非水可再生能源發電技術概況

非水可再生能源是指除了常規能源（煤炭、石油、天然氣、水能、核能）以外的各種形式的能源，通常包括風能、太陽能、潮汐能、地熱能、生物質能等可再生能源和可燃冰、未來的核聚變等。非水可再生能源是一類蘊藏量極大、取之不盡用之不竭、潔凈無污染的能源。大力發展非水可再生能源是推動國家能源結構調整的重要力量，符合國家可持續發展的戰略要求，有利于人與自然和諧發展。在化石能源逐漸枯竭，氣候變暖問題日益嚴重的今天，開發利用非水可再生能源，既是解決當前能源供需矛盾的重要措施，也是解決未來能源問題的必然選擇。

風力發電

世界風力發電技術的發展

利用風能發電始于19世紀末。1891年，丹麥拉庫爾研制成利用風能驅動的兩臺9kW直流發電機組，從此為人類利用風能開創了新途徑。1910年，丹麥已擁有微型、小型風力發電機組1萬余臺，荷蘭有2萬余臺，主要用于排灌、照明。20世紀五六十年代，由于水、火電站和電網的發展，風力發電多在偏遠農村、邊遠地區采用。

20世紀70年代世界發生兩次石油危機，石油漲價，能源短缺，風力發電重新引起許多國家的重視，在北美、西歐、北歐等國家取得了很大的進展。在20世紀80年代末，已研制成風輪直徑100m、功率為4000-5000kW的大型風力發電機組。20世紀末、21世紀初，MW級及以上的風電機組被廣泛應用。到2008年底，全球風電裝機容量為1.2億kW，其中美國為25173MW，居世界第一。

中國風力發電技術的發展

中國陸地50m高度上達到3級（年平均風功率密度≥300W/m2）以上風能資源的潛在開發量約23.8億kW，達到4級（年平均風功率密度≥400W/m2）以上的潛在開發量約11.3億kW。中國近海水深5-25m區域50m高度層達到3級以上風能資源的可裝機容量約2億kW，中國風能資源豐富的地區主要分布在“三北”（東北、華北、西北）地區、內蒙古地區和東南沿海及附近島嶼。從發展歷程來看，中國風電發展可劃分為三個階段。

第一階段（1957-1971年）為起步階段。1957年，吉林白城曾試制1臺66kW的微型風電機組，隨后安徽、遼寧、山西、內蒙古、新疆等地相繼制造多臺微型風電機組，但由于技術問題未能長期運行。

第二階段（1972-1995年）為初創示范階段。1972年中國利用退役的直-5飛機旋翼作風機葉片制成1臺18kW風電機組。1978年中國將研制風機設備列為國家重點項目后，科研機構、高校和制造廠家聯合研制和生產了微型和1kW、3kW、4kW、8kW4種小型風電機組。1985年，山東從丹麥購進3臺55kW風電機組，在榮城建設中國第一個風電場。中國制造的首臺55kW和200kW風電機組安裝在福建平潭島，分別于1989年12月和1993年4月投入運行。

第三階段（1996-2012年）為發展階段。1996年3月國家計劃委員會制定“乘風計劃”，中國風力發電開始加速發展。進入21世紀，中國風電的建設突飛猛進。2009年，中國制定完成了7個千萬千瓦級大型風電基地規劃，累計規劃裝機超過1億kW。2010年底，全國風電裝機容量為40850MW，其中并網風電裝機容量達到31070MW。

截至2010年底，中國的風電整機制造企業已超過70家。借助于1MW、1.5MW和2MW級機組的技術引進，通過聯合研制或自主研發，中國風電設備制造能力有了大幅提高，很快與世界風電技術接軌。單機容量1.5MW機組已實現批量生產，成為市場主力；變槳變速機組技術成為標準配置。同時，解決了齒輪箱、發電機、槳葉、變頻器和控制器等技術難題，使關鍵零部件本土化生產能力達到80%以上，基本形成完整的風電設備制造產業鏈。

太陽能發電

世界太陽能發電技術的發展

太陽能發電按其能源轉換形式，可分為太陽能光伏發電和太陽能熱發電兩大類。

太陽能光伏發電是直接把太陽光能轉化為電能。實現光電轉換的基本元件是太陽能光伏電池。1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一批可供實用的單晶硅太陽能電池，光電轉換效率為6%；1984年，美國創建了世界上首座商業化運營的PVI太陽能電池電站，一期工程裝機容量1000kW。以后太陽能光伏發電獲得了較大的發展。

太陽能熱發電是利用太陽輻射能轉化成熱能，再轉化成機械能而發電。接收太陽能輻射的方式，主要有塔式、槽式和碟式三類。

20世紀40年代末，蘇聯利瓦茲吉姆首先提出塔式太陽能熱發電的構想。法國是世界上最早建成塔式太陽能熱發電的國家。1976年，法國1臺64kW的塔式太陽能熱發電裝置投入運行。1981年，日本1座1000kW槽式太陽能熱電站投入運行。

1902年羅馬尼亞的卡列克辛斯基提出了太陽池發電的設想。1979年12月19日，以色列在死海建造的150kW太陽池發電站投入運行。太陽池發電方式不需要昂貴的集熱系統，不存在傳統太陽能熱電站間歇發電的問題，具有很大的儲能本領，從潛力上可作為電網調峰之需。

在太陽能發電方面，許多國家還正在探索新的轉換方式，包括研究設計既能供電又能供熱的全能系統，提高熱能利用總效率；研制低溫太陽能磁流體發電裝置，以及試驗制造熱化學太陽能發電裝置。

中國太陽能發電技術的發展

中國太陽能發電的主要方式是太陽能光伏發電。1959年中國科學院半導體研究所研制成功第一片具有實用價值的太陽能光伏電池。1973年在天津港的海面航標燈上首次應用14.7W太陽能光伏電池。1979年中國開始利用半導體工業廢次硅材料生產單晶硅太陽能光伏電池。

20世紀90年代以來，中國太陽能光伏電池產量快速增長，2010年太陽能光伏電池產量超過5000MW，約占全球產量的50%。中國的光伏發電系統的應用主要有三個方面：一是戶用光伏發電系統和建設小型光伏電站，來解決偏遠地區無電村和無電戶的供電問題。二是建筑物光伏電源。北京、深圳、上海等城市已經建設了大量的照明光伏電源。三是大型并網光伏系統示范電站。2007年，兆瓦級光伏發電站在上海崇明并網發電試運行，裝機容量1MW。在“光電建筑”“金太陽示范工程”和敦煌大型荒漠光伏電站招標等多個項目的帶動下，2010年底，中國裝機容量已達到700MW。

太陽能光伏發電的投資較大，光伏發電電價是煤電的3-4倍。但是，隨著技術進步，光伏電力上網電價與常規能源電價的差距正在逐步縮小。

中國的太陽能熱發電技術還處于起步階段，但是發展很快，第一臺50MW太陽能熱發電機組正在內蒙古鄂爾多斯建設中。中國的太陽能熱利用主要集中在中低溫，太陽能熱水器的產量、保有量都居世界第一。太陽能中溫利用（150℃）已有科研成果產生。

生物質能發電

世界生物質能發電技術的發展

生物質能發電包括垃圾發電、農林生物質發電（單燒、混燒、氣化）。

20世紀50年代初，聯邦德國、法國最早應用垃圾發電技術，繼而美國、日本迎頭趕上。2003年美國垃圾發電裝機容量達3300MW。

利用農林生物質能發電起源于20世紀70年代。1988年在丹麥誕生了世界上第一座秸稈生物燃燒發電廠，容量為5MW。截至2004年，世界生物質能發電裝機已達3900萬kW，年發電量約2000億kW·h，可替代700萬tce（噸標準煤）。英國坎貝斯的生物質能發電是目前世界上最大的秸稈發電廠，裝機容量308萬kW。

中國生物質能發電技術的發展

中國目前現有生物質資源折合約5.4億tce，可能源利用的資源量約2.9億tce；預計2050年中國生物質資源理論值最高可達14億tce，可供清潔能源化利用的生物質資源潛力最高可達8.9億tce。中國最早開始利用垃圾發電是在1988年，在深圳建成一座2臺垃圾處理量為6.25t/h的馬丁式焚燒爐、2臺余熱鍋爐和1臺500kW背壓式汽輪發電機組，全部設備從日本三菱公司引進。運行不久，擴建了1臺國產垃圾焚燒爐，原500kW發電機組拆除改裝國產4000kW機組，于1994年正式發電。截至2007年中國投運和在建的垃圾焚燒發電廠計有75座，共68.54MW。

農林生物質發電包括生物質氣化發電和生物質直燃發電。2000年，福建莆田縣建成中國首座生物氣化電站，安裝了5臺200kW發電機組，總容量1000kW。

截至2010年底，江蘇、山東、安徽、河北、河南、甘肅、江西等10個省，共有約50個生物質發電工程投產。2010年全國生物質發電裝機容量約5500MW。

雖然中國的生物質能發電取得了很好的成績，但在生物質的收集、運輸、儲存及進料設備等方面還存在著許多技術和成本問題需要解決。從長遠看，生物質的最佳利用途徑是轉化成生物質液體作交通燃料使用。

地熱發電

世界地熱能發電技術的發展

1913年，世界上第一座地熱電站在意大利拉德瑞羅投入運行，裝機容量250kW。1960年，美國第一座蓋瑟爾斯地熱電站投入運行，到1989年該電站的裝機容量已達到191.8萬kW，是世界上最大的地熱電站。

干熱巖發電是地熱發電的另一種利用方式。早在1970年，美國人莫頓和史密斯就提出利用地下干熱巖發電的設想。1972年，美國在新墨西哥州北部打了兩口約4000m的深斜井，從一口井中將冷水注入干熱巖體，從另一口井取出自巖體加熱產生的蒸汽，功率達2300kW，標志著干熱巖的開發利用研究從概念模式轉入到實驗階段。隨著技術的成熟，試驗電廠的發電量也逐漸由3MW增大到11MW，更加接近商業開發的規模。

中國地熱能發電技術的發展

中國地熱資源潛力（資源基數）為11×106EJ/a，占全球的7.9%。主要分布在云南、西藏、四川西部。中國地熱發電始于1970年。廣東豐順縣鄧屋建成中國第一座閃蒸系統地熱水發電試驗電站，單機容量為86kW。1977年西藏羊八井地熱電站建成投運，單機容量1000kW，由青島汽輪機廠制造，隨后相繼安裝了7臺青島汽輪機廠制造的3000kW機組和1臺日本進口的3180kW機組，到1991年裝機總容量達25180kW，它是利用145℃的汽水混合地熱水發電。目前實際運行的有西藏羊八井、郎久，廣東豐順、湖南灰湯四座，裝機容量為25.78MW。

海洋能發電

世界海洋能發電技術的發展

海洋能是指蘊藏在海水中的可再生的自然能源，主要為潮汐能、海水溫差能和海水波浪能。

1912年，德國建成世界首座布魯姆試驗潮汐電站。1968年法國建成世界上最大的朗斯潮汐電站，安裝了24臺10MW雙向貫流式機組，年發電量5.44億kW·h。20世紀七八十年代，日本、挪威也相繼建成實驗性潮汐電站。由于潮汐電站的潮差水頭低，單機容量小，裝機臺數多，機組投資一般占電站總投資的50%，如何采用先進技術降低機組造價，是發展潮汐電站的關鍵問題之一。

1979年，美國在夏威夷建成世界第一座商業性海水溫差電站，機組容量53kW，凈出力15kW。1982年，日本在太平洋中部瑙魯島建成100kW海水溫差發電試驗電站。利用海洋熱能轉換技術發電，技術復雜，投資大，發電成本高，缺乏競爭力。

1964年，日本最早制成波浪能發電的航船浮標燈。1980年和1985年日本波浪能發電船“海明”號進行了兩次海上試驗，船上22個無底空氣室所產生的空氣流，導向低壓空氣輪機，帶動9臺125kW發電機旋轉發電，它是目前世界上裝機容量最大的波浪能發電裝置。

中國海洋能發電技術的發展

中國是世界上建造潮汐電站最多的國家，在20世紀50-70年代先后建造了近50座潮汐電站，終因技術和管理方面的原因只有8個電站仍在正常運行發電。1974年開始建設的浙江清樂灣的江廈潮汐電站是中國最大的潮汐電站，1985年建成，總容量為3200kW，電站屬于單庫雙運行方式。

中國海水溫差能發電技術尚處在科研開發階段。1985年中國科學院廣州能源研究所開始對溫差利用中的一種“霧滴提升循環”方法進行實驗室研究，建造了兩座容量分別為10W和60W的試驗臺。

中國波浪能發電研究始于1975年，1977年1臺1kW波浪發電浮標在崇明島和長江口試驗成功。1985年，廣州能源研究所研制成60W波浪發電裝置。1999年在青島即墨大官島建成100kW擺式波浪電站并試運成功。2000年廣東汕尾市遮浪100kW岸式振蕩水柱電站投運。中國波浪能發電的理論存儲量約為7000萬kW，其中可開發利用量3000萬-3500萬kW。（作者程鈞培系中國動力工程學會副理事長，原上海發電設備成套設計研究所所長）