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        未來能源必將“回歸”到清潔能源

        2020-09-16 13:32:19寇鵬
        科學與財富 2020年18期
        關鍵詞:光伏清潔能源回歸

        寇鵬

        摘 要:人類要可持續(xù)發(fā)展,并保持可持續(xù)大量用能,就要保持總體物質(zhì)平衡,努力減少化石燃料產(chǎn)能,轉(zhuǎn)而使用清潔能源。在一定意義上,這即是回到古代“燒樹木”較直接獲取太陽能的取能模式,未來能源必將“回歸”到清潔能源。

        關鍵詞:清潔能源;電能;風能;光伏;水力

        一、能源利用問題及清潔能源“回歸”必然性

        目前,能源消耗仍舊以化石能源為主,但清潔能源比重正在穩(wěn)步加速提高,這是由物質(zhì)平衡決定的。根據(jù)目前研究成果,化石能源的過量消耗,至少會產(chǎn)生過多的CO2、SO2等污染物,不僅危害身體健康,還會帶來溫室效應。有探測顯示,目前大氣總體的小幅度升溫,正使得海平面緩慢上升。若將來溫室效應加劇,會帶來兩種可能:一是海水蒸發(fā)量加大,海平面降低,但大氣更加濕潤,降雨量可能增加,帶來洪澇災害;二是冰川融化加快,海平面上升,淹沒低位大陸;無論發(fā)生哪一種,都將是大災難。因此,如繼續(xù)使用化石燃料大量產(chǎn)能,物質(zhì)平衡改變不止,帶來的后果人類將無法承受。

        二、清潔能源利用可行性及前景

        風能是目前發(fā)展最多的清潔能源。風的產(chǎn)生是由于太陽的照射使得空氣吸熱升溫不均,產(chǎn)生密度壓力差引起的,因此也較直接來自太陽。只要有太陽,地球就有風,風能取之不盡可持續(xù)。但影響風力的方面很多,天氣、地形、氣候等都是關鍵因素,風能不穩(wěn)定是其利用的制約難點。風能存在的缺點:能量密度小,需要大型風輪受風,建造風力發(fā)電機組工程量大,難度大;風輪轉(zhuǎn)動會影響鳥類,并產(chǎn)生小范圍噪音;需要合適的風場位置,如草原、沿海、山頂?shù)忍?風能轉(zhuǎn)化率低,風速過高或過低時需要棄風;風力的時刻變化對發(fā)電變頻等技術要求較高;上述均為小問題,實踐也證明均不能阻止風能的利用發(fā)展。隨著風葉變槳矩、變頻等技術的越發(fā)成熟,風電領域?qū)铀侔l(fā)展。

        太陽能是直接吸收太陽光照轉(zhuǎn)化為熱能、電能。熱能轉(zhuǎn)化是指通過黑體或近似黑體接受太陽光照生成熱,轉(zhuǎn)化率高,如家用太陽能真空管熱水器;電能轉(zhuǎn)化是指光伏效應直接將光照轉(zhuǎn)化為電力,轉(zhuǎn)化率相對較低,如太陽能光伏板;還有一種太陽能將水照曬加熱后,水變成高壓蒸汽送至汽輪機發(fā)電。太陽能利用需要天晴且白天,并受氣候一定影響,冬季、高緯度地區(qū)光照較差。對光伏發(fā)電而言,光伏材料是制約太陽能利用的主要因素。光伏材料制作成本高,且使用壽命僅十幾年,相對較短。太陽能也具有很明顯的優(yōu)點:易靈活安裝,普通居民屋頂可同時安裝熱水器和光伏板,可同時取暖和取電,單戶工程規(guī)模很小,維護量小,能量密度能滿足單住戶能量需求;無噪音污染。

        水能發(fā)電目前已經(jīng)應用成熟,在重要河流、水庫得到較大發(fā)展。水能歸根也來自于太陽照射:水汽受暖上浮,漂移至高處受冷降水,或凝結(jié)于高山頂部成冰川,融化后向下流水,匯集成水重力勢能。水電特點是在豐水期發(fā)電穩(wěn)定,能量密度大,但枯水期無法發(fā)電。水電適合建設于冰川融水充足或雨量充足、水流不斷的江河庫。水電建設投資巨大,對居民和生態(tài)會產(chǎn)生一定影響,宜綜合考慮,或采取彌補措施。從節(jié)能角度,建成后的水電站應作為重點電源,優(yōu)先發(fā)電,盡量減少泄洪導致的水能浪費。

        波浪能是由于海平面風吹引起的,可看作低處風能,其能量密度更低。且難以收集。目前,波浪能收集裝置總體處于研發(fā)階段,未來有一定利用價值。潮汐能作為地月引力引發(fā)的水勢能,由于高度差小、能量密度小,不適合沿海岸線建設,適合建設于入海河口處較窄位置。

        三、電力調(diào)節(jié)助力清潔能源更合理利用

        清潔能源最大化合理利用至關重要,這需要電力調(diào)峰來實現(xiàn)。太陽能、風能等清潔能源,時刻受制于天氣等因素,如不即時收集,會造成直接浪費。電力充足時,調(diào)峰將清潔能源發(fā)的電先行儲存,待電力不足時釋放。目前儲能主要形式是勢能儲存,如抽水儲能、機械儲能。其中抽水儲能已實現(xiàn)初步應用,其原理是通過多余電力將水用泵抽至高處水庫,用電時放水沖動水輪機發(fā)電,其原理同水電站一樣。機械儲能是通過電力驅(qū)動機械減速裝置,將重物提升至高處,用電時重物下移拉動加速裝置,帶動發(fā)電機發(fā)電。抽水儲能效率低,但水量和規(guī)模大,適合集中建設,主要調(diào)節(jié)較大的電力波動;機械儲能效率高,但規(guī)模小,適合建設于有高度差的山區(qū)地形,主要調(diào)節(jié)局部電力波動。儲能還有一種方式,就是電力制氫儲能,將水電解后產(chǎn)生的氫氣儲存,作為燃料,實質(zhì)上就是電能轉(zhuǎn)化為化學能。

        四、清潔能源更合理的利用方式

        未來能源必將回歸到清潔能源,這是多種清潔能源共同貢獻的必然結(jié)果。將能源應用進行地域網(wǎng)格化分析,就基本單元——單戶居民家庭用能來分析,僅憑清潔能源滿足居民能源需求可很好實現(xiàn):居民屋頂全部采用光伏板覆蓋,其上一小部分再鋪設太陽能熱水器,室內(nèi)安裝蓄電池和熱水保溫箱。光伏板發(fā)的電由蓄電池儲存,熱水器吸的熱由保溫箱保溫,光照強度完全滿足用電、用熱或取暖需求。在多風的山區(qū)或海邊,屋頂還可加裝一臺小型風機發(fā)電,用于連續(xù)陰雨天氣補充電力。借助目前的供電線路,多余的家庭太陽能發(fā)電可接至電網(wǎng),排擠火電等常規(guī)發(fā)電。這種模式關鍵的技術難點是蓄電池的容量和穩(wěn)定性,并盡量減小電池體積,市場化后降低生產(chǎn)成本。

        對于零星的遠距離島嶼,不宜鋪設供電線路供電,可采用風能、太陽能發(fā)電,抽取海水儲能的方式,滿足本島能源需求。在島上建設風電,居民屋頂安裝太陽能板,以及大型蓄水池,用風電、光電抽取海平面海水至島上蓄水池,用電時放水發(fā)電。除此之外,波浪能、潮汐能也可利用。

        未來能源將以清潔能源為主,快速調(diào)峰機組(燃氣發(fā)電)為重要調(diào)峰手段。清潔能源的日益發(fā)展,必將占據(jù)能源電力的主體地位,其規(guī)模也將最終達到飽和。但受氣候、天氣等諸多因素影響,電力負荷波動也將非常明顯,需要有快速調(diào)峰機組進行調(diào)節(jié)。目前占主要地位的煤電機組由于啟停過程時間長,且參數(shù)調(diào)節(jié)慢,難以適應大幅度調(diào)峰,數(shù)量將大范圍減少。相比,使用清潔燃料的小型燃氣機組適應性更靈活,能夠得以保留。已建的水電在豐水期將作為基礎電源優(yōu)先穩(wěn)定運行,在枯水期相當于備用抽水儲能水庫,間歇性發(fā)電調(diào)峰。核電由于危險性巨大,初投資巨大,核燃料生產(chǎn)也需要成本等原因,越發(fā)限制建設甚至拆除——德國宣布2022年之前拆除全部核電?;痣姀S發(fā)展至今已約百年,不斷產(chǎn)生電、熱,推動人類文明和經(jīng)濟發(fā)展進程,今后一段時間還將保持,直至清潔能源發(fā)展到一定規(guī)模,徹底“站穩(wěn)”。

        五、清潔能源利用未來預測

        未來的能源電力發(fā)展趨勢,不再是大型火電廠、核電站、水電等少數(shù)主要電源點,發(fā)電上電網(wǎng)來供電,而是分布式和分點式的多種類型能源點發(fā)電自用和上電網(wǎng)供電。在這種模式下,任何一個能源點故障,不會造成電網(wǎng)負荷明顯波動,自動形成良好的“供電生態(tài)”。

        未來的清潔能源將存在集中發(fā)電和分點發(fā)電兩種模式。集中發(fā)電以水電和風電為主。風電由于對風力要求高,風輪轉(zhuǎn)動噪音和視覺污染,工程施工影響面大,宜建在遠離居民區(qū)的大風場地,如貧瘠高原,沿海灘涂、淺水區(qū),因此適宜集中建設節(jié)省成本。分點發(fā)電以太陽能為主,宜借助現(xiàn)成的居民、廠房的屋頂安裝太陽能。目前的電網(wǎng)高、低壓線繼續(xù)使用,在技術上繼續(xù)發(fā)展高壓電輸送,減少電能損耗;在管理上合理制定電價,配套安裝表計,記錄從電網(wǎng)取電和發(fā)電上網(wǎng)電量,嚴格買賣電,政策激勵居民安裝發(fā)電的積極性。

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