何作庥院士--一个即将在广大农村、中小城镇崛起的战略性新兴产业

一个即将在广大农村、中小城镇崛起的战略性新兴产业 建议在中国的广大农村、过远地区、中小城镇建立以“太 阳能+风能+ 小水电+ 生物质能 +小型抽水储能电站 +中小型储能兼中 小型电动车的动力电池”相组合的“中、小型智能电网”为“中心” 的分布式的供电、供热的新能源体系 中国科学院理论物理研究所 何祚庥 一、广大农村、广大农民将迅速出现猛烈的用能需求 随着中国社会经济相继走上工业化、城市化、现代化，中 国的农业、农村和农民必定迅速涌现猛烈的用能需求。 所有这些“新三农”问题的解决，必定转化为“市场前景 大、资源消耗低、就业机会多、综合效益好”的“战略性新兴 产业” ，关键是如何“认真把握好科技超前部署的规律” 。 在诸多有待“超前”部署的科技项目之中，最为重要的是 大力发展分布式供电和供热体系，有望将一次能源利用率提高 到80% 。但如果这一次能源来自煤炭、石油、天然气，那就 不仅和“到 2020 年单位 GDP 的减排 40%45%的 CO2”的约束 性指标，背道而驰，而且运费将占供能成本的大部分！所以， 在发展分布式供能的问题上，必须“因地制宜” 、 “就地取材” 。 也就是建立“一个在广大农村、小城镇急待开拓的战略性新兴 产业建立以太阳能+风能+小水电+ 生物质能+小型抽水储 能电站+中小型储能兼中小型电动车的动力电池 相组合的小 2 型智能电网为中心供电、供热的新能源体系。 ” 二、为什么强调建设以“小型智能电网”为“中心”的 “供电、供热”的体系？ 电能较易传输，热能往往有较大传输损失。解决农村、小 城镇用电，最好组成大小等级不同的“智能型”电网。由微电 网、小电网、中电网，进而发展为大型、超大型的智能型电网。 供热就需要尽量缩短管道供热距离。 解决生活用电的最佳方案，是“屋顶光伏发电+ 锂离子储能 电池”组成的“微电网” 。我国约有 100 亿 m2 的屋顶，广大农 村约有全部屋顶面积的 80%。当代发展中的第三代光伏发电技 术已做到每平方米能发出 50W/m260W/m2 的电力，其等价于不 跟踪平板电池的“等效”峰值功率的组件售价，已下降到 14 元 15 元 /瓦，而且还有大幅度降价的空间。 80 亿 m2 的屋顶面积， 可安装约 4 亿千瓦的电力。以年平均发电 1500 小时计，4 亿千 瓦将发出 6000 亿度电能。以 10 亿农村人口计，可人均供应 600 度电/人。这将完全满足农村各住户照明、电器、空调、 用电， 节余电力可输往“小电网” 。 解决农村生产用电的最佳方案，是因地制宜地建设能连续 供电 810 小时的功率为 5002000 千瓦的“太阳能光伏电站+ 风能+锂离子储能电池”构成的“小型”智能电网。我国现有 18.26 亿亩（1.2174 亿公顷）的耕地。但我国还有邻近农村， 面积约 4 亿亩的荒漠地。如以每平方米发电 50W/m2计，1 亩荒 3 地可装机 33.3 千瓦/亩，1 亿亩荒地可装机 33 亿千瓦！这些荒 地的太阳能资源虽然比沙漠地区稍差，但均离广大农村较近， 离用电地区较近，而且大多是连片千亩以上干旱的土地，非常 适合在农村临近建设大、中、小型的“光伏电站+储能电池”所 构成的“中、小型”智能电网。用在中、小型智能电网中的储 能电池还可兼作包括拖拉机在内的农用客运、货运电动车辆的 动力电池。 由于这些地区大多临近发达地区，其开发成本、输电成本 均较低。以年发电 1500 小时计，1 亿亩荒地上附有储能装置 33.3 亿千瓦的装机，将等价于能发电 6000 小时，装机 8 亿千瓦的火 力发电的全年发电量，所提供的电能还是市场售价较高的“峰 电” 。我国发展的未来， “峰谷比”之间的电价差距将越来越大； 所以，这一“光伏电站+储能电池”所组成的“小型”智能电网， 必定有广阔的发展前景！ 如果这些荒地临近有较多水能，有较好地形建设小水电和 抽水储能电站；其更有利的方案，将是“光伏发电+风能+小水 电+小型抽水储能电站” 。当然，是用光能，还是风能，还是水 能，还是联合供能，要看资源分布的状况来确定。抽水储能电 站和锂离子储能电池，同样有迅速启动和关闭电流的能力；抽 水储能电站不仅可接收“光伏发电+风电”发出的电力，而且可 多接收来自天空位能较高的天落水 ，增加发电能力。在 有合适地形条件下，抽水储能电站易做成大型 ，甚而超大 型的抽水储能电站，是大型或超大型智能电网的建 4 设中，是不可缺少的能库 。 抽水储能电站的建设，要受地形的严重限制。所以， 大 型 、 超大型的锂离子储能电池技术的出现，仍是有战略意 义的新兴储能技术。当前正在研发中的以锰酸锂为正极、钛 酸锂为负极的新型储能电池，能充放电 2000030000 次，其 储能成本，可下降到 0.1 元/度次！我国应大力促进这类新技术 的出现，也完全有可能在近 13 年内走向大规模产业化。 三、怎样解决农村供热？ 解决生活供热的最佳方案，是用定日镜制作低损耗、低成 本、低售价，可在广大农村、边远地区、中小城镇，广泛应用 和推广的太阳灶和中低温太阳能锅炉。 近年来在太阳能聚能技术领域的一个重大突破，是陈应天 教授发明的陈式定日镜。其特点是：不论太阳自晨至晚，从冬 到夏，这一定日镜自动地在时间、空间分布上较均匀地将太阳 光反射到某一固定的“集热面”上。已应用上述思维，成功地 制造出聚光 10000 倍的太阳炉，已利用太阳炉成功地冶炼出 7 个9的多晶硅，正在走向产业化。陈式定日镜还能制出供农 村大量使用的，聚焦 60 倍的太阳灶。其特点是，用来煮饭做菜 的灶具，不需移动！ 下面是一个可在农村中广泛使用的太阳灶 的照片： 5 新设计中的太阳灶，是面积为 1.5m1.5m 的定日镜，其集 热功率为 1.8KW，相当于一个可供各种炊事操作的电炉。售价低 于电炉的价格，不需要用电。其附加的炊具，可设计为可用太阳 能，也亦可用沼气或压缩成块的秸秆、气化加热炒菜、煮饭的锅。 中国农村的特点：凡是太阳能比较丰富的地区，其秸秆产量往往 比较稀少，而常年连阴多日的地区，其秸秆产量，必定丰富。这 一太阳灶有较大的供热功率，农村又有沼气、秸秆，弥补太阳能 的间隙性。估计这类太阳灶将能大幅度推广到有 910 亿农民居 住的农村和小城镇。 为解决中国农村和小城镇即将涌现“冬季供暖、夏季供冷” 的强烈需求。一个最简单的扩展，可将镜面放大到 4m4m，其集 热功率将扩展为 11.412.8KW。在中国不同地区，其年平均集热 时间，约是 46 小时/每天。这一太阳能集热锅炉，将年集热 6 1600025000 度热。在当今中国的不同地区，达到“舒适” 、 “供 暖供冷”标准的，约是年均供热量 50100 度热/m 2。上述 “4m4m 的定日镜+特殊设计太阳能和秸秆兼用的锅炉” ，将能满 足住宅面积为 180m2280m 2的供暖、供冷的需求。当然，在农村 和小城镇，在连阴天不会有秸秆的短缺。 上述太阳能锅炉的最大优点是：全部光能，除镜反射损失极 小部分，均在室内转化为相应的热能，其输热管道也放在 室内 。其太阳能集热率，远较真空管式热水器为高。其供热 成本，也只有真空管热水器的 1/31/4。 四、更有发展前景的产业由可再生能源组成的分布式的、 供电供热的联合电站 一个最简单的方案是，将上述定日镜放大成为 8m8m 的 “定日镜，将能用这一“8m8m 的定日镜+秸秆气化或沼气+太 阳能和秸秆兼用的锅炉”直接推动小型蒸汽涡轮机组、或单螺 杆式机组发电。虽然这一太阳能热发电效率约为 25%30， 但却能回收较多热能，就近供应热能。 五、建造智能电网，必须“由小到大” ，必须在电力结构上 做“大改革” 现在人们纷纷呼吁中国要建设大型、超大型的智能电网， 大幅度提高能源利用效率。 从我们来看，一个经济有效的智能电网的“概念设计” 、 “顶层设计” ，只能是“由小到大” ，只能在“微电网” 、 “小电 网” 、等各级电网，做到初步“智能”化的基础上，才能做 7 到“全局”上的智