新能源發(fā)電工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)研究

侯俊強(qiáng)

（內(nèi)蒙古能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，呼和浩特 010010）

1 引言

在產(chǎn)業(yè)格局升級調(diào)整、市場經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的背景下，我國先進(jìn)制造業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、云計(jì)算產(chǎn)業(yè)等迎來新興發(fā)展契機(jī)，這在激發(fā)區(qū)域經(jīng)濟(jì)活力的同時，也加重了社會用電總負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)落后且清潔性極差，化石能源必須先經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)化才能進(jìn)一步產(chǎn)生電能，平均利用率僅有35%～38%，即使當(dāng)前開發(fā)出超臨界機(jī)組、流化床燃燒等先進(jìn)科技，整體利用率也只有約40%，燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣、廢渣等還可能帶來新的環(huán)境污染問題，難以適應(yīng)我國當(dāng)前發(fā)展形勢，因此，新能源發(fā)電工程建設(shè)已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的時代潮流。

2 新能源發(fā)電工程環(huán)境保護(hù)效益分析

新能源是21世紀(jì)能源革命、科技進(jìn)步的產(chǎn)物，現(xiàn)階段正在作為新興產(chǎn)業(yè)飛速崛起和成長，其研究方向是十分明確和清晰的，即風(fēng)能、太陽能、海洋能等可再生資源如何回收利用、如何并入電能網(wǎng)絡(luò)等。新能源發(fā)電工程中蘊(yùn)藏著極為豐富的環(huán)境保護(hù)效益，歸結(jié)起來可以分為以下3點(diǎn)。

2.1 緩解能源危機(jī)問題

近年來，我國社會用電總量不斷上升，僅2020年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)就已經(jīng)達(dá)到7.511×1012kW·h，同比增量極為可觀，給化石能源的勘探、開發(fā)帶來了巨大壓力。而新能源儲量豐富且可再生，能有效地延緩化石能源耗竭進(jìn)程，以太陽能為例，我國每年接受輻射能高達(dá)3.3×103～8.4×106kJ/(m2·a)，可以抵消2.4×1012t煤炭資源的發(fā)熱量[1]，若依托光伏發(fā)電站對其進(jìn)行收集利用，能夠在很大程度上緩解煤炭耗竭問題。

2.2 助推節(jié)能減排戰(zhàn)略

伴隨能源問題日益尖銳，我國已經(jīng)將節(jié)能減排任務(wù)列入國家戰(zhàn)略層面，并提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的長遠(yuǎn)目標(biāo)，林業(yè)、工業(yè)等相關(guān)主體紛紛變革經(jīng)營形式，致力于推動減排事業(yè)的發(fā)展，而新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)環(huán)境友好優(yōu)勢顯著，可以有效分擔(dān)化石能源消耗量，減少碳排放總量，進(jìn)而達(dá)到改善大氣質(zhì)量、緩解溫室效應(yīng)的目的。

2.3 改善環(huán)境污染現(xiàn)狀

化石能源燃燒環(huán)節(jié)污染嚴(yán)重，而地?zé)帷L(fēng)能、太陽能、海洋能等新能源技術(shù)發(fā)電基地遠(yuǎn)離城區(qū)，噪聲、振動等干擾問題較為輕微，也不存在粉塵、固體廢棄物污染情況，幾乎可以實(shí)現(xiàn)零排放，有助于改善環(huán)境污染問題，保障水環(huán)境、大氣環(huán)境質(zhì)量。

3 新能源發(fā)電工程建設(shè)應(yīng)用要點(diǎn)探析

3.1 加強(qiáng)新能源燃料電池技術(shù)創(chuàng)新與開發(fā)

燃料電池利用了電化學(xué)反應(yīng)原理，能夠省略傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中的能量形態(tài)變化過程，最大限度地減少中間轉(zhuǎn)換損失，系統(tǒng)中僅需供給必要的氧化劑即可達(dá)到發(fā)電目的，整體發(fā)電效率和環(huán)境相容性極高，據(jù)調(diào)查，能源利用率可以達(dá)到50%～60%，二氧化碳排出量可以減少40%～60%。現(xiàn)階段已經(jīng)有多種燃料電池應(yīng)用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中，較為常見的共4種，即PAFC、SOFC、MCFC以及PEMFC。現(xiàn)階段氫能技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，PEFC也得到了密切關(guān)注和青睞，圖1即為PEFC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 PEFC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)中燃料電池采用并聯(lián)方式組織，單個構(gòu)件的直流電壓約為0.7 V，出口裝設(shè)并網(wǎng)逆變裝置PUC，由PUC將其轉(zhuǎn)化為交流電壓，輸出口功率及電壓之間存在一定的關(guān)系，可以看作是調(diào)制系數(shù)m及相角δ的函數(shù)，即：

式中，Vac為輸出口交流電壓；VFC為出口直流電壓；VS為用電負(fù)荷側(cè)電壓；X為逆變器與負(fù)荷之間的線路簡化電抗；Pac為輸出功率。選擇燃料電池規(guī)格及配置數(shù)量時，可以綜合用電側(cè)負(fù)荷情況等進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。此外，建設(shè)新能源發(fā)電工程時，還應(yīng)關(guān)注數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)的建設(shè)問題，做好進(jìn)氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等的仿真模擬工作，科學(xué)編輯控制算法，為系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要利用了太陽輻射能，可以通過光伏組件的配置將其轉(zhuǎn)化為可利用電能，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，其運(yùn)行可靠且轉(zhuǎn)換過程更加清潔，但不足之處在于功率密度較低，僅有1 000 W/m2，能量輸入也存在不連續(xù)問題，大規(guī)模應(yīng)用仍存在較多阻礙。現(xiàn)階段通常采用并網(wǎng)技術(shù)對光伏陣列直流電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并在同頻同相的前提下將其變?yōu)榻涣麟娔埽⑼ㄟ^以太網(wǎng)、GRPS等單元實(shí)現(xiàn)交互控制，其控制框圖如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電控制框圖

光伏并網(wǎng)發(fā)電工程建設(shè)環(huán)節(jié)，通常采用電源型電流控制逆變器，可以對直流電能進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，尤其要關(guān)注太陽能電池工作的電壓問題，該參數(shù)情況直接影響輸出功率，要在穩(wěn)定工作電壓的基礎(chǔ)上確定功率參數(shù)。圖中的案例工程裝設(shè)了最大功率點(diǎn)跟蹤單元MPPT，可以用于確定最大功率點(diǎn)電壓，線路中還配備了AVR單元，可以起到調(diào)控電壓的作用，并網(wǎng)電流給定值同樣由該單元處理和輸出，運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)系統(tǒng)會自動收集該類數(shù)據(jù)并將其與負(fù)荷電流比較，進(jìn)而傳輸給電流調(diào)控單元ACR，在DC/AC變換器的輔助下，生成可識別的控制信號，最終輸出同頻同相的可并入電流。

實(shí)際應(yīng)用時可以借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，裝配必要的MPTT、AVR等單元，同時做好太陽電池、逆變器等的選型工作，重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的熱斑效應(yīng)。該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因較為簡單，主要是電池片被局部遮擋，引發(fā)組件等效內(nèi)阻升高，電流輸出時局部很容易發(fā)熱甚至燒毀，可以在線路中適當(dāng)加裝旁路二極管，防止燒毀問題的發(fā)生，后續(xù)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)儲能系統(tǒng)的研發(fā)與使用。

3.3 引進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)具備鮮明的高效、優(yōu)質(zhì)特征，可以將制冷、供熱以及發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合起來，使燃?xì)忮仩t、冷卻塔、發(fā)電機(jī)組等組合成集成化的能源利用系統(tǒng)，鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽后，被送入汽輪機(jī)中發(fā)電，背壓式、抽氣式汽輪機(jī)完成發(fā)電后，排出的熱氣還能滿足各種熱負(fù)荷需求，同時為吸收式制冷機(jī)提供保障。據(jù)相關(guān)資料顯示，其可以提升資源利用率至80%以上，共用發(fā)動機(jī)還能節(jié)省增加機(jī)組的支出，從而達(dá)到節(jié)約能源的最終目的。微型汽輪機(jī)是聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分，主要指單機(jī)功率低于1 000 kW的汽輪機(jī)設(shè)備，支持天然氣、甲烷等多種類型的燃料，通常為全徑流式或空氣軸承式[2]，機(jī)組結(jié)構(gòu)極為簡單，占地面積小且供電更加平穩(wěn)，其工作原理如圖3所示。

圖3 微型燃?xì)廨啓C(jī)工作原理示意圖

由于微型汽輪機(jī)的尾氣排放較為清潔，因此，現(xiàn)階段除了余熱回收制得熱水、蒸汽再利用外，還能夠直接用于生產(chǎn)工藝之中，如烘干處理化學(xué)制劑等。從應(yīng)用實(shí)踐來看，提高微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)動機(jī)性能是改善聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，對于微型渦輪發(fā)動機(jī)來說，可以嘗試使用Si/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，保障耐高溫特性的同時提升結(jié)構(gòu)整體性。此外，在回?zé)峤粨Q器的布局上，同樣要進(jìn)行優(yōu)化選型，較為常見的有環(huán)繞型、后置式兩種，前者氣體動力特性較好，無須額外配備外部管道；后置式則配備了外部燃燒室，可以用于低熱值燃料燃燒，與高溫固氧燃料相結(jié)合，還能形成零排放發(fā)電系統(tǒng)，環(huán)保效益極佳，條件允許時可以優(yōu)先使用。

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)組可以采用同步、異步發(fā)電機(jī)，其中，前者的勵磁控制極為關(guān)鍵，能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓、無功功率等，后者則沒有相應(yīng)的勵磁裝置，需要從電網(wǎng)中吸收無功功率并建立磁場，該步驟與機(jī)端電壓有較大的關(guān)聯(lián)，要做好計(jì)算和分析。當(dāng)有功功率Pe固定時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率s的計(jì)算方法為：

無功功率Q的計(jì)算方法為：

式中，U為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓幅值；R為轉(zhuǎn)子電阻；Xσ為定子、轉(zhuǎn)子電抗之和；Xn為勵磁電抗。

3.4 選擇適宜的風(fēng)力發(fā)電機(jī)形式規(guī)格

我國擁有極為豐富的風(fēng)力能源，為風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的成長進(jìn)步提供了較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2021年，我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了3×108kW·h以上，同比增長16.6%，風(fēng)力能源的并網(wǎng)發(fā)電貢獻(xiàn)率也是逐年上漲。但同時，風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行中存在的一些問題也逐漸暴露出來，比如，機(jī)型選擇不當(dāng)、機(jī)組故障率高等，很多企業(yè)不考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際用電和自然情況盲目跟風(fēng)選型，以1.5 MW機(jī)型最為常見，但實(shí)際上該類機(jī)型額定風(fēng)速大致在14 m/s，而二級風(fēng)能資源工程中，年平均實(shí)測風(fēng)大致在6.6 m/s，額定風(fēng)速與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)，影響了系統(tǒng)的高效運(yùn)行。此外，不同規(guī)格的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上也存在很大的差異，圖4為現(xiàn)階段較為常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要機(jī)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要機(jī)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

其中，a類定速型發(fā)電機(jī)中，槳葉、輪轂之間是固定的，即使外界風(fēng)速發(fā)生變化，槳葉角度也不會改變，內(nèi)部配備自動控制系統(tǒng)，可以結(jié)合風(fēng)速情況切換電機(jī)，由于其通常采用籠式異步發(fā)電機(jī)，因此，并網(wǎng)狀態(tài)下需要吸收大量無功電流，以滿足系統(tǒng)勵磁需求，整體的功率因素可能受到影響，可以配合移相電容器使用。

b類轉(zhuǎn)差控制型電機(jī)中，槳葉、輪轂采用軸承連接方式，葉片攻角是可以改變和調(diào)整的，通常以軸向?yàn)橹行倪M(jìn)行0°～90°的變化，從而起到控制輸出功率的作用，現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛。

c類為同步直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，機(jī)器本身與轉(zhuǎn)子直接耦合，可以提升輸出端電壓與風(fēng)速的匹配性，整體損耗較小且結(jié)構(gòu)較為簡單，但局限在于需要額外配備全功率電力變換器。

d類為雙饋型風(fēng)機(jī)，它是變速風(fēng)電系統(tǒng)中較具代表性的一種，定子直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子則通過變流器接入，可以省去無功補(bǔ)償裝置且提升風(fēng)能利用率，但前期建設(shè)投入成本較高，需要結(jié)合實(shí)際情況選用[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，新能源發(fā)電工程環(huán)境保護(hù)性能良好，可以有效緩解能源耗竭危機(jī)，改善環(huán)境污染現(xiàn)狀，工程建設(shè)環(huán)節(jié)要加強(qiáng)高新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，優(yōu)化新能源燃料電池技術(shù)，工程策劃階段應(yīng)做好太陽電池、逆變器等的選型工作，加強(qiáng)儲能系統(tǒng)的研發(fā)與使用，引進(jìn)先進(jìn)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，做好異步電機(jī)選型工作，同時關(guān)注風(fēng)力發(fā)電中機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、風(fēng)速選擇問題，為新能源發(fā)電工程的高質(zhì)建設(shè)和平穩(wěn)運(yùn)行奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。