可持续发电：生态建筑学中的核心概念

我们应该避免采用核能和化石燃料发电的方式。同时，利用可再生能源发电的方式要推广，比如生物燃料分区供热发电站、风力发电（图3-83）和水力发电。关于水力发电，最大的问题是提高现有水电站的效率，同时发展小规模的水电站。要使这种发展得到实施，必须强制要求核能和矿物能源电站对环境造成的破坏进行赔偿。只有这样，可再生能源电力生产不但在技术上可行，在成本上也具有竞争力。

1）电力生产

我们不可能只用单一一种可再生能源来代替化石燃料和核能发电，解决方案是建立综合了多种可再生能源发电的系统（图3-84）。现有的水力发电可以用新技术改造得更有效率，还可以和风力发电波浪发电相结合。水电站可以用来作为风电的调峰电站。如果城镇有采暖需求，采用集中供暖，就可以采用热电联产电厂发电。热电厂的能源可以是生物燃料，或者来自于家庭、农业和工业的有机垃圾。热电厂的生物燃料可能是木材工业的废料或速生能源林。如果这些还不够，还可以用太阳能作为补充（图3-85）。

（1）发电新途径。许多国家在开发波浪发电。在有火山地质构造的国家，如冰岛、意大利和美国，可以利用地热能来发电。潮汐能是一项正被重新投入使用的旧技术，比如在法国。有计划在大洋的河床上设置风力发电机以利用潮汐能。渗透能是一项利用淡水和盐水的差异来发电的技术。在河口设置电站，利用海水和河流淡水之间的压力差能够产生电力。海水温差发电（OTEC）技术利用海面和海底的温差来发电，氨—水混合物在表面热水的作用下汽化，推动涡轮机运转发电。

图3-84　2007年瑞典的发电情况

2007年瑞典的发电总额约1 450亿 kWh，其一半以上的电力由可再生能源转化而来，热电的生产主要由生物燃料提供。资料源于瑞典能源部

图3-85　城市中的电力产生方式

提到利用可再生能源的使用，人们首先要想到法尔肯贝里市（Falkenberg）。在艾特兰（Ätran）有两座水电站。还有一个以碎木为燃料的区域供热站，大部分的碎木来自当地的能源林。在主要过境公路的附近，有世界上最大的太阳能收集设备，为区域热力供应网提供能量。同时，沿海岸设置了多台风力发电机

（2）私有电力生产。利用私有供电系统也是可能的，比如不与公共电网连接的夏季别墅，或者作为停电时的安全保障系统（图3-86）。但是，私有电力系统只有在不接入公共电网时才可行。如果效仿一些欧盟国家，保证向公共电网输送电力可以得到经济补偿，那么私有电力系统不便接入公共电网的情况将在未来许多年内得到改变。最容易获得的自用电力方式是利用太阳能电池、风力或者二者结合，并与一个电池组相连接（图3-87，表3-5）。因为成本高，这种电力供应系统只能用在最需要的地方。直接用电热取暖是不可取的，厨灶应该利用燃气或者木头。另外，值得注意的是，太阳能电池在光线不充足的冬季能提供的电力是非常有限的。可以利用非常小型的水力发电机为电池充电，它需要接近河道。装有斯特林发动机的迷你型生物燃料发电器也开始在市场上出现。与发电机相连的电动机组成的备用电力供应系统也是可以考虑的，该系统可由菜籽油或沼气等可再生燃料来驱动。停电时，一些重要设备由电池充电器和蓄电池维持运行，以保证设备安全（图3-88）。比如炉灶、热力系统循环泵、一些照明灯、收音机、电视，还有水泵。这套系统要求住房有一个12 V的用电系统，或者一个可将电池提供的直流电转换成220 V交流电的转换器。如何储存是私有发电的一个主要问题。虽然电池技术正不断发展，但是它们始终价格不菲并且使用寿命短，因此将家用电力和公用电网相连是更好的选择。这样，当家用电力供不应求时，可以从公用电力购买电力，而在家用电发电供过于求时又可以将多余电力卖给公用电网。可以用电表来测量对公用电网的使用量和输入量（图3-89）。

图3-86　瑞典群岛上装有风力和太阳能发电的夏日别墅

表3-5　瑞典中心区每平方米太阳能电池和每平方米风力发电场的平均发电量（kWh）

2）电力储存

为了开发性能更好的电池，人们进行了大量研究，但是进展甚缓。以抽水蓄能电站、飞轮、氢气的方式储存电力都是可行的。在抽水蓄能电站，电力生产过剩时将水抽高到水库中，储存的势能在需要的时候可以加以利用。当有过剩的电力时，平衡良好、摩擦小的飞轮运行起来，飞轮旋转产生的能量能够驱动发电机。因为氢气的能量密度高，以氢气为燃料的发电方式亦不会产生危害环境的物质，越来越多的人看好氢燃料电池的前景。

（1）电池。电池是家用电力生产系统中最脆弱的环节。它们价格贵，自重大，寿命短，容量小，需要定期维护，充、放电的方式很容易影响其性能，此外，需要存放于通风良好、凉爽但又不能太冷的环境中。过去最常见的电池类型是铅蓄电池和镍镉电池，这些电池中含有会引起环境问题的重金属（表3-6）。如今，镍氢电池和锂电池更常见，它们的能量密度比铅蓄电池和镍镉电池高，但是它们含有有毒的钴和锰元素，尽管含量很少。金属氢化物电池没有记忆效应，充电能力不会随着使用时间的增加而变弱。但是，金属氢化物电池的价格更贵，使用寿命相对比较短，并且对低温敏感。锂电池价格更贵，并且很容易因为过量充电而损坏。锌空气电池是目前所有电池中能量密度最高的，含有1 kWh电能的锌空气电池仅重4.5 kg，约为普通铅酸蓄电池的1/8。电池的研究开发工作正大力进行。在混合动力汽车中，通常以镍氢电池为主导，而对于插电式混合动力汽车而言，主要选用锂电池（有多种不同类型）。其他的选择，例如钠镍氯化物和双极铅酸蓄电池也正在研发中。(www.xing528.com)

图3-87　瑞典本地不同月份的电力生产比较

图3-88　紧急电力系统

图3-89　可自行安装的小型风力发电机和太阳能电池板系统

他们可以通过一个逆变器直接与电网相连接，而不用将直流电转化为交流电。为达到最佳工作状态，小型风力发电机周围最好留有半径75 m的空地。这是一个球形风力发电机，不需要建筑许可证就能建造，因为它的直径不足2 m。通常情况下建筑许可的核查是必需的

表3-6　不同类型电池的参数

注：资料源于“可再生能源的新探究”，挪威研究理事会，挪威能源和水资源理事会，2001。

图3-90　由瑞典的Morphic公司提出的能源系统

在这种能量系统中，将风能转化为便于保存的氢能，当没有风的时候通过燃料电池将氢能再次转化为电能

图3-91　环境友好型的氢气系统

资料源于《能源与未来》，Vattenfall，1990

（2）氢气。我们试图利用可再生能源（风能或太阳能）发电，由此通过电解水来制备氢气（图3-90、图3-91）。氢气还可以通过生物质汽化或者通过对天然气、甲醇、沼气的处理来获得。关于通过光化学和热化学制氢的研究正在进行。在燃料电池中，氢气与大气中的氧气混合产生电力，唯一的副产品是温水。氢气也可作为发动机的燃料，用于汽车或燃炉。氢气燃烧的主要生成物是水蒸气。氢气还可用作燃烧催化剂，它的优势在于不会产生任何氮氧化合物。还可以考虑在阳光充足的沙漠地区利用太阳能电池制氢气。将电用于有水的地方，通过电解将水分解成氢气和氧气。然后通过管线或者轮船将氢气输送到居民区（燃料电池的内容参见第4.2节“社会组织”中第4.2.2节“交通”）。