建立人与自然能量平衡的可持续生活方式可再生能源动力系统气候匹配的参数和方法

万众生能源科技 ■ 康健

一 前言

人类现代生活方式和文明秩序主要是在矿物能源（化石燃料分子能+原子能）驱动下繁荣起来的耗散结构，一旦失去这种能量输入将陷入无序和崩溃，这就是能源危机意识的根源。古代人类生活方式和文明秩序从生态系统能流结构上看与其他动物一样是光合作用能源的消费者，寄生于地球生态系统的能量循环中，是地球生态系统高品质生物质能量的储能装置。工业革命前人类只向生态系统内部获取能量，是一种与生态系统平衡、低消费水平的可持续的农业文明社会结构。工业革命就是人类不仅向地球生态系统支取能量，同时也向矿物获取能量，客观上是增加了地球生态系统能量输入，建立了依赖矿物能源的更高组织水平、更复杂、更远离环境平衡点、可持续性很差的工业文明社会(耗散)结构。未来人类主导的地球生态文明应该通过智慧和技术把从前地球生态系统不能利用的能量和更多的太阳能转换为可用能量，也就是人类的责任是要提高地球生态系统太阳能总利用效率，增加生态系统内能和负熵流，使地球生态系统更加丰富繁荣，各种层级的生命系统都得到充分协调发育，人类在食物链顶端才能持续存在下去。这是建立人与自然能量平衡及可持续生态文明社会结构的自然伦理基础。人类主宰的智慧地球生态系统应该更理性地利用和分配太阳能，积极建立支撑生态平衡的能量平衡关系。讨论可再生能源合理开发、高效利用、气候匹配的参数和方法，根本目的就是研究如何提高包括人类社会在内的地球生命系统的太阳能利用率。

太阳是个炽热的气态球体(直径：1.39×106km，质量：2.2×1027t，主要成分：氢80%+氦19%)。太阳能源于内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，不断释放出巨大能量，太阳辐射功率约为3.75×1020MW，根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年。到达地球的辐射功率约173×109MW，也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤。相当于现在人类所利用的能源的1万多倍，从理论上是人类取之不尽用之不竭的清洁能源。但由于太阳能流密度低及其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响变化，限制了太阳能的有效利用。如何将这种低密度、具有特定统计学特征周期性变化的地表太阳能转换为人类需要和便于使用的能源是目前人类可持续发展面对的重大课题。可再生能源合理开发高效利用不是单纯的能量转换的技术问题，需要综合地球科学、能源科技、重新建立人与自然能量平衡的可持续生活方式，需要从根本上解决认识、论方法论的问题。

二 利用可再生能源对地球生态系统的边际增益

根据地球科学的研究成果(见表1)，进入地球大气层上界太阳辐射功率为173×1012kW，由于大气层反射、吸收和散射，到达地表太阳辐射约80×1012kW。其中：77%以短波和长波辐射形式离开地球；23%用于直接驱动地球生态系统的水循环、大气运动和光合作用，只有约0.23%转换为高品质能量(0.21%转换为风能和水力，0.02%转换为生物能)，22.54%通过水循环的相变(蒸发、凝结、结冰、升华)和水的高热容转换为低品质热能，用来维持地球生态系统需要的温度(温差±50℃)。由此可见地球生态系统对太阳能的实际利用率很低(＜0.3%)，地表太阳辐射能和气候温差能占地表可再生能源的99.7%，从数量上应该认识到可再生能源开发主要指地表太阳能和气候温差能。

大气运动(风雨)是地球陆地生态系统的动脉，河流相当于静脉，首先考虑到大气运动和水循环对地球生态系统和光合作用的直接影响(风能和水力能是维系地球生态系统状态的能量)；其次生物质能对人类未来营养源的重要性和稀缺性；同时由于风、水流和生物质能是地球生态系统高品位内能，其开发并不增加地球生态系统太阳能利用率和负熵流，只会影响内能分配格局；理论上这种开发一定会影响地球生命系统的发育和代谢；其在地球可再生能源中只占千分之几的微小比例，因此风、水力和生物质能等高品质可再生能源开发生态意义不大。故可再生能源开发的主要对象是没有被地球生态系统充分利用的太阳辐射能和气候温差能。

表1 地球太阳辐射能流表

随着人类的不断发展和进步，今天的地球生态系统客观上已逐步变成了由人类意志主导的有意识的生态系统。人类是生态系统的组成部分，人类对太阳能及其衍生的各种可再生能源的开发和利用的根本任务是通过智慧和科技增加地球生态系统太阳能利用率和负熵流，以使其更加有序、繁荣和旺盛，提高生态系统容纳和承载能力。

三 可再生能源动力系统的特点

现在的能源科技是建立在高品质矿物燃料(分子能和原子能)开发基础上的，各种传统动力系统的本质特点是已有高品质能源的梯级开发和利用。可再生能源中一小部分(约0.3%)，诸如风、水流和生物质能也是高品质能量，其开发利用与矿物能源本质相同。对上述高品质能源的利用本质只是改变地球能源分配格局，不增加地球和生态系统内能，相反在减少和耗散地球内能。

自然生态系统只能通过大气、水和光合作用等利用太阳能，大部分的地表太阳辐射能(46%)和气候温差能(22.5%)没有被充分利用，转换为人类有用的能量，而是以热辐射的形式返回宇宙空间。人类通过光伏、光热和各种储能技术可进一步提高地球太阳能利用率。因此可再生能源动力系统的本质特征是研究如何更多地将低品位的太阳辐射能和气候温差能转化为人类和生态系统需要的各种高品位的能量，增加地球和生态系统内能和负熵流。

可再生能源动力系统与传统动力系统另一个本质区别是气候匹配和储能：传统动力系统可调节能量(燃料)输入来适应用能负荷变化，可再生能源动力系统则需要通过气候匹配充分采集和储存环境势能，主要依靠储存容量调节适应用能负荷变化。再加上气候变化的周期性、随机性和统计分布特性使动力系统原理、结构、设计运行参数和工艺方法与其他动力系统区别很大，特点是通过气候匹配和储能保证系统高效、安全和全天候运行。

可再生能源高效利用的关键是气候匹配的参数和方法。合理开发的本质是增加地球生态系统太阳能利用率，建立人与自然能量平衡的可持续能源生产和消费系统。

四 能源合理配置和使用的基本原则

矿物能源和可再生能源的开发都是增加人类社会和地球生态系统的能量输入以维持其秩序、结构和状态。合理的分配是必要的，高品质矿物能源应主要用于工业和交通等高品质需求；低品质太阳能和气候温差能目前应主要用于满足人居生活能源需求，更有现实意义。生态平衡所需的能量平衡是维持生态系统结构和秩序的力量，人与地球生态系统良性互动、共同发展需要各种能源合理配置和使用，供需平衡，并在品种、品位和数量上结构匹配是基本原则。考虑人类未来和矿物能源的有限预期，应尽量优先使用可再生能源满足目前能源需求。提高低品位可再生源利用率是优化能源配置的根本途径。

例如人类现代生活需要的能源种类除维持生命的食物外还包括：电力、燃气、冬季采暖＞18℃、生活热水40℃、夏季降温＜26℃等，其中小部分(约25%)为高品质能量(电力、燃气)，大部分(约75%)为低品质能量(采暖、热水、降温)。研究发现在地球温带各种气候区域，这种生活能源需求结构与当地太阳辐射和气候温差形成的环境势能有密切关系。“完全太阳能全天候冷热电气联产联供动力系统”就是一种通过光伏、光热和储能技术，按品种、品位和数量利用太阳能和气候温差能，同时解决人居生活所需电力、燃气、夏季降温、冬季采暖和四季生活热水等全部能源问题的通用可再生能源综合动力系统。可增加包括人类社会在内地球生态系统太阳能利用率。这是人类生活能源需求与地球生态系统能量平衡的艺术杰作。

五 可再生能源动力系统的基本功能和特点

综上所述，可再生能源动力系统的基本功能可概括为以下4点：

1 通过光伏、光热和储能技术进一步开发没有被地球生态系统(光合作用)充分利用的太阳能和气候温差能，提高人类主导的地球生态系统太阳能利用率，增加地球内能和负熵流。

2 将低品位环境势能转换为人类和生态系统所需的高品位能量。

3 气候匹配是保证系统高效、安全和全天候运行的关键，是系统主要性能参数与负荷特性和气候特征的基本关系，是建立人与自然能量平衡的可再生能源生产和消费的系统方法。

4 可再生能源动力系统以年为周期循环工作，需要通过储能技术把一些能量进行时空挪移，特别是环境势能周期性变化时削峰填谷(如：白天的太阳能储存用于夜间照明、夏天的热储存用于冬天采暖)。

可再生能源动力系统的设计和运行需要与气候匹配才能最大限度合理高效地利用太阳能及其衍生的各种可再生能源。需要根据当地气候特征和用能负荷特性确定动力系统设计、运行参数和能源生产的工艺方法。可再生能源动力系统与其他各种动力系统不同之处在于气候匹配：(1)能量来源是随机的、在时域上既有稳定统计学分布又有极端小概率事件、高效利用需要最大限度采集能量，而不能实时随负荷调节能量输入。针对特定负荷，能量采集最佳容量又同时需要考虑当地气候特点、成本和系统总体效率。(2)储能容量既需要全天候满足负荷变化调节，也需要考虑随季节周期性交替。 (3)用能负荷也随气候变化。(4)系统工作过程组织需要随气候和气象变化实时调节。即气候匹配贯穿可再生能源动力系统的原理、结构、工作过程组织等各个方面。因此气候匹配是可再生能源动力系统设计和运行的关键问题之一。根据用能负荷曲线和当地典型气候特征确定可再生能源动力系统的采集容量、峰值功率、储能容量、成本、效率、设计余量等主要性能参数，这是保证系统平稳、高效、经济、安全、全天候运行的基础。

环境势能是指相对人类需求周围环境蕴含的可用能。低品位环境势能是指太阳(外太空)辐射及其衍生的气候温差能(数量上只占99. 7%)，是相对人类现代生活方式能源需求的可用能量，包括太阳辐射及其周期性变化蕴含的可用能量和气温及其周期性变化蕴含的可用能量。高品位环境势能是指太阳能衍生的风、水流和生物质能(数量上只占0.3%)。本文可再生能源动力系统讨论的环境势能是指有大规模开发潜力的低品质环境势能。

由表2可见，可再生能源利用的核心问题是将低品位环境势能转变为人类方便使用的能源形式。其开发利用不仅涉及光伏、光热和气候温差能的品种、品位和数量的转换，同时还需要通过储能技术把这些能量进行时空挪移。只有这样才能实现高效利用和便捷实用的统一，建立人与自然能量平衡的能源生产和消费方式。

表2 有关环境势能、太阳辐射、气候温差、用能负荷的一般概念及相互关系的定义和表述

六 主要性能参数和气候匹配方法

可再生能源动力系统的主要性能、设计和运行参数包括：

1 能量采集能力。额定输入功率、容量及设计余量。

2 能量储存能力。额定储能容量和设计余量。

3 供能能力。额定输出功率、容量及设计余量。

4 技术经济性能。系统效率、成本和寿命。

与气候匹配的方法是指可再生能源的生产和消费要实现人与自然能量的平衡并使单位地表可再生能源利用效费比(效率/成本)最高。可再生能源动力系统主要性能参数与负荷特性和气候特征的关系可概括表达为：

年能量采集容量＝f(年负荷总能耗，年能量储存损失，容量安全设计余量，气候稳定特征)

储存容量＝f(气象最大连续无补给用能，年负荷总能耗，储能效率，储能安全设计余量，气候变化特征)

供能能力＝f(瞬时负荷峰值,功率设计余量，气候峰值特征)

系统费效比＝f(系统全寿命周期成本(LCC)，系统效率，气候稳定性和可预见性)

其中：系统效率＝f(能量采集效率，储能效率，用能效率)，能量采集效率是指以单位地表能量利用率。

表3 可再生能源动力系统气候匹配的主要性能参数和原则方法

表4 有关气候匹配特征的名词解释和定义

七 结论

综上所述，人类对可再生能源利用的根本任务是更有效地利用地球自然生态系统没有充分利用的太阳辐射能和气候温差能，可再生能源动力系统是基于人类开发利用太阳能的光伏、光热和储能等技术方法，将低品位环境势能转换为人类所需的高品位能源的能量转换系统。涉及能源品种、品位和数量的转换，同时还需要通过储能技术把这些能量进行时空挪移。其高效运行、安全生产、全天候供给都需要动力系统设计和运行参数与当地气候匹配，目标是创造人与自然能量平衡可持续的能源生产和消费系统，建立更加清洁、舒适、便利、安全、生态文明的生活方式。人类活动不应该只消费和减少地球生态系统内能，完全可以而且必须通过人类的智慧和安排进一步增加地球生态系统太阳能利用率和负熵流，促进地球文明的持续和繁荣。