【摘要】本文論述了在沙漠、沙漠化、沙土化地區(qū)中大規(guī)模發(fā)展太陽能發(fā)電系統(tǒng)以應對能源危機、環(huán)境污染、人口增長等緊迫問題，同時可取得發(fā)電、治沙、合理利用沙漠資源改善生態(tài)環(huán)境的綜合效益。并從太陽能發(fā)電系統(tǒng)的各種類中分析優(yōu)選出適于沙漠里大規(guī)模建造的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)、薄膜光伏電池發(fā)電系統(tǒng)和地下式抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)組合成一聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以實現(xiàn)太陽能連續(xù)、穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電。

【關鍵詞】太陽能；抽水蓄能；沙漠；沙漠化；沙土化；太陽能與抽水蓄能組合發(fā)電系統(tǒng)；太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)；薄膜光伏電池發(fā)電系統(tǒng)；地下式抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)

1、前言

當前的石化能源煤碳、石油、天然氣等燃燒使用后會排出有害氣體形成溫室效應而造成全球范圍內(nèi)的氣溫持續(xù)升高、氣候變暖，最終將會使南極洲的大面積冰山融化，從而使全球的海平面升高，不少沿海地區(qū)（包括大城市）都將被淹沒，這會導致不堪設想的嚴重后果，已成為全球重大問題。

電力能源方面，截至2015年底，我國電力裝機總?cè)萘考s為15.1×108 kW，我國超過美國成為世界電力裝機容量最大的國家。其中，火電裝機達到9.9×108kW；水電總裝機達到3.2×108 kW，已經(jīng)建成抽水蓄能電站20座，抽水蓄能電站在運容量達到0.2274×108kW，在建規(guī)模達到0.2308×108kW；并網(wǎng)風電容量近1.3×108 kW；光伏發(fā)電累計并網(wǎng)容量達到0.4318×108kW；在運核電機組達到0.2831×108kW，在建及已核準機組0.26728 kW；潮汐能以及生物質(zhì)發(fā)電站的裝機容量較少；全年全國的發(fā)電量56184×108 kW·h。雖然取得了很大的成就，但是2015年水電、風電、核電、天然氣等清潔能源消費量還僅占能源消費總量的17.9%，煤電裝機過剩仍是我國能源變革的最大阻礙；距2020年裝機總?cè)萘?0.7×108 kW的目標還有近5×108 kW的空缺，其人均年發(fā)電量4091kW·h，僅為世界平均水平。因此必須開發(fā)新的潔凈電力能源，以應對氣候變化，能源危機、環(huán)境污染、人口增長等緊迫問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。本文提出的大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電與地下式抽水蓄能組合發(fā)電系統(tǒng)方案，是作為這一課題的探索。

2、太陽能的特點

中國是沙漠比較多的國家，為世界上沙漠面積較大、較分布較廣、沙漠化危害嚴重的國家之一，沙漠的總面積約為130.8×104 km2，約占全國土地面積的13.63% 。其中比較大的沙漠有12處。而中國沙漠化面積已經(jīng)達到263.62×104 km2，占國土面積的27.46%，沙化土地面積則為173.97×104 km，占國土面積的18.12%。沙漠化、沙化土面積呈擴展的態(tài)勢。有明顯沙化趨勢的土地面積30.03×104 km，約占國土面積的3.12%。

利用沙漠地區(qū)、沙漠化地區(qū)、沙土化地區(qū)土地的陽光資源大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電站，同時可取得發(fā)電、治沙、合理利用沙漠資源改善生態(tài)環(huán)境的綜合效益，是我們開發(fā)新的潔凈電力能源的一條出路，急須應對的措施。

3、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的種類

（1）光熱型太陽能發(fā)電裝置

光熱發(fā)電當前主要有5種收集太陽能的方式：拋物面槽形集熱器、菲涅耳集熱器、塔式集熱器和旋轉(zhuǎn)拋物面碟式集熱器和平板太陽能集熱系統(tǒng)。

這五種太陽能光熱技術中，目前槽式太陽能系統(tǒng)的相關技術是最成熟的太陽能光熱技術，槽式太陽能系統(tǒng)在世界上的應用率高達90%。槽式太陽能系統(tǒng)的跟蹤機構(gòu)較其他系統(tǒng)更為簡單，槽式太陽能系統(tǒng)更易實現(xiàn)，且成本更低，有望繼續(xù)下降。

（2）太陽能光伏電池發(fā)電裝置

太陽能電池的分類轉(zhuǎn)換效率如表1所示。

（3）太陽能熱氣流發(fā)電裝置

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)由集熱棚、導流塔囪和渦輪發(fā)電機組組成，又名太陽能煙囪發(fā)電。該系統(tǒng)有很大開發(fā)潛力，現(xiàn)在正研究的螺旋集熱式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)可減少集熱棚半徑約25%，減少占地面積和所需材料了約44%。集熱棚可做成雙層結(jié)構(gòu)、利用底棚進行溫室栽培，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。設置空氣壓縮機對集熱棚表面上的積塵進行吹掃。在煙囪頂部的出氣流處設置冷凝水收集裝置，可供發(fā)電、生活、農(nóng)用之水。太陽能熱氣流發(fā)電裝置可以和薄膜光伏電池發(fā)電裝置相結(jié)合，在集熱棚上安裝透光的薄膜光伏電池，煙囪外部也可安裝光伏電池。

但該技術能量轉(zhuǎn)換效率很低，當煙囪高度達到 1000m時，最大能量轉(zhuǎn)換效率才可能超過3%，才具有一定的商業(yè)價值。高聳的煙囪和巨大集熱棚需占用土地面積。由于煙囪所處的環(huán)境、所受的荷載等與傳統(tǒng)的高聳結(jié)構(gòu)有很大不同，超高聳太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)設計是一難點。

4、太陽能熱氣流發(fā)電和薄膜太陽能電池發(fā)電的優(yōu)勢

太陽能熱氣流發(fā)電與火電、水電、核電、風電、太陽能光伏發(fā)電太陽能光熱發(fā)電相比較具有獨特的優(yōu)勢：

（1）整個發(fā)電過程不會產(chǎn)生任何廢氣、廢渣，不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，具有無限的開發(fā)空間。

（2）不需要冷卻水源，適合在太陽能資源豐富但是水資源相對稀少的沙漠、沙漠化、沙土化地區(qū)。只占用閑置土地，同時也可利用溫室效應進行農(nóng)業(yè)栽培，綠化環(huán)境，改善氣候條件。

（3 ） 太陽能熱氣流發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)相對比較簡單，渦輪發(fā)電機是發(fā)電系統(tǒng)中唯一的運轉(zhuǎn)設備，運行可靠、不易發(fā)生故障，因而發(fā)電機組幾乎不需要維護；維護方便。

（4） 太陽能熱氣流電站系統(tǒng)的構(gòu)造簡單，建造材料為常見的混凝土、玻璃、鋼材等，材料廉價易得，用材從生產(chǎn)到使用都對環(huán)境無影響，且不需要較高的制造工藝，均可在當?shù)孬@得。

（5） 太陽能熱氣流發(fā)電與其余兩種利用太陽能發(fā)電方法相比單位容量是最高的，但建設費用不高，可以規(guī)模開發(fā)，最重要的特點是太陽能熱氣流發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)發(fā)電，在晝夜沒有太陽光時，依然能夠利用白天儲存的余熱繼續(xù)發(fā)電，這是光伏發(fā)電所無法實現(xiàn)的。

綜上所述太陽能熱氣流發(fā)電較適于在太陽輻射強的沙漠地區(qū)、沙漠化地區(qū)、沙土化地區(qū)大規(guī)模開發(fā)建造。而且建造規(guī)模越大，裝機成本越接近與風電，發(fā)電成本越低，優(yōu)勢越明顯。并在其集熱棚上設置的薄膜光伏電池發(fā)電設施，發(fā)電量翻番的增加。

5、采用抽水蓄能電站解決太陽能發(fā)電的問題

（1）解決太陽能發(fā)電的問題

太陽能發(fā)電的不足之處除了效率低、占地大外，還有發(fā)電欠缺連續(xù)性、穩(wěn)定性，獲得的能源同四季、晝夜、陰晴、霧霾、塵埃及環(huán)境溫度等氣象條件有關，不穩(wěn)定的出力將影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，對系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻提出要求，以及儲存困難。抽水蓄能電站是解決太陽能發(fā)電問題中的大規(guī)模儲存、調(diào)節(jié)電力的關鍵。抽水蓄能電站能將太陽能發(fā)電系統(tǒng)高峰時段發(fā)出的電能就近削峰儲蓄起來，待低谷時段補發(fā)部分，以保持發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定出力，避免電網(wǎng)的波動，實現(xiàn)太陽熱風能并網(wǎng)發(fā)電。并可在并網(wǎng)的電力系統(tǒng)中產(chǎn)生調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、負荷調(diào)整、旋轉(zhuǎn)緊急備用、提高電網(wǎng)可靠性等動態(tài)效益。抽水蓄能電站比起其它電力系統(tǒng)蓄能技術，如超導蓄能、飛輪蓄能、壓縮空氣/氣體蓄能、超級電容器蓄能，有技術成熟，建設投資適宜，可實現(xiàn)規(guī)模配置的優(yōu)勢。

大面積的太陽能熱氣流發(fā)電裝置為用無人機進行集熱棚上的薄膜光伏電池除塵吹掃留下空間。

（2）地下式抽水蓄能電站

抽水蓄能的類型可分為地上式抽水蓄能電站和地下式抽水蓄能電站。地上抽水蓄能電站需依山而建，對地址的要求高，設置地點往往遠離負荷中心，輸電線路的投資大、線損大、總投資也高。環(huán)境影響也已成為抽水蓄能電站選址的制約性因素之一。近年來，在國外的抽水蓄能電站已有在平原上修建地下下池，稱為地下抽水蓄能電站（Underground pumped storage power station），其上下池落差可視需要確定，可高達千米以上。這種開發(fā)方式對一般無法修建高水頭抽水蓄能電站的平原地區(qū)，很有推廣價值，在中國尚未修建，國外也不多。但日本、新加坡、俄羅斯和加拿大都有建造地下抽水蓄能電站的計劃。地下抽水蓄能電站不受地址要求的限制，可接近送電負荷，靠近主要的輸電線路。這樣可以大大減少輸電線路的投資和降低輸電過程中電能的損耗。

在沙漠、沙漠化、沙土化的無山地區(qū)開發(fā)建造地下式抽水蓄能電站施工可避免地上的風沙、高溫的干擾，又對環(huán)境無影響。采取地下水作為上下庫用水。上庫也可以設置在離地面不遠的地下，可避免地上的風沙入庫、庫水蒸發(fā)，清潔的庫水可保證水輪機做到無空蝕、受腐蝕小，使用壽命更長。

6、太陽能發(fā)電與地下式抽水蓄能電站發(fā)電組合系統(tǒng)

在沙漠、沙漠化、沙土化地區(qū)大規(guī)模開發(fā)薄膜光伏電池發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電與地下式抽水蓄能電站發(fā)電組合系統(tǒng)，具有以下幾個優(yōu)點：①投資適中、能夠快速地大規(guī)模開發(fā)太陽能獲取急需的電能，無環(huán)境污染，有發(fā)電、治沙、農(nóng)用、合理利用沙漠資源改善生態(tài)環(huán)境的綜合效益，且電站維護量??；②較好地改善太陽能流發(fā)電站并網(wǎng)容量限制問題；③通過對抽水蓄能電站與光伏發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電相互配合，用太陽能發(fā)出的

直流進行抽水蓄能，減少輸電環(huán)節(jié)的損失，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化；④可以通過抽水蓄能電站間接的實現(xiàn)太陽能發(fā)電的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)度功能；⑤可以使太陽能發(fā)電功率輸出趨于平滑，降低其對電網(wǎng)的沖擊，使電網(wǎng)運行經(jīng)濟穩(wěn)定；⑥可以提高供電質(zhì)量。

地下式抽水蓄能電站的配置總?cè)萘恳哉继柲馨l(fā)電站總?cè)萘空镜?/6為宜。其造價按現(xiàn)市高價5000元/千瓦計。本文作了一例估算，開發(fā)一薄膜光伏電池發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電站組群需占地東西長25 km，南北寬12.5km，面積0.031×104km2，該面積僅占我國荒漠化土地面積的0.012%，或沙化土地面積的0.018%。發(fā)電站組群由50個帶薄膜光伏電池的太陽能煙囪發(fā)電站組成，每個發(fā)電站：熱氣流發(fā)電部分裝機50MW，集熱棚直徑2.5m，太陽能煙囪的高度可不大于250m，工程單價為0.8萬元/kW，計4億元，每年電站每天24小時，每年365天連續(xù)發(fā)電，平均發(fā)電效率30%，單個電站年發(fā)電為365天×24小時×200MW×30%=1.31億kW·h；薄膜光伏電池發(fā)電部分裝機300MW，造價20億元，按每畝年發(fā)電5萬kWh計，年發(fā)電3.75億kW·h；，每個發(fā)電站總裝機共350MW，總造價24億元，年發(fā)電共5.06億kW·h。50個光伏電池發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電站年總發(fā)電量為253億kW·h，相當于三峽水電站和葛洲壩水電站聯(lián)合系統(tǒng)2015年發(fā)電量的1/4。站群總裝機17500MW，站群總造價為1200億元。工期預計5年。配置地下式抽水蓄能電站的容量為3000MW，造價為150億元。整個發(fā)電組合群總造價為1350億元。按上網(wǎng)電價0.6元/ kW·h計算，年收入為151.8億元。算上全部竣工的前期發(fā)電收入，8年可收回全部投入，收益率在15%以上。

合理綜合利用沙漠資源，實現(xiàn)太陽能連續(xù)、穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電，是太陽能發(fā)電的發(fā)展方向，是我們獲得潔凈電力能源的契機。

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