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论新能源发电技术

摘要：本文从全球能源的现状，介绍了中国能源发电技术的应用情况，发现中国新能源发电对现代化建设具有重要战略意义。进一步介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统两种新能源发电技术。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是近期发展的重点。燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的装置，它能量转化效率高，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。

关键词：新能源;风能;燃料电池;发电技术

中图分类号： F206 文献标识码： A

能源紧缺已成为制约各国经济发展的瓶颈，如何开发先进安全的新能源使用技术、如何提高能源利用率也随之成为世界各国关心的课题。欧盟就首先提出了20-20-20计划：到2020 年，可再生能源占欧盟总能源消耗的20%。2007年12月，美国前总统布什也签署了《能源独立和安全法案》(EISA)，从而大力推动新能源的使用和节能计划。另外，从环境的角度来看，为了保护人们赖以生存的地球，开发新能源也是必由之路。

一、我国能源和发电技术的现状

2011年，我国新能源发电继续保持快速发展态势，并网装机容量持续增长，发电量不断增加。截至2011年底，我国新能源安装容量达到7000万kW，居世界首位，并网新能源装机容量达到5409万kW，同比增长，约占全部发电装机容量的。其中，风电并网容量约占并网新能源装机总量的;并网太阳能光伏装机容量约占并网新能源装机总量的;生物质及其他新能源发电装机容量约占并网新能源装机总量的。

2011年，我国新能源发电量约为1016亿kW?h，同比增长，约占全部发电量的。其中，风电发电量约占新能源发电总量的;太阳能光伏发电约占;生物质及其他新能源发电约占。2011年我国新能源发电量按发电煤耗320g/(kW?h)计算，相当于节约3241万tce，减排二氧化碳9030万t。

电能是国民生活和生产的根基，无论是从能源角度，还是电力系统自身方面来看，研究新能源发电技术对于我国的现代化建设和人民生活都具有相当大的现实意义和战略意义。

二、风力发电技术

风能资源主要包括陆地资源与近海离岸资源两部分。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是目前新能源发展的重点方向。

1.发展现状

近年来，我国风力发电产业取得了长足发展，这与我国的风能资源丰富密不可分。据有关资料显示，陆地上离地面10米高度处，我国风能资源理论储量约为43亿千瓦，技术可开发量约为3亿千瓦，离地面50米，估计可能增大一倍;近海资源10米高经济可开发量约亿千瓦，50米高约15亿千瓦。从我国联网风电场总装机量来说，到2006 年底，我国已建成约91个风电场，装机总容量达到约260万千瓦，比2005年新增装机134万千瓦，增长率为105%。根据国家中长期规划，2015年风能发电要达到1500万千瓦，2020年要达到3000万千瓦。但是，与风电发达国家相比，我国的发展规模还很小，发展速度也较缓慢。制约我国风电发展的重要因素包括技术和制度两个方面。技术方面，风电机组的制造水平较低，风电机组性能测试设备和技术也相对落后，并缺少相应的认证机构;制度方面，风电场的运行维护水平和制度与国外风电场及国内火电生产相比有明显差距，缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录、分析。

2.对电力系统的影响

风力发电机是以风作为原动力，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的电能输出也是波动和间歇的。所以，风电场的大规模接入将会带来波动功率，从而加重电网负担，影响电网供电质量和电网稳定性等。

(1)对电能质量的影响。空气气流运动导致的风速波动周期一般为几秒到几分钟，这种短周期的风速波动以及风电机组本身的运行特性可能影响电网的电能质量。首先会对频率产生影响：风力发电有功功率波动引起电磁功率的波动，由于发电机组转子惯性，调节系统很难跟上电磁功率的瞬时变化，造成功率不平衡，使发电机转速变化，系统频率也将改变。此外，风电还会对电压产生影响：并网风电机组输出功率的波动导致电压的波动，而其输出功率的频率范围正处于电压闪变的范围之内(25Hz)，因此又会造成电压闪变，最后会产生谐波电压和谐波电流。

(2)对电网稳定性的影响。对较为薄弱的电网，风电功率波动将导致瞬间电压跌落以及风力发电机的频繁掉线。在故障清除之后，发电机的磁化和转差率的增加会消耗大量无功，导致电网电压恢复困难。

(3)对调频调峰能力的影响。气流长时间、季节性运动导致的风速波动周期一般为数小时，甚至数天、数月，这种长周期的风速波动会增加现有电网调频调峰的负担。负荷曲线的低谷期常常对应了风电出力的高峰期，风电场的并网发电使电网的等效负荷峰谷差增大，大大增加了电网调频调峰负担。

三、太阳能光伏电池发电技术

1. 1 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池发电也简称为太阳能光伏发电，被认为是未来世界上发展最快和最有前途的一种可再生新能源技术。太阳能光伏电池的基本原理是利用半导体的“光生伏打效应”( 光伏效应) 将太阳的光能直接转换成电能。能利用光伏效应产生电能的物质，称为光伏材料。利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件叫太阳能光伏电池或光伏电池。光伏电池是太阳能光伏发电的核心组件。

1839 年，法国物理学家贝克勒尔 ( Edmond Bec-qurel) 发现: 将两片金属浸入电解液中所构成的伏打电池，当接收到太阳光照射时电压升高，他在所发表的论文中把这种现象称为“光生伏打效应( PhotovohaicEffect) ”。“光生伏打效应”是不均匀半导体或半导体与金属混合材料在光照作用下，其内部可以传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，因而在不同部位之间产生电位差的现象。1941 年，奥尔在硅材料上发现了光伏效应，从而奠定了半导体硅在太阳能光伏发电中广泛应用的基础。1954 年，美国贝尔实验室的科学家恰宾( Darryl Chapin) 和皮尔松( Gerald Pearson) 研制成功世界上第一个实用的单晶硅光伏电池。同年，韦克尔发现砷化镓具有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成世界上第一块薄膜光伏电池。我国2010 年 12 月投入运行的大丰 20 MW 光伏电站，是目前全国最大的薄膜光伏电站，年发电量2 300 万 kW·h。

太阳能光伏电池的工作原理如图 1 所示。

在半导体中掺加杂质制成 PN 结，以形成在平衡状态时具有的内建电场，在该内建电场的作用下分离由外界激发而生成的过剩载流子，从而形成外部电压。在光照条件下，半导体中的电子吸收光子能量从价带跃入导带，形成电子———空穴对，成为载流子。生成载流子所需要的最低能量是半导体的禁带宽度 Eg，使用禁带宽度较小的材料制作的太阳能电池可以形成较大的电流。

基于单晶硅的第一代光伏电池是目前太阳能光伏电池市场的主流，其光电转换率已达 24. 7%; 基于薄膜技术的第二代光伏电池的光电转换效率已达到16. 5% ～ 18. 8% 。由于薄膜光伏电池大大减少了半导体材料的消耗，因此具有很好的发展前景。应该指出，光伏电池在光电转换过程中，光伏材料既不发生任何化学变化，也不产生任何机械磨损，因此太阳能光伏电池是一种无噪音、无气味、无污染的理想清洁能源。2006 年，我国太阳能电池生产总量首次达到400 MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，也是世界上发展最快的国家。

1. 2 太阳能光伏电站

太阳能光伏电站是将若干个光伏转换器件即光伏电池封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制装置相配套，构成太阳能光伏电站。

太阳能光伏电池具有很大的灵活性，不仅可以用其建设零星规格的电站，而且可以组成应用于小型、分散电力用户的太阳能光伏发电系统。这种独立运行的太阳能光伏发电系统称之为离网型太阳能光伏发电系统。

由于受昼夜日照变化及天气的影响，离网型光伏发电系统通常需要和其他电源形式联合使用，比如柴油发电机组以及蓄电池组，从而增大了电站的投资和维护费用。离网型光伏发电系统往往建在距离电网较远的偏远山区及荒漠地带，向独立的区域用户供电。西藏措勒 20 kW 光伏电站是我国建设较早的离网型光伏电站，总投资 290 万元，1994 年 12 月正式投产发电。

离网型太阳能光伏电站系统如图 2 所示。

电站的发电系统由太阳能光伏电池方阵、蓄电池组、直流控制器、直流 - 交流逆变器、交流配电柜和备用电源系统( 包括柴油发电机组和整流充电柜) 等组成。其工作原理为太阳能光伏电池方阵经过直流控制柜向蓄电池组供电，并根据需要整定蓄电池组的上限和下限电压，由直流控制柜自动控制充电。蓄电池组通过直流控制柜向直流 - 交流逆变器供电，经逆变器将直流电变换成三相交流电，再通过交流配电柜以三相四线制向用户供电。当蓄电池组的电压下降到下限电压时，为不造成蓄电池组的过渡放电，直流控制柜将自动切除其输出电路，使直流 - 交流逆变器停止工作。柴油发电机组为电站的备用电源，必要时由备用电源通过整流充电柜向蓄电池组充电，或在光伏发电系统出现故障及停运时直接通过交流配电柜向用户供电。直流 - 交流逆变器和柴油发电机组不能同时向用户供电，为此必须在交流配电柜中设置互锁装置以保证供电电源的唯一性。

当太阳能光伏电站的容量达到一定规模时，还可与电网相联，即所谓的并网型光伏电站。这时，如果本地负荷不足，则可将多余的电能输送给电网。当本地太阳能发电量不足时，则由电网向用户提供电能。因此，并网型光伏电站可以不需要使用蓄能装置，减少系统投资和维护费用。同时由于与电网的互济，提高了发电设备的利用率和供电用电的安全可靠性，是大规模开发太阳能发电技术的必然趋势。我国第一座并网型光伏电站是 2006 年建成投运的西藏羊八井可再生能源基地 100 kW 高压并网光伏电站。2010 年底全国首个光伏并网发电项目敦煌 2 ×10 MW 光伏发电项目建成投产。

四、结论与展望

本文从全球和我国的能源现状出发，分析说明了新能源发电技术是当前迫切而有实际价值的研究课题，进而具体介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统的特点以及我国在这两个方面的发展现状。新能源不仅仅指风能和燃料电池，还包括生物质能、海洋能、地热能和光伏电池等。我国乃至全世界的新能源发电技术发展的潜力都是巨大的。在人类明天的舞台上，新能源将取代化石燃料，扮演重要的角色。

参考文献：

[1] 徐德鸿 . 新能源电力电子导论 [D]. 杭州 : 浙江大学 ,2009.

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[3] 施涛.燃料电池发电系统的建模与仿真 [D].南京:东南大学,2007:5-6,63-64.

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未来广泛应用的新能源 ---生物质能与核能能源是人类藉以克服困难，维持生存的原动力，譬如太阳给我们光热，风吹动风车可以发电，燃烧汽油可用以推动汽车，使用瓦斯可以烹调、取暖，凡此种种如太阳、风、汽油、瓦斯等都是能源。近年来，无论核分裂、核融合和太阳能的研究发展，均呈现出一片蓬勃景象，但今日能源供应市场燃料其蕴藏量有限且日益枯竭、分布不均，使用时又污染严重，鉴於目前已经投置的生产设备和应用技术，预计主能源维持在能源主流的地位直至本世纪之末，因此人类当务之急便是寻求更好用的燃料，并加紧改良现有能源的利用技术。下面是未来应用较广泛的两种新能源。一、新能源之生物质能 生物质能是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。 而所谓生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能 量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可 转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化 而来的。 1、生物质能的特点1) 可再生性生物质属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,资源丰富,可保证能源的永续利用； 2) 低污染性生物质的硫含量、氮含量低； 生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量， 因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应； 3) 广泛分布性 缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能； 4) 生物质燃料总量十分丰富。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的十倍。 2、生物质能的分类依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等。林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等。农业生物质能资源是指农业作物；农业生产过程中的 废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排 出的废水等，其中都富含有机物。 城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和 少量建筑业垃圾等固体废物构成。

摘要：随着我国汽车保有量的持续增长，汽车排放污染跟能源问题将会越来越严峻。现在我们国家提 摘要 倡低碳生活和可持续发展，为了响应国家的政策。我们必须寻找一种对环境零污染或低污染的汽车，而目 前公认最为理想可行的就是纯电动汽车了。而作为内燃机跟纯电动汽车的过渡产物就是混合动力汽车，混 合动力汽车已经不是什么新鲜的产物了，目前已经有很多车企生产了。在近两年，我国的车企对纯电动汽 车的热情很高，可惜都只是雷声大雨点小。大都只是处于概念车的阶段。发动纯电动汽车还有一段很曲折 艰辛的路要走。 关键词：内燃机：混合动力： 电动汽车：汽车： 关键词 内燃机 像我们这代人,对于汽车并不会感到很陌生.特别是近几年中国车市出现井喷的现象,据保 守的估计,中国现在的机动车保有量已经超过两亿.而且还保持上升的趋势,去年的产销量达 1360 万辆,首次超过美国而位居世界第一.今年 1 到 9 月份的产销已经达到去年全年的水平了, 保守估计今年的产销量将达 1700 万辆.而且在接下来的几年会稳居榜首,产销量持续增长.在 这数据中,又有多少是属于电动汽车的呢?统计数据显示是非常非常的少,几乎可以被忽视. 汽车的产销量不断的增长,这也将引起一系列的问题.内燃机技术发展到今天已经可说是 炉火纯青的地步了,想到再进一步改善是非常的困难了.我们都是知道无论是汽油机还是柴油 机,都会排放一些对大气有害的气体,如:CO HC Nox 等.虽然说排放标准不断的在提高,但是污 染还是存在的.这将跟我们提倡的低碳生活有点格格不入,因此我们就必须找出其它代替品. 就目前而言,就有新燃料发动机,如:醇燃料 氢燃料 石油气燃料 天然气燃料 太阳能燃料混合动力汽车 电动车等等.在这些新能源汽车中,纯电动汽车将是我们发展的趋势.因为其它 的,不是技术太难攻关,就是使用经济性和燃料来源困难等等.电动汽车的优点是零排放 零污 染 燃料来源方便 动力性良好等.但就目前的现状而言,电动汽车的缺点也是显而易见的, 目 前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源（电池）的寿命短，使用成本高。 电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵。但从发展的角度看，随 着科技的进步，投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短，电动汽 车会逐渐普及， 其价格和使用成本必然会降低。 现在处于内燃机跟纯电动汽车的过渡产物是HEV 混合动力汽车, 混合动力汽车的种类目前主要有 3 种。一种是以发动机为主动力，电 动马达作为辅 串联混合动力电动汽车原理。 另外一种是， 在低速时只靠电动马达驱动行驶， 速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“串联、并联方式” 。还有一种是只用电动马达 驱动行驶的电动汽车“串联方式” ，发动机只作为动力源，汽车只靠电动马达驱动行驶，驱 动系统只是电动马达，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种。 现在车市的混合动力车主要有,PRIUS 思域 凯美瑞 凯越 LS600H S400 SMART F3DM 等等. 由于我们国家提倡低碳生活,国家的政策便大力的支持发展纯电动汽车.目前几乎所有的车企都积极的响应国家的号召,如:比亚迪的 E6 奇瑞 S18 众泰 2008EV 长安奔奔 MINI 日 产的 LEAF 通用的 VOLT 等等.虽然推出的车型很多,但也只是雷声大雨点小.技术都不啥的, 而且销量也是少之又少. 电动汽车并不是现代才有的产物, 早在 19 世纪后半叶的 1873 年，英国人罗伯特·戴维 森 （Robert Davidsson） 制作了世界上最初的可供实用的电动汽车。 这比德国人戴姆勒 （Gottlieb Daimler）和本茨（Karl Benz）发明汽油发动机汽车早了 10 年以上。戴维森发明的电动汽车 是一辆载货车，长 4800mm，宽 1800mm，使用铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次电池。 其后，从 1880 年开始，应用了可以充放电的二次电池。从一次电子表池发展到二次电池， 这对于当时电动汽车来讲是一次重大的技术变革，由此电动汽车需求量有了很大提高。在 19 世纪下半叶成为交通运输的重要产品，写下了电动汽车需求量有了很大提高。在 19 世纪 下半叶成为交通运输的重要产品，写下了电动汽车在人类交通史上的辉煌一页。1890 年法 国和英伦敦的街道上行驶着电动大客车，当时电动汽车生产的车用内燃机技术还相当落后， 行驶里程短，故障多，维修困难，而电动汽车却维修方便. 电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在 “低成本要求”“高容量要求”及 、 “高安全要求”等三个要求上。要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过 10 多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单 位重量储存能量比铅酸电池多一倍， 其它性能也都优于铅酸电池。 但目前价格为铅酸电池的 4-5 倍，正在大力攻关让它降下来。铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成 本得到大幅度降低，也有厂家采用。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位 重量储能为铅酸电池的 3 倍，锂聚合物电池为 4 倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是 很有希望的电池。 我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。 电 动汽车其他有关的技术，近年都有巨大的进步，如：交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷 电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风 阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走向实用化。我国大城 市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有 16 个城市被列入全球大 气污染最严重的 20 个城市之中。我国现今人均汽车是每 1000 人平均 10 辆汽车，但石油资 源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全 球水平---每 1000 人有 110 辆汽车， 我国汽车持有量将成 10 倍地增加， 石油进口就成为大问 题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略 考虑。 下面是一些专家对我国发展电动汽车的看法: 锂电池大规模用于电动车还需一定时间 河南环宇集团锂电池产业技术副总工程师邓伦浩 目前国内锂电池的研究工作和国外相比，差距主要体现在电池的控制系统和电源 管理系统上。邓伦浩对记者说，现在国内对锂电池的研究处于各自开发的状态。目前，有的公司已经能 够为电 动汽车提供相应 的锂电 池配套产品，配 套的锂 电池一般能跑 200~500 公里左右。 邓伦浩告诉记者，现在国内锂电池的价格太高，电源管理系统的问题还没得到很 好地解决。电动汽车还面临充电的问题。目前，家里的一般线路不能为电动汽车锂电 池充电，必须配一个小型的专用充电器，而且充电的时间很长，很麻烦。在国外，为 了解决这一问题，一般都把充电站和加油站放在一起。现在国内的充电站还没有大规 模地建立起来。 国内锂电池研究存在三大问题 中国汽车工程学会电动汽车分会主任陈全世 陈全世告诉记者，目前国内锂电池研究存在三大问题。首先是制造的一致性问题。 由于在锂电池的制造工艺和设备上存在差距，使得国内锂电池的生产工艺参差不齐， 制造标准还达不到一致性。电动汽车所用的锂电池都是串联或并联在一起，如果一致 性问题解决不好，那么所生产的锂电池也就无法大规模应用于电动汽车。 其次是知识产权问题。目前国内在磷酸铁锂电池的研究上已经取得突破，但是由 于美国在这方面有专利，所以虽然我们在一些环节上能够自主研发，但是在知识产权 问题上，还不知如何应对。 第三是原材料的筛选问题。现在用于锂电池生产的原材料不可能全部进口，主要 还是取自国内， 但是国内的原材料要通过国际认证， 生产出的锂电池才能被国际认可， 所以在原材料认证环节上目前还存在一些问题。 大力发展电动汽车将增加能源供需紧张形势 中国国际经济合作学会经济合作部副主任杨金贵 目前中国 80%的二氧化碳排放来自燃煤，超过 50%的煤炭消费用于火力发电，而同时， 火力发电量占到总发电量的 70%以上。加之目前我国煤炭发电平均效率只有 35%，在这样 的情况下，发展电动汽车，无异于增加电力消耗，同时也就意味着增加碳排放量。随着我国 城镇化、工业化步伐的加快，电力资法律论文 源将更为紧张。而在风能、核能发电尚在发展阶段的我 国而言，大力发展电动汽车，势必将增加能源供需紧张形势，相反不利于低碳产业的发展布 局。对于政府来说，在不遗余力地支持电动汽车发展、支持相关企业开发新产品的同时，更 需要解决源头问题。以电动汽车为例，用煤炭替换石油的作为并不可取，电动汽车成为低碳 经济时代先锋的前提是解决电力资源问题，否则，前景并不乐观。 从以上各个专家的看法，可以看出我国要发展电动汽车是非常艰辛的和曲折的。但这并 不代表不可能， 只是时间问题， 只要我们攻关了那些技术难题， 电动汽车将会造福我们国民， 甚至全人类。因此，发展纯电动汽车势不可挡。