太陽能、風能、水能互補發電，解決高峰用電短缺——北京、內蒙古和東北地區的未來
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、水能互補發電，解決高峰用電短缺
——北京、內蒙古和東北地區的未來
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、光伏太陽能產業的發展方向是第三代光伏技術取代第一代、第二代技術。“第三代”發電技術，也就是綠色光伏發電技術。
安裝量預測
“第三代”光伏發電技術之所以是“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多晶硅，耗能高達150-200度/公斤，同時又產生出高污染環境的四氯化硅。“第三代”光伏技術將大幅度減少多晶硅的用量。
2011年第六期的《光伏產業觀察》發起一個討論：聚光光伏是“顛覆”我國光伏產業，還是“夭折”的討論。
原因是，國外已出現“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“現有”和“未來”安裝量的統計和預測：
由于這一“聚光光伏”用的是砷化鎵電池片，其光電轉化率可高達30%-40%，聚光后可能大幅度降低發電成本。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。可望和晶體硅以及各式各樣的薄膜電池，在價格上進行競爭。國內已有不少單位跟蹤這一新技術。而我國光伏產業有大于90%以上的企業，均是晶體硅技術，這就提出是否可能“顛覆”我國正在飛速發展的晶體硅光伏產業的質疑！我們的回答是：“贊成大力發展聚光發電技術！”中國科學院理論物理研究所陳應天研究員獨立自主開發的“4倍聚光+跟蹤+n型光伏電池”轉盤式發電技術。已做到：發電效率高、光電池壽命長、聚光后組件整體性能好、售價低。已在內蒙古鄂爾多斯地區建立了第一個4倍聚光的205千瓦的小型光伏電站，售價是47500元/千瓦，國家發改委特別批準4.0元/千瓦時的上網電價。由于跟蹤將增加約30%的發電量，折合成不跟蹤的平板光伏發電相“等價”的峰值功率售價是1.6÷1.3=1.23萬/千瓦，按照內蒙古地區以每千瓦年發電2000小時計算，按10年回收成本計算的發電成本，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。據我們所知，這是國內各企業所能做到的“最低”的成本電價。雖然前一時期，有的企業在“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年回收發電成本來計價，而且沒有計及必須維持企業生存發展的利潤。還要強調的是，在發展的未來，在這一技術大規模實現產業化后，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化效率，有可能在實現了“太陽能煉硅”的產業化后，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，反而增加發電成本！
現在這一“4倍聚光+跟蹤+高效硅基聚光電池”發電裝置的全套技術已完全成熟，已能大規模應用于國內外市場。一個新的改進是，已能向國內外市場提供“高效P型硅基聚光電池”，以及提供“直到4倍聚光漏斗，轉盤式跟蹤系統”的全套生產線，現正在設法推進全套生產線的產業化。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，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化還有一段距離。
我們很歡迎國內有關研究所、高等學校、企業和我們共同推進這一新型的低倍聚光發電技術。
二、內蒙古呼和浩特地區和東北地區建設和發展光伏太陽能產業的重要方向是實現風光互補。
在內蒙古呼和浩特以及東北地區，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電。風能發電成本約為太陽能的1/2，但占地較多，約是太陽能的10倍。為節約土地，節省導線，其最佳方案是在“同一”地區實行風光互補。其最佳技術的選擇是“4倍聚光+跟蹤”的光伏發電和風能發電互補。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）最適合于實現風光互補。當人們在同一地區實現風光互補技術時，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電量外，還出現有嚴重的陰影“堵塞”效應，一片樹葉的陰影，將堵塞一大片光電池的發電通道，將不可避免地減少10%-30%的發電量；而“4倍聚光+跟蹤”減少的發電量，僅等同于陰影面積。在廣闊草原或荒漠地區，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”的討論會上發言：
建設“綠色北京”有兩大困難：一是嚴重缺電。據報道，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，整個華北地區都嚴重缺電。二是電能不夠清潔，大量排放溫室氣體。據報導，上海市已有50%的電力，來自長江三峽，而北京臨近地區，嚴重缺水。
但北京市有一個特殊優越的地理條件。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，有大片的草原、濕地、荒漠地，均是太陽能資源的二類地區和風能資源比較豐富地區。世界大多數國家的首都，包括上海、廣州、深圳等經濟發達城市，均缺乏類似的地理環境。北京市應充分發揮北京地區所特有的優越性，完全應以太陽能+風能為未來發展的能源。
北京市發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公里內不能住人），均占地較多：太陽能光伏發電：50W/m2（占地）；太陽能槽式熱發電：10W/m2（占地）。核能：10W/m2（占地），是否為清潔能源，現在有爭論；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，在河北省和內蒙地區，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風、光互補電站所發電能，用以解決高峰用電短缺。光伏發電的突出優點，是最適合解決白晝電價較高的高峰用電。陽光高照的白天，往往是空調需求旺盛的時間，下雨天太陽能發電量為零，但空調就可以關掉。現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向大力發展第三產業，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”，有利于大力發展“第三產業”。
至于太陽能和風能發電的缺點，發電的間隙性，完全可以用“太陽能+水能+抽水儲能電站”調節供求。水能、抽水儲能電站的特點是，只要有“足夠”的水能的儲存，隨時可以發電，可以不發電，可以多發電，也可以少發電，其啟動和關閉僅需幾秒鐘。水能將最適合于大幅度調整“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”調整“峰谷比”。所以，中國電力結構，包括電力體制的重大改革，是用“火力發電+核電”作為長年發電的基本電力；但同時用“太陽能+風能+水能+抽水儲能電站+鋰離子蓄電池”作為調整峰谷等需求不同的調峰電力。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。當代蓄電池發展的重要方向，是大力發展既能做動力，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。此外也還出現有將電池蓄電和超級電容蓄電相結合起來的新設想。
兩個美麗的漂浮在水面的“太陽能睡蓮”
對于內蒙地區，這里推薦的轉盤式跟蹤技術具有的另一優點是，所覆蓋的土壤仍能均勻地接受光輻射，可減少蒸發量，同時可抽取少量地下水改良土壤，促進農作物的生長和發育。只需將上圖所示的轉盤支架略為升高一些，就可將所覆蓋的土地全部變為肥沃的牧場，大規模放養羊、兔、雞、鵝等，身高不超過一米的肉食動物。所以這一轉盤式聚光技術，還有促進當地農牧業大發展的優越性。
最近，我們已向北京市委、市政府建議在距北京市為180公里的內蒙的多倫地區，用4倍聚光技術建造大型或超大型的光伏電站。可以通過始于多倫、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，將為北京地區在未來的10年內，全面使用太陽能發電，以及風、光互補發電邁出一大步。
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，在北京市大力發展水上太陽能睡蓮技術。
據“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：“這種太陽能浮板轉化的電能，比通常放置在屋頂的太陽能板以及風力渦輪機轉化的更多，這是城市能源計劃中一個非常有創新性的點子”。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。”
據外電報導，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。
據我們所知，北京地區的密云水庫、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。
據我們所知，在遼寧，在本溪、遼陽等遼河地區，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、華北地區電力短缺的重大發展方向。
當然，這里僅考慮了太陽能發電。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，天然氣發電，等等新技術的配合。
