可再生能源合理開發高效利用的技術路線和評價準則

北京萬眾生能源科技發展有限公司 ■ 康健

一 引言

地震和海嘯引發的日本核事故說明核電技術的災難性風險無法根本消除，不斷增長的碳排放對氣候變化和地球生態系統的影響有不可逆轉的趨勢，化石能源的日漸枯竭困擾著人類的生存和發展，廉價能源時代已成為美好的回憶，依賴礦物能源的工業文明的生活方式已難以為計，如何突破能源瓶頸是人類社會可持續發展面臨的重大課題。

中國已沒有機會再重復西方發達國家的發展道路，因為若中國人均能源消耗達到美國現有水平，現在的全球礦物能源產量將不夠中國消費。歷史需要我們開辟一條不消耗礦物能源的發展道路，需要開創一種全新的科學發展和生態文明的生活方式。

太陽能及其衍生的各種可再生能源取之不盡、用之不竭，但如何將它高效地轉換為方便人類使用的各種能源形式卻存在著效率、成本、技術和理論上的諸多問題。可再生能源的合理開發不是單純的技術問題，而是需要綜合考慮地球科學、能源科技和可持續發展生活方式，重新構建未來能源生產和消費方式的問題。與高密度的礦物能源地理上集中分布，高效利用是集中生產、分散消費的梯級開發的技術路線不同，低密度的太陽能及其衍生的各種可再生能源的分布是多樣的、均衡的、間歇的和不穩定的，可再生能源的高效利用理論上應該是以儲能技術和獨立能源系統技術為支撐的分散生產和消費。考慮人類生活所需的各種能源由于品質不同轉換效率不同，理論上可再生能源的合理開發和高效利用應該走分類生產和分類消費的技術路線。片面地用工業文明開發礦物能源的思維方式和技術觀點來進行太陽能及其衍生的各種可再生能源的開發，造成該領域存在諸多方向性錯誤和總體性認識混亂，需要從理論高度重新認識和評價各種可再生能源技術，重新認識和安排人與自然能量平衡關系。

國內外對太陽能及其衍生的各種可再生能源利用的研究開發存在普遍的認識和技術路線偏差，主要表現為片面地用工業文明開發礦物能源的思維方式和技術觀點為指導思想來進行可再生能源的開發，這是目前國內外該領域專家學者很多錯誤觀點的根源，導致實踐上大量盲目行為，嚴重影響了能源生產和利用方式變革及能源結構優化，制約著人類生活方式和發展方式的轉變。

綜上所述，解決可再生能源合理開發和高效利用問題首先需要從理論上概括出問題的根源，抓住解決問題的綱領，指出可再生能源合理開發、高效利用的技術路線，提出統一的、科學的、正確的效率和環境影響評價準則：

(1)構建正確的效率和環境影響評價準則及其堅實的理論基礎；

(2)確定合理開發的技術路線；

(3)確立高效開發的技術路線 。

二 觀點、立場、評價準則——評價方法和理論基礎

可再生能源的開發利用要充分考慮對地球生態系統的影響，要從空間科學、地球科學、氣候系統、生態系統演變發展規律角度，預見對環境和未來的影響，以謹慎、合理、適度和順應自然的原則行事。

目前可再生能源的開發利用沒有進行全面、客觀、科學的環境影響評估，甚至錯誤地認為對環境的影響很小，可以忽略，但可再生能源不正確的開發同樣會帶來負面影響，甚至是災難性影響。

各種可再生能源根本上都源于太陽能，都可以用太陽能能值轉換率換算為太陽輻射當量。理論上可用單位地表太陽能年利用總效率和對環境影響程度，評價各種可再生能源開發利用技術的適用范圍和合理規模，這是基本準則。

三 普遍存在的認識偏差及其導致的問題

1 目前國內外各種可再生能源技術和應用中存在的問題

(1)光伏并網發電系統以收支平衡實現零能耗，效率較低，而如果按上網電價和用戶電價平衡，要使發電量達到用電量的兩倍才能平衡。目前發電量等于用電量即視為零能耗的理論并不正確，因其未計入電網的建設、運行和管理能耗。

(2)集中大規模光伏電站只適用于在不毛之地開發利用，目前很多項目占用耕地、草場、林地在理論上是不經濟的。與礦物能源和水資源大多集中分布且火電、水電效率與規模成正比的本質不同，太陽能光伏發電應以建設小規模分散系統、局部供電系統更為合理。大規模并網光伏電站的建設在理論上也是低效的。

(3)太陽電池/蓄電池供電系統，因蓄電池反電動勢大，只能利用較強太陽光產生的能量，太陽總輻射利用率低，理論上蓄電池不能充分收集光伏板產生的電能，這使得太陽能路燈的實際使用能效很低。此外，充電次數增加，效率下降，全壽命期總效率低；能量密度低，大容量儲能占用空間大；生產、使用和回收環保成本高。

(4)被廣泛使用的太陽能熱水器，不能及時收集和有效保存集熱器產生的全部熱能，不能充分發揮太陽能集熱器的潛力，受結構和保溫限制，實際年總太陽能利用率低，不能全天候供熱水，不便利。當太陽能熱水器大量置于屋頂和墻壁時，理論上降低了建筑抗震安全性能。

(5)太陽能熱發電只適用于在不毛之地開發利用，如果占用耕地、草原、林地其經濟性較差。因為太陽能熱發電只能利用較強的直射光，轉換環節多，單位地表太陽能年利用率低于綠色植物(北方加冬季大棚)和光伏發電。目前太陽能熱發電標稱的效率計算通常是以法向直射光為分母，而不是以總占地單位地表面積年均總輻射為分母，這樣計算出來的太陽能熱發電效率偏高。

(6)在熱帶、亞熱帶，冬季溫暖，不需要采暖，也無冷可蓄，理論上太陽能吸收式制冷和太陽能半導體直接制冷將發揮優勢作用。但是熱帶、亞熱帶建筑能耗只占世界建筑能耗的10%～20%。

(7)風力發電只適合風力資源豐富的地區，我國大部分地區屬溫帶、亞熱帶季風氣候，沒有足夠的風力使風力發電經濟運行，它只適合在“風場”集中發電。目前一些太陽能風能互補系統也只適用于風力資源較豐富的個別地區，普遍推廣應用是不正確、不科學的盲目行為。

(8)潮汐和洋流是地球氣水運動的有機組成部分，是赤道向極地熱量傳輸的大動脈，是各地氣候形成和穩定的基礎因素。大規模工業開發會導致或誘導氣候變化，產生連鎖生態反應，理論上其開發只能在海洋和沿海地帶小規模進行，試圖大規模利用大洋環流進行發電是危險的。

(9)地源熱泵一般只能達到50%的節能效果，大規模開采會帶來地質環境問題，且連續開采效率會逐漸降低。在北方短暫不熱的夏天，地源熱泵制冷效果顯著，而漫長寒冷的冬天制熱效果差；在南方短暫不冷的冬天，地源熱泵制熱效果顯著，而漫長炎熱的夏天制冷效果差。熱泵技術用于各種余熱回收更為合理。另外對于電力驅動熱泵，其效率至少應追溯到發電廠，計算其一次能源效率才能反映其真實的能耗，其效率應乘以發電廠效率和電網輸電效率。

(10)生物質能是地球最寶貴的基礎能源，目前其生產能力還遠遠不能滿足替代礦物能源的需要。而美國生物質燃料的生產卻已造成全球性的糧食緊張、價格上漲和社會動蕩。生物質應優先用于食物、衣物、建材、飼料、肥料等生活必需品生產。邊腳余料、殘渣廢液和糞便等用來生產生物質燃料是合理的。當前雖然由于農業產業結構不合理造成秸稈多余，但從長遠看，隨著人口增長和耕地的減少，秸稈會越來越少，秸稈發電的合理性值得思考。

(11)當前，國內外的太陽能建筑熱利用有一個理論和認識上的盲區，即只考慮當地太陽輻射量的光熱轉換率，而忽略了氣候、太陽輻射的周期性和時間分布對太陽能利用效率的影響。國內外的太陽能蓄熱采暖工程，包括所有自稱為跨季節蓄熱采暖的工程，都是片面地從熱工學角度設計，集熱能力和蓄熱容量都沒有與當地氣候特點匹配，導致直接造價高且建筑形狀怪異。為保證冬季室內溫度達到建筑熱工標準要求，都設有輔助加熱系統，無法做到全天候完全太陽能采暖。輔助加熱系統不僅占用建筑空間和投資，且利用率低，還占用社會發電/供電/燃料等峰值容量儲備，以降低社會能源利用總效率為代價。類似的一些節能技術都存在社會整體利益與局部利益不平衡、不協調的問題。

(12)被動式太陽能建筑，通常冬季連續陰雨天無法保證室內溫度達到要求。為了使冬季室內溫度達到使用要求，往往在南面采用大面積玻璃窗，但這種做法對于平衡夜間保溫和夏季遮陽隔熱的效果有限，造成室內溫度波動大。根據中國嚴寒、寒冷、夏熱冬冷地區的氣候特點，依靠建筑保溫和被動式太陽能建筑無法經濟合理地解決全天候采暖問題，缺口約為5～25W/m2(嚴寒地區15～25W/m2，寒冷地區10～20W/m2，夏熱冬冷地區5～15W/m2)，要達到冬季采暖室內溫度18℃的標準，實現全天候完全太陽能采暖，需依靠太陽能反季節蓄熱采暖才能彌補這個缺口。

2 可再生能源利用的技術路線問題

目前的能源系統是基于煤炭、石油、天然氣、核能等礦物能源和水電的開發利用建立起來的，特點是集中生產、分散消費，電網和運輸通道是高效利用這些能源的方式。從能源開發的科學角度，可再生能源的發展方向主要是儲能和獨立能源系統技術，而不是繼續走上網傳輸的技術路線。原因有以下幾點：

(1)電網是由大規模可調控穩定電源的電力生產和供給技術產生的，是基于礦物能源發電(火電、核電)和大型水電的效率與規模成正比，以及礦物能源在地理上是集中分布的，因此電網是能源集中生產、分散消費的產物，是高效利用大規模可調控穩定能源的技術。

(2)可再生能源的分布是多樣的、均衡的、間歇的和不穩定的，與電網的能源集中生產、分散消費不同，可再生能源的高效利用應以儲能和獨立能源系統技術為支撐，分散獨立生產和消費。以儲能技術把不穩定的能源變成小規模可調控的穩定能源，隨時獨立消費。可再生能源的冷、熱、電、氣按質分類綜合開發利用是合理和高效的，不應該只用來發電。

(3)礦物能源是地球儲存的高品質(高密度)能源，高效利用的途徑是梯級開發利用；可再生能源是源于太陽能的低品質(低密度)能源，高效利用的途徑是按質分類生產、分類消費。

(4)可再生能源是低品質(低密度)的不穩定能源，大規模上網會對電網產生沖擊。我國主要電源是火電，大型超臨界火電機組升降負荷的響應能力無法與不穩的、變化迅速的沖擊電匹配，這是智能電網也解決不了的電源特性問題。如果我們學習美國式智能電網技術，就必須大量引進可快速調節負荷的燃氣輪機電源或大量使用柴油發電機組，這又與我國缺油少氣的資源狀況相矛盾。可再生能源發電上網應先考慮制定效率和安全規范。

(5)我國大部分地區是季風氣候，風能的能量和穩定程度都遠低于西歐，風電質量也遠低于西歐。這一點必須引起足夠的認識，不仔細考慮我國的自然條件盲目跟風是不科學的。

(6)不穩定的可再生能源儲能轉換后，即可隨時使用，沒有必要上網。

(7)以犧牲電網整體運行效率收購低品質的電，受益的只是投資可再生能源發電的投資方，因此不應該規定最低收購限量，而是只有符合上網要求的高品質的可再生能源電力才允許上網。

(8)“完全太陽能全天候冷熱電氣聯供技術”系統地提出了合理開發氣候這一地球基礎資源的理論和工程方法，是一種可再生、生態循環、分布式、按質分類、四種能源聯合供給的先進、高效、獨立能源系統，是一條解決居住和辦公建筑能源供給的全新技術路線。

綜上所述，可再生能源技術的發展方向主要是儲能和獨立能源系統技術，應該是可再生能源的冷、熱、電、氣按質分類綜合開發利用的技術。

3 可再生能源綜合利用存在的理論和認識問題

(1)高能耗的“零能耗”建筑

目前國內外建設了很多光伏光熱的零能耗和微排大廈，由于沒有將能源生產效率和消費使用效率分開評價，大多是些造價昂貴、效率低下、設計不合理的建筑。錯誤根源一是效率評價方法有問題，二是設計時沒有將能量采集、能量儲存能力與當地氣候特征匹配。

(2)智能電網的問題

互聯網信息的傳播是基于波動(光波+電磁波)的雙向傳播和疊加效應，可實現雙向單回路信號傳輸；而能量的傳遞是基于勢差和流量的單向傳播。電源向負載的單向供電是高效合理的，而互聯互通的雙向雙回路電網一定是低效的，雙向單回路一定是不合理的。美國基于雙向能量傳輸的所謂互聯網式智能電網的想法，以及歐洲的互聯網式屋頂發電計劃值得商榷。

(3)太陽能熱發電的問題

太陽能是一種低品質(低密度)的能源，轉換成高溫熱能的效率很低，問題在于只考慮了高溫熱源的發電效率高，而沒有注意用太陽能獲得高溫熱源的效率很低。應該全面考慮單位地表太陽總輻射的年利用率，探討太陽能熱發電技術的合理發展方向。理論上太陽能熱發電的兩難困境：低溫時熱能生產效率高，但熱機效率低；高溫時熱能生產效率低，但熱機效率高。高溫熱發電效率高僅是基于效率評價方法得出的結論，應該從土地利用效率和機會成本的角度看待其實用價值。

四 根本解決人居生活能源問題的技術路線

通過對各種氣候條件下太陽能及其衍生的各種可再生能源的研究，發現各種氣候區域大自然所蘊藏的可再生能源中，地表太陽能及其衍生的氣候溫差能分布與當地氣候的生活能源需求是趨于均衡一致的，具有普遍的開發價值，可完全滿足該氣候條件當地現代人居生活所需能源。需要一種全新的能量轉換系統，把不穩定、周期性變化的具有特定統計學特征的地表太陽能及其衍生的氣候溫差能，最大限度、高效地轉換為人類需求的各種不同品質的生活能源，擺脫對礦物能源的依賴，開創一種后工業化的現代生態文明的零碳能源生產和消費方式。這個能量轉換系統我們稱之為“完全太陽能全天候冷熱電氣聯產聯供獨立能源系統”。

五 結論

面對當前可再生能源領域在理論和實踐中普遍存在的方向性、全局性、前瞻性、綜合性問題和諸多兩難困境，必須首先從理論上解決可再生能源合理開發、高效利用的技術路線問題，必須提出統一的、科學的、正確的效率和環境影響評價準則。這是構建安全穩定、經濟清潔的現代能源產業體系目標，促進能源生產和利用方式變革、能源結構優化的重要理論依據。因此，筆者認為可再生能源開發應用合理的評價準則與技術路線模式如下：

(1)效率和環境影響評價準則＝f(單位地表年利用總效率+生態環境影響程度)。

(2)合理開發的技術路線＝f(地球科學+能源科技+可持續生活方式)。

(3)高效開發的技術路線＝f(分類生產+分類消費+獨立能源系統)。

[1]康健. 淺談可再生能源的合理開發和利用[J].太陽能, 2008,7:61－62.