1·新能源概念
本文所谓新能源是相对于常规能源而言。常规能源是目前各国电力工业广泛使用的矿物燃料发电、水力发电和核能发电。目前已经开始使用或正在开发使用的新能源有:海洋能发电、地热发电、太阳能发电、风能发电、生物质能发电和其他能源发电。其实,这一类所谓新能源在人类古老的时代早已被利用,现在只不过是在高新技术的基础上加以开发和利用。
新能源是属于可再生能源,它们共同的特点是:能源密度低、蕴藏的分散性、间隙性、随机性。因此它们的开发和利用受到一定的限制,在技术上也有一定的难度。但新能源又是属于清洁能源,它们的开发利用不会污染环境。而化石能源的生产和消费正在改变着全球的气候,环境问题将对能源的供应产生重大的影响。因此,大力开发利用新能源和可再生能源将是各国未来能源政策的重大选择。
可再生能源有三个初始来源:阳光、地热和潮汐。其中阳光是最大的来源。整个地球每年接受太阳能折合1086×1018 kwh。这些能量转变为大气和水的显热和潜热,从而形成地球上的风能、水能、波浪能和海流能等动能。阳光还通过植物的光合作用转变为生物质能每年约折合876×1012 kwh。地热能来自地球内部的热量和地壳中的放射性元素衰变所释放的热量,通过热传导达到地面和海洋有306×1012 kwh。潮汐能来自月球和太阳的引力,每年约折合26×1012 kwh。从以上这些再生能源的数量来看,如果有几万分之一被利用那可真是取之不尽用之不竭的能源啊!
2·海洋能发电
2.1 潮汐发电
潮汐发电是在潮差较大的海湾或河口筑堤构成水库,利用堤坝两侧潮汐涨落的水位差驱动水轮发动机发电。潮汐发电的方式有:单库单向式、单库双向式、双库式和抽水蓄能混合式。由于潮汐每天两次涨落,单库单向式每昼夜发电两次,每一周期运行工况为:①充水工况②等候工况③落潮发电工况④等候工况,平均日发电9~11小时;单库双向式每昼夜发电四次,每一周期运行工况为①等候工况②涨潮发电工况③充水工况④等候工况⑤落潮发电工况⑥泄水工况,平均日发电14~16小时;双库式的水轮发动机组安装在两个水库之间,一个库的进水闸在高潮位时引水进库,另一库的泄水闸在低潮位时泄水出海,使两个库之间终日保持一定水位差,水轮发动机可连续发电;抽水蓄能混合式(单库双向式),当库内与海面水位接近时,用电网的电力抽水蓄能,涨潮时将海水抽入库内,落潮时将库内水往海中抽,以提高发电时的有效水头,增加发电量。每一周期运行工况为:①泵水出海工况②等候工况③涨潮发电工况④充水工况⑤泵水入库工况⑥等候工况⑥落潮发电工况⑦泄水工况。
潮汐电站一般采用贯流式机组。其特点是过流量大、水头低、比转速高。既要作水轮机运行,又要作水泵运行,既要正向旋转,又要反向旋转。主要有灯泡贯流式、全贯流式、明槽贯流式和轴伸贯流式。
中国可开发的潮汐资源约有21,000MW,年发电量600亿kwh。目前已建成7座潮汐电站,装机容量11MW。在浙江温岭县的江厦潮汐试验电站,装机3200kw是目前我国最大的。
2.2 波浪能发电
波浪能发电以波浪的能量为动力。海洋波浪蕴藏着巨大的能量,全球有经济价值的波浪能开采量估计为5~10亿kw。中国沿海和岛屿波浪能的理论储量约为7000万kw左右。
波浪能发电方式按能量中间转换环节,主要分为机械式、液压式、气动式和水库式。机械式传动装置实现波浪能从往复运动到单向旋转运动,它是一个随波浪起伏的浮体带动导向齿条和齿轮,齿轮和棘轮组成单向旋转装置,棘轮的转轴驱动带飞轮的发电机发电;液压式发电是通过某种泵液装置将波浪能转换为液体的压能或位能,再由油压马达或水轮机驱动发动机发电,有“点头鸭”液压装置和“收缩斜坡聚焦波道”式装置等;气动式发电装置是固定在防波堤上的塔筒,塔筒中水面在波浪激励下而升降,形成水面以上气体容积和压力的变化,随着控制吸气阀和排气阀的开启和关闭,使交变气流整流成单向气流冲动气轮机;水库式发电是在海边建一座坝,坝顶的高度略低于海浪的波峰,海浪翻过大坝进入水库,当库内海水位升高返回大海时推动水轮机发电。前两种方式属于点利用方式,主要用于小岛照明和浮标导航灯。而后两种方式属于集中利用方式,它可在沿海或海湾建设聚波建筑物,较大规模地利用波浪的冲击动能驱动水轮发电机。
2.3 海流发电
海流发电是利用海洋中部分海面海水沿一定方向流动的海流和潮流的动能来发电。全球理论海流资源量估计有3~11亿kw。
海流发电装置与风力发电相类似,所以又称为水下风车。按能量转换方式分:螺旋桨式、对称翼型立轴式、降落伞式和磁流式。螺旋桨式的螺旋桨安装在集流导管中,其转轴与海流方向平行。对称翼型立轴由对称翼型直叶片构成转轮,转轴垂直于海流方向,在正反向水流作用下总是朝一个方向旋转。降落伞式是由串联在链绳上的一组降落伞漂浮在海流中,顺着海流的伞张开,逆着海流的伞收拢以减少阻力。这三种方式都是由转轴带动发电机。磁流式海流发电却是另一种原理,它是利用海水中有大量的电离子的特点,将海流通过磁场产生感应电动势而发电。
2.4 海洋温差发电
利用热带和亚热带海洋表层和深层海水间存在的温度差来发电。海洋温差能十分稳定,无明显的昼夜变化,可开发量巨大,不需储能装置即可连续提供基本负荷所需的电力。
海洋温差发电采用郎肯循环(Rankine cycle)。可有闭式循环、开式循环和混合循环。闭式循环使用低沸点的中间介质。浅海高温海水由温海水泵抽吸,深海低温海水由冷海水泵抽吸。温海水泵和冷海水泵分别将不同温度的海水打入蒸发器和凝汽器,凝汽器→工质泵→蒸发器→汽轮机→凝汽器完成低沸点中间介质的闭式热力循环发电;开式循环使用水作中间介质,凝结水不返回循环中,温海水泵和冷海水泵分别将不同温度的海水打入闪蒸器和凝汽器,闪蒸器和凝汽器都是混合式热交换器,凝结水直接排至海中。闪蒸器产生的低饱和蒸汽进入汽轮机发电;混合循环基本与闭式循环相同,但闪蒸器中蒸发出来的低饱和蒸汽去加热低沸点工质,再进入汽轮机发电。
温差发电站分为陆基电站和漂浮电站。一般离岸5 km内水深达千米,温差达18℃的海岸,可建立陆基电站。深海冷水管是关键工程问题。漂浮电站向陆上送电又受送电经济距离的限制。
2.5 海水浓度发电
不同浓度的溶液之间存在着化学潜能,称为浓度差能。海水与淡(河)水之间的浓度差能,称为海水浓度差能。海水浓度差发电有渗透压法、浓淡电池法和蒸汽压差法。渗透压法利用浓度不同溶液之间的渗透压差发电,这种方法必须通过半透膜才能实现;浓淡电池法利用浓度不同溶液之间的电位差发电,这种方法必须用阴离子交换膜和阳离子交换膜才能实现;蒸汽压差法利用浓度不同溶液之间饱和蒸汽压的不同来发电。
3·地热能发电
利用高温地热资源进行发电称为地热发电。地球表层以下15~30m的范围内,其热源来自太阳辐射,温度随昼夜四季变化。到一定深度,其热源来自地球内部。岩石中存在着的放射性元素的衰变所释放的热量是地球内热的主要来源。随着深度的增加,温度增加。每深入地下100 m 地温的增加称为地热增温率,在15 km深处地热增温率平均为2℃/100m。由于人类钻井技术的限制,地热资源通常是指地壳上部10km以内所贮存的那部分资源。地热资源有蒸汽型地热资源、热水型地热资源、地压型地热资源和干热岩型地热资源。在现时条件下有经济上开发利用价值的地热相对富集区称为地热田。
3.1 地热发电装置
地热电站目前有两大类型。一类是利用地热蒸汽发电,一类是利用地热水发电。高温地热蒸汽发电系统简单,来自地热井的蒸汽经过井口分离装置分离掉蒸汽中的固体杂质,就可以进入汽轮发电机,排汽经冷凝后排掉。利用地热水发电又可分为两种基本类型。一种叫闪蒸地热发电系统(又称减压扩容法);另一种叫双循环式地热发电系统(又称中间介质法)。前者是以水作为工质来发电;后者则是通过地热水与低沸点工质的热交换,使之产生低沸点工质蒸汽去推动汽轮发电机。
地热电站的井口装置是地热电站的重要环节。地热井的套管将地下热流体引至地面。对于低温地热田,热储压力较低,需要人工引喷,就要有一系列配套装置,包括深井泵、配管系统、检测仪表。对于自流井系统就简单得多,井套管出口设有主阀门、膨胀补偿节、控制阀、分离器、安全阀和除石器等设备。
闪蒸地热发电系统中热水首先进入减压扩容器,使热水变为压力较低的蒸汽和水,蒸汽送至汽轮机做功。如果地热井口是湿蒸汽,则先进入汽水分离器,分离出来的汽送至汽轮机做功,分离出来的水再进入减压扩容器。
双循环式地热发电系统中,地热水进入蒸发器和预热器后就排掉。在蒸发器和预热器中低沸点工质加温汽化,进入汽轮机做功,冷却凝结后由工质泵打回预热器。
还有一种全流型地热发电系统,是使两相流的地热流体直接通过全流膨胀机,全流膨胀机拖动发动机发电,将70%以上的地热能转变为电能。这种系统还处于试验研究阶段。
3.2我国羊八井地热电站
羊八井地热电站位于西藏拉萨西北约90km,海拔4300m。是双级扩容闪蒸地热发电系统。热流体温度在150~160℃之间,总溶解固体量约2100mg/l。平均热焓650kJ/kg。羊八井第一地热电站由1×1MW+3×3MW机组构成,总容量10MW;羊八井第二地热电站由1×3.18MW+4×3MW机组构成,总容量15.18MW。
4·太阳能发电
太阳氢核聚变所释放的总功率高达3.8×1020 MW。地球接受太阳电磁辐射仅有二亿分之一。经大气反射和吸收后达到地面的只有40%,约8×1010MW。但能流密度较低,只有1kw/m2,而且受到昼夜、季节、地理纬度、海拔高度和晴阴云雨等随机因素的影响。太阳辐射能被物体吸收,转换方式主要有:光→热、光→电、光→化学和光→生物质等几种转换方式。
4.1 太阳能热发电
太阳能热发电是利用太阳的热能通过热机带动发动机发电。吸收太阳的热辐射能转换成热能的装置叫集热装置。集热装置的分类有:①平板型集热器结构简单,没有跟踪装置,工作温度在100℃以下,故转换效率在5 % 以下。②抛物面反射镜需要季节性调整其倾角,工作温度了达100~250℃。③柱状抛物面线聚焦装置利用单轴跟踪,工作温度可达200~300℃。④盘形抛物面点聚焦装置配用全跟踪系统,提供了最大可能聚焦度,工作温度达500~2000℃。⑤定日镜是将多块大型平板玻璃反射镜铺装在带有曲面的钢架上,钢架可俯仰运动,由微型电子计算机控制进行方位角和仰角的双轴跟踪。⑥塔式聚光集热装置是在很大面积的场地上安装了几千台定日镜,各台定日镜之间有一定距离,以免跟踪运动时造成阴影遮住阳光。各台定日镜各自的跟踪系统正确地将太阳光反射到一个高塔顶部的接收器上。聚光倍率超过1000倍。⑦分散式太阳能热发电是采用许多套小型集热装置,通过管道将热能汇集起来再进行热电转换。或者将各部分发出的电力汇集起来,联成系统,对外输出。这种分散式太阳能热发电系统又称为太阳能场(solar farm)。
在大功率太阳能发电装置上所用的汽轮机和发电机与常规火力发电厂所配用的完全一样;小功率太阳能发电装置上所用的热动力机需要每分钟几万转的情况下才有高的效率,古老的斯特林热气机使用于小功率太阳能发电装置上。另外,双螺杆膨胀机也在使用。
4.2 太阳能光发电
太阳能光发电是不通过热过程,而是直接将太阳能转换成电能。其分类有:①光伏发电是使用一种具有光伏效应的半导体器件将太阳光转换成电力输出。迄今为止,人们已经研究出100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太阳能电池(又称光伏电池)。宇航飞行器和人造卫星都是由太阳能电池获得电能。②光感应发电是利用某些有机高分子团吸收太阳的光能后变成光极化偶极子的现象。分别把积聚在感应偶极子两端的正负电荷引出,即得到光电流。③光化学发电是利用在电解质溶液中半导体产生的光电现象,形成电子空穴对,在两极间产生电流④光生物发电是利用像叶绿素这样生物细胞,在光的作用下产生生物电现象,又称叶绿素电池。
太空发电尚是一种设想。用太阳能发电卫星在太空中将太阳光能转换成电能,然后再转换成微波向地面发射。以现有的技术来实现这种设想是完全可能的,关键是太空电站的造价问题。
4.3 太阳池发电装置
太阳池是一个大型的盐水池。因为盐的密度较水的密度大,所以池内盐水溶液的浓度自上而下递增,形成一个浓度梯度和密度梯度。此外,由于盐水溶液和池底不断吸收太阳辐射能,致使盐水溶液的温度也自上而下递升。在一定的稳定条件下,由于浓度递增所造成的密度递增超过由于温度递升所造成的密度递增,即可有效地抑制池内盐水溶液的上下对流。这时,池水和池底所吸收的热量只能以传导和辐射两种方式向外散失。而水的导热性很差,并且对于长波的红外辐射几乎是不透明的。因此上层池水可以看作是保温层,把下层水的热量贮存起来。池底的水温反而稳定地超过池面的水温,其温差可达50~70℃。然后,使用低沸点有机液体产生蒸汽,配用低温差发电机组发电。目前,世界上已经建成的太阳池发电装置有5MW,到2000年发电能力可达1500MW以上。中国有丰富的盐湖和盐场,进行太阳池发电研究有广泛的前途。
4.4太阳能储能系统
由于太阳能的间断性和不稳定性,不能与能源需求很好匹配,必须解决能量的储存问题。热量的储存可有显热方式和潜热方式。显热储存可用卵石作为贮热介质,但只能作为低温储存;中、高温储存可用土壤进行跨季度贮热。还可利用地下含水层进行“夏灌冬用”和“冬灌夏用”来贮热和贮冷。潜热储存是利用固—液相变潜热,如无机盐水合物(例如Na2SO4·10H2O,CaCl2·6H2O),部分有机盐(例如石蜡)。在中高温条件下采用金属熔盐(例如NaNO3·NaOH及NaCl·NaNO3·Na2SO4)。正在研究中的化学储能,如CO2与CH4在850℃高温时吸热,经过催化剂反应生成CO与H2,需要时再将这些气体经催化剂逆反应生成CO2与CH4,同时放出650℃高温热能。太阳能制氢,再燃氢发电也是化学储能。
5·风能发电
风能本身也是从太阳能转化而来,由于太阳辐射使地球表面大气温度不一,从而产生空气的流动。 全球能利用的风能约为 2×1010 kw。中国风能资源约为 1.6×108 kw。全世界风力发电装机容量已经达到2652 MW。中国风能发电已有16.8 MW。
5.1风力发电机组
风能可以通过风力发电装置直接转换为电能。由于风能是随机性的,风力大小时刻变化,必须根据风力大小及时通过控制装置来实现风力发电机组的启动、调节(转速、电压、频率)、停机、故障保护(超速、振动、过负荷)。小容量风力机一般采用继电器、接触器及传感元件组成的控制装置;大容量风力机普遍采用微机保护。风力机的运行方式可以独立运行,也可并网运行。并网运行又可分为:①恒速恒频方式和②变速恒频方式。
风力发电机组的单机容量从几十瓦至几兆瓦。1MW以上为大型,100kw~1MW为中型,1kw~100w为小型,小于100w为微型。风力机是将风的动能转换为机械转动能的装置,其结构有水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机又可分为:单叶片式、双叶片式、三叶片式、多叶片式、帆叶式、上风向式和下风向式等;垂直轴风力机又可分为:S型、杯型、涡轮型、板翼直叶片式、车翼式、空气偏导器式、文丘里式等。
容量在10kw 以下的风力发电机采用永磁式或自励磁式交流发电机;10kw以上的普遍采用同步发电机,但在阵风时因输入功率有强烈的起伏,瞬态稳定性是严重问题。通常要采用变桨距风力机,使瞬态扭矩被限制在同步发电机的牵出扭矩之内。为了实现变速恒频的运行方式,目前使用了有“交流—直流—交流”变频系统(Cycloconverter),正在研制的还有被称为“变速同步发电机”磁场调制式发电机系统(参见《华东电力》97年第9期)、双馈异步发电机系统及滑差频率励磁感应发电机系统等。
5.2风力发电场
在风能资源良好的地区,将几十台、几百台或几千台单机容量从数十瓦至数百瓦的风力发电机组,按一定的阵列布局方式,成群安装而组成的风力发电机群体叫做风力发电场或风力田(wind farm)。弥补了风能能量密度低和不均匀的弱点。
建设风力发电场的要求是:年平均风速在6~7 m/s以上,风向稳定,有效风能密度在200 w/m2以上,还应考虑地形、地貌、障碍物(如山地、建筑物)、特殊恶劣气象发生频率等。风力机的阵列布局方式原则是按矩阵分布排列,沿盛行风向风力机前后距离约为风力机叶轮直径的10倍,风力机左右之间距离约为风力机叶轮直径的2倍。此外,还应考虑风力发电场所产生的噪声对附近居民的影响。
5.3风力发电储能
风力发电场最好与大电网并联运行,否则,应考虑储能系统。一般风力发电场的储能有:蓄电池储能、抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能和电解氢储能等。
5.4中国的风力发电
据统计,中国已经推广微型小风力发电机组12万台之多,总容量16.8MW。此外,在新疆、内蒙古、广东、浙江、福建、山东等省、区建立起13个风力发电试验场,安装大小风力机组106台,总装机容量14.6MW。
6·生物质能发电
绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量称为生物质能。常见的有薪柴、秸杆、杂草、工业有机废水废物厌氧发酵产生的沼气,
6.1垃圾电站
利用垃圾焚烧取得热量而发电的称为垃圾电站。垃圾电站一般建在城市的郊区,可直接利用城市居民的生活垃圾。垃圾焚烧炉有水冷壁焚烧炉、半悬浮式水冷壁焚烧炉、直接焚烧炉、回转焚烧炉和低焰焚烧炉。垃圾燃烧过程一般不加助燃材料,靠自身燃烧,所以要控制燃烧强度的稳定性。垃圾电站有如下的优点:①垃圾焚烧时,炉内温度一般为900℃,炉心最高温度为1100℃。经过焚烧,垃圾中的病原菌彻底杀灭,从而达到无害化的目的。②垃圾焚烧后,灰渣只占原体积的5%,从而达到减量化的目的。③垃圾焚烧之后,纸张、塑料和其他有机废物被完全去除,回收金属和玻璃比较容易。④垃圾焚烧发电,可补充电能的不足,有明显的节能效益。垃圾发电的关键问题是垃圾的质量和数量随季节的不同而发生变化,垃圾的筛选和分离,垃圾焚烧的有害排放等。垃圾气化燃烧技术正处于研究过程中。
6.2沼气电站
沼气具有热值21000~25000J/m3,辛烷值可达到125~130,1m3沼气可发电1.2~1.8kwh。沼气电站可分为纯沼气电站和沼气-柴油混烧电站。沼气池(或称消化池)产生的沼气经气水分离、脱硫化氢(脱二氧化碳)等净化后,由贮气柜送至稳压箱稳压后供给沼气发动机,从而驱动发电机发电。沼气发动机一般为往复式内燃机。配套的发电机可以是同步发电机或是感应发电机。中国已经研制出0.5~250kw不同容量的沼气发动机组。已建成沼气电站115座,总装机容量2342kw,年发电3010Mwh。
6.3木煤气电站
木煤气电站是利用生物质经热解、氧化、还原反应产生以一氧化碳为主的可燃混合气,作为内燃机燃料驱动发电机发电。其工艺系统大体分为煤气发生炉(气化炉)、滤清冷却装置、煤气发动机、发电机和控制系统。生物质一般使用木材、树枝、锯屑、秸杆、谷壳、果壳等。生物质气化装置可分为①流态床,床面放有传热介质,常用细砂加热至上千度,生物质燃料粉末喷入燃烧。②移动床:将燃料置于移动的床面上,连续送料,连续燃烧。③固定床自下而上为灰仓、炉栅、燃烧区、还原区、解热区和干馏区。
6.4薪柴电站
薪柴电站以薪柴为燃料。薪柴发电有两种途径:一是通过薪柴气化驱动煤气机发电机组发电;另一种是薪柴在锅炉中燃烧,产生一定压力的蒸汽,推动汽轮机组发电。在林木资源和薪柴资源丰富的地区可充分利用附近的林木废料、碎料、薪柴林等可再生的生物质资源建立以薪柴为燃料的薪柴电站,就近使用,是值得提倡的。
6.5砻糠发电
砻糠是稻谷加工大米的副产品,来源丰富。砻糠发电是将砻糠直接在专用锅炉中燃烧,产生的蒸汽推动汽轮发电机发电。也可将砻糠作为煤气发生炉的燃料,产生煤气驱动内燃机发电。糠灰可供钢厂再利用。发电成本较低。
我国对砻糠发电有30~40年专门研究,引起了联合国粮农组织的重视,组织了一个包括中国在内的考察团,在我国考察砻糠发电的经验,并且拨出专款在我国江苏省昆山县创建了国际砻糠发电培训中心。
7·新能源联合发电系统
各种能源发电中,有的资源丰富,但受气候和地理条件的影响,来源不稳定;有的本身是廉价或无偿的,但转换成电能成本较高价格较贵。依据各种能源的特点,包括稳定和不稳定的,丰富的和不足的,普遍的和区域性的,价昂的和便宜的,在经济上和技术上进行互补,各自发挥其优势,又互相弥补其不足。这就是新能源联合发电系统的优点。
联合发电形式之一,在较高纬度地区冬季太阳辐射弱而风力强,夏季太阳辐射强而风力弱,这就可以风力发电和太阳能发电都输入到同一个贮能装置;北方地区小水电全年利用率很低,枯水期可利用风能和太阳能进行抽水蓄能,提高小水库的作用;风能和太阳能还可为沼气池提供搅拌动力和保温热量,以提高产气率。
联合发电形式之二,有些新能源不一定需要直接用于发电,可以作为另一种能源的前一级转换。叫做“梯级转换”或“接力转换”。如沿海地区波浪和风力都很不稳定,可以先利用风力发电和波浪发电,用抽水蓄能将电能转换为水库的位能,然后再进行小型水力发电。
联合发电形式之三,新能源与常规能源组成联合发电系统。如风力发电机组与柴油发电机组并联运行;太阳能为火电厂锅炉进行给水预热;沼气与柴油并用进行内燃机发电。
联合发电形式之四,从全能系统的观点来看,根据各种能的性质和特点,以其有效的能量输出形式,并按其不同的能级分别加以利用,组成联合系统,老提高系统的总效率。