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淺談新能源技術(shù)論文篇一

論新能源發(fā)電技術(shù)

摘要：本文從全球能源的現(xiàn)狀，介紹了中國能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)中國新能源發(fā)電對現(xiàn)代化建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。進(jìn)一步介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)兩種新能源發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今非水可再生能源發(fā)電中技術(shù)最成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)電方式，也是近期發(fā)展的重點。燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，它能量轉(zhuǎn)化效率高，幾乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。

關(guān)鍵詞：新能源;風(fēng)能;燃料電池;發(fā)電技術(shù)

中圖分類號： F206 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

能源緊缺已成為制約各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，如何開發(fā)先進(jìn)安全的新能源使用技術(shù)、如何提高能源利用率也隨之成為世界各國關(guān)心的課題。歐盟就首先提出了20-20-20計劃：到2020 年，可再生能源占?xì)W盟總能源消耗的20%。2007年12月，美國前總統(tǒng)布什也簽署了《能源獨立和安全法案》(EISA)，從而大力推動新能源的使用和節(jié)能計劃。另外，從環(huán)境的角度來看，為了保護(hù)人們賴以生存的地球，開發(fā)新能源也是必由之路。

一、我國能源和發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

2011年，我國新能源發(fā)電繼續(xù)保持快速發(fā)展態(tài)勢，并網(wǎng)裝機(jī)容量持續(xù)增長，發(fā)電量不斷增加。截至2011年底，我國新能源安裝容量達(dá)到7000萬kW，居世界首位，并網(wǎng)新能源裝機(jī)容量達(dá)到5409萬kW，同比增長47.4%，約占全部發(fā)電裝機(jī)容量的5.1%。其中，風(fēng)電并網(wǎng)容量約占并網(wǎng)新能源裝機(jī)總量的85.5%;并網(wǎng)太陽能光伏裝機(jī)容量約占并網(wǎng)新能源裝機(jī)總量的4.4%;生物質(zhì)及其他新能源發(fā)電裝機(jī)容量約占并網(wǎng)新能源裝機(jī)總量的10.1%。

2011年，我國新能源發(fā)電量約為1016億kW?h，同比增長29.9%，約占全部發(fā)電量的2.2%。其中，風(fēng)電發(fā)電量約占新能源發(fā)電總量的72.0%;太陽能光伏發(fā)電約占0.9%;生物質(zhì)及其他新能源發(fā)電約占27.1%。2011年我國新能源發(fā)電量按發(fā)電煤耗320g/(kW?h)計算，相當(dāng)于節(jié)約3241萬tce，減排二氧化碳9030萬t。

電能是國民生活和生產(chǎn)的根基，無論是從能源角度，還是電力系統(tǒng)自身方面來看，研究新能源發(fā)電技術(shù)對于我國的現(xiàn)代化建設(shè)和人民生活都具有相當(dāng)大的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

二、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能資源主要包括陸地資源與近海離岸資源兩部分。風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今非水可再生能源發(fā)電中技術(shù)最成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)電方式，也是目前新能源發(fā)展的重點方向。

1.發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展，這與我國的風(fēng)能資源豐富密不可分。據(jù)有關(guān)資料顯示，陸地上離地面10米高度處，我國風(fēng)能資源理論儲量約為43億千瓦，技術(shù)可開發(fā)量約為3億千瓦，離地面50米，估計可能增大一倍;近海資源10米高經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量約7.5億千瓦，50米高約15億千瓦。從我國聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場總裝機(jī)量來說，到2006 年底，我國已建成約91個風(fēng)電場，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到約260萬千瓦，比2005年新增裝機(jī)134萬千瓦，增長率為105%。根據(jù)國家中長期規(guī)劃，2015年風(fēng)能發(fā)電要達(dá)到1500萬千瓦，2020年要達(dá)到3000萬千瓦。但是，與風(fēng)電發(fā)達(dá)國家相比，我國的發(fā)展規(guī)模還很小，發(fā)展速度也較緩慢。制約我國風(fēng)電發(fā)展的重要因素包括技術(shù)和制度兩個方面。技術(shù)方面，風(fēng)電機(jī)組的制造水平較低，風(fēng)電機(jī)組性能測試設(shè)備和技術(shù)也相對落后，并缺少相應(yīng)的認(rèn)證機(jī)構(gòu);制度方面，風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)水平和制度與國外風(fēng)電場及國內(nèi)火電生產(chǎn)相比有明顯差距，缺乏對運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題和故障的詳細(xì)記錄、分析。

2.對電力系統(tǒng)的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以風(fēng)作為原動力，風(fēng)的隨機(jī)波動性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能輸出也是波動和間歇的。所以，風(fēng)電場的大規(guī)模接入將會帶來波動功率，從而加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性等。

(1)對電能質(zhì)量的影響。空氣氣流運(yùn)動導(dǎo)致的風(fēng)速波動周期一般為幾秒到幾分鐘，這種短周期的風(fēng)速波動以及風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。首先會對頻率產(chǎn)生影響：風(fēng)力發(fā)電有功功率波動引起電磁功率的波動，由于發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子慣性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)很難跟上電磁功率的瞬時變化，造成功率不平衡，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，系統(tǒng)頻率也將改變。此外，風(fēng)電還會對電壓產(chǎn)生影響：并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動導(dǎo)致電壓的波動，而其輸出功率的頻率范圍正處于電壓閃變的范圍之內(nèi)(25Hz)，因此又會造成電壓閃變，最后會產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流。

(2)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。對較為薄弱的電網(wǎng)，風(fēng)電功率波動將導(dǎo)致瞬間電壓跌落以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻繁掉線。在故障清除之后，發(fā)電機(jī)的磁化和轉(zhuǎn)差率的增加會消耗大量無功，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓恢復(fù)困難。

(3)對調(diào)頻調(diào)峰能力的影響。氣流長時間、季節(jié)性運(yùn)動導(dǎo)致的風(fēng)速波動周期一般為數(shù)小時，甚至數(shù)天、數(shù)月，這種長周期的風(fēng)速波動會增加現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的負(fù)擔(dān)。負(fù)荷曲線的低谷期常常對應(yīng)了風(fēng)電出力的高峰期，風(fēng)電場的并網(wǎng)發(fā)電使電網(wǎng)的等效負(fù)荷峰谷差增大，大大增加了電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰負(fù)擔(dān)。

三、太陽能光伏電池發(fā)電技術(shù)

1. 1 太陽能光伏電池

太陽能光伏電池發(fā)電也簡稱為太陽能光伏發(fā)電，被認(rèn)為是未來世界上發(fā)展最快和最有前途的一種可再生新能源技術(shù)。太陽能光伏電池的基本原理是利用半導(dǎo)體的“光生伏打效應(yīng)”( 光伏效應(yīng)) 將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成電能。能利用光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能的物質(zhì)，稱為光伏材料。利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件叫太陽能光伏電池或光伏電池。光伏電池是太陽能光伏發(fā)電的核心組件。

1839 年，法國物理學(xué)家貝克勒爾 ( Edmond Bec-qurel) 發(fā)現(xiàn): 將兩片金屬浸入電解液中所構(gòu)成的伏打電池，當(dāng)接收到太陽光照射時電壓升高，他在所發(fā)表的論文中把這種現(xiàn)象稱為“光生伏打效應(yīng)( PhotovohaicEffect) ”?！肮馍蛐?yīng)”是不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬混合材料在光照作用下，其內(nèi)部可以傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，因而在不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。1941 年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，從而奠定了半導(dǎo)體硅在太陽能光伏發(fā)電中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。1954 年，美國貝爾實驗室的科學(xué)家恰賓( Darryl Chapin) 和皮爾松( Gerald Pearson) 研制成功世界上第一個實用的單晶硅光伏電池。同年，韋克爾發(fā)現(xiàn)砷化鎵具有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成世界上第一塊薄膜光伏電池。我國2010 年 12 月投入運(yùn)行的大豐 20 MW 光伏電站，是目前全國最大的薄膜光伏電站，年發(fā)電量2 300 萬 kW·h。

太陽能光伏電池的工作原理如圖 1 所示。

在半導(dǎo)體中摻加雜質(zhì)制成 PN 結(jié)，以形成在平衡狀態(tài)時具有的內(nèi)建電場，在該內(nèi)建電場的作用下分離由外界激發(fā)而生成的過剩載流子，從而形成外部電壓。在光照條件下，半導(dǎo)體中的電子吸收光子能量從價帶躍入導(dǎo)帶，形成電子———空穴對，成為載流子。生成載流子所需要的最低能量是半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg，使用禁帶寬度較小的材料制作的太陽能電池可以形成較大的電流。

基于單晶硅的第一代光伏電池是目前太陽能光伏電池市場的主流，其光電轉(zhuǎn)換率已達(dá) 24. 7%; 基于薄膜技術(shù)的第二代光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到16. 5% ～ 18. 8% 。由于薄膜光伏電池大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，因此具有很好的發(fā)展前景。應(yīng)該指出，光伏電池在光電轉(zhuǎn)換過程中，光伏材料既不發(fā)生任何化學(xué)變化，也不產(chǎn)生任何機(jī)械磨損，因此太陽能光伏電池是一種無噪音、無氣味、無污染的理想清潔能源。2006 年，我國太陽能電池生產(chǎn)總量首次達(dá)到400 MW，從而超過美國成為全球第三大生產(chǎn)國，也是世界上發(fā)展最快的國家。

1. 2 太陽能光伏電站

太陽能光伏電站是將若干個光伏轉(zhuǎn)換器件即光伏電池封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個組件組合成一定功率的光伏陣列，并與儲能、測量、控制裝置相配套，構(gòu)成太陽能光伏電站。

太陽能光伏電池具有很大的靈活性，不僅可以用其建設(shè)零星規(guī)格的電站，而且可以組成應(yīng)用于小型、分散電力用戶的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。這種獨立運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱之為離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

由于受晝夜日照變化及天氣的影響，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)通常需要和其他電源形式聯(lián)合使用，比如柴油發(fā)電機(jī)組以及蓄電池組，從而增大了電站的投資和維護(hù)費(fèi)用。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)往往建在距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)山區(qū)及荒漠地帶，向獨立的區(qū)域用戶供電。西藏措勒 20 kW 光伏電站是我國建設(shè)較早的離網(wǎng)型光伏電站，總投資 290 萬元，1994 年 12 月正式投產(chǎn)發(fā)電。

離網(wǎng)型太陽能光伏電站系統(tǒng)如圖 2 所示。

電站的發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池方陣、蓄電池組、直流控制器、直流 - 交流逆變器、交流配電柜和備用電源系統(tǒng)( 包括柴油發(fā)電機(jī)組和整流充電柜) 等組成。其工作原理為太陽能光伏電池方陣經(jīng)過直流控制柜向蓄電池組供電，并根據(jù)需要整定蓄電池組的上限和下限電壓，由直流控制柜自動控制充電。蓄電池組通過直流控制柜向直流 - 交流逆變器供電，經(jīng)逆變器將直流電變換成三相交流電，再通過交流配電柜以三相四線制向用戶供電。當(dāng)蓄電池組的電壓下降到下限電壓時，為不造成蓄電池組的過渡放電，直流控制柜將自動切除其輸出電路，使直流 - 交流逆變器停止工作。柴油發(fā)電機(jī)組為電站的備用電源，必要時由備用電源通過整流充電柜向蓄電池組充電，或在光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障及停運(yùn)時直接通過交流配電柜向用戶供電。直流 - 交流逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組不能同時向用戶供電，為此必須在交流配電柜中設(shè)置互鎖裝置以保證供電電源的唯一性。

當(dāng)太陽能光伏電站的容量達(dá)到一定規(guī)模時，還可與電網(wǎng)相聯(lián)，即所謂的并網(wǎng)型光伏電站。這時，如果本地負(fù)荷不足，則可將多余的電能輸送給電網(wǎng)。當(dāng)本地太陽能發(fā)電量不足時，則由電網(wǎng)向用戶提供電能。因此，并網(wǎng)型光伏電站可以不需要使用蓄能裝置，減少系統(tǒng)投資和維護(hù)費(fèi)用。同時由于與電網(wǎng)的互濟(jì)，提高了發(fā)電設(shè)備的利用率和供電用電的安全可靠性，是大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電技術(shù)的必然趨勢。我國第一座并網(wǎng)型光伏電站是 2006 年建成投運(yùn)的西藏羊八井可再生能源基地 100 kW 高壓并網(wǎng)光伏電站。2010 年底全國首個光伏并網(wǎng)發(fā)電項目敦煌 2 ×10 MW 光伏發(fā)電項目建成投產(chǎn)。

四、結(jié)論與展望

本文從全球和我國的能源現(xiàn)狀出發(fā)，分析說明了新能源發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前迫切而有實際價值的研究課題，進(jìn)而具體介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的特點以及我國在這兩個方面的發(fā)展現(xiàn)狀。新能源不僅僅指風(fēng)能和燃料電池，還包括生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮芎凸夥姵氐?。我國乃至全世界的新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展的潛力都是巨大的。在人類明天的舞臺上，新能源將取代化石燃料，扮演重要的角色。

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