新能源發電技術在電力系統中的應用

徐斯為

摘 要：隨著工業化進程的加快，電力需求飛速增長。傳統的發電技術不僅無法滿足日益增長的電力需求，還會產生能源消耗與環境污染問題。在可持續發展理念的背景下，開發與利用具有可再生清潔特點的新能源成為主要發展趨勢。在電力系統中應用新能源發電技術，對低碳經濟、減少環境污染等具有積極作用。基于此，主要針對風能、太陽能、地熱能以及生物質能4種新能源發電技術在電力系統中的應用情況進行概述，對促進電力行業的可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：新能源;發電技術;電力系統

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0126-03

Abstract： With the acceleration of the industrialization process， the rapid growth of electricity demand， traditional power generation technology can not only meet the growing demand for electricity， but also produce energy consumption and environmental pollution problems. Under the background of the concept of sustainable development， the development and utilization of new energy， as a renewable and clean energy， has become the main development trend. The application of new energy generation technology in the power system has played a positive role in low-carbon economy and reducing environmental pollution. This paper mainly summarizes the application of wind， solar， geothermal and biomass energy in the power system， it is of great importance to promote the sustainable development of the power industry.

Keywords： new energy;power generation technology;power system

1 新能源概述

新能源作為一種可再生的清潔能源，具有儲量大的特點。當前可開發和利用的新能源有風能、太陽能、地熱能和生物質能4種。新能源發電是電力網絡中一種重要的發電方式。基于低碳經濟的發展背景，新能源發電技術的應用與發展對保障能源安全和建設友好型社會具有一定的推動作用。以湖南省為例，截至2020年10月，可再生新能源發電裝機達到7.191×106 kW，約占全部電力裝機的19.31%。其中，風電裝機5.119×106 kW，光伏發電裝機1.569×106 kW，生物質能裝機2.670×105 kW，其他裝機2.36×105 kW，清潔能源發電量同比增長50%[1]。由此可見，新能源發電技術的替代作用在不斷增強。

2 新能源發電技術類型

新能源發電技術是指通過現有的技術手段，將可再生能源轉化為電能的過程。下面主要對風能、太陽能、地熱能和生物質能4種類型的新能源發電技術進行概述。

2.1 風能

風能是可再生清潔能源中最主要的一種，具有儲量大和分布廣的特點。此外，風能極為常見，為資源的利用創造了良好的條件。加強風能資源的利用，有助于發展國民經濟和實現環境保護。

2.2 太陽能

與其他新能源相比，太陽能的獲取與利用相對比較便捷與穩定，且資源豐富，是當前應用最廣泛的清潔能源，具有污染較低、容易獲取等優點，在發展方面獲得了政府的大力支持[2]。

2.3 地熱能

地熱能主要是從地球內部抽取的天然熱能，是一種新的可再生清潔能源。在環保意識日漸增強和能源日趨緊缺的背景下，合理開發和利用地熱資源顯得愈加重要。近年來，我國在地熱資源應用方面越來越普遍，如在地熱發電、供暖與空調制冷、溫室農業以及溫泉旅游等方面都取得了一定成果。

2.4 生物質能

生物質能是一種可再生的清潔能源，也是唯一一個可再生的碳源，是世界第四大能源，在整個能源系統中占有重要地位。開發和利用生物質能對促進國民經濟發展和加強環境保護具有重大意義，因此，我國非常重視和支持生物質能的開發和利用，力求有效提升生物質能的利用效率。

3 新能源發電技術及其應用

3.1 風能發電技術

風能發電技術主要是通過風能資源轉化為相應的機械能，帶動內部發電機轉動，再借助于風力發電機最終將風能轉化為電能。目前，這項技術已成為我國新興產業之一[3]。

3.1.1 設備組成及功能。風力發電的發電裝置主要由發電機、風輪和塔筒3個部分組成。風輪和塔筒是發電裝置的核心構件。其中，風輪主要包括葉片和變槳系統等。葉片一般是由質量小、強度高、不易斷裂的復合材料制造，是將風能轉化為機械能的重要部件。塔筒是風力發電的塔桿，在風力發電機組中主要發揮支撐作用。發電裝置通過相對應的電網部分，將風能轉化為電能，進而產生經濟效益。同時，風力發電中還包含了限速安全機構、尾翼以及蓄電池等結構。所有設備共同發揮作用，才能將風能高效轉化為可利用的電能。

3.1.2 風機控制技術。風能發電技術是一種重要的并網技術，主要借助并網發電機，如雙饋機、雙速異步機以及變速異步發電機等實現并網發電。為了發揮風機并網的最大作用，在新的并網技術中引入模糊控制技術，以高效保證風機并網的轉速和功率。同時，利用神經網絡調整控制葉片槳距，大大提升了風機并網在電力系統中的作用，提升了整體供配電質量。

3.1.3 無功電壓控制技術。為了確保風電場的運行效益，在風電場內配置了SVC或者其他無功補償裝置。借助無功補償設備，系統能夠實現實時的動態補償，達到良好的無功電壓控制。此外，可以減少因輸送功率不穩等問題而引發的系統振蕩情況，優化電力系統的電力輸送環境。

3.1.4 應用前景。風能發電有其他新能源發電方式無可比擬的優勢，如清潔無污染、效益好以及適應范圍廣等。目前，湖南省風電裝機量已達5.119×106 kW，占新能源總體裝機量的71.19%，裝機比例大。但是，風能發電也存在缺點，如成本較高、噪聲大以及風力資源不穩定、不可靠等，在一定程度上影響了風能的發電效益。

3.2 光伏發電技術

隨著太陽能資源的開發和利用，光伏發電技術也被廣泛應用。通過特定的裝置（如太陽能板）將太陽能轉化為電能，是最常見的太陽能發電形式。

3.2.1 光電效應。光電效應是光伏發電技術中最重要的部分。當相關的物質被特定電磁波長期照射時，在電磁波的作用下，內部的電子會被激發，PN結構會出現光電效應。

3.2.2 電池組。電池組是光伏發電系統中不可缺少的部分，發揮著關鍵作用，決定了整個系統工作的效率和效果。太陽能電池組的類型較多，目前，電池組類型有晶硅電池、硅基薄膜光伏電池、化合物薄膜電池以及聚光光伏電池等。晶硅電池轉換效率高、成本低，有單晶電池和多晶電池之分;硅基薄膜光伏電池工作效率較低;化合物薄膜電池污染嚴重，危害人體健康;聚光光伏電池在應用過程中需配備相應的散熱器與聚光系統，應用成本相對較高。為確保電池組選用的科學性，應結合光伏發電系統運行要求合理選擇。

3.2.3 調壓技術。光伏電站運行時，它的末端電源點電站容易受到電壓的影響。由于電站的整體調壓能力不強，需要借助靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）進行調節。SVG調壓技術主要有恒功率因數模式和恒電壓模式。通常情況下，恒功率因數模式主要負責控制日常運行，并根據電壓的動態變化調整無功變化。但是，當系統電壓高于額定電壓的10%時，恒功率因數模式很難達到調控電壓的目的，此時需要采用恒電壓模式。

3.2.4 應用前景。隨著用電量需求的不斷增加，光伏發電技術的持續開發成為必然的發展趨勢。但是，當前我國太陽能的實際應用成本較高，效率普遍較低。為有效解決這個問題，必須提升太陽能的轉換效率，建立全面的、系統的太陽能發電、運輸電網，以實現光伏發電的大面積應用。

3.3 地熱發電技術

地熱發電技術主要是利用現有的綜合技術，通過汽輪機將地熱能轉化為電能，能有效擺脫能源緊缺困境和解決環境污染問題。目前，常用的地熱資源有干蒸汽、地熱水等，其應用的發電技術主要有背壓發電、凝汽發電以及閃蒸發電等。不同的地熱資源可利用的熱力系統不同，具體如表1所示。

3.3.1 背壓發電技術。該技術主要在蒸汽井中引出干蒸汽，去除雜質后將純凈蒸汽引入汽輪發電機，在蒸汽作用下產生電能。該方式發電較為簡單，投資成本較低。該發電方式的發電效率較低，因此比較適用于壓力和溫度較高的干蒸汽田，即地熱蒸汽中不凝結氣體含量多的場合。

3.3.2 凝汽發電技術。該發電技術一般應用于干蒸汽地熱田，主要是將地熱蒸汽引入蒸汽凈化器并進行過濾，去除雜質后再將純凈蒸汽引入汽輪發電機，隨后不凝結氣體聚集在凝汽器中，利用抽氣器排除凝汽器中的空氣使凝汽器呈真空狀態。與背壓發電技術相比，凝汽發電技術使用凝汽器，顯著提高了電站的發電效率。

3.3.3 閃蒸發電技術。它主要是將地熱水從地熱井中引出，并送到閃蒸器中做降壓閃蒸（或稱擴容）處理，使其產生一定量的蒸汽，再將蒸汽引到汽輪機做功發電[4]。從汽輪機中排出的蒸汽在混合式凝汽器內冷凝成凝結水送到冷卻塔中，剩下一部分分離器中的含鹽水流入地下或通過閃蒸分離器引入，用于第二級低壓閃蒸，分離出低壓蒸汽，引起汽輪機中部某一級中膨脹做功。要求發電設備對地下熱水的溫度、礦化度以及不凝結氣體含量等有較高的適應性。

3.3.4 應用前景。我國地熱資源主要分布于西藏、四川等地，地熱資源較為豐富。近年來，為加強能源體系建設，優化能源消費結構，地熱發電受到重視，政府出臺了一系列政策，為地熱發電技術的發展指明了方向。截至2020年，我國淺層地熱能利用達5 000 MW·h，地熱（溫泉）直接利用4 000 MW·h，具有廣闊的發展前景。

3.4 生物質發電技術

生物質發電技術通過對綠色植物光合作用的應用，將生物質轉化為可燃氣，再利用燃氣發電設備進行發電，具有分布廣、污染低、種類多以及清潔度高等優點。它在發電系統中的應用主要包括直接燃燒發電、氣化發電以及沼氣發電等。

3.4.1 直接燃燒發電技術。它主要是生物質直接在生物質電站鍋爐燃燒，產生的熱蒸汽在汽輪機的作用下轉換成機械能和電能。發電系統由汽輪機、生物質直燃鍋爐、給料系統、上料系統、除塵以及除渣裝置等構成。其中，生物質直燃鍋爐的熱效率至關重要，直接影響發電效率。

3.4.2 氣化發電技術。它主要是將生物質轉化為可燃氣體，可燃氣體燃燒所產生的熱能在發電設備的作用下，將生物質轉化為電能。發電系統主要由生物質、氣化爐、燃氣凈化器以及內燃機發電機等組成。工藝流程如下：生物質原料（加工處理后）→進料設備→氣化爐。一般會出現兩種情況：①生物質燃燒完全，即氣化爐→冷卻系統和凈化裝置→汽輪機和內燃機→發電;②生物質燃燒未完全，即氣化爐→氣化氣體回收預熱→冷卻系統和凈化裝置→汽輪機和內燃機→發電。與傳統的火電直燃發電技術相比，氣化發電技術更加清潔、高效、可靠，應用更廣泛。

3.4.3 沼氣發電技術。該技術具有高效、節能、安全和環保等優點。它主要利用大量有機廢棄物，如禽畜糞、城市垃圾和污水等，通過厭氧發酵技術處理后產生沼氣，并將沼氣用于電能轉換。具體工藝流程如圖1所示。使用該技術不僅能解決產生的大量廢棄物等問題，還能產生熱能和電能，符合當前的環保發展理念。

3.4.4 應用前景。我國是一個農業大國，生物質資源非常豐富，因此加強生物質能源的開發和利用是新能源開發的必然趨勢[5]。為推動生物質發電技術的發展，我國先后核準批復了生物質發電示范項目，并頒布了相關法律法規等，同時加大可再生能源的技術研發資金支持，大力建設完善的設備制造及檢測認證等產業服務體系。

4 結語

隨著我國電力需求量的增加，資源的消耗量越來越大，導致資源與環境之間的矛盾突出。在此背景下，為有效解決資源短缺及環境污染問題，實現資源可持續發展的目標，需要加強新能源發電技術在電力系統中應用的研究，促進電力企業實現現代化發展。

參考文獻：

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[2]鄭雷濤，尹柳.特色專業建設中新能源發電技術的應用分析[J].通訊世界，2017（17）：218-219.

[3]趙晉京.新能源發電技術在電力系統中的有效應用[J].電子技術與軟件工程，2019（22）：235-236.

[4]田蓬勃.新能源發電技術在電力系統中的應用效果研究[J].中國設備工程，2018（22）：214-215.

[5]王浩炯.淺析新能源發電技術的現狀及其展望[J].魅力中國，2017（22）：243-244.