未来能源必将“回归”到清洁能源

寇鹏

摘 要：人类要可持续发展，并保持可持续大量用能，就要保持总体物质平衡，努力减少化石燃料产能，转而使用清洁能源。在一定意义上，这即是回到古代“烧树木”较直接获取太阳能的取能模式，未来能源必将“回归”到清洁能源。

关键词：清洁能源;电能;风能;光伏;水力

一、能源利用问题及清洁能源“回归”必然性

目前，能源消耗仍旧以化石能源为主，但清洁能源比重正在稳步加速提高，这是由物质平衡决定的。根据目前研究成果，化石能源的过量消耗，至少会产生过多的CO2、SO2等污染物，不仅危害身体健康，还会带来温室效应。有探测显示，目前大气总体的小幅度升温，正使得海平面缓慢上升。若将来温室效应加剧，会带来两种可能：一是海水蒸发量加大，海平面降低，但大气更加湿润，降雨量可能增加，带来洪涝灾害;二是冰川融化加快，海平面上升，淹没低位大陆;无论发生哪一种，都将是大灾难。因此，如继续使用化石燃料大量产能，物质平衡改变不止，带来的后果人类将无法承受。

二、清洁能源利用可行性及前景

风能是目前发展最多的清洁能源。风的产生是由于太阳的照射使得空气吸热升温不均，产生密度压力差引起的，因此也较直接来自太阳。只要有太阳，地球就有风，风能取之不尽可持续。但影响风力的方面很多，天气、地形、气候等都是关键因素，风能不稳定是其利用的制约难点。风能存在的缺点：能量密度小，需要大型风轮受风，建造风力发电机组工程量大，难度大;风轮转动会影响鸟类，并产生小范围噪音;需要合适的风场位置，如草原、沿海、山顶等处;风能转化率低，风速过高或过低时需要弃风;风力的时刻变化对发电变频等技术要求较高;上述均为小问题，实践也证明均不能阻止风能的利用发展。随着风叶变桨矩、变频等技术的越发成熟，风电领域将会加速发展。

太阳能是直接吸收太阳光照转化为热能、电能。热能转化是指通过黑体或近似黑体接受太阳光照生成热，转化率高，如家用太阳能真空管热水器;电能转化是指光伏效应直接将光照转化为电力，转化率相对较低，如太阳能光伏板;还有一种太阳能将水照晒加热后，水变成高压蒸汽送至汽轮机发电。太阳能利用需要天晴且白天，并受气候一定影响，冬季、高纬度地区光照较差。对光伏发电而言，光伏材料是制约太阳能利用的主要因素。光伏材料制作成本高，且使用寿命仅十几年，相对较短。太阳能也具有很明显的优点：易灵活安装，普通居民屋顶可同时安装热水器和光伏板，可同时取暖和取电，单户工程规模很小，维护量小，能量密度能满足单住户能量需求;无噪音污染。

水能发电目前已经应用成熟，在重要河流、水库得到较大发展。水能归根也来自于太阳照射：水汽受暖上浮，漂移至高处受冷降水，或凝结于高山顶部成冰川，融化后向下流水，汇集成水重力勢能。水电特点是在丰水期发电稳定，能量密度大，但枯水期无法发电。水电适合建设于冰川融水充足或雨量充足、水流不断的江河库。水电建设投资巨大，对居民和生态会产生一定影响，宜综合考虑，或采取弥补措施。从节能角度，建成后的水电站应作为重点电源，优先发电，尽量减少泄洪导致的水能浪费。

波浪能是由于海平面风吹引起的，可看作低处风能，其能量密度更低。且难以收集。目前，波浪能收集装置总体处于研发阶段，未来有一定利用价值。潮汐能作为地月引力引发的水势能，由于高度差小、能量密度小，不适合沿海岸线建设，适合建设于入海河口处较窄位置。

三、电力调节助力清洁能源更合理利用

清洁能源最大化合理利用至关重要，这需要电力调峰来实现。太阳能、风能等清洁能源，时刻受制于天气等因素，如不即时收集，会造成直接浪费。电力充足时，调峰将清洁能源发的电先行储存，待电力不足时释放。目前储能主要形式是势能储存，如抽水储能、机械储能。其中抽水储能已实现初步应用，其原理是通过多余电力将水用泵抽至高处水库，用电时放水冲动水轮机发电，其原理同水电站一样。机械储能是通过电力驱动机械减速装置，将重物提升至高处，用电时重物下移拉动加速装置，带动发电机发电。抽水储能效率低，但水量和规模大，适合集中建设，主要调节较大的电力波动;机械储能效率高，但规模小，适合建设于有高度差的山区地形，主要调节局部电力波动。储能还有一种方式，就是电力制氢储能，将水电解后产生的氢气储存，作为燃料，实质上就是电能转化为化学能。

四、清洁能源更合理的利用方式

未来能源必将回归到清洁能源，这是多种清洁能源共同贡献的必然结果。将能源应用进行地域网格化分析，就基本单元——单户居民家庭用能来分析，仅凭清洁能源满足居民能源需求可很好实现：居民屋顶全部采用光伏板覆盖，其上一小部分再铺设太阳能热水器，室内安装蓄电池和热水保温箱。光伏板发的电由蓄电池储存，热水器吸的热由保温箱保温，光照强度完全满足用电、用热或取暖需求。在多风的山区或海边，屋顶还可加装一台小型风机发电，用于连续阴雨天气补充电力。借助目前的供电线路，多余的家庭太阳能发电可接至电网，排挤火电等常规发电。这种模式关键的技术难点是蓄电池的容量和稳定性，并尽量减小电池体积，市场化后降低生产成本。

对于零星的远距离岛屿，不宜铺设供电线路供电，可采用风能、太阳能发电，抽取海水储能的方式，满足本岛能源需求。在岛上建设风电，居民屋顶安装太阳能板，以及大型蓄水池，用风电、光电抽取海平面海水至岛上蓄水池，用电时放水发电。除此之外，波浪能、潮汐能也可利用。

未来能源将以清洁能源为主，快速调峰机组（燃气发电）为重要调峰手段。清洁能源的日益发展，必将占据能源电力的主体地位，其规模也将最终达到饱和。但受气候、天气等诸多因素影响，电力负荷波动也将非常明显，需要有快速调峰机组进行调节。目前占主要地位的煤电机组由于启停过程时间长，且参数调节慢，难以适应大幅度调峰，数量将大范围减少。相比，使用清洁燃料的小型燃气机组适应性更灵活，能够得以保留。已建的水电在丰水期将作为基础电源优先稳定运行，在枯水期相当于备用抽水储能水库，间歇性发电调峰。核电由于危险性巨大，初投资巨大，核燃料生产也需要成本等原因，越发限制建设甚至拆除——德国宣布2022年之前拆除全部核电。火电厂发展至今已约百年，不断产生电、热，推动人类文明和经济发展进程，今后一段时间还将保持，直至清洁能源发展到一定规模，彻底“站稳”。

五、清洁能源利用未来预测

未来的能源电力发展趋势，不再是大型火电厂、核电站、水电等少数主要电源点，发电上电网来供电，而是分布式和分点式的多种类型能源点发电自用和上电网供电。在这种模式下，任何一个能源点故障，不会造成电网负荷明显波动，自动形成良好的“供电生态”。

未来的清洁能源将存在集中发电和分点发电两种模式。集中发电以水电和风电为主。风电由于对风力要求高，风轮转动噪音和视觉污染，工程施工影响面大，宜建在远离居民区的大风场地，如贫瘠高原，沿海滩涂、浅水区，因此适宜集中建设节省成本。分点发电以太阳能为主，宜借助现成的居民、厂房的屋顶安装太阳能。目前的电网高、低压线继续使用，在技术上继续发展高压电输送，减少电能损耗;在管理上合理制定电价，配套安装表计，记录从电网取电和发电上网电量，严格买卖电，政策激励居民安装发电的积极性。