太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存-陳成鈞

1、太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存陳成鈞哥倫比亞大學(xué) 紐約 美國(guó)紐約州 10027摘 要 運(yùn)用太陽能和風(fēng)能是解決能源問題的根本和長(zhǎng)期的途徑。 但是，傳統(tǒng)的能源可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)供給，而太陽能和風(fēng)能是間歇性的而且不能隨需要來控制。 要有效地運(yùn)用太陽能和風(fēng)能，能量?jī)?chǔ)存是必須的，大規(guī)模長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量是非常昂貴的。 解決這個(gè)問題的一種方案是太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存。所謂短期，是指十幾小時(shí)至幾天，相當(dāng)于太陽能和風(fēng)能的變化周期。 所謂分散，是指以單個(gè)建筑為單位，并且以多種不同的方式儲(chǔ)存能量。從產(chǎn)業(yè)開展的角度看，太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存的設(shè)備會(huì)形成一個(gè)新的大規(guī)模的工業(yè)部門。關(guān)鍵詞 新能源，太陽能，風(fēng)能，能量?jī)?chǔ)存Sh

2、ort-term distributed storge of solar and wind energy(columbia University,New York,NY 10027,USA)Abstract Utilization of Solar energy and wind energy is the ultimate solution to the energy problem.As traditional energy resources(including fossil-fuel,nuclear and hydropower) could be supplied on demand

3、,solar energy and wind energy is intermittent and does not subject to human control.Energy storage is a nessary condition for an effective utilization of solar and wind energy.Long-term large-scale energy is very expansive.A practical solution is short=term distributed storage of solar and wind ener

4、gy.Here,short-term means some ten hours to several days;distributed menas at each building or each unit,such as a farm,and to use various types of storage methods.Equipment for short-term distributed storge of solar and wind energy may become a new industry of huge scale.Keywords Renewable energy,so

5、lar energy,wind energy,energy storge1 引言 世界上越來越多的人認(rèn)為，運(yùn)用太陽能和風(fēng)能是解決能源問題的根本和長(zhǎng)期的途徑，例如，2007年諾貝爾和平獎(jiǎng)獲得者，前美國(guó)副總統(tǒng)高爾在2021年7月17日提出了“ 新登月方案，要求美國(guó)在十年之內(nèi)，即到2021年，全部電力都用太陽能，風(fēng)能和地?zé)岙a(chǎn)生1。甚至富裕而盛產(chǎn)石油的阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)，都展示了開展“ 石油以后世界經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)見，出資180億美元為初始基金，建立一個(gè)可再生能源研究示范城市Masdar，以無碳排放為目標(biāo)，著重開展太陽能和風(fēng)能2。以下的統(tǒng)計(jì)數(shù)字3對(duì)此作了生動(dòng)的說明：1024J1021J 1022J1022 J10

6、20 J每年流向地球的太陽能的0.01%或風(fēng)能的20%就足夠全世界的能量消耗。根據(jù)德國(guó)太陽能工業(yè)協(xié)會(huì)Bundseverband Solarwirtschaft的預(yù)測(cè)4，在本世紀(jì)中葉以后，太陽能和風(fēng)能，特別是太陽電池發(fā)電photovolatics，簡(jiǎn)稱PV，將成為主要的能源。見圖1。但是，與傳統(tǒng)的能源包括化石燃料和水電相比，太陽能和風(fēng)能有一個(gè)重大的缺點(diǎn)：傳統(tǒng)的能源可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)供給，而太陽能和風(fēng)能是間歇性的而且不能隨需要來控制$ 太陽能只有白天和晴天才有。風(fēng)力的大小那么經(jīng)常發(fā)生無法控制的劇烈變化。如所周知，風(fēng)力的能流密度P 與風(fēng)速V的三次方成正比5：P=1/2V3，其中是空氣的密度，在標(biāo)準(zhǔn)狀況

7、下1大氣壓，溫度18，=1.225kg/m3速度V可以從0變化到每秒幾十米，圖2是紐約市郊區(qū)White Plains 飛機(jī)場(chǎng)2007年1月的風(fēng)能密度的變化情況。圖3是同一地方2007年7月的風(fēng)能密度的變化情況。如果說，太陽能的變化還是比擬有規(guī)律的，風(fēng)能就沒有規(guī)律可循了。從季節(jié)上來看，太陽能和風(fēng)能是互補(bǔ)的。冬天風(fēng)大而陽光弱，夏天風(fēng)小而陽光強(qiáng)。但是，從短期來看，在幾個(gè)小時(shí)到幾天內(nèi)，太陽能和風(fēng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是互補(bǔ)的。從目前世界各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)來看，如果只依賴大范圍的電網(wǎng)，太陽能和風(fēng)能在總電力之中的份額只能是一小局部，例如20%大局部的電力仍然需要從化石能源提供，或者用可逆的水電站調(diào)節(jié)，來按時(shí)滿足能量的實(shí)際需要。

8、例如，丹麥目前風(fēng)力發(fā)電的比例已經(jīng)超過了20%， 但是，沒有好鄰居挪威，這是很難做到的。丹麥和挪威的電網(wǎng)是連著的，挪威絕大局部的電力來自水電站。如果電力超過了需要，多余的電力就用來把水從海拔低的水庫(kù)泵到海拔高的水庫(kù)。當(dāng)?shù)溔诵枰嗟碾娏r(shí)，只要挪威把閑置的水力發(fā)電站開動(dòng)起來，就可以滿足需要， 但是這種方法只有在特殊的地理環(huán)境下才能夠?qū)崿F(xiàn)。一般來說，大規(guī)模長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量是非常昂貴的。解決這個(gè)問題的一種方案是太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存。從歷史上看，這并不是一個(gè)全新的概念。在1970-1980年代的第一次能源危機(jī)期間，已經(jīng)出現(xiàn)的許多零星的實(shí)例。所謂短期，是指十幾小時(shí)至幾天，相當(dāng)于太陽能和風(fēng)能的變化周期

9、。所謂分散，是指以單個(gè)建筑為單位，并且以多種不同的方式儲(chǔ)存能量。如果太陽能和風(fēng)能變成了總能量供給的主流，能量的短期分散和儲(chǔ)存勢(shì)在必行。在這里，我把太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存作為和大電網(wǎng)能量傳輸供給方案平行的一個(gè)能量供給方案來討論。這一方案由于防止了昂貴的直流-交流變流器和電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)，減少了能量變換和傳輸過程中的損耗，在經(jīng)濟(jì)上是合理的。從產(chǎn)業(yè)開展的角度看，太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存的設(shè)備會(huì)形成一個(gè)新的大規(guī)模的工業(yè)部門。由于人力、資源和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)將在這一新興的工業(yè)中占主導(dǎo)地位。2 氫氣氫氣曾經(jīng)被認(rèn)為是儲(chǔ)存能量的最有希望的載體，而燃料電池曾經(jīng)被認(rèn)為是把氫氣轉(zhuǎn)化成為電能的最正確方式。如果用

10、氫氣來代替汽油和柴油作為汽車的動(dòng)力，污染問題就可以徹底解決了，因?yàn)榕欧懦鰜淼氖峭耆珶o害的水蒸氣.Jeremy Rifkin在2002年發(fā)表的暢銷一時(shí)的題為?The Hype about Hydrogen(氫騙局?的書中7，以自己親身的經(jīng)驗(yàn)，令人信服地說明了，氫氣-燃料電池技術(shù)是不經(jīng)濟(jì)的；因此在可預(yù)見的將來，不可能成為有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的工業(yè)技術(shù)?！皻錃馐悄茉吹恼`解。在地球上，氫只是以化合物的形式存在，例如水，要得到游離的氫氣，必須消耗能源。目前，世界上絕大局部氫氣是由天然氣產(chǎn)生的，這種過程叫做“蒸汽重組(steam reform)：在很高的溫度和壓力下，把天然氣和水蒸氣通過觸媒，轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化

11、碳：CH4+2H2O-4H2+CO2用電解水產(chǎn)生氫氣，能量效率最多只有70%，而且比蒸汽重組要昂貴許多倍，所以很少使用。因此，氫氣并不是可再生的能源，而且會(huì)引起二氧化碳污染。其次，Josenh J.Romm分析了氫氣儲(chǔ)存的經(jīng)濟(jì)性和平安性問題。目前唯一經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的儲(chǔ)存氫氣的方法，是高壓儲(chǔ)氣罐。但是，即使壓縮到350個(gè)大氣壓，同樣體積的壓縮氫氣，所含的能量只是同樣體積的柴油的十分之一。但是，壓縮過程會(huì)消耗大量的能量，而且這種高壓儲(chǔ)氣罐十分昂貴。平安性也令人擔(dān)憂。最后，Josenh J.Romm分析了燃料電池的經(jīng)濟(jì)性和可靠性問題。雖然在理論上，燃料電池的效率可能到達(dá)70%，目前實(shí)際上到達(dá)的效率是4

12、0% 左右，并不比柴油機(jī)高多少。而且需要用貴金屬，本錢太高，可靠性問題也遠(yuǎn)未解決。世界上唯一宣布在幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)氫氣經(jīng)濟(jì)的國(guó)家是只有30萬人口的冰島。冰島的地?zé)岷退Y源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過能源的需求。冰島也是世界上按人平均國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值和財(cái)政資源最高的國(guó)家之一。所以，冰島有過剩的財(cái)力物力來進(jìn)行昂貴的氫氣經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)。但是，據(jù)一位長(zhǎng)期在冰島做地?zé)嵫芯康目茖W(xué)家介紹，雖然在雷克雅維克有一間供參觀用的加氫站和三輛供演示用的氫氣汽車每一輛的造價(jià)大大超過100萬美元，冰島居民鐘愛的還是用柴油驅(qū)動(dòng)的SUV，原因倒不是因?yàn)橘F不貴，而是，如果氫氣罐的體積和柴油罐的體積一樣，氫氣汽車可以行走的距離只有柴油汽車的十分之一，對(duì)于地廣

13、人稀的冰島，這不能不算一個(gè)問題。作為沒有污染的汽車能量載體，氫氣并不是唯一的選擇。作為儲(chǔ)存能量的媒介，蓄電池，壓縮空氣和飛輪是與氫氣等價(jià)的! 這些能量?jī)?chǔ)存方式在使用的時(shí)候，都不會(huì)排放二氧化碳，都是綠色的。究竟哪一種綠色的能量?jī)?chǔ)存載體能夠經(jīng)得住達(dá)爾文式的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)而獲得廣泛應(yīng)用，從而造福人類，還是要看哪一種可以滿足經(jīng)濟(jì)、高效和平安的要求。3 蓄電池1990年代，我在IBM T.J.Watson Reasearch Center工作的時(shí)候，曾參加過蓄電池汽車的實(shí)驗(yàn)工程。第一代使用的是鉛酸蓄電池。第二代使用的是鎳氫P+N2蓄電池8，包括本田的一款。 根據(jù)我這許多年駕駛蓄電池汽車的經(jīng)驗(yàn)，蓄電池汽車完全可

14、以滿足日常交通的需要。 但是，用鉛酸蓄電池的汽車有兩個(gè)問題。首先，鉛酸蓄電池很重。汽車的有效載重量就小了。其次，鉛酸蓄電池只有幾百次充電放電的壽命，所以每年至少要更新一次。用鎳氫蓄電池的汽車，就大有改善。使我百思而不解的是，從George W.Bush上臺(tái)以后，在美國(guó)，蓄電池汽車的實(shí)驗(yàn)工程就嘎然而止了。美國(guó)的三大汽車公司競(jìng)相生產(chǎn)費(fèi)油的SUV和小卡車。但是，在日本，蓄電池汽車的實(shí)驗(yàn)并沒有停止。從1997年開始，豐田開始大批生產(chǎn)使用鎳氫蓄電池的油電混合動(dòng)力車Prius，首先在日本銷售。2003年，改良的Prius進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)，一舉成功。截至2021年5月，Prius在全世界共售出100萬輛。由于油

15、價(jià)高漲，非常省油的Prius成為汽車工業(yè)的一顆閃亮的明星。而美國(guó)的三大汽車公司，那么由于費(fèi)油的汽車乏人問津，走到了破產(chǎn)的邊緣。就在這幾年中，蓄電池技術(shù)發(fā)生了一次劃時(shí)代的進(jìn)展。眾所周知，鋰離子蓄電池是各種蓄電池中能量密度最高的見表1，十多年來，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于攜帶式電子設(shè)備，例如筆記本電腦， 和電子照相機(jī)。然而，由于早期的、用鈷酸鋰作正極的鋰離子蓄電池，容易爆炸，造價(jià)太高，壽命有限，不適于作汽車的動(dòng)力來源。1996年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)由John Goodenough領(lǐng)導(dǎo)的研究組創(chuàng)造了用磷酸鐵鋰制成的鋰離子蓄電池正電極材料簡(jiǎn)稱LFP8經(jīng)過幾年的改良，磷酸鐵鋰蓄電池在能量密度、充電速度、平安性、環(huán)境

16、影響、造價(jià)和壽命方面到達(dá)了用作純電動(dòng)汽車能量載體的要求。近年來，全世界各大汽車公司紛紛宣布，將成批生產(chǎn)用于LFP的純電動(dòng)汽車。用蓄電池的純電動(dòng)汽車時(shí)代已經(jīng)到來。用蓄電池的純電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，將推動(dòng)太陽能和風(fēng)能的廣泛使用。雖然，給汽車蓄電池充電的最簡(jiǎn)單的方法是用電網(wǎng)的電源；但是，充電需要的是直流電，而且并不需要十分穩(wěn)定。因此，太陽電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接產(chǎn)生的直流電可以完全滿足蓄電池充電的需要，無須經(jīng)過電網(wǎng)! 這樣，可以省掉昂貴的變流器，并且消除兩次變流的能量損耗。此外，汽車蓄電池的容量一般是12-20KWh如果考慮到美國(guó)家庭平均每天用電510KWh，一輛汽車的蓄電池夠用幾天。因此，有可能出現(xiàn)這樣的情

17、況：早上，開汽車去上班。用工作單位的停車場(chǎng)的免費(fèi)太陽能或風(fēng)能來充電。晚上，用汽車的蓄電池給家庭供電，例如，照明、電視機(jī)、廚房用具、計(jì)算機(jī)，等等。與氫氣相比擬，用鋰離子蓄電池儲(chǔ)能的優(yōu)越性是無可爭(zhēng)議的。首先，效率高。電解水制取氫的能量效率是70%。用高壓儲(chǔ)氣瓶?jī)?chǔ)存氫氣的效率是75%。用燃料電池把氫氣的能量變成電能的效率是40%?？偟男适?1%用鋰離子蓄電池，每次充電和放電，總的效率在90% 以上。其次，與氫氣系統(tǒng)相比，磷酸鐵鋰蓄電池是極為平安的。最后，目前磷酸鐵鋰蓄電池的本錢已經(jīng)比氫氣系統(tǒng)小很多。由于磷酸鐵鋰蓄電池的原料來源豐富，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易大量生產(chǎn)，將來本錢和性能差距會(huì)越來越大。4 熱儲(chǔ)能用

18、蓄電池，特別是鋰離子蓄電池來做太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存是十分方便而有效的。但是，它的本錢仍然比擬高。 所以，在目前，還沒有廣泛的使用。但是，用熱能作為儲(chǔ)存太陽能的載體，已經(jīng)得到了廣泛的使用。在有些應(yīng)用工程中，在完全沒有政策性補(bǔ)助的情況下，在純市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)模式下獲得了巨大的成功10。以下是兩個(gè)例子。4.1 太陽能熱水器圖4是2005年世界各國(guó)安裝的太陽能熱水器的統(tǒng)計(jì)。世界上的許多國(guó)家，對(duì)太陽能熱水器都有政策性補(bǔ)助，例如美國(guó)和以色列。但是，在根本上沒有政策性補(bǔ)助的條件下，中國(guó)生產(chǎn)并安裝了全世界63%的太陽能熱水器。太陽能熱水器在中國(guó)的流行，是市場(chǎng)規(guī)律作用的結(jié)果。由于中國(guó)的太陽能熱水器生產(chǎn)廠家掌握了批

19、量生產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，使它的本錢降低。 用戶購(gòu)置了太陽能熱水器后，幾年之內(nèi)，投資就可以回收。值得指出的是，在中國(guó)大量生產(chǎn)的太陽能熱水器，并不是粗制濫造的低技術(shù)產(chǎn)品。 它運(yùn)用了多項(xiàng)物理學(xué)原理，技術(shù)上有豐富的內(nèi)涵。例如，中國(guó)每年生產(chǎn)兩億根全玻璃真空集熱管見圖5，就是一件建立在物理原理上的工程設(shè)計(jì)杰作，它根本上是一支杜瓦瓶。在內(nèi)玻璃管的外壁，用真空濺射的方法，包上一層選擇性吸收涂層；能吸收96%以上的可見光和近紅外光，但是對(duì)于熱水發(fā)射的遠(yuǎn)紅外光，它的發(fā)射率還不到6%。由于有真空層，傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱完全不存在。這種集熱管的收集和貯存太陽熱能的功能幾乎是完善的。用金屬吸熱板和熱虹吸管原理制成的集熱管的科技含

20、量那么更高。此外，熱水水箱使用510cm厚的聚氨酯泡沫塑料作熱絕緣層；即使在冬天，一晝夜的熱損失只有攝氏一兩度。所以，盡管每天太陽只曬幾個(gè)小時(shí)，全天二十四小時(shí)都有熱水用。這種儲(chǔ)存太陽能的方式完全滿足經(jīng)濟(jì)、高效和平安的要求，是太陽能短期分散儲(chǔ)存效果顯著的成功例子。4.2 太陽能屋迎風(fēng)扇美國(guó)大局部的住房是單家庭獨(dú)立房，俗稱別墅。絕大局部都有三角形的屋頂。夏天，太陽光會(huì)把屋頂曬得滾熱。盡管頂棚有一定的隔熱作用，仍然是不舒服的。而且，過熱的屋頂會(huì)損壞房屋的結(jié)構(gòu)。許多人家裝上了屋迎風(fēng)扇，把屋頂中的熱氣抽出去。同時(shí)，屋迎風(fēng)扇使地下室的冷空氣通過房屋流向屋頂，給整個(gè)房子降溫。在太陽電池流行之前，屋迎風(fēng)扇是用

21、電網(wǎng)的電力驅(qū)動(dòng)的。不但費(fèi)電，而且需要人工控制。近年來，由于太陽電池本錢的下降，太陽能屋迎風(fēng)扇已經(jīng)成為主流。圖6是在美國(guó)流行的兩種太陽能屋迎風(fēng)扇。所用的太陽電池功率在20W左右，直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，不用開關(guān)。它的工作是完全自動(dòng)的自然循環(huán)。陽光越強(qiáng)，產(chǎn)生的風(fēng)力越大，冷卻力也越大。陰天下雨，不需要屋迎風(fēng)扇的時(shí)候，它自動(dòng)停止。當(dāng)太陽快下山的時(shí)候，整個(gè)房屋里充滿了涼爽的空氣。由于房子各個(gè)局部的熱容量，涼爽的空氣可以保持一段時(shí)間。值得一提的是，在美國(guó)出售的這種太陽能屋迎風(fēng)扇絕大局部是在中國(guó)生產(chǎn)的。5能量短期分散儲(chǔ)存的概念通過以上的幾個(gè)例子，現(xiàn)在我們來討論一個(gè)普遍的概念：太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存和直接利用。

22、我們要從科學(xué)上和經(jīng)濟(jì)上說明它的重要性和必要性。目前在世界上的太陽能和風(fēng)能的利用，絕大局部是所謂“并網(wǎng)應(yīng)用。太陽電池直接產(chǎn)生的是直流電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然直接產(chǎn)生的通常是三相交流電，但是頻率隨著風(fēng)速變化。如果要把風(fēng)電輸進(jìn)電網(wǎng)，第一步是把它整流成為直流電。在兩種情況下，都需要用變流器把直流電變成與電網(wǎng)頻率上嚴(yán)格同步、相位上準(zhǔn)確匹配的交流電。這不但需要昂貴的設(shè)備，而且導(dǎo)致變流時(shí)能量損耗。由于太陽能和風(fēng)能的間歇性，特別是太陽能和風(fēng)能的頂峰時(shí)間與用電的頂峰時(shí)間在大局部情況下不吻合，如果要使太陽能和風(fēng)能成為主要的能源，能量?jī)?chǔ)存是不可缺少的。幾十年來，大規(guī)模的集中能量?jī)?chǔ)存一直是重要的科學(xué)研究工程。經(jīng)濟(jì)，高效和平

23、安是評(píng)估成果的標(biāo)準(zhǔn)。圖7是對(duì)三種重要的大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存方式的經(jīng)濟(jì)評(píng)估11。投資最低的、也是最常用的方式是鉛酸蓄電池。由于大的系統(tǒng)只是用了大數(shù)量的蓄電池，它的投資與容量成正比。 其他兩項(xiàng)那么有一個(gè)最小起始投資，而且依賴于特殊的地理環(huán)境。對(duì)于水泵與水庫(kù)系統(tǒng)，適宜的地理環(huán)境比擬容易找到。壓縮空氣系統(tǒng)的要求那么十分嚴(yán)格。目前世界上只有兩處成功的例子，一處在德國(guó)，一處在美國(guó)Alabama州，都是利用廢棄的礦洞作成的5。有效的能量存儲(chǔ)要求礦洞具有很高的氣密性。此外，使用能量把空氣壓入礦洞是一個(gè)絕熱過程。壓縮空氣的溫度會(huì)急劇提高。當(dāng)壓縮空氣和周圍巖石交換能量時(shí)，會(huì)引起可觀的能量損耗。在在取出能量時(shí)，膨脹的空氣

24、會(huì)變冷。在實(shí)際使用時(shí)，常常用天然氣與膨脹的空氣混合燃燒來恢復(fù)能量?；芈纺芰?jī)?chǔ)存效率只有50%左右。除了以上三種能量?jī)?chǔ)存方式以外，許多國(guó)家對(duì)超導(dǎo)磁環(huán)和壓縮氫氣也進(jìn)行了研究。但是，這些新想法距離工業(yè)實(shí)踐還是十分遙遠(yuǎn)的! 因此，大規(guī)模的能量?jī)?chǔ)存，至少在當(dāng)前還無法解決太陽能和風(fēng)能的間歇性所帶來的問題。從前幾節(jié)描述的事實(shí)和分析來看，太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存和直接利用在技術(shù)上已經(jīng)逐漸成熟，經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)被證實(shí)，有些已經(jīng)在達(dá)爾文式的市場(chǎng)上站住了腳。雖然大規(guī)模的集中的發(fā)電廠和廣泛稠密的電網(wǎng)在可見的未來仍然是能量傳輸?shù)闹鞲?，太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存系統(tǒng)將會(huì)日益普遍，與電網(wǎng)共存，構(gòu)成完整的能量供給系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)

25、領(lǐng)域和通信技術(shù)領(lǐng)域，相類似的情況已經(jīng)發(fā)生過。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，從1945到1980年，大型中心計(jì)算機(jī)占統(tǒng)治地位，原因之一是信息存儲(chǔ)技術(shù)無法分散。從1980年起，PC開始盛行，原因之一是信息存儲(chǔ)元件的微型化。目前狀況是：大型中心計(jì)算機(jī)與分散的微型計(jì)算機(jī)平行作業(yè)，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。在通信技術(shù)領(lǐng)域，從1860到1980年，大型 中心占統(tǒng)治地位，原因之一是銅電線是當(dāng)時(shí)最好的信號(hào)載體。1980年起，射頻蜂窩 開始使用，原因之一是無線傳送技術(shù)逐漸成熟，本錢降低。目前狀況是：大型 中心與射頻蜂窩 平行作業(yè)，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。這兩次歷史性轉(zhuǎn)變的最后的動(dòng)力，都是市場(chǎng)機(jī)制。在能源領(lǐng)域中，化石能源儲(chǔ)

26、量的枯竭和日益昂貴是人類面臨的一個(gè)根本問題。可再生能源和化石能源在本錢上的競(jìng)爭(zhēng)是決定勝負(fù)的最終因素。由于可再生能源的資源是無限的，免費(fèi)的；可再生能源的收集、儲(chǔ)存和使用設(shè)備的大量廉價(jià)生產(chǎn)是解決能量問題的根本途徑。由于在人力，資源和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)將在能源革命的歷史進(jìn)程中起關(guān)鍵作用。6 太陽能和風(fēng)能短期分散儲(chǔ)存的一些新設(shè)想這里，我們描述幾項(xiàng)可能在短期內(nèi)開展成功并商業(yè)化的太陽能和風(fēng)能的短期分散儲(chǔ)存設(shè)備的例子，其中包括：用甘油的水溶液儲(chǔ)存能量的太陽能冷氣機(jī)；用熔融石蠟儲(chǔ)存能量的風(fēng)力取暖裝置；局部低壓直流電網(wǎng)；用太陽能風(fēng)能直接為電動(dòng)汽車充電的裝置。現(xiàn)分別介紹如下：6.1 用甘油的水溶液儲(chǔ)存能量的太

27、陽能冷氣機(jī)在美國(guó)，中國(guó)和許多其他國(guó)家，冷氣空調(diào)是“電荒的主導(dǎo)性因素。在2005年，中國(guó)夏季空調(diào)用電已相當(dāng)于3個(gè)三峽電站。取暖與空調(diào)占美國(guó)建筑能耗的46%。這不僅是經(jīng)濟(jì)問題，而且是重要的戰(zhàn)略問題。眾所周知，需要冷氣的地區(qū)，有充分的太陽能。從時(shí)間上看，哪一天陽光強(qiáng)，哪一天就更需要冷氣。所以，用太陽能驅(qū)動(dòng)冷氣機(jī)是一個(gè)邏輯的解決方案。用太陽能驅(qū)動(dòng)冷氣機(jī)的根本問題是能量?jī)?chǔ)存。太陽光白天才有，晚上沒有。用太陽能直接驅(qū)動(dòng)冷氣機(jī)，在一天之內(nèi)，溫度會(huì)有很大的波動(dòng)。當(dāng)太陽剛剛下山的時(shí)候，環(huán)境溫度仍然很高，太陽能已經(jīng)消失了。太陽能最強(qiáng)的時(shí)候是中午，但不是一天最熱的時(shí)候一天最熱的時(shí)候是下午3-5點(diǎn))。在黃昏和晚上，雖

28、然冷氣仍然需要，陽光已經(jīng)沒有了?，F(xiàn)在流行的太陽能空調(diào)，是用太陽的熱能作為吸收式空調(diào)的輔助熱源。大局部的能量仍然需要從電網(wǎng)或天然氣管道供給。設(shè)備相當(dāng)龐大而復(fù)雜，需要大量的冷卻水，沒有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，主要用于大型公共建筑圖。圖8是一種只用太陽能的冷氣機(jī)。它用太陽電池產(chǎn)生的直流電直接驅(qū)動(dòng)蒸氣壓縮型的制冷機(jī)的壓縮機(jī)，不通過電網(wǎng)。儲(chǔ)存能量的材料是甘油和水的混合物。制冷機(jī)的蒸發(fā)管道放在存有甘油和水的混合物的熱絕緣的容器中，將它冷凍成小粒冰塊懸浮在甘油水溶液中的雪漿。實(shí)驗(yàn)說明，用5%甘油和95%水的混合物，冷凍后類似于濕雪。用10%甘油和90%水的混合物，冷凍后是微小片狀晶體冰的懸浮液。用7.5%甘油和92.5%

29、水的混合物，冷凍后是微小晶體冰在粘稠甘油水溶液中的雪漿。 因?yàn)檫@種雪漿是流動(dòng)的，它不會(huì)傷害容器和熱交換管道。另一方面，微小晶體冰的熔解熱與普通冰類似，每克80cal，或者335J雪漿的溫度是-1 至-5。 通過另一組熱交換管道，空氣流被雪漿冷卻，通過風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)送到需要冷卻的房間。風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)的電源由一個(gè)恒溫器控制，來使被冷卻的房間到達(dá)預(yù)定的溫度。圖8用甘油的水溶液儲(chǔ)存能量的太陽能冷氣機(jī)108 如果泡沫塑料的厚度是5cm，室溫比儲(chǔ)能介質(zhì)冰高30度，熱損失是70W。這樣的儲(chǔ)能罐可以保溫.5 天，所儲(chǔ)存的能量，供給2kw冷卻，可以用兩天。如果房子的絕緣良好，所儲(chǔ)存的能量足夠給整個(gè)房子提供冷氣。這里

30、，我們來解釋一下為什么要用甘油和水的混合物做儲(chǔ)能介質(zhì)。首先，5%至10%甘油的水溶液在冷凍以后具有良好的機(jī)械性能。其次，甘油是完全無毒的。最后，造價(jià)和本錢是產(chǎn)品活力的重要因素。甘油是生物質(zhì)柴油制造過程的副產(chǎn)品。每生產(chǎn)1噸生物質(zhì)柴油，就會(huì)產(chǎn)生150 公斤的粗甘油。目前，每年有100萬噸粗甘油被當(dāng)作輔助燃料消耗掉。如何利用這種生物質(zhì)柴油副產(chǎn)品已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的科研題目。6.2 用熔融石蠟儲(chǔ)存能量的風(fēng)力取暖裝置在北溫帶的北部，例如美國(guó)的東北部和中北部，中國(guó)的東北、華北北部和西北地區(qū)，主要的建筑耗能是冬季取暖。冬季太陽能很弱，不能滿足供暖的需要。但是，風(fēng)力一般是很強(qiáng)的。把風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的直流電力直接驅(qū)

31、動(dòng)熱泵的壓縮機(jī)，就可以產(chǎn)生數(shù)倍于輸入能量的的熱量。 問題是，如何把熱量?jī)?chǔ)存起來，解決風(fēng)力間歇性的問題。 據(jù)一份瑞典的研究報(bào)告12，對(duì)房屋取暖和熱水，最適當(dāng)、最有效的儲(chǔ)能介質(zhì)是熔融石蠟。它是石油分餾構(gòu)成的副產(chǎn)品。它完全無毒，非常平安。低熔點(diǎn)5060,的石蠟，有一定的但是有限的工業(yè)用途，例如制造蠟燭和涂地板。高熔點(diǎn)7080的石蠟，用途就更少，所以價(jià)格不高。圖9是用熔融石蠟儲(chǔ)存能量的風(fēng)力取暖裝置示意圖。熱泵由壓縮機(jī)、膨脹閥、兩組熱交換管道組成。熱泵可以理解為把普通的蒸氣壓縮型制冷機(jī)倒過來用，在室外井下吸熱，在室內(nèi)儲(chǔ)能罐放熱，類似的計(jì)算可以得出，1m3的熔融石蠟足夠給一間絕緣良好的房子取暖和供給熱水。

32、在美國(guó)，每一間別墅平均每年要消耗4m3的燃料油，而石蠟的市場(chǎng)價(jià)格不高于燃料油，所以石蠟儲(chǔ)能是經(jīng)濟(jì)的! 垂直軸中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)近來開展迅速，是一種在性能和本錢上有競(jìng)爭(zhēng)能力的產(chǎn)品，可望普及。6.3 局部低壓直流電網(wǎng)近幾年來在美國(guó)非常流行的、不需要政策性補(bǔ)貼而在市場(chǎng)上也大獲成功的一項(xiàng)太陽能產(chǎn)品，是太陽能庭院燈，見圖10。一小片幾瓦特的太陽電池，在有太陽光的時(shí)候，發(fā)出直流電向蓄電池充電。晚上，一支光電管翻開電門，把蓄電池的電力接通到發(fā)光二極管light emitting diode,LED。因?yàn)長(zhǎng)ED的功率只有幾分之一瓦特，容量幾瓦特小時(shí)的蓄電池就夠用了。絕大局部太陽能庭院燈都是中國(guó)生產(chǎn)的。圖10太陽

33、能庭院燈由太陽電池、蓄電池和LED燈組成同樣的思路可以擴(kuò)展到整個(gè)房屋，不管是別墅、公寓或者辦公樓。由于發(fā)光二極管照明會(huì)成為主流，大局部的現(xiàn)代電器用具，例如計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備、黑色家用電器、 、數(shù)碼照相機(jī)、小型電開工具和電動(dòng)自行車都使用低壓直流電，直流-直流變壓器既價(jià)廉而效率又高，局部低壓直流電網(wǎng)例如，36V或48V是一個(gè)肯定會(huì)廣泛使用的供電系統(tǒng)。它可以直接用太陽電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，由在地下室內(nèi)的一組電池儲(chǔ)存能量。因?yàn)橹亓坎皇菃栴}，從經(jīng)濟(jì)角度著眼，鉛酸蓄電池仍然是一個(gè)選項(xiàng)。局部低壓直流電網(wǎng)的另外一種可能的儲(chǔ)能方式是飛輪。在真空中運(yùn)行，用磁懸浮軸承的飛輪，儲(chǔ)存能量的效率是所有儲(chǔ)能裝置中最高的。 20世紀(jì)初，用飛輪作為車輛的儲(chǔ)能裝置的曾經(jīng)有過工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。但是，用于車輛的飛輪，在重量和平安性上都有嚴(yán)格的要求，放在地下室中的作為建筑用電的儲(chǔ)能裝置的部件的飛輪，沒有嚴(yán)格的重量要求，也沒有撞車的危險(xiǎn)，很可能開展成一種經(jīng)濟(jì)、高效而平安的儲(chǔ)能裝置。6.4 用太陽電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接為電動(dòng)汽車充電目前，電網(wǎng)被認(rèn)為是電動(dòng)汽車充電的電源。雖然比用汽油或柴油要價(jià)廉，但是遠(yuǎn)不是綠色的，更不是最經(jīng)濟(jì)的。在美國(guó)和中國(guó)，大局部電力還是用煤的火力發(fā)電。大體說來，只不過是用一種化石燃料煤來取代另一種化石燃料汽油而已。從經(jīng)濟(jì)角度來看，電力的零售價(jià)格的一半以上是電網(wǎng)和效勞費(fèi)。