淺談新能源發(fā)電技術

【專家解說】：新能源是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。目前技術比較成熟，已經(jīng)開始大規(guī)模利用的新能源是風能、太陽能、沼氣、燃料電池這四種。本文介紹沼氣、燃料電池等幾種發(fā)電技術。 1 燃料電池 燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。按燃料電池所用原始燃料的類型，大致分為氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和汽油燃料電池。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。 使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實際發(fā)電效率可達40%～60%，可以實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。 燃料電池其原理與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極（負極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名副其實的把化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。 燃料電池具有高效率、無污染、建設周期短、易維護以及成本低的特點，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、潛艇、水下機器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場前景十分廣闊。人們預測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式，它將引發(fā)21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。 2005年，從事燃料電池開發(fā)的公司總投資額已超過10億美元。據(jù)統(tǒng)計，2005年全球擁有50萬個固定的（靜止式）燃料電池裝置，到2010年，將有250萬戶家庭使用燃料電池，同時全球擁有60萬臺燃料電池汽車，占世界汽車生產(chǎn)量的1%。 表1 各種燃料電池的技術性能 2 沼氣發(fā)電 沼氣具有較高熱值，與其他燃氣相比，抗爆性能較好，是一種可再生的清潔能源。沼氣一般在農(nóng)村比較多使用，傳統(tǒng)上大多利用沼氣取暖、炊事和照明。沼氣發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項新型沼氣利用技術，它將沼氣用作發(fā)動機燃料，驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。由于城市化進程大城市，利用垃圾沼氣發(fā)電也成為了可再生能源的一大熱點。在我國，上海，北京，深圳等大城市正在或準備建立垃圾沼氣發(fā)電廠。我國第一家垃圾沼氣發(fā)電廠是在1998年10月，在杭州天子嶺垃圾填埋場建成。在我國，目前擁有1000萬座沼氣池。但總體上沼氣應用范圍不夠廣，利用率也比較低。我國城市垃圾量以每年6%～7%的速度遞增，而我國90%以上的城市處理垃圾的方式采取的是填埋方式，許多大城市垃圾填埋場日處理垃圾在千噸以上，如果能變廢為寶，我國可以明顯減少對化石能源的依賴，減少石油進口。 在國外，沼氣發(fā)電也是蓬勃發(fā)展，在2006年12月12日，世界上最大規(guī)模的利用垃圾沼氣發(fā)電站在韓國建成并正式投入運營，發(fā)電規(guī)模為50MW級，這座沼氣發(fā)電站生產(chǎn)的電力可為18萬戶家庭供電，它將替代韓國每年50萬桶重油進口。在此之前，全世界50MW級的沼氣發(fā)電站僅在美國有1座。 隨著沼氣發(fā)電站的容量提高，沼氣發(fā)電并網(wǎng)運行將會對整個電力系統(tǒng)造成沖擊，繼電保護相關問題也會隨著容量提高而變得突出。文獻[沼氣發(fā)電機并網(wǎng)一次主接線及繼電保護配置的探討]闡述了沼氣發(fā)電機并網(wǎng)的接線方式及保護配置問題。 3 潮汐發(fā)電 潮汐能發(fā)電的工作原理與一般的水力發(fā)電原理差不多。它建筑一條大壩把靠海的河口或者海灣與大海隔開，形成一個大水庫，發(fā)電機組安裝在攔海大壩里面，大部分機器在地面下，利用潮汐漲落的位能差來推動水力渦輪發(fā)電機組發(fā)電。 潮汐發(fā)電與水力發(fā)電的原理相似，它是利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C械能，再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程。具體地說，由于潮水的流動與河水的流動不同，它是不斷變換方向的，因此就使得潮汐發(fā)電出現(xiàn)了不同的型式，例如：（1）單庫單向型，只能在落潮時發(fā)電。（2）單庫雙向型：在漲、落潮時都能發(fā)電。（3）雙庫雙向型：可以連續(xù)發(fā)電，但經(jīng)濟上不合算，未見實際應用。 世界上第一座潮汐電站是法國的郎斯河口電站，其裝機容量為240MW，年均發(fā)電量為544GWh。中國沿海已建成9座小型潮汐電站，1980年建成的江廈潮汐電站是我國第一座雙向潮汐電站，也是世界上較大的一座，其總裝機容量為3200kW，年發(fā)電量為10.70GWh。 世界較大的潮汐電站至今運行正常，證明潮汐發(fā)電在技術上是可行的，可是從20世紀80年代至今，近20年來幾乎沒有建新的潮汐電站，100MW級的潮汐電站沒有一個建設投產(chǎn)。沒建新的潮汐電站的原因主要是考慮電站的經(jīng)濟性和潮汐大壩對環(huán)境的影響。 4 地熱發(fā)電 地球是一個巨大的熱倉庫。其內(nèi)部的熱能根據(jù)科學家的推算，全球潛在地熱能源的資源量約4×1013MW，相當于現(xiàn)在全球能耗的45×104倍。地熱是一種潔凈的可再生能源。地熱發(fā)電是利用超過沸點的中、高溫地熱（蒸汽）直接進入并推動汽輪機，并帶動發(fā)電機發(fā)電，或者通過熱交換利用地熱來加熱某種低沸點的工作流體，使之變成蒸氣，然后進入并推動汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。最近發(fā)展起來的“熱干研過程法”地熱發(fā)電法不受地理限制，可以在任何地方進行地熱開采。原理是首先將水通過壓力泵壓入地下4到6km深處，在此處巖石層的溫度大約在200℃左右。睡在高溫巖石層被加熱后通過管道加壓被提取到地面并輸入一個熱交換器中。熱交換器推動汽輪發(fā)電機將地熱轉(zhuǎn)化成電能。而推動汽輪機工作的熱水冷凍后再重新輸入到地下供循環(huán)使用。 世界上第一座地熱發(fā)電站要算是1904年在意大利的拉德雷諾建成的小型地熱電站，它是用地熱蒸汽推動渦輪機發(fā)電的，但功率很小，只點亮了5盞電燈。后來經(jīng)過充實發(fā)展，目前該電站的裝機容量已達548MW。當初這座電站雖然只能點亮5盞電燈，卻開創(chuàng)了地熱發(fā)電的歷史。目前世界上最大的地熱發(fā)電站裝機容量已經(jīng)達到了1000MW，位于美國加利福尼亞蓋瑟爾斯。 我國地熱發(fā)電在新中國成立后開始研究，于1970年，中國科學院在廣東省豐順縣湯坑鎮(zhèn)鄧屋村建起了發(fā)電量60kW的地熱發(fā)電站。這是我國第一座地熱試驗發(fā)電站。1976年，全世界海拔最高的地熱發(fā)電站在我國羊八井盆地建成發(fā)電，現(xiàn)已興起了一座嶄新的地熱城，地熱開發(fā)利用正向綜合性方向發(fā)展。目前，該電廠已有8臺3000kW機組，總裝機25MW，年發(fā)電量在拉薩電網(wǎng)中占到45％。羊八井地熱發(fā)電站目前是我國最大的地熱發(fā)電站。