五千年(敝帚自珍)

主题:【翻译】可再生能源--消除温室效应 1序 -- hwd99

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家园 6 太阳能

6 太阳能

我们在估计我们的能量消耗和可能的可再生能源。前面三章,我们发现开车和飞行消耗的能量大于英国陆上风能资源。太阳能能否弥补?

晴天无云情况下,地面中午太阳垂直照射能量约为每平方米1000瓦。为了估算英国陆上太阳能,我们必须做些修正。我们必须考虑地平面倾斜,太阳非垂直入射,使太阳能减少40%。我们还要考虑处于中午时分的太阳时间很短。无云情况下,从3月到9月,平均太阳能强度与中午太阳能强度比约是32%。最后,由于云雾覆盖降低了太阳能。典型英国光照时间仅是白天34%。

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图6.1 春分或秋分中午时,太阳照射到纬度为52度剑桥能量约是赤道60%。

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图6。2英国伦敦和爱丁堡平均太阳能强度与月份关系。年平均强度为100瓦/平方米

上面三个效应加上季节变化和昼夜变化,使英国倾斜的向南屋顶平均太阳能强度是110W/m2,水平地面太阳能强度是100W/m2。

太阳能可以用于四个方面:

1、转换为热能:使用太阳能加热水和建筑物;

2、转换为电能:产生电能的光伏技术;

3、生物质:使用树木、微生物、藻、玉米,大豆,或油麻生产燃料,化学品或建筑材料。它们的能量来自太阳能

4、食物:与生物质相同。

后面章节将介绍适合应用在沙漠中太阳能发电技术。

让我们快速估计这四种转换途径所能得到的最大能量。我们将忽略生产成本,设备制造和维护成本。

太阳热能

最简单的太阳能技术是使用平板制造热水。假设我们将所有面南屋顶覆盖太阳能集热板,平均每人约10m2,假设效率是50%,就是说50%太阳能转换为热水。 我们得到热水能量

50%×10平方米×110瓦/平方米=550瓦

因此,每人每天可以得到0.55千瓦×24小时=13千瓦时;

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图6.3 屋顶太阳能集热板3平方米产生热水试验,Viridian 太阳能,平均每天获得3.8千瓦时能量。试验模拟欧洲通常家庭每天耗用60度热水100升,使用和产生的能源之间差距是1.5-2千瓦时/天是各种散热产生。

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我将这个结果加入到热能生产和消费表中,如图6.4,使用白色代表热水能量,其品质最低,价值比电能差,热能不能通过电网输出。如果您不使用它,它只能被浪费。我们要记住,这种热能常常不在正确的位置。在城市,人口密集,每个居民拥有的屋顶面积低于平均,此外,太阳能热水在一年里很不均匀,随季节发生变化。

光伏发电

光伏电池板能将太阳光转换为电。典型的太阳能电池板效率是10%。非常贵的效率达到20%。物理基本原理限制了使用完美聚光器光伏电池效率是60%,没有聚光的是45%。在南面屋顶使用效率20%光伏电池可以获得

20%×110W/m2=22W/m2

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图6.5 太阳能光伏发电试验:2006年Cambridgeshire25平方米电池板发电数据,峰值功率是4kW,按照年平均每天发电12kWh,相当于每平方米20W

图6.5试验数据支持这个结果。下面我们假设每人拥有10平方米效率20%太阳能光伏电池板,安装在南面屋顶。它们将每天产生 5千瓦时。

由于每人使用面南屋顶10平方米,我们就没有空间同时放置光伏电池和太阳能集热板。我们不得不选择是使用光伏还是光热获得能量。这里我们先不管这个问题。顺便提及,目前安装光伏电池得费用是集热板4倍,而获得能量仅是一半,但是获得的是品质高电能。这里我建议首先选择安装太阳能集热板。聪明的方法也许是通过简单安装同时得到电和热水系统。Heliodynamics首先提出了这个方法,使用平面镜阵列,将光学聚焦到小面积砷化镓太阳能电池上,同时使用水冷却,从而同时获得热水和电。

结论是,将您的屋顶覆盖太阳能电池能够提供部分您消耗的电能。但是,这两者之间还有巨大差距。我们需要继续寻找办法。图6.6显示两个太阳能战士的方法。

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图6.6 两个太阳能战士使用120个电池板,每个2.2平方米,300W,总面积268平方米,输出峰值功率是30.5kW,平均输出功率是5kW,在美国加州Santa Cruz附近,由Kenneth Adelman友情提供。

太阳能工厂

如果太阳能技术有突破性进展,同时成本大幅度下降,我们在整个国家安装光伏电池板,我们能获得多少能量?假设使用10%效率电池,使用5%英国土地,则每个人每天获得:

10%×100W/m2×5%×4000m2/人×24小时/天≈50kWh/天/人

这里假设10%效率,因为必须大规模制造低成本电池板。太阳能电池板发电密度是10%×100W/m2=10W/m2,这个密度是Bavaria 太阳能公园两倍(图6。7)。

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图6.7 德国巴伐利亚Muhlhausen太阳能公园安装6.3MW电池板,平均单位土地太阳能功率是5W/m2,照片由Sunpower提供。

是否让风力发电设备与太阳能电池板同时存在?是的,没有问题,风力涡轮会有一点阴影。地面太阳能电池板对风力涡轮影响可以忽略。这个方案非常大胆,让这个系统为每个英国人每天提供50kWh,需要电池板是全世界现有量100倍。我是否应当将其加入到能源消耗和供应表中?有两种主意。本书开头,我说要使用物理原理探索可再生能源极限,不考虑成本。基于这些,我应当考虑将乡村工业化,将所有太阳能发电厂加入到表中。同时,我想帮助人们认清从现在开始到2050年,我们需要做什么。今天,太阳能电池板生产的电成本是市场价格的4倍。我感到一点不负责任。在英国5%国土上安装太阳能电池板受很多因素限制,显得不太可能。如果我们认真考虑这件事,我们应当将电池板放在太阳能丰富地区,通过线路输送,有些国家和地区太阳能密度是英国两倍以上。我们在第25章讨论。

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图6.8 英国人均土地用途

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图6.9 光伏电池对能源的贡献,假设10平米电池板,效率20%,每天产生5kWh电

神话

制造太阳能电池板消耗能量大于其生产的。

错误,在中欧,安装在屋顶联网的太阳能电池板,在20年生命周期内,能量产率(什么周期内产生的能量与生产电池系统消耗能量之比)是4,在太阳能丰富的澳大利亚,产率大于7,从能源角度来看,产率大于1都是好事。寿命20年的风力涡轮的能量产率是80。

通过改进技术,光伏电池效率是否会提高?

我认为光伏电池价格会下降;我也相信光伏电池生产能耗会逐步下降。但是,本章不关心生产成本和制造能耗。本章关心的是我们能获得多少太阳能。20%效率电池板已经接近理论上限。本章估计结果不需要做较大修改,因为未来不会在效率上有所突破。

生物质能

突然,我们能源产业要依靠农场生长的草。将其收割,转换为能量,这是即将发生的事情。

乔治 布什,2006年2月

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图6.10 Emily博士种植的芒草 英国种植芒草的能力密度可达到0.75W/平米 伊利诺伊大学提供图片

生物质能解决方案包括绿色植物生长,然后将其转化。我们能从植物中获得多少能量?有四种转换方法获得来源于太阳的植物能量。

1、 我们养殖某种植物,然后在火电厂燃烧发电或/和产生热。我们称之为煤取代。

2、 养殖特定植物,如油菜,甘蔗,玉米,将其转化为究竟,生物油等,可以用于驱动汽车,火车,飞机或生产化学品。或培养细菌,蓝藻或其他藻类,直接生产氢气、酒精、丁醇甚至电。我们称这种方法叫“替代石油”。

3、 我们使用其他农业副产品,燃烧发电。如作物秸秆等。这也是取代煤。焚烧农业副产物不占用土地生产生物质,但是产生的能量少于专门农场。燃烧来自填埋厂产生的甲烷也能获得能源,但是不能持久。填埋厂甲烷来自废弃的食物,每个英国人每天扔掉300克食物。焚烧家庭垃圾有时一种从生物质中获得太阳能。

4、 将植物作食物,供应人类或牲畜。

在这些方法中,首先是将太阳能储存到植物分子中,如糖。我们来估算这个阶段能获得多少能量。所有其他步骤,包括拖拉机收割、动物吸收、化学转化,填埋厂转化或发电都损失能量。因此,第一步限制了这个方案的上限。

我们先简单估算这个阶段获得能量,前面各章我们会估算每个过程最大贡献。英国太阳能平均能量是100W/m2。欧洲最有效率的植物将太阳能转化为糖的效率是2%,因此,我们得到2W/m2生物质能。这是特定季节最佳结果,按照一年平均,这个效率还会大幅度下降,在欧洲,能源植物最好结果是0.5W/m2。让我们让英国土地75%覆盖绿色植物。每个人可以获得3000m2上生物质能。这等于英国农业用地。每个人能够获得的生物质最大能量为:

0.5W/m2×3000m2/person×24hour/day=36kWh/d/person

喔,那并不多,考虑到我们刚刚所作的不可能发生的假设,以获得一个较大数字。 如果您想利用植物为汽车或飞机生产燃料,还有增加从农产到火花塞之间很多没有效率的步骤。我认为应通过优化,让整个过程带来的损失小于33%。即使焚烧植物生产热能也会损失20%能量。因此,实际从生物质中获得能量或生物燃料不会超过24kWh/d/person。不要忘记,我们还要使用植物为人类和动物生产食品。

我们是否能根据将太阳能高效转化为化学能。我们可以想象,但是,到目前为止,在欧洲,预测净能量产率不超过1W/m2。

我在表中加入24kWh/人/天到生产栏中,我强调这个数字高估了,由于农场和加工处理过程中会消耗很多能量,实际最大值比这个小得多。

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图6.11 不同植物生产的能源,单位面积上的生产的能量。严重依赖灌溉条件,施肥情况等,木材产能是0.095-0.254W/平米,底部三个是生长在热带

本章结论:生物燃料在英格兰这样国家不能取代汽车燃料。即使不考虑它们同食物生产竞争土地,由于生产或转化过程中能耗,它们所能提供的净能量很少。我认为讨论它们没有多少价值。

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图6.12 太阳能生物质能量贡献

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图6.13 英国剑桥太阳能情况 纵坐标是晴天时数与白天时数之比

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图6.14 生物质能的净能量

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图6.16 各国太阳能资源情况

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图6.17 Shockley 和Queisser解释光伏电池理论效率31%

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图6.18 市场销售太阳能光伏电池效率情况

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图6.19 Heliodynamics 聚光太阳能发电技术

使用反射聚光镜加热液体介质,得到中温热能80W/平米,用于发电,得到电能12W/平米,成本低廉。

关键词(Tags): #太阳能(当生)#光伏电池(当生)#集热板(当生)#生物质能(当生)

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