新能源發(fā)電技術(shù)研究綜述

譚　輝,孔祥福,曾凡濤

（1.國網(wǎng)恩施供電公司,湖北 恩施　445000；2.吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000）

新能源發(fā)電技術(shù)研究綜述

譚輝1,孔祥福2,曾凡濤1

（1.國網(wǎng)恩施供電公司,湖北 恩施445000；2.吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000）

摘要：當前，全球資源緊缺與環(huán)境問題日益突出，能源和環(huán)境問題成了制約經(jīng)濟發(fā)展的主要問題，新能源的開發(fā)和利用可以很好的緩解這一問題，其中利用新能源的發(fā)電技術(shù)受到廣泛的重視。本文介紹了幾種典型的新能源發(fā)電技術(shù)的基本原理、研究現(xiàn)狀，結(jié)合各類新能源發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢展望了其廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新能源發(fā)電技術(shù)；新能源；發(fā)電技術(shù)

0　引言

目前，全球資源逐漸減少，環(huán)境問題越來越受到人們的重視，利用傳統(tǒng)煤、石油等化石能源來發(fā)電即將受到很多局限，能源的開發(fā)面臨著新的問題和挑戰(zhàn)，充分開發(fā)利用可再生能源顯得頗為重要。新能源是指在科學(xué)技術(shù)上開發(fā)和利用的非常規(guī)性的綠色能源，運用新能源轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展[1]。可見，研究太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物能、小水電等清潔的可再生能源的發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為電力能源革命的重中之重，必須引起電力領(lǐng)域的關(guān)注。

本文介紹了常見的技術(shù)較為成熟的應(yīng)用較為廣泛的新能源發(fā)電技術(shù)。主要針對其研究、發(fā)展以及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了闡述，并就現(xiàn)階段的研究熱點和存在問題進行了總結(jié)和詳細介紹。

1　新能源發(fā)電技術(shù)概念及現(xiàn)狀

能源緊缺已成為制約各國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，如何開發(fā)新能源發(fā)電技術(shù)也隨之成為世界各國關(guān)心的課題[2]。一直以來，主要依靠煤等化石能源發(fā)電，帶來了環(huán)境污染等諸多社會問題，在化石能源儲量不斷減少的情況下，發(fā)展新能源發(fā)電顯得非常必要。新能源發(fā)電主要指充分利用風(fēng)力、光伏、沼氣等天然可再生的清潔一次能源發(fā)電，新能源發(fā)電由于資源分布較為分散，不便于大規(guī)模集中開發(fā)利用，一般新能源發(fā)電是在資源分布的區(qū)域，建立中小型發(fā)電裝置，新能源發(fā)電既可以獨立向電力負荷供電，即獨立運行，不與公共電網(wǎng)連接，也可以選擇并網(wǎng)運行，即將新能源發(fā)電裝置與公共電網(wǎng)相連，新能源發(fā)出的電量直接輸出到電網(wǎng)。但一般新能源發(fā)電電量較小且分布在電力用戶附近，可以看做吸收負電量的負荷，與配電網(wǎng)一起為電力負荷供電，充分利用了可再生能源，減少了環(huán)境的污染，實現(xiàn)了社會效益的最大化，很大程度提高了能源的利用效率。目前，在新能源發(fā)電技術(shù)方面國內(nèi)外已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛應(yīng)用[3]。

新能源發(fā)電技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速。特別是在部分發(fā)達國家，諸如美國、歐盟和日本等國家，已經(jīng)取得了非常顯著的成果，部分發(fā)達國家已經(jīng)在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中把新能源技術(shù)放到非了首位，部分國家與地區(qū)已經(jīng)為新能源發(fā)電技術(shù)研制較為長遠的規(guī)劃，如歐盟已經(jīng)首先提出新的發(fā)展目標，進一步提高可再生能源占歐盟總能源消耗的比例，要求到2020年該比例達到20％。美國于2007年簽署了新的能源法案，提倡推進新能源的利用和節(jié)能環(huán)保計劃[4]。在我國集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的情形下，不能靈活跟蹤負荷的變化，無法及時更改供電量等大電網(wǎng)的弊端凸顯，在此基礎(chǔ)上發(fā)展用戶端的新能源發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)新能源發(fā)電與電力用戶結(jié)合的微型電網(wǎng)也將是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

2　風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能是目前受到世界各國最為重視可再生能源之一，蘊量巨大，據(jù)報道全球的風(fēng)能含量約為2.74×109MW，方便開發(fā)利用，在全球風(fēng)能約2×107MW可利用，全球可開發(fā)利用的風(fēng)能非常可觀，具有極大開發(fā)利用價值。風(fēng)能發(fā)電技術(shù)通過風(fēng)力帶動風(fēng)力機轉(zhuǎn)動將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機械動能，與風(fēng)力機同軸安裝的發(fā)電機將隨著風(fēng)力機一起轉(zhuǎn)動把機械能轉(zhuǎn)化為電能。所以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要的組成部件包括風(fēng)力機、發(fā)電機和變速箱等。但風(fēng)能有著其獨特之處，其能量密度低，間歇性和隨機性也是其突出的特點，為了充分開發(fā)利用風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電中的控制技術(shù)是核心技術(shù)也是安全高效運行的關(guān)鍵。在國內(nèi)外的研究中，在風(fēng)力發(fā)電的控制中取得了顯著的成果，已經(jīng)研制較為完善的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和非常成熟的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)，能夠很好的適用于風(fēng)力變換的隨機性，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行可靠、能量轉(zhuǎn)換效率，為進一步推廣應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)奠下了堅實的基礎(chǔ)。

目前,隨著研究的深入，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為了新能源中技術(shù)最成熟的發(fā)電方式，全球都在大力推廣風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，目前，技術(shù)已經(jīng)很成熟風(fēng)力發(fā)電效益得到了很大的提高，其發(fā)電成本與常規(guī)發(fā)電成本相當，在可以預(yù)見的未來，風(fēng)力發(fā)電在電力領(lǐng)域所占的比重將會越來越大。我國也投入了大量的人力和物力于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，也取得了可以廣泛推廣的成果，在2006年成功投運了國產(chǎn)化率高達90％，完全具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電機組，裝機容量達112MW，標志著我國較高的風(fēng)力發(fā)電研究應(yīng)用水平。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，我國不再局限于陸地的風(fēng)能的開發(fā)，逐漸將風(fēng)力發(fā)電朝著離岸型發(fā)展，充分利用我國海域內(nèi)豐富的風(fēng)能資源，由預(yù)測可知到2030年，風(fēng)力發(fā)電量將約占全國總發(fā)電量的10％。

3　太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能是可利用的儲量最豐富的可再生能源之一，可以說是取之不竭、用之不盡。太陽能不方便直接利用，利用的太陽的方式太陽能發(fā)電，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。目前，太陽能的發(fā)電形式主要有兩種。一種是利用廣深輔導(dǎo)大效應(yīng)，主要是利用光生伏特效應(yīng)將光的輻射能轉(zhuǎn)化為電能；另一種是利用太陽能的熱能推動汽輪機轉(zhuǎn)動發(fā)電，即光熱發(fā)電[5]。

3.1光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是目前利用太陽能的主要形式，太陽能電池在太陽光的照射下，光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能。一般光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有光伏電池板、控制器和電能儲存及逆變器等幾個部分組成。光伏電池板產(chǎn)生的電能為直流電，一般供給于直流負荷及光伏發(fā)電系統(tǒng)配置的儲能電池，儲能電池組主要是為了平抑光伏發(fā)電輸出的波動性。電力系統(tǒng)大多負荷為交流負荷，需要通過逆變器轉(zhuǎn)換后，為交流負荷供電或者將電能輸送給電網(wǎng)。典型光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖 1所示。

圖1　典型光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電技術(shù)在全球都取得較為突出的成績，在各地都廣泛應(yīng)用了光伏發(fā)電技術(shù)。在光伏發(fā)電領(lǐng)域中，我國已經(jīng)處于全球領(lǐng)先水平，形成了行業(yè)的標準，特別是在太陽能電池組件的生產(chǎn)能力等方面取得了非常卓越的成果。近年來，在光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)方面主要著力于光伏電池板及應(yīng)用系統(tǒng)等光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究，為進一步推進光伏發(fā)電技術(shù)的全面應(yīng)用打下基礎(chǔ)。在我國已經(jīng)形成了非常成功的光伏發(fā)電案例，在深圳和拉薩分別建成了兆瓦級低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電站和100kW的高壓并網(wǎng)發(fā)電站，光伏電站的成功運行為進一步規(guī)模化發(fā)展和推廣光伏發(fā)電技術(shù)的積累了豐富的經(jīng)驗[6]。

3.2光熱發(fā)電

光熱發(fā)電的原理是將自然界的光能聚集到一起，通過大量的熱能將水變成氣態(tài)，利用汽輪發(fā)電機發(fā)電，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。光熱發(fā)電也是太陽能有效利用的形式，光熱發(fā)電根據(jù)不同的形式可以分為塔式太陽能光熱發(fā)電、槽式太陽能光熱發(fā)電和碟式太陽能光熱發(fā)電等幾種，由于研究技術(shù)的局限，目前光熱發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)化率較低、商業(yè)化成本還較高，沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用。在光熱發(fā)電方面還需要投入大量的研究工作建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，從而降低光熱發(fā)電成本便于商業(yè)化推廣應(yīng)用。

在全球范圍內(nèi)，光熱發(fā)電也得到了一定的發(fā)展，截止2009年的統(tǒng)計，建成成功投運的光熱電站總的裝機容量已達73.6MW，隨著技術(shù)的提高，光熱發(fā)電將得到一定的發(fā)展。在我國光熱發(fā)電方面的研究進展較為緩慢，不過也取得的一定的成績[7]，國內(nèi)首座70kW塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)于2005年在南京太陽能試驗場順利建成，并成功投入并網(wǎng)發(fā)電；于2004年單軸跟蹤的槽式太陽能聚光器在通州實驗基地開始成功運行[8]；光熱發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)為我國充分利用太陽能這種新能源推進了一步。

4　燃料電池發(fā)電技術(shù)

燃料電池發(fā)電技術(shù)也是目前深受關(guān)注的新型發(fā)電技術(shù)，主要是利用空氣中的氧氣和提取的氫氣通過化學(xué)轉(zhuǎn)換，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。其中化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能裝置稱為燃料電池，燃料電池的反應(yīng)物燃料和氧氣由外部不斷輸入，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。燃料電池主要由預(yù)處理裝置、燃料電池堆和并網(wǎng)逆變裝置（PCU）等部分組成[4]，其簡要結(jié)構(gòu)如圖 2所示。燃料電池具有裝置簡單，轉(zhuǎn)化效率高、無污染廢棄物等諸多優(yōu)點，經(jīng)進一步研究將具有很大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。

圖2　燃料電池的結(jié)構(gòu)

近幾年來，燃料電池技術(shù)得到了社會各界的重視，在全球各國已經(jīng)逐漸的形成了發(fā)展燃料電池技術(shù)的熱潮。在北美燃料電池的研發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)得到了突破，形成了較大的規(guī)模和較為活躍市場，在歐洲和日本也取得了較為突出的發(fā)展。我國近年來加大了對燃料電池研究的投入，在“863”計劃和“十五”規(guī)劃中高度重視研究燃料電池相關(guān)的基礎(chǔ)理論，國家自然科學(xué)基金也對部分高校的燃料電池研究項目給予了大力的資助。可見，我國的燃料電池技術(shù)的重視，可以預(yù)見燃料電池明朗的未來。

5　沼氣發(fā)電技術(shù)

沼氣發(fā)電技術(shù)是近階段興起的新型發(fā)電技術(shù)。主要是利用有機廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，通過沼氣在內(nèi)燃機中燃燒，產(chǎn)生大量的熱量，帶動汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，從而實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換，即從化學(xué)能轉(zhuǎn)成方便利用的電能[9]，常見的沼氣發(fā)電系統(tǒng)配置如圖 3所示。

圖3　沼氣發(fā)電系統(tǒng)配置

從全球范圍來看，沼氣發(fā)電技術(shù)已受到廣泛重視和積極推廣，在美國、德國、日本、荷蘭等國家已經(jīng)取得實際運行成果[10]。我國在沼氣發(fā)電領(lǐng)域研發(fā)已經(jīng)有了較長的時間，浙江杭州于1998年建成全國首家垃圾沼氣發(fā)電廠，接著深圳建成下坪和南山兩個沼氣發(fā)電廠。隨著成功經(jīng)驗的推廣，目前，北京、上海、南京等大中城市籌備修建垃圾沼氣發(fā)電廠，充分的將資源轉(zhuǎn)換成能源。隨著多年對沼氣發(fā)電技術(shù)的研究，我國已經(jīng)建立了具有高水平強能力的研發(fā)隊伍，并通過生產(chǎn)基地以及實際投運電站的成功經(jīng)驗的積累，為沼氣發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究再上臺階奠定了基礎(chǔ)。

6　總結(jié)

利用可再生能源代替化石能源發(fā)電是電力發(fā)展的趨勢，本文主要闡述了在我國應(yīng)用較為廣泛幾種新能源發(fā)電技術(shù)，從新能源發(fā)電的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀開始，簡要的分析了其發(fā)電原理，常規(guī)能源的有限性和環(huán)境壓力的情景下，使世界各國必然重新加強對新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，新能源發(fā)電技術(shù)將面臨著更加廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：譚輝（1982-），男，工程師，研究方向：為配電網(wǎng)規(guī)劃。