大规模非并网风力发电_让高耗能产业步入低碳时代
2011年第8
期
风是由太阳辐射热引起的一种自然现象。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气对流运动形成风。风力发电就是将风的动能
（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种绿色能源。中国陆地50米高风能可利用储量，约为23.8亿千瓦。2005-2009年，中国风电装机容量连续5年实现翻番。
2010年，新增风电装机容量1600万千瓦，风电装机总量已达4182.7万千瓦，跃居世界第一。预计2020年风电装机容量将超过1.5亿千瓦。中国可开发利用的风能储量远超过化石能源（煤炭、
石油、天然气）之和。一、风电多元化利用的新思路
世界是丰富多彩的，利用风能的方式也是多种多样的。“非并网风电”
就是风电多元化利用中一朵盛开的奇葩。所谓“非并网风电”，就是大规模、超大规模风电场所发风电，通过必要的技术创新与集成，用于能较好适应风电特性的高耗能产业，使大规模、超大规模电场风电不经过常规电网，就能够100%的高效、低成本、低故障率全部利用。非并网风电技术主要适用于大规模、超大规模风电场。
(a )并网风电系统结构示意图(b)非并网风电系统结构示意图图1并网与非并网风电系统的区别
“非并网风电”是我国在风能技术领域的原创性成果，有利于打破国外在风能领域的技术垄断，缓解我国能源发展的重大瓶颈，可形成风电海水淡化、风煤多能源系统、风电铝、风电不锈钢、风电氯碱、风电多晶硅、风电油田开采等多个新兴产业，并伴生出一批与其相配套的装备制造业集群，是一条具有中国特色的，风电100%高效、低成本、低故障率、规模化、多元化利用之路。
二、让大海（苦咸水）成为绿色淡水之源
我国人均水资源不足2400立方米，仅为世界平均水平的1/4，年均缺水400亿立方米。特别是人口稠密的沿海地区，大部分城市人均水资源量低于500立方米。2/3的城市缺水,其中400余座城市供水不足，110座城市严重缺水。联合国已将我国列入“水资源紧缺国家”。
作为水资源的开源增量技术，海水（苦咸水）淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径。但是，常规海水淡化需要消耗大量煤电等常规能源，不仅代价高昂，而且排放大量温室气体。因此，高能耗的海水（苦咸水）淡化渴望低碳绿色动力源。
非并网风电海水（苦咸水）淡化技术，是用风电给海水（苦咸水）淡化供能，这种风电淡化水可谓真正的“生态之水”
。非并网风电海水淡化系统首次采用先进的塔式水淡化结构和耦合控制技术，可以独立100％风电驱动，也可以与网电、风电缓存系统协同给海水淡化装置供电，成功实现了
风电海水淡化过程中流量、
压力自学习系统的智能化调控，解决了风电海水淡化的稳定运行问题。一套风机就是一个独立、
完整的风电海水（苦咸水）淡化工作单元。也可以根据海区地质、气象、洋流等条件，选择适当的分布形式，规模化
分布式运行。
大规模非并网风力发电
□/顾为东
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让高耗能产业步入低碳时代
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首次采用耦合控制技术，风电可以独立、也可以与网电、
风电缓存系统协同给海水淡化装置供电，成功研究了风电反渗透海水（苦咸水）淡化过程中流量、压力调控系统，解决了风电海水（苦咸水）淡化的稳定运行问题。评审组一致认为该项目具有系统自主知识产权，为国内、外首创。
三、神奇的风煤多能源系统
中国能源特点是
“富煤、少油、缺气”。我国是煤炭大国，发电装机的75%为火电机组，火电占总发电量的80%，全国80%以上的二氧化碳排放来自煤炭燃烧；作为一种高碳能源，煤炭在一次能源中的比例占70%以上。预计2050年，在一次能源中煤炭仍约占50%，这是改变不了的中国能源
“特色”。2009年，我国能源消费约30.7亿吨标准煤，排放74.1亿吨CO 2。如不转变能源利用方式，即使2020年单位GDP 降低CO 2排量40%-45%，排放总量仍将达到107.73亿-146.48亿吨，甚至更多。
发展低碳经济，但我们面对的是高碳能源。未来一段时间内煤的低碳清洁化利用就是低碳能源的核心问题。如果不在煤的清洁利用上做文章，节能减排只能是空谈，低碳也只是一句口号。
图2新能源与传统能源的“嫁接”
自然界蕴含着很多奇妙规律，带给人类无限的思考和启迪。农业生产中，把生命力强，根深叶茂，但其果实产量低、品质差的常规传统品种，与果实产量大、品质好，但生长势较弱的新品种进行“嫁接”，就可以孕育出新品种，使氮、磷、钾等营养物的利用率明显提高，果实产量翻好几倍，果实品质更加味美的优良品种。农业生产方式启迪了新能源的发展，将主力能源煤炭和低碳环保的新能源进行“嫁接”，可以结出丰硕的果实———非并网风煤多能源系统。
非并网风煤多能源系统为煤炭清洁化利用提供了
一种全新的途径，它是将新能源风能与传统煤能源进行“嫁接”，形成新的能源系统。新系统科技含量高，能大幅度提高传统煤能源的综合效率，实现煤炭资源的清洁、高效、低污染利用，达到经济效益、社会效益和环境效益的统一。
非并网风煤多能源系统包括风煤/天然气系统、风煤/甲醇系统、风煤/乙二醇系统等多个以风能促进煤炭清洁化利用的全新技术体系。传统煤化工中制氢过程会损失大量碳源，降低煤炭利用率，加大二氧化碳排放量，而且制氢量并不能满足后续工艺要求，不是真正意义上的煤炭清洁利用。风煤多能源系统采用风电电解水，为煤化工提供氧源和氢源，从而大大降低煤炭消耗和碳排放量。这种风能与煤能源
“嫁接”的全新模式不仅省去了空分及变换等装置的投资与维护，更重要的是减少了因制氢造成的碳源损失，大幅度减排二氧化碳，并保证了后续工艺所需氢气的足量供应。大自然在造物之初就设计了风能和水为煤的清洁利用提供充足且比例适中的氧源和氢源，风煤多能源系统正是发现并应用了这一奇妙的规律，不仅把各类资源用绿色生产链有机联系起来，同时也真正实现了环境友好型资源利用与开发。
传统煤制气空分及
变换等装置约占设备总投资的43%，风煤/天然气系统省去了这部分投入，同时增加了风机、
电解水制氢氧的设备及除尘等装置及相应投资，但能大幅度节能减排和提高传统煤化工效率。见下图，CO 2近零排放，节煤50%-60%。
实际上，风煤多能源系统为我们提供了一种以煤基甲醇或乙二醇来生产烯烃、丙烯和聚酯纤维等产品的全新方
式，是我国石油替代战略的一个重要技术途径。
2011年4月，中国可再生能源学会与江苏省发展改革委在宁共同举办国家“973”计划风/煤天然气项目签约仪式。
江苏省委朱善璐副书记，国务院参事、中国可再生能源学会石定环理事长，国家“973”计划风能项目专家组组长倪维斗院士出席，江苏省发展改革委毛伟明主任主持签约仪式，省能源局、
省科技厅负责人参加签约仪式。四、让传统能源的开采低碳化
油田企业是耗电大户，在开采能源的同时油田企业也在大量消耗着能源，排放着二氧化碳。油田的抽油机用电量
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占油田总耗电量的40%，占到原油开采成本的35%左右。我国大多数油田具有较丰富的风能资源，风电采油是节能减排的有效途径之一。风电采油技术是以风网协同的形式给抽油机供电，风电优先100%全部利用，不足部分网电自动补充，保证油田抽油机连续稳定运转，同时提高了抽油机的功率因数，减小了抽油机对末梢电网的冲击，使电网运行更加安全稳定。
目前中石油等国内石油公司抽油机总保有量为30万台以上，只要其中的10%采用风电抽油，则每年可节约网电6.5亿度，相当于节煤22万吨，减排二氧化碳65万吨。
除非并网风电/网电互补智能供电系统外，非并网风电多能源互补智能供电系统还包括非并网风电/柴油发电智能互补、
风电/气（天然气、沼气）发电智能互补、风电/光伏发电智能互补等多种类型能源互补的供电系统。非并网风电多能源互补智能供电系统可根据风况、地理、资源等特点，因地制宜，实现多种能源的综合利用，解决偏远地区，特别是无电网地区的供电问题。
五、绿色低碳的风电铝
电解铝是我国工业第一用电大户。2009年，我国电解铝行业实际产量为1300万吨，吨铝平均耗电14177度，消耗6627万吨标准煤，消耗全国5.3%的电力，是典型的高耗能产业。目前，这些电力几乎全部由电网的煤电提供，每年排放约1.5亿吨二氧化碳。将大规模风电直接用于电解铝生产，形成风电/电解铝系统，不仅会推动我国电解铝行业快速与可持续发展，也将促进我国大规模、超大规模风电产业的健康与快速发展，加速我国从风资源大国向风电大国、绿色能源强国转变。
非并网风电/电解铝系统，采用先进的智能供电控制技术和新型电解槽热平衡技术，实现风电不上电网，100%优先用完风电，不足电量通过智能控制系统，由网电进行补充，协同供电，保证对电解槽的连续供电。同时，在风小或无风时，新型电解槽热平衡技术能有效防止电解槽骤冷骤热，保持电解槽处于低能耗状态，从而杜绝了因电流波动导致铝电解液的温度波动。新型铝电解槽采用特殊动态热平衡工艺设计，可以适应大规模风电的波动特性，吸纳风电峰值超负荷50%以上运行。
风电/电解铝系统具有夜间抽水蓄能电站的部分功能，在风电100%利用的前提下，新型铝电解槽可以超负荷50%以上使用电网谷电，这比常规抽水蓄能电站节电25%以上；每吨风电铝减排二氧化碳12吨，如我国60%电解铝采用此法生产，每年节约标煤3400万吨，减排二氧化碳9000万吨。
图3图左为2000A 的新型非并网风/铝验证平台，右为模拟江苏东台和新疆达板城风况炼出的第一块铝
非并网风电/电解铝系统突破了我国高耗能产业布局禁区，可以快速推动我国高耗能产业结构与空间布局调整，为我国经济结构转型提供了产业支撑，并可形成千亿（元）级新兴战略性风电铝装备制造产业。
风电铝的重要应用之一是铝基金属燃料电池。全球继氢燃料电池后正在掀起金属燃料电池的研究热潮。作为新型电动汽车的动力源，铝燃料电池可以采取机械式“充电”,只要几分钟就可以方便地更换新的铝电极，使电池“充足电”。这是任何其他二次电池所做不到的。加入一次铝燃料能行驶1600公里的铝燃料电池电动车已在美国问世。大规模非并网风电/电解铝－铝燃料电池产业链的形成，将把电动汽车行业带入一个全新的低碳经济时代。“风/铝/电动汽车”新型低碳循环经济发展模式，将实现真正意义上零排放电动汽车。
图4风/电/铝/车循环模式
六、结束语
科技的新突破会推动产业革命，催生新兴产业，形成新的经济增长点，成为世界经济发展的主导力量。
非并网风力发电与高耗能产业的完美结合，将使我国在全球率先实现高耗能产业步入低碳时代，并为我国创造出2-4个千亿元级新兴战略性绿色产业，为发展绿色能源和低碳经济做出贡献，功在国家、利在企业、惠泽子孙！
（作者系中国能源学会副会长、
江苏省宏观经济研究院院长、国家“973”计划非并网风电项目首席科学家）
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