淺談新能源發(fā)電技術(shù)

【專家解說】：新能源是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式。目前技術(shù)比較成熟，已經(jīng)開始大規(guī)模利用的新能源是風(fēng)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(shù)。 1 燃料電池 燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，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(qiáng)、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(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)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(dá)80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)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(fù)兩個(gè)電極（負(fù)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(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名副其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)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(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低的特點(diǎn)，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(jī)、潛艇、水下機(jī)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(dòng)、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(chǎng)前景十分廣闊。人們預(yù)測(cè)，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(jì)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(jì)，2005年全球擁有50萬個(gè)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(shí)全球擁有60萬臺(tái)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(shù)性能 2 沼氣發(fā)電 沼氣具有較高熱值，與其他燃?xì)庀啾?，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(xiàng)新型沼氣利用技術(shù)，它將沼氣用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。由于城市化進(jìn)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(diǎn)。在我國(guó)，上海，北京，深圳等大城市正在或準(zhǔn)備建立垃圾沼氣發(fā)電廠。我國(guó)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(chǎng)建成。在我國(guó)，目前擁有1000萬座沼氣池。但總體上沼氣應(yīng)用范圍不夠廣，利用率也比較低。我國(guó)城市垃圾量以每年6%～7%的速度遞增，而我國(guó)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(chǎng)日處理垃圾在千噸以上，如果能變廢為寶，我國(guó)可以明顯減少對(duì)化石能源的依賴，減少石油進(jìn)口。 在國(guó)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(guó)建成并正式投入運(yùn)營(yíng)，發(fā)電規(guī)模為50MW級(jí)，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(guó)每年50萬桶重油進(jìn)口。在此之前，全世界50MW級(jí)的沼氣發(fā)電站僅在美國(guó)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(yùn)行將會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)造成沖擊，繼電保護(hù)相關(guān)問題也會(huì)隨著容量提高而變得突出。文獻(xiàn)[沼氣發(fā)電機(jī)并網(wǎng)一次主接線及繼電保護(hù)配置的探討]闡述了沼氣發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的接線方式及保護(hù)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(gè)大水庫，發(fā)電機(jī)組安裝在攔海大壩里面，大部分機(jī)器在地面下，利用潮汐漲落的位能差來推動(dòng)水力渦輪發(fā)電機(jī)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(shì)能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C(jī)械能，再把機(jī)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(dòng)與河水的流動(dòng)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(shí)發(fā)電。（2）單庫雙向型：在漲、落潮時(shí)都能發(fā)電。（3）雙庫雙向型：可以連續(xù)發(fā)電，但經(jīng)濟(jì)上不合算，未見實(shí)際應(yīng)用。 世界上第一座潮汐電站是法國(guó)的郎斯河口電站，其裝機(jī)容量為240MW，年均發(fā)電量為544GWh。中國(guó)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(guó)第一座雙向潮汐電站，也是世界上較大的一座，其總裝機(jī)容量為3200kW，年發(fā)電量為10.70GWh。 世界較大的潮汐電站至今運(yùn)行正常，證明潮汐發(fā)電在技術(shù)上是可行的，可是從20世紀(jì)80年代至今，近20年來幾乎沒有建新的潮汐電站，100MW級(jí)的潮汐電站沒有一個(gè)建設(shè)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(jì)性和潮汐大壩對(duì)環(huán)境的影響。 4 地?zé)岚l(fā)電 地球是一個(gè)巨大的熱倉庫。其內(nèi)部的熱能根據(jù)科學(xué)家的推算，全球潛在地?zé)崮茉吹馁Y源量約4×1013MW，相當(dāng)于現(xiàn)在全球能耗的45×104倍。地?zé)崾且环N潔凈的可再生能源。地?zé)岚l(fā)電是利用超過沸點(diǎn)的中、高溫地?zé)幔ㄕ羝┲苯舆M(jìn)入并推動(dòng)汽輪機(jī)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，或者通過熱交換利用地?zé)醽砑訜崮撤N低沸點(diǎn)的工作流體，使之變成蒸氣，然后進(jìn)入并推動(dòng)汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。最近發(fā)展起來的“熱干研過程法”地?zé)岚l(fā)電法不受地理限制，可以在任何地方進(jìn)行地?zé)衢_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(gè)熱交換器中。熱交換器推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)將地?zé)徂D(zhuǎn)化成電能。而推動(dòng)汽輪機(jī)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?zé)岚l(fā)電站要算是1904年在意大利的拉德雷諾建成的小型地?zé)犭娬?，它是用地?zé)嵴羝苿?dòng)渦輪機(jī)發(fā)電的，但功率很小，只點(diǎn)亮了5盞電燈。后來經(jīng)過充實(shí)發(fā)展，目前該電站的裝機(jī)容量已達(dá)548MW。當(dāng)初這座電站雖然只能點(diǎn)亮5盞電燈，卻開創(chuàng)了地?zé)岚l(fā)電的歷史。目前世界上最大的地?zé)岚l(fā)電站裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了1000MW，位于美國(guó)加利福尼亞蓋瑟爾斯。 我國(guó)地?zé)岚l(fā)電在新中國(guó)成立后開始研究，于1970年，中國(guó)科學(xué)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?zé)岚l(fā)電站。這是我國(guó)第一座地?zé)嵩囼?yàn)發(fā)電站。1976年，全世界海拔最高的地?zé)岚l(fā)電站在我國(guó)羊八井盆地建成發(fā)電，現(xiàn)已興起了一座嶄新的地?zé)岢?，地?zé)衢_發(fā)利用正向綜合性方向發(fā)展。目前，該電廠已有8臺(tái)3000kW機(jī)組，總裝機(jī)25MW，年發(fā)電量在拉薩電網(wǎng)中占到45％。羊八井地?zé)岚l(fā)電站目前是我國(guó)最大的地?zé)岚l(fā)電站。