关键技术与发展趋势(上海海事大学,汤天浩)

新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势汤天浩上海电源学会上海海事大学电力传动与控制研究所2006.92006年中国科协年会内容提要z引言z新能源发电方式z关键技术z发展趋势z结论一、引言物质、能量和信息是人类生存和发展的三大要素。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。目前，我们主要以煤炭、石油等化学燃料作为能源。优点：能量密度极高；缺点：不可再生，重污染，完全受控。发电运输军事核能放射物质（铀）优点：能量密度高；缺点：不可再生，环境污染，受控。发电运输供热系统机械驱动热能化学燃料（煤炭、石油、天然气）优点：部分可再生；缺点：受地理限制。发电供热系统地热能地热优点：完全可再生；缺点：受地理限制。发电机械驱动潮汐能重力（太阳、月亮的引力）优点：完全可再生，容易获得；缺点：能量密度低，受地理限制。发电供热系统机械驱动辐射能风能水能海浪能生物能太阳（光源）比较应用形式来源能量来源与利用1存在的主要问题：†储存于燃料中的化学能必需转变成热能、机械能或电能，使用效率低。†传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了大量的污染。†化学燃料属于不可再生性能源。•能源储量2挑战与对策：随着全球石油煤炭等资源的耗尽，人们必须在矿物能源没有用完的有限时间内找到可以替代的新能源和动力装置。因此，人们多年来一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。优点：能量密度极高；缺点：不可再生，重污染，完全受控。发电运输军事核能放射物质（铀）优点：能量密度高；缺点：不可再生，环境污染，受控。发电运输供热系统机械驱动热能化学燃料（煤炭、石油、天然气）优点：部分可再生；缺点：受地理限制。发电供热系统地热能地热优点：完全可再生；缺点：受地理限制。发电机械驱动潮汐能重力（太阳、月亮的引力）优点：完全可再生，容易获得；缺点：能量密度低，受地理限制。发电供热系统机械驱动辐射能风能水能海浪能生物能太阳（光源）比较应用形式来源能量来源与利用二、新能源发电方式„风力发电„太阳能电池„燃料电池2.1风力发电风是由太阳辐射热引起的，据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。•全球的风能约为2.74×109MW，•可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。•发电方式：¾独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力。¾风力发电与其他发电方式相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀的草原牧场提供电力。¾并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。•风力发电站（新疆达坂城）风力发电变换系统滤波器3~3~==SG蓄电池变压器电网变频器齿轮箱风力发电机组直馈型风力发电系统3~3~==DIG蓄电池滤波器变压器电网变频器齿轮箱风力发电机组b）双馈型风力发电系统2.2太阳能电池自50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。目前，单晶硅太阳电池组件的平均效率己达到3％~15%，多晶硅太阳电池组件的平均效率已有12％~14%。•太阳能供电系统太阳电池太阳电池太阳电池变流器电源接口太阳能供电系统结构=3~==蓄电池滤波器变压器电网变流器太阳电池•太阳电池功率转换电路结构•未来的研究趋势：„研究新的光电技术，比如有机纳米晶太阳电池；„研究晶体硅薄膜太阳电池，开发大功率太阳能模块，这些模块由单晶硅制成，大功率太阳能模块产生的能量比其他太阳能电池要大10%左右。2.3燃料电池在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理。•燃料电池原理燃料电池的分类~100℃800~1000℃~650℃~200℃工作温度多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)LaXSr1-XMn(Co)O3多孔NiO（掺锂）含Pt催化剂多孔质石Tefion阴极多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)多孔质镍(不要Pt催化剂)多孔质石墨(Pt催化剂)阳极电极离子(Na离子)ZrO2-Y2O3(YSZ)KliCO3溶盐磷酸水溶液电解质纯H2、天然气煤气天然气甲醇等煤气天然气甲醇等煤气天然气甲醇等燃料质子交换膜燃料电池（PEMFC）固体氧化物型燃料电池（SOFC）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）磷酸型燃料电池（PAFC）类型•燃料电池的特点：„不受卡诺循环限制，能量转换效率高„清洁、无污染、低噪声„模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。•FuelCellEnergy公司1MW的电厂CellVoltage(V)10500Currentdensity(mA/cm2)•燃料电池的负载特性=3~==蓄电池滤波器变压器电网变流器燃料电池•燃料电池供电系统燃料电池供电系统结构三、关键技术†电能变换†电能储存†电能管理†电能质量控制3.1电能变换新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是解决上述问题的根本出路。•新能源电力系统的基本电路结构的核心是变频电源。1.电源部分2.主电路及其驱动电路3.控制电路4.保护电路•电能变换的新技术†模块化†组合式1、模块化电源穩壓•预稳压模块(PRM)•电压转换模块(VTM)隔離變壓•分比式电源结构(FPA)穩壓PRM隔離變壓VTM2、组合式电源†基本单元拓扑†串联组合式电路†并联组合式电路†复合式电路（1）基本单元拓扑VIS1S2+Vdc/2Sa1Sa2Sa3Sa4oa-Vdc/2a）两电平基本单元b）三电平基本单元•双向变换器BOOST模式BUCK模式Co蓄电池L1CinS1S2S3S4S5S6S8S7TrLV1:NHV（2）串联组合式电路单相-k1Vda单相-k2Vdb单相-kNVdnn•3相3H单元逆变器U1U2U3Oabc（3）并联组合式电路单相-k1单相-k2Tb单相-kNTnVdTa（4）复合式电路3.2电能储存由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具有不稳定性和不确定性。为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。•电能储存主要手段z蓄电池z电感储能z超级电容z飞轮转矩电能储存新技术:Electricalenergystoragesystembasedonvanadium-basedredoxregenerativefuelcell•系统特点：†可逆氧化还原反应，可充放电；†电能储存量大，可长时间供电；†效率高、寿命长，且环境友好；†应用范围广泛。•电能储存的应用3.3电源管理（PMS）技术电源管理系统（PMS）技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。†其主要功能包括：（1）电能分配；（2）优化控制；（3）状态监测；（4）故障诊断；（5）容错控制。实现上述功能涉及到计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、昀优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的这些技术的融合，包括各种技术自身内部的融合，以及各种技术之间的融合。3.4电能质量控制†问题的提出：近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是电力电子变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。如何治理“电力公害”，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。†电能质量控制的主要研究内容：„电源谐波检测和分析技术„电能质量控制和管理•电压型有源功率因数补偿模式•电流型有源功率因数补偿模式•混合型有源补偿电路•混合型有源补偿控制电路•系统功能：†功率因数补偿†有源滤波†电压平衡四、发展趋势†混合供电系统†分布式电源†新能源交通运输工具4.1混合供电系统新能源作为电力系统未来的发展方向是：采用几种新能源发电方式组成混合供电系统，混合供电系统可以选择风力发电与太阳能电池组合，或太阳能与燃料电池组合，也可以将三者组合在一起。另一种混合方式是，利用燃料电池的产生的废气或热量，带动透平发电机组成混合电力系统。•混合发电系统结构风力发电机太阳能电池燃料电池变流器变流器变流器电网储能装置监控系统PMS•燃料电池混合发电系统利用燃料电池的产生的废气或热量，带动透平发电机组成混合电力系统混合供电装置在海洋监测平台的应用†太阳能供电系统系统主要组成：—太阳能电池；—逆变器；—后备电池。4.2分布式电源•分布式电源（续）4.3新能源交通运输工具•燃料电池电动汽车的动力装置结构•太阳能电力驱动船舶•燃料电池实验船•实验船参数†游艇为全玻璃钢材料船体结构、敞开式游艇外型、燃料电池为动力、电力推进挂桨机的试验艇。†总长4.7m，型宽1.17m，吃水0.25m，排水量700kg。†控制面板上有相关的仪表及电脑触摸式显示屏，配备了GPS系统。†艇的后舱设置燃料电池堆及动力源氢气钢瓶，后舷装备一台舷外电力推进挂桨机。†氢气钢瓶的容量为50L，可连续航行约3小时。†设计航速约为7km/h，实际航速约7海里。“天翔1号”燃料电池试验船于2005年11月在上海市第6届国际工业博览会上正式亮相，宣告中国第一条燃料电池电力推进船的诞生，填补了国内空白，并达到国际先进水平。教育部赵沁平副部长、上海市主管科技的严隽琪副市长以及市教委的领导专程参观了试验船，并给于高度评价。上海的主要报刊和电视台作了相关报道。•燃料电池系统•燃料电池与推进电机•电源变换系统•基于燃料电池的船舶电源系统结构燃料电池逆变整流逆变器滤波器PWM驱动控制负载PWM驱动控制====蓄电池双向变换器高压母线低压母线功率计算+-系统监控†功率管理（PM）：获得昀大输出功率†热量控制（TM）：使反应堆温度昀优†湿度控制（HM）：使反应堆湿度昀优†燃料控制（FM）：保持适当的燃料量•电源控制与管理五、结论与展望新能源电力系统虽然已经取得了突破性进展，但是，要把美好的理想变为现实，真正实现其广泛的商业应用还有许多问题亟待解决。这既需要在物理、化学、材料等基础学科领域的联合攻关，以进一步提高能源转换效率和降低成本；更为重要的是需要在电源、控制和信息等工程技术领域合作研究，以实现各种电能之间便捷有效的转换、存储、传输、利用和管理。因此，打破学科界限，通过系统集成和技术融合，我们一定能够克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。谢谢！