建立人與自然能量平衡的可持續(xù)生活方式可再生能源動力系統(tǒng)氣候匹配的參數和方法

萬眾生能源科技 ■ 康健

一 前言

人類現代生活方式和文明秩序主要是在礦物能源（化石燃料分子能+原子能）驅動下繁榮起來的耗散結構，一旦失去這種能量輸入將陷入無序和崩潰，這就是能源危機意識的根源。古代人類生活方式和文明秩序從生態(tài)系統(tǒng)能流結構上看與其他動物一樣是光合作用能源的消費者，寄生于地球生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)中，是地球生態(tài)系統(tǒng)高品質生物質能量的儲能裝置。工業(yè)革命前人類只向生態(tài)系統(tǒng)內部獲取能量，是一種與生態(tài)系統(tǒng)平衡、低消費水平的可持續(xù)的農業(yè)文明社會結構。工業(yè)革命就是人類不僅向地球生態(tài)系統(tǒng)支取能量，同時也向礦物獲取能量，客觀上是增加了地球生態(tài)系統(tǒng)能量輸入，建立了依賴礦物能源的更高組織水平、更復雜、更遠離環(huán)境平衡點、可持續(xù)性很差的工業(yè)文明社會(耗散)結構。未來人類主導的地球生態(tài)文明應該通過智慧和技術把從前地球生態(tài)系統(tǒng)不能利用的能量和更多的太陽能轉換為可用能量，也就是人類的責任是要提高地球生態(tài)系統(tǒng)太陽能總利用效率，增加生態(tài)系統(tǒng)內能和負熵流，使地球生態(tài)系統(tǒng)更加豐富繁榮，各種層級的生命系統(tǒng)都得到充分協(xié)調發(fā)育，人類在食物鏈頂端才能持續(xù)存在下去。這是建立人與自然能量平衡及可持續(xù)生態(tài)文明社會結構的自然倫理基礎。人類主宰的智慧地球生態(tài)系統(tǒng)應該更理性地利用和分配太陽能，積極建立支撐生態(tài)平衡的能量平衡關系。討論可再生能源合理開發(fā)、高效利用、氣候匹配的參數和方法，根本目的就是研究如何提高包括人類社會在內的地球生命系統(tǒng)的太陽能利用率。

太陽是個熾熱的氣態(tài)球體(直徑：1.39×106km，質量：2.2×1027t，主要成分：氫80%+氦19%)。太陽能源于內部持續(xù)進行著氫聚合成氦的核聚變反應，不斷釋放出巨大能量，太陽輻射功率約為3.75×1020MW，根據目前太陽產生核能的速率估算，其氫的儲量足夠維持600億年。到達地球的輻射功率約173×109MW，也就是說，太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤，每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤。相當于現在人類所利用的能源的1萬多倍，從理論上是人類取之不盡用之不竭的清潔能源。但由于太陽能流密度低及其強度受各種因素(季節(jié)、地點、氣候等)的影響變化，限制了太陽能的有效利用。如何將這種低密度、具有特定統(tǒng)計學特征周期性變化的地表太陽能轉換為人類需要和便于使用的能源是目前人類可持續(xù)發(fā)展面對的重大課題。可再生能源合理開發(fā)高效利用不是單純的能量轉換的技術問題，需要綜合地球科學、能源科技、重新建立人與自然能量平衡的可持續(xù)生活方式，需要從根本上解決認識、論方法論的問題。

二 利用可再生能源對地球生態(tài)系統(tǒng)的邊際增益

根據地球科學的研究成果(見表1)，進入地球大氣層上界太陽輻射功率為173×1012kW，由于大氣層反射、吸收和散射，到達地表太陽輻射約80×1012kW。其中：77%以短波和長波輻射形式離開地球；23%用于直接驅動地球生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)、大氣運動和光合作用，只有約0.23%轉換為高品質能量(0.21%轉換為風能和水力，0.02%轉換為生物能)，22.54%通過水循環(huán)的相變(蒸發(fā)、凝結、結冰、升華)和水的高熱容轉換為低品質熱能，用來維持地球生態(tài)系統(tǒng)需要的溫度(溫差±50℃)。由此可見地球生態(tài)系統(tǒng)對太陽能的實際利用率很低(＜0.3%)，地表太陽輻射能和氣候溫差能占地表可再生能源的99.7%，從數量上應該認識到可再生能源開發(fā)主要指地表太陽能和氣候溫差能。

大氣運動(風雨)是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的動脈，河流相當于靜脈，首先考慮到大氣運動和水循環(huán)對地球生態(tài)系統(tǒng)和光合作用的直接影響(風能和水力能是維系地球生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的能量)；其次生物質能對人類未來營養(yǎng)源的重要性和稀缺性；同時由于風、水流和生物質能是地球生態(tài)系統(tǒng)高品位內能，其開發(fā)并不增加地球生態(tài)系統(tǒng)太陽能利用率和負熵流，只會影響內能分配格局；理論上這種開發(fā)一定會影響地球生命系統(tǒng)的發(fā)育和代謝；其在地球可再生能源中只占千分之幾的微小比例，因此風、水力和生物質能等高品質可再生能源開發(fā)生態(tài)意義不大。故可再生能源開發(fā)的主要對象是沒有被地球生態(tài)系統(tǒng)充分利用的太陽輻射能和氣候溫差能。

表1 地球太陽輻射能流表

隨著人類的不斷發(fā)展和進步，今天的地球生態(tài)系統(tǒng)客觀上已逐步變成了由人類意志主導的有意識的生態(tài)系統(tǒng)。人類是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，人類對太陽能及其衍生的各種可再生能源的開發(fā)和利用的根本任務是通過智慧和科技增加地球生態(tài)系統(tǒng)太陽能利用率和負熵流，以使其更加有序、繁榮和旺盛，提高生態(tài)系統(tǒng)容納和承載能力。

三 可再生能源動力系統(tǒng)的特點

現在的能源科技是建立在高品質礦物燃料(分子能和原子能)開發(fā)基礎上的，各種傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的本質特點是已有高品質能源的梯級開發(fā)和利用?？稍偕茉粗幸恍〔糠?約0.3%)，諸如風、水流和生物質能也是高品質能量，其開發(fā)利用與礦物能源本質相同。對上述高品質能源的利用本質只是改變地球能源分配格局，不增加地球和生態(tài)系統(tǒng)內能，相反在減少和耗散地球內能。

自然生態(tài)系統(tǒng)只能通過大氣、水和光合作用等利用太陽能，大部分的地表太陽輻射能(46%)和氣候溫差能(22.5%)沒有被充分利用，轉換為人類有用的能量，而是以熱輻射的形式返回宇宙空間。人類通過光伏、光熱和各種儲能技術可進一步提高地球太陽能利用率。因此可再生能源動力系統(tǒng)的本質特征是研究如何更多地將低品位的太陽輻射能和氣候溫差能轉化為人類和生態(tài)系統(tǒng)需要的各種高品位的能量，增加地球和生態(tài)系統(tǒng)內能和負熵流。

可再生能源動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)另一個本質區(qū)別是氣候匹配和儲能：傳統(tǒng)動力系統(tǒng)可調節(jié)能量(燃料)輸入來適應用能負荷變化，可再生能源動力系統(tǒng)則需要通過氣候匹配充分采集和儲存環(huán)境勢能，主要依靠儲存容量調節(jié)適應用能負荷變化。再加上氣候變化的周期性、隨機性和統(tǒng)計分布特性使動力系統(tǒng)原理、結構、設計運行參數和工藝方法與其他動力系統(tǒng)區(qū)別很大，特點是通過氣候匹配和儲能保證系統(tǒng)高效、安全和全天候運行。

可再生能源高效利用的關鍵是氣候匹配的參數和方法。合理開發(fā)的本質是增加地球生態(tài)系統(tǒng)太陽能利用率，建立人與自然能量平衡的可持續(xù)能源生產和消費系統(tǒng)。

四 能源合理配置和使用的基本原則

礦物能源和可再生能源的開發(fā)都是增加人類社會和地球生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入以維持其秩序、結構和狀態(tài)。合理的分配是必要的，高品質礦物能源應主要用于工業(yè)和交通等高品質需求；低品質太陽能和氣候溫差能目前應主要用于滿足人居生活能源需求，更有現實意義。生態(tài)平衡所需的能量平衡是維持生態(tài)系統(tǒng)結構和秩序的力量，人與地球生態(tài)系統(tǒng)良性互動、共同發(fā)展需要各種能源合理配置和使用，供需平衡，并在品種、品位和數量上結構匹配是基本原則?？紤]人類未來和礦物能源的有限預期，應盡量優(yōu)先使用可再生能源滿足目前能源需求。提高低品位可再生源利用率是優(yōu)化能源配置的根本途徑。

例如人類現代生活需要的能源種類除維持生命的食物外還包括：電力、燃氣、冬季采暖＞18℃、生活熱水40℃、夏季降溫＜26℃等，其中小部分(約25%)為高品質能量(電力、燃氣)，大部分(約75%)為低品質能量(采暖、熱水、降溫)。研究發(fā)現在地球溫帶各種氣候區(qū)域，這種生活能源需求結構與當地太陽輻射和氣候溫差形成的環(huán)境勢能有密切關系?！巴耆柲苋旌蚶錈犭姎饴?lián)產聯(lián)供動力系統(tǒng)”就是一種通過光伏、光熱和儲能技術，按品種、品位和數量利用太陽能和氣候溫差能，同時解決人居生活所需電力、燃氣、夏季降溫、冬季采暖和四季生活熱水等全部能源問題的通用可再生能源綜合動力系統(tǒng)?？稍黾影ㄈ祟惿鐣趦鹊厍蛏鷳B(tài)系統(tǒng)太陽能利用率。這是人類生活能源需求與地球生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的藝術杰作。

五 可再生能源動力系統(tǒng)的基本功能和特點

綜上所述，可再生能源動力系統(tǒng)的基本功能可概括為以下4點：

1 通過光伏、光熱和儲能技術進一步開發(fā)沒有被地球生態(tài)系統(tǒng)(光合作用)充分利用的太陽能和氣候溫差能，提高人類主導的地球生態(tài)系統(tǒng)太陽能利用率，增加地球內能和負熵流。

2 將低品位環(huán)境勢能轉換為人類和生態(tài)系統(tǒng)所需的高品位能量。

3 氣候匹配是保證系統(tǒng)高效、安全和全天候運行的關鍵，是系統(tǒng)主要性能參數與負荷特性和氣候特征的基本關系，是建立人與自然能量平衡的可再生能源生產和消費的系統(tǒng)方法。

4 可再生能源動力系統(tǒng)以年為周期循環(huán)工作，需要通過儲能技術把一些能量進行時空挪移，特別是環(huán)境勢能周期性變化時削峰填谷(如：白天的太陽能儲存用于夜間照明、夏天的熱儲存用于冬天采暖)。

可再生能源動力系統(tǒng)的設計和運行需要與氣候匹配才能最大限度合理高效地利用太陽能及其衍生的各種可再生能源。需要根據當地氣候特征和用能負荷特性確定動力系統(tǒng)設計、運行參數和能源生產的工藝方法?？稍偕茉磩恿ο到y(tǒng)與其他各種動力系統(tǒng)不同之處在于氣候匹配：(1)能量來源是隨機的、在時域上既有穩(wěn)定統(tǒng)計學分布又有極端小概率事件、高效利用需要最大限度采集能量，而不能實時隨負荷調節(jié)能量輸入。針對特定負荷，能量采集最佳容量又同時需要考慮當地氣候特點、成本和系統(tǒng)總體效率。(2)儲能容量既需要全天候滿足負荷變化調節(jié)，也需要考慮隨季節(jié)周期性交替。 (3)用能負荷也隨氣候變化。(4)系統(tǒng)工作過程組織需要隨氣候和氣象變化實時調節(jié)。即氣候匹配貫穿可再生能源動力系統(tǒng)的原理、結構、工作過程組織等各個方面。因此氣候匹配是可再生能源動力系統(tǒng)設計和運行的關鍵問題之一。根據用能負荷曲線和當地典型氣候特征確定可再生能源動力系統(tǒng)的采集容量、峰值功率、儲能容量、成本、效率、設計余量等主要性能參數，這是保證系統(tǒng)平穩(wěn)、高效、經濟、安全、全天候運行的基礎。

環(huán)境勢能是指相對人類需求周圍環(huán)境蘊含的可用能。低品位環(huán)境勢能是指太陽(外太空)輻射及其衍生的氣候溫差能(數量上只占99. 7%)，是相對人類現代生活方式能源需求的可用能量，包括太陽輻射及其周期性變化蘊含的可用能量和氣溫及其周期性變化蘊含的可用能量。高品位環(huán)境勢能是指太陽能衍生的風、水流和生物質能(數量上只占0.3%)。本文可再生能源動力系統(tǒng)討論的環(huán)境勢能是指有大規(guī)模開發(fā)潛力的低品質環(huán)境勢能。

由表2可見，可再生能源利用的核心問題是將低品位環(huán)境勢能轉變?yōu)槿祟惙奖闶褂玫哪茉葱问?。其開發(fā)利用不僅涉及光伏、光熱和氣候溫差能的品種、品位和數量的轉換，同時還需要通過儲能技術把這些能量進行時空挪移。只有這樣才能實現高效利用和便捷實用的統(tǒng)一，建立人與自然能量平衡的能源生產和消費方式。

表2 有關環(huán)境勢能、太陽輻射、氣候溫差、用能負荷的一般概念及相互關系的定義和表述

六 主要性能參數和氣候匹配方法

可再生能源動力系統(tǒng)的主要性能、設計和運行參數包括：

1 能量采集能力。額定輸入功率、容量及設計余量。

2 能量儲存能力。額定儲能容量和設計余量。

3 供能能力。額定輸出功率、容量及設計余量。

4 技術經濟性能。系統(tǒng)效率、成本和壽命。

與氣候匹配的方法是指可再生能源的生產和消費要實現人與自然能量的平衡并使單位地表可再生能源利用效費比(效率/成本)最高?？稍偕茉磩恿ο到y(tǒng)主要性能參數與負荷特性和氣候特征的關系可概括表達為：

年能量采集容量＝f(年負荷總能耗，年能量儲存損失，容量安全設計余量，氣候穩(wěn)定特征)

儲存容量＝f(氣象最大連續(xù)無補給用能，年負荷總能耗，儲能效率，儲能安全設計余量，氣候變化特征)

供能能力＝f(瞬時負荷峰值,功率設計余量，氣候峰值特征)

系統(tǒng)費效比＝f(系統(tǒng)全壽命周期成本(LCC)，系統(tǒng)效率，氣候穩(wěn)定性和可預見性)

其中：系統(tǒng)效率＝f(能量采集效率，儲能效率，用能效率)，能量采集效率是指以單位地表能量利用率。

表3 可再生能源動力系統(tǒng)氣候匹配的主要性能參數和原則方法

表4 有關氣候匹配特征的名詞解釋和定義

七 結論

綜上所述，人類對可再生能源利用的根本任務是更有效地利用地球自然生態(tài)系統(tǒng)沒有充分利用的太陽輻射能和氣候溫差能，可再生能源動力系統(tǒng)是基于人類開發(fā)利用太陽能的光伏、光熱和儲能等技術方法，將低品位環(huán)境勢能轉換為人類所需的高品位能源的能量轉換系統(tǒng)。涉及能源品種、品位和數量的轉換，同時還需要通過儲能技術把這些能量進行時空挪移。其高效運行、安全生產、全天候供給都需要動力系統(tǒng)設計和運行參數與當地氣候匹配，目標是創(chuàng)造人與自然能量平衡可持續(xù)的能源生產和消費系統(tǒng)，建立更加清潔、舒適、便利、安全、生態(tài)文明的生活方式。人類活動不應該只消費和減少地球生態(tài)系統(tǒng)內能，完全可以而且必須通過人類的智慧和安排進一步增加地球生態(tài)系統(tǒng)太陽能利用率和負熵流，促進地球文明的持續(xù)和繁榮。