陈应天教授在这一试验中所获得的突出的成就是,已做到其定日镜的造价为1200元/m2,能抗12级大风,而且还有大幅度价格下降的空间! 至于"小塔",由于它的集热面较小,塔身较矮,抗风根本不成为问题.显然,这些技术为我国太阳能热发电技术的提前产业化开拓了新途径. 尤其,这一技术完全是我国自主研发的,并拥有完全自主的知识产权的新技术.
为进一步降低太阳能热发电成本,陈应天教授等人还提出了"两步走"升温的新理念,现简介如下.
能源有高品位和低品位之分. 凡较易转化为电能的为高品位能源,较难转化为电能的为低品位能源. 正如已故的中国科学院工程热物理研究所所长吴仲华院士指出:利用热能的基本准则是"温度对口,梯级利用". 否则将出现"大浪费". 高品位的煤,承担着低品位的职能;可发电的"煤",却用作室温为23—27℃的供暖.
其实,不仅在室内供暖,在各种工业锅炉供暖、供气,甚至在火力发电机组发电过程中,也存在着上述 "大浪费". 发电机组往往用"煤"从加热冷水开始,逐步加温产生高温高压水蒸汽. 但"加热冷水"完全可用各种低品位的热能来取代! 或者说,在热能利用问题上,要"温度对口,优质优用,梯级加热,梯级利用".
太阳能供热当然也应发展"两步走"梯级升温的技术.
第一步利用价廉、技术较简单的温度和品位较低的太阳能,将水加温成为160—200℃中低温的水蒸汽.
第二步利用技术较复杂、成本也相对较高的"定日镜+集热面+小塔"装置,将低品位的中低温的水蒸汽,继续升温加热到发电机组所需高温高压的水蒸汽,推动涡轮机组发电.
水的比热约为 1cal/g˙℃,水蒸汽的比热约为0.5cal/g˙℃,液态水转化为气态蒸汽吸收的"相变"热,高达540cal之多. 所以,在"两步走"的太阳能集热装置的设计中,其"第一步"由冷水加温到 160—200℃的水蒸汽,所收集的太阳能将占到全部热量的70%—80%;"第二步"升温所吸收的高品位的太阳能仅占全部热量的20%—30%.
由于"第一步"吸收的热量,用廉价而品位较低的太阳能,占全部热量的70%—80%;所以"两步走"升温技术将大幅度地降低太阳能热发电技术的集热成本.
上述"设想"已付诸实践. 陈应天已在他研发的4倍聚光光伏发电装置基础上,进一步扩展为5倍聚光集热太阳能中低温蒸汽发生器. 图5为60kW 太阳能5倍聚光蒸汽发生器照片.
图5 60kW 太阳能5倍聚光蒸汽发生器照片
陈应天等人利用这一5倍聚光的蒸汽发生器已能持续产生压力为3—5大气压力,温度为160℃的水蒸汽,而且还有继续改进的余地. 图6为能连续发出中温蒸汽的蒸汽发生器照片.
图6 能连续发出中温蒸汽的蒸汽发生器照片
初步测算,如果用"5倍聚光转盘+集热小塔+陈定日镜",而又用"水蒸汽"作为传热介质,完全可能将每千瓦造价下降到15000—16000元,而且有和火力发电技术近似相同的持续运转寿命,所发电能还是可直接上网的交流电.
问题是这一发电技术,难以避免太阳能所固有的"间隙性"的缺点. 如果遭遇连阴天,这一太阳能的"间隙性"可用秸秆气化或沼气发电来弥补. 但如果要求太阳能热发电能"持续、稳定"地供电8—10小时,这一缺点就最好用"光伏电站+锂离子储能电池+直流变交流的逆变器"来弥补太阳能供电的"间隙性". 这一方案的优点是:比"纯"光伏电站少用3/4的"锂离子储能电站+逆变器"却仍能持续供电8—12小时,又有大量"废"热用作农业生产供热和维持某些锂离子储能电池持续运转时所需的"恒温".
如果农业上仅有"小型"供电、供热需要,完全可用8m×8m 的"定日镜+秸秆气化或沼气+太阳能锅炉"直接推动小型蒸汽涡轮机组或单螺杆式机组发电,只不过这一太阳能热发电效率较低,但却能回收较多热能.
4 建造智能电网,必须"由小到大",必须在电力结构上做"大改革"
现在人们纷纷呼吁中国要建设大型、超大型的智能电网,大幅度提高能源利用效率. 中国工程院杜祥琬院士提出,"中国要发展智能电网,首先要做好概念设计、顶层设计,在战略指导下做好规划、方案,尤其要先做好示范",而且所建设的智能电网,必须"在技术上是可行的,经济上是划算的,环境上是友好的,是符合中国国情的". 杜祥琬院士还提出,"现在还有一些没有解决好的问题",如"新能源与电网如何友好","间歇性的风、光、如何与电网相融合"等等?
从我们来看,一个经济有效的智能电网的"概念设计"、"顶层设计",只能是"由小到大",只能在"微电网"、"小电网"、……等各级电网做到初步"智能"化的基础上,才能做到"全局"上的智能化. 正如计划经济必定由市场经济所取代的"理念"一样,集中的中央计划部门往往难以准确地了解不断变动中的居民的需求. 即使采用了现代化的通信技术,能迅速全面地将一切信息集中到中央指挥机关,其最佳协调供给和需求的方案,也必定是"就近"调节.
长期以来,中国电力集团奉行的准则之一,是追求"规模"效益. 发电机组的规模越大越好,热电转化率越高越好,从次临界到亚临界,还要走向超临界、超超临界. 但却严重地忽略了一个因素:无论是生活用能、生产用能,均不能只局限于电能,而>50%的需要是热能. 所以,服务于"大煤电"的"特高压"的大电网,决不是"中国能源输送体系深度改革之路". 因为"煤从空中走",只能做到"电送全中国";而"热能留当地",却很难再加以利用,而由"电"直接转化为"热",其效率极低,极低!
可再生能源中资源量最丰富、最能持久供应的能源是太阳能、风能. 太阳能、风能发出的电流是直流,而传统能源发出的电流是交流. 所以,在未来的智能电网的建设中,就存在一个直流和交流的矛盾.从电流的传输来看,直流输电无论是在输电成本上还是在电能损耗上,均比交流输电有更好的投资效益比;但当前用户所用电流却均是交流. 所以,中国未来的电力体制,必不可免地将出现一个"大改革".
在当前的电力调度中,最为头痛的是夏季 "空调"用电. 往往一到炎热天气,居民纷纷用"空调"取冷,所需电力装机容量已高达1.5—2亿千瓦之多,而且这一用电需求,还在迅速增加! 而随着社会经济的发展,农村用电的增加,将出现白天用电的强烈的需求,也就是"峰谷比"将不断加大. 解决这一疑难的最佳方案是迅速建立一个"以太阳能为中心、由其他可再生能源为补充"的调供"高峰"用电的网络,将大幅度减少拉闸限电,大幅度减少正在迅速增加的火力发电机组压力,做到"可再生能源"和"传统发电模式"的双赢. 这也是中国在电力体制上必将到来的又一"大改革".
为应对即将来到的为减少温室气体排放而推行的"碳关税"、"碳贸易"和未来可能出现的化石能源的枯竭,中国的能源价格、税收、贸易……价格体制等等,也必须进行一场适应"时代"的"大改革",真正发挥市场需求在资源合理的配制上的基础作用.
万事起头难!
这一"大改革"带来的"大变动",必定先从这里所呼吁的"建立以‘太阳能+风能+小水电+生物质能+中小型储能兼中小型电动车的动力电池'相组合的‘微型、小型智能电网'为‘中心'的供电、供热的新能源体系"做起!
从技术层面上说,有一项关键技术是:必须尽快提供"低成本、长寿命、高转化率、而又有高功率的大型、超大型的锂离子储能电池".
5 结束语
不仅仅中国能源体制需要"大改革",而且中国的"农业"也需要"大改革". 中国的农村,将不再局限于向社会提供粮食和衣物,而且将成为"可再生能源"(包括太阳能和生物质能)长期持续供应基地. 其单位土地面积的收益,将至少是传统农产品的10倍!
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