新能源與可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

能源與可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)與進(jìn)展趨勢(shì)孟慶梅能源和可再生能源在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)進(jìn)展中具有重要作用，是我國(guó)能源進(jìn)展的重要內(nèi)容和組成局部。2005年第十屆全國(guó)人大常委會(huì)第十四次會(huì)議正式通過(guò)了《中華人民共和國(guó)可再生能源法科技進(jìn)展綱要和“十一五”科技進(jìn)展打算明確提出了國(guó)家能源爭(zhēng)論和進(jìn)展戰(zhàn)略，將這方面的爭(zhēng)論納入國(guó)家863事大學(xué)電力傳動(dòng)與掌握爭(zhēng)論所所長(zhǎng)、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(guó)的高度重視，而且進(jìn)展速度最快。風(fēng)力發(fā)電通常有三種運(yùn)行方式：一是獨(dú)立運(yùn)行方式，通常是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶(hù)或幾戶(hù)供給電力，它用蓄電池蓄能，以保證無(wú)風(fēng)時(shí)的用電；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式〔如柴油機(jī)發(fā)電〕相結(jié)合的聯(lián)合供電方式，向交通不便的邊遠(yuǎn)山村、沿海島嶼，或地廣人稀的草原牧場(chǎng)供給電力；三是并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電運(yùn)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(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩種構(gòu)造〔二〕太陽(yáng)能電池自50年月第一塊有用的硅太陽(yáng)電池研制成功，太陽(yáng)能光電技術(shù)已歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)展。目前占主流的太陽(yáng)電池是硅太陽(yáng)電池，它又分單晶硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池〔總稱(chēng)晶體硅太陽(yáng)電池〕和非晶硅太陽(yáng)電池。典型的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)構(gòu)造如圖2陽(yáng)電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成用戶(hù)所需的電源形式。依據(jù)用戶(hù)要求，功率變換器可以選擇直流斬波器進(jìn)展DC/DC變換，或承受逆變器進(jìn)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(dāng)陽(yáng)光充分2示。電網(wǎng)太陽(yáng)電池 變流器= ==

變壓器蓄電池2太陽(yáng)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(chǔ)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(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，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(wú)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(hù)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(dòng)掌握技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(zhǎng)期形過(guò)學(xué)科穿插爭(zhēng)論和開(kāi)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(guò)系統(tǒng)集成形成產(chǎn)品，以便利用戶(hù)?！惨弧畴娔茏儞Q變換裝置是解決上述問(wèn)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?chǔ)存如：風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以通過(guò)電感儲(chǔ)能器存儲(chǔ)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(chǔ)能方式外，現(xiàn)代的儲(chǔ)能裝置有超級(jí)電容和飛輪等方式。與電解電容相比，超級(jí)電容利用碳電極外表產(chǎn)生的雙層電極儲(chǔ)能，具有格外高的功率密度和實(shí)質(zhì)的能量密度。如今，超級(jí)電容功率密度可高達(dá)20kW/kg，充放電時(shí)間各為0.1-100分鐘。在過(guò)去幾年，這些器件已應(yīng)用在消費(fèi)電子、工業(yè)和汽車(chē)等很多領(lǐng)域。飛輪儲(chǔ)能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪慣性存儲(chǔ)電能。假設(shè)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)合，可以在風(fēng)速很高時(shí)，帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)；風(fēng)速降低時(shí)，飛輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。當(dāng)前如何降低飛輪的摩擦損耗是提高儲(chǔ)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(gè)層次，對(duì)電能進(jìn)展安排、監(jiān)測(cè)、掌握、治理和安全保護(hù)等。其主要功能包括：電能安排；優(yōu)化掌握；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；容錯(cuò)掌握。最優(yōu)化算法、容錯(cuò)掌握等；人工智能，如模式識(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌握、數(shù)據(jù)采集和通信；中間層通過(guò)分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、趨勢(shì)分析和故障報(bào)警等功能；上層承受人工智能技術(shù)構(gòu)建智能PMS，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷推測(cè)、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(wèn)題。如何治理“電力公害爭(zhēng)論內(nèi)容是：電源諧波檢測(cè)和分析技術(shù)。諧波的測(cè)量和分析是實(shí)現(xiàn)諧波治理的前提條件，準(zhǔn)確的諧波測(cè)量和分析能夠?yàn)橹C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(lái)，基于傅里葉變換的諧波測(cè)量便得到如何減小因同步偏差而引起的測(cè)量誤差成了眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。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(jì)。由于傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器體積和重量大、且需針對(duì)不同的頻率進(jìn)展設(shè)計(jì)，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(lái)，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(zhēng)論熱點(diǎn)，現(xiàn)已從電路拓樸、掌握策略進(jìn)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：?jiǎn)伍_(kāi)關(guān)、多開(kāi)關(guān)以及軟開(kāi)關(guān)三相PFC電路的研制。特別是，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與PFC技術(shù)的融合是進(jìn)展的趨勢(shì)。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(jī)遇。三、進(jìn)展趨勢(shì)〔一〕混合供電系統(tǒng)能源作為電力系統(tǒng)將來(lái)的進(jìn)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(yáng)能電池組合，或太陽(yáng)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(dòng)透平發(fā)電機(jī)組成混合電力系統(tǒng)。圖5電網(wǎng)電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器PMS太陽(yáng)能電池變流器監(jiān)控系統(tǒng)燃料電池變流器儲(chǔ)能裝置5能源混合供電系統(tǒng)在混合供電系統(tǒng)的爭(zhēng)論中，主要爭(zhēng)論太陽(yáng)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(guò)并網(wǎng)輸出電壓同步跟蹤電網(wǎng)電壓相位；并具有保護(hù)和監(jiān)控等功能，保證了光伏并網(wǎng)發(fā)電的安全運(yùn)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(lái)電力系統(tǒng)進(jìn)展方向。這種分布式電源，可以到達(dá)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(jìn)展目標(biāo)立產(chǎn)業(yè)化配套效勞體系；健全法規(guī)和機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能源和可再生能源開(kāi)發(fā)利用的商業(yè)化進(jìn)展。到2015年能源和可再生能源年開(kāi)發(fā)量到達(dá)43002%3.6%產(chǎn)業(yè)將成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)興行業(yè)，拉動(dòng)機(jī)械、電子、化工、材料等相關(guān)行業(yè)的進(jìn)展；對(duì)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(wàn)噸二氧化硫等污染物的排放；供給近50萬(wàn)500〔約2500〕解決無(wú)電問(wèn)題。為確保上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)展規(guī)劃分以下幾個(gè)階段實(shí)施：１.2000～2005年，逐步建立能源和可再生能源經(jīng)濟(jì)鼓勵(lì)政策體系以及適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的行業(yè)治理體系；建立和實(shí)施質(zhì)量保證、監(jiān)測(cè)、效勞體系；加大對(duì)重點(diǎn)行業(yè)和產(chǎn)品的扶持力度以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展；能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)利用量在我國(guó)商品能源消費(fèi)總量中占0.71300２.2006～2010能源經(jīng)濟(jì)鼓勵(lì)政策體系。能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)利用量到達(dá)2500萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，在我國(guó)商品能源消費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)，促進(jìn)大型高效太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)進(jìn)展201520-302.32200－300萬(wàn)平方米規(guī)模，并具有較強(qiáng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)力量的骨干企業(yè)。加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制訂，建立具有權(quán)威性的國(guó)家級(jí)太陽(yáng)熱水器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心，對(duì)太陽(yáng)熱水器和太陽(yáng)熱水系統(tǒng)中的集熱器、水箱、零部件實(shí)行質(zhì)量監(jiān)視、檢測(cè)和認(rèn)證。推動(dòng)企業(yè)不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加品種、規(guī)格，降低本錢(qián)，完善效勞，制造出一批用戶(hù)信得過(guò)、國(guó)內(nèi)外有較高信譽(yù)的名牌產(chǎn)品，開(kāi)拓國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)，使更多產(chǎn)品打入國(guó)際市場(chǎng)。建立太陽(yáng)電池與應(yīng)用系統(tǒng)生產(chǎn)體系、降低產(chǎn)品本錢(qián)集中力氣在現(xiàn)有太陽(yáng)電池生產(chǎn)和應(yīng)用的根底上，適應(yīng)國(guó)際光電技術(shù)進(jìn)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)進(jìn)展的形勢(shì)，開(kāi)拓市場(chǎng)，打破年產(chǎn)量徘徊在2兆瓦左右的局面。通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)扶持，推動(dòng)其次代太陽(yáng)電池商業(yè)化，形成應(yīng)用器件配套齊全的太陽(yáng)光伏產(chǎn)業(yè)。2015年全國(guó)太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)擁有量將到達(dá)320兆瓦。通過(guò)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，降低太陽(yáng)電池生產(chǎn)本錢(qián)，從而推動(dòng)市場(chǎng)的進(jìn)展，形成良性循環(huán)。在太陽(yáng)電池市場(chǎng)中，通訊及工業(yè)用光伏系統(tǒng)將從40-50201020-303040-502015年中國(guó)將開(kāi)頭大規(guī)模進(jìn)展并網(wǎng)式屋頂光伏系統(tǒng)。推動(dòng)并網(wǎng)風(fēng)電的商業(yè)化進(jìn)展，加快國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程200530020104902015700瓦。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必需提高國(guó)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(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，形成與風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)同步的生產(chǎn)力量，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，同時(shí)還可以出口。要建立具有自主學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán)的知名品牌，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)驗(yàn)，打破行業(yè)界限，承受招標(biāo)方式擇優(yōu)扶持零配件生產(chǎn)廠(chǎng)、整機(jī)組裝廠(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品價(jià)格、風(fēng)電場(chǎng)初始投資有電機(jī)組質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法等；同時(shí)建立和完善產(chǎn)品質(zhì)量保證、監(jiān)視及檢測(cè)體系。樂(lè)觀(guān)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(jìn)和開(kāi)發(fā)，加速?lài)?guó)產(chǎn)化。要大力開(kāi)拓地?zé)岵膳袌?chǎng)，到2005、2010、2015年地150022503000200540－502010201587.5110推動(dòng)大中型沼氣工程建設(shè)，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能高效利用設(shè)備大力推動(dòng)大中型沼氣工程建設(shè)，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)、工藝和自動(dòng)掌握技術(shù)水平。到2015年，處理工業(yè)有機(jī)25004034337500201541004.5，相當(dāng)于58萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年處理糞便量1.23億噸，從而解決全國(guó)集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的污染治理問(wèn)題，使糞便得到資200牢靠技術(shù)后，再進(jìn)一步推廣應(yīng)用。到201545002057萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。推動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展的市場(chǎng)根底還需要肯定的時(shí)間。我國(guó)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(dòng)電源是一個(gè)具有寬闊前景的潛在市場(chǎng)，估量2005年以后將逐步進(jìn)入實(shí)投入和技術(shù)引進(jìn)，并逐步進(jìn)入示范和進(jìn)展階段。一旦這些技術(shù)有了突破，到達(dá)成熟有用，并具有了肯定的市場(chǎng)根底，也要將其納入產(chǎn)業(yè)進(jìn)展規(guī)劃來(lái)進(jìn)展推動(dòng)和扶持。五、制約因素與存在的問(wèn)題展，必需消退技術(shù)、資金、市場(chǎng)、機(jī)制等方面的障礙?！惨弧臣夹g(shù)問(wèn)題后、生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，一些原材料和產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化程度低。這些緣由加大了產(chǎn)品的生產(chǎn)本錢(qián)，與常規(guī)能源相比