汪涛: 以太阳能再造一个中国大战略的补充 |2020-9-12

2020年9月12日13:47:18 发表评论

一、储能方案解决光伏波动问题

大力发展太阳能遇到的一个最大的问题就光伏发电的波动问题。因为太阳能的能量来源是高度波动的,很不稳定。有些网友提到生产硅的炉子是24小时不能停的,但很显然,别说是天晴和天阴太阳光会有巨大变化,每天24小时阳光的强度也会有周期性变化,到了晚上阳光就只剩月亮的反光了,供电怎么解决?通过储能等手段使太阳能发电具有一定的稳定性就是很自然想到的解决方案。如果仅仅是太阳能发电成本低,但储能的成本很高,这会影响最后实际的用电成本,这样就对是否能在大西北获得一个接近零电价的超级能源基地存在疑问了。在太阳能发展的一开始,这个光伏的波动问题就已经引起业界高度关注。寻求合适的储能技术也是从太阳能发展的一开始就成为业界关注的中心。

被业界关注并研究过的储能技术非常多,其技术原理也天差地别。一种技术是否真正合用,真到了实际工程中会遇到各种各样事先想到或没想到的问题。最终是否合用,是需要经过大量理论技术研究和大量实验工程验证的。有些甚至要发展一段时间,才能看出其是不是适合继续发展,或还是有用,但只是适用于某些特定场合。

例如,抽水蓄能电站是通过在太阳能或风能高峰期将下池的水抽到上池储存能量,在低谷期上池水向下流发电,相当于一个水电站加了抽水功能。这种储能方式效率非常高,可达到75%-80%的水平。因此,业界曾对它寄予过很高的期望。

抽水蓄能电站储能原理

    但是,这种储能方式也存在一些限制,首先是它得有高差,另一个它得需要有足够的水。在沙漠地区,如果很难去找到有高差并且建高低两个水池的地方,这个方案的应用就存在困难。大西北地区本来就严重缺水,它是否适用于大西北地区就存在很大疑问了。另外,它相当于建一个水电站,因此其工程建设成本早已经是优化到接近极限的,很难再有继续大幅度下降的空间。

    曾进入过业界关注的储能技术还有如下这些:

  • 蓄电池储能。采用铅酸、锂电池等二次电池储电。
  • 全钒液流储能。
  • 超导环储能。
  • 飞轮储能。
  • 压缩空气储能。
  • 各类改进的抽水储能(如利用巨型岩石体活塞等)。

      ......

以岩石活塞改进的抽水蓄能电站原理示意图

    以上技术原理网上都有,因此不再展开讨论。它们各有优缺点,也都有过一些实际工程应用,或实验工程验证。有些技术当研究过一定时间后,就可很明显发现其发展前景的限制。例如,全钒液流储能主要材料是含钒的化合物,如V2O5、NH4VO3等。这种储能技术的确有很多的优点:如可同时充放电;因储能大小取决于全钒电解液容量,可以很灵活地设计;充放电效率较高,可达75%-80%,与抽水蓄能差不多......但是,这种技术也存在一些根本性的限制。如,能量密度约为40Wh/kg,这与铅酸蓄电池差不多,并且很难有提升的空间。因此,要实现大容量的储能,必须要很大容量的电解液储备设施和电解液本身。这样其成本很快就会遇到底部,并且要从技术上持续地降低成本很困难。

    不同技术的不同特点,决定了它们适用的场合,千万不要带着理想和绝对化的态度来看待。例如,锂电池作为光伏能源储能技术有一个好处,可以对纯电动车的废旧锂电进行梯度利用。但这样做也有一个限制,因为动力电池废旧的程度不同,厂家参数有差异,如果简单地将大量废旧的锂电池组合在一起作为大容量光伏发电厂的储能设备,会遇到极为复杂的电池管理问题。其特性会取决于内阻,电量等特性最差的那一个。因此,这会带来废旧锂电的挑选和电池管理的巨大困难。另外,将过多锂电池堆在一起作大型储能设备使用,还会带来巨大的安全隐患,一旦内部有某个地方散热不好而着火,可能会迅速燃爆整个锂电池堆。但是,如果不用将多个锂电池组合在一起,而是作为路灯等极小容量光伏电池的储能,其参数一致性就不是太大问题,并且安全性问题也几乎可以忽略不计。况且,在这个情况下,你总不能为每一个路灯的太阳能光伏电池,去分别建设一个微型抽水储能电站作为储能装备吧?

    以上储能技术都各有其适用的场合,在未来也会有不同的应用和发展。但是,要作为一种巨大规模的光伏电源储能手段,都会遇到成本的根本约束问题。

二. 非储能的解决方案

1. 用电侧匹配与发电组合

    如果以为只有储能才可以解决平滑太阳能波动问题,会严重限制人们的思维。本来降低太阳能或风能发电本身就耗费了很大的努力,储能毕竟是一个附带的投资,无论如何去研究发展相关技术,肯定都是增加成本的。一个跳跃性的创新思路是:因为我们只是为了使太阳能的波动获得稳定,是不是只能通过储能才能将这种不平稳给削平呢?未必如此。能不能不要储能或尽量少建储能设备就实现平稳光伏波动的目的呢?是有可能的。

    我们并不是要把太阳能的波动完全削平成一个恒定值,因为实际用电也是波动的。一般在城市里白天用电是高峰,晚上用电相对很小。这种用电的波动也大致符合太阳能波动的特点。

    如果大力发展纯电动车,其本身就是储能装置,只要通过智能的电网管理设计充电的多少,就可以使海量的纯电动车成为平滑太阳能电网波动的储能装置。这样就不需要专门建设电源端的大型储能设备了。

    以上说明,用电侧也是不平稳的,如果能将两者尽可能同步,就可以在一定程度上解决或缓解太阳能的不平稳问题。

    太阳能的能量来自阳光,而风能的能量来自风。风虽然也是不稳定的,但它与太阳光并不同步。晚上或阴天阳光没了,但可能风还有。甚至于越是阴天风雨交加没有太阳光时,风可能更大。所以,太阳能和风能如果组合在一起,是可以起到相当程度平稳能量供应作用的。当然,这种平稳作用并不完全,因为风能也是“靠天吃饭”,说不定什么时候风和阳光都没了,这该怎么办?

    虽然问题还在,但它却给了我们一个很好的思路:如果用不同发电技术进行组合,本身就可以起到削平发电波动的作用。结合用电侧本身就不平稳,并且有纯电动车这类海量储能终端,如果组合的有效发电技术更多,相互有效弥补,最终是否可以使发电波动得到良好的平稳,并与用电波动很好地相一致呢?这正是目前业界最感兴趣的方向之一。因为这样的组合技术,单纯储电的投入会极小化,从而给降成本创造最有利的条件。

2. 天然气发电

    做什么事情都不一定要搞100%纯而又纯,当然纯科学除外。因为现实社会运行情况是极为复杂的,一说到新能源和可再生能源,不是说我们就要把一切不可再生的能源方案绝对排除在外。无论可再生还是不可再生,首先它得是能源,满足社会能源需求,其次才是环保问题。天燃气发电虽然还是属于化石能源,但它有一些非常大的好处:

    相对来说其碳排放远远少于燃煤发电。因此其环境影响远比煤炭小,这个不用展开太多。更重要的一点是,作为削平太阳能波动,天燃气发电有一个很大的好处是启动快,也可完全停机。相比之下燃煤的炉子不能完全关了,否则重新燃烧启动不仅要花太长时间,而且能源消耗会大大增加。因此在燃煤发电的低谷期,主要是晚上,还是得保持一定的发电量。为了消化这一部分燃煤发的电,就制定了晚上的低谷电价。天燃气发电的启动快和可停机的优点对于削平太阳能的波动是有极大好处的。如果太阳能有大幅度的波动,天燃气发电厂就可以快速地大幅度变动从而弥补其波动。也可以在太阳能过于富裕时完全停机。虽然天然气发电的成本会比太阳能高,但因为它主要只是作为调峰和补偿太阳能等的波动,因此其成本支出会是最小化。

天燃气发电原理图

    因为利用了燃气轮机发电和余热的蒸汽轮机发电这样两级的发电,因此其发电效率比较高,可达到近60%。再加上余热作为供暖甚至余热制冷等利用,其总的能量利用率是非常高的。在沙漠地区虽然白天阳光充足时高温酷热,但昼夜温差极大,到了晚上非常冷。因此将余热利用作为供暖是有很大价值的。更重要的优点还在后面,为说明这一优点,我们需要先来介绍下光热发电。

3. 光热发电

    太阳能发电除了光伏发电外,光热发电也是一个很重要的方向。其价值不仅在于光能利用率高,而且其本身就自带储能。这种储能并不是外在附加的投资,而是其本身必要的功能。

    光热发电主要有两种方式:塔式和槽式。

    塔式光热发电系统原理其成本构成(由智康科技提供,在此表示感谢)

塔式光热发电的聚光系统部分效果图

    塔式光热发电是用大量反光板把太阳光反射到一个塔顶的吸热器上。通过传热介质将热量带到储热罐里,然后用热交换器将水变成蒸汽驱动发电机发电。产生蒸汽以后的发电过程与一般火力发电厂的原理一样。

槽式光热发电系统原理

槽式太阳能发电厂成本构成(中国能建2020年8月13日常州光热会议上提供)

    槽式光热系统的集热和吸热部分有点类似于我们已经很普及的家用太阳能热水器。它是直接用槽式的抛物面太阳能反射聚光板,把太阳能的热集中照射到位于焦点的管状吸热器上,通过管子将其中的传热介质加热。再通过管道将加热后的传热介质集中后在热交换器中使水变成蒸汽去驱动发电机发电。后面的蒸汽发电与一般的火力发电厂一样。塔式与槽式的区别主要是太阳能集热和吸热部分稍有区别,从传热介质吸热以后的原理其实都差不多。

4. 天燃气与光热组合

    从以上分析可见,太阳能光热技术发电有一个很重要的特点:它本身就是带有储能系统的。储热与驱动蒸汽发电可以是同时,也可以有一定的时延,这样就在一定时间范围可以很好地起到调节光能转化成电能波动的作用。如果将储热系统部分适当地加大,就可以增加储能的能力。

    还有一个重要特点是:吸热和储热之后,天燃气发电、余热利用等与光热发电几乎可以是一样的。那么,如果将两者组合在一起,可有效节省投资。

现在,迪拜正在实验太阳能光伏、风能、光热发电、天然气发电等组合来解决新能源波动问题的实验。

以上是中国西电集团设计的一个光伏、光热、电池储能、充电、风电等多能互补的方案各部分容量案例。

三. 智能电网的全网解决方案

    如果让用太阳能生产太阳能的企业自己去建设所有储能设备,或除光伏外的组合方案,其投资将非常高,补贴也会非常高。因此,太阳能发电的平稳问题主要不应由用电企业来解决,而应通过大范围的电网来解决。因为对于组合性的方案来说,组合和匹配的发电网络越大,相互匹配的程度就可以控制得越好。因此,用太阳能生产太阳能,或者高耗电的电解铝等企业,可以自建大容量的太阳能电站,并且其容量远超过其用电量。这样在发电高峰期,其发出的太阳能电力远超过需求,可以通过电网平价出售电力。在太阳能低谷期,再通过电网买电。这样解决问题不是电本身的平稳,只要售电和买电在价值上基本持平,用电成本抵消到接近零成本即可。

      这种方案不能仅仅是一个发电厂或综合性的发电厂,而是应当作为一个大战略来设计。中东部地区目前主要是煤炭为主的火力发电,其特点是白天用电较多,晚上用电较少。这样煤电厂会有较麻烦的峰谷发电波动问题。如果大西北的太阳能大量发电,并用特高压电网输往中东部地区,反而会使东部地区的煤电厂白天与晚上的发电量获得一定程度的平衡。

四、降成本的途径

    不同技术都有降成本的途径和不同的降成本空间。例如,风电通过增大叶片长度和风机功率可降低成本。

    正在研究和实验中的超临二氧化碳用于热电技术中替代水蒸汽驱动发电机。这个技术对所有热电技术(煤炭、天然气、燃油、光热、生物质等各种发电)都会产生效率和成本上的重要影响。

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