新能源发电技术

新能源发电综述报告1前言能源是人类生存和发展的重要物质条件。煤炭、石油、天然气等化石能源支持了19和20世纪近200年来人类文明进步和经济社会发展，但煤炭、石油、天然气等不可再生能源持续增长的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时更感到了环境问题的严重威胁。面对能源资源和环境问题，国际社会采取了积极的应对措施，特别是1992年召开的联合国环境与发展大会和2002年召开的可持续发展世界首脑会议，使可持续发展思想逐渐成为国际社会的共识。目前，提高能源利用效率、开发利用可再生能源、保护生态环境、实现可持续发展已成为国际社会的共同行动。加强全球合作，妥善应对能源和环境挑战，实现可持续发展，是世界各国的共同愿望，也是世界各国的共同责任。随着世界经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。可再生能源丰富、清洁，可永续利用。加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。2新能源发电技术概述2.1燃料电池燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，是直接将燃料（天然气煤制气石油等）中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。在获得电能的过程中，副产品仅为水和少量二氧化碳等。根据所使用电解质的不同，把燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等7种类型。但目前只有磷酸盐型燃料电池和熔融碳酸盐型燃料电池已达到商业发电的试运转水平。对于燃料电池而言，一切含有氢原子的物质都可用来作为其燃料，即除纯氢气之外，煤炭、石油、天然气的汽化产物，以及甲醇、酒精、沼气等物质均可。不过，作为反应所需电解质的具体燃料种类需根据燃料电池的不同类型而进行配备。表4.1不同类型燃料电池的基本特性2.2风能发电我国拥有丰富的风能资源，以距地面10m处的风速来计算，陆地风能资源理论储量为32.26亿kW，可开发的风能资源储量为2.53亿kW。我国近海风能资源约为内陆的3倍，即近海可开发的风能资源储量约为10亿kW.我国风能丰富地区主要分布在西北、华北和东部的草原或戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿等地区。风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。近年来，风力发电技术进步很快。风光互补发电，即风力发电与光伏发电联合运行也是近年来的主要技术应用之一。风力发电系统中最主要的组成部分是风机和发电机。目前投入运行的机组的风机主要有两类：一类是定桨距失速控制；另一类是变桨距控制。定桨距失速控制风机的功率调节完全依靠叶片的空气动力学特性,其输出功率随风速改变而改变。变桨距风机通过对桨距进行调整来提高风能转换效率，其输出功率比定桨距失速控制风机平稳的多。风力发电机系统按照发电机运行的方式来分有恒速恒频系统和变速恒频系统两大类。变速恒频系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风机使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋势。图2.1永磁同步风力发电系统结构框图图2.2双馈异步风力发电系统结构框图2.3太阳能发电太阳能是地球永恒的能源，我国陆地面积每年接收的太阳辐射得热量在3.3×103～8.4×106kJ/(m2·a)之间，相当于2.4×104亿t标准煤的发热量，属太阳能资源丰富的国家。全国总面积2/3以上的地区年日照时数大于2000h，日照得热量在5×106kJ/(m2·a)以上。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的年太阳辐射得热量和日照时数均较高，属太阳能资源丰富地区;除四川盆地、贵州等地太阳能资源稍差外，东部、南部及东北等地区均为太阳能资源较丰富和中等地区。太阳能发电可分为太阳能光发电(又称为光伏)和太阳能热发电两大类。太阳能光发电是利用半导体NP结的光电效应，把太阳光能直接转换成电能，其主要设备是太阳能电池。光电式硅太阳能电池是当前应用最广泛和成熟的光电转换器件，其制造成本逐步下降。新一代“薄膜”太阳能电池，采用的原材料不仅少而且价格低，并逐步走向了产业化。太阳能并网光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产生的电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网转送的功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。控制器一般基于单片机或数字信号处理芯片。PVDCAC光伏阵列逆变器变压器电网图1.1带工频变压器结构的光伏逆变器2.4海洋能发电在我国大陆沿岸和海岛附近蕴藏着较丰富的海洋能资源，但至今尚未得到应有的开发.据统计，我国沿岸和海岛附近的可开发潮汐能资源理论装机容量达2179万kW，理论年发电量约624亿kW·h，波浪能理论平均功率约1285万kW，潮流能理论平均功率1394万kW,这些资源的90%以上分布在常规能源严重缺乏的华东、沪、浙、闽沿岸。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同的能源形态。目前，海洋能发电多数处在试验阶段，比较成熟的是潮汐能发电技术。潮汐能发电和水力发电厂相似，就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电。潮水的流动与河水的流动不同，它是不断变换方向的，潮汐发电有以下三种形式：1）单池单向发电；2）单池双向发电；3）双池双向发电。利用潮汐发电必须具备两个物理条件：第一，潮汐的幅度必须大，至少要有几米。第二，海岸的地形必须能储蓄大量海水，并可进行土建工程。波浪能发电从原理上主要有浮体式和气室式二类，前者利用浮体在水面上摇动或上下运动转换为动力功，后者利用水面的上下运动产生气流，驱动空气透过发电机组。世界上波浪能的利用以英国最为先进，于1992年建成了波浪能发电站。海洋温差发电用低沸点工质、以海洋表层暖海水在换热器内加热工质并使其蒸发，工质蒸气驱动涡轮发电机。工质蒸气通过涡轮发电机之后被送入另一个换热器，通过深层海水冷却凝结，冷凝后的工质被泵回到暖水换热器完成一个循环。如此周而复始的循环，以达到利用温差发电的目的。2.5地热能发电地热发电技术与其它新能源发电相比较为成熟，已实现了商业化运行。地热发电是以地下热水和蒸气作为动力源推动汽轮机发电，其基本原理与火力发电类似，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样要具有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料。地热发电有如下方式：（1）背压式汽轮机系统该发电方式适用于超过0.1MPa压力的干蒸汽田。天然蒸汽先经过净化分离器滤去夹带的固体杂质，然后进入汽轮机中膨胀做功，废气直接排入大气。此种发电方式简单、投资费用低、电站容量小。（2）凝汽式汽轮机循环系统这种发电系统适用于低于0.1MPa压力的蒸汽田，这时井口流体为汽水混合物。经净化后的湿蒸汽进入汽水分离器，分离出的蒸汽进入汽轮机中膨胀做功。蒸汽中夹带的不凝结气体随蒸汽经汽轮机积聚在凝汽器中，通过抽气器抽除，以保持凝汽器中的真空度。美国盖伊塞地热电站采用上述循环系统，装机总容量为1780MW。（3）减压扩容蒸汽循环系统减压扩容蒸汽循环系统适用于湿蒸汽田和热水田。若地热井口流体是热水，将首先进入减压扩容器,扩容器中维持着比热水低的压力，得到闪蒸蒸汽并送往汽轮机做功。若流体是湿蒸汽将进入汽水分离器，分离出的蒸汽送往汽轮机做功，分离出的水则进入减压扩容器，得到的闪蒸蒸汽也送往汽轮机做功。我国地热发电站均为热水型发电，西藏羊八井地热电站的热力系统均为二级扩容系统。（4）中间工质双循环系统这种发电方式适用于低于大气压下饱和温度的热水田。从地热井口喷出的热水，加热一氟三氯甲烷(CFCCl3)等低沸点(23.7℃)工质，工质加热汽化后，进入汽轮机做功。凝结成液态的工质，送入蒸发器循环使用。西藏那曲地热电站采用的即是双循环发电系统,装机容量为1MW。2.6磁流体发电磁流体发电技术基本原理是利用导电流体高速通过发电通道切割磁力线产生感生电流而发电。磁流体发电从不同角度可以有以下三种分类：从循环类型不同的角度,磁流体发电可以分为开环磁流体发电和闭环磁流体发电，其中开环磁流体发电是研究较多且成果也较多的一种。从工作时间和产生电流的不同，可分为常规磁流体发电和脉冲磁流体发电。根据磁流体发电燃料不同也可分为燃煤磁流体发电、燃气磁流体发电和燃油磁流体发电等。我国是世界上开始磁流体发电研究较早的国家之一。研究于1962年开始，主要从事燃油磁流体发电的研究。由于煤是中国的主要能源，1982年开始转向燃煤磁流体发电的研究。2.7核能发电核能自从问世以来就被许多专家认为是当代可能大规模开发的新能源。尤其对于能源资源匮乏的国家和地区来说，核能已成为必不可少的替代能源，是解决生态环境问题和保障能源安全供应的有效途径。我国拥有丰富的核能资源，天然铀提炼及其加工能力已初具规模，能够自行设计制造300MW压水堆核电站的成套设备，正在建造600MW的核电站。我国目前已形成广东、浙江、江苏3个核电基地，自从1985年秦山一期核电站开工至今，我国现有机组11台、装机容量900万kW。核能发电的优缺点：（1）优点1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电核能发电不会造成空气污染。2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。（2）缺点要用反应堆产生核能，需要解决以下10个问题：1.为核裂变链式反应提供必要的条件，使之得以进行。2.链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害。（如切尔诺贝利核电站和福岛核电站等等）3.裂核能发电变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。4.裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大，必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。5.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。6.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。7.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。8.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。9.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。10.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。3新能源发电的发展现况及前景预测3.1为我国新能源发电的发展现况长期以来，中国对可再生能源开发利用十分重视，并已取得很大的成绩。中国政府将进一步支持可再生能源的开发利用，把可再生能源发展作为增加能源供应、调整能源结构、保护环境、消除贫困、促进可持续发展的重要措施。我们将加快发展技术成熟的水电、太阳能热水器和沼气等可再生能源，尽快使资源得到合理开发利用；同时积极推进资源潜力巨大，技术基本成熟的风力发电、生物质发电、太阳能发电、生物质液化等可再生能源技术的发展，以规模化建设带动产业化发展，使其尽快成为具有竞争力的商业化能源。根据初步完成的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，水电总装机容量将达到2.9亿千瓦，开发程度达到70%左右，生物质发电达到2000万千瓦，风电达到3000万千瓦、太阳能发电达到200万千瓦，力争使可再生能源发电装机在总电力装机容量的比例达到30%以上；我们将鼓励太阳能热水器在城市建筑物和农村的推广应用，到2020年太阳能热水器总集热面积达到3亿平方米，年替代化石能源约4