浅谈新能源发电技术

【专家解说】：新能源是指传统能源之外的各种能源形式。目前技术比较成熟，已经开始大规模利用的新能源是风能、太阳能、沼气、燃料电池这四种。本文介绍沼气、燃料电池等几种发电技术。 1 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）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。按燃料电池所用原始燃料的类型，大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。 使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。 燃料电池其原理与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名副其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。 燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。 2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。 表1 各种燃料电池的技术性能 2 沼气发电 沼气具有较高热值，与其他燃气相比，抗爆性能较好，是一种可再生的清洁能源。沼气一般在农村比较多使用，传统上大多利用沼气取暖、炊事和照明。沼气发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项新型沼气利用技术，它将沼气用作发动机燃料，驱动发电机产生电能。由于城市化进程大城市，利用垃圾沼气发电也成为了可再生能源的一大热点。在我国，上海，北京，深圳等大城市正在或准备建立垃圾沼气发电厂。我国第一家垃圾沼气发电厂是在1998年10月，在杭州天子岭垃圾填埋场建成。在我国，目前拥有1000万座沼气池。但总体上沼气应用范围不够广，利用率也比较低。我国城市垃圾量以每年6%～7%的速度递增，而我国90%以上的城市处理垃圾的方式采取的是填埋方式，许多大城市垃圾填埋场日处理垃圾在千吨以上，如果能变废为宝，我国可以明显减少对化石能源的依赖，减少石油进口。 在国外，沼气发电也是蓬勃发展，在2006年12月12日，世界上最大规模的利用垃圾沼气发电站在韩国建成并正式投入运营，发电规模为50MW级，这座沼气发电站生产的电力可为18万户家庭供电，它将替代韩国每年50万桶重油进口。在此之前，全世界50MW级的沼气发电站仅在美国有1座。 随着沼气发电站的容量提高，沼气发电并网运行将会对整个电力系统造成冲击，继电保护相关问题也会随着容量提高而变得突出。文献[沼气发电机并网一次主接线及继电保护配置的探讨]阐述了沼气发电机并网的接线方式及保护配置问题。 3 潮汐发电 潮汐能发电的工作原理与一般的水力发电原理差不多。它建筑一条大坝把靠海的河口或者海湾与大海隔开，形成一个大水库，发电机组安装在拦海大坝里面，大部分机器在地面下，利用潮汐涨落的位能差来推动水力涡轮发电机组发电。 潮汐发电与水力发电的原理相似，它是利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。具体地说，由于潮水的流动与河水的流动不同，它是不断变换方向的，因此就使得潮汐发电出现了不同的型式，例如：（1）单库单向型，只能在落潮时发电。（2）单库双向型：在涨、落潮时都能发电。（3）双库双向型：可以连续发电，但经济上不合算，未见实际应用。 世界上第一座潮汐电站是法国的郎斯河口电站，其装机容量为240MW，年均发电量为544GWh。中国沿海已建成9座小型潮汐电站，1980年建成的江厦潮汐电站是我国第一座双向潮汐电站，也是世界上较大的一座，其总装机容量为3200kW，年发电量为10.70GWh。 世界较大的潮汐电站至今运行正常，证明潮汐发电在技术上是可行的，可是从20世纪80年代至今，近20年来几乎没有建新的潮汐电站，100MW级的潮汐电站没有一个建设投产。没建新的潮汐电站的原因主要是考虑电站的经济性和潮汐大坝对环境的影响。 4 地热发电 地球是一个巨大的热仓库。其内部的热能根据科学家的推算，全球潜在地热能源的资源量约4×1013MW，相当于现在全球能耗的45×104倍。地热是一种洁净的可再生能源。地热发电是利用超过沸点的中、高温地热（蒸汽）直接进入并推动汽轮机，并带动发电机发电，或者通过热交换利用地热来加热某种低沸点的工作流体，使之变成蒸气，然后进入并推动汽轮机，带动发电机发电。最近发展起来的“热干研过程法”地热发电法不受地理限制，可以在任何地方进行地热开采。原理是首先将水通过压力泵压入地下4到6km深处，在此处岩石层的温度大约在200℃左右。睡在高温岩石层被加热后通过管道加压被提取到地面并输入一个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机将地热转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷冻后再重新输入到地下供循环使用。 世界上第一座地热发电站要算是1904年在意大利的拉德雷诺建成的小型地热电站，它是用地热蒸汽推动涡轮机发电的，但功率很小，只点亮了5盏电灯。后来经过充实发展，目前该电站的装机容量已达548MW。当初这座电站虽然只能点亮5盏电灯，却开创了地热发电的历史。目前世界上最大的地热发电站装机容量已经达到了1000MW，位于美国加利福尼亚盖瑟尔斯。 我国地热发电在新中国成立后开始研究，于1970年，中国科学院在广东省丰顺县汤坑镇邓屋村建起了发电量60kW的地热发电站。这是我国第一座地热试验发电站。1976年，全世界海拔最高的地热发电站在我国羊八井盆地建成发电，现已兴起了一座崭新的地热城，地热开发利用正向综合性方向发展。目前，该电厂已有8台3000kW机组，总装机25MW，年发电量在拉萨电网中占到45％。羊八井地热发电站目前是我国最大的地热发电站。