新能源技术在华南地区应急科技装备中的应用潜力分析

宋文吉; 韩颖; 冯自平; 孙永明

doi:10.3969/j.issn.2095-560X.2021.03.011

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新能源进展 ›› 2021, Vol. 9 ›› Issue (3) : 258-264. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2021.03.011

新能源技术在华南地区应急科技装备中的应用潜力分析

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Technical Potential Analysis on New-Energy Driven Emergency Equipment Applications in South China

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摘要

应急救援的能源保障与当地环境和应用场景密切相关,新能源技术的就地取材、高效转化和原位供能等特点将为应急科技装备和相关人员的能源保障提供新的选择。本文以典型应用场景为技术案例,结合华南地区的新能源资源条件和应急救援场景的能源需求,分别对近岸岛屿、南海海洋、偏远山区和无人飞行器等场景进行分析,探讨新能源技术在应急保障领域的解决方案和应用潜力,以期为新能源应急科技装备的发展提供借鉴。

Abstract

The guarantee of energy supplies at the situation of emergency aids is closely related to the local environment status and emergency facilities demands. Adopting innovative new-energy and renewable energy technologies, with the characteristics of local source harvesting, high-efficiency energy conversion and on-spot energy supply, will be an alternative option for the guarantee of energy supplying for the emergency facilities and related stuffs. Based on energy resource conditions and the application energy demands at the situation of emergency aids in South China, some typical cases were analyzed to discuss the application potential of innovative new-energy and renewable energy support technologies for the energy supply guarantee. These can provide guidelines and references for the research and development of technical emergency facilities and applications.

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宋文吉, 韩颖, 冯自平, 等. 新能源技术在华南地区应急科技装备中的应用潜力分析[J]. 新能源进展, 2021, 9(3): 258-264 https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2021.03.011

Wen-ji SONG, Ying HAN, Zi-ping FENG, et al. Technical Potential Analysis on New-Energy Driven Emergency Equipment Applications in South China[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2021, 9(3): 258-264 https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2021.03.011

中图分类号： TK09

0 引言

各类突发的不可抗事件会对人类的生命和财产安全及社会经济发展造成巨大损失^[1]。华南地区水路、陆路、铁路、航空、航海线路网络密集,与东南亚国家广泛接壤,是国家重要的国内国际双循环战略中心;濒临南海,是海上丝绸之路的重要门户;有众多的离岸岛屿和辽阔的海域面积,海洋经济发展潜力巨大。因此,当面临各类自然灾害、突发事件或军事事件时,如果不能及时有效应对,将会造成更加严重的损失和持续的负面影响。

我国的自然灾害中,最主要的是洪涝、干旱、台风等气象和气候灾害,其次是地震、滑坡、泥石流等地质地貌灾害,其中以洪涝、干旱和地震的危害最大。我国是世界上自然灾害种类多、灾情最为严重的少数几个国家之一。几千年的中华文明史也可以说是一部与自然灾害作艰苦斗争的历史。直至今天,自然灾害仍然是制约我国可持续发展的重大障碍。尤其是近年来,我国重大自然灾害多发、频发,影响范围广,人员伤亡重,灾害损失巨大,引起了全社会的进一步关注^[2]。

通过建立专业救援队,健全应急救援装备保障能力体系,全面提高应急救援行动的装备保障能力是我国借鉴发达国家成功经验的必然选择。实践表明,强有力的装备保障是高效完成应急救援任务的必备条件^[3]。

经过多年的不断发展,新能源技术已经广泛应用于社会民生的各个领域,培育出巨大的新能源技术装备新兴产业^[4,5]。然而,在应急科技装备中使用新能源作为驱动能源或保障能源,还处于初步阶段。本文将结合华南地区的新能源资源禀赋和应急能源需求特点,探讨新能源技术在应急保障领域的应用潜力,以期为新能源应急科技装备的发展提供借鉴。

1 华南地区新能源资源情况

广义的新能源是指传统能源之外的各种能源形式,特指新近才被人类开发利用、有待于进一步研究发展的能量资源。因此,不同的历史时期和科技水平,新能源的内容有所不同。当今社会情况下,新能源一般包括太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能（含各种有机废弃物）及衍生的生物燃料和氢能等。由于核能的特殊性及天然气水合物尚未达到实际开采水平,在此不做讨论。

太阳能的主要利用形式有光热转换、光电转换和光化学能转换三种^[6]。在我国,太阳光照辐射强度依据地区可以划分为五类地区,华南大部分处于三类地区,年日照时数在2 000 h左右,辐射量在4.2 × 10⁴ kJ/(m²∙a)以上^[7]。良好的资源禀赋和巨大的市场需求,培育出太阳能民用领域雄厚的科研基础和领先的装备技术产业。1980年,中国第一台商业太阳能热水器在广州诞生,随后各类光伏发电和光热利用技术得到快速发展并逐渐普及应用。相对而言,光化学转换技术（如光催化裂解水制氢,可再与CO₂合成制取甲醇,即太阳能液体燃料）仍处于研究的早期阶段^[8],未来在应对气候变化、实现碳中和目标中将会扮演重要角色。

风力发电是风能利用的最常见方式。以平均风速和风功率密度为评价指标,华南沿海近岸70 ~ 100 m高度的风功率密度大于300 W/m²、离岸距海面10 m高度的平均风功率密度大于200 W/m²（4级,属于丰富区）^[9],有丰富的近岸风场和离岸风场资源可供大规模开发。规模化开发风力发电,单台机组的发电容量已超过10 MW,大型风力发电机组装备产业已经成为很多地市的战略新兴产业。小型风力发电装置具有安装灵活、适应局部微气流、可与光伏发电风光互补等特点,已经广泛应用于景区照明、户外视频监控、通讯基站等场景的电源供应^[10,11]。

海洋能指蕴藏在海水中的各种可再生能源,包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等^[12]。华南面向南海,海域宽阔,以发展波浪能发电为主。如图1所示,以年平均波浪能功率密度为评价指标^[13],近岸功率密度约2 kW/m,而离岸及岛礁海域的功率密度在6 kW/m以上,具备开发波浪能为离岸岛屿、海洋牧场、大洋科考观测平台、海上仪器等原位供电能力。同时,富余电能可以为海水淡化、制冰等提供动力,满足人员饮用水和渔业用冰保鲜等需求。目前,单机最大容量的波浪能发电装置为百kW级,通过在漂浮式发电平台上耦合光伏、风力发电和储电系统,发电功率可达到MW级^[14]。

图1 我国波浪能资源年平均功率密度分布^[13]

Fig. 1 Annual distribution of average power density converted from wave energy in China^[13]

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华南地区的地热能以中低温水热型资源为主。根据温度品位不同,可用于发电、供暖（烘干）、温泉、热驱动制冷等。1984年,中国第一座地热发电试验电站在广东丰顺县建成投产,是中国唯一利用100℃以下地热水进行发电并能长期正常运行的电站^[15]。随着电驱动蒸汽压缩技术的快速发展,进一步开发利用土壤等低品位热源,实现了清洁供暖/高效制冷技术的广泛应用^[16]。

生物质直接燃烧是最古老的能源利用形式,将各类生物质能源转化为清洁燃料是时代趋势^[17]。在人类物质文明快速发展的形势下,生物质的内涵和利用形式发生了巨大变化。除传统的农林废弃物外,生物质新能源还包括工业过程的废弃物（如蔗糖工业的废蔗渣、木材加工行业的废木屑、造纸黑液等）、城市含碳废弃物（生活垃圾、污水处理厂的高有机质污泥等）、畜牧养殖业的排泄物、医疗废弃物等。因此,生物质资源丰富地区往往与工商业经济发达地区重合,清洁的生物燃气、燃油也符合城市发展需求。

氢气是二次能源,需要利用含氢原料制取,如水、含氢燃料（如氨、煤、天然气、生物质气、甲醇等）甚至高糖高淀粉食物^[18]等。氢气是高热值的清洁能源,既可以通过燃烧输出热能和动能,也可以通过燃料电池输出电能和热能。因此,从火箭飞机到船舶潜艇、从汽车动力到手机电池,都可以见到以氢气为燃料的相关技术。由于氢能利用技术的含金量高、初期使用成本高,因此,氢能技术及装备产业和终端应用与经济发达程度高度吻合。

2 华南地区应急科技装备的用能需求

科技装备作为终端用能设备,对能源的需求包括液体/气体燃料、电能、冷能、热能等二次能源。人员作为救援的实施主体和保障对象,应急保障条件下需要统筹考虑饮用水的供给。华南地区的新能源资源条件优越,如何就地取材并高效地将新能源转化为适合科技装备使用的二次能源,需要科技、产业和需求各方的共同努力。

能源的使用与当地的气候特点、地理条件甚至人文风俗习惯关系密切。例如,高温湿热的气候,人员对空调的需求更多,数据中心等高功率设备的散热需求更迫切;山区的霜冻环境,体感温度更低,电能和热能的综合保障尤为重要;高湿的海洋盐雾环境,对能源的安全存储和设备的安全运行提出了更高要求。因此,结合华南地区的新能源资源禀赋和应急能源需求特点,探讨新能源技术在应急科技装备的应用和发展意义重大。

3 典型应用场景分析

下文将以华南地区典型场景中的新能源技术应用方案为例进行介绍。

3.1 海岛独立微电网供能技术

两广地区沿海城市有众多的离岸有人岛屿,海南省的三沙市更是深处南海,传统的能源供给以柴油发电为主,燃料保障成本高,供给周期长,既制约了岛上居民的生活便利性,也限制了海岛旅游资源的开发。

以光伏发电、陆上风力发电、近岸波浪能发电和储能电池构建离网型微电网系统,可以为岛上居民提供日常电力保障。以广东珠海东澳岛的可再生能源微电网工程为例,海岛平时总用电负荷约为300 kW,初期光伏装机总容量为500 kWp,储能电池总容量1 600 kW∙h,备用柴油发电机为300 kVA,具体结构如图2所示^[19]。建成投运10年来,经过数次增容,微电网容量已达到2.05 MW,实现了海岛负荷的不间断供电稳定运行。

图2 分布式光伏发电微电网结构^[19]

Fig. 2 Microgrid based on distributed photovoltaic generation^[19]

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海岛应用场景下的应急能源保障,可按需集成便携式、可扩展型光伏电源和高效的储能电池系统,为野外提供不同类型、功率等级、高可靠应急电源,实现应急电力保障。同时,微电网系统富余的电能还可以用于海水淡化、制备燃料（H₂、甲醇或其他碳氢液体燃料）等用途,从而实现立足新能源技术满足更长时间的能源物资保障。

除此之外,传统柴油内燃机的烟气余热也可以通过新能源技术加以利用,用于海水淡化。基于柴油机余热回收的船用型海水淡化装置,海水除盐率高于99.5%,产水量2 ~ 5 t/d,可满足船员生活用水和设备补给用水。基于柴油机余热回收的海岛型海水淡化装置,可满足岛上居民生活淡水的需求。珠海桂山岛建成的日产60 t淡水的柴油机废热海水淡化示范工程,安装在桂山岛新建柴油发电厂内,与一台1 000 kW柴油发电机配套,系统产水量为1 ~ 2.5 t/h,出水水质达到国家饮用水卫生标准（GB5749-2006）,可满足150 ~ 300人日用淡水需求^[20]。

3.2 开阔海域独立供电技术

远海岛礁、海上设施（科考平台、海洋观测仪器、航标等）和海洋牧场等,传统方式在开阔海域实现电力和淡水的供应和保障存在巨大困难。要长效解决电力和淡水供应问题,根本办法是利用不占用岛礁陆地面积的海上波浪能可再生能源就地发电,就近使用。在浩瀚的海面上,从波浪中获得可再生的清洁电力可有效降低柴油用量及其带来的环境污染。

目前,正在广东海域运行的260 kW漂浮多能互补平台“先导一号”,将波浪能、风能和太阳能集中在一个能量转换平台装置上,具备向岛礁及途经船只提供电力和淡水补给的能力^[21],可再生能源的实用性大大增强。首台500 kW鹰式波浪能发电装置“舟山号”（如图3）,已于2020年7月交付,正在珠海市大万山岛开展MW级波浪能示范。该装置波浪能的转换效率达到22%,可在海上独立稳定输出10 kV、3 kV、380 V、220 V及24 V标准电力。在此基础上,有望开发出完全由海洋可再生能源驱动的大洋科考海基平台,实现对海底、水下、水面、天空等区域进行长周期、大范围、全天候、自持性的综合科学考察。在不同应用场景下,海基平台可与岛屿、舰船结合,形成岛、船、平台互补的新型科技装备,这将会填补全球大洋科考有船无站的空白,同时为我国海洋应急救援提供新型能源保障装备。

图3 500 kW波浪能供电平台——舟山号

Fig. 3 500 kW ocean wave power platform- Zhou Shan

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小型化的波浪能发电装置投放简单,可在固定海域锚泊永久投放,也可按需投放和回收,从而为海洋观测仪器等原位供电。2019年12月25日,我国首台波浪能供电观测浮标“海聆”投放于珠海大万山海域,搭载多种海洋观测仪器开展应用示范。内置式波浪能航标“海聆”系列起始发电有效波高小于0.3 m,可在15级台风下安全发电,在台风中航标姿态平稳、锚泊牢固、监控准确、通讯畅通,展现出稳定的发电能力、良好的环境适应性和可靠性。至今已实现在开阔海域全系统无故障连续运行,标志着我国在海洋观测原位供电方面迈出了重要一步^[22]。目前不同型号的“海聆”与“海星”（如图4）系列供电装备,功率覆盖10 W、60 W、100 W、200 W、300 W、1 kW、3 kW和10 kW,正在搭载不同观测设备持续开展实海况试验,进一步验证技术的可靠性和稳定性。

图4 千瓦级波浪能原位供电装置——海星

Fig. 4 1 000 watt ocean wave site power device—Hai Xing

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3.3 偏远山区的低能耗供暖技术

粤桂边远山区霜冻等自然灾害频发,受交通和当地经济水平限制,应急救援周期长,只能提供基本能源保障。可构筑以太阳能、地热能和高效节能装备为主的新能源清洁供暖系统,克服山区昼夜温差大、取暖能耗高、燃料消耗大等问题。

对于太阳能资源较为丰富的地区和季节,优先利用太阳能资源。采用具有高效集热性能的太阳能集热器,构建可与建筑一体化的太阳墙;核心光热转换装置,使用优良光学性能及耐候性能的选择性吸热涂层;集热器使用新型密封结构,延长在潮湿寒冷地区的使用寿命;光热系统结合高效率的蓄热技术,可以满足昼夜全天的供暖需求。

对于永久性地面设施和地下设施等处的供暖,可以采用地热供暖技术。地热开采方式可以采用套管式换热器^[23],以水为介质,也可以采用超长重力热管技术^[24]。供暖取热在地下,散热在室内,系统具有全封闭运行、不采地下热水、没有腐蚀结垢和回灌难题、不受地域限制、占地面积小等特点。

对于通过燃烧液体或气体燃料进行取暖的传统方式,空气源热泵更加高效。新型的燃料驱动型无电空调热泵技术（如图5所示）,通过内燃机将液体（或气体）燃料的化学能转换为机械能,直接带动压缩机驱动制冷剂实现冷/热-联供^[25]。由于供暖工况可以回收发动机的余热,燃料驱动比电驱动的系统能效更高,可以大幅度减小燃料保障压力;发动机同时可以驱动发电机,进而实现“发电-供冷-供热-热水”的高效集成,一套装置满足多种能源需求,大幅度减小应急发电机容量需求,实现了关键设备用电与舒适性用电的分离。

图5 燃气热泵机组工作原理

Fig. 5 Principle of gas heat pump unit

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3.4 应急移动电力保障技术

由电力驱动的应急装备,当供电网遭到破坏时,必须由应急发电装置提供应急电力保障。传统的柴油发电机存在噪声大、尾气污染等问题,锂离子电池、氢氧燃料电池、金属-空气电池、氢镍电池等新型的化学电源技术,可实现高效替代。

以锂离子电池为代表的高能二次电池。电池系统安装在改装的面包车或者载货汽车,成为移动“充电宝”。在电网充电站充电后,移动到电力保障点。根据使用环境特点（主要是温度、湿度和气压）,可选择不同类型的锂离子电池。现阶段比较成熟的有磷酸铁锂电池、三元电池、钛酸锂电池等,处于研发阶段但有望实现技术突破的有固态锂电池、锂硫电池、钠电池等。蓄电池容量10 ~ 1 000 kW∙h,可输出不同电压等级的直流、交流电,满足不同电力负载的应急用电保障。

以燃料电池为代表的高能化学电源。常见的燃料有氢气、甲醇、乙醇等。在应急发电场景下,由于液体燃料具有更高的体积能量密度,因此甲醇燃料电池具备更好的适用性。特殊情况下,也可以使用含糖（淀粉）的高能食物为原料,发酵产生乙醇,然后通过乙醇燃料电池发电,满足特殊便携式装备的应急供电。

以金属-空气电池为代表的一次电池。利用廉价活泼金属氧化过程,如镁、锌、铝等,制作成高能量密度的一次电池,可满足应急通讯供电等小功率的使用场景^[26]。

便携式柔性光伏技术使得小型仪器设备的原位供电成为可能。以铜铟镓硒、砷化镓^[27]、有机光电子材料^[28]等技术为代表的新型薄膜柔性光伏发电技术,具有弱光发电效率高、重量轻、柔性可折叠卷曲等优势,在应急原位供电领域有巨大的应用潜力。

3.5 新兴的生物质能源转化利用技术

高效利用生物质资源,可以实现就地取材、丰富能源供给的目标。水相催化技术^[29]首次实现以秸秆为原材料,生产出汽油、柴油和航空煤油,产品性能和碳数分布与石油燃料一致,提升了生物质燃料品位。荣获第六届广东省专利金奖的秸秆制油技术^[30],引领了生物质能液体燃料从低品质的含氧燃料向更先进的烃类燃料发展,促进了生物质燃料技术的跨越发展。

人类社会废弃的生物质是环境污染的最大源头。人员聚集会产生大量的生活垃圾及餐厨垃圾,突发事件也会产生大量有害垃圾。采用能源化的协同处置技术,既可以最大化消除环境隐患,也可以增加能源供给,一举两得。

新兴的生产-生活-生态-生命（人）一体化协调发展的“四位一体”农村发展模式^[31],同样适用海岛等相对封闭的生产生活场景。通过将生活和养殖、种植过程中的大量代谢废弃物,如生活垃圾、畜禽粪便、农林废弃物等进行协同处置,利用各种废弃物处置过程的互补性,实现各类有机废物的能源化与资源化利用,副产的热能、电能可回用于海岛的生产生活。新型的移动式医疗废物清洁热处置技术与装备,适用于日常和应急情形。通过上门处理废弃口罩、防护服等医疗废物,避免转运到集中处理点的过程风险,实现就地、无害化处置。将可燃医疗废物在高温下热解气化为可燃气充分燃烧,协同处置废弃物的同时,可向外提供热量。燃烧废气经脱酸、脱硝、除尘等净化器,实现气体的达标排放^[32]。

3.6 飞行器新型高效动力技术

飞行器的动力分为电力驱动和燃料发动机驱动,新能源技术的突破可提供更加高效的动力技术。

电力驱动具有静音、无排放等突出优点,但受限于电池能量密度,在有效载重和续航里程方面受到很大限制,因此多见于小型无人机执行轻载荷、短时间的低空飞行任务。新型的高电压（4.0 V以上）、高能量密度（300 W∙h/kg以上）、可快速充放电（3 C以上）的锂离子电池技术发展迅速^[33],可根据不同的温湿度环境（对应飞行高度和气象条件）、飞行器配重（对应电池功率和容量）等特点进行定制。

燃料发动机驱动具有载荷大、滞空飞行时间长等优势,在应急救援中发挥重要作用。生物质基的新燃料技术,可以在燃料的能量密度提升、高空低温耐受度（低冰点）等方面发挥重要作用^[34]。基于生物质原料的醛、酮等活性官能团,平台分子可通过羟醛缩合反应或麦克尔加成反应精确构建含有支链结构的长碳链含氧前驱体,再经加氢脱氧转化为烃类燃料,从而实现航油组分的分子结构调控,获得理化特性指标可控的特种航油产品。

氢气的质量能量密度很高,因此氢燃料电池技术兼顾了电驱的静音和燃料的长续航特点,在飞行器动力领域有很好的应用前景^[35]。目前在燃料电池车（乘用车和重载卡车）及固定式燃料电池发电系统,燃料电池组件的性能特点不能满足无人机应用场景的要求,一旦在模组减重、高密度储氢、高功率放电、长寿命催化剂等方面获得突破,将会极大推动氢燃料电池动力系统在飞行器领域的应用。

4 结论与展望

梳理了华南地区新能源资源条件及相对应的新能源技术及装备研究进展,结合应急科技装备及人员对能源供给的保障需求,以典型应用场景的技术案例分析的方式,探讨新能源技术在应急保障领域的应用潜力。提出以下建议:

（1）华南沿海附近有大量有人居住岛屿,发展基于可再生能源技术的独立微电网供能技术,在满足日常能源需求的基础上,结合移动电力保障技术、新兴生物质能源转化技术等,可实现对突发应急情况下的能源保障,同时有效保护脆弱的生态环境。

（2）中国南海海域面积辽阔,应急能源保障适宜发展以波浪能发电平台为主,储电、海水制淡等为辅的新能源装备。

（3）对于偏远山区等场景,宜发展以太阳能、地热能、新型燃料驱动型空气源热泵等新能源技术装备,满足突发情况下的基本能源保障;生活垃圾、有害有机废弃物等可通过能源化协同处理技术,实现无害化处置并提供能量输出。

（4）飞行器尤其是无人飞行器在应急救援中的作用日益突出,适宜的生物航油技术、氢燃料电池技术、高效二次电池技术等都有良好的应用前景。

新能源技术日新月异,应急科技装备和相关人员的能源供应方式将会随着新能源技术的不断发展和完善而发生重要变化。广东作为经济和科教强省,其丰富的智力资源和雄厚的产业集群优势,必将在推动新能源科技装备技术的发展和应用实践中发挥重要作用。

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收稿日期	修回日期	出版日期
2021-01-25	2021-03-31	2021-06-30
发布日期
2021-06-29

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