非水可再生能源發(fā)電技術(shù)概況

非水可再生能源是指除了常規(guī)能源（煤炭、石油、天然氣、水能、核能）以外的各種形式的能源，通常包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源和可燃冰、未來(lái)的核聚變等。非水可再生能源是一類蘊(yùn)藏量極大、取之不盡用之不竭、潔凈無(wú)污染的能源。大力發(fā)展非水可再生能源是推動(dòng)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要力量，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，有利于人與自然和諧發(fā)展。在化石能源逐漸枯竭，氣候變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，開(kāi)發(fā)利用非水可再生能源，既是解決當(dāng)前能源供需矛盾的重要措施，也是解決未來(lái)能源問(wèn)題的必然選擇。

風(fēng)力發(fā)電

世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

利用風(fēng)能發(fā)電始于19世紀(jì)末。1891年，丹麥拉庫(kù)爾研制成利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的兩臺(tái)9kW直流發(fā)電機(jī)組，從此為人類利用風(fēng)能開(kāi)創(chuàng)了新途徑。1910年，丹麥已擁有微型、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1萬(wàn)余臺(tái)，荷蘭有2萬(wàn)余臺(tái)，主要用于排灌、照明。20世紀(jì)五六十年代，由于水、火電站和電網(wǎng)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電多在偏遠(yuǎn)農(nóng)村、邊遠(yuǎn)地區(qū)采用。

20世紀(jì)70年代世界發(fā)生兩次石油危機(jī)，石油漲價(jià)，能源短缺，風(fēng)力發(fā)電重新引起許多國(guó)家的重視，在北美、西歐、北歐等國(guó)家取得了很大的進(jìn)展。在20世紀(jì)80年代末，已研制成風(fēng)輪直徑100m、功率為4000-5000kW的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，MW級(jí)及以上的風(fēng)電機(jī)組被廣泛應(yīng)用。到2008年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量為1.2億kW，其中美國(guó)為25173MW，居世界第一。

中國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

中國(guó)陸地50m高度上達(dá)到3級(jí)（年平均風(fēng)功率密度≥300W/m2）以上風(fēng)能資源的潛在開(kāi)發(fā)量約23.8億kW，達(dá)到4級(jí)（年平均風(fēng)功率密度≥400W/m2）以上的潛在開(kāi)發(fā)量約11.3億kW。中國(guó)近海水深5-25m區(qū)域50m高度層達(dá)到3級(jí)以上風(fēng)能資源的可裝機(jī)容量約2億kW，中國(guó)風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”（東北、華北、西北）地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)和東南沿海及附近島嶼。從發(fā)展歷程來(lái)看，中國(guó)風(fēng)電發(fā)展可劃分為三個(gè)階段。

第一階段（1957-1971年）為起步階段。1957年，吉林白城曾試制1臺(tái)66kW的微型風(fēng)電機(jī)組，隨后安徽、遼寧、山西、內(nèi)蒙古、新疆等地相繼制造多臺(tái)微型風(fēng)電機(jī)組，但由于技術(shù)問(wèn)題未能長(zhǎng)期運(yùn)行。

第二階段（1972-1995年）為初創(chuàng)示范階段。1972年中國(guó)利用退役的直-5飛機(jī)旋翼作風(fēng)機(jī)葉片制成1臺(tái)18kW風(fēng)電機(jī)組。1978年中國(guó)將研制風(fēng)機(jī)設(shè)備列為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目后，科研機(jī)構(gòu)、高校和制造廠家聯(lián)合研制和生產(chǎn)了微型和1kW、3kW、4kW、8kW4種小型風(fēng)電機(jī)組。1985年，山東從丹麥購(gòu)進(jìn)3臺(tái)55kW風(fēng)電機(jī)組，在榮城建設(shè)中國(guó)第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。中國(guó)制造的首臺(tái)55kW和200kW風(fēng)電機(jī)組安裝在福建平潭島，分別于1989年12月和1993年4月投入運(yùn)行。

第三階段（1996-2012年）為發(fā)展階段。1996年3月國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)制定“乘風(fēng)計(jì)劃”，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電開(kāi)始加速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)風(fēng)電的建設(shè)突飛猛進(jìn)。2009年，中國(guó)制定完成了7個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)大型風(fēng)電基地規(guī)劃，累計(jì)規(guī)劃裝機(jī)超過(guò)1億kW。2010年底，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量為40850MW，其中并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到31070MW。

截至2010年底，中國(guó)的風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過(guò)70家。借助于1MW、1.5MW和2MW級(jí)機(jī)組的技術(shù)引進(jìn)，通過(guò)聯(lián)合研制或自主研發(fā)，中國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造能力有了大幅提高，很快與世界風(fēng)電技術(shù)接軌。單機(jī)容量1.5MW機(jī)組已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，成為市場(chǎng)主力；變槳變速機(jī)組技術(shù)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。同時(shí)，解決了齒輪箱、發(fā)電機(jī)、槳葉、變頻器和控制器等技術(shù)難題，使關(guān)鍵零部件本土化生產(chǎn)能力達(dá)到80%以上，基本形成完整的風(fēng)電設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)鏈。

太陽(yáng)能發(fā)電

世界太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

太陽(yáng)能發(fā)電按其能源轉(zhuǎn)換形式，可分為太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電兩大類。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是直接把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的基本元件是太陽(yáng)能光伏電池。1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一批可供實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率為6%；1984年，美國(guó)創(chuàng)建了世界上首座商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的PVI太陽(yáng)能電池電站，一期工程裝機(jī)容量1000kW。以后太陽(yáng)能光伏發(fā)電獲得了較大的發(fā)展。

太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化成熱能，再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而發(fā)電。接收太陽(yáng)能輻射的方式，主要有塔式、槽式和碟式三類。

20世紀(jì)40年代末，蘇聯(lián)利瓦茲吉姆首先提出塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的構(gòu)想。法國(guó)是世界上最早建成塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的國(guó)家。1976年，法國(guó)1臺(tái)64kW的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置投入運(yùn)行。1981年，日本1座1000kW槽式太陽(yáng)能熱電站投入運(yùn)行。

1902年羅馬尼亞的卡列克辛斯基提出了太陽(yáng)池發(fā)電的設(shè)想。1979年12月19日，以色列在死海建造的150kW太陽(yáng)池發(fā)電站投入運(yùn)行。太陽(yáng)池發(fā)電方式不需要昂貴的集熱系統(tǒng)，不存在傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱電站間歇發(fā)電的問(wèn)題，具有很大的儲(chǔ)能本領(lǐng)，從潛力上可作為電網(wǎng)調(diào)峰之需。

在太陽(yáng)能發(fā)電方面，許多國(guó)家還正在探索新的轉(zhuǎn)換方式，包括研究設(shè)計(jì)既能供電又能供熱的全能系統(tǒng)，提高熱能利用總效率；研制低溫太陽(yáng)能磁流體發(fā)電裝置，以及試驗(yàn)制造熱化學(xué)太陽(yáng)能發(fā)電裝置。

中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的主要方式是太陽(yáng)能光伏發(fā)電。1959年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制成功第一片具有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能光伏電池。1973年在天津港的海面航標(biāo)燈上首次應(yīng)用14.7W太陽(yáng)能光伏電池。1979年中國(guó)開(kāi)始利用半導(dǎo)體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)能光伏電池。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，2010年太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)量超過(guò)5000MW，約占全球產(chǎn)量的50%。中國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用主要有三個(gè)方面：一是戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)和建設(shè)小型光伏電站，來(lái)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電村和無(wú)電戶的供電問(wèn)題。二是建筑物光伏電源。北京、深圳、上海等城市已經(jīng)建設(shè)了大量的照明光伏電源。三是大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示范電站。2007年，兆瓦級(jí)光伏發(fā)電站在上海崇明并網(wǎng)發(fā)電試運(yùn)行，裝機(jī)容量1MW。在“光電建筑”“金太陽(yáng)示范工程”和敦煌大型荒漠光伏電站招標(biāo)等多個(gè)項(xiàng)目的帶動(dòng)下，2010年底，中國(guó)裝機(jī)容量已達(dá)到700MW。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的投資較大，光伏發(fā)電電價(jià)是煤電的3-4倍。但是，隨著技術(shù)進(jìn)步，光伏電力上網(wǎng)電價(jià)與常規(guī)能源電價(jià)的差距正在逐步縮小。

中國(guó)的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)還處于起步階段，但是發(fā)展很快，第一臺(tái)50MW太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)組正在內(nèi)蒙古鄂爾多斯建設(shè)中。中國(guó)的太陽(yáng)能熱利用主要集中在中低溫，太陽(yáng)能熱水器的產(chǎn)量、保有量都居世界第一。太陽(yáng)能中溫利用（150℃）已有科研成果產(chǎn)生。

生物質(zhì)能發(fā)電

世界生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

生物質(zhì)能發(fā)電包括垃圾發(fā)電、農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電（單燒、混燒、氣化）。

20世紀(jì)50年代初，聯(lián)邦德國(guó)、法國(guó)最早應(yīng)用垃圾發(fā)電技術(shù)，繼而美國(guó)、日本迎頭趕上。2003年美國(guó)垃圾發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)3300MW。

利用農(nóng)林生物質(zhì)能發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代。1988年在丹麥誕生了世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠，容量為5MW。截至2004年，世界生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)已達(dá)3900萬(wàn)kW，年發(fā)電量約2000億kW·h，可替代700萬(wàn)tce（噸標(biāo)準(zhǔn)煤）。英國(guó)坎貝斯的生物質(zhì)能發(fā)電是目前世界上最大的秸稈發(fā)電廠，裝機(jī)容量308萬(wàn)kW。

中國(guó)生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

中國(guó)目前現(xiàn)有生物質(zhì)資源折合約5.4億tce，可能源利用的資源量約2.9億tce；預(yù)計(jì)2050年中國(guó)生物質(zhì)資源理論值最高可達(dá)14億tce，可供清潔能源化利用的生物質(zhì)資源潛力最高可達(dá)8.9億tce。中國(guó)最早開(kāi)始利用垃圾發(fā)電是在1988年，在深圳建成一座2臺(tái)垃圾處理量為6.25t/h的馬丁式焚燒爐、2臺(tái)余熱鍋爐和1臺(tái)500kW背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，全部設(shè)備從日本三菱公司引進(jìn)。運(yùn)行不久，擴(kuò)建了1臺(tái)國(guó)產(chǎn)垃圾焚燒爐，原500kW發(fā)電機(jī)組拆除改裝國(guó)產(chǎn)4000kW機(jī)組，于1994年正式發(fā)電。截至2007年中國(guó)投運(yùn)和在建的垃圾焚燒發(fā)電廠計(jì)有75座，共68.54MW。

農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電包括生物質(zhì)氣化發(fā)電和生物質(zhì)直燃發(fā)電。2000年，福建莆田縣建成中國(guó)首座生物氣化電站，安裝了5臺(tái)200kW發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘?000kW。

截至2010年底，江蘇、山東、安徽、河北、河南、甘肅、江西等10個(gè)省，共有約50個(gè)生物質(zhì)發(fā)電工程投產(chǎn)。2010年全國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量約5500MW。

雖然中國(guó)的生物質(zhì)能發(fā)電取得了很好的成績(jī)，但在生物質(zhì)的收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及進(jìn)料設(shè)備等方面還存在著許多技術(shù)和成本問(wèn)題需要解決。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，生物質(zhì)的最佳利用途徑是轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)液體作交通燃料使用。

地?zé)岚l(fā)電

世界地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的發(fā)展

1913年，世界上第一座地?zé)犭娬驹谝獯罄氯鹆_投入運(yùn)行，裝機(jī)容量250kW。1960年，美國(guó)第一座蓋瑟爾斯地?zé)犭娬就度脒\(yùn)行，到1989年該電站的裝機(jī)容量已達(dá)到191.8萬(wàn)kW，是世界上最大的地?zé)犭娬尽?/p>

干熱巖發(fā)電是地?zé)岚l(fā)電的另一種利用方式。早在1970年，美國(guó)人莫頓和史密斯就提出利用地下干熱巖發(fā)電的設(shè)想。1972年，美國(guó)在新墨西哥州北部打了兩口約4000m的深斜井，從一口井中將冷水注入干熱巖體，從另一口井取出自巖體加熱產(chǎn)生的蒸汽，功率達(dá)2300kW，標(biāo)志著干熱巖的開(kāi)發(fā)利用研究從概念模式轉(zhuǎn)入到實(shí)驗(yàn)階段。隨著技術(shù)的成熟，試驗(yàn)電廠的發(fā)電量也逐漸由3MW增大到11MW，更加接近商業(yè)開(kāi)發(fā)的規(guī)模。

中國(guó)地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的發(fā)展

中國(guó)地?zé)豳Y源潛力（資源基數(shù)）為11×106EJ/a，占全球的7.9%。主要分布在云南、西藏、四川西部。中國(guó)地?zé)岚l(fā)電始于1970年。廣東豐順縣鄧屋建成中國(guó)第一座閃蒸系統(tǒng)地?zé)崴l(fā)電試驗(yàn)電站，單機(jī)容量為86kW。1977年西藏羊八井地?zé)犭娬窘ǔ赏哆\(yùn)，單機(jī)容量1000kW，由青島汽輪機(jī)廠制造，隨后相繼安裝了7臺(tái)青島汽輪機(jī)廠制造的3000kW機(jī)組和1臺(tái)日本進(jìn)口的3180kW機(jī)組，到1991年裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)25180kW，它是利用145℃的汽水混合地?zé)崴l(fā)電。目前實(shí)際運(yùn)行的有西藏羊八井、郎久，廣東豐順、湖南灰湯四座，裝機(jī)容量為25.78MW。

海洋能發(fā)電

世界海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

海洋能是指蘊(yùn)藏在海水中的可再生的自然能源，主要為潮汐能、海水溫差能和海水波浪能。

1912年，德國(guó)建成世界首座布魯姆試驗(yàn)潮汐電站。1968年法國(guó)建成世界上最大的朗斯潮汐電站，安裝了24臺(tái)10MW雙向貫流式機(jī)組，年發(fā)電量5.44億kW·h。20世紀(jì)七八十年代，日本、挪威也相繼建成實(shí)驗(yàn)性潮汐電站。由于潮汐電站的潮差水頭低，單機(jī)容量小，裝機(jī)臺(tái)數(shù)多，機(jī)組投資一般占電站總投資的50%，如何采用先進(jìn)技術(shù)降低機(jī)組造價(jià)，是發(fā)展潮汐電站的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1979年，美國(guó)在夏威夷建成世界第一座商業(yè)性海水溫差電站，機(jī)組容量53kW，凈出力15kW。1982年，日本在太平洋中部瑙魯島建成100kW海水溫差發(fā)電試驗(yàn)電站。利用海洋熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)電，技術(shù)復(fù)雜，投資大，發(fā)電成本高，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

1964年，日本最早制成波浪能發(fā)電的航船浮標(biāo)燈。1980年和1985年日本波浪能發(fā)電船“海明”號(hào)進(jìn)行了兩次海上試驗(yàn)，船上22個(gè)無(wú)底空氣室所產(chǎn)生的空氣流，導(dǎo)向低壓空氣輪機(jī)，帶動(dòng)9臺(tái)125kW發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，它是目前世界上裝機(jī)容量最大的波浪能發(fā)電裝置。

中國(guó)海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

中國(guó)是世界上建造潮汐電站最多的國(guó)家，在20世紀(jì)50-70年代先后建造了近50座潮汐電站，終因技術(shù)和管理方面的原因只有8個(gè)電站仍在正常運(yùn)行發(fā)電。1974年開(kāi)始建設(shè)的浙江清樂(lè)灣的江廈潮汐電站是中國(guó)最大的潮汐電站，1985年建成，總?cè)萘繛?200kW，電站屬于單庫(kù)雙運(yùn)行方式。

中國(guó)海水溫差能發(fā)電技術(shù)尚處在科研開(kāi)發(fā)階段。1985年中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所開(kāi)始對(duì)溫差利用中的一種“霧滴提升循環(huán)”方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，建造了兩座容量分別為10W和60W的試驗(yàn)臺(tái)。

中國(guó)波浪能發(fā)電研究始于1975年，1977年1臺(tái)1kW波浪發(fā)電浮標(biāo)在崇明島和長(zhǎng)江口試驗(yàn)成功。1985年，廣州能源研究所研制成60W波浪發(fā)電裝置。1999年在青島即墨大官島建成100kW擺式波浪電站并試運(yùn)成功。2000年廣東汕尾市遮浪100kW岸式振蕩水柱電站投運(yùn)。中國(guó)波浪能發(fā)電的理論存儲(chǔ)量約為7000萬(wàn)kW，其中可開(kāi)發(fā)利用量3000萬(wàn)-3500萬(wàn)kW。（作者程鈞培系中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，原上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)）