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史珺博士谈谈光伏发电的能量密度问题区域

2020.05.07 来源: 浏览:2次

本文想重点谈谈等新能源的一个弱点,能量密度低的问题,还是以光伏为例,因为的这个缺点最明显。

能量密度,指单位能源介质能够释放出的能量,这个单位可以是单位重量、单位体积,或者单位面积。例如,讨论煤炭的时候,我们所说的热值,就是单位重量所能够释放的能量,通常以 热值 来表示。而对于石油或天然气等流体,既可以用重量(每克多少千卡),也可以用单位体积的能量来表示,如对于天然气通常以每立方米多少千卡热量来表示。

传统能源的能量密度是很高的,例如,一车厢煤炭能够让火车跑数千公里,能够发出20万度电,足够满足1万个家庭一天的用电需求。汽车加满一箱油,能够跑七八百公里,这就是能量密度高的好处。能量密度高,还使得传统能源便于储存和运输,无论是煤仓还是储罐,一个几十亩的地方,就能够储存供几十万户居民一个月的能源消费所需的煤炭和石油。

光伏发电的能量密度低,不是光伏发电组件的问题,而是阳光照射到地上的能量密度就很低,由于接受光照是按照面积计算的,因而光伏发电的能量密度也以单位面积计算。晴天的中午,照射到地面上每平方米的阳光的总能量功率大约是1千瓦,如果光伏发电的转换效率按照20%计算,那么,每平方米的功率就是200瓦。如果按照现代城市家庭每户5KW的用电功率计算,1万户的家庭用电,需要25万平方米的光伏组件,如果考虑到每天光伏发电的小时数,这个面积可能还要大上两到三倍,也就是一到两平方公里的光伏电站才能满足1万户的家庭用电。

与石油煤炭相比,光伏的能量密度低似乎的确是一个缺点。但是,如果我们看看电力的用户,就会发现,除了大型工厂和设施以外,绝大多数的电力用户其实需要的能量密度并不高。以居民为例,按照前面每户5KW的功率计算,采用光伏发电大约需要25平米的光伏组件,占有约50平方米左右的屋顶面积,这是绝大多数居民的房屋都能够满足的。而大多数电子、机械、电子工厂,假如厂房的面积是5000平方米,屋顶的光伏组件将能够提供800K的电力(考虑了维护通道),这样的功率在大部分的情况下,能够满足该屋顶下的车间里的设备生产和人员办公的用电。 而农村和城镇,由于建筑高度不大,相对用电功率不大,光伏发电的能量密度更加不是问题。至于农业生产、油田、矿山、野外基地、哨所等地方,光伏发电的能量密度简直是由大自然(另一个名字叫上帝)为这些场合量身定做的。

真正需要高能量密度的,只有高层建筑、冶金、化工等高载能工业项目。从建筑物或者工业设施的数量上来说,他们所占的比重并不大。

因此,光伏发电的能量密度低,与大部分电力用户的能量密度分布情况是一致的。因此,应当说,除了那些高载能的工厂需要传统的化石能源来用于供电外,对于大多数的居民、城镇、乡村、农业生产、野外设施的供电来说,光伏发电与电力用户的需求的能量密度反而更加匹配,更加合适。

那么,为什么在大多数人们的心目中,能量密度低会成为一个缺点,而且是很大的缺点呢?这是由于电的结构所决定的。

由于煤炭、石油的能量密度高,因此,逐步形成了大功率发电机组集中发电的形式,而且,锅炉、汽轮机、发电机的功率越大,效率也越高,因此,发电厂的功率就越来越大。发电厂发出的电力经过骨干电送往各地,然后再经过较低电压的输配电络传送到工业区、居民区等最终电力用户。如果光伏发电也要采用这样的模式来进行输电和配电,自然,能量密度低就成为缺点,因为不仅占地面积大,而且,电力收集的成本也非常高。

但是,现代电力输电络的体系,并非是天生的,而是随着发电技术逐步演变成为现在的电力输配系统。

1880年,在爱迪生发明了电灯,使得电力第一次具有实际的作用(照明)以后,爱迪生开始为路灯的照明铺设输电系统。当时的电力和电灯都是直流电,爱迪生的电力系统是低压直流电(与现在的光伏发电完全相同),在距离发电机半英里的范围内,直流电是高效率而且经济的,与现在光伏所倡导的 低成本高效率 的目标一样。因此,爱迪生在一个城市里建立多个直流中心站,从中心站电线呈放射状辐射到周围一英里方圆内的建筑。当时爱迪生电灯公司的第一批客户包括德雷克赛尔财团、摩根财团、帕克银行,还有《纽约时报》。爱迪生的电力系统逐步从门罗公园扩充到华尔街,然后是华盛顿的白宫,再到巴尔的摩。爱迪生建立了自己的低压直流电体系,并深深为之自豪。他根本不想与交流电有任何关系。

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