新能源双运河储能发电系统，破解风电太阳能上网瓶颈

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　　2021年，我国正式提出，力争在2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。
　　碳达峰，是指CO2排放总量达到峰值之后，不再继续增长；碳中和，是指通过自然吸收和技术革命等手段，使CO2排放和消除得到相对平衡，实现相对的零排放。
　　碳中和，是国际社会的共识，是我国实现能源革命和产业升级的关键之举，也是体现人类命运共同体理念的重要措施。要实现碳达峰和碳中和，能源技术的革新和能源产业的升级是关键因素。
　　我们中国制定的大目标是在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，也就是实现二氧化碳的零排放。那怎么实现这个零排放？目前看来，最有效的办法，就是用清洁能源去替代化石能源。所谓清洁能源，就是风能、太阳能、水电、核电、生物质能等。其中风能和太阳能最有可能成为未来替换火电的主力发电能源。但是，不论是风电还是光伏，都存在一个难以克服的技术瓶颈，就是发电和用电不匹配的问题。新能源发电出力与用电高峰存在错位，并且不稳定。从用电规律来看，早晨9点和晚上8点分别是两个高峰。但是风电在凌晨出力较大、光伏发电站在中午出力较大，其出力时段分布与用电负荷存在较大差异。其次，季节、天气也会造成新能源发电出力的波动和不稳定性。所以无法实现直接大规模并网。为什么风电和光伏不可靠，其根本原因就是没有强大的储能设施做配套。现有的风电和光伏搭配的储能设备都是只能延时几个小时的短时储能，最多的也就是太阳能光热发电站，有十几个小时的储能时长，这么短的储能时长不能起到替换火力发电的作用。这使得风电和太阳能现阶段只能作为补充能源使用，无法替代火力发电，支撑社会民生和工农业生产最终还得依赖燃煤火力发电。在储能技术瓶颈没实现革命性突破的状态下，风能和太阳能还不具备替代煤电的基础。
　　在我国西北部的荒原地区有丰富的太阳能和风能资源，这可以说是西北部地区在新能源方面最明显的优势。西北部地区要想大规模发展风电和太阳能，首先要解决的最大问题就是大规模长时储能。储能问题解决了，其他问题就都可以迎刃而解了。
　　如果把西北部地区丰富的太阳能和风能资源，搭配某一种大规模的长时储能系统，再转换成稳定的电力能源，运用特高压技术输送到中东部地区使用，满足中东部地区对电能的迫切需求，这将对我国的碳达峰，碳中和战略目标的实现有着非常重大的意义。
　　目前储能技术路径主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能和其他储能。其中机械储能中的抽水蓄能由于技术最为成熟，目前是储能市场上应用最广、最经济、最可靠的大规模储能设施。但是抽水蓄能对于地理条件的依赖度较高。按照现有的地理条件和技术条件来说，在西北部地区平坦的荒原上是不能建造抽水蓄能电站的。按照通常的说法，抽水蓄能电站必须建在有一定落差的山区地带。平原地带没有落差，建不了抽水蓄能电站。但是，如果我们转换一下思路，把抽水，蓄能和电站这3个要素分解开来，在平原地带建造抽水蓄能电站就不是什么难以解决的问题了。怎样在平原地带形成水位高度差？理想的方法就是平行开凿两条有一定高度差的运河。位置高的运河称为高位运河，相当于抽水蓄能电站的上水库。位置低的运河称为低位运河，相当于抽水蓄能电站的下水库。两条运河紧挨在一起且平行。这样一来，抽水蓄能电站的上下水库都有了。这种专用于储能的人造运河，我把它命名为新能源双运河储能发电系统。（见图1）
　　图1
　　要开凿这两条运河并不难，首先用机械设备挖掘出一条宽度和深度适当的大沟，作为低位运河，用挖出来的渣土在低位运河旁边一侧填出两条与低位运河平行的水坝。高位运河与低位运河紧挨在一起并形成一定高度落差。两条运河根据需要和地形情况可以建造成几十或上千公里的不同长度和不同宽度的结构形式。这种储能双运河可以根据当地的地形地貌情况灵活修建。如果在大片的平整戈壁荒原上建造，可以采用间隔几公里来回拐S弯的方法，尽可能多的把当地的风能和太阳能转换成水的势能；如果在地势狭窄的地段，可以不拐S弯，直接修通过去。
　　如果按照传统施工方式修建这样一条双运河储能系统，土石方的开挖量将是非常巨大的。需要使用大量施工机械，消耗巨量的柴油等燃料。但是在这种类型运河开挖施工中，如果使用零碳施工模式，就可以不用柴油做作为施工机械的燃料，节省一大笔燃料开销。什么是零碳施工模式？就是利用施工现场丰富的风能和太阳能，直接转换成电力给使用电池的施工机械进行充电，把当地的风能和太阳能转换成施工机械的能源，实现绿色无污染施工。具体实施方案如下：
　　1，先借助于施工机械上安装的柴油増程器，使用柴油做动力快速建好一个小规模的一期工程，达到能正常发电的运行状态。
　　2，向施工机械生产厂家订制使用锂电池供电的施工机械（带有柴油发电机増程器）。锂电池组做成换电式。一台套施工机械配2块大容量锂电池组，一块电池组使用时，另一块电池组就用一期工程发出的电能来充电，不断循环使用，就实现了零碳施工模式。在施工过程中电池电量不够用时，可以启动増程器临时替换，不耽误施工。
　　在这种新能源双运河储能发电系统中，风能和太阳能转换成水的势能过程主要用以下三种方式来实现：
　　一、在低位运河与高位运河之间的水坝上顺着运河走向安装大量依靠风力抽水的设备，在水坝内部设有引水涵洞，风力机直接驱动或用电力传动驱动涵洞里的水泵，把低位运河里的水抽到高位运河中实现风力抽水蓄能。在风力资源比较好的地区也可以在双运河两岸大量安装电力传动的风力发电机给位于双运河之间的水泵供电抽水。
　　二、在运河两侧岸边安装太阳能集热塔，并安装大量的光热追日镜，光热追日镜反射太阳光照射在集热塔上，给集热塔内部的水加热产生水蒸汽，水蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机转动带动水泵抽水把低位运河里的水抽到高位运河中实现抽水蓄能。同时，产生的余热还可以给附近的城镇提供热力资源。
　　三、在运河两岸布置大量太阳能光伏发电板，光伏发电板输出的电力经过串并联组合汇流后取得合适的电压连接到直流母线上。该直流母线的另一端连接变频调速器，变频调速器输出端驱动位于水坝内部的电动水泵抽水，把低位运河里的水抽到高位运河中实现抽水蓄能。
　　最后，在高位运河与低位运河之间的水坝里面适当的位置，设置水轮发电机，将高位运河中水的势能转换成稳定的电力输出（相当于整个系统里最终输出稳定电力的发电站）。
　　这项技术方案与现有已建成的新能源发电技术设备比较，有以下几个突出的优点：
　　一、把风能和太阳能发电这种具有反向调峰性质的发电形式，通过抽水蓄能的转换变成了具有正向调峰性质的发电形式，发电的稳定性不亚于水力发电，拥有了水力发电的各种输出特性，供电可靠性在所有发电形式里是最高的。
　　二、如果储能运河的规模建的足够大，可以实现跨月甚至跨季度的长延时储能，这对于提高新能源发电的可靠性和年利用小时数具有极为重要的意义。
　　三、用风力机直接驱动提水设备，大大减少了昂贵复杂又娇贵的电子转换设备，提高了转换效率，降低了建造成本。
　　四，使用太阳能光伏发电板，发出的电力经过串并联和汇流后生成400V左右直流电压，直接连接变频调速器，驱动位于水坝内部的水泵抽水，省去了昂贵的光伏逆变器。或者干脆用400V直流电直接连接大型直流电动机带动水泵抽水，连变频调速器都可以不用，能节省大量成本。
　　五、在用太阳能光热效应转换成水的势能的过程中，省去了熔融盐储热转换的步骤，降低了材料设备和施工成本。
　　六、在北方冬季需要供暖的地区建造这种发电系统可以直接利用太阳能光热装置产生的余热给附近的城镇提供取暖用热源，省去高污染的煤炭供暖。
　　七，在这项新技术系统中只使用很少量的电子元器件，因此整个系统的可靠性比现有的新能源发电系统高得多。如果国家处于战争状态，遇到敌国电磁脉冲弹的袭击，或者遇到超强太阳风暴产生的电磁干扰。这种新能源双运河储能发电系统在电磁脉冲袭击下产生的损失会远远小于现有各种新能源发电设备产生的损失。因为现有的各种新能源发电设备都使用了数量庞大的电子元器件。来自敌对国家电磁脉冲炸弹袭击的可能性很小，但是超强太阳风暴产生的电磁脉冲干扰可能性就比较大了。因此说发展这种新能源发电系统的战略意义还是极为重大的。
　　以上这项技术方案可以说是实现可再生能源发电替换化石能源发电的非常简单可行的一种方案，在技术上主要是借助于风力发电、太阳能发电、水利工程和水利发电方面的现有技术，没有什么太大难度，只要投入足够的资金、人力、物力就能够实现。同时又能提供大量的就业岗位，快速拉动经济，带动GDP不断增长，助力中国尽早实现碳中和这个伟大目标！
　　下面，我们就来构思一个可以在中国西北部地区修建的新能源双运河储能发电系统建造方案，推测一下这个方案可能形成的总装机容量，总输出功率，总储能发电量等数据，探讨实施该方案在技术上的可行性。
　　这个方案里面的双运河分为东段和西段两段。
　　这条双运河西段（见图2），以宁夏自治区中卫市西侧附近的黄河岸边作为起始点，取黄河水作为水源，行进途中路过甘肃省民勤县，然后向西北部延伸到巴丹吉林沙漠戈壁腹地，在戈壁荒原上来回拐S弯行进，最后，到达内蒙古自治区石板井附近作为双运河西段的终点。
　　图2
　　这条双运河的西段建成后，如果有必要，该双运河还可以将石板井做为起点，继续向西北部延伸，一直延伸到新疆自治区哈密市西北部地区，在当地被称为百里风区的地方，那里有更为强劲的风力资源来为双运河蓄能提供充足的能量来源。该双运河西段的总长度大约在6000公里左右。
　　这条双运河的东段（见图3）也是以宁夏中卫市西侧附近黄河岸边作为起始点，向北行进到内蒙古自治区赛日附近拐向东北方向，在内蒙古平坦的草原和沙漠荒原地带一直向东北方向延伸，最后到达黑龙江省西部边界，与松花江水系连通，在松花江水量充沛时可以从松花江向双运河东段调水。这样一来，双运河东段就有了东西2个取水点。这条双运河东段的总长度大约在4000公里左右。
　　图3
　　现在我们设定这条双运河的平均宽度是1500米，高位运河与低位运河各占750米宽，高位运河水体平均宽度是500米，平均高度是20米，平均落差（水头高度）是20米。
　　当高位运河蓄满水时，有水部分的河道平均截面积为：5002010000（平方米）
　　1000米长高位运河蓄满水时，水的总质量是：
　　10000100010001010（千克）
　　这就是说1公里长高位运河里水的总质量是100亿千克。
　　1公里长高位运河蓄满水时总势能为：
　　W10109。820
　　1。961012（焦耳）
　　水的势能转换成电能的效率按照80来算，那么能够转换成电能的实际势能是：
　　1。96101280
　　1。571012（焦耳）
　　已知1度电3。6106（焦耳）
　　1公里长高位运河蓄满水时能发出的电量为：
　　（1。571012）（3。6106）
　　440000（千瓦时）
　　双运河西段总长是6000公里，那么总发电量就是：
　　6000440000
　　26。4（亿千瓦时）
　　双运河东段总长是4000公里，那么，总发电量是：
　　4000440000
　　17。6（亿千瓦时）
　　这条双运河总的储能发电量为：
　　26。417。644（亿千瓦时）
　　按照现在抽水蓄能电站平均蓄能时长15小时来计算，这条双运河总装机容量可达到：44153（亿千瓦）
　　如果按照现在这几年发电的年平均利用小时数4100小时计算，这条双运河储能发电的年发电量为：4100312300（亿千瓦时）
　　已知1千克煤产生的热量能够发3度电，那么这条储能双运河一年发电量可以替代的煤炭数量为：
　　1230034100（亿千克）
　　4。1（亿吨煤）
　　已知1吨煤燃烧产生2。6吨二氧化碳。这条双运河储能发电系统发电一年的碳减排量为：
　　4。12。610。66（亿吨二氧化碳）
　　按照中国一年电煤消耗量24亿吨来计算，可以节省六分之一的电煤消耗量。
　　在这项新能源储能发电系统中，两条并行的高位运河与低位运河除了用作风能和太阳能的储能设施外，作为两条人造河流，还可以拥有以下几个功能：
　　一、调水功能：
　　这样一条双运河流经地域的任何两点之间可以相互调水，既可以从东往西调水，也可以从西往东调水。当这条双运河途径的A地点出现干旱，而B地点水量充沛。那就可以立即从B地点往A地点调水。如果从地势低的地方往地势高的地方调水，需要电力能源，可以使用半夜供电低谷时的富裕电力来进行抽水调水。如果要大力开发西北部干旱地区的经济，可以用这种方式将东部丰富的水资源利用风能和太阳能的能量调到干旱的西北部地区，支持西部大开发。同时，在调水过程中不会影响正常的蓄能发电。这相当于天然增加了一条超大型调水渠道。
　　二、双运河水产养殖功能：
　　可以在运河岸边进行网箱养鱼等农业生产活动。相当于天然增加了很多水产养殖面积。
　　三、双运河两岸农业开发：
　　在运河两岸岸边，需要安装大量的光热定日镜或者光伏发电板用于抽水蓄能。位于定日镜或者光伏发电板下面的土地，就可以用于农业生产。利用定日镜和光伏发电板下面现成的，分布均匀的支架，搭建横梁，安装上玻璃或塑料布，就直接形成了温室大棚。再利用廉价的绿色电力和水源用于现代化农业生产。廉价水廉价电（用于温室大棚内保暖制冷和LED灯给农作物补光）大棚温室实现一年四季不间断农业生产产出廉价农产品。
　　四、双运河两岸工业开发：
　　1、利用绿色廉价电力通过电解水制造氢气，用氢气二氧化碳制造绿色甲醇。氢气和甲醇可以作为交通工具燃料和化工原料，还可以用氢气生产合成氨，制造化肥等产品。合成氨还可以作为氢能源的高密度载体。
　　2、建造使用氢气炼钢的钢铁厂，从而大幅度减少用煤炭炼钢产生的二氧化碳，实现大规模碳减排。
　　3、建造使用氢气为原料的各种工业品制造企业，大幅减少灰氢的使用，实现碳减排。
　　4、建造大型的电解铜，电解铝，电解锌等各种使用电解方法生产工业产品的工厂，利用廉价绿色电力，生产出零碳排放的工业产品。
　　综上所述，这种新能源双运河储能发电系统可以看成是一座宽度在10公里左右，长度达到几千公里以上（根据地形地貌情况随意设置），且附带了大规模调水功能高耗能工业现代农业等功能的超级特大号新能源抽水蓄能发电站！