清潔（可再生）能源綜合發(fā)電技術(shù)綜述

龔國(guó)平　上海電力股份公司

清潔（可再生）能源綜合發(fā)電技術(shù)綜述

龔國(guó)平上海電力股份公司

簡(jiǎn)單介紹了國(guó)家能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃中可再生能源的發(fā)展的規(guī)劃。概述了水力，風(fēng)力，太陽能和生物質(zhì)技術(shù)及其聯(lián)合發(fā)電技術(shù)。

國(guó)家能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃第三章中指出，要加大國(guó)內(nèi)能源資源開發(fā)力度，大力發(fā)展非化石能源，培育新的能源供應(yīng)增長(zhǎng)點(diǎn)。明確指出要積極有序發(fā)展水力水電。到2015年，全國(guó)常規(guī)水電站與抽水蓄能水電站裝機(jī)總量分別達(dá)到2.6億kW和3000萬kW；要安全高效發(fā)展核電，到2015年運(yùn)行和在建裝機(jī)量分別達(dá)到4 000萬kW和1800kW；要加快發(fā)展風(fēng)能等其他可再生能源，到2015年風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1億kW，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到2 100萬kW，生物質(zhì)發(fā)電達(dá)到1300萬kW（其中生活垃圾發(fā)電達(dá)到300萬kW）。根據(jù)有關(guān)報(bào)道，我國(guó)可再生能源發(fā)電容量占電力系統(tǒng)裝機(jī)的比例至2020年要達(dá)到16%，至2030年達(dá)到20%，至2050年達(dá)到30%。我國(guó)的清潔（可再生）能源的發(fā)展前景在未來仍然具有極大的潛力，由于我國(guó)的電力系統(tǒng)裝機(jī)總量巨大，未來可再生能源發(fā)電的裝機(jī)量將十分可觀。

然而，可再生能源由于其自身發(fā)電技術(shù)特性中存在的諸多限制因素，單一發(fā)展存在一定的限制因素。因此，多種可再生能源聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電成為了國(guó)內(nèi)可再生能源發(fā)展的主要方向。針對(duì)多種可再生能源互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的研究是目前我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略措施。本文對(duì)各種清潔（可再生）能源發(fā)電技術(shù)作一簡(jiǎn)介。

1　發(fā)電技術(shù)概述

1.1風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能作為一種永不枯竭的可再生清潔資源正越來越多的收到人們的關(guān)注。把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L(fēng)能利用中最基本的一種方式。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成部件包括風(fēng)輪、調(diào)向器、限速安全機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、發(fā)電裝置、塔架及附屬部件等。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是：風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成為風(fēng)輪軸的機(jī)械能；發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動(dòng)下的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)變。

1.2小水電發(fā)電技術(shù)

小水電是指任何小規(guī)模的裝機(jī)容量在10 MW以下的水電站。這樣的水電設(shè)施由形成水庫并將水引到渦輪機(jī)的水壩，水路和引水渠組成，水電站主要由小水庫、水輪機(jī)發(fā)電機(jī)房、輸水管、閥門、水電站內(nèi)多種輔機(jī)以及相關(guān)廠內(nèi)設(shè)備組成。

小水電發(fā)電技術(shù)主要是依靠水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)的。即通過水輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)由水能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的這一過程。具體工作方式為水輪機(jī)的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他系統(tǒng)設(shè)施、設(shè)備等，進(jìn)而就實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化。

1.3太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能發(fā)電技術(shù)的原理是通過光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立光伏電站包括偏遠(yuǎn)山區(qū)的農(nóng)村供電系統(tǒng)、太陽能戶用電源供電系統(tǒng)、通信信號(hào)電源系統(tǒng)、太陽能路燈設(shè)施等各種帶有蓄電池可進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)饋送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種形式的系統(tǒng)一般要求具備由應(yīng)急電源功能以及作為可調(diào)度的調(diào)峰電源使用，因此一般不帶有儲(chǔ)能蓄電池裝置。

1.4生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)發(fā)電主要是利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)廢棄物以及城市固體廢物、動(dòng)物糞便等生物質(zhì)能為燃料，通過將生物質(zhì)能直接燃燒或轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w后燃燒，產(chǎn)生熱量進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)。按照所使用燃料的不同，生物質(zhì)能發(fā)電可分為農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電、垃圾發(fā)電和沼氣發(fā)電3類；按照其生產(chǎn)技術(shù)的不同，生物質(zhì)能發(fā)電又可以分為生物質(zhì)能直接燃燒發(fā)電、氣化發(fā)電、沼氣發(fā)電以及與煤混合燃燒發(fā)電等技術(shù)。

2　聯(lián)合發(fā)電技術(shù)綜述

2.1風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的工作原理為利用控制器將太陽能電池方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，存儲(chǔ)到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，逆變器將蓄電池中儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。一般來說風(fēng)能與太陽能在季節(jié)上有較大的互補(bǔ)性，即冬天風(fēng)大而陽光弱，夏天風(fēng)小而陽光強(qiáng)。

風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1，它主要由太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、控制器、蓄電池、逆變器等部分組成。在風(fēng)里達(dá)到一定的風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為交流形式的電能，但由于風(fēng)能自身的發(fā)電特性，其所產(chǎn)生的交流電壓不太穩(wěn)定，所以所發(fā)電能必須通過整流器的整流作用，從而給蓄電池充電。光伏電池方陣由若干太陽能電池板串聯(lián)合并構(gòu)成，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成為直流形式的電能，并向蓄電池充電。系統(tǒng)中，蓄電池?fù)?dān)當(dāng)著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能的作用，當(dāng)風(fēng)力很大或者日照充足導(dǎo)致產(chǎn)生的電能過剩時(shí)，蓄電池就將多余的電能儲(chǔ)存起來；當(dāng)負(fù)載用電量增加或者系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，蓄電池就會(huì)向負(fù)載外送補(bǔ)充電能。

2.2風(fēng)水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)即是將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和水利發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合與調(diào)度。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電廠的出力進(jìn)行隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，水電站可以快速的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的出力，以適應(yīng)調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行補(bǔ)償。通過對(duì)風(fēng)能資源和水能資源合理的規(guī)劃與統(tǒng)籌，以及結(jié)合用電當(dāng)?shù)氐牡胤诫娋W(wǎng)實(shí)際情況，優(yōu)化選擇合理的電源配備容量，即可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與水能這兩種綠色能源的合理互補(bǔ)，從而充分發(fā)揮2種可再生能源的優(yōu)勢(shì)。風(fēng)水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)既克服了風(fēng)力發(fā)電存在的間歇性和不穩(wěn)定性問題，又避免水能資源在枯水季節(jié)不能滿足系統(tǒng)用戶電力需求的問題。

2.3光生（物質(zhì)）聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

光生聯(lián)合發(fā)電技術(shù)是將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化集成為聯(lián)合互補(bǔ)的熱力發(fā)電系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)一般包括生物質(zhì)能循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)、太陽能集熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。在有太陽光照射的情況下，太陽能集熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和生物質(zhì)能循環(huán)流化床燃燒鍋爐是同時(shí)聯(lián)合運(yùn)行的；在沒有太陽光照的情況下，系統(tǒng)會(huì)切斷太陽能熱吸收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的供水管路，此時(shí)生物質(zhì)循環(huán)流化床燃燒鍋爐將獨(dú)立運(yùn)行，帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。

圖1　風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

目前主要有以下3種太陽能發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方式。

（1）槽式太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)能發(fā)電的聯(lián)合

該方式系統(tǒng)組成：槽式太陽能集熱器、換熱系統(tǒng)、生物質(zhì)鍋爐燃燒系統(tǒng)、低溫過熱器、蒸汽混合器、高溫過熱器、汽輪發(fā)電系統(tǒng)。其工作原理：冷導(dǎo)熱油在太陽能集熱器中被不斷加熱到較高的溫度，然后通過換熱系統(tǒng)將熱量傳給鍋爐給水；鍋爐給水吸收熱量后變成飽和蒸汽流入到生物質(zhì)能循環(huán)流化床燃燒鍋爐的蒸汽混合器中，混合均勻后進(jìn)入過熱器，最終過熱蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電系統(tǒng)做功發(fā)電。當(dāng)夜間太陽能吸收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，此時(shí)生物質(zhì)能循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)與汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電。

（2）塔式太陽能發(fā)電與生物質(zhì)能發(fā)電的聯(lián)合

該運(yùn)行方式系統(tǒng)在有太陽光照時(shí)，啟動(dòng)塔式太陽能集熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，待塔式太陽能集熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的出口蒸汽參數(shù)與生物質(zhì)能鍋爐相匹配后，系統(tǒng)將與生物質(zhì)能鍋爐并汽，實(shí)現(xiàn)太陽能集熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與生物質(zhì)能鍋爐并列運(yùn)行，太陽能發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)使用同一套汽機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。

（3）槽式-塔式太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)能發(fā)電聯(lián)合

該運(yùn)行方式系統(tǒng)包括槽式太陽能集熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、塔式太陽能集熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)以及汽輪發(fā)電系統(tǒng)。給水經(jīng)槽式太陽能系統(tǒng)換熱器，然后經(jīng)塔式太陽能系統(tǒng)的換熱器，待蒸汽參數(shù)與生物質(zhì)能鍋爐出口蒸汽相匹配后，與生物質(zhì)能鍋爐并汽，實(shí)現(xiàn)太陽能集熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與生物質(zhì)能鍋爐并列運(yùn)行，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)使用同一套汽機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。

2.4風(fēng)光生互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光生互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一般分為產(chǎn)生環(huán)節(jié)，能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)和能量消耗環(huán)節(jié)。能量的產(chǎn)生環(huán)節(jié)主要是太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，當(dāng)電力不足或者需要更大功率輸出時(shí)再啟動(dòng)生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)。在系統(tǒng)中引入蓄電池的作用就是調(diào)節(jié)能量供應(yīng)和需求的平衡性。能量消耗環(huán)節(jié)主要是供應(yīng)各種負(fù)載，蓄電池組經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)之后輸出的直流電可以直接供應(yīng)某些直流負(fù)載，而交流負(fù)載則需要在電路中加入逆變器。

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