關(guān)于可再生能源開(kāi)發(fā)的見(jiàn)解
對(duì)于可再生能源研究的戰(zhàn)略認(rèn)識(shí)
首先的認(rèn)識(shí)是應(yīng)該開(kāi)始著重有關(guān)可再生能源的研發(fā)。能源問(wèn)題已是我國(guó)乃至全世界的關(guān)鍵問(wèn)題之一。我國(guó)的能源資源，尤其是優(yōu)質(zhì)化石燃料(油、氣等)并不富裕，另外環(huán)保方面也有不少問(wèn)題;而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可再生能源必然會(huì)重占重要的一席之地(用了重占二字，是因?yàn)閹装倌昵�，可再生能源本�?lái)就是人類(lèi)的主要能源)。所以有關(guān)可再生能源的創(chuàng)新研發(fā)，尤其是比較現(xiàn)實(shí)的可再生能源的研發(fā)，必須及時(shí)且有重點(diǎn)地進(jìn)行。
但是，在大力推進(jìn)可再生能源研發(fā)的同時(shí)，必須清醒地認(rèn)識(shí)實(shí)際情況。首先是近期內(nèi)可再生能源的發(fā)展?fàn)顩r不可能取代已有的常規(guī)發(fā)電能力。例如近日在報(bào)刊上刊登的某些大力發(fā)展的生物質(zhì)能源基地，其目標(biāo)也就是可代替百萬(wàn)噸級(jí)的煤或發(fā)出百多萬(wàn)千瓦的電。這與我國(guó)現(xiàn)有的20億噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)煤以上的化石燃料用量與多于5億千瓦的發(fā)電裝機(jī)容量相比，是微乎其微的比例(當(dāng)然另一方面是會(huì)有大發(fā)展的萌芽)。即使估計(jì)近期最有潛力的風(fēng)能發(fā)電，十多年內(nèi)樂(lè)觀的估計(jì)也就是裝機(jī)千萬(wàn)千瓦級(jí)，也就是需求總量的十分之一左右。
但是二次能源中電是最最重要的。不太嚴(yán)格地形容，可以說(shuō)，沒(méi)有電就不能進(jìn)行“三個(gè)代表”。如果沒(méi)有電，能夠發(fā)展中國(guó)先進(jìn)的生產(chǎn)力、能夠發(fā)展中國(guó)先進(jìn)的文化、能夠發(fā)展中國(guó)最廣大人民的根本利益嗎?按目前的最樂(lè)觀的估計(jì)，還未見(jiàn)到有在二三十年內(nèi)可再生能源產(chǎn)生出過(guò)半的人類(lèi)所需電力的預(yù)計(jì)。所以，這點(diǎn)是搞能源的，尤其是搞能源戰(zhàn)略或領(lǐng)導(dǎo)能源工作的同志需要清楚認(rèn)識(shí)的。
與上述有關(guān)的還有可再生能源的特殊情況：絕大多數(shù)可再生能源都是供應(yīng)不穩(wěn)定的，與用戶(hù)需求不易協(xié)調(diào)。另外，習(xí)慣上用的是峯瓦，不是實(shí)際有效瓦，與目前電力中慣用的標(biāo)稱(chēng)銘牌瓦數(shù)差別較大。這些特點(diǎn)都應(yīng)該有所注意。
溫故而知新，從能源行業(yè)發(fā)展的歷史可以總結(jié)出一點(diǎn)：任何一種能源，其利用形式與設(shè)備都是壽命很長(zhǎng)的，發(fā)展變化過(guò)程是很緩慢的。太古老的歷史不說(shuō)。從工業(yè)革命左右開(kāi)始大規(guī)模用煤，相應(yīng)使用蒸汽機(jī)算起，前者至今仍是國(guó)際主要能源之一，后者至少也有200多年的光榮歷史(泰坦尼克號(hào)郵船用的仍是蒸汽機(jī))。后來(lái)有了蒸汽輪機(jī)，至今也已有百多年的發(fā)電主力地位;即便用了核能，發(fā)電仍然用它。大量使用石油也是有過(guò)百年的歷史了，主要用在各種交通工具的內(nèi)燃機(jī)，現(xiàn)在仍然是主力。其他一些例子就不多說(shuō)了�？傊�，歷史上所有主要的能源及其利用設(shè)備，都不會(huì)在短的時(shí)期內(nèi)有大的跨越式發(fā)展，研發(fā)周期比別的產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)，都是百年以上老店。因此，也不太可能希望新的可再生能源時(shí)代會(huì)迅速降臨。
由上述簡(jiǎn)略分析可知，可再生能源近期還不能挑起主力的重?fù)?dān)，作為能源領(lǐng)域又不能期望它會(huì)有跨越式發(fā)展，所以對(duì)它的戰(zhàn)略思考是既不能將近期的希望寄托在它身上，但又應(yīng)該及時(shí)相應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)，不能耽誤時(shí)機(jī)。
發(fā)展好可再生能源更需要學(xué)科交叉
所謂“學(xué)科”既有比較客觀的“純學(xué)術(shù)”分類(lèi)，例如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物……是按不同的研究對(duì)象、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)等來(lái)分類(lèi)的。但是人是生活在社會(huì)中的，各種看法與分類(lèi)難免會(huì)受到不同的生產(chǎn)關(guān)系乃至生產(chǎn)力的影響，使得所謂學(xué)科分得更細(xì)，更被各種生產(chǎn)關(guān)系、勢(shì)力范圍、條條塊塊之類(lèi)所約束與扭曲。例如在20世紀(jì)50年代初進(jìn)行學(xué)習(xí)蘇聯(lián)院系調(diào)整的時(shí)候，就把工科與理科截然分開(kāi);即使是工科中有關(guān)能源及其利用也分不在不同行業(yè)不同學(xué)科之中。遺留痕跡至今仍有：不同的燃?xì)廨啓C(jī)本來(lái)是大同小異，或者大大同小小異，但在現(xiàn)在我國(guó)有些國(guó)家級(jí)分類(lèi)中仍隸屬于不同大學(xué)科。這種“學(xué)科”分類(lèi)，本來(lái)就沒(méi)有多大價(jià)值和意義，純屬人為，進(jìn)行交叉理所當(dāng)然。
而可再生能源本身在“純學(xué)術(shù)”上就不是一門(mén)學(xué)科。光伏發(fā)電與風(fēng)能發(fā)電除了可再生與能源的不穩(wěn)定性外，很難說(shuō)還有多大重大相似之處，更不用說(shuō)純學(xué)術(shù)的學(xué)科了。應(yīng)該說(shuō)，它們之中包括了很多現(xiàn)在的不同學(xué)科。例如，風(fēng)力發(fā)電中的大風(fēng)力機(jī)組至少包括現(xiàn)在的氣象學(xué)(風(fēng)源)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、氣固耦合、震動(dòng)學(xué)(葉片設(shè)計(jì)、各個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、安全問(wèn)題)、機(jī)械學(xué)(增速傳動(dòng)、特殊大件加工)、電機(jī)學(xué)(發(fā)電設(shè)備)、機(jī)電一體化與自動(dòng)控制(各種測(cè)量與控制)、土木建筑(大風(fēng)力設(shè)備中特殊大建筑的建設(shè)和美觀)、聲學(xué)(防止噪聲污染)等等等等。而且隨著時(shí)間變遷、設(shè)備的創(chuàng)新，新的可再生能源還會(huì)有新的學(xué)科加入。例如，在上世紀(jì)50年“大躍進(jìn)”時(shí)也奉命搞過(guò)風(fēng)力機(jī)，那時(shí)根本沒(méi)想到過(guò)與聲學(xué)還會(huì)有關(guān)系。現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)大大增大，數(shù)量也大大增多，人民生活水平要求增高，就也要與聲學(xué)交叉了。
所以，可以說(shuō)，由于學(xué)科與可再生能源的本質(zhì)現(xiàn)狀及其發(fā)展情況，要真正實(shí)際發(fā)展好可再生能源，絕大多數(shù)情況下要進(jìn)行好學(xué)科交叉。尤其是較大的項(xiàng)目，肯定牽涉的行業(yè)、學(xué)科很多、很寬，更需要在高層有通才集體領(lǐng)導(dǎo)，組成真正的交叉隊(duì)伍，才能順利實(shí)施、勝利前進(jìn)。而且，交叉的內(nèi)容與學(xué)科也是應(yīng)該按照辯證法，因時(shí)、因地以及各種不同具體條件而與時(shí)俱進(jìn)。
儲(chǔ)能是可再生能源目前最為普適而且最需交叉的內(nèi)容
目前絕大多數(shù)可行的可再生能源或多或少的都有供應(yīng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。如風(fēng)能受氣候的影響，太陽(yáng)能受日夜、季節(jié)與氣候的影響，都是很不穩(wěn)定的，更無(wú)法控制;尤其氣候變化，目前還難以長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。生物質(zhì)能情況稍微好一點(diǎn)，但也不如各種化石能源那樣穩(wěn)定可靠，至少也更受季節(jié)、氣候的影響。其他的如潮汐能、波浪能等等都有類(lèi)似問(wèn)題，是多種可再生能源的天生重大弱點(diǎn)之一。如何解決，也有很多見(jiàn)解與建議。目前最普遍研發(fā)與使用且有一定成績(jī)的辦法是儲(chǔ)能。也可以說(shuō)，儲(chǔ)能是大多數(shù)可再生能源研發(fā)中最普遍的課題，值得特別加以重視。
儲(chǔ)能的方案很多，比較現(xiàn)實(shí)且已有使用的也不少，各自適用于不同的具體條件。例如抽水儲(chǔ)能已有大規(guī)模的實(shí)用，相當(dāng)成熟，但一定要在附近有足夠大的上、下蓄水庫(kù)，經(jīng)濟(jì)上比較適用于大功率裝置。壓氣儲(chǔ)能也已有大規(guī)模實(shí)用裝置，但也要求在附近有合適的不漏氣的洞穴，而且一般還要有燃?xì)廨啓C(jī);原則上它也可用于較小的裝置。各種電池自然可用做蓄能設(shè)備，但在經(jīng)濟(jì)、效率、壽命與規(guī)模等等方面還不夠理想。蓄熱(冷)是在可再生能源裝置中應(yīng)用較為廣的方案，也已有成果，但同樣在多方面仍不夠完美。飛輪儲(chǔ)能在原則上看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，國(guó)際上建議也不少，但牽涉到不同的高技術(shù)，大規(guī)模實(shí)用也不多。其他還可以考慮用磁力、電解水、化學(xué)變化、微生物等等�？偟膩�(lái)說(shuō)，很適宜用于可再生能源的可行儲(chǔ)能辦法仍然有待進(jìn)一步發(fā)展。
而由上可見(jiàn)，儲(chǔ)能方案不少，牽涉到的學(xué)科也非常多，正是如上一節(jié)所述，應(yīng)該是大力推廣學(xué)科交叉之處。或者可以認(rèn)為，儲(chǔ)能是牽涉到學(xué)科最多的研究方向，而它的成功也許正有賴(lài)于把多種學(xué)科進(jìn)行簡(jiǎn)單或有機(jī)的交叉，而不是單一的機(jī)械能、電能、位能、熱能……的儲(chǔ)存。
同樣應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是：儲(chǔ)能的花樣會(huì)很多，也特別需要研究，但首先還是要針對(duì)具體可再生能源的需要，因情(地)制宜，科學(xué)交叉，有所為有所不為，選好有限目標(biāo)。
目前制約可再生能源實(shí)用的阻礙是設(shè)備的單位有效功率造價(jià)太高
原則上主要的可再生能源本身都是零價(jià)格的。從來(lái)沒(méi)有人賣(mài)過(guò)太陽(yáng)光、風(fēng)、波浪、潮汐，也沒(méi)有哪個(gè)暴君收過(guò)這方面的稅。因?yàn)闊o(wú)法賣(mài)，也無(wú)法收稅。這相當(dāng)于大多數(shù)可再生能源是免費(fèi)的。那為什么用這些免費(fèi)的可再生能源發(fā)出的電比要錢(qián)的化石能源發(fā)出的電貴得多呢?顯然主要是可再生能源的設(shè)備造價(jià)太貴了，準(zhǔn)確點(diǎn)是這些設(shè)備的單位有效瓦造價(jià)太貴了，還可能壽命不夠長(zhǎng)、維修太費(fèi)錢(qián)。
比較不太熟悉能源的人可能會(huì)懷疑此結(jié)論：報(bào)上經(jīng)常刊出某些可再生能源發(fā)電設(shè)備的單位瓦造價(jià)并不貴的消息，有的甚至與用煤發(fā)電設(shè)備的造價(jià)差不太多!這問(wèn)題主要出在兩方面的瓦的習(xí)慣含義不同。正如第一節(jié)提到的那樣，可再生能源設(shè)備習(xí)慣用的瓦是峯瓦，也就是最理想狀態(tài)下能發(fā)出的功率。如果是光伏發(fā)電，那大概是夏至那天中午晴天下能發(fā)出的功率。但是一年中還有一半時(shí)間是晚上發(fā)不出電的，且清晨、黃昏能發(fā)的電也很少，還有下雨、陰云、霧天也要大打折扣，所以一年的有效瓦是峯瓦的二、三折也是正常的。
但是正常情況下的常規(guī)火力發(fā)電，如果用戶(hù)需要，在非維修時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)滿(mǎn)銘牌標(biāo)稱(chēng)功率是沒(méi)有問(wèn)題的。所以比較單位功率造價(jià)，用峯瓦與火電的銘牌功率瓦來(lái)比較是不合理的。實(shí)際上可再生能源的單位有效瓦的造價(jià)比常規(guī)火力發(fā)電的高得多。
既然目前推廣可再生能源的主要障礙是設(shè)備太貴，那么對(duì)它的研發(fā)就要相應(yīng)的有兩種道路或方向：對(duì)于純基礎(chǔ)研究，可能還是應(yīng)偏向于在學(xué)術(shù)上的創(chuàng)新，不一定多考慮成本問(wèn)題。如果搞的光伏發(fā)電的效率比國(guó)際現(xiàn)有的最高水平哪怕只高出1%，不管設(shè)備成本如何，那還是有價(jià)值的。首先是真的國(guó)際領(lǐng)先，而且沿此路發(fā)展下去可能還能發(fā)現(xiàn)新機(jī)理、新方向。但是假如希望近二三十年能實(shí)用以解決部分能源問(wèn)題，那也許首先著重的應(yīng)該是努力降低單位有效瓦的造價(jià)，提高壽命與可靠性、維修性等以使近期內(nèi)能經(jīng)濟(jì)實(shí)用以取代部分常規(guī)動(dòng)力。所以研究的方向、內(nèi)容就與上面搞純基礎(chǔ)的不一樣。
對(duì)風(fēng)能發(fā)電的一些想法
正如上面所述，風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)有的多種學(xué)科的交叉成績(jī)。在具體的研究問(wèn)題上有如下一些個(gè)別想法或建議。
風(fēng)力發(fā)電完成利用風(fēng)能的核心部分是葉片及其組成的風(fēng)輪。風(fēng)輪基本上是第二次世界大戰(zhàn)以前常見(jiàn)的飛機(jī)低速螺旋槳的倒過(guò)來(lái)。螺旋槳是變功為動(dòng)能的設(shè)施，而風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)輪是變動(dòng)能為功;前者類(lèi)似于燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)，后者類(lèi)似于透平。如所周知，低速流動(dòng)透平的設(shè)計(jì)比壓氣機(jī)易。而空用螺旋槳在上世紀(jì)中葉已非常成熟，所以在風(fēng)力發(fā)電的流動(dòng)研發(fā)中，應(yīng)當(dāng)盡量交叉吸收在上世紀(jì)已完善的成果。當(dāng)然任務(wù)相近的透平技術(shù)、形貌相近的單翼理論，也值得參考。
對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉片，應(yīng)該說(shuō)是要求很高的。但上世紀(jì)對(duì)約為30mm長(zhǎng)的燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片，外形的允許公差大概是0.05mm，也就是葉高的千分之一多。現(xiàn)在的大型風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)輪，葉片長(zhǎng)度在30~50m左右，如按上述的比例葉型允許公差可近30~50mm!當(dāng)然二者不是完全類(lèi)似的葉片，也許風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)單翼的公差要求比透平葉柵的要高?但是定性設(shè)想，高速高溫的透平葉柵的要求卻應(yīng)該比低速常溫的風(fēng)力機(jī)的葉片嚴(yán)。無(wú)論如何，公差總不應(yīng)小到百分之幾毫米。應(yīng)該將各種力學(xué)以及機(jī)械制造學(xué)等交叉匹配研究，對(duì)風(fēng)輪的不同葉片，公差應(yīng)為多少?這對(duì)上一節(jié)所述降低造價(jià)會(huì)很起作用。進(jìn)一步，也許應(yīng)該在機(jī)械學(xué)科中以風(fēng)力葉片為典型背景，交叉增設(shè)粗糙制造學(xué)，如何廉價(jià)制造足夠準(zhǔn)確的零件以降低造價(jià)。還有，風(fēng)機(jī)機(jī)翼現(xiàn)在不少加了翼梢小翼，有良好的效果，在風(fēng)機(jī)的葉片中也加上又如何?聽(tīng)說(shuō)國(guó)內(nèi)有人進(jìn)行初步工作，建議還可以進(jìn)行交叉研發(fā)，得到在風(fēng)力發(fā)電而非飛機(jī)機(jī)翼中的新的成果與理論。
風(fēng)力發(fā)電功率越大、葉片越長(zhǎng)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也就越慢，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)也就越困難。是直驅(qū)還是增速?各有優(yōu)缺點(diǎn)。我們認(rèn)為也應(yīng)把機(jī)械與電機(jī)學(xué)科交叉，優(yōu)化得出最合適的處置。隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，可能將來(lái)以直驅(qū)更有前途。
同樣，隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，設(shè)備會(huì)越來(lái)越大，越難制造、運(yùn)輸。應(yīng)該研究我國(guó)不同地區(qū)的大型風(fēng)機(jī)的優(yōu)化高度是多少?這也是多學(xué)科——?dú)庀髮W(xué)、強(qiáng)度結(jié)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、聲學(xué)等等的交叉。
對(duì)光熱發(fā)電的一些想法
光熱發(fā)電基本上就是光聚焦系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)三者組成，此三者分別看來(lái)均已比較或甚相當(dāng)成熟，似乎開(kāi)干就可以了。實(shí)際上還有一些原則問(wèn)題值得探討，關(guān)鍵仍在交叉、因地制宜與系統(tǒng)研究等方面。
例如考慮中國(guó)廣大領(lǐng)土不同地區(qū)的具體氣候條件、具體發(fā)電要求等等，如何交叉各學(xué)科具體優(yōu)化上述三個(gè)系統(tǒng)之間的匹配，得出相應(yīng)的原則與理論。尤其應(yīng)著重在與常規(guī)發(fā)電不同之處。
當(dāng)然，系統(tǒng)有所優(yōu)化，其相應(yīng)的各元件也有交叉優(yōu)化的需要，甚至研發(fā)新的元件，例如各種換熱器。
為穩(wěn)定安全供電，相應(yīng)降低可再生能源供電不穩(wěn)定、欠可靠的缺點(diǎn)，建議研發(fā)應(yīng)用新近建議的多功能系統(tǒng)，即除多聯(lián)產(chǎn)外，還有可能有多種的能源輸入。這種系統(tǒng)方案在國(guó)家基金委的“西部開(kāi)發(fā)”重大研究計(jì)劃中已有初步成績(jī)。
有關(guān)高度創(chuàng)新的可再生能源研究的看法
有些同志提倡要跨越創(chuàng)新搞可再生能源，領(lǐng)先于世界。那有沒(méi)有人類(lèi)可以利用而至今未利用的可再生能源呢?當(dāng)然是有的：地震能、火山能、閃電能、颶風(fēng)能、海嘯能……能量不少，都還未利用。前二者可稱(chēng)為地球能，后三者實(shí)際是太陽(yáng)能。但是這些能的利用實(shí)在太難。是否與研究沒(méi)有碳、氧、氮、氫的生物一樣，在我國(guó)現(xiàn)有各方面條件下，屬于“有所不為”部分先擱下。稍微現(xiàn)實(shí)點(diǎn)是太空光伏發(fā)電與深層地?zé)�。基金委作為�?guó)內(nèi)掌管最基礎(chǔ)性工作的單位，也許可以開(kāi)始做一些探索工作。不過(guò)要有實(shí)效也至少是下一代的事了。另外，這在國(guó)外已有初步探索，也不完全滿(mǎn)足有些同志希望的一鳴驚人的效果。
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