新能源與可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

能源與可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)與進展趨勢孟慶梅能源和可再生能源在我國社會經(jīng)濟可持續(xù)進展中具有重要作用，是我國能源進展的重要內(nèi)容和組成局部。2005年第十屆全國人大常委會第十四次會議正式通過了《中華人民共和國可再生能源法科技進展綱要和“十一五”科技進展打算明確提出了國家能源爭論和進展戰(zhàn)略，將這方面的爭論納入國家863事大學(xué)電力傳動與掌握爭論所所長、教授、博導(dǎo)湯天浩。一、能源發(fā)電方式〔一〕風(fēng)力發(fā)電目前，風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)已成為風(fēng)能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且進展速度最快。風(fēng)力發(fā)電通常有三種運行方式：一是獨立運行方式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機向一戶或幾戶供給電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風(fēng)時的用電；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式〔如柴油機發(fā)電〕相結(jié)合的聯(lián)合供電方式，向交通不便的邊遠山村、沿海島嶼，或地廣人稀的草原牧場供給電力；三是并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電運行方式，安裝在有電網(wǎng)且風(fēng)力資源豐富地區(qū)，常常是一處風(fēng)場安裝幾十臺甚至幾百臺風(fēng)力發(fā)電機，這是風(fēng)力發(fā)電的主要進展方向。集成有兩種方案：直接輸出型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)。圖1給出了兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造。

電網(wǎng)變頻器

變壓器齒輪箱

3~ =SG= 3~蓄電池

濾波器〔a〕直接輸出型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組 變壓器DIG齒輪箱 變頻器3~ == 3~蓄電池 濾波器〔b〕雙饋型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩種構(gòu)造〔二〕太陽能電池自50年月第一塊有用的硅太陽電池研制成功，太陽能光電技術(shù)已歷經(jīng)了半個世紀的進展。目前占主流的太陽電池是硅太陽電池，它又分單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池〔總稱晶體硅太陽電池〕和非晶硅太陽電池。典型的太陽能供電系統(tǒng)構(gòu)造如圖2陽電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成用戶所需的電源形式。依據(jù)用戶要求，功率變換器可以選擇直流斬波器進展DC/DC變換，或承受逆變器進展變換DC/AC變換。此外，功率變換裝置還應(yīng)包括蓄電池系統(tǒng)，以平衡用電需求。當陽光充分2示。電網(wǎng)太陽電池 變流器= ==

變壓器蓄電池2太陽能供電系統(tǒng)構(gòu)造

濾波器〔三〕燃料電池燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池〔AFC〕、磷酸〔PAFC〕〔MCFC〕〔SOFC〕〔PEMFC〕

燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，且具有干凈、無污染、低噪聲，模塊構(gòu)造、高功率比、可積木化及連續(xù)工作等特性。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造如圖3輸出電壓與用戶需求相匹配。電網(wǎng)燃料電池 變流器= == 3~

變壓器蓄電池

濾波器3燃料電池供電系統(tǒng)構(gòu)造二、關(guān)鍵技術(shù)力電子技術(shù)、自動掌握技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)等，特別是上述技術(shù)的集成和融合。但是，由于長期形過學(xué)科穿插爭論和開發(fā)與能源發(fā)電設(shè)備配套的電力電子功率變換器，通過系統(tǒng)集成形成產(chǎn)品，以便利用戶?！惨弧畴娔茏儞Q變換裝置是解決上述問題的根本出路。圖44多電平溝通逆變電路構(gòu)造由于能源電力系統(tǒng)中電能變換主要是DC/DC變換和AC/DC變流器?！捕畴娔軆Υ嫒纾猴L(fēng)力發(fā)電機可以通過電感儲能器存儲風(fēng)能，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。除了傳統(tǒng)的蓄電池和電感等儲能方式外，現(xiàn)代的儲能裝置有超級電容和飛輪等方式。與電解電容相比，超級電容利用碳電極外表產(chǎn)生的雙層電極儲能，具有格外高的功率密度和實質(zhì)的能量密度。如今，超級電容功率密度可高達20kW/kg，充放電時間各為0.1-100分鐘。在過去幾年，這些器件已應(yīng)用在消費電子、工業(yè)和汽車等很多領(lǐng)域。飛輪儲能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪慣性存儲電能。假設(shè)與風(fēng)力發(fā)電機結(jié)合，可以在風(fēng)速很高時，帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)；風(fēng)速降低時，飛輪驅(qū)動發(fā)電機輸出電能。當前如何降低飛輪的摩擦損耗是提高儲能效率的關(guān)鍵，利用磁具有應(yīng)用前景?！踩畴娔苤卫黼娫粗卫硐到y(tǒng)〔PMS〕技術(shù)是提高電源效率和系統(tǒng)牢靠性的方法。PMS將智能掌握和治理的思想引入電力系統(tǒng)，從發(fā)電、配電及用電等各個層次，對電能進展安排、監(jiān)測、掌握、治理和安全保護等。其主要功能包括：電能安排；優(yōu)化掌握；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；容錯掌握。最優(yōu)化算法、容錯掌握等；人工智能，如模式識別這些技術(shù)的融合，包括各種技術(shù)自身內(nèi)部的融合，以及各種技術(shù)之間的融合。DSP的嵌入式掌握器實現(xiàn)實時掌握、數(shù)據(jù)采集和通信；中間層通過分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)存儲、趨勢分析和故障報警等功能；上層承受人工智能技術(shù)構(gòu)建智能PMS，實現(xiàn)負荷推測、電能安排、系統(tǒng)優(yōu)化和能量治理。在功率治理系統(tǒng)〔PMS〕方面，將在智能優(yōu)化及安全掌握上有所突破?！菜摹畴娔苜|(zhì)量掌握波畸變等問題。如何治理“電力公害爭論內(nèi)容是：電源諧波檢測和分析技術(shù)。諧波的測量和分析是實現(xiàn)諧波治理的前提條件，準確的諧波測量和分析能夠為諧波的治理供給良好的依據(jù)。自提出快速傅里葉變換算法〔FFT〕以來，基于傅里葉變換的諧波測量便得到如何減小因同步偏差而引起的測量誤差成了眾多學(xué)者關(guān)注的焦點。電能質(zhì)量掌握和治理，包括：功率因數(shù)校正和濾波器設(shè)計。由于傳統(tǒng)的無源濾波器體積和重量大、且需針對不同的頻率進展設(shè)計，功率因數(shù)校正〔PFC〕技術(shù)是提高功率因數(shù)和降低諧波污染的重要途徑。近年來，有源功率因數(shù)校正技術(shù)〔APFC〕已成為電力電子領(lǐng)域的爭論熱點，現(xiàn)已從電路拓樸、掌握策略進展到集成模塊，首先在單相PFCBuck、Boost、Buck-boost、CukDC/DC用或通用的PFCPFC掌握技術(shù)上，比方：單開關(guān)、多開關(guān)以及軟開關(guān)三相PFC電路的研制。特別是，軟開關(guān)技術(shù)與PFC技術(shù)的融合是進展的趨勢。雖然，目前PFC產(chǎn)品受到功率的限制，但應(yīng)用于分布式能源發(fā)電系統(tǒng)卻是重要機遇。三、進展趨勢〔一〕混合供電系統(tǒng)能源作為電力系統(tǒng)將來的進展方向是：承受幾種能源發(fā)電方式組成混合供電系統(tǒng)，混合供電系統(tǒng)可以選擇風(fēng)力發(fā)電與太陽能電池組合，或太陽能與燃料電池組合，也可以將三者組合在一起。另一種混合方式是，利用燃料電池產(chǎn)生的廢氣或熱量，帶動透平發(fā)電機組成混合電力系統(tǒng)。圖5電網(wǎng)電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機變流器PMS太陽能電池變流器監(jiān)控系統(tǒng)燃料電池變流器儲能裝置5能源混合供電系統(tǒng)在混合供電系統(tǒng)的爭論中，主要爭論太陽能、風(fēng)力以及燃料電池系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)。通過并網(wǎng)輸出電壓同步跟蹤電網(wǎng)電壓相位；并具有保護和監(jiān)控等功能，保證了光伏并網(wǎng)發(fā)電的安全運行?！捕撤植际诫娫磮D6為由混合發(fā)電裝置構(gòu)成的分布式電力系統(tǒng)。這種分布式供電方式將是將來電力系統(tǒng)進展方向。這種分布式電源，可以到達節(jié)能和環(huán)保的目的。分布式電力系統(tǒng)6分布式能源混合供電系統(tǒng)四、進展目標立產(chǎn)業(yè)化配套效勞體系；健全法規(guī)和機制，實現(xiàn)能源和可再生能源開發(fā)利用的商業(yè)化進展。到2015年能源和可再生能源年開發(fā)量到達43002%3.6%產(chǎn)業(yè)將成為國民經(jīng)濟的一個興行業(yè)，拉動機械、電子、化工、材料等相關(guān)行業(yè)的進展；對減輕大氣污染、改善大氣環(huán)境質(zhì)量作用明顯，將削減3000200多萬噸二氧化硫等污染物的排放；供給近50萬500〔約2500〕解決無電問題。為確保上述目標的實現(xiàn)，能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)進展規(guī)劃分以下幾個階段實施：１.2000～2005年，逐步建立能源和可再生能源經(jīng)濟鼓勵政策體系以及適應(yīng)市場經(jīng)濟體制的行業(yè)治理體系；建立和實施質(zhì)量保證、監(jiān)測、效勞體系；加大對重點行業(yè)和產(chǎn)品的扶持力度以促進產(chǎn)業(yè)進展；能源和可再生能源的開發(fā)利用量在我國商品能源消費總量中占0.71300２.2006～2010能源經(jīng)濟鼓勵政策體系。能源和可再生能源的開發(fā)利用量到達2500萬噸標準煤，在我國商品能源消費總量中1.25%。３.2011～2015670億元。能源和43002%。具體內(nèi)容和任務(wù)如下：標準市場，促進大型高效太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)進展201520-302.32200－300萬平方米規(guī)模，并具有較強產(chǎn)品開發(fā)力量的骨干企業(yè)。加強產(chǎn)品質(zhì)量標準的制訂，建立具有權(quán)威性的國家級太陽熱水器產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心，對太陽熱水器和太陽熱水系統(tǒng)中的集熱器、水箱、零部件實行質(zhì)量監(jiān)視、檢測和認證。推動企業(yè)不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加品種、規(guī)格，降低本錢，完善效勞，制造出一批用戶信得過、國內(nèi)外有較高信譽的名牌產(chǎn)品，開拓國內(nèi)國際市場，使更多產(chǎn)品打入國際市場。建立太陽電池與應(yīng)用系統(tǒng)生產(chǎn)體系、降低產(chǎn)品本錢集中力氣在現(xiàn)有太陽電池生產(chǎn)和應(yīng)用的根底上，適應(yīng)國際光電技術(shù)進展趨勢和國內(nèi)外市場進展的形勢，開拓市場，打破年產(chǎn)量徘徊在2兆瓦左右的局面。通過國家重點扶持，推動其次代太陽電池商業(yè)化，形成應(yīng)用器件配套齊全的太陽光伏產(chǎn)業(yè)。2015年全國太陽電池發(fā)電系統(tǒng)市場擁有量將到達320兆瓦。通過生產(chǎn)規(guī)模的擴大，降低太陽電池生產(chǎn)本錢，從而推動市場的進展，形成良性循環(huán)。在太陽電池市場中，通訊及工業(yè)用光伏系統(tǒng)將從40-50201020-303040-502015年中國將開頭大規(guī)模進展并網(wǎng)式屋頂光伏系統(tǒng)。推動并網(wǎng)風(fēng)電的商業(yè)化進展，加快國產(chǎn)化進程200530020104902015700瓦。為實現(xiàn)這一目標，必需提高國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造力量，加速風(fēng)力發(fā)電設(shè)備國產(chǎn)化進程，形成與風(fēng)電場建設(shè)同步的生產(chǎn)力量，滿足國內(nèi)市場的需求，同時還可以出口。要建立具有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的知名品牌，加強對風(fēng)力發(fā)驗，打破行業(yè)界限，承受招標方式擇優(yōu)扶持零配件生產(chǎn)廠、整機組裝廠，最終實現(xiàn)產(chǎn)品價格、風(fēng)電場初始投資有電機組質(zhì)量標準和檢測體系。連續(xù)做好離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的普及和推廣應(yīng)用2015510.5技術(shù)標準、標準、試驗方法等；同時建立和完善產(chǎn)品質(zhì)量保證、監(jiān)視及檢測體系。樂觀推廣地?zé)岵蓽卮娴責(zé)岚l(fā)電技術(shù)境污染。加快地?zé)釤岜眉夹g(shù)的引進和開發(fā)，加速國產(chǎn)化。要大力開拓地?zé)岵膳袌?，?005、2010、2015年地150022503000200540－502010201587.5110推動大中型沼氣工程建設(shè)，開發(fā)生物質(zhì)能高效利用設(shè)備大力推動大中型沼氣工程建設(shè)，進一步提高設(shè)計、工藝和自動掌握技術(shù)水平。到2015年，處理工業(yè)有機25004034337500201541004.5，相當于58萬噸標準煤，年處理糞便量1.23億噸，從而解決全國集約化養(yǎng)殖場的污染治理問題，使糞便得到資200牢靠技術(shù)后，再進一步推廣應(yīng)用。到201545002057萬噸標準煤。推動技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進展的市場根底還需要肯定的時間。我國已建有810.4兆瓦，但潮汐發(fā)電技術(shù)仍舊只前景的替代能源技術(shù)。燃料電池作為移動電源是一個具有寬闊前景的潛在市場，估量2005年以后將逐步進入實投入和技術(shù)引進，并逐步進入示范和進展階段。一旦這些技術(shù)有了突破，到達成熟有用，并具有了肯定的市場根底，也要將其納入產(chǎn)業(yè)進展規(guī)劃來進展推動和扶持。五、制約因素與存在的問題展，必需消退技術(shù)、資金、市場、機制等方面的障礙?！惨弧臣夹g(shù)問題后、生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，一些原材料和產(chǎn)品國產(chǎn)化程度低。這些緣由加大了產(chǎn)品的生產(chǎn)本錢，與常規(guī)能源相比