太陽能、風能、水能互補發(fā)電，解決高峰用電短缺——北京、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)的未來
2011-11-06 03:41:34何祚庥中國科學院院士中國科學院理論物理研究所研究員
科學中國人 2011年20期
何祚庥 中國科學院院士 中國科學院理論物理研究所研究員
太陽能、風能、水能互補發(fā)電，解決高峰用電短缺
——北京、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)的未來
何祚庥 中國科學院院士 中國科學院理論物理研究所研究員
一、光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是第三代光伏技術取代第一代、第二代技術。“第三代”發(fā)電技術，也就是綠色光伏發(fā)電技術。
安裝量預測
“第三代”光伏發(fā)電技術之所以是“綠色”技術，同時又是少耗能的技術，原因在于，用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅，耗能高達150-200度/公斤，同時又產(chǎn)生出高污染環(huán)境的四氯化硅?！暗谌惫夥夹g將大幅度減少多晶硅的用量。
2011年第六期的《光伏產(chǎn)業(yè)觀察》發(fā)起一個討論：聚光光伏是“顛覆”我國光伏產(chǎn)業(yè)，還是“夭折”的討論。
原因是，國外已出現(xiàn)“聚光光伏”的“飛躍”，已做到每年以大于40%的速度迅速上升。下面是對聚光光伏“現(xiàn)有”和“未來”安裝量的統(tǒng)計和預測：
由于這一“聚光光伏”用的是砷化鎵電池片，其光電轉(zhuǎn)化率可高達30%-40%，聚光后可能大幅度降低發(fā)電成本。雖然是砷化鎵價格比硅電池貴100-300倍，但400倍、1000倍或2000倍聚光后，可大幅度抵消砷化鎵光電池比硅基電池貴100-300倍的價格?？赏途w硅以及各式各樣的薄膜電池，在價格上進行競爭。國內(nèi)已有不少單位跟蹤這一新技術。而我國光伏產(chǎn)業(yè)有大于90%以上的企業(yè)，均是晶體硅技術，這就提出是否可能“顛覆”我國正在飛速發(fā)展的晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)的質(zhì)疑！我們的回答是：“贊成大力發(fā)展聚光發(fā)電技術！”中國科學院理論物理研究所陳應天研究員獨立自主開發(fā)的“4倍聚光+跟蹤+n型光伏電池”轉(zhuǎn)盤式發(fā)電技術。已做到：發(fā)電效率高、光電池壽命長、聚光后組件整體性能好、售價低。已在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)建立了第一個4倍聚光的205千瓦的小型光伏電站，售價是47500元/千瓦，國家發(fā)改委特別批準4.0元/千瓦時的上網(wǎng)電價。由于跟蹤將增加約30%的發(fā)電量，折合成不跟蹤的平板光伏發(fā)電相“等價”的峰值功率售價是1.6÷1.3=1.23萬/千瓦，按照內(nèi)蒙古地區(qū)以每千瓦年發(fā)電2000小時計算，按10年回收成本計算的發(fā)電成本，已下降到0.8元/千瓦時。前一時期，由于進一步采取了各項技術改進措施，其成本電價已下降到0.7元/千瓦時。據(jù)我們所知，這是國內(nèi)各企業(yè)所能做到的“最低”的成本電價。雖然前一時期，有的企業(yè)在“競標”活動中，宣布已達到0.7元/千瓦時的水平，但那是以18-20年回收發(fā)電成本來計價，而且沒有計及必須維持企業(yè)生存發(fā)展的利潤。還要強調(diào)的是，在發(fā)展的未來，在這一技術大規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，還有大幅度降價空間。例如，完全可能進一步提高硅基聚光電池的轉(zhuǎn)化效率，有可能在實現(xiàn)了“太陽能煉硅”的產(chǎn)業(yè)化后，再度大幅度降低多晶硅售價，也完全有可能將4倍聚光改為6倍聚光、8倍聚光等，進一步降低發(fā)電成本。但沒有必要改成100倍、400倍聚光，其跟蹤和散熱技術太難，反而增加發(fā)電成本！
現(xiàn)在這一“4倍聚光+跟蹤+高效硅基聚光電池”發(fā)電裝置的全套技術已完全成熟，已能大規(guī)模應用于國內(nèi)外市場。一個新的改進是，已能向國內(nèi)外市場提供“高效P型硅基聚光電池”，以及提供“直到4倍聚光漏斗，轉(zhuǎn)盤式跟蹤系統(tǒng)”的全套生產(chǎn)線，現(xiàn)正在設法推進全套生產(chǎn)線的產(chǎn)業(yè)化。遺憾的是，這一“高效p型聚光電池”，雖然其每瓦售價要比n型聚光電池低出很多，其轉(zhuǎn)化率，仍比n型聚光電池低16%，而且也有微弱的光致衰減效應！在紫外線比較豐富的地區(qū)，在技術上仍需要依存于國外供應的高效n型聚光伏電池，離這一技術的全盤國產(chǎn)化還有一段距離。
我們很歡迎國內(nèi)有關研究所、高等學校、企業(yè)和我們共同推進這一新型的低倍聚光發(fā)電技術。
二、內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)和東北地區(qū)建設和發(fā)展光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的重要方向是實現(xiàn)風光互補。
在內(nèi)蒙古呼和浩特以及東北地區(qū)，不僅有豐富的太陽能，還有豐富的風能。為解決越來越短缺的能源需求，一個自然的選擇是大力推進風光互補發(fā)電。風能發(fā)電成本約為太陽能的1/2，但占地較多，約是太陽能的10倍。為節(jié)約土地，節(jié)省導線，其最佳方案是在“同一”地區(qū)實行風光互補。其最佳技術的選擇是“4倍聚光+跟蹤”的光伏發(fā)電和風能發(fā)電互補。原因是：這一低倍聚光光伏技術還有兩個重要成就：1）已做到50W/m2-60W/m2，而風能是5W/m2-6W/m2；2）最適合于實現(xiàn)風光互補。當人們在同一地區(qū)實現(xiàn)風光互補技術時，風能陰影將不可避免地減少太陽能光電池的發(fā)電量；但在通常平板式光伏電池的設計中，除陰影減少相應的發(fā)電量外，還出現(xiàn)有嚴重的陰影“堵塞”效應，一片樹葉的陰影，將堵塞一大片光電池的發(fā)電通道，將不可避免地減少10%-30%的發(fā)電量；而“4倍聚光+跟蹤”減少的發(fā)電量，僅等同于陰影面積。在廣闊草原或荒漠地區(qū)，風機葉片造成的陰影，只有極微弱的電量損失。
前一時期，我在內(nèi)蒙古呼和浩特介紹“第三代”光伏技術路線時，曾提到我在參加建設“綠色北京”的討論會上發(fā)言：
建設“綠色北京”有兩大困難：一是嚴重缺電。據(jù)報道，2010年8月30日北京市用電突破1600萬千瓦，缺口高達313.5萬千瓦，前幾天我在《北京日報》上看見報導，今年用電，已突破1900萬千瓦，而且是白天高峰用電嚴重短缺。其實，整個華北地區(qū)都嚴重缺電。二是電能不夠清潔，大量排放溫室氣體。據(jù)報導，上海市已有50%的電力，來自長江三峽，而北京臨近地區(qū)，嚴重缺水。
但北京市有一個特殊優(yōu)越的地理條件。在長城以北，距北京僅約200-300公里的張家口、多倫、承德等地區(qū)，有大片的草原、濕地、荒漠地，均是太陽能資源的二類地區(qū)和風能資源比較豐富地區(qū)。世界大多數(shù)國家的首都，包括上海、廣州、深圳等經(jīng)濟發(fā)達城市，均缺乏類似的地理環(huán)境。北京市應充分發(fā)揮北京地區(qū)所特有的優(yōu)越性，完全應以太陽能+風能為未來發(fā)展的能源。
北京市發(fā)展清潔能源的一大困難是地價過高。而清潔能源，包括核能，（因有放射性，5公里內(nèi)不能住人），均占地較多：太陽能光伏發(fā)電：50W/m2（占地）；太陽能槽式熱發(fā)電：10W/m2（占地）。核能：10W/m2（占地），是否為清潔能源，現(xiàn)在有爭論；風能：5W/m2（占地）。
所以，北京市的最佳選擇，是撥出資金在長城以北，在河北省和內(nèi)蒙地區(qū)，投資建立太陽能光伏電站和風、光互補電站，或出資收購這些地區(qū)風、光互補電站所發(fā)電能，用以解決高峰用電短缺。光伏發(fā)電的突出優(yōu)點，是最適合解決白晝電價較高的高峰用電。陽光高照的白天，往往是空調(diào)需求旺盛的時間，下雨天太陽能發(fā)電量為零，但空調(diào)就可以關掉?，F(xiàn)在南方各地高峰電價是1.4-1.6元/千瓦時，廣東更高達1.6－1.8元/小時千瓦。而北京市由于即將轉(zhuǎn)向大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，其白天用電以及售價必將顯著增加。所以，不論是由財政撥款收購售價較高的光伏發(fā)電，或投資建設光伏電站，均有利于建設“綠色北京”，有利于大力發(fā)展“第三產(chǎn)業(yè)”。
至于太陽能和風能發(fā)電的缺點，發(fā)電的間隙性，完全可以用“太陽能+水能+抽水儲能電站”調(diào)節(jié)供求。水能、抽水儲能電站的特點是，只要有“足夠”的水能的儲存，隨時可以發(fā)電，可以不發(fā)電，可以多發(fā)電，也可以少發(fā)電，其啟動和關閉僅需幾秒鐘。水能將最適合于大幅度調(diào)整“峰谷比”。至于“足夠”的水量，就用“風能+太陽能”抽水、蓄水，也不排除儲存來自天空的雨水。
據(jù)我們所知，北京市十三陵水庫鄰近就有一座80萬千瓦的抽水儲能電站。如果加上太陽能、風能抽水蓄能，就完全可擴容到200萬千瓦。至于火力發(fā)電和核電，尤其是“超超”臨界，甚而“超超超”臨界技術，其重大缺點是“不能”調(diào)整“峰谷比”。所以，中國電力結(jié)構(gòu)，包括電力體制的重大改革，是用“火力發(fā)電+核電”作為長年發(fā)電的基本電力；但同時用“太陽能+風能+水能+抽水儲能電站+鋰離子蓄電池”作為調(diào)整峰谷等需求不同的調(diào)峰電力。以錳酸鋰為正極，鈦酸鋰為負極的鋰離子蓄電池，其充放電可達20000-30000多次，不僅能用做車用動力電池，還能兼做儲能電池。當代蓄電池發(fā)展的重要方向，是大力發(fā)展既能做動力，又能做儲能的兩者兼容的蓄電池。既能做到兼容兩用，同時又能大幅度降低使用成本。此外也還出現(xiàn)有將電池蓄電和超級電容蓄電相結(jié)合起來的新設想。
兩個美麗的漂浮在水面的“太陽能睡蓮”
對于內(nèi)蒙地區(qū)，這里推薦的轉(zhuǎn)盤式跟蹤技術具有的另一優(yōu)點是，所覆蓋的土壤仍能均勻地接受光輻射，可減少蒸發(fā)量，同時可抽取少量地下水改良土壤，促進農(nóng)作物的生長和發(fā)育。只需將上圖所示的轉(zhuǎn)盤支架略為升高一些，就可將所覆蓋的土地全部變?yōu)榉饰值哪翀?，大?guī)模放養(yǎng)羊、兔、雞、鵝等，身高不超過一米的肉食動物。所以這一轉(zhuǎn)盤式聚光技術，還有促進當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)大發(fā)展的優(yōu)越性。
最近，我們已向北京市委、市政府建議在距北京市為180公里的內(nèi)蒙的多倫地區(qū)，用4倍聚光技術建造大型或超大型的光伏電站?？梢酝ㄟ^始于多倫、終于南京的超高壓電路直送北京。如果這一方案獲得北京市大力支持，將為北京地區(qū)在未來的10年內(nèi)，全面使用太陽能發(fā)電，以及風、光互補發(fā)電邁出一大步。
至于呼和浩特僅距北京市天安門450公里。我個人認為，上述類似方案，是解決中國能源問題的“必由之路”。
三、為解決北京市土地價格過高，我們最近又向北京市提出一個新建議，在北京市大力發(fā)展水上太陽能睡蓮技術。
據(jù)“國際在線”報導，“蘇格蘭著名建筑公司ZM為格拉斯哥市由皮特理查森設計師設計出了一套可持續(xù)能源方案，其中最引人注目的，是一種漂浮在河面上的‘太陽能睡蓮’”。
科研人員在格拉斯哥市的克萊德河中擺放了一些“太陽能睡蓮”，在外表上和真正的睡蓮很相像，但實際上是巨型的太陽能浮板，能將日間吸收到的太陽能收集起來，轉(zhuǎn)化為電能向城市輸送。ZM建筑公司的負責人表示：“這種太陽能浮板轉(zhuǎn)化的電能，比通常放置在屋頂?shù)奶柲馨逡约帮L力渦輪機轉(zhuǎn)化的更多，這是城市能源計劃中一個非常有創(chuàng)新性的點子”。此外，由于太陽能浮板外形美觀，一旦投入使用，也將為城市增添一道獨特的風景。目前，格拉斯哥科學中心正考慮在部分河道測試此方案?！?/p>
據(jù)外電報導，以色列已在他們的水庫上，放置了一個約200千瓦的小型光伏電站。
據(jù)我們所知，北京地區(qū)的密云水庫、官廳水庫、十三陵水庫，共有250平方公里的水面，加上天津的水庫，共約有400多平方公里的水上面積。如以每平方米來發(fā)電50W/m2計，400平方公里的水面可裝機達2000萬千瓦之多。所以，北京市和天津市走向綠色能源的方向之一，是大力發(fā)展水上太陽能睡蓮。顯然，這一新技術，也為太陽能和水能的互補，提供了新的可能。
據(jù)我們所知，在遼寧，在本溪、遼陽等遼河地區(qū)，有豐富的水能資源，有足夠的地形建設大型抽水儲能電站。而極有興趣的是，在渤海灣的北部、南部，又有面積超20000平方里的水面放置太陽能睡蓮，放置水上太陽能光伏電站。我個人認為，這將是解決東北、華北地區(qū)電力短缺的重大發(fā)展方向。
當然，這里僅考慮了太陽能發(fā)電。如果真正付諸實施，還需要考慮其它能源，風能，水能，抽水儲能電站以及可能的壓縮空氣儲能，天然氣發(fā)電，等等新技術的配合。
