可再生能源合理开发高效利用的技术路线和评价准则

北京万众生能源科技发展有限公司 ■ 康健

一 引言

地震和海啸引发的日本核事故说明核电技术的灾难性风险无法根本消除，不断增长的碳排放对气候变化和地球生态系统的影响有不可逆转的趋势，化石能源的日渐枯竭困扰着人类的生存和发展，廉价能源时代已成为美好的回忆，依赖矿物能源的工业文明的生活方式已难以为计，如何突破能源瓶颈是人类社会可持续发展面临的重大课题。

中国已没有机会再重复西方发达国家的发展道路，因为若中国人均能源消耗达到美国现有水平，现在的全球矿物能源产量将不够中国消费。历史需要我们开辟一条不消耗矿物能源的发展道路，需要开创一种全新的科学发展和生态文明的生活方式。

太阳能及其衍生的各种可再生能源取之不尽、用之不竭，但如何将它高效地转换为方便人类使用的各种能源形式却存在着效率、成本、技术和理论上的诸多问题。可再生能源的合理开发不是单纯的技术问题，而是需要综合考虑地球科学、能源科技和可持续发展生活方式，重新构建未来能源生产和消费方式的问题。与高密度的矿物能源地理上集中分布，高效利用是集中生产、分散消费的梯级开发的技术路线不同，低密度的太阳能及其衍生的各种可再生能源的分布是多样的、均衡的、间歇的和不稳定的，可再生能源的高效利用理论上应该是以储能技术和独立能源系统技术为支撑的分散生产和消费。考虑人类生活所需的各种能源由于品质不同转换效率不同，理论上可再生能源的合理开发和高效利用应该走分类生产和分类消费的技术路线。片面地用工业文明开发矿物能源的思维方式和技术观点来进行太阳能及其衍生的各种可再生能源的开发，造成该领域存在诸多方向性错误和总体性认识混乱，需要从理论高度重新认识和评价各种可再生能源技术，重新认识和安排人与自然能量平衡关系。

国内外对太阳能及其衍生的各种可再生能源利用的研究开发存在普遍的认识和技术路线偏差，主要表现为片面地用工业文明开发矿物能源的思维方式和技术观点为指导思想来进行可再生能源的开发，这是目前国内外该领域专家学者很多错误观点的根源，导致实践上大量盲目行为，严重影响了能源生产和利用方式变革及能源结构优化，制约着人类生活方式和发展方式的转变。

综上所述，解决可再生能源合理开发和高效利用问题首先需要从理论上概括出问题的根源，抓住解决问题的纲领，指出可再生能源合理开发、高效利用的技术路线，提出统一的、科学的、正确的效率和环境影响评价准则：

(1)构建正确的效率和环境影响评价准则及其坚实的理论基础；

(2)确定合理开发的技术路线；

(3)确立高效开发的技术路线 。

二 观点、立场、评价准则——评价方法和理论基础

可再生能源的开发利用要充分考虑对地球生态系统的影响，要从空间科学、地球科学、气候系统、生态系统演变发展规律角度，预见对环境和未来的影响，以谨慎、合理、适度和顺应自然的原则行事。

目前可再生能源的开发利用没有进行全面、客观、科学的环境影响评估，甚至错误地认为对环境的影响很小，可以忽略，但可再生能源不正确的开发同样会带来负面影响，甚至是灾难性影响。

各种可再生能源根本上都源于太阳能，都可以用太阳能能值转换率换算为太阳辐射当量。理论上可用单位地表太阳能年利用总效率和对环境影响程度，评价各种可再生能源开发利用技术的适用范围和合理规模，这是基本准则。

三 普遍存在的认识偏差及其导致的问题

1 目前国内外各种可再生能源技术和应用中存在的问题

(1)光伏并网发电系统以收支平衡实现零能耗，效率较低，而如果按上网电价和用户电价平衡，要使发电量达到用电量的两倍才能平衡。目前发电量等于用电量即视为零能耗的理论并不正确，因其未计入电网的建设、运行和管理能耗。

(2)集中大规模光伏电站只适用于在不毛之地开发利用，目前很多项目占用耕地、草场、林地在理论上是不经济的。与矿物能源和水资源大多集中分布且火电、水电效率与规模成正比的本质不同，太阳能光伏发电应以建设小规模分散系统、局部供电系统更为合理。大规模并网光伏电站的建设在理论上也是低效的。

(3)太阳电池/蓄电池供电系统，因蓄电池反电动势大，只能利用较强太阳光产生的能量，太阳总辐射利用率低，理论上蓄电池不能充分收集光伏板产生的电能，这使得太阳能路灯的实际使用能效很低。此外，充电次数增加，效率下降，全寿命期总效率低；能量密度低，大容量储能占用空间大；生产、使用和回收环保成本高。

(4)被广泛使用的太阳能热水器，不能及时收集和有效保存集热器产生的全部热能，不能充分发挥太阳能集热器的潜力，受结构和保温限制，实际年总太阳能利用率低，不能全天候供热水，不便利。当太阳能热水器大量置于屋顶和墙壁时，理论上降低了建筑抗震安全性能。

(5)太阳能热发电只适用于在不毛之地开发利用，如果占用耕地、草原、林地其经济性较差。因为太阳能热发电只能利用较强的直射光，转换环节多，单位地表太阳能年利用率低于绿色植物(北方加冬季大棚)和光伏发电。目前太阳能热发电标称的效率计算通常是以法向直射光为分母，而不是以总占地单位地表面积年均总辐射为分母，这样计算出来的太阳能热发电效率偏高。

(6)在热带、亚热带，冬季温暖，不需要采暖，也无冷可蓄，理论上太阳能吸收式制冷和太阳能半导体直接制冷将发挥优势作用。但是热带、亚热带建筑能耗只占世界建筑能耗的10%～20%。

(7)风力发电只适合风力资源丰富的地区，我国大部分地区属温带、亚热带季风气候，没有足够的风力使风力发电经济运行，它只适合在“风场”集中发电。目前一些太阳能风能互补系统也只适用于风力资源较丰富的个别地区，普遍推广应用是不正确、不科学的盲目行为。

(8)潮汐和洋流是地球气水运动的有机组成部分，是赤道向极地热量传输的大动脉，是各地气候形成和稳定的基础因素。大规模工业开发会导致或诱导气候变化，产生连锁生态反应，理论上其开发只能在海洋和沿海地带小规模进行，试图大规模利用大洋环流进行发电是危险的。

(9)地源热泵一般只能达到50%的节能效果，大规模开采会带来地质环境问题，且连续开采效率会逐渐降低。在北方短暂不热的夏天，地源热泵制冷效果显著，而漫长寒冷的冬天制热效果差；在南方短暂不冷的冬天，地源热泵制热效果显著，而漫长炎热的夏天制冷效果差。热泵技术用于各种余热回收更为合理。另外对于电力驱动热泵，其效率至少应追溯到发电厂，计算其一次能源效率才能反映其真实的能耗，其效率应乘以发电厂效率和电网输电效率。

(10)生物质能是地球最宝贵的基础能源，目前其生产能力还远远不能满足替代矿物能源的需要。而美国生物质燃料的生产却已造成全球性的粮食紧张、价格上涨和社会动荡。生物质应优先用于食物、衣物、建材、饲料、肥料等生活必需品生产。边脚余料、残渣废液和粪便等用来生产生物质燃料是合理的。当前虽然由于农业产业结构不合理造成秸秆多余，但从长远看，随着人口增长和耕地的减少，秸秆会越来越少，秸秆发电的合理性值得思考。

(11)当前，国内外的太阳能建筑热利用有一个理论和认识上的盲区，即只考虑当地太阳辐射量的光热转换率，而忽略了气候、太阳辐射的周期性和时间分布对太阳能利用效率的影响。国内外的太阳能蓄热采暖工程，包括所有自称为跨季节蓄热采暖的工程，都是片面地从热工学角度设计，集热能力和蓄热容量都没有与当地气候特点匹配，导致直接造价高且建筑形状怪异。为保证冬季室内温度达到建筑热工标准要求，都设有辅助加热系统，无法做到全天候完全太阳能采暖。辅助加热系统不仅占用建筑空间和投资，且利用率低，还占用社会发电/供电/燃料等峰值容量储备，以降低社会能源利用总效率为代价。类似的一些节能技术都存在社会整体利益与局部利益不平衡、不协调的问题。

(12)被动式太阳能建筑，通常冬季连续阴雨天无法保证室内温度达到要求。为了使冬季室内温度达到使用要求，往往在南面采用大面积玻璃窗，但这种做法对于平衡夜间保温和夏季遮阳隔热的效果有限，造成室内温度波动大。根据中国严寒、寒冷、夏热冬冷地区的气候特点，依靠建筑保温和被动式太阳能建筑无法经济合理地解决全天候采暖问题，缺口约为5～25W/m2(严寒地区15～25W/m2，寒冷地区10～20W/m2，夏热冬冷地区5～15W/m2)，要达到冬季采暖室内温度18℃的标准，实现全天候完全太阳能采暖，需依靠太阳能反季节蓄热采暖才能弥补这个缺口。

2 可再生能源利用的技术路线问题

目前的能源系统是基于煤炭、石油、天然气、核能等矿物能源和水电的开发利用建立起来的，特点是集中生产、分散消费，电网和运输通道是高效利用这些能源的方式。从能源开发的科学角度，可再生能源的发展方向主要是储能和独立能源系统技术，而不是继续走上网传输的技术路线。原因有以下几点：

(1)电网是由大规模可调控稳定电源的电力生产和供给技术产生的，是基于矿物能源发电(火电、核电)和大型水电的效率与规模成正比，以及矿物能源在地理上是集中分布的，因此电网是能源集中生产、分散消费的产物，是高效利用大规模可调控稳定能源的技术。

(2)可再生能源的分布是多样的、均衡的、间歇的和不稳定的，与电网的能源集中生产、分散消费不同，可再生能源的高效利用应以储能和独立能源系统技术为支撑，分散独立生产和消费。以储能技术把不稳定的能源变成小规模可调控的稳定能源，随时独立消费。可再生能源的冷、热、电、气按质分类综合开发利用是合理和高效的，不应该只用来发电。

(3)矿物能源是地球储存的高品质(高密度)能源，高效利用的途径是梯级开发利用；可再生能源是源于太阳能的低品质(低密度)能源，高效利用的途径是按质分类生产、分类消费。

(4)可再生能源是低品质(低密度)的不稳定能源，大规模上网会对电网产生冲击。我国主要电源是火电，大型超临界火电机组升降负荷的响应能力无法与不稳的、变化迅速的冲击电匹配，这是智能电网也解决不了的电源特性问题。如果我们学习美国式智能电网技术，就必须大量引进可快速调节负荷的燃气轮机电源或大量使用柴油发电机组，这又与我国缺油少气的资源状况相矛盾。可再生能源发电上网应先考虑制定效率和安全规范。

(5)我国大部分地区是季风气候，风能的能量和稳定程度都远低于西欧，风电质量也远低于西欧。这一点必须引起足够的认识，不仔细考虑我国的自然条件盲目跟风是不科学的。

(6)不稳定的可再生能源储能转换后，即可随时使用，没有必要上网。

(7)以牺牲电网整体运行效率收购低品质的电，受益的只是投资可再生能源发电的投资方，因此不应该规定最低收购限量，而是只有符合上网要求的高品质的可再生能源电力才允许上网。

(8)“完全太阳能全天候冷热电气联供技术”系统地提出了合理开发气候这一地球基础资源的理论和工程方法，是一种可再生、生态循环、分布式、按质分类、四种能源联合供给的先进、高效、独立能源系统，是一条解决居住和办公建筑能源供给的全新技术路线。

综上所述，可再生能源技术的发展方向主要是储能和独立能源系统技术，应该是可再生能源的冷、热、电、气按质分类综合开发利用的技术。

3 可再生能源综合利用存在的理论和认识问题

(1)高能耗的“零能耗”建筑

目前国内外建设了很多光伏光热的零能耗和微排大厦，由于没有将能源生产效率和消费使用效率分开评价，大多是些造价昂贵、效率低下、设计不合理的建筑。错误根源一是效率评价方法有问题，二是设计时没有将能量采集、能量储存能力与当地气候特征匹配。

(2)智能电网的问题

互联网信息的传播是基于波动(光波+电磁波)的双向传播和叠加效应，可实现双向单回路信号传输；而能量的传递是基于势差和流量的单向传播。电源向负载的单向供电是高效合理的，而互联互通的双向双回路电网一定是低效的，双向单回路一定是不合理的。美国基于双向能量传输的所谓互联网式智能电网的想法，以及欧洲的互联网式屋顶发电计划值得商榷。

(3)太阳能热发电的问题

太阳能是一种低品质(低密度)的能源，转换成高温热能的效率很低，问题在于只考虑了高温热源的发电效率高，而没有注意用太阳能获得高温热源的效率很低。应该全面考虑单位地表太阳总辐射的年利用率，探讨太阳能热发电技术的合理发展方向。理论上太阳能热发电的两难困境：低温时热能生产效率高，但热机效率低；高温时热能生产效率低，但热机效率高。高温热发电效率高仅是基于效率评价方法得出的结论，应该从土地利用效率和机会成本的角度看待其实用价值。

四 根本解决人居生活能源问题的技术路线

通过对各种气候条件下太阳能及其衍生的各种可再生能源的研究，发现各种气候区域大自然所蕴藏的可再生能源中，地表太阳能及其衍生的气候温差能分布与当地气候的生活能源需求是趋于均衡一致的，具有普遍的开发价值，可完全满足该气候条件当地现代人居生活所需能源。需要一种全新的能量转换系统，把不稳定、周期性变化的具有特定统计学特征的地表太阳能及其衍生的气候温差能，最大限度、高效地转换为人类需求的各种不同品质的生活能源，摆脱对矿物能源的依赖，开创一种后工业化的现代生态文明的零碳能源生产和消费方式。这个能量转换系统我们称之为“完全太阳能全天候冷热电气联产联供独立能源系统”。

五 结论

面对当前可再生能源领域在理论和实践中普遍存在的方向性、全局性、前瞻性、综合性问题和诸多两难困境，必须首先从理论上解决可再生能源合理开发、高效利用的技术路线问题，必须提出统一的、科学的、正确的效率和环境影响评价准则。这是构建安全稳定、经济清洁的现代能源产业体系目标，促进能源生产和利用方式变革、能源结构优化的重要理论依据。因此，笔者认为可再生能源开发应用合理的评价准则与技术路线模式如下：

(1)效率和环境影响评价准则＝f(单位地表年利用总效率+生态环境影响程度)。

(2)合理开发的技术路线＝f(地球科学+能源科技+可持续生活方式)。

(3)高效开发的技术路线＝f(分类生产+分类消费+独立能源系统)。

[1]康健. 浅谈可再生能源的合理开发和利用[J].太阳能, 2008,7:61－62.