大規(guī)模開發(fā)太陽能與地下式抽水蓄能組合發(fā)電系統(tǒng)的思量

【摘要】本文論述了在沙漠、沙漠化、沙土化地區(qū)中大規(guī)模發(fā)展太陽能發(fā)電系統(tǒng)以應(yīng)對能源危機(jī)、環(huán)境污染、人口增長等緊迫問題，同時(shí)可取得發(fā)電、治沙、合理利用沙漠資源改善生態(tài)環(huán)境的綜合效益。并從太陽能發(fā)電系統(tǒng)的各種類中分析優(yōu)選出適于沙漠里大規(guī)模建造的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)、薄膜光伏電池發(fā)電系統(tǒng)和地下式抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)組合成一聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)太陽能連續(xù)、穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電。

【關(guān)鍵詞】太陽能；抽水蓄能；沙漠；沙漠化；沙土化；太陽能與抽水蓄能組合發(fā)電系統(tǒng)；太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)；薄膜光伏電池發(fā)電系統(tǒng)；地下式抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)

1、前言

當(dāng)前的石化能源煤碳、石油、天然氣等燃燒使用后會排出有害氣體形成溫室效應(yīng)而造成全球范圍內(nèi)的氣溫持續(xù)升高、氣候變暖，最終將會使南極洲的大面積冰山融化，從而使全球的海平面升高，不少沿海地區(qū)（包括大城市）都將被淹沒，這會導(dǎo)致不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果，已成為全球重大問題。

電力能源方面，截至2015年底，我國電力裝機(jī)總?cè)萘考s為15.1×108 kW，我國超過美國成為世界電力裝機(jī)容量最大的國家。其中，火電裝機(jī)達(dá)到9.9×108kW；水電總裝機(jī)達(dá)到3.2×108 kW，已經(jīng)建成抽水蓄能電站20座，抽水蓄能電站在運(yùn)容量達(dá)到0.2274×108kW，在建規(guī)模達(dá)到0.2308×108kW；并網(wǎng)風(fēng)電容量近1.3×108 kW；光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到0.4318×108kW；在運(yùn)核電機(jī)組達(dá)到0.2831×108kW，在建及已核準(zhǔn)機(jī)組0.26728 kW；潮汐能以及生物質(zhì)發(fā)電站的裝機(jī)容量較少；全年全國的發(fā)電量56184×108 kW·h。雖然取得了很大的成就，但是2015年水電、風(fēng)電、核電、天然氣等清潔能源消費(fèi)量還僅占能源消費(fèi)總量的17.9%，煤電裝機(jī)過剩仍是我國能源變革的最大阻礙；距2020年裝機(jī)總?cè)萘?0.7×108 kW的目標(biāo)還有近5×108 kW的空缺，其人均年發(fā)電量4091kW·h，僅為世界平均水平。因此必須開發(fā)新的潔凈電力能源，以應(yīng)對氣候變化，能源危機(jī)、環(huán)境污染、人口增長等緊迫問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。本文提出的大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電與地下式抽水蓄能組合發(fā)電系統(tǒng)方案，是作為這一課題的探索。

2、太陽能的特點(diǎn)

中國是沙漠比較多的國家，為世界上沙漠面積較大、較分布較廣、沙漠化危害嚴(yán)重的國家之一，沙漠的總面積約為130.8×104 km2，約占全國土地面積的13.63% 。其中比較大的沙漠有12處。而中國沙漠化面積已經(jīng)達(dá)到263.62×104 km2，占國土面積的27.46%，沙化土地面積則為173.97×104 km，占國土面積的18.12%。沙漠化、沙化土面積呈擴(kuò)展的態(tài)勢。有明顯沙化趨勢的土地面積30.03×104 km，約占國土面積的3.12%。

利用沙漠地區(qū)、沙漠化地區(qū)、沙土化地區(qū)土地的陽光資源大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電站，同時(shí)可取得發(fā)電、治沙、合理利用沙漠資源改善生態(tài)環(huán)境的綜合效益，是我們開發(fā)新的潔凈電力能源的一條出路，急須應(yīng)對的措施。

3、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的種類

（1）光熱型太陽能發(fā)電裝置

光熱發(fā)電當(dāng)前主要有5種收集太陽能的方式：拋物面槽形集熱器、菲涅耳集熱器、塔式集熱器和旋轉(zhuǎn)拋物面碟式集熱器和平板太陽能集熱系統(tǒng)。

這五種太陽能光熱技術(shù)中，目前槽式太陽能系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)是最成熟的太陽能光熱技術(shù)，槽式太陽能系統(tǒng)在世界上的應(yīng)用率高達(dá)90%。槽式太陽能系統(tǒng)的跟蹤機(jī)構(gòu)較其他系統(tǒng)更為簡單，槽式太陽能系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)，且成本更低，有望繼續(xù)下降。

（2）太陽能光伏電池發(fā)電裝置

太陽能電池的分類轉(zhuǎn)換效率如表1所示。

（3）太陽能熱氣流發(fā)電裝置

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)由集熱棚、導(dǎo)流塔囪和渦輪發(fā)電機(jī)組組成，又名太陽能煙囪發(fā)電。該系統(tǒng)有很大開發(fā)潛力，現(xiàn)在正研究的螺旋集熱式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)可減少集熱棚半徑約25%，減少占地面積和所需材料了約44%。集熱棚可做成雙層結(jié)構(gòu)、利用底棚進(jìn)行溫室栽培，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。設(shè)置空氣壓縮機(jī)對集熱棚表面上的積塵進(jìn)行吹掃。在煙囪頂部的出氣流處設(shè)置冷凝水收集裝置，可供發(fā)電、生活、農(nóng)用之水。太陽能熱氣流發(fā)電裝置可以和薄膜光伏電池發(fā)電裝置相結(jié)合，在集熱棚上安裝透光的薄膜光伏電池，煙囪外部也可安裝光伏電池。

但該技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率很低，當(dāng)煙囪高度達(dá)到 1000m時(shí)，最大能量轉(zhuǎn)換效率才可能超過3%，才具有一定的商業(yè)價(jià)值。高聳的煙囪和巨大集熱棚需占用土地面積。由于煙囪所處的環(huán)境、所受的荷載等與傳統(tǒng)的高聳結(jié)構(gòu)有很大不同，超高聳太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一難點(diǎn)。

4、太陽能熱氣流發(fā)電和薄膜太陽能電池發(fā)電的優(yōu)勢

太陽能熱氣流發(fā)電與火電、水電、核電、風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電太陽能光熱發(fā)電相比較具有獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）整個(gè)發(fā)電過程不會產(chǎn)生任何廢氣、廢渣，不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，具有無限的開發(fā)空間。

（2）不需要冷卻水源，適合在太陽能資源豐富但是水資源相對稀少的沙漠、沙漠化、沙土化地區(qū)。只占用閑置土地，同時(shí)也可利用溫室效應(yīng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)栽培，綠化環(huán)境，改善氣候條件。

（3 ） 太陽能熱氣流發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)相對比較簡單，渦輪發(fā)電機(jī)是發(fā)電系統(tǒng)中唯一的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行可靠、不易發(fā)生故障，因而發(fā)電機(jī)組幾乎不需要維護(hù)；維護(hù)方便。

（4） 太陽能熱氣流電站系統(tǒng)的構(gòu)造簡單，建造材料為常見的混凝土、玻璃、鋼材等，材料廉價(jià)易得，用材從生產(chǎn)到使用都對環(huán)境無影響，且不需要較高的制造工藝，均可在當(dāng)?shù)孬@得。

（5） 太陽能熱氣流發(fā)電與其余兩種利用太陽能發(fā)電方法相比單位容量是最高的，但建設(shè)費(fèi)用不高，可以規(guī)模開發(fā)，最重要的特點(diǎn)是太陽能熱氣流發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)發(fā)電，在晝夜沒有太陽光時(shí)，依然能夠利用白天儲存的余熱繼續(xù)發(fā)電，這是光伏發(fā)電所無法實(shí)現(xiàn)的。

綜上所述太陽能熱氣流發(fā)電較適于在太陽輻射強(qiáng)的沙漠地區(qū)、沙漠化地區(qū)、沙土化地區(qū)大規(guī)模開發(fā)建造。而且建造規(guī)模越大，裝機(jī)成本越接近與風(fēng)電，發(fā)電成本越低，優(yōu)勢越明顯。并在其集熱棚上設(shè)置的薄膜光伏電池發(fā)電設(shè)施，發(fā)電量翻番的增加。

5、采用抽水蓄能電站解決太陽能發(fā)電的問題

（1）解決太陽能發(fā)電的問題

太陽能發(fā)電的不足之處除了效率低、占地大外，還有發(fā)電欠缺連續(xù)性、穩(wěn)定性，獲得的能源同四季、晝夜、陰晴、霧霾、塵埃及環(huán)境溫度等氣象條件有關(guān)，不穩(wěn)定的出力將影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻提出要求，以及儲存困難。抽水蓄能電站是解決太陽能發(fā)電問題中的大規(guī)模儲存、調(diào)節(jié)電力的關(guān)鍵。抽水蓄能電站能將太陽能發(fā)電系統(tǒng)高峰時(shí)段發(fā)出的電能就近削峰儲蓄起來，待低谷時(shí)段補(bǔ)發(fā)部分，以保持發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定出力，避免電網(wǎng)的波動，實(shí)現(xiàn)太陽熱風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電。并可在并網(wǎng)的電力系統(tǒng)中產(chǎn)生調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、負(fù)荷調(diào)整、旋轉(zhuǎn)緊急備用、提高電網(wǎng)可靠性等動態(tài)效益。抽水蓄能電站比起其它電力系統(tǒng)蓄能技術(shù)，如超導(dǎo)蓄能、飛輪蓄能、壓縮空氣/氣體蓄能、超級電容器蓄能，有技術(shù)成熟，建設(shè)投資適宜，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模配置的優(yōu)勢。

大面積的太陽能熱氣流發(fā)電裝置為用無人機(jī)進(jìn)行集熱棚上的薄膜光伏電池除塵吹掃留下空間。

（2）地下式抽水蓄能電站

抽水蓄能的類型可分為地上式抽水蓄能電站和地下式抽水蓄能電站。地上抽水蓄能電站需依山而建，對地址的要求高，設(shè)置地點(diǎn)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，輸電線路的投資大、線損大、總投資也高。環(huán)境影響也已成為抽水蓄能電站選址的制約性因素之一。近年來，在國外的抽水蓄能電站已有在平原上修建地下下池，稱為地下抽水蓄能電站（Underground pumped storage power station），其上下池落差可視需要確定，可高達(dá)千米以上。這種開發(fā)方式對一般無法修建高水頭抽水蓄能電站的平原地區(qū)，很有推廣價(jià)值，在中國尚未修建，國外也不多。但日本、新加坡、俄羅斯和加拿大都有建造地下抽水蓄能電站的計(jì)劃。地下抽水蓄能電站不受地址要求的限制，可接近送電負(fù)荷，靠近主要的輸電線路。這樣可以大大減少輸電線路的投資和降低輸電過程中電能的損耗。

在沙漠、沙漠化、沙土化的無山地區(qū)開發(fā)建造地下式抽水蓄能電站施工可避免地上的風(fēng)沙、高溫的干擾，又對環(huán)境無影響。采取地下水作為上下庫用水。上庫也可以設(shè)置在離地面不遠(yuǎn)的地下，可避免地上的風(fēng)沙入庫、庫水蒸發(fā)，清潔的庫水可保證水輪機(jī)做到無空蝕、受腐蝕小，使用壽命更長。

6、太陽能發(fā)電與地下式抽水蓄能電站發(fā)電組合系統(tǒng)

在沙漠、沙漠化、沙土化地區(qū)大規(guī)模開發(fā)薄膜光伏電池發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電與地下式抽水蓄能電站發(fā)電組合系統(tǒng)，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①投資適中、能夠快速地大規(guī)模開發(fā)太陽能獲取急需的電能，無環(huán)境污染，有發(fā)電、治沙、農(nóng)用、合理利用沙漠資源改善生態(tài)環(huán)境的綜合效益，且電站維護(hù)量小；②較好地改善太陽能流發(fā)電站并網(wǎng)容量限制問題；③通過對抽水蓄能電站與光伏發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電相互配合，用太陽能發(fā)出的

直流進(jìn)行抽水蓄能，減少輸電環(huán)節(jié)的損失，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化；④可以通過抽水蓄能電站間接的實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)度功能；⑤可以使太陽能發(fā)電功率輸出趨于平滑，降低其對電網(wǎng)的沖擊，使電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定；⑥可以提高供電質(zhì)量。

地下式抽水蓄能電站的配置總?cè)萘恳哉继柲馨l(fā)電站總?cè)萘空镜?/6為宜。其造價(jià)按現(xiàn)市高價(jià)5000元/千瓦計(jì)。本文作了一例估算，開發(fā)一薄膜光伏電池發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電站組群需占地東西長25 km，南北寬12.5km，面積0.031×104km2，該面積僅占我國荒漠化土地面積的0.012%，或沙化土地面積的0.018%。發(fā)電站組群由50個(gè)帶薄膜光伏電池的太陽能煙囪發(fā)電站組成，每個(gè)發(fā)電站：熱氣流發(fā)電部分裝機(jī)50MW，集熱棚直徑2.5m，太陽能煙囪的高度可不大于250m，工程單價(jià)為0.8萬元/kW，計(jì)4億元，每年電站每天24小時(shí)，每年365天連續(xù)發(fā)電，平均發(fā)電效率30%，單個(gè)電站年發(fā)電為365天×24小時(shí)×200MW×30%=1.31億kW·h；薄膜光伏電池發(fā)電部分裝機(jī)300MW，造價(jià)20億元，按每畝年發(fā)電5萬kWh計(jì)，年發(fā)電3.75億kW·h；，每個(gè)發(fā)電站總裝機(jī)共350MW，總造價(jià)24億元，年發(fā)電共5.06億kW·h。50個(gè)光伏電池發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電站年總發(fā)電量為253億kW·h，相當(dāng)于三峽水電站和葛洲壩水電站聯(lián)合系統(tǒng)2015年發(fā)電量的1/4。站群總裝機(jī)17500MW，站群總造價(jià)為1200億元。工期預(yù)計(jì)5年。配置地下式抽水蓄能電站的容量為3000MW，造價(jià)為150億元。整個(gè)發(fā)電組合群總造價(jià)為1350億元。按上網(wǎng)電價(jià)0.6元/ kW·h計(jì)算，年收入為151.8億元。算上全部竣工的前期發(fā)電收入，8年可收回全部投入，收益率在15%以上。

合理綜合利用沙漠資源，實(shí)現(xiàn)太陽能連續(xù)、穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電，是太陽能發(fā)電的發(fā)展方向，是我們獲得潔凈電力能源的契機(jī)。

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