新能源發(fā)電技術(shù)的最新進(jìn)展研究

澈力格爾　王立軍　賈文飛

摘 要：在能源問題日益突出的背景下，國內(nèi)正大力開展對新能源發(fā)電技術(shù)的研究。文章結(jié)合國內(nèi)新能源發(fā)電的現(xiàn)狀，介紹了幾種常見的新能源發(fā)電技術(shù)。

關(guān)鍵詞：新能源；發(fā)電技術(shù)；研究進(jìn)展

1 概述

在化石能源逐漸緊缺的情況下，世界各國都開展了對新型可再生能源的研究。近年來，除水利發(fā)電之外，可再生能源發(fā)電的總?cè)萘恳殉^4萬MW。國內(nèi)自然資源日益緊缺的狀態(tài)下，新能源的開發(fā)研究與發(fā)達(dá)國家相比，表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象。因此推動(dòng)新能源的開發(fā)利用已迫在眉睫。

2 重要的新能源發(fā)電技術(shù)

2.1 太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電利用光生伏特的原理，將太陽能在電池中直接轉(zhuǎn)化為電能，電力的主要輸送方式包括獨(dú)立方式和并網(wǎng)方式，但不論是何種方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)中都包含太陽能電池板組件、控制器和逆變器，這些都是由重要的電子元器件構(gòu)成，因此光伏發(fā)電設(shè)備具有較高的耐久性，安裝較為方便。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各種需要電源的場合，大至航天器，小到兒童玩具。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池板主要作用是將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，并將電能存儲(chǔ)在蓄電池中，或直接為負(fù)載供電。太陽能充電控制器的作用是對整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，避免蓄電池過度充電或者過度放電，在有些溫度差異較大的地帶，控制器還必須實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，對系統(tǒng)中的零部件進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)中應(yīng)用的蓄電池一般為鉛酸電池，一些小型的發(fā)電系統(tǒng)中也廣泛采用鎳氫電池和鎳鎘電池，蓄電池的主要作用就是將太陽能電池板發(fā)出的電能及時(shí)儲(chǔ)存起來，以便及時(shí)利用。系統(tǒng)中的逆變器實(shí)現(xiàn)直流電向交流電的轉(zhuǎn)換，因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓為12v、24v、48v，且都為直流電，須將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

目前，隨著對太陽能電池效率的研究進(jìn)步和電池的生產(chǎn)成本降低，可以與火力發(fā)電開展價(jià)格競爭。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電的原理是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在應(yīng)用過程中，風(fēng)力會(huì)帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中的增速機(jī)提高旋轉(zhuǎn)速度，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電是目前世界發(fā)電領(lǐng)域的熱潮，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不需要應(yīng)用燃料，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)輻射和空氣污染。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中重要的設(shè)備是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，文章只重點(diǎn)探究變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

式中：CP-風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率系數(shù)；A-風(fēng)力發(fā)電機(jī)扇葉的掃掠面積；Q-實(shí)際空氣密度；v-實(shí)時(shí)風(fēng)速。

其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率系數(shù)CP是葉尖速比S與槳葉節(jié)距角d的函數(shù)，S=wmR/v，其中wm是風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械角的速度，R是風(fēng)輪半徑。

風(fēng)能與風(fēng)速的三次方呈正比，在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)速在一定范圍類變化，如果一定程度上允許風(fēng)力機(jī)作變速運(yùn)行，將可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大化利用。從理論上面分析，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP隨著葉尖速比S的變化而變化，在風(fēng)能利用系數(shù)不斷變化的過程中，必定有一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的葉尖速比S使得風(fēng)能利用系數(shù)CP最大，二者的變化圖象如圖2所示。

圖中，橫坐標(biāo)表示葉尖速比S，縱坐標(biāo)表示風(fēng)能利用系數(shù)CP。

對于恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)而言，它只能固定在某一轉(zhuǎn)速上，但是自然界的風(fēng)能具有較大的隨機(jī)性和爆發(fā)性，風(fēng)速也不可能固定不變，在風(fēng)速發(fā)生變化的過程中，風(fēng)力機(jī)必定偏移設(shè)定的最佳速度，顯然風(fēng)能利用系數(shù)CP不能維持在最佳值，所以必定導(dǎo)致風(fēng)力資源的浪費(fèi)，很大程度上降低發(fā)電效率。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)在風(fēng)速變化的過程中不斷獲得最大風(fēng)能，以自然界風(fēng)速的變化為基準(zhǔn)，智能調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在風(fēng)速變化的情況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行于最佳狀態(tài)，在變速恒頻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)能利用系數(shù)CP始終接近或達(dá)到最佳利用值，大大提高了發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)了自然風(fēng)能的最大化利用，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行條件。隨著技術(shù)的不斷革新，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)衍生出多種形式，主要包括雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)、籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電系統(tǒng)。

2.3 地?zé)岚l(fā)電

地?zé)岚l(fā)電的原理是將地下熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。由于地?zé)崮苜x存形式的不同，一般將地?zé)岚l(fā)電分為蒸汽型、熱水型、干熱巖型、地壓型和巖漿型幾種。在地?zé)崮荛_發(fā)和能量轉(zhuǎn)換的過程中，這些形式的地?zé)豳Y源都可以作為發(fā)電的重要原料。目前為止開發(fā)較多的地?zé)豳Y源是蒸汽型資源和熱水型資源。地?zé)岚l(fā)電在應(yīng)用的過程中不需要燃料，與火力發(fā)電和水力發(fā)電相比，降低了成本，另外，地?zé)衢_發(fā)設(shè)備的應(yīng)用周期較長，與水電站相比，建設(shè)投資也較低，不會(huì)受到將于季節(jié)的影響，發(fā)電過程中較為穩(wěn)定，可以降低對環(huán)境的污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 海洋能發(fā)電

海洋能發(fā)電的過程是將海洋中蘊(yùn)藏的能量開發(fā)出來，例如海流能、波浪能、溫差能、潮汐能等，海洋能是一種高效的可再生能源，在海洋中蘊(yùn)藏豐富，分布廣泛，在應(yīng)用過程中不會(huì)產(chǎn)生污染，由于受到地域的限制，在能量開發(fā)方面具有一定的困難。但目前潮汐發(fā)電和波浪發(fā)電技術(shù)已在國內(nèi)獲得了應(yīng)用和推廣。

2.5 生物質(zhì)發(fā)電

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是利用生物質(zhì)中所蘊(yùn)含的生物質(zhì)能進(jìn)行發(fā)電，生物質(zhì)能是一種高效的可再生能源，在應(yīng)用過程中常見的發(fā)電方法有廢棄物直接燃燒、垃圾填埋氣、沼氣等。以垃圾發(fā)電為例，主要包括垃圾焚燒發(fā)電和垃圾氣化發(fā)電，在解決垃圾污染問題的同時(shí)，可以回收垃圾中的能量，在焚燒過程中將能量釋放出來獲得蒸汽，利用蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，在這一技術(shù)的應(yīng)用過程中，可以很徹底地處理垃圾污染，回收部分能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

在開展不同新能源發(fā)電技術(shù)的研究中，必須大力推行具有操作性的能量利用方式，可以將重點(diǎn)放在利用新能源取代核電發(fā)展中。新能源的形式有很多種，發(fā)電方式的技術(shù)要求也是不同的，未來的能源規(guī)劃中，必須將太陽能發(fā)電和城市垃圾發(fā)電作為研究的重點(diǎn)。因?yàn)樘柲馨l(fā)電具有較大的穩(wěn)定性優(yōu)勢，垃圾發(fā)電可以解決城市污染問題，值得研究推廣。

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