陳美榕，趙世明

（1.東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

崇明“綠色能源島”示范區(qū)建設(shè)初探

陳美榕1，趙世明2

（1.東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

“能源島”技術(shù)是國際上近幾年發(fā)展起來的一種新的能源供應(yīng)概念和方式，它將高品值的電力與低品值的熱、冷3種能量需求有效地統(tǒng)一起來，從而大幅提高能源利用效率,減少碳化物及有害氣體的排放，是未來新能源發(fā)展的趨勢(shì)。在充分調(diào)查崇明島自然環(huán)境、投資環(huán)境、可再生能源儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上，對(duì)崇明建設(shè)以可再生能源為基礎(chǔ)的“綠色能源島”建設(shè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并提出“能源島”建設(shè)的初步建議，為上海沿海可再生能源開發(fā)利用提供了一定的參考。

崇明島；可再生能源；綠色能源島；綜合效益

隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展，商業(yè)建筑的能源使用在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中將占有相當(dāng)大的比重，如美國1996年消耗近2.73×1013kW·h的能量，其中商用建筑耗能4.40×1012kW·h，約占總耗能的16.1%。上海雖然沒有大面積的集中供暖，但根據(jù)估算，上海的建筑能耗約為總能耗的13.2%[1]。為了提高商業(yè)建筑的能源利用率，過去的研究開發(fā)主要著眼于單獨(dú)的設(shè)備，不但機(jī)組耗電量大，且存在污染環(huán)境等問題。近年來廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷領(lǐng)域的“熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)”及“能源島”技術(shù)[2]，就是將高品值的電力與低品值的熱、冷3種能量需求有效地統(tǒng)一起來，提高能源利用率。

然而，傳統(tǒng)的熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)大都是以石油或天然氣為一次能源的。隨著國際石油緊缺狀況的影響和我國能源資源約束的日益突出，石油或天然氣等能源資源情況不容樂觀，而且大量使用礦物燃料會(huì)帶來的極為嚴(yán)峻的環(huán)境問題。因此，提高能源效率和發(fā)展可再生能源，將可再生能源代替礦物燃料用于三聯(lián)供系統(tǒng)，將是21世紀(jì)能源發(fā)展的基本選擇。

上海崇明島三面環(huán)江一面臨海，蘊(yùn)藏著豐富的可再生能源資源。上?？梢月氏仍诔缑鏖_展以可再能為基礎(chǔ)的“綠色能源島”示范區(qū)建設(shè)，并加以推廣，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)由無數(shù)的小小獨(dú)立“能源島”組成、覆蓋全上海的“能源島網(wǎng)絡(luò)”，通過電熱冷聯(lián)供技術(shù)來滿足對(duì)電、熱、冷的需求，以能源再生產(chǎn)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)逐步取代目前人類廣泛使用的石油資源。

圖1 上海市能源消費(fèi)量及增長率（1990—2005年）

1 以可再生能為基礎(chǔ)“綠色能源島”建設(shè)條件

1.1 自然環(huán)境

崇明島作為世界最大的河口沖積島群，位于長江流域和東部沿海地區(qū)“T”字形格局的交匯點(diǎn)，是上海最具潛在戰(zhàn)略意義的發(fā)展空間。崇明島自然資源豐富，特別是灘涂土地面積，風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等綠色能源供給狀況，以及綿長穩(wěn)定的深水岸線在本區(qū)域都具有一定優(yōu)勢(shì)。此外崇明也是目前長三角地區(qū)受人類活動(dòng)，特別是工業(yè)影響較小的地區(qū)。

1.2 投資環(huán)境

根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，崇明三島將成為21世紀(jì)上?？沙掷m(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，按照環(huán)境生態(tài)化、經(jīng)濟(jì)生態(tài)化和社會(huì)生態(tài)化的原則，功能定位著力突顯森林花園島、生態(tài)人居島、休閑度假島、綠色食品島、海洋裝備島和科技創(chuàng)研島等特色，建成具有可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略示范作用的“生態(tài)島區(qū)”。

雖然崇明目前還只是上海唯一的一個(gè)“縣”，而且長期以來交通不便，經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主，使崇明一直是上海各區(qū)縣中經(jīng)濟(jì)發(fā)展最落后的一個(gè)地區(qū)，但也因未經(jīng)過深度開發(fā)而積蓄了更多的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，它可以更從容地留足自然生態(tài)環(huán)境涵養(yǎng)空間，留足未來“綠色能源島”國際級(jí)項(xiàng)目的規(guī)劃選址空間。

1.3 能源基礎(chǔ)

崇明位于北亞熱帶南緣的沿海地區(qū)，屬于北亞熱帶海洋性氣候，常年風(fēng)速大、頻率高，風(fēng)力資源豐富；地域開闊，太陽光照充分；氣候溫和潮濕，蘊(yùn)藏著豐富的生物質(zhì)能；北部地形顯赫，形成較大的潮差，擁有豐富的潮汐能資源；東瀕東海，蘊(yùn)藏著波浪能。崇明豐富的可再生能源資源為“綠色能源島”建設(shè)展現(xiàn)出美好的前景。

1.3.1 太陽能資源

崇明島地處北亞熱帶南緣的沿海地區(qū)，屬于北亞熱帶海洋性氣候，是全市太陽能資源最豐富的地域，日照充足，每年日照時(shí)數(shù)為 2 104 h，8月份日照時(shí)數(shù)最多達(dá) 515～528 MJ/m2，1月份日照時(shí)數(shù)最少為239～253 MJ/m2，年太陽輻射總量為4 384～4 570 MJ/m2，潛在的有效能量相當(dāng)于20萬t標(biāo)煤每年[3]（見表1）。

太陽能是取之不盡的清潔能源。在崇明生態(tài)開發(fā)中，太陽能的廣泛應(yīng)用是必然的選擇。隨著世界光電子技術(shù)及其應(yīng)用材料的飛速發(fā)展，光電材料成本大幅下降，光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，這將使太陽能發(fā)電成本大幅度下降。再過幾年，太陽能發(fā)電的成本將會(huì)接近并低于煤電，這為“綠色能源島”建設(shè)中大力開發(fā)太陽能提供了可能。

表1 崇明島各測點(diǎn)年、月太陽輻射總量（MJ/m2）

1.3.2 風(fēng)能

崇明島風(fēng)力資源豐富，經(jīng)估算在崇明島離地50 m高空年平均風(fēng)速為7.0 m/s，年平均風(fēng)能密度為339.1 W/m2，每年可利用2 000 h以上。風(fēng)能密度最大的是7月份，達(dá)到409 W/m2；最小的是12月，風(fēng)能密度為229 W/m2。用電需求量最大的月份恰逢為風(fēng)能密度最大月份，這為風(fēng)力發(fā)電的迎峰度夏提供了良好的條件。崇明島日最大風(fēng)速7.5 m/s，出現(xiàn)在18：00時(shí)左右，相應(yīng)的日風(fēng)能密度最大值為421.7 W/m2;最小風(fēng)速6.6 m/s出現(xiàn)在3：00時(shí)左右，日風(fēng)能密度最小值為292.6 W/m2。日最大風(fēng)速和日最大風(fēng)功率密度恰好出現(xiàn)在居民用電高峰時(shí)期。由于在用電高峰季節(jié)和用電高峰時(shí)刻都是風(fēng)力最強(qiáng)，因而利用風(fēng)力發(fā)電來調(diào)節(jié)用電高峰具有天然的優(yōu)勢(shì)（見表2）。

崇明的主風(fēng)向?yàn)镾SE、S和NNE，分別占9.5%，8.9%和8.5%；風(fēng)能最大值出現(xiàn)在NNE和SSE方向，其風(fēng)能分別占總量的12.8%和12.1%。因此崇明島主風(fēng)向較為穩(wěn)定，風(fēng)能分布比較集中，對(duì)風(fēng)機(jī)的布置相對(duì)比較有利，能減少風(fēng)機(jī)間尾流影響引起的電量損失，有利于風(fēng)電的開發(fā)利用[3]。

風(fēng)能取之不盡，用之不竭，不消耗礦物燃料，不污染環(huán)境，是理想的可再生清潔能源，相關(guān)技術(shù)也較成熟。在崇明“綠色能源島”建設(shè)中，風(fēng)力發(fā)電必將受到高度重視。

表2 崇明島風(fēng)能（離地50 m）指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

1.3.3 潮汐能

崇明島東臨東海和西接長江的自然地理?xiàng)l件，使得島的沿岸蘊(yùn)藏著豐富的潮汐能資源，潮汐能分布圖見圖2。

東海潮波傳入長江口，受地形影響，使長江口成為一個(gè)中等強(qiáng)度的潮汐河口。長江口河段被崇明島分割為南北兩支，北面周長76 km，特別是北支河段由于下泄的徑流量少，河槽呈喇叭形，潮汐能量快速集中，加之反射潮汐的疊加，潮差加大，平均潮差要比崇明島南側(cè)大50 cm左右，青龍港與靈甸港之間在大潮期間經(jīng)常出現(xiàn)涌潮現(xiàn)象，其最大值可達(dá)1 m以上。平均潮差在2.5～3.5 m之間，納潮面積可控在453 km2，最大潮差5.95 m，平均每一潮位的吞吐潮量為26億m3，平均每日從長江上游流入的淡水徑流量為1.64億m3，蘊(yùn)藏著豐富的能源。

表3 潮汐能能量評(píng)估計(jì)算值

據(jù)多年資料估算統(tǒng)計(jì)（見表3），崇明島北部、南部和東部潮汐的平均密度分別為111萬kW，159萬kW，830萬kW，潮汐能密度為1.3～1.7 kW/km2之間，年發(fā)電量約40億kWh的潮汐電站，是上海未來潮汐能發(fā)展?jié)摿χ弧?/p>

1.3.4 生物質(zhì)能

崇明島是上海的農(nóng)業(yè)縣，蘊(yùn)藏著十分豐富的農(nóng)作物秸稈、牲畜糞便、林木廢棄物、城市垃圾、污泥等生物質(zhì)資源。據(jù)估算崇明島每年農(nóng)作物秸稈量就可達(dá)36.9萬t以上，考慮三分之一作為可再生能源利用，相當(dāng)于5.46萬t標(biāo)準(zhǔn)煤；如果將牲畜糞便一半用來肥田，一半用來作為可再生能源加以利用，可提供電力37 MW，提供其他能源7.37萬t標(biāo)煤；加上其他林木廢棄物、城市垃圾、污泥等生物質(zhì)，總資源量相當(dāng)于15萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，為“綠色能源島”建設(shè)儲(chǔ)備了豐富的資源。

1.4 技術(shù)保障

我國的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)雖是最近幾年才發(fā)展起來，但濟(jì)南、南京、上海等多個(gè)城市已有不少成功的案例，目前“能源島”——熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)在國內(nèi)已基本成熟。

可再生能利用方面：自20世紀(jì)80年代，風(fēng)電、太陽能、現(xiàn)代生物質(zhì)能等技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)在政府的支持下穩(wěn)步發(fā)展，小水電、太陽能熱水器、小風(fēng)電等一些可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)走在世界的前列。相對(duì)化石能源而言，可再生能源的能量密度較低、分散，而且目前的可再生能源利用系統(tǒng)規(guī)模小、能源利用率低，作為集中供電手段難度較大，而“能源島”系統(tǒng)規(guī)模小，因此適合與可再生能源相結(jié)合。

圖2 潮汐能分布示意圖

2 “綠色能源島”綜合效益分析

2.1 節(jié)能與減排效益

“能源島”實(shí)現(xiàn)能源綜合梯級(jí)利用，能源利用率高，具有非常好的節(jié)能效應(yīng)，大型發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為35%～55%，扣除廠用電和線損率，終端的利用效率只能達(dá)到30%～47%。而分布式能源系統(tǒng)的能源利用率可達(dá)到80%以上，沒有輸電損耗。

“能源島”對(duì)環(huán)境友好，其燃料多元化，為可再生能源利用開辟了新方向。分布式能源系統(tǒng)一般采用清潔燃料做能源，同時(shí)以其高效率可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保效益。按照美國能源部CCHP2020綱領(lǐng)的描述，部分新建建筑采用CCHP后，可以減少19%的CO2排放。

2.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)孔祥強(qiáng)[5]等人的研究表明,基于熱氣機(jī)的冷熱電三聯(lián)系統(tǒng)年凈收益幾乎是傳統(tǒng)分供能系統(tǒng)的2倍，而且投資回收期為6.42 a，比傳統(tǒng)分供系統(tǒng)6.73 a短。同時(shí)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益與余熱利用率有很大關(guān)系，當(dāng)余熱全部得以利用時(shí)，系統(tǒng)投資回收期僅為2.23 a。

“能源島”與集中能源系統(tǒng)相比，沒有能源遠(yuǎn)距離輸送引起的輸配損失以及相應(yīng)的輸配系統(tǒng)投資，經(jīng)濟(jì)性好，為終端用戶提供了靈活、節(jié)能型的綜合能源型服務(wù)。

同時(shí)“能源島”彌補(bǔ)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性方面的不足。在用戶近旁直接安置分布式能源系統(tǒng)，與大電網(wǎng)配合，可以大大地提高供電可靠性，在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害（例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭）情況下，維持重要用戶的供電，可再生能源利用潛力計(jì)算結(jié)果見表4。

3 “綠色能源島”開發(fā)建議

3.1 開展技術(shù)攻關(guān)

目前我國“能源島”——熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)已基本成熟，可再生能源利用技術(shù)在政府的支持下也穩(wěn)步發(fā)展，部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，但與國外發(fā)達(dá)國家相比，無論在技術(shù)、規(guī)模、水平還是在發(fā)展速度上，仍存在較大的差距，主要是：一方面多數(shù)可再生能源技術(shù)發(fā)電成本過高和市場容量相對(duì)狹小，成本高，抑制了可再生能源市場；反之，市場狹小又會(huì)給可再生能源的成本降低造成障礙，形成惡性循環(huán)，使可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展陷入困境。另一方面由于投入太少，缺乏足夠的資金進(jìn)行開發(fā)和研究，不少關(guān)鍵設(shè)備不得不依賴進(jìn)口，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化程度低，發(fā)展緩慢。

因此建議將以可再生能源為基礎(chǔ)的能源島發(fā)展列入各級(jí)政府的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科研攻關(guān)計(jì)劃，并納入財(cái)政預(yù)算，依靠科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)競爭，提高元件的轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本，改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

表4 崇明三島可再生能源利用潛力計(jì)算結(jié)果

3.2 政策支持

發(fā)展以可再生能源為基礎(chǔ)的能源島，應(yīng)當(dāng)要有有力的政策支持，主要有如下幾方面：一是關(guān)于管理類的政策。能源島系統(tǒng)只要在技術(shù)上符合并網(wǎng)要求的，電力系統(tǒng)要允許其接入系統(tǒng)。能源島系統(tǒng)上網(wǎng)的電價(jià)要由政府核定，要考慮環(huán)保效益。二是財(cái)政支持類的政策。由于該系統(tǒng)以可再生能源為原料，沒有燃料進(jìn)項(xiàng)抵扣，如與化石能源同樣征收17%的增值稅率，實(shí)際上是加重了可再生能源的稅負(fù)。建議對(duì)各種可再生能源和小水電一樣實(shí)施6%的增值稅率。三是實(shí)行多種形式的投資機(jī)制。包括鼓勵(lì)個(gè)人和合作所有制。四是信息傳播，包括資源、政策支持等，及時(shí)廣泛傳播，使多方面投資者能有平等的機(jī)會(huì)進(jìn)入市場競爭。

4 小結(jié)

以可再生能為基礎(chǔ)的“能源島”對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境及提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義，能否最大限度挖掘可再生能源、提高能源利用率成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。“能源島”系統(tǒng)也因其規(guī)模小，適合與可再生能源相結(jié)合。而崇明得天獨(dú)厚的自然環(huán)境、良好的投資環(huán)境、豐富的可再生能源為崇明“綠色能源島”示范區(qū)建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的保障，若在財(cái)政給予扶持、技術(shù)上給予保障，以可再生能為基礎(chǔ)的“能源島”必將是我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)能源安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。

[1]陳康民，蔡小舒，戴韌.能源島—分布式熱電冷三聯(lián)供的進(jìn)展與實(shí)踐[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(5)：385-387.

[2]俞善慶.崇明島—未來可再生能源基地[J].能源技術(shù)，2006,27(1)：13-19.

[3]俞海淼，周海珠，忻聞.崇明島風(fēng)力資源分析與評(píng)價(jià)[J].可再生能源，2008,26(3)：76-79.

[4]將潤花.分布式能源系統(tǒng)研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2009.

[5]孔祥強(qiáng)，王如竹，李瑛.基于熱氣機(jī)分布式冷熱電三聯(lián)供效益分析[M].2005：27-28.

Study on the Construction of Chongming"Green Energy Island"

CHEN Mei-rong1,ZHAO Shi-ming2
（1.East China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration,Shanghai 200081,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

"Energy island"technology is a new developed energy supply concept and method in recent years.It effectively integrates energy demand of the electricity of high product value with the heat and cold of low product value,thus could significantly improve the energy efficiency and reduce the carbides and harmful gas emissions,which is the future trend of new energy.A comprehensive evaluation on the construction of"green energy island"based on renewable energy in Chongming Island is made on the basis of full investigation of the natural environment,investment environment and renewable energy reserves.A preliminary proposal was made for the construction of the"energy island",providing a reference for coastal renewable energy development and utilization in Shanghai.

Chongming Island;renewable energy;green energy island;comprehensive benefit

P74

C

1003-2029（2012）02-0091-04

2011-12-19

我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目——“蘇滬沿海海洋風(fēng)能調(diào)查與研究”

陳美榕（1964—），女，高級(jí)工程師，主要從事海洋環(huán)境綜合評(píng)價(jià)與開發(fā)。Email：cmr0902@163.com