太阳能、风能、水能互补发电，解决高峰用电短缺——北京、内蒙古和东北地区的未来

何祚庥 中国科学院院士 中国科学院理论物理研究所研究员

太阳能、风能、水能互补发电，解决高峰用电短缺
——北京、内蒙古和东北地区的未来

何祚庥 中国科学院院士 中国科学院理论物理研究所研究员

一、光伏太阳能产业的发展方向是第三代光伏技术取代第一代、第二代技术。“第三代”发电技术，也就是绿色光伏发电技术。

安装量预测

“第三代”光伏发电技术之所以是“绿色”技术，同时又是少耗能的技术，原因在于，用改良西门子法生产多晶硅，耗能高达150-200度/公斤，同时又产生出高污染环境的四氯化硅。“第三代”光伏技术将大幅度减少多晶硅的用量。

2011年第六期的《光伏产业观察》发起一个讨论：聚光光伏是“颠覆”我国光伏产业，还是“夭折”的讨论。

原因是，国外已出现“聚光光伏”的“飞跃”，已做到每年以大于40%的速度迅速上升。下面是对聚光光伏“现有”和“未来”安装量的统计和预测：

由于这一“聚光光伏”用的是砷化镓电池片，其光电转化率可高达30%-40%，聚光后可能大幅度降低发电成本。虽然是砷化镓价格比硅电池贵100-300倍，但400倍、1000倍或2000倍聚光后，可大幅度抵消砷化镓光电池比硅基电池贵100-300倍的价格。可望和晶体硅以及各式各样的薄膜电池，在价格上进行竞争。国内已有不少单位跟踪这一新技术。而我国光伏产业有大于90%以上的企业，均是晶体硅技术，这就提出是否可能“颠覆”我国正在飞速发展的晶体硅光伏产业的质疑！我们的回答是：“赞成大力发展聚光发电技术！”中国科学院理论物理研究所陈应天研究员独立自主开发的“4倍聚光+跟踪+n型光伏电池”转盘式发电技术。已做到：发电效率高、光电池寿命长、聚光后组件整体性能好、售价低。已在内蒙古鄂尔多斯地区建立了第一个4倍聚光的205千瓦的小型光伏电站，售价是47500元/千瓦，国家发改委特别批准4.0元/千瓦时的上网电价。由于跟踪将增加约30%的发电量，折合成不跟踪的平板光伏发电相“等价”的峰值功率售价是1.6÷1.3=1.23万/千瓦，按照内蒙古地区以每千瓦年发电2000小时计算，按10年回收成本计算的发电成本，已下降到0.8元/千瓦时。前一时期，由于进一步采取了各项技术改进措施，其成本电价已下降到0.7元/千瓦时。据我们所知，这是国内各企业所能做到的“最低”的成本电价。虽然前一时期，有的企业在“竞标”活动中，宣布已达到0.7元/千瓦时的水平，但那是以18-20年回收发电成本来计价，而且没有计及必须维持企业生存发展的利润。还要强调的是，在发展的未来，在这一技术大规模实现产业化后，还有大幅度降价空间。例如，完全可能进一步提高硅基聚光电池的转化效率，有可能在实现了“太阳能炼硅”的产业化后，再度大幅度降低多晶硅售价，也完全有可能将4倍聚光改为6倍聚光、8倍聚光等，进一步降低发电成本。但没有必要改成100倍、400倍聚光，其跟踪和散热技术太难，反而增加发电成本！

现在这一“4倍聚光+跟踪+高效硅基聚光电池”发电装置的全套技术已完全成熟，已能大规模应用于国内外市场。一个新的改进是，已能向国内外市场提供“高效P型硅基聚光电池”，以及提供“直到4倍聚光漏斗，转盘式跟踪系统”的全套生产线，现正在设法推进全套生产线的产业化。遗憾的是，这一“高效p型聚光电池”，虽然其每瓦售价要比n型聚光电池低出很多，其转化率，仍比n型聚光电池低16%，而且也有微弱的光致衰减效应！在紫外线比较丰富的地区，在技术上仍需要依存于国外供应的高效n型聚光伏电池，离这一技术的全盘国产化还有一段距离。

我们很欢迎国内有关研究所、高等学校、企业和我们共同推进这一新型的低倍聚光发电技术。

二、内蒙古呼和浩特地区和东北地区建设和发展光伏太阳能产业的重要方向是实现风光互补。

在内蒙古呼和浩特以及东北地区，不仅有丰富的太阳能，还有丰富的风能。为解决越来越短缺的能源需求，一个自然的选择是大力推进风光互补发电。风能发电成本约为太阳能的1/2，但占地较多，约是太阳能的10倍。为节约土地，节省导线，其最佳方案是在“同一”地区实行风光互补。其最佳技术的选择是“4倍聚光+跟踪”的光伏发电和风能发电互补。原因是：这一低倍聚光光伏技术还有两个重要成就：1）已做到50W/m2-60W/m2，而风能是5W/m2-6W/m2；2）最适合于实现风光互补。当人们在同一地区实现风光互补技术时，风能阴影将不可避免地减少太阳能光电池的发电量；但在通常平板式光伏电池的设计中，除阴影减少相应的发电量外，还出现有严重的阴影“堵塞”效应，一片树叶的阴影，将堵塞一大片光电池的发电通道，将不可避免地减少10%-30%的发电量；而“4倍聚光+跟踪”减少的发电量，仅等同于阴影面积。在广阔草原或荒漠地区，风机叶片造成的阴影，只有极微弱的电量损失。

前一时期，我在内蒙古呼和浩特介绍“第三代”光伏技术路线时，曾提到我在参加建设“绿色北京”的讨论会上发言：

建设“绿色北京”有两大困难：一是严重缺电。据报道，2010年8月30日北京市用电突破1600万千瓦，缺口高达313.5万千瓦，前几天我在《北京日报》上看见报导，今年用电，已突破1900万千瓦，而且是白天高峰用电严重短缺。其实，整个华北地区都严重缺电。二是电能不够清洁，大量排放温室气体。据报导，上海市已有50%的电力，来自长江三峡，而北京临近地区，严重缺水。

但北京市有一个特殊优越的地理条件。在长城以北，距北京仅约200-300公里的张家口、多伦、承德等地区，有大片的草原、湿地、荒漠地，均是太阳能资源的二类地区和风能资源比较丰富地区。世界大多数国家的首都，包括上海、广州、深圳等经济发达城市，均缺乏类似的地理环境。北京市应充分发挥北京地区所特有的优越性，完全应以太阳能+风能为未来发展的能源。

北京市发展清洁能源的一大困难是地价过高。而清洁能源，包括核能，（因有放射性，5公里内不能住人），均占地较多：太阳能光伏发电：50W/m2（占地）；太阳能槽式热发电：10W/m2（占地）。核能：10W/m2（占地），是否为清洁能源，现在有争论；风能：5W/m2（占地）。

所以，北京市的最佳选择，是拨出资金在长城以北，在河北省和内蒙地区，投资建立太阳能光伏电站和风、光互补电站，或出资收购这些地区风、光互补电站所发电能，用以解决高峰用电短缺。光伏发电的突出优点，是最适合解决白昼电价较高的高峰用电。阳光高照的白天，往往是空调需求旺盛的时间，下雨天太阳能发电量为零，但空调就可以关掉。现在南方各地高峰电价是1.4-1.6元/千瓦时，广东更高达1.6－1.8元/小时千瓦。而北京市由于即将转向大力发展第三产业，其白天用电以及售价必将显著增加。所以，不论是由财政拨款收购售价较高的光伏发电，或投资建设光伏电站，均有利于建设“绿色北京”，有利于大力发展“第三产业”。

至于太阳能和风能发电的缺点，发电的间隙性，完全可以用“太阳能+水能+抽水储能电站”调节供求。水能、抽水储能电站的特点是，只要有“足够”的水能的储存，随时可以发电，可以不发电，可以多发电，也可以少发电，其启动和关闭仅需几秒钟。水能将最适合于大幅度调整“峰谷比”。至于“足够”的水量，就用“风能+太阳能”抽水、蓄水，也不排除储存来自天空的雨水。

据我们所知，北京市十三陵水库邻近就有一座80万千瓦的抽水储能电站。如果加上太阳能、风能抽水蓄能，就完全可扩容到200万千瓦。至于火力发电和核电，尤其是“超超”临界，甚而“超超超”临界技术，其重大缺点是“不能”调整“峰谷比”。所以，中国电力结构，包括电力体制的重大改革，是用“火力发电+核电”作为长年发电的基本电力；但同时用“太阳能+风能+水能+抽水储能电站+锂离子蓄电池”作为调整峰谷等需求不同的调峰电力。以锰酸锂为正极，钛酸锂为负极的锂离子蓄电池，其充放电可达20000-30000多次，不仅能用做车用动力电池，还能兼做储能电池。当代蓄电池发展的重要方向，是大力发展既能做动力，又能做储能的两者兼容的蓄电池。既能做到兼容两用，同时又能大幅度降低使用成本。此外也还出现有将电池蓄电和超级电容蓄电相结合起来的新设想。

两个美丽的漂浮在水面的“太阳能睡莲”

对于内蒙地区，这里推荐的转盘式跟踪技术具有的另一优点是，所覆盖的土壤仍能均匀地接受光辐射，可减少蒸发量，同时可抽取少量地下水改良土壤，促进农作物的生长和发育。只需将上图所示的转盘支架略为升高一些，就可将所覆盖的土地全部变为肥沃的牧场，大规模放养羊、兔、鸡、鹅等，身高不超过一米的肉食动物。所以这一转盘式聚光技术，还有促进当地农牧业大发展的优越性。

最近，我们已向北京市委、市政府建议在距北京市为180公里的内蒙的多伦地区，用4倍聚光技术建造大型或超大型的光伏电站。可以通过始于多伦、终于南京的超高压电路直送北京。如果这一方案获得北京市大力支持，将为北京地区在未来的10年内，全面使用太阳能发电，以及风、光互补发电迈出一大步。

至于呼和浩特仅距北京市天安门450公里。我个人认为，上述类似方案，是解决中国能源问题的“必由之路”。

三、为解决北京市土地价格过高，我们最近又向北京市提出一个新建议，在北京市大力发展水上太阳能睡莲技术。

据“国际在线”报导，“苏格兰著名建筑公司ZM为格拉斯哥市由皮特理查森设计师设计出了一套可持续能源方案，其中最引人注目的，是一种漂浮在河面上的‘太阳能睡莲’”。

科研人员在格拉斯哥市的克莱德河中摆放了一些“太阳能睡莲”，在外表上和真正的睡莲很相像，但实际上是巨型的太阳能浮板，能将日间吸收到的太阳能收集起来，转化为电能向城市输送。ZM建筑公司的负责人表示：“这种太阳能浮板转化的电能，比通常放置在屋顶的太阳能板以及风力涡轮机转化的更多，这是城市能源计划中一个非常有创新性的点子”。此外，由于太阳能浮板外形美观，一旦投入使用，也将为城市增添一道独特的风景。目前，格拉斯哥科学中心正考虑在部分河道测试此方案。”

据外电报导，以色列已在他们的水库上，放置了一个约200千瓦的小型光伏电站。

据我们所知，北京地区的密云水库、官厅水库、十三陵水库，共有250平方公里的水面，加上天津的水库，共约有400多平方公里的水上面积。如以每平方米来发电50W/m2计，400平方公里的水面可装机达2000万千瓦之多。所以，北京市和天津市走向绿色能源的方向之一，是大力发展水上太阳能睡莲。显然，这一新技术，也为太阳能和水能的互补，提供了新的可能。

据我们所知，在辽宁，在本溪、辽阳等辽河地区，有丰富的水能资源，有足够的地形建设大型抽水储能电站。而极有兴趣的是，在渤海湾的北部、南部，又有面积超20000平方里的水面放置太阳能睡莲，放置水上太阳能光伏电站。我个人认为，这将是解决东北、华北地区电力短缺的重大发展方向。

当然，这里仅考虑了太阳能发电。如果真正付诸实施，还需要考虑其它能源，风能，水能，抽水储能电站以及可能的压缩空气储能，天然气发电，等等新技术的配合。

四、我祝愿“第三代”光伏技术能在北京和内蒙古、东北等地区生根、发芽，在将来成为擎天大树，直至成为遍布北京、内蒙古、东北等地区的森林。