李海英 王東勝 廖文根
(1. 中國水利水電科學研究院,北京 100038; 2. 國家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心,北京 100038)
水電是可再生的清潔能源,而微水電又是水電學科中的一個分支,是一個利用零星分散微小水能資源發(fā)電的研究領(lǐng)域。在國際上,目前進行的“點亮非洲”行動中微水電已成為不可或缺的一環(huán)。我國微水電蘊藏量極為豐富,微水電為偏遠的或遠離電網(wǎng)的地區(qū)發(fā)展做出了巨大貢獻,目前,微水電也已成為我國可再生能源的重要組成部分。
本文系統(tǒng)闡述了微水電的定義、系統(tǒng)組成、微水電開發(fā)優(yōu)勢、開發(fā)地理條件以及微水電開發(fā)的影響因素,分析了微水電系統(tǒng)開發(fā)成本以及部分國家或國際組織對微水電發(fā)展的政策或策略,最后介紹了我國微水電的發(fā)展,以期對微水電及其發(fā)展有一個較為全面的認識,從而為促進和規(guī)范我國微水電發(fā)展提供借鑒。
微水電是微型水力發(fā)電的簡稱,是將小溪、小河水(即微水能資源)的位能轉(zhuǎn)換成符合民用電要求的電能設施和設備組成的系統(tǒng)。微水電系統(tǒng)工作原理和小水電基本相同,但裝機容量較小。不同國家對微水電的定義不同。加拿大將水電根據(jù)裝機容量分為五類:大水電(large hydropower),中 水 電(medium hydropower), 小 水 電(small hydropower),小小水電(mini hydropower)和微水電(micro hydropower),將裝機容量低于100kW的劃分為微水電。其中有將微水電定義為裝機容量不超過300kW的水電系統(tǒng),原因是300kW是對于大多數(shù)沒有輸電線路的孤立的水電系統(tǒng)的最大尺寸,適合于在流動的小溪中安裝。
表1列舉了部分國家或國際組織對微水電的定義。
表1 部分國家和國際組織對微水電的定義
微水電系統(tǒng)由以下部分組成:①水輪機,將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,這是微水電系統(tǒng)的核心部分;②提供穩(wěn)定電力的控制裝置;③傳送電力到達目的地的輸電線路。根據(jù)地形情況,建造微水電站可能還包括以下部分(圖1):①從河道引水的水流入口或水堰;②使水從入口到前槽的溝渠或管道;③水槽和垃圾濾床,以防止垃圾進入水輪機;④將水輸?shù)桨l(fā)電站的水壓管路;⑤發(fā)電站,渦輪和發(fā)電機將水能轉(zhuǎn)換成電能;⑥退水槽,水又重新回到河流。
圖1 微水電系統(tǒng)的主要組成
微水電不同于大型水電,并不會顯著干擾水體的自然流動。同時,微水電的推廣應用可以兼顧環(huán)保,增加電力供應,綜合治理河流源區(qū)水資源等多重社會效益,因而得到各國政府和社會的支持和認同。微水電系統(tǒng)能源不會耗竭、不污染環(huán)境,是最具有開發(fā)前景的可再生能源之一。
在能源特性方面,微水電是穩(wěn)定、經(jīng)濟、可再生能源。在技術(shù)特性方面,微水電技術(shù)成本低、競爭力高,甚至可以發(fā)100W這樣低功率的電。因此,系統(tǒng)如果計劃和執(zhí)行恰當,可多年提供便宜的電力。
目前,柴油和汽油發(fā)電機很便宜,但是隨著燃油和維修費用的提高,其發(fā)電費用也越來越高,并且從長遠來看,利用化石燃料發(fā)電對環(huán)境不利。以前人們往往認為小水電和微水電運行便宜但建造昂貴,但現(xiàn)在,隨著機組設備變得更小、更輕、運行效率更高,上述情況發(fā)生了改變:電力變速和負荷控制系統(tǒng)成本越來越低,塑料壓力水管也更加便宜。從裝機容量來看,雖然水電系統(tǒng)資金總額仍然比柴油發(fā)電設備的資金要高,但從長遠來看,微水電系統(tǒng)生產(chǎn)成本低、能源可再生,因此更具有投資前景。而選擇建造微水電系統(tǒng)也許是出于以下兩個方面的考慮:一方面,僅僅希望滿足最基本的照明、電子設備、電腦、小型裝置或工具、洗衣機、干衣機、冰箱、制冷機、燒熱水、空調(diào)等的用電需要。從長遠來看,投資微水電系統(tǒng)可能會更經(jīng)濟,這樣不需花錢購買當?shù)仉娏镜碾?,尤其無需支付相當數(shù)量的輸電線費用。另一方面,出于對環(huán)境保護的原因而選擇建造微水電,避免使用化石燃料或者不希望受到電網(wǎng)限制。
總之,充分設計的微水電系統(tǒng)與大多數(shù)常規(guī)發(fā)電方法相比較,具備許多優(yōu)點:①盡管與應用化石燃料或天然氣發(fā)電相比較,建設微水電的費用相對較高,但一旦水力發(fā)電系統(tǒng)建成,系統(tǒng)運行的能量幾乎是免費的。②水電系統(tǒng)能預防通貨膨脹,因為河流或小溪中的水的應用費用不可能提高,而其他系統(tǒng)的燃料費用可能多年后會提高。③水電系統(tǒng)能運行20 ~ 30年,這比其它類型發(fā)電系統(tǒng)的運行時間要久。④像微水電系統(tǒng)這樣的小工程建造起來相對較快。⑤微水電是可再生能源,運行時不依賴于石油、煤或其它化石燃料;并且由于其規(guī)模小,消除了那些有關(guān)能源開發(fā)的大工程對環(huán)境和社會不利的影響。⑥發(fā)出的電在附近即可消費,無需長距離輸電線。⑦微水電是最經(jīng)濟的可再生能源之一。
在加拿大,數(shù)以千條河流和小溪都可用以發(fā)電,以滿足偏遠地區(qū)居民、農(nóng)場主、小社區(qū)、露營地、公園和偏僻地區(qū)居民的能源需求。加拿大水能規(guī)劃(the Hydraulic Energy Program)、可再生能源技術(shù)規(guī)劃(Renewable Energy Technology Program)、CANMET 能源技術(shù)中心(CANMET Energy Technology Centre, CETC)聯(lián)合可再生與電能公司(Renewable and Electrical Energy Division ,REED)、電力資源分公司(Electricity Resources Branch)、加拿大自然資源部(Natural Resources Canada, NRCan)等,于2004年編制了《微水電系統(tǒng):用戶指南》(Micro-Hydropower Systems: A Buyers' s Guide)一書,該書為遠離電網(wǎng)地區(qū)和偏遠地區(qū)的居民如何應用微水電技術(shù)提供了指南。
發(fā)展微水電最好的地理位置是有急遽的河流、小溪或常年流動的泉水等地區(qū)或常年有瀑布流淌的山區(qū)。加拿大《微水電系統(tǒng):用戶指南》一書詳細列出了對具有微水電開發(fā)潛力地區(qū)的評價方法,其中包括水流流速、水頭的測量。評價一個地區(qū)是否具備微水電開發(fā)潛力還需要了解該地區(qū)的地形和水文情況,例如有關(guān)河流自然特性、年流量變化和過去反常流動、河流的季節(jié)變化等信息。
影響微水電開發(fā)的因素包括:①微水力資源能否滿足發(fā)電能量和功率需求;②渦輪和發(fā)電機的類型和裝機容量;③系統(tǒng)建設和運行的費用。此外,在一些國家,還關(guān)注水電開發(fā)和水能利用的省/地區(qū)或聯(lián)邦的法律條例的影響。在特定地區(qū)發(fā)展微水電系統(tǒng),還受到以下幾個因素的影響:當?shù)厮Πl(fā)電的潛力、對能源發(fā)展的需求、對環(huán)境影響與能否獲得批準、設備的選擇、成本大小與發(fā)電是否經(jīng)濟等。
微水電系統(tǒng)的成本主要依賴于微水電開發(fā)的地形條件和前期工作量,因此并沒有一個標準值。一般而言,根據(jù)目前技術(shù),在加拿大每kW裝機容量成本為1,500 ~ 2,500美元。對于功率輸出低于5kW的系統(tǒng),每kW成本大約為2,500美元甚至更高,因為還需要支付諸如蓄電池組和轉(zhuǎn)換器等額外組分的費用。聯(lián)合國國際發(fā)展部和世界銀行聯(lián)合在秘魯、斯里蘭卡、尼泊爾、津巴布韋、莫桑比克等國家資助開發(fā)微水電項目的有關(guān)研究表明,微水電與其它分散的能源系統(tǒng)一樣,成本會由于不同的地理位置而有較大變化,用于機械能的電廠平均資本費用為965美元/kW,用于發(fā)電的電廠平均費用為3085美元/kW。
微水電開發(fā)費用大致可分為兩部分:最初成本和年費用。最初成本是項目開始、發(fā)電之前的費用,包括進行可行性研究、購買安裝設備、獲得許可等費用。計算最初成本時,需要包括所有的費用,即:入口、水頭、前池、壓力水管、發(fā)電站、電器設備、渦輪、發(fā)電機、控制器、傳輸/配電網(wǎng)。在土地私有的國家,如果沒有土地,還需要增加購買或者租賃土地的費用。如果租賃,其費用應列在年費用中。同時,還需要考慮“軟”成本,包括前期可行性研究、水能應用許可、獲得土地使用權(quán)、運輸和建設費用等。年費用是運行和維修花費,包括清理入口、清理垃圾濾池和材料費用、設備維修、備件和輸電線的維護費用等;另外,還包括土地租賃、財產(chǎn)稅、水能租用費和常規(guī)管理費,以及不可預測的費用。對于以電池為渦輪的系統(tǒng),還包括由于質(zhì)量和樣式不同而每5 ~ 10年更換電池的費用。
與以傳統(tǒng)化石燃料為能源發(fā)電相比,微水電最初成本高但年費用相對較低。事實上,在所有能源發(fā)電技術(shù)中,水電維修費用最低。高水頭、低流速系統(tǒng)成本低于低水頭、高流速系統(tǒng)成本,主要因為低流速系統(tǒng)的組件(例如壓力水管、渦輪、入口和溢洪道)都較小。
微水電系統(tǒng)成本會根據(jù)使用設備的種類、所需材料和設備的價格、土建工程及其他費用而變化。大約開發(fā)成本的75%由開發(fā)地點和所在地條件所決定,所以每一個水電場所都是獨特的。僅有成本的25%相對固定,即發(fā)電設備成本。
評價一個微水電是否適合開發(fā),需要考慮許多因素。如果該地區(qū)已具備足夠的流速和水頭可以滿足能源需求,那還需要對比分析是否有更可行更經(jīng)濟的替代能源。如果可以選擇太陽能、風能或者柴油發(fā)電機,甚至擴展當?shù)仉娋W(wǎng),這就需要根據(jù)不同方法準確計算替代能源的發(fā)電成本。
評價系統(tǒng)成本的指標之一是每kW裝機容量的費用,即按每kW系統(tǒng)的容量對最初成本進行劃分,但該方法的缺點是不包括運行成本。因此實際上不能將微水電與風電或柴油發(fā)電進行比較。另外一個指標更加準確一些,是每kWh能量生產(chǎn)成本的費用,根據(jù)系統(tǒng)發(fā)的電來計算。微水電發(fā)電站的“燃料”幾乎是免費的,如果系統(tǒng)大部分時間都在運行,其效率會更高,因為不管是利用潛在能量的50%還是100%,開發(fā)成本都相同。不同發(fā)電潛能的百分數(shù),能源價格單位不同。
評估系統(tǒng)和比較替代能源的能源成本的一些常見的財政分析方法是凈現(xiàn)值(NPV)和簡單回報。這些財政分析相當復雜,會涉及到貨幣的時間價值、經(jīng)濟周期成本和稅收節(jié)減。對小規(guī)模系統(tǒng)進行徹底分析沒有必要,系統(tǒng)越大,全面的財政、經(jīng)濟分析才有價值?!段⑺娤到y(tǒng):用戶指南》提供了相關(guān)的參考書目。
在加拿大,水是國有資源,各省和地區(qū)的自然資源部對其利用進行管理。用戶只有從省/地區(qū)獲得了用水許可證之后才能用水,對于像微水電這樣不消耗水的系統(tǒng)也不例外。開發(fā)微水電時,首先需要與省或地區(qū)政府機關(guān)聯(lián)系,以便確定當?shù)夭块T是否允許。自然資源部決定是否可以開發(fā)微水電并對其評估。所有地方部門允許或者滿意之后才能取得聯(lián)邦的水電許可。建設微水電系統(tǒng)需要的許可和批準包括:環(huán)境批準(省/地區(qū)和聯(lián)邦)、用水協(xié)議(省/地區(qū))、經(jīng)營合同(省/地區(qū))、土地租賃協(xié)議(省/地區(qū))。進行環(huán)境影響評價時需遵循《加拿大環(huán)境評價法》。首先必須獲得用水許可證,發(fā)電時的用水量在發(fā)布許可證的時候就納入管理體系,用水許可需遵循《加拿大水法》。其它許可必須要得到當?shù)仉娏?quán)威部門的同意,安裝的發(fā)電機、控制面板和所有的電力設備必須遵照《加拿大電力法規(guī)》,所有的電力設備必須通過國際CSA批準和鑒定。另外,加拿大還開發(fā)了微水電系統(tǒng)的免費軟件。RETScreen International是一個標準的、可再生能源項目分析軟件程序,用以確定微水電系統(tǒng)的投資價值。
歐盟出臺了可再生能源條例和政府的激勵措施,如歐盟可再生能源契約,鼓勵包括微水電在內(nèi)的可再生能源的開發(fā)。最近,英國對山頂?shù)貐^(qū)80處河岸地理位置進行了調(diào)查,這是第一次對該地區(qū)微水能資源進行的全面調(diào)查,從而進一步促進微水電的開發(fā)。
表2 尼泊爾政府對微水電發(fā)展的規(guī)劃
為了促進南亞地區(qū)微水電發(fā)展,由美國國際開發(fā)總署(USAID)南亞地區(qū)能源激勵(South Asia Regional Initiative for Energy,SARI/E) 項目倡導,其將與尼泊爾環(huán)境部替代能源促進中心(AEPC)合作在尼泊爾首都加德滿都建立一個有關(guān)微水電的區(qū)域中心,該中心將提供有關(guān)微水電的技術(shù)援助,并就工程監(jiān)測、系統(tǒng)管理等對決策者、社會投資者進行培訓。
圖2 尼泊爾微水電發(fā)展的趨勢
尼泊爾政府從1975年就開始對微水電開發(fā)制定戰(zhàn)略規(guī)劃(見表2)。2007年~ 2010年,尼泊爾的規(guī)劃是:再增加5%的人口利用替代能源(主要是小小水電/微水電),使尼泊爾54個地區(qū)小小/微水電的裝機容量達到11.5MW,規(guī)定所有地區(qū)能源與環(huán)境部門都協(xié)調(diào)發(fā)展、參與農(nóng)村電氣化項目活動,促進發(fā)展微水電/小小水電CDM項目。
表3 部分國家微水電發(fā)展的情況
在尼泊爾政府對微水電發(fā)展激勵的政策引導下,2007年,尼泊爾微水電的裝機容量超過了10,000kW,隨后迅速發(fā)展,預計在2010年尼泊爾微水電的裝機容量將達到30,000kW。
在非洲電氣化程度很低,目前僅有不足20%的家庭用上電,而非洲蘊藏著豐富的水電資源,各國越來越重視通過微水電來解決當?shù)鼐用裼秒妴栴}。盧旺達政府分別與世界銀行、電信號廠商協(xié)會(ESMAP)CEIF信托基金達成450萬美元、380萬美元資金貸款協(xié)議,用以促進包括微水電在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展。
在東南亞和非洲等國家,許多微水電站還通過援助項目或扶貧項目來建設。如聯(lián)合國國際發(fā)展部和世界銀行聯(lián)合在秘魯、斯里蘭卡、尼泊爾、津巴布韋、莫桑比克等國家資助開發(fā)微水電的項目,該項目由中間技術(shù)發(fā)展組織對其進行管理。項目將微水電定義為裝機容量為10kW ~ 200kW的電站,針對5個國家同種類型的微水電成本、財政回收進行了嚴格比較,并于2000年起草了有關(guān)投資微水電的宏觀經(jīng)濟、財政和其它制度管理。項目研究表明,在特定的環(huán)境下,與其它供電方式相比,發(fā)展微水電會更加適當、利潤更高,在滿足農(nóng)村地區(qū)居民需要時,應當作為能源選擇方式之一。投資微水電主要有三個階段:一是技術(shù)階段,改進和證明技術(shù)的生存能力;二是社會階段,目標是盡可能滿足農(nóng)村居民的需要;三是財政階段,強調(diào)微水電投資的財政可持續(xù)性。表3列出了該項目在秘魯、斯里蘭卡、尼泊爾、津巴布韋、莫桑比克五國微水電項目發(fā)展的情況。
另外,Practical Action也開展微水電項目,其由英國經(jīng)濟學家Fritz Schumacher博士創(chuàng)建,是一個成熟的慈善機構(gòu),從20世紀80年代開始就與斯里蘭卡、尼泊爾等電力部門合作開發(fā)微水電,并將該技術(shù)引入到當?shù)剞r(nóng)村。Practical Action在微水電領(lǐng)域經(jīng)驗豐富,因此成為國際微水電組織(the International Micro Hydro Group)的成員和水電網(wǎng)的協(xié)調(diào)者。
我國微水電的應用最早出現(xiàn)在20世紀50年代。當時人們已經(jīng)認識到,利用山區(qū)農(nóng)民村前屋后小溪中的流水發(fā)電是解決邊遠山區(qū)農(nóng)民生活用水問題的最為經(jīng)濟可行的辦法。但微水電的真正發(fā)展始于80年代中期,在農(nóng)業(yè)部和地方政府微水電專項經(jīng)費的扶持下,我國南方山區(qū)的微水電得到了較快發(fā)展,在廣西、江西、四川、浙江、湖南、福建等省曾經(jīng)有許多安裝微水電機組上千臺的縣。
90年代初期,為了進一步提高微水電行業(yè)的技術(shù)水平和規(guī)范化管理,農(nóng)業(yè)部授權(quán)南京農(nóng)業(yè)機械化研究所籌建微水電設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(簡稱微水電中心),這是中國微水電推廣與發(fā)展,以及對外技術(shù)交流與合作的主要技術(shù)依托單位,其主要工作是進行微水電行業(yè)標準的制定和微水電質(zhì)檢。微水電中心制定了與微水電有關(guān)的國家標準及行業(yè)標準,其中《微水電設備基本技術(shù)要求》、《微水電設備質(zhì)量檢驗規(guī)范》、《微水電設備試驗方法》、《微水電設備安裝技術(shù)規(guī)范》4個國家標準已于1998年由國家技術(shù)監(jiān)督局批準發(fā)布。1998年底微水電中心通過國家計量認證和農(nóng)業(yè)部機構(gòu)審查認可,成為微水電行業(yè)規(guī)范市場、進行基層技術(shù)培訓的重要依托單位,行業(yè)的基礎建設有了長足的發(fā)展。此外,微水電中心還編印了《微水電機組選用、安裝與維護》,該手冊從微水電的概論、微水電常用機組、微水電的選型、微水電土建工程、微水電安裝與調(diào)試、微水電供電工程、微水電的維護、微水電常見故障的排除等方面詳述了微水電的基本知識、選用、安裝與維護。但是,2009年,農(nóng)業(yè)部發(fā)布1197號公告,撤銷了該機構(gòu)。
到2007年,水利部和農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計的我國大小微水電裝機容量之和約800萬kW,年發(fā)電320億kWh。其中10kW以下微水電機組約20萬臺,總裝機容量22萬kW;10kW以上至100kW的微水電站19545座,機組21620臺,總裝機容量69.61萬kW;100kW以上至500kW的微水電站19107座,機組38652臺,總裝機容量718萬kW。
最近幾年,微水電理論漸趨成熟,同時在技術(shù)上也有了很大的突破,解決了微水電機組穩(wěn)壓、穩(wěn)頻難、使用壽命短等問題。我國微水電機組大致經(jīng)歷了四代:第一代微水電即早期的微水電機組,不具備自動調(diào)壓穩(wěn)頻控制功能,用電器不可隨意開關(guān),通常只能作為電燈照明電源。目前國內(nèi)使用微水電的大多為第一代產(chǎn)品,僅僅給用戶解決了照明問題,但電壓非常不穩(wěn)定,使用時仍很不方便。第二代微水電具有自動調(diào)壓穩(wěn)頻控制功能,可直接作為農(nóng)戶照明、收看電視和拖動微型農(nóng)副產(chǎn)品加工機械的電源。它由微型水輪機、發(fā)電機、穩(wěn)壓穩(wěn)頻控制器、傳動裝置等組成。國內(nèi)外這種產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)成熟,并逐漸在推向市場。第三代微水電在第二代微水電的基礎上增加了能源互補功能,可以保證終年不間斷供電。第四代微水電在微水力資源的合理、高效利用上有突破性提高,整機效率應接近小水電機組的水平,并且實現(xiàn)多機組并聯(lián)工作,使供電可靠性得到本質(zhì)上的提高。
由于微水電的技術(shù)進步,其安裝、管理和維護成本大幅度下降,使微水電進入了實用階段。生活在山區(qū)的農(nóng)民,學習掌握微水電技術(shù),興辦微、小型水利工程和微水電站,可以極大地改善自己的生產(chǎn)、生活條件,走上致富之路。同時,微水電作為可再生能源的一種,其推廣應用可以收到環(huán)保、增加電力供應、河流源區(qū)水資源綜合治理等多重社會效益,因而得到政府和社會的支持和認同。
微水電是可再生能源之一,在偏遠的、微水力資源豐富、遠離電網(wǎng)的山區(qū)或地區(qū),合理規(guī)劃開發(fā)微水電對環(huán)境、經(jīng)濟等具有很多優(yōu)點。微水電技術(shù)經(jīng)過多年的持續(xù)改進,現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟。不過,由于每一個微水電系統(tǒng)的成本、批準、規(guī)劃及其他方面,在不同地區(qū)具有其各自的特殊性,因此,一定程度上會被一些資金項目忽視。
微水電的開發(fā)主要在發(fā)展中國家,解決分散供電問題。通過對所調(diào)研的國家、政府組織或非政府組織的政策或戰(zhàn)略分析發(fā)現(xiàn),普遍對微水電開發(fā)持肯定態(tài)度,并出臺措施激勵微水電開發(fā)。
我國從20世紀80年代開始,微水電就得到了很大發(fā)展,農(nóng)業(yè)部授權(quán)南京農(nóng)業(yè)機械化研究所籌建的微水電中心制定了多個微水電設備的國家標準。
我國微水電的開發(fā)潛力巨大,但同時面臨著一些困境。例如,我國無電人口大都散居在深山老林,進一步推廣微水電服務成本比較大;微水電的研發(fā)投入較少,大多數(shù)機組模型仍然借用大中小型機組模型,缺少系統(tǒng)(水輪機、發(fā)電機、控制器及引水系統(tǒng))技術(shù)集成,致使整機綜合效率低、性能差,更沒有形成產(chǎn)品系列化,微水電行業(yè)難以形成規(guī)模市場等等。因此,我國現(xiàn)有的微水電資源沒有得到充分利用,現(xiàn)有微水電站也未能充分發(fā)揮應有的作用。
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