低成本,可再生!海浪也能用来发电?
一项至今鲜为人知的物理原理可能是海洋发电的秘密
从海浪提取能源来发电是一个很诱人的创意。早在1974年,有人就进行了首次尝试,爱丁堡大学员工斯蒂芬·索尔特(Stephen Salter)就想出了一个名为“鸭子”的创意:将房子大小的浮标系在海床上,利用浮标将海浪上涨的能量转变成旋转运动,从而驱动发电机。这项尝试失败了,因为要驱动发电机,还要进行大量的后期工作。但利用海浪能源发电的创意却没有因此消失;最近,设在西雅图的振荡电力公司(Oscilla Power)进行了一次尝试,试图找到之前失败的原因。
拉胡尔·森德尔是振荡电力公司的老板,他认为之前尝试失败的原因是那些技术是为不熟悉大海的人研制的技术(总是像风力发电机的零件),并试图将其修改成能在海洋里使用,由此导致的结果就是设备结构复杂,在严苛的海浪环境里过于灵敏,而且十分容易腐蚀。拉胡尔·森德尔认为最好重新设计海浪发电设备。
与有着大量活动零件的发电机不同,振荡电力公司研制的发电设备几乎没有活动零件。振荡电力公司制造的设备采用磁致伸缩原理来发电,该原理还没有被广泛采用;磁致伸缩原理是让铁磁材料(例如铁材料,能很容易地被磁化)在磁场中稍微改变形状。与很多物理过程一样,这项过程也可以反过来实施。只要对铁磁材料进行压缩或拉伸,它的磁特性就会发生变化。只要有一个永磁体和一个常规发电机的线圈,就能发电了。
振荡电力公司设计的核心就是一个使用铝和铁制成的合金棒,铝铁合金具有很强的铁磁性。这种铝铁合金棒只要压缩千分之一就能达到预期效果。这意味着在完全达到目的的前提下,振荡电力公司设计的发电机内部没有任何容易出错的活动部件。要压缩一根小尺寸实心金属棒,需要巨大的力量;幸运的是,海浪完全具有这种力量。振荡电力公司的设计,就如同其公司名称那样,依靠振荡来发电。
振荡发电机有两个大部件组成,这两个大部件被缆绳连接在一起。在缆绳的一端,振荡发电机漂浮在水面上,在浮标内有发电用的合金棒、磁体、线圈和多套挤压合金棒的液压油缸;在缆绳的另一端,吊着一个垂荡板结构,垂荡板在惯性和周围海水的拖动下,能保持浮标的稳定。这种结构让浮标在海面随着海浪上下起伏,而垂荡板却大概保持在原来位置,将拉力施加给缆绳。由于拉力的变化,缆绳带动液压油缸运转。整套系统由第二套系在海床上的缆绳固定在特定位置上。
全尺寸的振荡发电机是一套充满泡沫的钢制浮标,直径27米、6米高、重达1千吨,系在一个环形混泥土垂荡板上,位于据水面70米的水中。该浮标内配置了12台磁致伸缩发电机。拉胡尔·森德尔先生表示只要将单个浮标放置离海岸几公里外的位置,就能产生平均600千瓦电量,相当于一台陆地风力发电机。去年,一台直径四米的原型浮标通过在美国的大西洋海岸的开阔海域成功地进行了测试。
拉胡尔·森德尔先生承认振荡发电机的建造和安装费用十分昂贵;但振荡发电机的设计简单,只要稍作维护,就能运行几十年。拉胡尔·森德尔先生预计振荡发电机的发电成本为每度电10美分,与之相比,陆地风力发电机的成本为每度电16美分,海上风力发电成本为6美分每度电。使用化石燃料并并网的火电站的成本仍然比这些可再生能源电站低,不到五美分。然而,10美分代表了一种新型发电技术的良好开端。
我认为风力发电机还有可能会成为目前成本最低的电力来源。首先是因为风力发电机作为一种新能源的生产机器在很多的国家都进行了大力的推广,只要在适合的地区采用这种风力发电机就可以非常高效的把我们生活中的风力转化为日常生活所需的电力。并且这种转化是没有传统发电的大气污染的隐私,我觉得风力发电,很有可能会成为成本最低的电力来源。
除了核能、潮汐能、地热能之外,人类活动的基本能源主要来自太阳光。像生物能和煤炭石油天然气,主要透过植物的光合作用吸收太阳能储存起来。其它像风力,水力,海洋潮流等等,也都是由于太阳光加热地球上的空气和水的结果。
木材
柴是最早使用的典型的生物质能源,烧柴在煮食和提供热力很重要,它可让人们在寒冷的环境下仍可生存。
役用动物
传统的农家动物如牛、马和骡除了会运输货物之外,亦可以拉磨、推动一些机械以产生能源。
水能
磨坊就是采用水能的好例子。而水力发电更是现代的重要能源,尤其是中国、加拿大等满是河流的国家。
风能
人类已经使用了风力几百年了。如风车,帆船等。
太阳能
自古人类懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。
地热能
人类很早以前就开始利用地热能,例如利用温泉沐浴、医疗,利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。
海洋能
海洋能即是利用海洋运动过程来生产的能源,海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋温差能和海水盐差能等,一些沿海国家的海岸线,就很适合用来作潮汐发电。
生物能
生物质能是指能够当做燃料或者工业原料,活着或刚死去的有机物。生物质能最常见于种植植物所制造的生质燃料,或者用来生产纤维、化学制品和热能的动物或植物。许多的植物都被用来生产生物质能,包括了芒草、柳枝稷、麻、玉米、杨属、柳树、甘蔗和沼气(甲烷)牛粪等。
目前几种主要的分布式发电形式及特点:生物质发电:生物质发电是利用生物质,例如:秸秆、垃圾、沼气、农林废弃物等,直接燃烧将生物质能转化为电能的一种发电方式。它是一种可再生能源发电,其发电成本低,容易控制,环保综合利用效果好。但电能转换的效率低,生物质燃料的获取、存储和稳定的供给较困难。生物质发电的容量和规模受到限制。燃料电池发电:燃料电池是一种在恒温状态下,直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的装置。其优点是:效率高、能快速跟踪负荷的变化、清洁无污染、占地少。微型燃气轮机发电:以天然气、甲l烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机发电技术。其发电效率较高且体积小、质量轻、污染小、运行维护简单。
不矛盾。如果矛盾的话,在未来传统化石能源枯竭之后,岂不是没有能源可用。水电作为传统的可再生能源在应用方面应该没什么可说的,大家争论的一般都是水电对生态环境的影响。 的确,如风电、太阳能确实存在不稳定性,可这不代表一定要发生有能源却完全不能用这种尴尬的事情,毕竟风电的全寿命成本比较高,造出来不发够电基本就是赔了。目前就针对风电,已经有很多新的应用来解决一些问题,可参加这篇文章:神奇的风电:解决电解铝40%成本问题,对于一些区域,可以使用这样非并网的方式加以利用。其次,伴随着未来技术的进步,很有可能高性价比的储能设备设施会出现并得到应用。而核电的成本还请参见核电的成本是多少? 可见普遍核电还是要比煤电成本要低,最需要注意的就是其安全问题,主要是使用过的燃料棒的处理问题。 生物能源其实有着很大的空间,现在我们仍然每天大量浪费着生物能源,比如城市垃圾中的大量有机物质、污水处理厂的剩余污泥等,请参见我在这篇回答里4.1有关厌氧消化(AD)的部分国内城市垃圾处理方式与国外有何区别?国外垃圾处理是否有可以借鉴的地方?这部分生物能源其实和火电相比虽然目前体量小,但是相对清洁而且输出同样稳定,而且有着巨大的发展潜力。他像地热能、潮汐能等目前还没有进入大规模实用阶段,但是就答主所知,很多机构都一直在对潮汐能进行着不懈的研究,希望不久的将来就可以见到其大规模商用。 大幅度提高清洁的可再生能源应用比例已经是全球的共识,其大规模应用乃至逐渐取代传统化石能源在答主看来都是不可避免的,一些技术问题相信都可以解决。
1、分布式发电技术的定义
目前,对分布式发电并没有统一的定义。一般认为,分布式发电DG(DistributeGeneration)指满足用户特定的需要、支持现有的配电网经济运行或者同时满足这两方面要求,在用户现场或靠近用户现场配置的功率为小型,与环境兼容的发电机组。从广义来说,分布式发电可以指任何安装的用户附近的发电设施,包括冷热电联产、热电联产及各种蓄能技术,而不论这些发电形式的规模大小和一次能源的使用类型。
2、分布式发电技术分类
按照分布式发电使用的能源是否再生,可以将分布式发电分为两大类。一类是基于可再生能源的分布式发电技术,主要包括:风能发电、太阳能光伏发电、生物质发电、地热能、海洋能、生物质能等发电形式;另一类是使用不可再生能源发电的分布式发电,主要有:内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、热电联产等发电形式。
目前几种主要的分布式发电形式及特点:
(1)太阳能发电:目前应用较多的是太阳能光伏发电技术。其原理是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。目前太阳能光伏发电的成本太高,但是光能是取之不尽用之不竭的清洁能源,而且不受地域限制,发电装置安全可靠,规模灵活,其发展前景仍然被广泛看好。
(2)风能发电:将风能转化为电能的发电技术。风能蕴藏量巨大,可再生,分布广,具有明显的环保效益。且发电成本低,规模效益比较显著。风能发电技术现在已经发展得较为成熟。风力发电形式有并网型和离网型两种。其中并网型风力发电是大规模开发风电的主要形式,是近年来风电发展的主要趋势。离网型风力发电可以为偏远地区或无电网的地区提供电能。
(3)生物质发电:生物质发电是利用生物质,例如:秸秆、垃圾、沼气、农林废弃物等,直接燃烧将生物质能转化为电能的一种发电方式。它是一种可再生能源发电,其发电成本低,容易控制,环保综合利用效果好。但电能转换的效率低,生物质燃料的获取、存储和稳定的供给较困难。生物质发电的容量和规模受到限制。
(4)燃料电池发电:燃料电池是一种在恒温状态下,直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的装置。其优点是:效率高、能快速跟踪负荷的变化、清洁无污染、占地少。
(5)微型燃气轮机发电:以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机发电技术。其发电效率较高且体积小、质量轻、污染小、运行维护简单。
除水力发电和生物质发电以外,多数基于可再生能源的分布式发电技术都有一些共同的特点,能量密度低,且具有随机性,稳定性差,此外,风力发电和太阳能光伏发电还受天气的影响。而使用化石燃料的分布式发电技术性能则比较稳定,易于控制。
一、中国经济整体概况
1.中国经济现状
目前世界经济危机并没有改变中国高速经济增长的趋势。中国未来经济依然表现为高储蓄、高投资、高资本与高速度,如表1所示。对于中国经济的分析,主要从出口、房地产、内需三个部分剖析,这三个部分被称为中国的三驾马车,同时日益和国外接轨是中国经济的主流趋势。产业的发展是一个平滑增长的过程,它和消费能力、需求能力紧密相关。产业弥补式的增长特性使得在对待一个产业时需要有收放自如的控制力,不能过分的打压。但是中国经济增长轨迹的变化将被缓慢启动,调整的模式具有明显的需求先导型、产业内部深化等特点。此外,中国经济将步入一个较长时期的“次高速经济增长时期”,人们原来所想象的各种增长模式大转变并非想象得那么迅猛。
2.重点关注的新兴战略产业领域
1)新能源领域:重点关注的对象包括水电、核电、风力发电、太阳能发电、沼气发电、地热利用、煤的洁净利用、和新能源汽车等。此外,核电重大专项、大型油气田和煤层气开发、大型先进压水堆及高温气冷堆核电站也颇受关注。
2)新材料领域:重点关注的对象包括微电子和光电子材料和器件、新型功能材料、高性能结构材料、纳米材料和器件。
3)信息通信领域:重点关注的对象包括传感网、物联网,集成电路、平板显示、软件和信息服务,核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品,新一代宽带无线移动通信网,极大规模集成电路制造装备和成套工艺等专项。
4)生命科学领域:关注的对象包括转基因育种、干细胞研究,生物医药、生物育种,转基因生物新品种培育、重大新药创新、重大传染病防治。
二、新能源分类与特征
全国科学技术名词审定委员会审定公布新能源定义为:在新技术基础上,系统地开发利用的可再生能源。如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。具体来说,包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。所以概括的说新能源的两个重要的特点就是新技术和可再生。
世界新能源的分类可以分为三类:传统生物质能,大中型水电和新可再生能源。其中新可再生能源具体包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能(潮汐能)。据ICTresearch研究分析表明,未来的新能源有:波能、可燃冰、煤层气、微生物、第四代核能源等能源。
三、新能源行业发展现状
国际能源署(IEA)对2000年~2030年国际电力的需求进行了研究,研究表明,来自可再生能源的发电总量年平均增长速度将最快。IEA的研究认为,在未来30年内非水利的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快,年增长速度近6%,在2000~2030年间其总发电量将增加5倍,到2030年,它将提供世界总电力的4.4%。ICTresearch认为,IEA的研究过于保守,到2030年,可再生能源发电至少应占世界总电力的10%以上,要翻10~15倍。
1.中国新能源市场特征
中国风电资源主要是在东北、西北和内蒙古等地区,煤电资源主要在黑龙江、山西、内蒙古和甘肃西北等地。水电资源主要集中在西南地区,川渝云贵以及两湖两广地区。但是电力消费的中心却是在沿海地区,所以说我国能源的产生地区和电力消费中心是不匹配的,这对电网搭设和能源的利用都具有一定的考验。
2.中国新能源市场现状
1)光伏:市场短期的阴霾不掩长期灿烂,光伏辅料的国产化机会备受关注。光伏行业正在经历因产能扩张增速远大于需求增速而导致的供给过剩,全产业链面临价格下跌、利润水平下降的压力。ICTresearch认为短期内,从组件、电池片、硅片到多晶硅均面临利润被压缩的压力但长期看终端价格的下降有利于更早实现光伏平价上网,ICTresearch维持行业长期高景气的判断。
2)风电:行业整合加剧,行业龙头优势将愈加凸显,关注风机材料国产化的蓝海市场。短期供给过剩导致的全行业价格下行压力仍将持续。政策面对于风电制造业门槛的抬高和行业规范化治理的重视,将有利于风电行业走出无序竞争,提升行业集中度,未来行业将呈现强者恒强态势。
3)核电:安全风险巨大,等待政策明朗。由于日本核电事故造成的深远影响,各国相继出台政策计划逐步退役核电站国内政策并未改变目前的核电建设规划,但建设进度可能放缓,未来审批标准将愈见严格。
4)新型电池:新能源汽车和储能市场的量产启动可期,关注电池材料商的业绩释放。政策方面目前以示范运营先行,ICTresearch认为地方政府的扶持力度已经为新能源汽车运营提供了良好的政策环境充电/换电模式并行,为新能源汽车运营提供了必要的硬件设施。
四、细分产品详细分析
1.世界光伏市场发展历程
在能源紧缺、节能减排的格局下,太阳能的安全、无污染和资源无限等优良属性注定了太阳能必将成为人类的终极能源。光伏行业在政策扶持、成本下降、能源优势三大因素的引导下将长期高速发展。如图1所示。
2.中国与世界光伏市场规模现状
如图2、图3所示,中国2015年光伏装机量要达到10GW,这是因为中国政府对日本地震十分重视,重新检讨了能源结构,把新能源(PV)看做了重点。除了ICTresearch传统意义上要求光伏组件价格下降以便在有限的财政补贴内最大限度的推动光伏发展外,另外一个因素是电网建设。这主要是要解决长距离输送的问题,就是电网的建设(电网的覆盖范围要包含新疆、内蒙等)和输电成本的下降(主要包含超高压输电和直流输电等技术的突破)。随着今后国家输电网络的完善,给西北地区大规模光伏电站建设打下基础。但是,2011年多晶硅、硅片附加值、电池片附加值、组件附加值等各光伏产业链走势低位盘整。
3.光伏市场主要驱动因素及博弈方式
2011年8月1日,发改委网站正式发布非招标光伏项目实施统一上网电价。发改委将根据投资成本变化、技术进步情况等因素适时调整。如图4所示。
2011年8月12日,中国资源综合利用协会可再生能源专委会在京发布《中国光伏发电平价上网路线图》。《路线图》分析,按照以下假设:2009年光伏上网电价为1.5元/kWh,以后每年下降8%火电上网电价以后每年上涨6%。则到2014年,中国工商业用电价格首先超过光伏发电上网电价,率先实现“平价上网”。
4.光伏市场的细分产品现状
光伏逆变器是光伏系统核心功率调节组件,占整个并网光伏系统成本的10%~15%,具有较高的技术含量。目前全球逆变器市场主要被SMA所控制,市场份额高达40%以上KACO,FRONIUS,SIEMENS等第二梯队厂商占据了全球约30%的份额。目前,国内光伏逆变器生产企业处在成长阶段,发展潜力很大,但行业集中度高,进入难度大。
5.风电市场现状及分析
中国风电装机容量在经历了从2006至2009年连续4年翻倍成长后,2010年新增风电装机容量为1892万kW,再创历史新高,如图7所示。中国风能市场在未来几年行业增速将会下降,出现风机产能过剩严重的局面,风电采购电价补贴也将取消。ICTresearch预计从2012年开始,中国风电建设速度进入稳定增长期。
6.新型电池市场的细分产品现状
节能与新能源汽车示范推广工作开展两年多以来,示范推广已初具规模。截至目前,25个试点城市节能与新能源汽车总保有量超过1万辆,其中私人购买新能源汽车超过1千辆,建成充/换电站近100座,充电桩4500多个,示范运行总里程超过33000万公里。但节能与新能源汽车示范推广工作任务艰巨,还有较大的挑战,需要加强协作,共同推进。
2011年,国内锂离子电池的累计产量达到约22亿只,同比增长22%镍氢、镍镉等碱性二次电池的累计产量为约5.8亿只,同比增长20%,铅酸蓄电池累计产量为12000万千伏安时,同比增长9%。从单月的情况来看,锂离子电池产量增速从高位逐步回落镍氢、镍镉等碱性二次电池月产量增速触底反弹。铅酸电池的月产增速呈下降态势。
动力电池市场的放量仍需等待。对于市场最为关注的动力电池市场,ICTresearch认为前景不容质疑,但其放量启动的时点应该2013年左右。目前新能源汽车的发展正处在基础设施的完善、相关标准的确定和商业模式的确定等阶段,相关利益集团之间的博弈和定位的过程还都没结束。因此其真正启动拐点的到来仍需要一定的时间。对于空间同样广阔的储能市场,ICTresearch认为其发展时点应该在动力电池大规模应用之后,目前受制于高成本而难给行业带来实质影响。
五、行业整体策略建议
在面对这样一个潜力巨大的市场,新能源的产品厂商较多,种类较多,技术发展也比较快,所以竞争会比较激烈。因此,如何把握客户的需求,如何应对来自国际市场的金融压力,怎样去寻求更好的合作伙伴,怎样保持成本领先,技术领先,并具有环保优势等,这些问题都是我们应该深思熟虑的方面,解决这些问题,才能领跑新能源这个行业。