可再生能源發(fā)電利用及儲能、節(jié)能環(huán)保技術(shù)

可再生能源發(fā)電利用及儲能、節(jié)能環(huán)保技術(shù)(1)概念闡述和關(guān)鍵技術(shù)基于可再生能源的能源系統(tǒng)是解決世界范圍內(nèi)的能源利用問題和環(huán)境污染問題的有效途徑，是能源利用走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇和有效措施。以可再生能源的高效、清潔利用為核心，可再生能源發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)等領(lǐng)域快速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)獲得越來越多的關(guān)注?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)從目前可再生能源的資源狀況和技術(shù)發(fā)展水平看，利用水能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電最為現(xiàn)實，前景廣闊。可再生能源發(fā)電系統(tǒng)可分為單一能源發(fā)電系統(tǒng)和混合能源發(fā)電系統(tǒng)。其中單一能源發(fā)電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相對獨立，較易受到可再生能源自身局限性的影響?；旌夏茉窗l(fā)電系統(tǒng)主要有兩類：一類是利用風(fēng)、光、水能等可再生能源進(jìn)行互補(bǔ)結(jié)合，克服單一種類的可再生能源在使用時不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺陷。另一類是將可再生能源與現(xiàn)有的化石能源(天然氣、沼氣、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?進(jìn)行結(jié)合的混合發(fā)電系統(tǒng)。保證可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定的輸出電力，并確保供電質(zhì)量是可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。目前的主要技術(shù)前沿包括：能源系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計和動態(tài)模型建立、混合系統(tǒng)熱力循環(huán)特性，區(qū)域內(nèi)可再生能源就地利用最大化、天然氣使用最小化和全范圍多能源供需平衡、能量管理和調(diào)度控制系統(tǒng)等?？稍偕茉吹陌l(fā)展方向是通過分布式可再生能源和能源智能微網(wǎng)等方式，構(gòu)建風(fēng)、光、水、火、儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)，開發(fā)面向用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求的終端一體化集成系統(tǒng)?；旌峡稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)開始在美國、歐洲等世界各國電力系統(tǒng)中投入應(yīng)用。先進(jìn)儲能技術(shù)儲能技術(shù)是通過在電力需求低時儲電、在電力需求高時放電的方式幫助電網(wǎng)更好地融合風(fēng)電、水能、太陽能等可再生能源發(fā)電的一種技術(shù)。廣義的電力儲能技術(shù)可定義為實現(xiàn)電力與熱能、化學(xué)能、機(jī)械能等能量之間的單向或雙向存儲設(shè)備。按照儲存介質(zhì)的不同，儲能技術(shù)可以分為機(jī)械類儲能、電氣類儲能、電化學(xué)類儲能、熱儲能和化學(xué)類儲能等。機(jī)械類儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等；電氣類儲能主要包括超級電容器儲能和超導(dǎo)儲能等；電化學(xué)類儲能主要包括各類電池，例如鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等；熱儲能將熱能儲存在隔熱容器的媒質(zhì)（如相變材料）中，需要時可以被轉(zhuǎn)化為電能，也可直接利用熱能而不再轉(zhuǎn)化為電能；化學(xué)類儲能主要是指利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，例如通過電解水合成氫氣和天然氣進(jìn)行二次利用。目前抽水蓄能是全球裝機(jī)規(guī)模最大的儲能技術(shù)，占全球總儲能容量的98%。而壓縮空氣儲能、鉛酸電池、鋰電池等近年來發(fā)展勢頭迅猛，在全球范圍內(nèi)已成為最具競爭力的儲能技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：大容量儲能的規(guī)劃及與可再生能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度技術(shù)、基于儲能的能量流優(yōu)化和能量調(diào)度技術(shù)、儲能與能量轉(zhuǎn)換裝置的集成設(shè)計和協(xié)調(diào)配置等。（2）發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢-可再生能源發(fā)電技術(shù)根據(jù)21世紀(jì)可再生能源政策網(wǎng)絡(luò)（REN21）發(fā)布《全球可再生能源現(xiàn)狀報告2018》，2017年可再生能源發(fā)電占到全球發(fā)電量凈增加值的70%，這是現(xiàn)代歷史上可再生能源發(fā)電量增長最大的一年。目前全球?qū)π略隹稍偕茉窗l(fā)電的投資已超過對新增化石燃料和核能發(fā)電投資總和的兩倍以上。由于成本競爭力的提高，2017年可再生能源投資占電力行業(yè)總投資的比例超過三分之二，同時可再生能源在電力行業(yè)的份額仍將會繼續(xù)上升。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2017年我國可再生能源發(fā)電量為1.7萬億千瓦時，同比增長1500億千瓦時；可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的26.4%，同比上升0.7個百分點。其中，水電為11945億千瓦時，同比增長1.7%；風(fēng)電為3057億千瓦時，同比增長26.3%；光伏發(fā)電為1182億千瓦時，同比增長78.6%；生物質(zhì)發(fā)電為794億千瓦時，同比增長22.7%。全年棄水電量為515億千瓦時，在來水好于去年的情況下，水能利用率達(dá)到96%左右；棄風(fēng)電量為419億千瓦時，棄風(fēng)率為12%，同比下降5.2個百分點；棄光電量為73億千瓦時，棄光率為6%，同比下降4.3個百分點。我國可再生能源發(fā)電比重穩(wěn)步上升。目前可再生能源最新技術(shù)領(lǐng)域有可再生能源先進(jìn)發(fā)電技術(shù)、可再生能源并網(wǎng)技術(shù)和可再生能源多能互補(bǔ)技術(shù)三個方向。在可再生能源先進(jìn)發(fā)電技術(shù)方面，由于光伏發(fā)電輸出功率的隨機(jī)性，保證光伏并網(wǎng)發(fā)電的最大功率點的跟蹤是其研究重點，由于最大功率點跟蹤對跟蹤的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性要求比較高，實現(xiàn)有功輸出的有效調(diào)節(jié)是目前光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。變速恒頻發(fā)電技術(shù)可最大限度的捕捉、利用風(fēng)能，并且轉(zhuǎn)速運行范圍相對寬松，調(diào)節(jié)系統(tǒng)更加靈活，是目前主流的風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)。在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)方面，可再生資源受環(huán)境溫度、天氣因素的影響，具有比較大的波動性和間歇性，很容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)閃變或波動，因此并網(wǎng)消納是將可再生能源接入現(xiàn)有能源體系的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)包括：①先進(jìn)逆變器技術(shù)。逆變器具有可拓展通信功能、可以對無功和有功進(jìn)行控制、可以降低有功變化率、實現(xiàn)諧波補(bǔ)償?shù)?，保證電能輸出質(zhì)量更穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)，并具有可以達(dá)到智能電網(wǎng)要求的網(wǎng)源互動技術(shù)。②可再生能源并網(wǎng)需要更加的精確、快速的電網(wǎng)電壓信號鎖定技術(shù)，能夠在大功率并網(wǎng)時不對稱運行情況下和電壓采樣波動情況下完成精確鎖相。③系統(tǒng)抗干擾技術(shù)。集中式風(fēng)光電站要在變換器控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)低電壓穿越，孤島指令和檢測利用輸變電系統(tǒng)能量進(jìn)行管理實現(xiàn)；分布式風(fēng)光電站要通過控制達(dá)到孤島檢測的目的，并利用基于配電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)來發(fā)出低電壓穿越信號指令。在可再生能源多能互補(bǔ)技術(shù)方面，可再生能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)而言，其復(fù)雜程度和不確定性都大大增加。①在系統(tǒng)規(guī)劃方面，主要針對可再生能源進(jìn)行確定性和不確定性分析。確定性分析主要是結(jié)合風(fēng)、光等可再生資源情況與負(fù)荷需求等歷史記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；不確定性分析是基于概率統(tǒng)計理論對可再生能源與負(fù)荷的變化特性進(jìn)行建模，同時考慮自然環(huán)境、用戶冷熱電負(fù)荷等因素。②在系統(tǒng)綜合建模方面，需要針對多能互補(bǔ)的各個子系統(tǒng)的動態(tài)特性時間尺度相差懸殊進(jìn)行研究，例如電力網(wǎng)絡(luò)功率瞬間平衡，其動態(tài)需由微分-代數(shù)方程描述；而冷熱的轉(zhuǎn)換過程最為緩慢，通常以分、時來表述動態(tài)過程。③在優(yōu)化設(shè)計方面，基于牛頓-拉夫遜法的微網(wǎng)潮流算法、電網(wǎng)全壽命周期成本分析、多目標(biāo)優(yōu)化策略的混沌量子遺傳算法等。以實現(xiàn)能源最佳利用和系統(tǒng)長期經(jīng)濟(jì)可靠運行為目標(biāo)，進(jìn)行科學(xué)合理的系統(tǒng)集成和能量管理。先進(jìn)儲能技術(shù)截至2017年年底，全球已投運儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)175.4GW,同比增長4%。其中抽水儲能的累計裝機(jī)規(guī)模依舊占據(jù)最大比重，為96%，但較上一年下降1個百分點；電化學(xué)儲能的累計裝機(jī)規(guī)模緊隨其后，規(guī)模為2926.6MW，同比增長45%，占比1.7%，較上一年增長0.5個百分點。在各類電化學(xué)儲能技術(shù)中，鋰離子電池的累計裝機(jī)占比最大，超過75%。2017年，全球新增投運化學(xué)儲能項目裝機(jī)規(guī)模為914.1MW，同比增長23%。新增規(guī)劃、在建的電化學(xué)儲能項目裝機(jī)規(guī)模為3063.7MW，預(yù)計短期內(nèi)全球電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模還將保持高速增長。截至2017年年底，我國已投運儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模為28.9GW，同比增長19%。2017年中國儲能市場新增投運儲能項目總規(guī)模為121MW，涉及集中式可再生能源并網(wǎng)、輔助服務(wù)、用戶側(cè)三個領(lǐng)域。其中在集中式可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域，2017年儲能項目開始在技術(shù)示范應(yīng)用的基礎(chǔ)上尋求商業(yè)化突破。以青海直流側(cè)光伏儲能示范項目、吉林風(fēng)電場熱電混合儲能項目為代表。光儲領(lǐng)域加快商業(yè)化進(jìn)程，電儲能與儲熱的綜合應(yīng)用成為解決電力系統(tǒng)調(diào)峰和可再生能源消納的新探索方向。新能源快速發(fā)展帶來的電力系統(tǒng)靈活性和消納問題，暴露了傳統(tǒng)電力運行和調(diào)度機(jī)制存在的瓶頸，也進(jìn)一步提高了儲能在集中式可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿?。目前大?guī)模儲能技術(shù)中只有抽水儲能技術(shù)相對成熟，但由于受地理因素制約，其廣泛使用受到制約。而其他儲能方式還處于實驗示范階段或者初期研究階段，儲能裝置的可靠性、使用壽命、制造成本以及應(yīng)用能力等方面還有待突破?？傮w來看，我國儲能技術(shù)研究尚處于發(fā)展初步階段，還不適于在電網(wǎng)全面推廣應(yīng)用，同時還存在著諸如研發(fā)體系不健全、經(jīng)濟(jì)性收益有待提高、缺乏運行數(shù)據(jù)支撐等一系列問題。目前儲能技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域主要分布在以下幾個方面。在儲能系統(tǒng)規(guī)劃方面，主要包括：①廣域布局的儲能系統(tǒng)與常規(guī)電源、新能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度方法；百兆瓦級儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電、輸電和配電等各環(huán)節(jié)中的規(guī)劃布局方法。②新型技術(shù)與供電商業(yè)模式下儲能的選型配置方法、分布式儲能系統(tǒng)的匯聚效應(yīng)及在電網(wǎng)中的運行模式和管理策略。③儲能技術(shù)實現(xiàn)市場化應(yīng)用的政策和制度需求，包括促進(jìn)儲能發(fā)展的電價機(jī)制、市場準(zhǔn)入制度及電力市場機(jī)制；研究多種類電力市場交易下儲能與其他能源的協(xié)調(diào)運作機(jī)制等。在儲能設(shè)備研究方面，主要關(guān)鍵技術(shù)方向包括：①針對現(xiàn)有體系下鋰離子、鉛炭、液流等儲能電池的關(guān)鍵材料改性、低成本化制備、能量密度提升和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)；基于離子液體、固態(tài)電解質(zhì)的高安全性電池材料體系和液流電池低成本高可靠膜制備技術(shù)。②超級電容器多孔石墨烯電極、高耐壓電解質(zhì)鹽和電解液、纖維素隔膜等材料的研制。③空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)技術(shù)；高轉(zhuǎn)化效率和低成本的儲冷儲熱和儲氣技術(shù)。④針對下一代儲能技術(shù)，研究鋰硫、鋰空氣等新型高比能量電池技術(shù)；研制高效制氫及氫發(fā)電裝備，突破低成本、高效率和規(guī)?；瘍浼夹g(shù)；研發(fā)大容量高能量密度儲熱儲冷技術(shù)裝備，突破熱相變儲能關(guān)鍵材料技術(shù)。在儲能系統(tǒng)集成及工程應(yīng)用方面，主要關(guān)鍵技術(shù)包括：①適用于百兆瓦級儲能電站集成與控制技術(shù)研究及工程示范。②包含儲能電池組（BP）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲能變流器（PCS）、中央控制系統(tǒng)（MGCC）和能量管理系統(tǒng)（EMS）的電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)；規(guī)?；荽卫秒姵氐闹亟M、集成和熱疏導(dǎo)等安全管理技術(shù)。③基于新型器件、拓?fù)浼翱刂品椒ǖ膬δ茏兞髌餮兄?；儲能變流器的控制、儲能電池管理、以及系統(tǒng)能量監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)。④儲氫系統(tǒng)、相變儲能和飛輪儲能的系統(tǒng)集成和工程應(yīng)用技術(shù)；海水抽水蓄能和深冷儲能系統(tǒng)集成與試驗技術(shù)等。物理儲能依舊占據(jù)主導(dǎo)部分。根據(jù)國家“十三五”水電規(guī)劃，到2020年年底，我國抽水蓄能的累計裝機(jī)量為40GW。截至2017年年底，抽水蓄能在運規(guī)模為28.49GW，在建規(guī)模為38.71GW，預(yù)計到2020年將完成規(guī)模目標(biāo)。電化學(xué)儲能將保持穩(wěn)定增長。電動汽車等高密度分布式儲能系統(tǒng)將使電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生根本改變，隨著新能源汽車得到規(guī)?；耐茝V和應(yīng)用，電池系統(tǒng)的性能和成本逐漸成為影響行業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸問題。未來電化學(xué)儲能將圍繞高能量密度、低成本、高安全性、長壽命的電池系統(tǒng)作為發(fā)展目標(biāo)。儲能技術(shù)與可再生能源系統(tǒng)深度融合。儲能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源平滑功率波動、削峰平谷、調(diào)頻調(diào)壓，是滿足可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的重要手段。隨著智能微電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場對靈活性的電力調(diào)峰資源和促進(jìn)可再生能源并網(wǎng)的需求將越發(fā)迫切，儲能技術(shù)在該領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。（3）重點研究國家/地區(qū)和機(jī)構(gòu)以及之間的對比及合作情況分析根據(jù)表1.2.5可知,該研究方向的核心論文產(chǎn)出數(shù)量最多的國家是美國、中國、伊朗、印度。其中，美國、中國占據(jù)前兩位，核心、論文比例分別為26.78%和19.51%，印度和伊朗的核心'論文比例均超過6%。由表1.2.6可知，該研究方向的核心'論文產(chǎn)出數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)分別是MITSImperialCollSciTechnol&MedUnivMalaya、ChineseAcadSci、HuazhongUnivSci&Technol核心論文產(chǎn)出數(shù)均超過10篇。根據(jù)圖1.2.3可知，較為注重該領(lǐng)域國家或地區(qū)間合作的有中國、美國、澳大利亞、英國、德國。中國的發(fā)表論文數(shù)量較多，主要是與美國、澳大利亞和英國進(jìn)行合作發(fā)表。根據(jù)圖1.2.4可知,ImperialCollSciTechnol&Med和UnivMa