新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势

能源与可再生能源的关键技术与进展趋势孟庆梅能源和可再生能源在我国社会经济可持续进展中具有重要作用，是我国能源进展的重要内容和组成局部。2005年第十届全国人大常委会第十四次会议正式通过了《中华人民共和国可再生能源法科技进展纲要和“十一五”科技进展打算明确提出了国家能源争论和进展战略，将这方面的争论纳入国家863事大学电力传动与掌握争论所所长、教授、博导汤天浩。一、能源发电方式〔一〕风力发电目前，风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且进展速度最快。风力发电通常有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户供给电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式〔如柴油机发电〕相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀的草原牧场供给电力；三是并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要进展方向。集成有两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图1给出了两种风力发电系统的构造。

电网变频器

变压器齿轮箱

3~ =SG= 3~蓄电池

滤波器〔a〕直接输出型风力发电系统电网风力发电机组 变压器DIG齿轮箱 变频器3~ == 3~蓄电池 滤波器〔b〕双馈型风力发电机系统1风力发电系统的两种构造〔二〕太阳能电池自50年月第一块有用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的进展。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池〔总称晶体硅太阳电池〕和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统构造如图2阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。依据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进展DC/DC变换，或承受逆变器进展变换DC/AC变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。当阳光充分2示。电网太阳电池 变流器= ==

变压器蓄电池2太阳能供电系统构造

滤波器〔三〕燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池〔AFC〕、磷酸〔PAFC〕〔MCFC〕〔SOFC〕〔PEMFC〕

燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，且具有干净、无污染、低噪声，模块构造、高功率比、可积木化及连续工作等特性。燃料电池发电系统的构造如图3输出电压与用户需求相匹配。电网燃料电池 变流器= == 3~

变压器蓄电池

滤波器3燃料电池供电系统构造二、关键技术力电子技术、自动掌握技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，由于长期形过学科穿插争论和开发与能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成形成产品，以便利用户。〔一〕电能变换变换装置是解决上述问题的根本出路。图44多电平沟通逆变电路构造由于能源电力系统中电能变换主要是DC/DC变换和AC/DC变流器。〔二〕电能储存如：风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。除了传统的蓄电池和电感等储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。与电解电容相比，超级电容利用碳电极外表产生的双层电极储能，具有格外高的功率密度和实质的能量密度。如今，超级电容功率密度可高达20kW/kg，充放电时间各为0.1-100分钟。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等很多领域。飞轮储能是利用高速旋转的飞轮惯性存储电能。假设与风力发电机结合，可以在风速很高时，带动飞轮高速旋转；风速降低时，飞轮驱动发电机输出电能。当前如何降低飞轮的摩擦损耗是提高储能效率的关键，利用磁具有应用前景。〔三〕电能治理电源治理系统〔PMS〕技术是提高电源效率和系统牢靠性的方法。PMS将智能掌握和治理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进展安排、监测、掌握、治理和安全保护等。其主要功能包括：电能安排；优化掌握；状态监测；故障诊断；容错掌握。最优化算法、容错掌握等；人工智能，如模式识别这些技术的融合，包括各种技术自身内部的融合，以及各种技术之间的融合。DSP的嵌入式掌握器实现实时掌握、数据采集和通信；中间层通过分布式计算机监控系统实现系统的状态检测、数据存储、趋势分析和故障报警等功能；上层承受人工智能技术构建智能PMS，实现负荷推测、电能安排、系统优化和能量治理。在功率治理系统〔PMS〕方面，将在智能优化及安全掌握上有所突破。〔四〕电能质量掌握波畸变等问题。如何治理“电力公害争论内容是：电源谐波检测和分析技术。谐波的测量和分析是实现谐波治理的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理供给良好的依据。自提出快速傅里叶变换算法〔FFT〕以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到如何减小因同步偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。电能质量掌握和治理，包括：功率因数校正和滤波器设计。由于传统的无源滤波器体积和重量大、且需针对不同的频率进展设计，功率因数校正〔PFC〕技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来，有源功率因数校正技术〔APFC〕已成为电力电子领域的争论热点，现已从电路拓朴、掌握策略进展到集成模块，首先在单相PFCBuck、Boost、Buck-boost、CukDC/DC用或通用的PFCPFC掌握技术上，比方：单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制。特别是，软开关技术与PFC技术的融合是进展的趋势。虽然，目前PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式能源发电系统却是重要机遇。三、进展趋势〔一〕混合供电系统能源作为电力系统将来的进展方向是：承受几种能源发电方式组成混合供电系统，混合供电系统可以选择风力发电与太阳能电池组合，或太阳能与燃料电池组合，也可以将三者组合在一起。另一种混合方式是，利用燃料电池产生的废气或热量，带动透平发电机组成混合电力系统。图5电网电网风力发电机变流器PMS太阳能电池变流器监控系统燃料电池变流器储能装置5能源混合供电系统在混合供电系统的争论中，主要争论太阳能、风力以及燃料电池系统的并网发电技术。通过并网输出电压同步跟踪电网电压相位；并具有保护和监控等功能，保证了光伏并网发电的安全运行。〔二〕分布式电源图6为由混合发电装置构成的分布式电力系统。这种分布式供电方式将是将来电力系统进展方向。这种分布式电源，可以到达节能和环保的目的。分布式电力系统6分布式能源混合供电系统四、进展目标立产业化配套效劳体系；健全法规和机制，实现能源和可再生能源开发利用的商业化进展。到2015年能源和可再生能源年开发量到达43002%3.6%产业将成为国民经济的一个兴行业，拉动机械、电子、化工、材料等相关行业的进展；对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将削减3000200多万吨二氧化硫等污染物的排放；供给近50万500〔约2500〕解决无电问题。为确保上述目标的实现，能源和可再生能源产业进展规划分以下几个阶段实施：１.2000～2005年，逐步建立能源和可再生能源经济鼓励政策体系以及适应市场经济体制的行业治理体系；建立和实施质量保证、监测、效劳体系；加大对重点行业和产品的扶持力度以促进产业进展；能源和可再生能源的开发利用量在我国商品能源消费总量中占0.71300２.2006～2010能源经济鼓励政策体系。能源和可再生能源的开发利用量到达2500万吨标准煤，在我国商品能源消费总量中1.25%。３.2011～2015670亿元。能源和43002%。具体内容和任务如下：标准市场，促进大型高效太阳能热利用产业进展201520-302.32200－300万平方米规模，并具有较强产品开发力量的骨干企业。加强产品质量标准的制订，建立具有权威性的国家级太阳热水器产品质量检测中心，对太阳热水器和太阳热水系统中的集热器、水箱、零部件实行质量监视、检测和认证。推动企业不断提高产品质量，增加品种、规格，降低本钱，完善效劳，制造出一批用户信得过、国内外有较高信誉的名牌产品，开拓国内国际市场，使更多产品打入国际市场。建立太阳电池与应用系统生产体系、降低产品本钱集中力气在现有太阳电池生产和应用的根底上，适应国际光电技术进展趋势和国内外市场进展的形势，开拓市场，打破年产量徘徊在2兆瓦左右的局面。通过国家重点扶持，推动其次代太阳电池商业化，形成应用器件配套齐全的太阳光伏产业。2015年全国太阳电池发电系统市场拥有量将到达320兆瓦。通过生产规模的扩大，降低太阳电池生产本钱，从而推动市场的进展，形成良性循环。在太阳电池市场中，通讯及工业用光伏系统将从40-50201020-303040-502015年中国将开头大规模进展并网式屋顶光伏系统。推动并网风电的商业化进展，加快国产化进程200530020104902015700瓦。为实现这一目标，必需提高国内风力发电设备制造力量，加速风力发电设备国产化进程，形成与风电场建设同步的生产力量，满足国内市场的需求，同时还可以出口。要建立具有自主学问产权的知名品牌，加强对风力发验，打破行业界限，承受招标方式择优扶持零配件生产厂、整机组装厂，最终实现产品价格、风电场初始投资有电机组质量标准和检测体系。连续做好离网型风力发电技术的普及和推广应用2015510.5技术标准、标准、试验方法等；同时建立和完善产品质量保证、监视及检测体系。乐观推广地热采温存地热发电技术境污染。加快地热热泵技术的引进和开发，加速国产化。要大力开拓地热采暖市场，到2005、2010、2015年地150022503000200540－502010201587.5110推动大中型沼气工程建设，开发生物质能高效利用设备大力推动大中型沼气工程建设，进一步提高设计、工艺和自动掌握技术水平。到2015年，处理工业有机25004034337500201541004.5，相当于58万吨标准煤，年处理粪便量1.23亿吨，从而解决全国集约化养殖场的污染治理问题，使粪便得到资200牢靠技术后，再进一步推广应用。到201545002057万吨标准煤。推动技术产业化进展的市场根底还需要肯定的时间。我国已建有810.4兆瓦，但潮汐发电技术仍旧只前景的替代能源技术。燃料电池作为移动电源是一个具有宽阔前景的潜在市场，估量2005年以后将逐步进入实投入和技术引进，并逐步进入示范和进展阶段。一旦这些技术有了突破，到达成熟有用，并具有了肯定的市场根底，也要将其纳入产业进展规划来进展推动和扶持。五、制约因素与存在的问题展，必需消退技术、资金、市场、机制等方面的障碍。〔一〕技术问题后、生产企业规模小，一些原材料和产品国产化程度低。这些缘由加大了产品的生产本钱，与常规能源相比