發電。產生蒸汽以後的發電過程與一般火力發電廠的原理一樣。

    槽式光熱發電系統原理

槽式太陽能發電廠成本構成（中國能建2020年8月13日常州光熱會議上提供）

    槽式光熱系統的集熱和吸熱部分有點類似於我們已經很普及的家用太陽能熱水器。它是直接用槽式的拋物面太陽能反射聚光板，把太陽能的熱集中照射到位於焦點的管狀吸熱器上，通過管子將其中的傳熱介質加熱。再通過管道將加熱後的傳熱介質集中後在熱交換器中使水變成蒸汽去驅動發電機發電。後面的蒸汽發電與一般的火力發電廠一樣。塔式與槽式的區別主要是太陽能集熱和吸熱部分稍有區別，從傳熱介質吸熱以後的原理其實都差不多。

4. 天燃氣與光熱組合

    從以上分析可見，太陽能光熱技術發電有一個很重要的特點：它本身就是帶有儲能系統的。儲熱與驅動蒸汽發電可以是同時，也可以有一定的時延，這樣就在一定時間範圍可以很好地起到調節光能轉化成電能波動的作用。如果將儲熱系統部分適當地加大，就可以增加儲能的能力。

    還有一個重要特點是：吸熱和儲熱之後，天燃氣發電、餘熱利用等與光熱發電幾乎可以是一樣的。那麼，如果將兩者組合在一起，可有效節省投資。

    現在，迪拜正在實驗太陽能光伏、風能、光熱發電、天然氣發電等組合來解決新能源波動問題的實驗。

    以上是中國西電集團設計的一個光伏、光熱、電池儲能、充電、風電等多能互補的方案各部分容量案例。

三. 智能電網的全網解決方案

    如果讓用太陽能生產太陽能的企業自己去建設所有儲能設備，或除光伏外的組合方案，其投資將非常高，補貼也會非常高。因此，太陽能發電的平穩問題主要不應由用電企業來解決，而應通過大範圍的電網來解決。因為對於組合性的方案來説，組合和匹配的發電網絡越大，相互匹配的程度就可以控制得越好。因此，用太陽能生產太陽能，或者高耗電的電解鋁等企業，可以自建大容量的太陽能電站，並且其容量遠超過其用電量。這樣在發電高峯期，其發出的太陽能電力遠超過需求，可以通過電網平價出售電力。在太陽能低谷期，再通過電網買電。這樣解決問題不是電本身的平穩，只要售電和買電在價值上基本持平，用電成本抵消到接近零成本即可。

      這種方案不能僅僅是一個發電廠或綜合性的發電廠，而是應當作為一個大戰略來設計。中東部地區目前主要是煤炭為主的火力發電，其特點是白天用電較多，晚上用電較少。這樣煤電廠會有較麻煩的峯谷發電波動問題。如果大西北的太陽能大量發電，並用特高壓電網輸往中東部地區，反而會使東部地區的煤電廠白天與晚上的發電量獲得一定程度的平衡。

四、降成本的途徑

    不同技術都有降成本的途徑和不同的降成本空間。例如，風電通過增大葉片長度和風機功率可降低成本。

    正在研究和實驗中的超臨二氧化碳用於熱電技術中替代水蒸汽驅動發電機。這個技術對所有熱電技術（煤炭、天然氣、燃油、光熱、生物質等各種發電）都會產生效率和成本上的重要影響。