求定日鏡+聚光光伏電池+散熱供熱系統(tǒng)+鋰離子儲(chǔ)能電池？

【專家解說(shuō)】：定日鏡+聚光光伏電池+散熱供熱系統(tǒng)+鋰離子儲(chǔ)能電池 Post By：2005-12-15 16:28:31

摘要：推薦一個(gè)極重要的科學(xué)研究方向——“價(jià)廉物美的定日鏡+高轉(zhuǎn)化率的聚光光伏電池+高效廉價(jià)散熱供熱系統(tǒng)+安全長(zhǎng)壽高效價(jià)廉的鋰離子儲(chǔ)能電池”

　　最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳應(yīng)天教授撰寫了一篇題為《從幾百個(gè)太陽(yáng)到上萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)》的科學(xué)文章。這篇文章有科學(xué)論據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和成本核算，以及對(duì)未來(lái)發(fā)展的構(gòu)想，從而展示出即將出現(xiàn)的一種前景——人類將迎接太陽(yáng)能時(shí)代。（參見(jiàn)附件一）為此，我們熱心向中央領(lǐng)導(dǎo)、主管部門、社會(huì)公眾推薦這篇文章，并據(jù)此提出建議。
　　陳應(yīng)天教授經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，發(fā)展出新型數(shù)碼光學(xué)理論和自動(dòng)跟蹤集聚太陽(yáng)能光發(fā)電技術(shù)。這種全自動(dòng)控制技術(shù)，跟蹤聚光極為精密，而且制造非常簡(jiǎn)單，運(yùn)行持續(xù)穩(wěn)定，得到世界上有影響的天文學(xué)家、太陽(yáng)能專家的高度贊賞。這種技術(shù)不僅給太陽(yáng)能聚光的高效性、經(jīng)濟(jì)性利用開(kāi)辟了一條全新的途徑，還可以廣泛應(yīng)用于一系列科研、工業(yè)、通訊、安全、國(guó)防等領(lǐng)域。
　　目前，陳應(yīng)天教授已研制出太陽(yáng)光發(fā)電原理型實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該樣機(jī)利用了新型跟蹤聚光原理和技術(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行完全由軟件自動(dòng)控制，用玻璃鏡把陽(yáng)光集中到面積很小的高性能光伏電池面上，光伏電池接收約300個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)，同時(shí)輸出約600瓦的電力和2噸溫度為60℃~70℃的熱水。以這一太陽(yáng)光發(fā)電裝置的使用壽命為10年，年日照3000小時(shí)來(lái)計(jì)算，這一裝置的發(fā)電成本約是人民幣0.7~0.8元 /千瓦小時(shí)，亦即僅比通常的火力發(fā)電、水力發(fā)電上網(wǎng)價(jià)格高出一倍。至于控制系統(tǒng)、運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的總耗能僅占輸出能量的5%。然而這一原理性的實(shí)驗(yàn)光發(fā)電裝置，僅僅是初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其發(fā)展前景不可估量！
　　當(dāng)前世界各國(guó)都在大力鼓勵(lì)太陽(yáng)能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)2005年1月20日《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)導(dǎo)：世界光伏發(fā)電從1998年的154.9兆瓦增加到2003年的742.28兆瓦，年平均增長(zhǎng)率為36.8%，甚而超過(guò)了風(fēng)力發(fā)電的平均上升速度。2004年，全球的光伏組件產(chǎn)量是7年前的10倍。
　　日本于1992年啟動(dòng)了“新陽(yáng)光計(jì)劃”，同時(shí)頒布了新的凈電計(jì)量法，要求電力部門以商品價(jià)格購(gòu)買多余的光伏電量，并實(shí)行補(bǔ)貼政策。日本居民光伏屋頂系統(tǒng)最近5年平均年增長(zhǎng)率為96.7%，日本光伏產(chǎn)業(yè)2002年生產(chǎn)能力增長(zhǎng)了47%，2003年增長(zhǎng)了45%。2003年底，日本總共安裝887兆瓦，政府計(jì)劃2010年總計(jì)安裝4820兆瓦。德國(guó)對(duì)可再生能源的利用通過(guò)立法、政府大量補(bǔ)貼等措施，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。由于投資回報(bào)率高達(dá)10%，遠(yuǎn)高于其它產(chǎn)業(yè)，因此光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。從1999年到2003年德國(guó)光伏市場(chǎng)增加了10倍，成本下降20%。2004年新安裝的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)大約200兆瓦，總銷售額超過(guò)10億歐元，就業(yè)人數(shù)約15000人。英國(guó)于2002年也制定了可再生能源法。該法強(qiáng)制所有電力供應(yīng)商在3年內(nèi)，至少提供3%的可再生能源的電力。2010年可再生能源電力要達(dá)到總電力的10.4%。
　　雖然太陽(yáng)能光發(fā)電在發(fā)達(dá)國(guó)家中正受到特殊重視，但“太陽(yáng)電池的高額成本仍是制約光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。” 據(jù)2004年12月31日《科學(xué)時(shí)報(bào)》報(bào)導(dǎo)，中國(guó)科學(xué)院電工技術(shù)研究所馬勝紅研究員分析說(shuō)：“目前太陽(yáng)電池的價(jià)格大約為每瓦3.15美元，并網(wǎng)系統(tǒng)價(jià)格為每瓦6美元，發(fā)電成本為每瓦0.25美元。在我國(guó)，完全商業(yè)化運(yùn)作的并網(wǎng)光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)大約為每度電3.4元，尚無(wú)法同火電、風(fēng)電等競(jìng)爭(zhēng)。預(yù)計(jì)到2010年，光伏系統(tǒng)發(fā)電成本才有望下降到每度電0.8元左右。”但也有些人士持不同意見(jiàn)，認(rèn)為可能要到2020年，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電成本才能下降到每度電0.8元。
　　為什么太陽(yáng)能光發(fā)電每度電的成本，約為1996年美國(guó)煤電成本4.8~5.5美分/千瓦時(shí)的5~6倍?因?yàn)槟壳暗奶?yáng)能光發(fā)電大都屬于平板固定式晶硅光伏發(fā)電設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是：安裝和維護(hù)方便，特別便于安放在屋頂和墻面。然而它存在兩個(gè)困難：第一，平板固定式晶硅光伏電池在使用時(shí)，一平方米的光伏電池只能接受一平方米的太陽(yáng)光，目前實(shí)際使用的平板固定式晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率平均最高約為15%。由于這種光伏發(fā)電方式永遠(yuǎn)受到1：1晶片價(jià)格的限制，晶硅光伏電池造價(jià)昂貴，是光伏系統(tǒng)成本最主要的部分；第二，太陽(yáng)光線入射角將隨時(shí)間變化，這一余弦效應(yīng)降低了光電轉(zhuǎn)換效率，使得每天有效積分發(fā)電效率只有4～6%，白白浪費(fèi)了30～50%的太陽(yáng)光。長(zhǎng)期以來(lái)，這些限制因素使得光伏電池發(fā)電成本約是2～3元/度，在短期內(nèi)難以大幅度下降，并大規(guī)模商業(yè)化。
　　近年來(lái)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研發(fā)聚光光伏電池。其產(chǎn)品已做到在光輻照為300個(gè)太陽(yáng)光照射的強(qiáng)度下，聚光光電池的轉(zhuǎn)化效率仍能保持30%～35％的光電轉(zhuǎn)化率。由于砷化鎵的材料和制造工藝成本遠(yuǎn)大于硅電池，所以當(dāng)前其同樣面積的制造成本約為通常平板式光伏電池的100～150倍。如果乘上光照和效率的因子，可期望光電轉(zhuǎn)化成本，是通常硅光伏電池的1/4。但是，隨著制造工藝的進(jìn)展及其大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，可期望在不久的將來(lái)，能大幅度降低聚光光伏電池的成本。也不排除用硅單晶來(lái)制作聚光光伏電池，雖然其光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)低于砷化鎵，但其單位面積所提供的電力的成本，也有可能大幅度降低。所以，如果人們能將太陽(yáng)光聚集起來(lái)，照射到聚光光伏電池上，就有可能大幅度地降低發(fā)電成本。但不幸的是這類能跟蹤太陽(yáng)的聚光鏡，卻是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的一個(gè)龐大體系！
　　理論或原則上，可以設(shè)計(jì)出某一隨時(shí)間而變化的，用n×m個(gè)小鏡面將太陽(yáng)光反射到任何一個(gè)指定的面積的跟蹤系統(tǒng)，并得到較好的聚焦質(zhì)量（即在任何時(shí)間內(nèi)，其聚光光輻射的強(qiáng)度在光電池表面上均達(dá)到均勻分布）。但這樣一來(lái)，就要求有2×n×m的控制元件和n×m個(gè)支撐系統(tǒng)。可以設(shè)法（如采用二步法，即將反射和聚焦分兩個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行）減少其支撐結(jié)構(gòu)，但仍要2×n×m個(gè)控制元件。這就構(gòu)成了構(gòu)造這類價(jià)廉物美的定日鏡的困難。近年來(lái),我國(guó)科技工作者力圖創(chuàng)造出新的定日鏡，取得了可喜的進(jìn)展。據(jù)2004年12月15日張耀明院士在《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》上的一個(gè)談話：“我們的定日鏡性能與國(guó)外相當(dāng)，且已獲得中美兩國(guó)專利，而成本卻只有國(guó)外的幾分之一。”“國(guó)產(chǎn)定日鏡的面世，將使太陽(yáng)能熱發(fā)電站的投資大幅降低，從而加快其發(fā)展步伐。”
　　但是，目前在國(guó)外發(fā)展的并得到較多關(guān)注的定日鏡，畢竟還是一個(gè)價(jià)值比較昂貴的體系！
　　在《從幾百個(gè)太陽(yáng)到上萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)》一文中，陳應(yīng)天教授用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析證明：如果要求大幅度減少定日鏡中子鏡的數(shù)量和減少定日鏡控制元件，亦即由2×n×m的控制體系，降低為n+m的控制體系，并仍然得到質(zhì)量較好的聚光面，就必須將傳統(tǒng)的“方位角和高低角”的跟蹤控制方式，修改為他所提出的“仰角和轉(zhuǎn)動(dòng)”的新的跟蹤控制方式，并還要將通常使用的平面鏡、棱形面鏡，球面鏡，拋物鏡、超拋物鏡等等，修改為他所特殊設(shè)計(jì)的，由較復(fù)雜數(shù)學(xué)公式所定義的特殊鏡面。陳應(yīng)天教授證明：滿足上述要求的數(shù)學(xué)解答是存在的。并進(jìn)一步證明：如果所控制的行和列的旋轉(zhuǎn)都很小，特別是當(dāng)太陽(yáng)光聚光到焦斑的距離比定日鏡大小大很多時(shí)，行和列的旋轉(zhuǎn)可以近似地表現(xiàn)為直線運(yùn)動(dòng)，從而使定日鏡的設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，其相應(yīng)的控制體系和結(jié)構(gòu)體系也可以大為簡(jiǎn)化，并可大幅度降低其建造成本。
　　這樣一種新型的光發(fā)電模式，“價(jià)廉物美的定日鏡+高轉(zhuǎn)化率的聚光光伏電池+高效廉價(jià)散熱供熱系統(tǒng)”（注：聚光光伏發(fā)電，必須有散熱系統(tǒng)，如何經(jīng)濟(jì)有效地利用其熱量，也是一個(gè)待研究的課題），就成為極有前景的新型發(fā)電模式。
　　當(dāng)然，如果有了價(jià)廉物美的聚光鏡，就不僅可以應(yīng)用到太陽(yáng)能光發(fā)電，也能應(yīng)用到熱發(fā)電，這需要請(qǐng)專家們進(jìn)一步共同探討其現(xiàn)實(shí)而經(jīng)濟(jì)可行的途徑。
　　在這篇文章中，陳應(yīng)天教授除了介紹了他所發(fā)明的聚光定日鏡在光發(fā)電上的應(yīng)用外，還介紹了這一定日鏡在太陽(yáng)能的其它應(yīng)用。但有興趣的是：陳應(yīng)天教授在文中說(shuō)，他已經(jīng)利用這一新型定日鏡做出一個(gè)小型裝置，如果進(jìn)一步將這一小型裝置，簡(jiǎn)單地聯(lián)結(jié)為某一大型光電站，可期望這一光電站的總價(jià)格為250萬(wàn)美元，輸出功率為1兆瓦。以年運(yùn)轉(zhuǎn)2000小時(shí)計(jì)，其年產(chǎn)電能2×106千瓦小時(shí)。如果裝置本身壽命12年，（注：這是一個(gè)假設(shè)的數(shù)字，有待于未來(lái)的檢驗(yàn)。作為對(duì)比的一個(gè)數(shù)字，是一般平板式晶硅光伏電池的壽命約為25年！）由此可得其相應(yīng)的電價(jià)是每千瓦時(shí)為0.1美元，亦即僅比國(guó)內(nèi)每度0.5元人民幣的電價(jià)貴一倍！陳應(yīng)天教授在文中說(shuō)：“這一價(jià)格是現(xiàn)實(shí)已達(dá)到的。”（注：這里仍假設(shè)了裝置壽命是12年）。不排除這一發(fā)電模式，還有大幅度降價(jià)的空間。這就使得我們?cè)谀茉磫?wèn)題上，看到了新的希望：人類將提前迎接太陽(yáng)能時(shí)代。
　　但是，太陽(yáng)能光發(fā)電的弱點(diǎn)是：有太陽(yáng)有電，無(wú)太陽(yáng)無(wú)電。所以，太陽(yáng)能光發(fā)電的體系還必須配以“安全長(zhǎng)壽高效價(jià)廉的儲(chǔ)能電池”。現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)外都在大力研發(fā)儲(chǔ)能電池。在眾多的儲(chǔ)能電池中，鋰離子儲(chǔ)能電池備受關(guān)注。在1992年啟動(dòng)的日本“新陽(yáng)光計(jì)劃”中，研究了兩類鋰離子電池，一類是用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛的鋰離子動(dòng)力電池，另一類是用于家庭儲(chǔ)電的鋰離子儲(chǔ)能電池。雖然這兩類電池都可用來(lái)調(diào)節(jié)電力的“峰谷比”，“晚上蓄電,白天用電”，但對(duì)它們的性能要求除了安全和環(huán)保外，其它方面是有很大差異的。車輛動(dòng)力電池要求有高的能量密度和高的功率密度(即在給定重量或體積中能儲(chǔ)存盡量多的電能，并且能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)釋放出去)。儲(chǔ)能電池對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)并不苛求，卻要求有很長(zhǎng)的使用壽命(日本“新陽(yáng)光計(jì)劃”要求3500次)和很便宜的價(jià)格。日本的“新陽(yáng)光計(jì)劃”取得了成功，不久的將來(lái)，日本的千家萬(wàn)戶，將購(gòu)置鋰離子儲(chǔ)能電池，既可儲(chǔ)存自家屋頂太陽(yáng)能電池白天發(fā)的電，又可儲(chǔ)存電網(wǎng)的低谷電，如果用電有富余的話，還可以返回電網(wǎng)，獲得較高回報(bào)。
　　我國(guó)小功率鋰離子電池已經(jīng)商品化，國(guó)產(chǎn)電池產(chǎn)量已占國(guó)際市場(chǎng)的1/3。近年來(lái)，由于國(guó)家電動(dòng)車計(jì)劃的啟動(dòng)，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池研究和開(kāi)發(fā)有很大促進(jìn)，已取得很大進(jìn)展，正在商品化生產(chǎn)，以滿足電動(dòng)車大發(fā)展的需求。對(duì)儲(chǔ)能電池，包括鋰離子儲(chǔ)能電池的研究才剛剛開(kāi)始，還有很多基礎(chǔ)工作有待開(kāi)展。但由于有鋰離子動(dòng)力電池的研發(fā)基礎(chǔ)，特別是一些關(guān)鍵材料是通用的，可以預(yù)期，鋰離子儲(chǔ)能電池的研發(fā)速度會(huì)很快。磷酸鐵鋰作正極的鋰離子電池是極有希望的體系。磷酸鐵鋰是一種廉價(jià)和環(huán)境友好的材料，在所有已知的正極材料中，它的安全性最好。國(guó)內(nèi)已掌握磷酸鐵鋰的生產(chǎn)技術(shù)。以磷酸鐵鋰作正極的鋰離子動(dòng)力電池循環(huán)壽命已超過(guò)800次。與此可對(duì)比的是，通常質(zhì)量較好的鉛酸電池的循環(huán)壽命是150~200次。鋰離子電池隔膜對(duì)電池安全性和成本(約占電池成本的20%)有重要影響?？上驳氖牵覀円蜒芯块_(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料，不僅安全性好，而且成本遠(yuǎn)低于進(jìn)口產(chǎn)品。這就給人們一種新的希望，在3～5年時(shí)間內(nèi)，中國(guó)將能制造出價(jià)格和鉛酸電池相當(dāng)?shù)匿囯x子儲(chǔ)能電池，但在重量上卻至多是鉛酸電池的1/4，壽命至少是鉛酸電池的3倍，無(wú)一次污染，也無(wú)二次污染，無(wú)記憶效應(yīng)，自放電率小于6%/月，是所有蓄電池中最小的。尤其是鋰離子蓄電池的工作電壓是3.4-3.6伏，正是我們大力推廣的半導(dǎo)體白光照明中發(fā)光二極管的工作電壓。而單體光伏電池的輸出電壓是0.46伏，根據(jù)需要很容易設(shè)計(jì)聚光光伏電池組件, 適應(yīng)儲(chǔ)能電池和照明燈具的工作電壓，而無(wú)需升壓器和交直流轉(zhuǎn)換器，從而節(jié)省光伏照明系統(tǒng)的總體成本。因此聚光光發(fā)電和磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池是“天造地設(shè)”的“絕配”。目前國(guó)際上太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)和離網(wǎng)各占一半，在我國(guó)實(shí)行的“陽(yáng)光工程”中, 太陽(yáng)能光伏發(fā)電以離網(wǎng)為主。在缺乏電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)，如老少邊窮、偏僻農(nóng)村、駐防部隊(duì)，這一“價(jià)廉物美的定日鏡+高轉(zhuǎn)化率的聚光光伏電池+高效廉價(jià)散熱供熱系統(tǒng)+安全長(zhǎng)壽高效價(jià)廉的鋰離子儲(chǔ)能電池”供電系統(tǒng)，將是有效解決缺電困難的方便模式。如果注意到我國(guó)未來(lái)大電網(wǎng)是高壓直流輸電，那么這種“價(jià)廉物美的定日鏡+高轉(zhuǎn)化率的聚光光伏電池+高效廉價(jià)散熱供熱系統(tǒng)+安全長(zhǎng)壽高效價(jià)廉的鋰離子儲(chǔ)能電池”的發(fā)電模式，將不需要特殊的交流變直流的轉(zhuǎn)化裝置，即能和高壓輸電網(wǎng)相聯(lián)接。
　　此外，我們還需要向社會(huì)公眾推薦的是：除磷酸鐵鋰可用于價(jià)廉物美的鋰離子儲(chǔ)能電池外，在我國(guó)，特別是攀技花地區(qū)有極為豐富的釩鈦資源，煉鐵后鐵礦渣堆積如山，就存放在金沙江邊，對(duì)當(dāng)?shù)睾烷L(zhǎng)江造成一定的環(huán)境污染。鐵礦渣中含有大量寶貴的釩和鈦。釩是性能比磷酸鐵鋰更好的正極材料磷酸釩鋰的原料。而鈦是值得重視的新一代太陽(yáng)能光伏電池——納晶TiO2光伏電池的原料(在此不作詳述)。對(duì)此應(yīng)根據(jù)我國(guó)的資源情況和國(guó)情來(lái)開(kāi)展研究。
　　我們推薦陳應(yīng)天教授的這篇重要的科學(xué)文章，并附帶介紹這一光發(fā)電系統(tǒng)所必需儲(chǔ)能電池發(fā)展的現(xiàn)況,以期引起社會(huì)公眾的廣泛注意，并大力促進(jìn)這一新型可再生能源系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)直至產(chǎn)業(yè)化。