新能源发展猜想.doc

从1859年美国人埃德温德雷克在宾夕法尼亚州打出世界第一口油井开始，人类进入了石油工业的时代。在这种粘稠的黑色液体之上，现代工业文明达到了历史上人类文明难以企及的高度。经过数百年的钻采，世界石油资源日益减少，国际上比较流行的说法是按照现有的开采速度，世界石油将在40年后枯竭。石油越来越稀缺，石油价格反复动荡，给工业的发展带来了严峻的考验。上世纪的两次石油危机，以及近年来超过100美元的石油价格，都反复提醒着人们石油的稀缺性。和石油一样，煤炭、天然气等都面临着枯竭的威胁，由于绝大部分电能来源于化石能源的燃烧，它们的枯竭也直接威胁到了电气化时代的人类现代文明。为了应对能源枯竭的威胁，世界各国近几十年来在努力寻找能够替代化石能源的新能源，风能、太阳能、核能、生物质能等等纷纷登上历史舞台。这些新能源都被称作清洁能源，因为它们在生产或使用过程中产生的温室气体和污染物都大大低于化石能源。未来20年，将是各种新能源与传统能源同台竞技最为激烈的20年。科学技术的进步，推动新能源不断突破已有的效率极限，使之更加高效、清洁和人性化。这场竞赛，也很可能会催生新一轮的产业革命。产业革命关键在于技术装备革命。国务院副总理李克强在最近连续发表讲话，强调新能源引领着新一轮产业革命的方向，蕴涵着巨大的市场空间。他认为，把新能源提高到国际竞争的战略制高点的位置，抓住时机发展战略性新兴产业，是应对危机的重要举措。为此，装备制造编辑部精选风能、太阳能、核能等几大新能源领域，对未来20年产业发展提出大胆的猜想，新能源能否催生产业革命，我们拭目以待。 风电:全球风场想象20年之后，当最后一吨煤烧完，地球会陷入黑暗吗？至少丹麦是不会的，因为那时，这个国家的超过50%的电力来自风车的转动。欧洲的其他国家也不会，因为他们都计划建立多个大型海上风电场，这些不停转动的风机为欧洲提供源源不绝的电力。试想一下，当广袤的大海上树立着无数的风机，每个路灯边上都安装一个小型风机，所有狂风怒吼的高原都建立风电场，甚至，时不时有风筝一样的，用绳索拴着的悬浮在空中的风机与飞机擦肩而过。如果将所有风能都利用起来，能满足67亿人的用电需求吗？海上风电的最终幻想2008年依然是风电“爆发式发展”的一年，全球风电新装机量达120.8吉瓦，同比增长36%。其中，美国、德国、中国、西班牙的贡献最大。风电在持续升温中，尤其在中国，2010年装机1000万千瓦的目标可提前完成。全球风电井喷式发展除了受到环境污染的“逼迫”，更主要的原因就是风能资源储量极为丰富，如果全数开发，其提供的能量非常庞大。斯坦福大学的气候与能源研究项目，利用来自美国国家气候数据中心和预报系统实验室最近5年的数据，评价全球潜在风力发电资源。气候与能源对全球风能资源评估显示，只利用20的潜在的风力资源，发电量相当于2000年全球电力需求的7倍。德国全球变化问题咨询理事会（WBGU）2003年的统计显示，全球潜在的陆上和海上风能资源达27.8万太瓦时每年。报告预测，只有1015的潜在风能资源会被利用，即39000太瓦时每年，这个数字是目前全球用电需求的一倍以上。倘若充分利用风能资源，满足全球电力需求绰绰有余。但是，巨大的风资源并没有得到多少实质的应用，风电一直被当做替补能源，发展速度缓慢。即使在风电倍受重视的德国和西班牙，风电也才刚刚满足该国7%和10%的电力需求。虽然随处可见的大小风电机让丹麦成为风车之国，也招揽了不少游客。但是已经有人对大规模陆上风电场提出了质疑不但影响观瞻，而且占地面积大。另外，在欧洲，良好的陆上风电资源越来越少，即使全部开发也很难满足用电需求，开发成本也越来越高。这些原因造就了海上风电，近几年欧洲海上风电的发展迅猛，大有赶超陆上风电之势。可能是因为本身资源不足，欧洲各国对海上风电前景十分看好。丹麦早在2000年就建成了世界上第一座商业化意义的海上风电场。瑞典、荷兰等国也都积极建设海上风电场，并大笔投入资金。英国能源与气候变化部（Department for Energy and Climate Change）的一项研究称，在未来十年里，海上将新建50007000个风机，产生250亿瓦的电量，相当于25个大型燃煤发电厂。前几年对风电关心不多的美国也表示，美国近海/离岸风电储量可以满足全国的电力需求。2009年5月，在德克萨斯州修建的全美最大的海上风力发电场的提案获得批准。中国海上风能储量约为7.5亿千瓦，相当于陆上风电储量的3倍。2007年中国第一个海上风电场筹备，预计2010年能建成。各种数据显示，海上风电的时候到了。相比陆上风力资源，海上风资源有几点优势：海上年平均风速比陆上年平均风速高25%以上；海平面的粗糙度比陆上小，风切变小，故可以在较低高度获得更大的风速；海上风电场湍流强度小，具有稳定的主导风向，作用在风机的疲劳载荷小。海上风电场投资成本一般比陆上风电场高出1倍以上，其中基础、安装、维护以及电网接入成本都高。随着陆上风电场开发的增多，剩下的劣质资源增多，导致成本上涨。这时，海上风电成本高的劣势减少，开辟海上风电是大势所趋。 飘在空中的悬浮式风电机壮阔的海上风电场当风机能上天入海对资源丰富的风能善加利用即可解决电力供应问题，但是现在风力发电成本高让风电成为电力行业的配角。归根结底，技术才是解决成本问题的关键利器。风力发电机按结构分，可分为两类：水平轴式与垂直轴式。风轮轴线的安装位置与水平夹角不大于15度的风力机叫作水平轴风力机。其叶片翼形通常使用飞机翼形，它以类似螺旋桨式的叶片绕水平轴旋转。这类风机的优点是它的风能利用系数较高。水平轴风电机是现在应用较广泛的，它的形象：三张叶片支撑在一根高高的柱子上，几乎是所有人心中风电机的样子。现在世界最大的水平轴风机功率可达到6兆瓦，绝大多数电场安装的都是水平轴风机。风轮轴线的安装位置与水平垂直的风力机叫作垂直轴风力机。其叶片绕垂直轴旋转。它的优点：风轮可吸收来自任意方向的风能，而不需要跟踪风向的迎风机构。最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（型），由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展。2000年后，很多国家都开始研制H型垂直轴风电机，美国、英国、德国、奥地利、韩国等国家都已生产出样机，功率都在10KW以内。由于H型垂直轴风电机设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强。H型垂直轴风机运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使它成为各国研究的热点。业内人士认为，在风能资源不良地区安装H型垂直轴风机可以解决局部供电需求。考虑到空中风速比陆上高25%，前沿实验室在研究漂浮式风机。这种风机像放风筝一样浮在半空中，它的特点是对环境影响更小并且非常灵活。它的问题是，用来固定地面的长绳索有碍观瞻，也可能影响航空秩序。渥太华的Magenn Power公司已经在进行第一台漂浮式风机的实验了。现在建立海上风电场，需要把塔架深埋入海底，不仅耗时耗力，而且不易维修。挪威StatoilHydro公司计划建设世界第一台深水浮动风电机。这种风机利用电缆连接海底，深达170米，建成后可为1000家用户提供电力。无论陆上或海上风电，发展方向都是功率更高，对环境影响更小，更结实耐用。 新型垂直轴式风电机被电网排斥的未来电力巨人风速不稳定，产生的能量大小不稳定；利用受地理位置限制严重；转换效率低等原因使风能利用在技术上有颇多障碍。这些障碍中，负荷不稳定已经成为制约风电并网的因素，更导致不少建成的风电场无法并网。怎样把用电低谷的电量储存起来在高峰时期用是必须解决的问题。能源互补发电系统是目前应用较多的解决电网负荷峰谷峰底的差异的办法。但是，想要直接并且更高效地利用风能，需要经济实用的风能储能系统。通过合理的设计与调度，风能储能系统能够给风电场的稳定运行以及提高整个系统的经济性提供保障，从另一方面也更能促进风电的大规模开发，进一步降低成本。近年来，虽然风电在中国增长迅速，但是其地位还远没有改变。用可再生能源学会风能专业委员会副会长施鹏飞的话说，只是个“点缀”，即使到2020年风电装机容量达到1亿千瓦，也只占总装机量的3%。目前制约中国风电发展的一个主要原因是，风电并网困难的问题不是短期可以解决的，需要系统性的规划。风电并网对电网的影响表现在：对电网稳定与暂态运行质量的影响；因风速随机性分布，导致风电功率的随机变动，加大电网负荷调节负担。对电网公司而言，风电这样不稳定的电源就是“麻烦”。在欧洲国家对风电的大力支持与研发投入始于1980年代，如德国、丹麦等国。这些国家对风电的利用特点是，采取短途输送和近负荷中心利用。因此没有出现电网建设滞后与装机容量增幅过猛的矛盾。除了分布式电源输出方式外，欧洲国家还实施强制性政策支持风电发展。例如，德国在1991年1月实施的强制购电法（EFL），要求经营实体至少为电力付90%的零售额（除去15%的税）来将风力发电纳入到系统中。明确了“强制入网”、“全部收购”、“规定电价”三个原则。在2000年的可再生能源法进一步规定，电力运营商必须无条件以政府制定的保护价，购买利用可再生能源产生的电力，同时有义务以一定价格向用户提供可再生能源电力，政府根据运营成本的不同对运营商提供金额不等的补助。虽然暂时风电比例高的国家没有遇到电网与装机量的矛盾，但是，发展海上风电势必会带来类似困难。海上风电与中国目前风电资源情况相同，都处于远离负荷中心，而这些地区恰恰是电网的薄弱环节，即风能资源与用电负荷地域不匹配。施鹏飞认为：“风电间歇式发电特点对电网容纳能力提出挑战，技术上和调度管理上迫切需要研究。”自1980年代以来，陆上风电成本降低了80%，美国资源优良地区的风电成本降至每度电7美分。各国对海上风电的投资越来越多，研究屡有突破，已经有了明确的发展目标。相信随着技术升级，风电成本会继续降低，届时，风电必将跻身主力电源阵容，成为主要电力供应方式。 solar-tower，因为清洁环保可再生，太阳能成为传统能源的理想替代者利用太阳能发电、烧水这对你来说可能早已是司空见惯的事情。但你见过有人驾驶着靠太阳能电池提供动力穿越欧洲的飞机吗，这可真的是绝对超乎人们的想象，可瑞士人研制的“追日者二号”借助太阳能维持高度在空中飞行已经变成了现实。但你想过有朝一日，人类真的可以在空间