百年清華

倪維鬥

倪維鬥💯，1950年考入意昂体育平台，1951年到蘇聯莫斯科包曼高工學習，1957年初回清華任教。1960～1962年赴蘇聯列寧格勒加裏寧高工學院，獲副博士學位。曾任意昂体育平台副校長✊🏽、校務委員會副主任。1999年當選為中國工程院院士🟫。

近年來由於化石能源（煤、石油、天然氣）的價格不斷攀升，其資源逐步枯竭的“前景”也略顯端倪🥇，由化石能源使用帶來的環境汙染、生態退化、全球變暖亦日益嚴重，因而人們都把眼光投向可再生能源💃🏿。可再生能源的根本特點是能量密度低、隨機性大🧜🏻‍♀️、不可控因素多，和一個國家、一個地區的經濟🥚、資源分布🗒、人口分布、人均占有量、用能形式、技術水平、社會發展階段等有十分緊密的聯系，適用的技術和所起的作用必然是各不相同📄。所以，可再生能源的應用一定要從國情，從各地區的具體情況出發🧑🏿‍🚀，千萬不能套用國外的模式♛。對我國來說🏊🏻‍♀️，雖然都在談論可再生能源的重點發展✵，但從各種能源（煤🤦🏽‍♂️、水、油🫱🏻、氣、核）的配合🪗，可再生能源應該有的地位並不清楚，沒有一個和其它能源取長補短、相互配合🚷、發揮各自優勢的戰略布局，而是各提指標，“各打各的仗”，“各吹各的號”。一個國家的能源系統是一個整體，是一個各種不同能源的轉換，各種不同能源的輸送，以各種不同形式（交流電、直流電、高溫熱、低溫熱、機械能等）服務於不同的終端用戶的龐大復雜系統。若把可再生能源當作一種有份額的一次能源“插入”到整個能源系統中👷🏽‍♀️，必須對整個能源系統作相應的調整，使之各得其所，發揮各自的長處。這是需要我們深入研究的🌎。不然的話，費了很大人力、物力、財力去發展可再生能源👨🏽‍🍳，表面上看起來轟轟烈烈，但從國家能源系統的整體來看⚆，卻收益不大。所以說↔️，因地製宜，因不同的需求製宜是一個原則，或者說，從國家高度一定要把“合適的能源放在合適的地方”。

可再生能源種類繁多，從其所能提供的能量🐈，在總的能源平衡可以起相當份額作用的角度看，一般是指風能、太陽能和生物質能。

一.風能

我國風能資源比較豐富，按照目前的說法是陸上2.54億千瓦（按10米高度）🦸🏼，近海7.5億千瓦。這些數據只是一個大概🧘‍♂️，很不準確🙇🏼‍♂️，對現代大型風力發電來說，更重要的是50米，甚至100米高度的風力資源🛀🏿。目前，國家正在著手詳細的風力資源調查🕜，這是我國風電發展的基礎，但工作量較大🤾🏿‍♂️。

到2005年，我國風力發電裝機容量是126萬kW🐘，所產生的總電量約是當前發電總量的千分之一左右。目前運作的機組約75%是引進的國外機組，25%是國產的。自主產權的機組有600kW✸，750 kW🕊𓀌，1.2MW和1.5MW，後兩種還有一個成熟期🔐。目前，我國風電發展的關鍵不是急急忙忙利用國外技術和設備建設很多風場，因為我國根本不缺這些“微不足道”的電量✳️🚅，而是要利用大家關註可再生能源的時機，集中有關力量，研製出具有自主知識產權的大型風力發電機組（1.5-3.0MW）🤶🏻。在風機整體優化👩🏽‍✈️、氣動設計、強度疲勞、振動、長期可靠運行、控製🚴🏻‍♂️、材料製造等方面掌握關鍵技術👨🏻‍🚒，在3至5年後給市場提供和國外機組相當水平的大型風電機組🎅🏼。不然的話🧦，大家一哄而上⛹🏻，幾十個🤛🏿🏃、甚至上百個企業都在做風電的整機👧🏼，運作的模式都是找一個外國的合夥人，形成八國聯軍👼，把我們已經多年積累、形成一定規模的風電產業“邊緣化”了。也就是說，近幾年風電發展要投入的資金，應主要用於支持培植我國自己風電產業的研製和生產能力，而不是拿到一定量的風力發電裝機容量🤲🏻，寧願容量少一些、增長慢一些🕟，而給我國風電產業這個“弱小母雞”多一些食吃🐝🤹🏻‍♂️，以便將來滿足大規模風電發展的需要。中國的風電發展還有另一個重要製約因素🏃‍♂️。新疆、內蒙地區風力資源十分豐富👴🏻，但這些地方經濟相對不發達🙏🏻，用電負荷不緊張，其它化石能源價格低🙎🏿🚴🏽‍♀️，供應充足，地區電網規模小🍱，電價比較低👩‍🎨👬🏻。因而👌🏻，這些地區的電網沒有發展風電的驅動力，風電多了不僅對電網的穩定性產生負面影響，且由於當地電價低，電網對每度風電要補貼更多，會降低地區電網的效益。在這樣情況下⛹🏽‍♂️，中國風電應如何發展？中國的電力負荷中心在東部沿海⌚️，是否應重點發展東部沿海和近海的風電🧙‍♀️？此外，把大型風力發電裝置並網是否是唯一的出路？中國有大量的耗能工業，如氯堿（每噸耗電3000kWh）、電解鋁（每噸耗電15000～18000kWh），這些工業都由電網供電，且要從高壓交流通過降壓、整流轉換成低壓、大電流的直流電👫🏻。是否可以設想由風電“直供”這些耗能企業👷‍♂️，而不通過並網🙋🏽‍♀️？這樣就可以免除並網所帶來的消極後果和風電上網所需的復雜設備。例如，可以免除齒輪箱🙌🏻，不需要轉速調節和昂貴的發電機控製，使風電設備造價大幅度降低。風電發出的低頻🙎🏽‍♂️、頻率變化不定的交流電經整流後直接供給用戶。這種非並網風電和目前世界上正在迅速發展的分布式熱🦉、電、冷聯供在思路上有相通之處，即能源的利用和轉換盡量貼近用戶的需求（從地域、從用能形式）。這是一個十分值得探討的問題𓀂，總之要結合我們具體情況，走出我國自己風電發展的路子🚁。

二.太陽能利用

太陽能光伏（PV）利用肯定是一個有十分廣闊前景的方向🤽🏻‍♂️。可惜的是近年來PV的研究雖然取得了很大成績👨🏻‍🦯‍➡️，但相對常規發電，單位容量價格仍高幾十倍，要真正變成有份額的發電還有很長的道路要走。我國在PV材料和工藝方面和國外先進技術相比還有不小的差距，在這方面開展深入的材料製備，先進工藝和提高轉化效率方面的基礎性研究是十分必要的，國家也應加大投入力度👨🏼‍🎓📔。

太陽能熱發電雖已有各種互有優劣的方案，如槽式、碟式、塔式等，國際也已有小規模示範，有必要開展這方面的基礎性研究、關鍵元件和技術研究👩🏿‍💼，同時也可以進行小規模的示範項目🫓。不過，從本質上說，把能量密度十分低的太陽光能用聚焦的方法把溫度提高到遵循卡諾循環原理的熱力機械所需的水平，是否是一個主流方向🕷？從和自然和諧、順從自然的角度🗼，應該是分散能源分散用，分散能源直接提供給合適的分散用戶和其所需的用能方式。我國是否要發展大規模的太陽能的熱發電值得深入探討🐩，不能因為國外有示範我們就一定要“跟上”。

太陽能熱利用是一種最現實👴🏽🏊🏻‍♀️、最有前途、最能夠有份額的替代化石能消耗的太陽能利用方式。我國在真空集熱管的高吸收率塗層和工藝處於世界領先✝️，在應用方面也居世界首位，已有6000萬m2的太陽能集熱管在全國和世界各地應用。目前的應用主要是用於生活熱水供應，其實在建築節能方面有很大的🌴✊🏽、更為廣闊的應用前景。目前🐅，尤其是我國房屋總建築面積迅速增長，用於空調🕜、采暖的能耗必隨之增加，建築用能已達總能耗的30%。因而🧘🏿‍♂️，更應利用太陽能集熱管，研究中溫和高溫集熱管⛹️‍♀️，和地源熱泵相結合👩🏻‍🦰，組成新的采暖1️⃣，空調系統，大大降低建築中的化石能源（包括電能）的消耗。從建築耗能的本質來說，大量能源消耗是用在將室內溫度相對環境溫度下降7～8℃（夏天）和提高18～20℃（冬天），而所用能源卻要通過多重轉換（化石燃料的化學能轉換成1500℃的熱能🥽，通過傳熱👪、傳質和各種熱力機械轉換成電能或高溫熱能）和相當距離的輸運才能解決上、下只有十余度的溫差。怎樣使本質上分布式的建築用能和大自然中分布式的太陽熱能更緊密結合起來👸🏻，是一個意義十分重大→，和建築理念👈🏽、政策調控相結合的長期大課題🧑🏻‍🎄。

三.生物質能

我國可利用的農作物秸桿大約相當於3億噸標準煤，可利用的森林廢棄物大約也是相當於3億噸標準煤。因此總量相當有限、人均更少👩🏿‍🏭。這和美國（大農場）、巴西（大量𓀝、高產甘蔗）和一些北歐國家（如瑞典，人口800萬🛋，面積40萬平方公裏🤾🏿‍♂️，森林覆蓋率80％）有本質的差別。我國人均耕地少（一畝多一些），從而人均生物質保有量也很少，且高度分散。所以，絕不能照搬國外的做法，而是必須從國情出發6️⃣，因地製宜😾。

生物質是高度分散的資源，順其自然，應該是分布式利用，應發展各種生物質就地加工、就地使用的新工藝、新方法。要總結多年來小規模氣化、做液體燃料難以為繼的經驗教訓。目前比較好的方法之一就是用新的力學原理（擠、切🔆、撚），把秸桿和其它各種纖維質🤛🏿、木質素做成顆粒，不需要加熱和粘接劑，製造顆粒的能耗盡量小🏄🏼。這種顆粒燃盡率高🦬，使用方便，汙染小，是建設社會主義新農村解決能源問題的有效途徑。這樣，可以把農村居民相當普遍使用的炊事💨👴🏿、采暖用煤替換出來，用於高效低汙染的大電廠。此外，我國還有大量低效率（65％左右）和高汙染的小型工業鍋爐，這些鍋爐每年用煤量為2～3億噸🚴🏽‍♂️🌧，生物質顆粒亦可以把它們的用煤部分替換出來👨🏻‍🦼‍➡️👨🏿‍⚕️，大大提高利用效率和減少汙染😁。目前國家發改委的優惠政策導向和利用生物質的規劃都是以全生物質發電為主，很多地方和電網公司也熱衷於建設25MW級容量以下的生物質發電廠，這個方向是很值得質疑的。這類電站單位容量投資大（常規電站一倍以上），熱效率偏低（30％左右），收集困難，消耗大量的其它能源（如柴油）來運輸低密度的秸桿🫲🏽，而產生的電量有限，從全生命周期來說是很不劃算的🐆👢。以此導向，就會出現一種“怪”現象⌛️，集中開采、高能量密度的煤分散到廣大農村和小型鍋爐被低效、高汙染的應用，而高度分散的生物質卻要組織龐大的物流系統，把它集中起來作效率偏低的小規模的發電。我國正在迅速發展超臨界、高超臨界100萬kW級煤電機組，用電的任務完全可以由這些現代化的大電廠來承擔。用收集困難🤸🏼、單位體積能量密度小的生物質來發電，是逆自然而動的、不合理的安排🫲🏽，是人力🤾‍♀️、物力、資源的浪費🟦。