对世界和我国新能源开发利用情况的综述

对世界和我国新能源开发利用情况的综述自20世纪70年代以来，许多国家开展了对新型可再生能源的研究、开发和利用工作，到目前为止，除水电外，全世界可再生能源发生的总容量已经接近4×104MW，占全世界总装机容量的1%。其中风力发电装机容量已达到1.8×104MW，太阳能光伏发电装机容量近的1×104MW。美国、日本、澳大利亚等国家和欧盟都制订了相关政策积极发展新能源产业。我国自然能资源非常丰富，开发潜力巨大，然而，由于技术、资金以及政策引导等方面的原因，新能源的开发步伐明显滞后。至2000年底，我国风能、太阳能等新能源发电约为33×104kW，只占我国电力装机总容量的0.4%。因此，推动新能源产业的快速发展，已成当务之急。本文就目前国内外新能源发电的最新动态做一论述。2国外新能源发电技术发展情况（1）太阳能发电美国是世界上太阳能发电技术开发较早的国家，太阳能槽式发电系统已经积累了10多年联网营运的经验，1×104kW塔式和5~25kW盘式太阳能发电系统正处于示范阶段。法国、西班牙、日本、意大利等国太阳能发电的应用也有一定发展。太阳能光伏发电最早用于缺电地区，从80年代开始，联网问题得到很大重视。目前，在世界范围内已建成多个兆瓦级的联网光伏电站，光伏发电总装机容量约1×103MW。（2）风力发电风力发电经历了从独立系统到并网系统的发展过程，大规模风力田的建设已成为发达国家风电发展的主要形式。目前，风力田建设投资已降至1000美元/kW，低于核电投资且建设时间可少于一年，其成本与煤电成本接近，因而具有很大的竞争潜力。世界上最大的风力田位于美国加利福尼亚州，年发电约221×108kW.h。全世界风电装机容量已达17706MW。美国将在俄勒冈州至华盛顿州沿线建立一个世界最大的风力发电基地，德国计划30年后用风力发电取代核电，风力发电在德国供电系统中的比重将占到25%。（3）地热能发电地热发电的相关技术已经基本成熟，进入了商业化应用阶段。美国拥有世界上最大的盖塞斯地热发电站，装机容量达2080MW。菲律宾的地热发电装机容量也高达1050MW，占该国电力装机总容量的15%。目前全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1×104MW，分布在20多个国家，其中美国占40%。（4）海洋能发电目前，世界各地已建成了许多潮汐电站，其中规模最大的是法国的郎斯电站，装机容量240MW。规模较大的还有加拿大的安那波利斯电站、中国的江厦电站和幸福洋电站、原苏联的基斯洛电站等。（5）生物能发电城市垃圾发电是30年代发展起来的新技术，最先利用垃圾发电的是德国和美国。目前，美国垃圾焚烧发电约占总垃圾处理量的40%，已建立了几百座垃圾电站，其中底特律市拥有世界上最大的日处理垃圾4000t的垃圾发电厂。日本城市垃圾焚烧发电技术发展更快，垃圾焚烧处理的比例已接近100%。（6）燃料电池发电美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。日本也大力开展燃料电池及发电技术的研究，仅磷酸型燃料电池（PAFC）发电装机就已超过30MW。加拿大、韩国以及欧洲许多国家也在燃料电池的研究与应用上取得了很大进展。目前，PAFC是技术最成熟、商业化应用最广泛的燃料电池，其价格已降至1500美元/kW。已有数百座PAFC型电站在美国、日本以及欧洲各国投入运行，容量最大的是东京电力公司的五井电厂（11MW）。3我国新能源发电的现象我国的太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%~13%。已建成1座光伏电站，容量约40MW。其中容量最大的是1998年投运的西藏安多100kW电站。太阳能发电项目正在启动，计划在拉萨建立一座35MW的鲁兹型太阳能电站。我国独立风电装置有10多万台，总容量20MW左右，80%以上在内蒙古。80年代中后期以来，联网风电场建设迅速发展，全国共建成20个联网风电场，容量234MW。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的7.5MW风力发电机组已经投入运行。我国地热发电站总装机容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。目前我国共有八座潮汐电站建成运行，容量5.4×104kW.h，最大的是80年代建成的浙江江厦电站，装机容量3.2MW。生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机约800MW。深圳垃圾发电厂已运行了七年，为垃圾发电在我国的发展积累了一定的经验，这将为解决我国城市垃圾处理问题带来新的希望和契机。90年代中期以来，我国在PEMFC燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家九五科技攻关项目和中国科学院九五应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。4研究热点介绍4.1太阳能光伏电池太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。主要的工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制作太阳电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料。其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0.5μm以下、面积1m2以上的薄膜，并且容易与其他原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前日本光电池开发的主攻方向之一。另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。据报道，日本通产省计划在今后10年内，开发出使用薄膜晶体硅和以铜、钇、硒的合金作光电转换材料的太阳能发电装置，其光电转换效率将比现在提高大约50%。目前，高效聚光太阳能电池效率已经达到32%，高效平板太阳能电池效率达到25%~28%。世界最大的太阳能电池生产厂年产电池36MW，价格在3~4美元/峰瓦，并且正在设计制造年产500MW的生产线，力球使电池价格进一步降至1美元/峰瓦左右。届时，太阳能光伏发电的成本将降至6美元/kW.h，可以与火力发电进行价格竞争。4.2大型风力发电机组风力发电机组是风电系统的关键设备，很多国家为此进行了大量投资，就风轮机的材料、结构、发电机控制技术、功率容量以及可靠性等展开研究，其技术也取得了长足的进步。主要表现在：①单机功率逐步增大。80年代中期，商品化机组的单机功率只有55kW，目前，单机功率已上了兆瓦级，1MW以下的并网风力发电机组单机技术已经成熟。②由于控制技术的改进、设计水平的提高以及新型材料的运用，机组功率曲线改善，运行可靠性不断提高，故障率显著下降。③运用先进的计算机控制技术，能实现对机组的远程集中监控和通信，从而可做到无人值守运行。最近，美国格伦曼公司开发成功了一种带有扩散体的增强型风轮机。据测算，当转轮直径达到20m时，发电电价可小于3.1美分/kW.h，具有很强的竞争力。这种风轮机已在新西兰投入运行。目前，单机容量500kW的三翼刚性构造风力机组及集合型风力机组群有关技术是开发热点之一。风电机组的发展方向是超大容量、智能化、高稳定性和可靠性。4.3地热发电设备当前营运的地热电站主要采用水蒸汽发电或双循环发电方式，全流发电和干热岩体发电等形式正在研究开发中。地热发电设备的主要发展趋势，一是便于安装和移动的3~5MW小功率积木式机组，二是为了利用量大面广的85~130℃的地热水而开发的低沸点有机工质朗肯循环机组。此外，热泵技术、防腐技术、去垢技术及其相关材料，也正处于积极开发和完善阶段。4.4最大能量跟踪技术在不同的光照强度和电池温度下，太阳能电池的最大输出功率（MPP）点是不相同的。为了得到最佳的能量利用效率，必须采取措施使电池的输出自动跟踪气候条件的变化，最大能量跟踪技术就是针对这一问题而提出的。最大能量跟踪的常用方法是：首先使输出电压产生一个微小的变化量，然后通过判断输出功率的改变方向（增大还是减小）来决定下一步输出电压的改变方向，使电池输出电压不断朝着使输出功率增大的方向改变，从而使电池总是工作在MPP点附近。其缺点是跟踪速度不够快，特别当光照或者温度改变频繁时更慢。文献[4]提出了一种改进方法，其思路是通过反馈控制使电池输出功率与输出电压的微分dρ/dυ趋于零，从而使电池的工作点总是指向MPP点。这种方法的优点是MPP点对应于dρ/dυ=0的点，而且这种关系不随光照和温度而改变。在风力发电中，风力的强度和方向也是经常变化的，具有很大的随机性，因而也存在最大能量跟踪的问题。其一般方法是采用变速恒频控制方案，使风机能够随风向的变化而自动改变叶片方向，从而最大限度地捕捉风能；而通过控制功率变换器恒频运行，可以保证输出电能与电网电能频率、相位等参数的一致性。4.5并网技术独立发电系统容量不太稳定，电能质量不佳，调节能力有限，投资成本较高，为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已是大势所趋。为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这就牵涉到功率因数较正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术，这正是当前各个国家研究的热点，也是我国国内新能源发电技术中最薄弱的环节之一。目前，国外单向功率变换技术已经基本成熟，三相大功率变换技术则还有很多值得研究的问题，如具有高效率的系统主电路结合设计、低损耗的软开关技术以及单位功率因数的实现技术等。4.6燃料电池技术燃料电池的关键技术涉及电池容量、性能、寿命、价格等商业化有关的项目，主要包括新的电解质材料和催化剂的开发、各种材料电池性能的比较和优化、大功率电池制造等。磷酸型燃料电池的研究集中在提高可靠性和减小体积；溶融碳酸盐型燃料电池的开发集中于其寿命和发电特性的改善；固体氧化物型燃料电池的重要课题是材料的耐高温性及稳定性。