新能源發(fā)電技術(shù)研究綜述

目前，資源逐漸減少，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，利用傳統煤、石油等化石能源來(lái)發(fā)電即將受到很多局限，能源的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)新的問(wèn)題和挑戰，充分開(kāi)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(kāi)發(fā)和利用的非常規性的綠色能源，運用新能源轉化為電能，實(shí)現資源的可持續發(fā)展?？梢?jiàn)，研究太陽(yáng)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。

常見(jiàn)的技術(shù)較為成熟的應用較為廣泛的新能源發(fā)電技術(shù)。主要針對其研究、發(fā)展以及應用現狀進(jìn)行了闡述，并就現階段的研究熱點(diǎn)和存在問(wèn)題進(jìn)行了總結和詳細介紹。

1、新能源發(fā)電技術(shù)概念及現狀

能源緊缺已成為制約各國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，如何開(kāi)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。一直以來(lái)，主要依靠煤等化石能源發(fā)電，帶來(lái)了環(huán)境污染等諸多社會(huì )問(wèn)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，不便于大規模集中開(kāi)發(fā)利用，一般新能源發(fā)電是在資源分布的區域，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(hù)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(shí)現了社會(huì )效益的zui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)方面國內外已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛應用。

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(zhù)的成果，部分發(fā)達國家已經(jīng)在能源結構調整過(guò)程中把新能源技術(shù)放到非了位，部分國家與地區已經(jīng)為新能源發(fā)電技術(shù)研制較為長(cháng)遠的規劃，如歐盟已經(jīng)首先提出新的發(fā)展目標，進(jìn)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(jìn)新能源的利用和節能環(huán)保計劃。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(wú)法及時(shí)更改供電量等大電網(wǎng)的弊端凸顯，在此基礎上發(fā)展用戶(hù)端的新能源發(fā)電技術(shù)，實(shí)現新能源發(fā)電與電力用戶(hù)結合的微型電網(wǎng)也將是我國電力系統發(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zui為重視可再生能源之一，蘊量巨大，據報道的風(fēng)能含量約為2.74×109MW，方便開(kāi)發(fā)利用，在風(fēng)能約2×107MW 可利用，可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能非?？捎^(guān)，具有極大開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。風(fēng)能發(fā)電技術(shù)通過(guò)風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)力機轉動(dòng)將風(fēng)的動(dòng)能轉變成機械動(dòng)能，與風(fēng)力機同軸安裝的發(fā)電機將隨著(zhù)風(fēng)力機一起轉動(dòng)把機械能轉化為電能。所以風(fēng)力發(fā)電系統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(zhù)其*之處，其能量密度低，間歇性和隨機性也是其突出的特點(diǎn)，為了充分開(kāi)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)也是安全運行的關(guān)鍵。在國內外的研究中，在風(fēng)力發(fā)電的控制中取得了顯著(zhù)的成果，已經(jīng)研制較為完善的風(fēng)力發(fā)電系統和非常成熟的風(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)電系統運行可靠、能量轉換效率，為進(jìn)一步推廣應用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)奠下了堅實(shí)的基礎。

目前, 隨著(zhù)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)zui成熟的發(fā)電方式，都在大力推廣風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應用，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)電成本與常規發(fā)電成本相當，在可以預見(jiàn)的未來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在電力領(lǐng)域所占的比重將會(huì )越來(lái)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%，*具有國內自主知識產(chǎn)權的風(fēng)力發(fā)電機組，裝機容量達112MW，標志著(zhù)我國較高的風(fēng)力發(fā)電研究應用水平。隨著(zhù)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(kāi)發(fā)，逐漸將風(fēng)力發(fā)電朝著(zhù)離岸型發(fā)展，充分利用我國海域內豐富的風(fēng)能資源，由預測可知到2030 年，風(fēng)力發(fā)電量將約占全國總發(fā)電量的10%。

3、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能是可利用的儲量zui豐富的可再生能源之一，可以說(shuō)是取之不竭、用之不盡。太陽(yáng)能不方便直接利用，利用的太陽(yáng)的方式太陽(yáng)能發(fā)電，將太陽(yáng)能轉換成電能。目前，太陽(yáng)能的發(fā)電形式主要有兩種。一種是利用廣深輔導大效應，主要是利用光生伏應將光的輻射能轉化為電能；另一種是利用太陽(yáng)能的熱能推動(dòng)汽輪機轉動(dòng)發(fā)電，即光熱發(fā)電。

3.1光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是目前利用太陽(yáng)能的主要形式，太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光的照射下，光生伏應產(chǎn)生電能。一般光伏發(fā)電系統主要有光伏電池板、控制器和電能儲存及逆變器等幾個(gè)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(dòng)性。電力系統大多負荷為交流負荷，需要通過(guò)逆變器轉換后，為交流負荷供電或者將電能輸送給電網(wǎng)。典型光伏發(fā)電系統的構成如下圖1所示。

光伏發(fā)電技術(shù)在都取得較為突出的成績(jì)，在各地都廣泛應用了光伏發(fā)電技術(shù)。在光伏發(fā)電領(lǐng)域中，我國已經(jīng)處于水平，形成了行業(yè)的標準，特別是在太陽(yáng)能電池組件的生產(chǎn)能力等方面取得了非常的成果。近年來(lái)，在光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)方面主要著(zhù)力于光伏電池板及應用系統等光伏發(fā)電系統中的關(guān)鍵技術(shù)研究，為進(jìn)一步推進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)的全面應用打下基礎。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(jìn)一步規?；l(fā)展和推廣光伏發(fā)電技術(shù)的積累了豐富的經(jīng)驗。

圖1 典型光伏發(fā)電系統

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(guò)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(yáng)能轉換成電能。光熱發(fā)電也是太陽(yáng)能有效利用的形式，光熱發(fā)電根據不同的形式可以分為塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電、槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電和碟式太陽(yáng)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)轉化率較低、商業(yè)化成本還較高，沒(méi)有得到廣泛的推廣應用。在光熱發(fā)電方面還需要投入大量的研究工作建立率、大容量、高聚光比的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統，從而降低光熱發(fā)電成本便于商業(yè)化推廣應用。

在范圍內，光熱發(fā)電也得到了一定的發(fā)展，截止2009年的統計，建成成功投運的光熱電站總的裝機容量已達73.6MW，隨著(zhù)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(jìn)展較為緩慢，不過(guò)也取得的一定的成績(jì)，*座70kW塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統于2005年在南京太陽(yáng)能試驗場(chǎng)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(yáng)能聚光器在通州實(shí)驗基地開(kāi)始成功運行；光熱發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)為我國充分利用太陽(yáng)能這種新能源推進(jìn)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(guò)化學(xué)轉換，將化學(xué)能轉換成電能。其中化學(xué)能轉換成電能裝置稱(chēng)為燃料電池，燃料電池的反應物燃料和氧氣由外部不斷輸入，通過(guò)化學(xué)反應產(chǎn)生電能。燃料電池主要由預處理裝置、燃料電池堆和并網(wǎng)逆變裝置(PCU) 等部分組成，其簡(jiǎn)要結構如圖 2 所示。燃料電池具有裝置簡(jiǎn)單，轉化效率高、無(wú)污染廢棄物等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)進(jìn)一步研究將具有很大的發(fā)展和應用潛力。

圖2　燃料電池的結構

近幾年來(lái)，燃料電池技術(shù)得到了社會(huì )各界的重視，在各國已經(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，形成了較大的規模和較為活躍市場(chǎng)，在歐洲和日本也取得了較為突出的發(fā)展。我國近年來(lái)加大了對燃料電池研究的投入，在"863"計劃和"十五"規劃中高度重視研究燃料電池相關(guān)的基礎理論，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?？梢?jiàn)，我國的燃料電池技術(shù)的重視，可以預見(jiàn)燃料電池明朗的未來(lái)。

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(guò)沼氣在內燃機中燃燒，產(chǎn)生大量的熱量，帶動(dòng)汽輪機和發(fā)電機轉動(dòng)發(fā)電，從而實(shí)現了能量的轉換，即從化學(xué)能轉成方便利用的電能，常見(jiàn)的沼氣發(fā)電系統配置如圖3所示。

圖3　沼氣發(fā)電系統配置
從范圍來(lái)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(shí)際運行成果。我國在沼氣發(fā)電領(lǐng)域研發(fā)已經(jīng)有了較長(cháng)的時(shí)間，浙江杭州于1998年建成全國垃圾沼氣發(fā)電廠(chǎng)，接著(zhù)深圳建成下坪和南山兩個(gè)沼氣發(fā)電廠(chǎng)。隨著(zhù)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(chǎng)，充分的將資源轉換成能源。隨著(zhù)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(guò)生產(chǎn)基地以及實(shí)際投運電站的成功經(jīng)驗的積累，為沼氣發(fā)電技術(shù)的應用研究再上臺階奠定了基礎。