未來能源必將“回歸”到清潔能源

寇鵬

摘 要：人類要可持續(xù)發(fā)展，并保持可持續(xù)大量用能，就要保持總體物質(zhì)平衡，努力減少化石燃料產(chǎn)能，轉(zhuǎn)而使用清潔能源。在一定意義上，這即是回到古代“燒樹木”較直接獲取太陽能的取能模式，未來能源必將“回歸”到清潔能源。

關(guān)鍵詞：清潔能源;電能;風能;光伏;水力

一、能源利用問題及清潔能源“回歸”必然性

目前，能源消耗仍舊以化石能源為主，但清潔能源比重正在穩(wěn)步加速提高，這是由物質(zhì)平衡決定的。根據(jù)目前研究成果，化石能源的過量消耗，至少會產(chǎn)生過多的CO2、SO2等污染物，不僅危害身體健康，還會帶來溫室效應(yīng)。有探測顯示，目前大氣總體的小幅度升溫，正使得海平面緩慢上升。若將來溫室效應(yīng)加劇，會帶來兩種可能：一是海水蒸發(fā)量加大，海平面降低，但大氣更加濕潤，降雨量可能增加，帶來洪澇災(zāi)害;二是冰川融化加快，海平面上升，淹沒低位大陸;無論發(fā)生哪一種，都將是大災(zāi)難。因此，如繼續(xù)使用化石燃料大量產(chǎn)能，物質(zhì)平衡改變不止，帶來的后果人類將無法承受。

二、清潔能源利用可行性及前景

風能是目前發(fā)展最多的清潔能源。風的產(chǎn)生是由于太陽的照射使得空氣吸熱升溫不均，產(chǎn)生密度壓力差引起的，因此也較直接來自太陽。只要有太陽，地球就有風，風能取之不盡可持續(xù)。但影響風力的方面很多，天氣、地形、氣候等都是關(guān)鍵因素，風能不穩(wěn)定是其利用的制約難點。風能存在的缺點：能量密度小，需要大型風輪受風，建造風力發(fā)電機組工程量大，難度大;風輪轉(zhuǎn)動會影響鳥類，并產(chǎn)生小范圍噪音;需要合適的風場位置，如草原、沿海、山頂?shù)忍?風能轉(zhuǎn)化率低，風速過高或過低時需要棄風;風力的時刻變化對發(fā)電變頻等技術(shù)要求較高;上述均為小問題，實踐也證明均不能阻止風能的利用發(fā)展。隨著風葉變槳矩、變頻等技術(shù)的越發(fā)成熟，風電領(lǐng)域?qū)铀侔l(fā)展。

太陽能是直接吸收太陽光照轉(zhuǎn)化為熱能、電能。熱能轉(zhuǎn)化是指通過黑體或近似黑體接受太陽光照生成熱，轉(zhuǎn)化率高，如家用太陽能真空管熱水器;電能轉(zhuǎn)化是指光伏效應(yīng)直接將光照轉(zhuǎn)化為電力，轉(zhuǎn)化率相對較低，如太陽能光伏板;還有一種太陽能將水照曬加熱后，水變成高壓蒸汽送至汽輪機發(fā)電。太陽能利用需要天晴且白天，并受氣候一定影響，冬季、高緯度地區(qū)光照較差。對光伏發(fā)電而言，光伏材料是制約太陽能利用的主要因素。光伏材料制作成本高，且使用壽命僅十幾年，相對較短。太陽能也具有很明顯的優(yōu)點：易靈活安裝，普通居民屋頂可同時安裝熱水器和光伏板，可同時取暖和取電，單戶工程規(guī)模很小，維護量小，能量密度能滿足單住戶能量需求;無噪音污染。

水能發(fā)電目前已經(jīng)應(yīng)用成熟，在重要河流、水庫得到較大發(fā)展。水能歸根也來自于太陽照射：水汽受暖上浮，漂移至高處受冷降水，或凝結(jié)于高山頂部成冰川，融化后向下流水，匯集成水重力勢能。水電特點是在豐水期發(fā)電穩(wěn)定，能量密度大，但枯水期無法發(fā)電。水電適合建設(shè)于冰川融水充足或雨量充足、水流不斷的江河庫。水電建設(shè)投資巨大，對居民和生態(tài)會產(chǎn)生一定影響，宜綜合考慮，或采取彌補措施。從節(jié)能角度，建成后的水電站應(yīng)作為重點電源，優(yōu)先發(fā)電，盡量減少泄洪導(dǎo)致的水能浪費。

波浪能是由于海平面風吹引起的，可看作低處風能，其能量密度更低。且難以收集。目前，波浪能收集裝置總體處于研發(fā)階段，未來有一定利用價值。潮汐能作為地月引力引發(fā)的水勢能，由于高度差小、能量密度小，不適合沿海岸線建設(shè)，適合建設(shè)于入海河口處較窄位置。

三、電力調(diào)節(jié)助力清潔能源更合理利用

清潔能源最大化合理利用至關(guān)重要，這需要電力調(diào)峰來實現(xiàn)。太陽能、風能等清潔能源，時刻受制于天氣等因素，如不即時收集，會造成直接浪費。電力充足時，調(diào)峰將清潔能源發(fā)的電先行儲存，待電力不足時釋放。目前儲能主要形式是勢能儲存，如抽水儲能、機械儲能。其中抽水儲能已實現(xiàn)初步應(yīng)用，其原理是通過多余電力將水用泵抽至高處水庫，用電時放水沖動水輪機發(fā)電，其原理同水電站一樣。機械儲能是通過電力驅(qū)動機械減速裝置，將重物提升至高處，用電時重物下移拉動加速裝置，帶動發(fā)電機發(fā)電。抽水儲能效率低，但水量和規(guī)模大，適合集中建設(shè)，主要調(diào)節(jié)較大的電力波動;機械儲能效率高，但規(guī)模小，適合建設(shè)于有高度差的山區(qū)地形，主要調(diào)節(jié)局部電力波動。儲能還有一種方式，就是電力制氫儲能，將水電解后產(chǎn)生的氫氣儲存，作為燃料，實質(zhì)上就是電能轉(zhuǎn)化為化學能。

四、清潔能源更合理的利用方式

未來能源必將回歸到清潔能源，這是多種清潔能源共同貢獻的必然結(jié)果。將能源應(yīng)用進行地域網(wǎng)格化分析，就基本單元——單戶居民家庭用能來分析，僅憑清潔能源滿足居民能源需求可很好實現(xiàn)：居民屋頂全部采用光伏板覆蓋，其上一小部分再鋪設(shè)太陽能熱水器，室內(nèi)安裝蓄電池和熱水保溫箱。光伏板發(fā)的電由蓄電池儲存，熱水器吸的熱由保溫箱保溫，光照強度完全滿足用電、用熱或取暖需求。在多風的山區(qū)或海邊，屋頂還可加裝一臺小型風機發(fā)電，用于連續(xù)陰雨天氣補充電力。借助目前的供電線路，多余的家庭太陽能發(fā)電可接至電網(wǎng)，排擠火電等常規(guī)發(fā)電。這種模式關(guān)鍵的技術(shù)難點是蓄電池的容量和穩(wěn)定性，并盡量減小電池體積，市場化后降低生產(chǎn)成本。

對于零星的遠距離島嶼，不宜鋪設(shè)供電線路供電，可采用風能、太陽能發(fā)電，抽取海水儲能的方式，滿足本島能源需求。在島上建設(shè)風電，居民屋頂安裝太陽能板，以及大型蓄水池，用風電、光電抽取海平面海水至島上蓄水池，用電時放水發(fā)電。除此之外，波浪能、潮汐能也可利用。

未來能源將以清潔能源為主，快速調(diào)峰機組（燃氣發(fā)電）為重要調(diào)峰手段。清潔能源的日益發(fā)展，必將占據(jù)能源電力的主體地位，其規(guī)模也將最終達到飽和。但受氣候、天氣等諸多因素影響，電力負荷波動也將非常明顯，需要有快速調(diào)峰機組進行調(diào)節(jié)。目前占主要地位的煤電機組由于啟停過程時間長，且參數(shù)調(diào)節(jié)慢，難以適應(yīng)大幅度調(diào)峰，數(shù)量將大范圍減少。相比，使用清潔燃料的小型燃氣機組適應(yīng)性更靈活，能夠得以保留。已建的水電在豐水期將作為基礎(chǔ)電源優(yōu)先穩(wěn)定運行，在枯水期相當于備用抽水儲能水庫，間歇性發(fā)電調(diào)峰。核電由于危險性巨大，初投資巨大，核燃料生產(chǎn)也需要成本等原因，越發(fā)限制建設(shè)甚至拆除——德國宣布2022年之前拆除全部核電。火電廠發(fā)展至今已約百年，不斷產(chǎn)生電、熱，推動人類文明和經(jīng)濟發(fā)展進程，今后一段時間還將保持，直至清潔能源發(fā)展到一定規(guī)模，徹底“站穩(wěn)”。

五、清潔能源利用未來預(yù)測

未來的能源電力發(fā)展趨勢，不再是大型火電廠、核電站、水電等少數(shù)主要電源點，發(fā)電上電網(wǎng)來供電，而是分布式和分點式的多種類型能源點發(fā)電自用和上電網(wǎng)供電。在這種模式下，任何一個能源點故障，不會造成電網(wǎng)負荷明顯波動，自動形成良好的“供電生態(tài)”。

未來的清潔能源將存在集中發(fā)電和分點發(fā)電兩種模式。集中發(fā)電以水電和風電為主。風電由于對風力要求高，風輪轉(zhuǎn)動噪音和視覺污染，工程施工影響面大，宜建在遠離居民區(qū)的大風場地，如貧瘠高原，沿海灘涂、淺水區(qū)，因此適宜集中建設(shè)節(jié)省成本。分點發(fā)電以太陽能為主，宜借助現(xiàn)成的居民、廠房的屋頂安裝太陽能。目前的電網(wǎng)高、低壓線繼續(xù)使用，在技術(shù)上繼續(xù)發(fā)展高壓電輸送，減少電能損耗;在管理上合理制定電價，配套安裝表計，記錄從電網(wǎng)取電和發(fā)電上網(wǎng)電量，嚴格買賣電，政策激勵居民安裝發(fā)電的積極性。