风和太阳能燃料等清洁能源会是非洲的未来吗?

风能和太阳能发电设施的定时和布置是德克萨斯州电力供应商的关键因素,他们将其产量与其他资源相结合,以提供均衡的能源流。莱斯大学的研究人员就如何更有效地整合各种来源提出了一些建议。赖斯大学本科生Joanna
Slusarewicz和环境工程师Daniel
Cohan分析了最近西德和南德克萨斯州可再生资源的生产高峰,并建议通过调整这些资源的部署和时间,使该州的电力生产更加可靠。他们的开放获取论文发表在可再生能源:风能,水能和太阳能。

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世纪以来,全球人口、经济持续增长,世界能源需求增长强劲,油气资源竞争激烈,生态环境压力增大,全球气候变化倍受关注;绿色低碳、可持续发展成为人类文明持续繁荣的科学理性选择。人类已经进入了知识网络时代,作为人类现代文明基石与动力的能源也正面临新的变革。能源领域具有投资大、周期长、关联多、惯性强的发展规律。能源既是经济资源,更是政治资源和战略资源,能源安全的问题受到国家高度重视。

在摩洛哥Ouarzazate附近的撒哈拉沙漠边缘,大约50万个抛物面镜子穿过整齐的山谷,在太阳扫过天花板时一致缓慢地移动。这个6.60亿美元的太阳能设施在2月开业,很快就会运营起来。摩洛哥承诺到2020年从可再生能源生产42%的电力。在非洲,一些国家正在积极发展其太阳能和风能力。一些专家想知道大陆的大部分地区是否存在进入一个清洁未来的势头,绕过一些困扰美国、欧洲和中国等环境破坏性做法。“非洲国家不必锁定开发高碳旧技术。”联合国前秘书长科菲安南在去年的一份报告中写道。“我们可以扩大我们的发电,并通过跨越式发展成为正在转变全球能源系统的新技术以实现普遍获得能源。”这是一个令人陶醉的信息,不仅是非洲人,而是整个世界,因为在大陆的电力需求正在爆炸。非洲人口增长快于世界任何地方:预计到2100年将几乎翻两番。今天生活在那里的12亿人口中的一半以上缺乏电力,但可能快速增长很快就会到来。如果这些能量的大部分来自煤炭、石油和天然气,它可能会遏制国际社会为减缓全球变暖的步伐。但更为绿色的道路是可能的,因为许多非洲国家刚刚开始建立他们的大部分能源基础设施,并且还没有承诺使用越来越肮脏的技术。几个因素促使非洲推动可再生能源。该大陆三分之一以上的国家从水力发电厂获得了大部分的电力,而过去几年的干旱使得供应不可靠。主要依赖化石燃料的国家受到价格波动和不断增加的法规的困扰。同时,可再生能源技术的成本大幅下降。研究人员发现,非洲大陆的太阳能和风力发电量比以前认为的多——目前总用电量的3700倍。这一切都导致了对绿色电力的兴趣。研究人员正在绘制可再生能源项目的最佳地点。前瞻性公司正在投资太阳能和风力发电场。政府正在与国际发展机构合作,使竞技场对私营公司更具吸引力。然而,这可能不足以推动非洲走向一个干净、电气化的未来。规划者需要更多的数据来寻找可再生能源项目的最佳场所。开发商担心将钱投入许多国家,特别是那些有腐败和政府问题的国家。而国家将需要数百亿美元来加强能源基础设施。然而,非洲的绿色野心比以往任何时候都要高。开发商主流可再生能源在都柏林的首席执行官Eddie
O”Connor看到非洲可再生能源的巨大潜力。他的公司正在那里建设太阳能和风能设施,他称之为“为企业家提供无与伦比的商业机会”。  图2
太阳能发电项目在南非兰伯茨湾建成电源问题断电是许多非洲国家的共同问题,但赞比亚在过去一年中遭受的损失比大多数国家多。它经历了一连串频繁和持久的停电,削弱了经济。泵浦不能向首都卢萨卡供应清洁的水,工业必须削减生产,导致大量裁员。赞比亚的能源危机的根源是35年来南部非洲最严重的干旱。国家几乎从水电获得了近100%的电力,主要来自三个大水坝,水位已经下降。附近的津巴布韦、南非和博茨瓦纳也不得不削减电力生产。水资源短缺可能会变得更糟。预测表明,气候变暖可以在二十一世纪下半叶进一步减少南部非洲的降雨量。可再生能源可以帮助弥补差距,因为风能和太阳能项目的建造速度可以比水电,核能或化石燃料电厂快得多。绿色电力装置可以随着需求的增加而逐渐扩大。埃及、埃塞俄比亚、肯尼亚、摩洛哥和南非正在领导建设可再生能源的责任,但最大的障碍之一是数据不足。加利福尼亚大学伯克利分校能源研究员Grace
Wu表示,大多数现有的非洲风能和太阳能资源图不包含足够的详细信息,以允许公司选择项目地点。她共同撰写了一份关于规划21个非洲国家可再生能源区的报告,这是加利福尼亚的劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和阿布扎比的国际可再生能源机构(IRENA)的联合项目。这项研究是迄今为止对大多数这些国家最全面的绘图工作。它重视国家的太阳能、风能及电力项目是否会接近输电基础设施和客户,以及它们是否会造成社会或环境损害等因素。Wu说:“IRENA-LBNL研究是唯一一个在非洲大地区应用一致方法的研究。”风能和太阳能资源的高分辨率测量通常由政府研究人员或公司完成,这些研究人员或公司对其数据进行严格控制。伯克利团队使用从Vaisala购买的卫星和地面测量的组合,Vaisala是一家位于芬兰的环境监测公司,后来通过IRENA的全球可再生能源地图集公开了这些数据。该团队还纳入了地理空间数据——道路、城镇、现有电力线路的位置以及其他因素——这些因素可能影响决定将能源项目投放到哪里。伯克利的能源研究员、合作作者Ranjit
Deshmukh:“如果有一个森林,你不想削减它,并在那里放一个太阳能发电厂。”根据另一份IRENA报告,非洲可以收获的绿色能源的数量是绝对巨大的,其合成了6项区域研究,发现了3亿兆瓦太阳能光伏发电的潜力和超过2.5亿兆瓦的风力。相比之下,如果所有发电厂全部运行,整个大陆可以产生的总发电量——在2015年底只有150000兆瓦。太阳能和风力发电仅占3.6%。  图3
非洲国家2030年对风能和太阳能的需求预测世界银行在华盛顿特区的能源部门管理援助计划的高级能源专家Oliver
Knight说,对风资源的估计是一个惊喜。虽然人们长期以来一直意识到非洲的太阳能潜力,但是大约十年前,很少有地方决策者认识到风的力量。“人们会告诉你在东非这样的地区没有风。”世界银行正在进行自己的研究,将在目标国家的选定地点至少每10分钟评估一次风速和太阳辐射。它将要求政府添加自己的地理空间数据,并将所有信息结合成一种用户友好的格式,这是免费提供的,不需要高级的技术知识,Knight说,“应该使一个在发展中国家的中级公务员通过上网,就可以真正开始了解这些情况成为可能。”
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未来二三十年,将是能源生产消费方式和能源结构调整变革的关键时期。人们将致力于构建绿色低碳、高效智能、多样共享的可持续能源体系。风力和太阳能等可再生能源将快速增长,从而形成天然气、石油、煤炭、核能、可再生能源为五大支柱的能源新格局。

研究人员写道,虽然已建立的风能和越来越多的太阳能发电机在2017年提供了约18%的德克萨斯州电力,但明智的使用可以帮助这些资源超越其重量,因为燃煤发电厂将离开这里。(德克萨斯州的三家煤电厂今年已经关闭,预计第四次关闭。)

我国地域广阔,太阳能和风能资源十分丰富且分布广泛,总量足以满足我国社会生产生活等需求。经过几十年的发展,目前太阳能光伏发电、风力发电技术已趋于成熟,成本快速下降。在可预见的将来,太阳能光伏发电和风力发电的技术和经济性都将达到与常规能源相当的水平,推动能源变革与转型的发展。

Slusarewicz研究了国家可再生能源实验室的天气数据以及德克萨斯州非营利性电力可靠性委员会在2007年至2013年期间编制的记录,其中记录了来自德克萨斯州西部和南部以及全州商业太阳能发电的风力发电。她确定,最可靠的电力生产将来自太阳能和西德克萨斯风的结合,但沿海风也起着重要作用。她的结论表明,虽然ERCOT在夏季和冬季对西德克萨斯风的峰值发电量的估计是保守的,但生产者可以通过增加沿海风力发电来获得最佳能量收益。她发现,南德克萨斯州的海岸风在最需要电力时最为活跃,在炎热的夏季使用高峰期。

太阳能和风能资源丰富,是未来可以信赖的能源

Slusarewicz发现太阳能的峰值贡献差别不大,无论是来自两个轴上移动的面板,还是通过其弧线更准确地跟踪太阳而不是仅仅跟踪东西向的单轴系统。她还发现,将风能和太阳能设施的产出结合起来可以提高他们的企业能力,这是衡量工地可以合理保证的电量的一种方法。“清洁能源的一个主要问题是它不一定可靠,”莱斯大三学生Slusarewicz说。“太阳和风,就其本质而言,当你知道自己需要它时,它们不会始终如一地提供动力。”她说电池仍然太贵,无法储存德克萨斯州的大量能量供以后使用。“在我们开始建造更多的风能和太阳能农场之前,我做了这个项目,看看是否有办法,分配他们目前的产量,以利用整个州的气候差异,”Slusarewicz说。

我国太阳能资源概况

科汉说德克萨斯州提供了一个独特的机会来学习如何平衡能源资源,因为有几个因素:第一,因为国家的能源网格基本上是独立的,其次,因为它的规模和气候范围。“ERCOT做了一些前瞻性的研究,研究他们希望将多少风能和太阳能加入电网,以及有多少煤炭或其他能源可能会退役,但是他们并不看两者所处的位置,以获得最佳功能,
“来自赖斯的土木与环境工程副教授科汉说。

我国太阳能资源丰富,达到我国陆地表面的太阳辐射的功率约为
1.68×103TW,水平面平均辐照度约为 175
W/m2,高于全球平均水平。而且,太阳辐射资源分布广泛,总体呈“西部高原大于中东部丘陵和平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。根据年太阳总辐射量可划分为最丰富、很丰富、丰富和一般
4 个等级。

他指出,德克萨斯州能源网利益相关者通过ERCOT调解的具有竞争力的可再生能源区进程来确定风电的位置。“在德克萨斯州有一个遗产来确定最合理的风力发电场所,但这还没有延续到太阳能发电场最适合的地方,或者如何将一些沿海风力发电站连接到西德克萨斯州的输电带,”科汉说。“只有在过去的几年中太阳能才能与风竞争。现在德克萨斯州有两个强大的可再生选择。这就是为什么现在是时候考虑整合这些来源,这样他们可以做得比自己做的更好。”

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2018 年,我国陆地表面平均年水平面总辐照量约为 1 486.5
kWh/m2,固定式光伏发电年最佳斜面总辐照量约为 1 726.9 kWh/m2。

我国风能资源概况

风能是由空气流动所产生的动能。根据国际上对风能资源技术开发量的评价指标,考虑了自然因素和政策因素的限制后,我国陆地
70 m 高度层年平均风功率密度达到 300 W/m2以上的风能资源技术可开发量为
2.6 TW,70 m 高度层年平均风功率密度达到 200
W/m2以上的风能资源技术可开发量为 3.6
TW。广阔的海面也同样蕴藏着丰富的风能,在离岸距离不超过 50 km
的近海海域内,我国沿海水深不超过 50 m 的海上风力发电实际可装机容量约为
500 GW。

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总体看,我国绝大多数地区均属于适宜太阳能利用的地区,其中太阳能很丰富区(年辐射总量达到
1 400 kWh/m2以上)大约占国土面积的
2/3。我国各地区陆地风能资源分布虽然不均衡,但是每个省级行政区都有较为丰富的可开发利用的风能资源。

太阳能发电和风力发电已经成为全球重要的清洁电力来源

大力发展可再生能源已经成为世界各国应对全球气候变化的一项重要战略举措。我国近年来在风力发电和太阳能发电开发利用方面取得了显著成效,在产业发展、技术创新等方面取得了突出成果。风电已成为我国第三大电源,而光伏电池及相关产业的发展规模已经占据全球前列。可再生能源正在逐步从零散、小规模的能源发展成为可部分替代化石燃料、缓解生态环境承载压力、实现大规模利用的重要能源形式。

世界范围内可再生能源发电量持续增长

图 1 显示了 2010—2017
年全球可再生能源发电量占总发电量的增长情况。可以看到,截至 2017
年底,全世界可再生能源发电量已经占到全部发电量的
26.5%,其中水力发电的占比基本保持不变,而非水可再生能源发电量(主要是风力发电和光伏发电)已经从
2010 年的 3.3% 增长到了 2017 年的 10.1%。

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图 1 2010—2017 年全球可再生能源发电量占总发电量比情况

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