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1、论述新能源发电的发展现状与趋势 【摘要】 当前全球资源与环境问题日益突出，能源的开发利用面临着新的挑战。节能减排、绿色发展、开发利用新能源已经成为世界各国的经济发展战略。与常规能源相比，新能源发电具有明显的优势，如何发展先进安全的新能源使用技术、如何提高能源利用率也随之成为世界各国关心的课题。本文论述了几种新能源发电技术的现状并展望了新能源发电的前景。【关键词】 新能源 发电 现状 趋势【正文】与长期广泛使用，技术上较为成熟的常规能源（如煤、石油、天然气、水能等）相比，新能源是指在科学技术基础上开发利用的非常规能源，包括风能、太阳能、海洋能、地热能、生物质能、氢能、核聚变能等。从世界来看，一次
2、能源是有限的，从长久来看，新能源将是未来人类的主要能源来源，新能源发电是指把新能源转换为电能的过程。下面将对几种新能源发电技术的现状及发展趋势进行论述。图1 欧洲JRC预测本世纪常规能源及新能源的发展趋势1. 风力发电1.1风力发电原理 风力发电系统由桨叶、机械传动系统、发电机、电力电子装置、升压变压器等组成。风力发电系统的发电过程是一个能量转换过程，风的动能先被风机的桨叶捕获转换为机械能，再经过机械传动系统传递给发电机，由发电机实现机械能到电能的转换，直接接入电网或通过电力电子装置接入电网。目前风机的输出电压多为690伏，需要经变压器升压到满足电网要求的电压，一般为35kV及以上。1.2 风
3、力发电现状自19世纪80年代以来，美国电力工业的奠基人查尔斯弗朗西斯布拉升安装了世界上第一台自动运行且用于发电的风机，到现在为止，风机技术发展越来越成熟。尤其是20世纪90年代以后，世促进了风电技术的快速发展。目前已经出现了几种成界各国政府相继出台了风电发展的激励政策等，熟的主流技术，包括失速型恒速风机、主动失速型恒速风机、双馈变速风机、直驱变速风机、半直驱变速风机。2011年，全球风电产业继续保持着繁荣景象，全球新增装机容量达到40.5GW，较2010年装机容量增长率提高6，总装机容量达到237.669 GW，累计增长率超过20。图2 19962011年全球风电新增装机容量变化趋势亚洲风电行
4、业持续快速增长，成为超越欧美的重要市场。2011年风电产业的发展仍源于亚洲风电市场的推动，主要代表为中国和印度，两国年新增装机容量之和达到全球年装机容量的50，累计装机容量之和达到了全球总装机容量的33。其中，2011年，中国的新增装机容量达到17.631 GW，占据全球新增装机容量的43，累计装机容量达到了62.364 GW，占全球总装机容量的26.2，继续在新增装机容量与累计装机容量两方面扮演着世界第一大风电市场的角色。印度风电市场仍呈现蓬勃发展趋势，2011年新增装机容量3.019 GW，位居美国之后，继续保持着世界第三大新增风电市场的地位；累计装机容量为16.084 GW，位居世界第五
5、。近年来，我国风力发电产业取得了长足发展，这与我国的风能资源丰富密不可分。据有关资料显示，陆地上离地面10米高度处，我国风能资源理论储量约为43亿千瓦，技术可开发量约为3亿千瓦，离地面50米，估计可能增大一倍；近海资源10米高经济可开发量约7.5亿千瓦，50米高约15亿千瓦。从我国联网风电场总装机量来说，到2006 年底，我国已建成约91个风电场，装机总容量达到260万千瓦，比2005年新增装机134万千瓦，增长率为105%。根据国家中长期规划，2015年风能发电要达到1500万千瓦，2020年要达到3000万千瓦。美国风电市场得到了较快恢复，年新增装机容量为6.8lGW，较2010年装机容量
6、增长率超过30；总装机容量达到46.919 GW，累计增长率将近17。加拿大风电发展相对迅速，年新增装机容量为1.267 GW，较2010年装机容量增长率近84，首次实现一年内风电装机容量超越1 GW，具有里程碑意义。相比于2010年，欧洲风电市场发展较为平稳，年新增装机容量为10.281 GW，其中欧盟27国共占9.616 GW；累计装机容量为96.6 GW，其中欧盟27国共占93.95 GW。2011年，德国新增装机容量2.086 GW，累计装机容量29.06 GW，成为欧洲最大的风电市场。英国新增装机容量1.293 GW，其中0.752 GW为海上风电，位居其次；其他欧洲国家年新增装机容
7、量，如西班牙1.05GW，意大利0.95 GW，法国0.83 GW，瑞典0.763 GW，罗马尼亚0.52 GW，土耳其0.47 GW，波兰0.436 GW等。海上风电出现小幅度下滑，年安装0.866 GW，较2010年少0.017 GW，累计达到3.813 GW，占据欧洲风电市场的9。其中，英国大约拥有2 GW，巩固了其在欧洲乃至全球在海上风电的领军地位；丹麦拥有0.857 GW，位居其次。拉丁美洲及加勒比地区新兴风电市场也逐步走向成熟，2011年新增装机容量为0.852 GW，累计装机容量为2.33 GW，累计增长率达到57.6，成为最具风电发展潜力的地域。其中，巴西年新增装机容量为0.5
8、83 GW，累计装机容量实现了l GW 以上，为1.509 GW。阿根廷年新增容量为0.079 GW，累计容量0.13GW，相比于2010年总装机容量0.05 GW，增长率达到158。1.3 风力发电趋势据全球风能理事会预测，未来5年，全球风电产业将继续呈现较快发展趋势，2012-2016年，全球风电新增装机容量将达到59.26 GW，累积装机容量将达到49333 GW，远高于目前40.6 GW(新增装机容量)和237.7 GW(累计装机容量)。同时，未来5年内，年装机容量平均增长率将保持在7.97，累计平均增长率将保持在15.77。2012-2016年，亚洲、欧盟和美国将继续引领世界风电市场
9、的发展，亚洲将继续保持最快的风电发展势头。其中，中国风电发展基本保持稳定，据“十二五”规划，预测2015年新增装机容量将达到20 GW，实现总装机容量100 GW的目标(包括70GW大型风电项目、30GW小型风电项目以及5GW海上风电)。印度将成为亚洲发展最快的区域，由于2011年印度年新增装机容量突破3 GW，在2015年新增装机容量将有望达到5 GW。2016年，亚洲风电市场新增装机容量预计将达到25.9GW，并在2016年累计装机容量突破200GW。2 太阳能发电目前太阳能发电形式主要有两种：光伏发电和光热发电。下面将分别对这两方面加以介绍。2.1 太阳能光伏发电2.1.1 太阳能光伏发
10、电的原理光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年，法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。然而，第一个实用单晶硅光伏电池直1954年才在美国贝尔实验室研制成功，从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术太阳电池的基本原理为半导体的光伏效应。当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生“光生电子空穴”对。在电池内电场作用下，光生电子和空穴被分离，从而在电池两端积累起异号电荷，即产生电压。光伏发电系统发出的直流电通过一系列逆变、控制、检测、保护等手段并入电网。2.1.2
11、 太阳能光伏发电发展概况国外太阳能光伏发电发展自1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块使用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随近几年国际上光伏发电快速发展，2008年，全球光伏发电市场增至5.5GW。在亚洲，日本的太阳能光伏发电系统已经形成了稳定的技术和产业体系。太阳能光伏发电系统得到了迅速发展，尤其是住宅建筑的太阳能光伏发电系统，已经成为最大的太阳能光伏发电系统的设置用户。美国同样推出相关政策推动太阳能发电技术发展。美国法律中促进太阳能产业发展的主要有颁布于1978年的公共事业政策
12、管理法(最新修订于1999年)、1992年的能源政策法案、1990年的清洁空气法修正案等。面对可再生能源发电成本高于化石能源的现实，该法强制规定了利用可再生能源发电的电价制定标准。最后，给予可再生能源技术支持政策。图3 2011年全球太阳能光伏市场分布图相比于国外，中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。就目前看，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。我国地域广阔，是太阳能资源丰富的国家之一，三分之二的地区年辐射总量大于5020Mj/m2，年日照时数再2200h以上。光伏发电系统总安装容量约20MW。这些光伏电站对提高
13、当地人民物质文化水平和带动当地经济发展都起到了非常积极的作用。通过国家太阳能产业扶持，我国光伏发电产业有了长足的进步，尤其是在电池封装、系统集成、并网发电技术等方面与国外的差距进一步缩小，但是，随着未来光伏发电产业的扩大会对太阳级硅材料产生巨大的需求的增长，我国的原材料自给率能力低的矛盾将日益突出。虽然我国也在扩大硅材料生产能力做出了努力，但仍然无法摆脱对进口的依赖，已有的生产线普遍存在开采不足，原材料的短缺将成为未来我国光伏发电产业发展的一个瓶颈。2.2 太阳能光热发电2.2.1 太阳能光热发电原理太阳能光热发电通常叫做聚光式太阳能发电，与传统发电站不一样的是，它是通过聚集太阳辐射获得热能，
14、将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电。从热力学原理上讲，太阳能光热发电站与常规热力发电厂完全一样。太阳能光热发电按照聚集热量方式的不同，主要分为槽式、塔式和碟式三种技术路线。槽式太阳能光热发电技术是目前实现商业化运行最多，且技术最成熟的太阳能光热发电站系统。槽式太阳能光热发电技术是采用“线聚焦”原理，利用大面积槽式抛物面形式的反射镜将太阳光聚焦反射到集热管上，并将集热管内的传热工质加热至高温，利用其热量加热水产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。图4 槽式太阳能热电站示意图塔式太阳能光热发电技术是采用的“点聚焦”原理，是通过成千上万个定日镜，将太阳光反射到位于高塔顶部的太阳炉表面，太阳炉上设有公共吸
15、热器，由于太阳光被无数个镜片反射聚焦到吸热器一个“点”上，所以在其表面可形成高达2000左右的高温，可将其内部的传热介质加热至高温蒸汽，从而利用高温蒸汽推动汽轮机发电。塔式太阳能光热发电站的蒸汽运行温度约500左右，热效率在15以上。碟式又称盘式，其主要技术特征是采用盘状抛物面聚光集热器，它也是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百倍到数千倍，因而可以产生非常高的温度。在其接收器上安装热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能直接转换成电能。可以单台使用或多台并联使用，适宜小规模发电，所以比较适合偏远山区、远离电网地区，进行分布式离网供电。2.2.2 太阳能光热发展概况国外太阳
16、能光热发电研究起步较早，可以追溯到18世纪80年代，但从20世纪初才逐步开始在工业上应用。直到20世纪80年代太阳能光热发电技术才大规模应用，但主要集中在美国和西班牙等地区。随着技术的不断完善，以及国际能源的危机，当前世界上越来越多的国家都积极参与其中，如以色列、日本、法国、埃及、希腊、摩洛哥、阿尔及利亚、印度和澳大利亚等等，使当今世界太阳能光热发电技术及产业得以迅猛的发展。目前世界上最大的太阳能光热发电站为美国SEGS电站，总装机容量达到354MW，该电站也是世界上首座商业化运行的槽式太阳热光热发电站，其始建于1985年，之后不断扩建，到目前为止共9台槽式太阳能光热发电系统。随后美国在200
17、6年在内华达州建造了一座装机容量为64MW的槽式太阳能光热发电站，该电站在设计中广泛采取和吸纳了SEGE电站的运行经验，大大提高了机组的运行效率和可靠性。欧洲第一座商业化太阳能光热发电站始建于1997年，是在希腊的克里达岛建成投产，为50MW槽式太阳能光热发电站。目前美国和欧洲都在积极建设一批参数更高、性能更加优越的太阳能光热发电站系统，如美国esolar公司宣布将在美国南加利福尼亚Antelope河谷建造一座功率达245MW的太阳能光热发电站。根据国际能源署计划，在2015年前在世界各地再建造5000MW太阳能光热发电站，其中只有南非的太阳能光热发电站系统采用塔式技术路线，其余均采用槽式技术
18、路线。另据美国地球政策研究所预计，截止到2012年全球太阳能热发电装机容量即将达到6400MW。欧洲太阳能热发电产业协会与绿色和平组织联合做出的预测更加乐观：到2025年，全球CSP装机容量将会突破35Gw，年发电量达95.81wh，到2040年装机容量达到600GW，发电量能够满足全球5的电力需求。国内对太阳能热发电技术的研究起步也很早，是在20世纪70年代就开始对太阳能光热发电技术方面进行研究，但由于当时多个学科领域的技术难题难以快速解决，阻碍了太阳能光热发电技术的快速发展。直到20世纪90年代，在科技部“八五”、“十五”及“十一五”科技规划的持续支持下，在中科院电工所、清华大学等多所高校
19、及科研院所的引领下，在一批有研究实力的新能源工程公司、设计院、制造厂等的大力支持参与下，太阳能光热发电各项技术才取得了可喜的进步。同时，国外一些知名的太阳能光热发电公司也开始涌人中国市场，积极寻找机会合作开发一些合适的项目。根据中国可再生能源中长期发展规划，从现在开始到2015年为示范和项目开发前期准备阶段，建设了lMW的北京延庆塔式科研示范项目，于2011年底投运发电。自中科院电工所、清华大学等科研单位联手研制开发太阳能中高温热利用系统开始，国内该领域的专家们就一直积极主持和参与多项太阳能热发电工程项目的前期论证、设计工作。包括目前亚洲最大的也是我国首座太阳能槽式热发电项目一内蒙古鄂尔多斯5
20、0MW太阳能槽式热发电项目。该项目也是目前为止我国首个太阳能光热发电特许招标权项目，这说明了我国太阳能光热发电终于从幕后走上了舞台，从试验室走上了商业化的道路，中国太阳能光热发电的“盛宴”产业也将从此正式“开席”。2.3 太阳能发电趋势 根据“可再生能源中长期发展规划”，我国太阳能发电设备累计装机容量将2020年达到2000MW，为我国太阳能发电产业的发展提供了巨大的市场机遇，除了通讯、交通和照明，我国的太阳能发电设备的市场主要有两个：独立型发电设备和并网型太阳能发电设备。我国发展独立型太阳能发电设备具有独特的优势。现在的无电区都处于太阳能资源丰富的一、二、三类的西部地区和东南部海岛，太阳能辐
21、射总量大，年平均日照时间长，建设太阳能发电站可以少用太阳电池和蓄电池，年发电量高，从而使太阳能发电成本显著下降。如果用柴油发电来解决这些无电地区的供电问题，其发电成本考虑运输费用在内，超过太阳能发电成本。如果从现有输电网架设线路来解决这些无电地区的供电问题，投资费用大。据资料介绍，建设lkm的输电线路，相当于56kW太阳能电设备的投资费用。无电地区绝大部分都离输电网几十公里，即使建设100kW以上的太阳能发电站的投资费用也低于建设输电线路的费用。因此，在我国建设太阳能发电站具有很强的优势，发展前景广阔。并网型户用太阳能发电设备将成为我国太阳能发电产业的另一个主要市场。3 海洋能发电海洋能在近代
22、能源分类中是指蕴藏在海水里的可再生能源。主要有潮汐能、海流能、波浪能、海水温差能(海洋热)、海水盐差能(盐浓度)。潮汐能和海流能来源于太阳和月球对地球的引力变化；其他海洋能则源于太阳锈。海洋能按其储存形式，又可分为机械能(潮汐能、波浪能和海流能)、热能(海水温差能)和化学能(海水盐差能)。海洋空问里的风力和太阳能、在海洋一定范围内的生物能也属于广义的海洋能。3.1 潮汐发电3.1.1 潮汐发电原理 潮汐现象起因于地球、月亮和太阳相对的天体运动，故大致是可预测的。潮汐发电是利用海水潮涨潮落的势能发电。潮汐的能量与潮量和潮差成正比。实践证明：潮涨、潮落的最大潮位差应在10 m以上(平均潮位差3 m
23、)才能获得经济效益，否则难于实用化。人类利用潮汐发电已有近百年的历史，潮汐发电是海洋能利用技术中最成熟的、规模最大的一种。潮汐发电的工作原理：在适当的地点建造一个大坝，涨潮时，海水从大海流入坝内水库，带动水轮机旋转发电；落潮时，海水流向大海，同样推动水轮机旋转而发电。因此，潮汐发电所用的水轮机需要在正反两个方向的水流作用下均能同向旋转。3.1.1 潮汐发电概况 中国是世界上建造潮汐电站最多的国家。我国第一座潮汐电站是浙江临海的汐桥村潮汐电站，早在1959年建成，总容量60 kW。位于浙江乐清湾的江厦潮汐电站首台500 kW机组1980年开始发电，1985年全部竣工，总装机容量3 200kw，电
24、站属于单库双向运行方式，是我国最大、世界第三的潮汐电站。我国还有福建幸福洋(1280kw，1989年投入运行)、山东乳山自沙口(640kw，1978年投入运行)、浙江象山岳浦(150 kw，1971投入运行)、浙江鱼宦海山f150 kW，1975年投入运行)、江苏太仓浏河(150 kw，1976年投入运行)、广西钦州果子山(40 kW，1977年投入运行)等潮汐电站。原世界上规模最大的潮汐电站是法国的朗斯(Rance)电站，位于法国西北部、流人英法海峡的朗斯河口。电站于1961年动工，在朗斯河口修建了一座长750 m的大坝，形成面积22 km2的水库。潮位差最大值为13.5 m，平均值为8.5
25、 m，调节库容184亿m3。1966年8月首台机组发电，1967年全部竣工。发电设备置于坝内，共有24台单机容量10 MW的水车(4叶片，横轴圆桶形卡h兰式水轮机)和可逆式灯泡发电机组，年发电量544亿kWh。朗斯电站已正常运行了40余年。也保持了40余年世界第一的地位。3.2 海流发电3.2.1 海流发电原理 海流的产生主要是因为太阳能输入不均而形成海水流动所致。海流发电是利用海洋中部分海水沿一定方向流动的海流和潮流的动能发电。海流发电装置的基本形式与风力发电装置类似，故叉称为“水下风车”。海流动能转换为电能的装置有螺旋桨式、对称翼型立轴转轮式、降落伞式和磁流式多种。其中，磁流式是利用海水中
26、的大量电离子，海流通过磁场产生感应电动势而发电。日本沿岸的最大海流黑潮，即沿日本列岛由南向北流动的暖流，其规模如下：流量3 0005 000万m3s，流域宽度最大约120 km。设流速为V、流量为p、海水密度为p，相对于暖流每单位断面积所具有的动能P由下式决定： 在流速l m/s的情况下，P约为500 W。取平均流速为0.5 m/s，水深l 000 m，流域宽120km，估算黑潮所具有的动能约为768万kw。在最大流速2.5 m/s情况下，总动能P约为1.872GW。3.2.2 海流发电概况由于海水的密度约是空气的l 000倍，而且装置必须安放在海水中，海流距离海岸较远，故海流发电存在一系列的
27、关键技术问题(包括透平设计、安装维护、电力输送、设施防腐等)。因此，全世界均无大规模海流发电的成效除加拿大于1979年首先研制成由4个对称翼型直叶片构成的立轴水轮机，通过海流带动发电机旋转发电外，迄今为止，仅有几家研究单位提出过设计方案他们是法国电力公司(500 kw螺旋水轮机)、美国麻省理工学院(20 kw螺旋水轮机)以及科里奥利(Corioli)计划(10000Mw蜗轮式)等。3.3 其他海洋能发电3.3.1潮流发电潮流起因于潮汐现象的周期的海水流。与潮汐类似的潮流，在外洋减弱，靠近海岸则变强，特别在海湾入口狭窄之处或截断陆地后形成的窄海峡和水道处，流速很快。因此，潮流流速快的地域分布与潮
28、位差大的地域分布是一致的。日本的潮流流速：鸣门峡最大流速18 km/h，来岛海峡最大流速16.2 km/h，比海流的流速快2倍以上。日本潮流能的蕴藏量估计为2 500万kW。潮流的流速与潮位一样，以12小时25分的周期呈正弦波形变化，每隔半个周期变化流动的方向。为了从潮流中回收能量，应利用能使潮流每周期的双向流动均实现同方向旋转的水车。目前，有萨优衄斯(Savonius)型水车和达里厄斯(Darriews)型水车2种。潮流发电与潮汐发电不同，不设置大坝或堤堰，是借自然的流动直接通过水车获取能量，故水车的效率是很重要的性能参数。日本大学在爱媛县今冶市的来岛海峡安装的实验装置为海底设置型，采用了效
29、率更高的达里厄斯式水车，最大额定功率为5 kw。3.3.2波浪发电波浪发电的装置主要有漂浮式和固定式2种。目前，向着实用化方向不断进行研究的为水中振动型，其原理如下：由于波浪使空气室内的水面上下波动而使装置上部的空气的流向不断发生正反变化，空气的流动使涡轮机运转而发电。发电装置采用了能在往复的空气流中始终向一个方向旋转的威尔斯(Wells)涡轮机。20世纪70年代初，受石油危机影响，英国、日本、挪威等波浪能丰富的国家开始了波浪发电的开发研究。到80年代初，全球已有数百台波浪发电装置应用于航标灯和灯塔。我国目前已有600多台小型波浪发电装置在沿海投入使用。1990年首座固定式波浪电站建在珠江口大
30、万山岛，单机容量3 kw。“八五”期间，先后建成了20kw岸式波浪电站、5 kw后弯漂浮式波力发电装置和8 kw摆动式波力发电装置。20世纪末，我国在广东义建造了100 kw岸式震荡水位的波力发电站。中国已成为开发波浪发电的主要国家之一。日本沿海的波浪可利用能量估算约20 Gw。现在日本海洋科技中心的巨鲸装机容量为l台50 kW和2台30 kw，已在实地海域验证试验，现处于技术经济实用化阶段。目前，世界上最大的波力发电设备是已经在挪威运转的振动水柱型机组，额定输出功率为500 kW。3.3.2 海洋温差发电海水温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温差的热能。海洋温差发电是利用海洋表层海水(太
31、阳辐射能大部分转化为热能，形成2627的热水层)与深层海水(16)的温差而发电的方式。海水的热传导率低，表层的热量难以传到深层，许多热带或亚热带海域终年形成20以上的垂直温差，利用此温差可实现热力循环来发电。1985年，中国科学院广州能源所开始对“雾滴提升循环”方式进行研究。此法原理就是利用表层和深层海水之间的温差所产生的焓降来提高海水的位能，再通过水轮机发电。据计算，海水从20降到7时，海水所释放的热能可将海水提升到125 m的高度。3.4 海洋能发电趋势全球海洋能的可再生量很大。根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字，五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。其中温差能为400亿
32、千瓦，盐差能为300亿千瓦，潮汐和波浪能各为30亿千瓦，海流能为6亿千瓦。但如上所述是难以实现把上述全部能量取出，设想只能利用较强的海流、潮汐和波浪；利用大降雨量地域的盐度差，而温差利用则受热机卡诺效率的限制。因此，估计技术上允许利用功率为64亿千瓦，其中盐差能30亿千瓦，温差能20亿千瓦，波浪能10亿千瓦，海流能3亿千瓦，潮汐能1亿千瓦（估计数字）。海洋能的利用目前还很昂贵，以法国的朗斯潮汐电站为例，其单位千瓦装机投资合1500美元（1980年价格），高出常规火电站。但在目前严重缺乏能源的沿海地区（包括岛屿），把海洋能作为一种补充能源加以利用还是可取的。4 地热能发电4.1 地热能发电原理地
33、热发电首先将地下热能转变为机械能，再将机械能转换为电能，其基本原理与火力发电相似，都是用高温高压的蒸汽驱动汽轮机，然后带动发电机发电。地热发电可分为地热蒸汽、地下热水、两相全流法、联合循环和地下热岩五种发电方式，以下主要对地热蒸汽和地下热水两种方式进行简单介绍。图5 19502010年世界地热发电的装机容量和发电量4.1.1 地热蒸汽发电1)背压式汽轮机发电。背压式汽轮机发电系统是所有地热发电系统中最简单、技术成熟、投资最低的发电系统，由净化分离器和汽轮机组成。这种发电形式多用于电站规模较小的电站，其工作原理是：将地热井13出来的蒸汽引人净化分离器加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质，然后
34、使蒸汽推动汽轮发电机组发电，做功后的蒸汽可直接排人大气，也可用于工业生产中的加热工程。这种系统大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或者综合利用于工农业生产和生活用水。2)凝汽式汽轮机发电。为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率，目前电站普遍采用凝汽式汽轮机发电系统。这种系统由于蒸汽在汽轮机中能够膨胀到河底的压力，因而能做更多的功。做功后的蒸汽通常排人混合式凝汽器，并在其中冷却，凝结成水，然后排出。该系统适用于高温(160以上)地热田的发电，系统简单。4.1.2 地下热水发电1)闪蒸地热发电。闪蒸地热发电也称减压扩容法发电，其基本工作原理是：将地热井1：3来的地热水，经过除气器或汽水分
35、离器后，送至闪蒸器中进行降压闪蒸(或称扩容)，使其产生部分蒸汽。由于容器中的压力低于该温度下的饱和压力，热水会迅速汽化成蒸汽，故称为“闪蒸”。 蒸 来的蒸汽即可推动汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水，送往冷却塔，或引入作为第二级低压闪蒸分离器中，分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功。2)中间介质法地热发电。中间介质法地热发电又称双循环地热发电，主要用于中低温地热资源，其工作过程为：从地热井出来的热水进人换热器，将热量传给低沸点介质，使之变为蒸汽，然后以此蒸汽去推动气轮机，并带动发电机发电。放热后温度较低的地热水排入回灌井或作其他应用。这种系统的特点是地热水不与发电
36、系统直接接触，而是将热量传给低沸点介质，故其热效率较高，可利用额度较低的地热资源，并且易于适应化学成分比较复杂的地下热水。缺点是增加了投资和运行的复杂性。4.2 发展地热发电需解决的关键4.2.1 地热田的回灌地热水中含有大量的有毒矿物质，地热发电后排出的热水如果直接排人环境中，会对环境产生恶劣影响。另外，如果不回灌，还会引起地面下沉，影响地下结构的稳定性。地热回灌是把利用过的地热流体或其他水源通过地热回灌井重新注回热储层段的方法。回灌可以很好解决地热废水问题，还可以改善或恢复热储的产热能力，保持热储的流体压力，维持地热田的开采条件。4.2.2 地热田的腐蚀地热流体中含有许多化学物质，其中氧、
37、氯等元素具有很强的腐蚀性，再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响，会对各金属表面产生不同程度的腐蚀，直接影响设备的使用寿命。因此需采用一些防腐措施：例如利用非金属材料解决腐蚀问题；对主要腐蚀部件的金属表面涂敷防腐涂料；采取相应的密封措施，防止空气中的氧进入系统；对含氯的地热水可采用前置换热器等。4.2.2 地热田的结垢地热水资源中矿物质含量比较高，在抽到地面做功的过程中，矿物质会从水中析出产生沉淀结垢，主要包括氧化铁、碳酸钙、硫酸盐等。水垢的传热性能差，管道结垢后大大降低换热器的传热性能，使得地热能利用率下降，另外，结垢使水的流动阻力增加，增大了流体输送的能耗。可采用HC1和HF等溶解水垢，
38、为了防止酸液对管材的腐蚀必须加入缓蚀剂；也可选择合适的材料涂衬在管壁内，防止管壁上的结垢。4.3地热能发展趋势随着全世界对洁净能源需求的增长，将会更多地使用地热。全世界到处都有地热资源，特别是在许多发展中国家尤其丰富，它们的使用可取代带来污染的矿物燃料电站。这是非常重要的，因为一旦对矿物燃料电厂做出投资，在整个电厂的寿命期间，将会发出大气污染流，其期限是几十年的时间。目前在25个国家约有8 000MW的地热发电即将投入使用。此外，在菲律宾、印尼与新西兰即将新增700MW的地热发电。到1997年末，全世界地热发电的装机容量为7 950MW。图6 我国地热能分布地理图5 生物质能发电5.1 生物质
39、能发电原理5.1.1生物质直燃发电生物质直燃发电是指将生物质代替煤炭直接燃烧产生热和水蒸气进行火力发电的形式。其适用于生物质资源比较集中的区域，如谷米加工厂、木料加工厂等附近，因为只要工厂正常生产，谷壳、锯屑和柴枝等就可源源不断地供应，从而为生物质直燃发电提供了物料保障。由于生物质具有分散、热值低的特点，生物质在收集、运送过程中可能需要致密成型，在固化后将其分批次、每次多量地运送到传输半径合理的区域进行直燃发电。但不论是直接燃烧发电还是固化后燃烧发电，都属于生物质直燃发电的范畴。国际上该技术比较成熟的是丹麦BWE公司，而国内的国能生物发电有限公司、中国节能投资公司、江苏国信集团公司等也正在利用
40、此项技术大力发展生物发电。该技术机组容量较大，当前在建或拟建机组，国外已达到单机容量10 MW级水平，其热效率较高，受环境影响较小，可单独作为公用电源建设，适用于规模化推广。图7 生物质能来源分类5.1.2生物质气化发电生物质气化发电是将生物质首先转化成生物质气，用生物质气供给内燃机或是燃气轮机带动发电装置对外提供动力。生物质气来自生物质的气化、裂解或生物厌氧发酵过程产生的H2、CH4、CO、c02和其他多元混合气体，将这些可燃气体供给内燃机或燃气轮机，带动发电装置对外提供动力。生物质气化发电的代表技术为中国科学研究院广州能源研究所研发的机组，该技术已先后在江苏、黑龙江等地通过多种投资方式建立
41、了多台发电机组。此项技术容量较小，对燃料要求较为苛刻，且气体净化要求高。故多建在木材加工厂、米厂等周围，宜作为此类工厂的自备电厂，不便于大规模、大面积推广。同时，秸秆气化热值低，在稳定运行、焦油消除、气体净化等技术上也需进一步提高。5.1.3 沼气发电 沼气来自畜禽粪污或是含有机物的工业废水，经过厌氧发酵产生以cH4和CO2为主体的混合气体。C的含量的多少决定沼气热值的高低，从而对沼气的发电效率产生影响。此技术发电容量较小，氧消化产气率低且不稳定，系统运行和管理的自动化水平低，产业化发展缓慢，我国自20世纪70年代起，沼气发电技术曾在农村多次推广，该技术适用于农户家庭，使农户用电自给，不宜作为
42、公用电源建设。5.2 生物质能发电现状 生物质能发电起源于20世纪70年代，当时世界性石油危机爆发，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源。在BWE公司的技术支撑下，1988年诞生了世界上第一座秸杆生物燃料发电厂，此后生物质能发电在许多国家开始大规模发展。目前，美国生物质能发电的总装机容量达10 000 MW，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其他林产品加工厂。西班牙、瑞典、芬兰、法国、英国、加拿大、奥地利等国也投产运行了多个秸秆焚烧发电机组。其中，位于英国坎贝斯的生物质能发电厂是目前世界上最大的秸秆发电厂，装机容量38 MW，总投资约5亿丹麦克朗。除这些发达国家外，泰国、印度、巴西和东南亚等发展中国家
43、也通过引进技术或自行研发开展了多个生物质能发电项目。我国从1987年起开始生物质能发电技术研究。1998年，1 MW谷壳气化发电示范工程建成投入运行。1999年，l MW木屑气化发电示范工程建成投入运行。2000年，6 MW秸秆气化发电示范工程建成投入运行，为我国更好地利用生物质能源奠定了良好基础。为推动生物质能发电技术的发展，2003年以来，国家先后批准了河北晋州、山东单县、江苏如东和湖南岳阳等多个秸秆发电示范项目。2006年，我国颁布了可再生能源法，并实施了生物质能发电优惠上网电价等有关配套政策，使生物质能发电，特别是秸秆发电迅速发展。国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业
44、纷纷投资参与我国生物质能发电产业的建设运营。截至2007年底，相关部门已核准项目87个，总装机规模220万kW。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。可见，我国生物质能发电产业正渐入佳境。5.3 生物质能发电趋势目前，社会各界已经认识到，常规能源(煤、油、天然气等不可再生能源)终究是有限的，要建立资源节约型社会、保持国民经济永续发展，必须走可持续能源的发展战略。我国是农业大国，生物质能资源丰富，开发潜力巨大，生物质能资源量约为7亿t标准煤，随着退耕还林和种植薪炭林，估计到2020年生物质能资源量可达9亿10亿t标准煤，因此，利用生物质发电是我国能源结构调整的重要内容。
45、国家在该方面也给予了极大的认可和支持，国家发布的“十一五”规划纲要提出未来将建设生物质能发电550万kW装机容量，已公布的可再生能源中长期发展规划也将生物质能列入四大重点发展的能源之一，并确立了到2020年生物质能发电装机容量3 000万kW的发展目标。此外，国家已经决定安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。随着能源资源结构调整、农村环境保护的进一步实施、建设社会主义新农村建设的深入开展，我国快速发展生物质能发电的机遇和历史责任已经来临，已有的生物质能发电工程、可借鉴的发达国家开发经验以及国家对可再生能源的政策导向，都将促进生物质能发电进入一个蓬勃发展的时期，
46、相信生物质能发电行业将有突破性进展和广阔的发展前景。6 核聚变发电6.1 核聚变发电原理 核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法，一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制；另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计；第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的，所以又常称其为热核反应。以下所讨论的均以第一种方式为基础进行。图8 我国新一代核聚变实验装置“” 物质在低温状态下是固态，随着温度的升高会出现
47、液态、气态，气态的物质被继续加热会出现等离子状态，即在几万以上时，气体将全部发生电离，变成带正电的离子和带负电的自由电子。这种等离子体被约束在托卡马克装置的环形室腔体内不与腔壁接触，加热电流继续在这一环形室中流动，与电流方向一致的强大外磁场保证了等离子体的稳定。当等离子体被加热到108以上，满足(式中n为氘氚等离子体密度，cm-3；为等离子体维持的时间，s)时，就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变反应()，1个氘和1个氚聚变为1个氦核、放出1个中子(能量为14 MeV)，伴随着这一反应放出17.6 MeV的巨大能量。现在人类实现可控核聚变所使用的轻核只有氘与氚。在托卡马克装置上，当放出的能量大
48、于输入的能量、并足以加热下一次添加的氘氚并继续聚变反应时，这种条件称为可控核聚变的“点火”条件。实现核聚变的“点火”有三大难题要解决，一是如何把等离子体加热到108以上；二是如何使等离子体不与装它的容器相碰，否则等离子体要降温，容器要烧毁；三是防止杂质混入等离子体，因杂质会增加辐射而使等离子体冷却聚变反应堆主要的部件包括高温聚变等离子体堆芯、包层、屏蔽层、磁体和辅助系统等。6.2 核聚变发电趋势核聚变发电是21世纪正在研究中的重要技术，主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温，让它产生核聚变，然后利用热能。核聚变发电的最终实现还需很长的时间。目前的核电站，都是采用核裂变发电。核聚变研究已经历了数十年，科学家提出了多种方法来控制核聚变。尽管氘很廉价并储量丰富，氚却非常稀少，必须从核反应中提取。一座常规核电站一年能生产23千克氚，每千克成本估计在8 000万到12亿美元之间。不幸的是，磁约束核聚变电站每周都要消耗大约1千克氚。聚变对氚的需求量远远超过了裂变的生产能力。此外，还有许多技术问题难以得到突破，是目前许多科学家们竞相研究的一个重要课题。【结束语】无论如何，从上面的论述中我们可以确信一点，在全球资源与环境问题日益突出的今天，新能源发电已
