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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47.4%，约占全部发电装机容量的5.1%。其中，风电并网容量约占并网新能源装机总量的85.5%;并网太阳能光伏装机容量约占并网新能源装机总量的4.4%;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10.1%。
2011年，我国新能源发电量约为1016亿kW?h，同比增长29.9%，约占全部发电量的2.2%。其中，风电发电量约占新能源发电总量的72.0%;太阳能光伏发电约占0.9%;生物质及其他新能源发电约占27.1%。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7.5亿千瓦，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.
[2] 郝伟, 舒隽, 张粒子. 新能源发电技术综述 [C].华北电力大学第五届研究生学术交流年会 ,2007.
[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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（一）论文名称
论文名称就是课题的名字
第一，名称要准确、规范。准确就是论文的名称要把论文研究的问题是什么，研究的对象是什么交待清楚，论文的名称一定要和研究的内容相一致，不能太大，也不能太小，要准确地把你研究的对象、问题概括出来。
第二，名称要简洁，不能太长。不管是论文或者课题，名称都不能太长，能不要的字就尽量不要，一般不要超过20个字。
（二）论文研究的目的、意义研究的目的、意义也就是为什么要研究、研究它有什么价值。这一般可以先从现实需要方面去论述，指出现实当中存在这个问题，需要去研究，去解决，本论文的研究有什么实际作用，然后，再写论文的理论和学术价值。这些都要写得具体一点，有针对性一点，不能漫无边际地空喊口号。主要内容包括：⑴研究的有关背景(课题的提出)：即根据什么、受什么启发而搞这项研究。⑵通过分析本地（校）的教育教学实际，指出为什么要研究该课题，研究的价值，要解决的问题。
（三）本论文国内外研究的历史和现状（文献综述）
规范些应该有，如果是小课题可以省略。一般包括：掌握其研究的广度、深度、已取得的成果；寻找有待进一步研究的问题，从而确定本课题研究的平台(起点)、研究的特色或突破点。
（四）论文研究的指导思想
指导思想就是在宏观上应坚持什么方向，符合什么要求等，这个方向或要求可以是哲学、政治理论，也可以是政府的教育发展规划，也可以是有关研究问题的指导性意见等。
（五）论文写作的目标
论文写作的目标也就是课题最后要达到的具体目的,要解决哪些具体问题，也就是本论文研究要达到的预定目标：即本论文写作的目标定位，确定目标时要紧扣课题,用词要准确、精练、明了。常见存在问题是：不写研究目标；目标扣题不紧；目标用词不准确；目标定得过高, 对预定的目标没有进行研究或无法进行研究。
未来能源十步走 人类将摆脱对石油的依赖
据7月号《大众科学》(注：中文版《科技新时代》)报道，石油价格一路上扬，“石油危机”成为目前最流行的词汇，很多人甚至产生了石油还够用多久的疑问？石油总有一天会耗尽，这毫无争议，但这并不意味着世界末日来临。以石油消耗大户美国为例，美国科学界从石油危机中看到的不是绝望，而是能源的复兴，他们认为，美国到了严肃地考虑从石油转换到清洁、可再生的能源的时候了，而美国已经具备了相关的技术，只要再进一步开发，美国将彻底摆脱对进口石油的依赖。
一 利用风能
地球上的化石能源(石油)终究是有限的，为了人类的持续性发展，必须找到其他可替代能源，而风能就是一个很好的选择。在美国科罗拉多州的博尔德南部的高原上的平旷地带，矗立着四排实验性涡轮机，这些机器在冰雪覆盖的洛矶山脉的映衬下更显得巍为壮观，150英尺的叶片在微风的吹拂下缓慢地旋转着。美国能源部可再生能源实验室的主工程师萨迪·布特菲尔德说：“如果你要选择一个商业涡轮机发电农场，你决不会看中这个地方。但这里却是一个完美的风能实验场地。因为在这里我们可以获得风速为每小时100英里的风能条件。我们通过在这种条件下的实验能很快地知道哪种设计应该淘汰。”1991年，一份政府有关风能的概论作出了如下结论：堪萨斯州、北达科他州和德克萨斯三州有着丰富的风力能源，仅这三个州的风能就可足够满足整个美国的能源需求。今天看来，这项报告不免有些估计过低了。在过去的20年中，风能的价格已经下降了85%，这在很大程度上归功于不断提升的涡轮机效率。政府还制定很多条令来鼓励民众购买利用风力所产生的电能，可以想见在不久的未来使用风力电能必成大势所趋。
二 取消电网
现有的输电系统是从能源中心通过电线向用户送电。这样做有很大一个缺点，那就是输电过程中会损失很多电能。所以更好的供电系统是“分布式发电”。可以在住处和工作地点附近利用风能和太阳能发电，做到自给自足。例如，可以利用地热系统给建筑物供暖和降温，利用屋顶上的太阳能电池提供电力，多余的电能还可以输送到当地的供电系统中，以零售价卖掉，这样还能获取一部分收益。这些措施简便易行，远好于建设发电厂和进口国外的能源。有人估计，一个这样的小型发电厂所需要的太阳能发电设备的造价可在四年内回收回来。既然有这么多的优点，何乐而不为呢？
三 混合燃料汽车
美国陆军宣布将开发一种使用新型混合燃料的“悍马”(Humvee)战车，它预示着混合燃料汽车的时代已经来临。混合燃料汽车通过内燃和电驱动，提高能源利用效率。今天混合型汽车已不再仅仅是陈列室中供人参观的样品，它已完全步入了实用阶段。这将大大削减汽油的使用量，汽车排放的尾气也将随之大幅减少。被称为插入式混合型电动车可以夜间在自家的车库中充电，夜间电费低廉，这样就节省了一项不小的开支。加州大学伯克利可再生能源实验室主任丹尼尔·卡门说：“如果在一夜间，美国的汽车全部被这种混合型汽车所取代，石油的消耗量将会下降70-90%，美国进口石油的时代将彻底结束，在未来多年中，美国的石油将完全可以自给自足。”
四 制造质量更好的乙醇
今年，美国汽车制造商将生产100万辆灵活燃料车，乙醇加油站的数量将增加三分之一，达到大约1000家。现在美国所生产的绝大多数乙醇是由玉米粒发酵而来，这个过程要消耗相当数量的化石燃料。丹尼尔·卡门将这种由基于玉米的乙醇看做是一种过渡型燃料，他说：“要想使用乙醇替代石油，防止全球进一步变暖，我们需要进行一次从玉米乙醇到纤维乙醇的大规模革新运动，纤维乙醇的原料可以有多种选择，柳枝稷、木片以及像玉米芯和玉米杆这样的农业废料都可以用做生产纤维乙醇的原料。现在用于制造乙醇的酶的造价很高，不过这个问题并不难解决。”白蚁后肠中的微生物可以将植物纤维素转化成碳水化合物，美国能源部联合基因组研究所主任艾迪·卢宾说：“我们正在测定那些微生物DNA序列，将来可以通过生物工程制造出新的机体来分泌这些酶。”这样我们就可以利用虫子的体液来驱动我们的汽车前进，摆脱了对化石能源的过度依赖。
五 利用太阳能
明年初，在洛杉矶东北部的一个沙漠农场中将会出现数十个巨大的凹镜。每个凹镜的直径为37英尺，这些凹镜通过电子控制可以自动跟踪太阳，将阳光反射到一个热量收集器上，热量收集器利用这些浓缩的阳光将氢加热到1，300华氏度，通过斯特林发动机驱动发电机发电。当世界上最大的太阳能农场完工后，在摩加伏沙漠4，500英亩的范围内将会布满大约2万个这样的凹镜收集太阳能，利用这些能量产生的电能将可以向287，000个家庭供电。每小时到达地球上的这些太阳能可以满足全世界一整年的电力需求。我们很久以来就已经知道如何利用太阳能来为加热空间和水，但将阳光转化为电能却存在很大困难。
斯特林太阳能凹镜可以将30%的太阳能转化为电能，这是世界上将太阳能转化为电能效率最高的一种技术。科学家希望通过技术改进可以使这个转化率提高至50%。其他的能量企业家还有更为远大的设想。美国航空航天局的科学家一直以来梦想有一天能在太空中利用太阳能发电，然后通过微波将能量将能量输送到各个家庭。随着科学的不断进步，终有一天这个设想一定可以变为现实。
六 制造氢能源
氢能源的潜力巨大，但将其他物质转化为氢并不件容易的事。自然界中不存在纯氢燃料，今天最制造氢最便宜的方式是通过石油或天然气获得，但这并不能避免产生二氧化碳。氢燃料电池的效率是内燃机的二倍多。在冰岛，丰富的可再生能源使氢经济的产生成为可能。在美国，未来的某天可以利用多余的风能来生产氢燃料。研究人员还可以利用基因工程来制造出有生物来直接将太阳转化为氢。
七 利用海浪能发电
美国的海岸线的海洋蕴含着巨大的能量，其中大约有八分之一可以开发利用，同时还不会污染环境。这些可利用能源总量相当于我们现在所有的水力发电厂发电的能量总和。在可利用能源这个竞技场中，欧洲一直走在世界的前列。今年夏天，在葡萄牙，工作人员正在安装一种海岸波浪能转化器。这种蛇状的钢管一半浸于水中，一般露出水面，一直向远海方向延伸了3英里。至2008年这种装置将可以为大约15，000个家庭供电。波浪能的优点是它的能量密度是风能的10至40倍。目前潮汐涡轮机技术发展迅猛，这无疑为波浪能的利用铺平了道路。今年夏天，在纽约东河的水下的六个涡轮机在河流潮汐流的驱动下将开始投入发电。缓慢旋转的推进器第一年将会产生525，000千瓦时的能量。为期18个月的试验表明，布设足够多的涡轮机将可以为8，000户家庭供电。虽然它现在的发电能力有限，但它毕竟代表着未来的能源的一种发展方向，这是件激动人心的事情。这将是世界首个产能潮汐涡轮机农场，这种样机将可以为我们提供稳定的无污染能源。维吉尼亚的海洋学家乔治·哈格曼说：“我们可以称它为月亮能，风时有时无，但从现在开始至未来的1000年，月亮和潮汐会始终存在。”
八 向地下要能源
美国地热能协会执行理事卡尔·格威尔说：“在德克萨斯州西部废弃的油井中冒上来的热水中含有5，000兆瓦的地热能。现在因为没有加以利用，这些能量正在被白白浪费掉，现在我们对这种能量使用的能力远超过了我们对这种技术的实际使用。”地热能可以被用来发电或给建筑物供热。夏威夷、阿拉斯加以及西部各州都分布有丰富的地热能。
可以利用温度为160华氏度水温的地热水库发电。一些公司正在开发德克萨斯州、阿肯色州、佐治亚州和西维吉尼亚州的低温热泉，一旦开发成功，将可以使美国地热发电能力在未来4至5年的时间翻一番。
九 开发垃圾燃气
自旧石器时代，我们就一直在燃烧生物物质，当时人们利用燃烧木头来给山洞供暖，烧烤大型动物的肉。今天绝大多数的生物质能量仍来源于木材，但现在我们要做的是怎样利用这些农业废料和草本植物来发电。这些物质与化石燃料一样，燃烧时会产生二氧化碳。但生物质燃烧时释放的二氧化碳何以通过其生长时吸收二氧化碳获得平衡。在所有的新技术中，气化或许是最具潜力的一种。气化系统在低氧环境中通过极度高热将农业废料或任何一种生物质转化为氢和二氧化碳的混合气体，这种气体可以在锅炉中燃烧，或可以替代涡轮机中的天然气，这些气体可以被用来驱动蒸汽涡轮机进行二次性发电，整个过程中产生的多余热量还可以用来给建筑物和整个城镇供热。
十 节能从我做起
回想上世纪70年代，所谓的节能就是关灯。《家庭能源饮食》一书的作者保罗·舒基尔表示，今天，随着科技的发展，我们节约能源可以充分利用技术优势。现在，美国平均每1美元的经济产出所消耗的能源比30年前减少了47%。令人遗憾的是，由于输送电力的效率有待提高，所以，大量能源在抵达每一个家庭和办公室之前就被浪费了。对此，消费者无能为力，但他们可以从我做起，在自己的家中或办公室里有意识地节约能源。最清洁最廉价的能源就是不用能源。
