风能提水可促“东水西调”
利用风能直接提水,将渤海湾取之不尽的海水提升1300米,就有望使我国绝大部分沙漠变成绿洲。
文|黄典贵 徐建中
(黄典贵为上海大学上海市应用数学和力学研究所教授,徐建中为中国科学院院士、热物理研究员)
缺水与干旱导致了全球大量土地的沙漠化。我国是世界上沙漠化危害最严重的国家之一。全国荒漠化土地面积263万平方公里,占国土总面积的27.3%。沙漠化遍及西北、华北、东北西部的13个省区,近4亿人口受其影响,据测算,我国每年因荒漠化而造成的直接经济损失高达540亿元。
近年来,很多专家提出了“海水西调”的大胆设想。国务院研究室还将《关于研究实施“海水西送工程”的建议》提交到有关部门,报告称:通过实施渤海海水资源西送工程,可望解决我国北方生态环境恶化、生产生活缺水和能源开发用水不足等三大难题。
报告估计,从渤海湾以每年调水300亿立方米计,水位提升1300米,每年将耗电1400亿度,需发电装机容量2000万千瓦,建议利用电网夜间供电、风力发电及新建煤电厂解决。预计全部工程约需投资6000亿-7000亿元,约9年可收回包括利、税在内的全部投资。最终的结论为——实施“海水西送”既是一项规模宏大的具有生态效益、社会效益的环保工程,又是极具经济效益的高赢利工程项目。
但如采用燃煤电站发电提水,东水西输需要2000万千瓦装机容量,占我国电力总装机容量的2.5%;按每度电煤耗320克标煤计算,每年耗电约1400亿度约合标煤4480万吨,占2007年全国煤炭产量的1.8%,该工程每年增加CO2排放约1亿吨,还会大量增加SO2及NOX等有害气体的排放,增大了相关地区的环境保护压力。因此,在煤炭资源越来越稀缺、环保压力越来越大的今天,全部或部分采用这种方式为东水西输提供能源不是最理想的选择。
我国华[0.16 0.00%]北及西北地区,风能与太阳能极为丰富,因此在海水西输过程中,可以采用风能提水,即采用风车直接提水,风车的机械能不需要转化为电能,之后利用太阳能进行海水淡化。
沿线风资源丰富
对于这样一个东水西送工程,建议从葫芦岛至锡林郭勒之间,修建一条宽阔的阶梯主河道(管道)及若干支流河道(管道),采用闸坝,将水位分级,利用风力提水,使水从东到西,分级递送。
从葫芦岛市附近取水,经朝阳市、过赤峰市、再过克什克腾旗,达到锡林郭勒盟。水到达锡林郭勒后,大多可以通过自流管道,由东向西输送到各大沙漠的盐湖,形成一连串的“人造海”。从葫芦岛到锡林郭勒,总长615公里,海水分级提升,共提升1300米。
锡林郭勒盟风资源丰富,品质好,年有效风速持续时间长。全盟年平均风速为8.9m/s,平均风功率密度为663W/m2。据测算,全盟的风能总蕴藏量达5亿千瓦以上,其中可开发利用量超过5000万千瓦。
克什克腾旗地处山区与高原接壤地带,地势西北高东南低,地形平坦,植被稀疏,风阻较小,风向比较稳定。风能资源丰富,风况佳,是理想的风场。截止目前,克旗规划的5个风场已建成4个,全旗风资源可装机300万千瓦以上,是全国6个百万千瓦大型风电场之一。
赤峰市是内蒙古的风能资源富集区,全市风能资源达1万平方公里,易开发的风能资源在1800万千瓦以上。赤峰市有42.3%的丘陵地,建设风电场有着得天独厚的条件。因为大部分丘陵高地隆起都在50—100米左右,而大多丘陵山坡均在30度左右。这种地形条件由低到高,形成了较好的下垫面,可以使气流加速,对建设风电场极为有利。相关测风数据表明,该地区年平均风速每秒可达6.6米,年有效风速时数近7000小时,是内蒙古自治区的重要风场。
具有可行性
东水西输水位总提升1300米,假设平均每级提高13米,需要分100级。平均每个提升站的直线距离6.1公里。按年调水360亿立方计,每天需要调水1亿立方。
依据当地风资源的分布特点,在每级提升站周围一定区域,合理布局风机群及相应的主、支流河道(管道)。对每级提升站,每天需要将1亿方水提升13米,约需要的有效功率为15万千瓦。因此,每个提升站建设一个50万千瓦的风车群,就完全可以满足风能提水的要求。
由于风具有一定的间隙性,因此,必须要有一定的河道容量来进行能量储存。假定每段提升站的河道(管道)容量为1亿立方,则即使该站区风车群1天内完全不工作,输水过程仍能继续进行。
假定库区内的平均水深为30米,每段的平均长度为6公里,则河道的平均宽度为555米。当然,输水河道的建设一定要因地制宜,平原地带,尽量改建已有的河床;丘陵地带,尽量使河道建在低谷。锡林郭勒的水库容量保持起码应该在3亿立方以上。
如果出现某一时段,某一局部站区数天或数十天风很小,河道可能断流。河道一旦断流,上游的风车因没有负载导致风车加速,可能引起事故,因此,设置适当调控措施很有必要。一旦某区域风力过小,风车一段时间内停止运行,只要锡林郭勒的水库保持在1亿立方以上,则整条水道不会断流,有风区域的风车也能正常运行。并且沿线的河道容量可以大大降低,还可以在部分区域采用管道输水。如果沿线每个站区的容量降低为0.01亿立方,河道宽度及深度可以大幅减少,也可以采用局部地区做成0.01亿立方的小型水库,其他地区用管道输送。
风能提水优势明显
采用风车直接提水,风车的机械能不需要转化为电能,带来了非常显著的优势。首先,不需要像风力发电那样,省掉了风车后面带齿轮箱、发电机、控制装置及并网的麻烦,风场建设的成本下降50%左右,每千瓦时的成本下降50%,已经比现在的煤电价格大为降低,随着煤电价格的进一步上升,其优势将越来越显著。
其次,如果将风车的机械能转换为电能,再利用电能来提水,不但带来额外的转换损失,还因为风能转变成的电能品质较低,影响电网稳定性。而风车直接提水,省掉了齿轮箱等这些易损部件的维护费用,运营成本降低50%以上。
通过调研及初步分析,可以得到如下结论:从葫芦岛到锡林郭勒的提水工程,可以全部依靠风能来完成;整个提水过程是一个独立的子系统,与电网无关,无需电网提供能源,风大时多提水,风小时少提水;采用风能直接提水,该工程的盈利能力将显著加强。因此,必须尽快对该项目进行论证,适当减缓相关地区风电场建设的速度,因为一旦风电场建成,再改成风车提水就得不偿失了。
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