新能源发电技术在电力系统中的应用

徐斯为

摘 要：随着工业化进程的加快，电力需求飞速增长。传统的发电技术不仅无法满足日益增长的电力需求，还会产生能源消耗与环境污染问题。在可持续发展理念的背景下，开发与利用具有可再生清洁特点的新能源成为主要发展趋势。在电力系统中应用新能源发电技术，对低碳经济、减少环境污染等具有积极作用。基于此，主要针对风能、太阳能、地热能以及生物质能4种新能源发电技术在电力系统中的应用情况进行概述，对促进电力行业的可持续发展具有重要意义。

关键词：新能源;发电技术;电力系统

中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：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

新能源作为一种可再生的清洁能源，具有储量大的特点。当前可开发和利用的新能源有风能、太阳能、地热能和生物質能4种。新能源发电是电力网络中一种重要的发电方式。基于低碳经济的发展背景，新能源发电技术的应用与发展对保障能源安全和建设友好型社会具有一定的推动作用。以湖南省为例，截至2020年10月，可再生新能源发电装机达到7.191×106 kW，约占全部电力装机的19.31%。其中，风电装机5.119×106 kW，光伏发电装机1.569×106 kW，生物质能装机2.670×105 kW，其他装机2.36×105 kW，清洁能源发电量同比增长50%[1]。由此可见，新能源发电技术的替代作用在不断增强。

2 新能源发电技术类型

新能源发电技术是指通过现有的技术手段，将可再生能源转化为电能的过程。下面主要对风能、太阳能、地热能和生物质能4种类型的新能源发电技术进行概述。

2.1 风能

风能是可再生清洁能源中最主要的一种，具有储量大和分布广的特点。此外，风能极为常见，为资源的利用创造了良好的条件。加强风能资源的利用，有助于发展国民经济和实现环境保护。

2.2 太阳能

与其他新能源相比，太阳能的获取与利用相对比较便捷与稳定，且资源丰富，是当前应用最广泛的清洁能源，具有污染较低、容易获取等优点，在发展方面获得了政府的大力支持[2]。

2.3 地热能

地热能主要是从地球内部抽取的天然热能，是一种新的可再生清洁能源。在环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的背景下，合理开发和利用地热资源显得愈加重要。近年来，我国在地热资源应用方面越来越普遍，如在地热发电、供暖与空调制冷、温室农业以及温泉旅游等方面都取得了一定成果。

2.4 生物质能

生物质能是一种可再生的清洁能源，也是唯一一个可再生的碳源，是世界第四大能源，在整个能源系统中占有重要地位。开发和利用生物质能对促进国民经济发展和加强环境保护具有重大意义，因此，我国非常重视和支持生物质能的开发和利用，力求有效提升生物质能的利用效率。

3 新能源发电技术及其应用

3.1 风能发电技术

风能发电技术主要是通过风能资源转化为相应的机械能，带动内部发电机转动，再借助于风力发电机最终将风能转化为电能。目前，这项技术已成为我国新兴产业之一[3]。

3.1.1 设备组成及功能。风力发电的发电装置主要由发电机、风轮和塔筒3个部分组成。风轮和塔筒是发电装置的核心构件。其中，风轮主要包括叶片和变桨系统等。叶片一般是由质量小、强度高、不易断裂的复合材料制造，是将风能转化为机械能的重要部件。塔筒是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要发挥支撑作用。发电装置通过相对应的电网部分，将风能转化为电能，进而产生经济效益。同时，风力发电中还包含了限速安全机构、尾翼以及蓄电池等结构。所有设备共同发挥作用，才能将风能高效转化为可利用的电能。

3.1.2 风机控制技术。风能发电技术是一种重要的并网技术，主要借助并网发电机，如双馈机、双速异步机以及变速异步发电机等实现并网发电。为了发挥风机并网的最大作用，在新的并网技术中引入模糊控制技术，以高效保证风机并网的转速和功率。同时，利用神经网络调整控制叶片桨距，大大提升了风机并网在电力系统中的作用，提升了整体供配电质量。

3.1.3 无功电压控制技术。为了确保风电场的运行效益，在风电场内配置了SVC或者其他无功补偿装置。借助无功补偿设备，系统能够实现实时的动态补偿，达到良好的无功电压控制。此外，可以减少因输送功率不稳等问题而引发的系统振荡情况，优化电力系统的电力输送环境。

3.1.4 应用前景。风能发电有其他新能源发电方式无可比拟的优势，如清洁无污染、效益好以及适应范围广等。目前，湖南省风电装机量已达5.119×106 kW，占新能源总体装机量的71.19%，装机比例大。但是，风能发电也存在缺点，如成本较高、噪声大以及风力资源不稳定、不可靠等，在一定程度上影响了风能的发电效益。

3.2 光伏发电技术

随着太阳能资源的开发和利用，光伏发电技术也被广泛应用。通过特定的装置（如太阳能板）将太阳能转化为电能，是最常见的太阳能发电形式。

3.2.1 光电效应。光电效应是光伏发电技术中最重要的部分。当相关的物质被特定电磁波长期照射时，在电磁波的作用下，内部的电子会被激发，PN结构会出现光电效应。

3.2.2 电池组。电池组是光伏发电系统中不可缺少的部分，发挥着关键作用，决定了整个系统工作的效率和效果。太阳能电池组的类型较多，目前，电池组类型有晶硅电池、硅基薄膜光伏电池、化合物薄膜电池以及聚光光伏电池等。晶硅电池转换效率高、成本低，有单晶电池和多晶电池之分;硅基薄膜光伏电池工作效率较低;化合物薄膜电池污染严重，危害人体健康;聚光光伏电池在应用过程中需配备相应的散热器与聚光系统，应用成本相对较高。为确保电池组选用的科学性，应结合光伏发电系统运行要求合理选择。

3.2.3 调压技术。光伏电站运行时，它的末端电源点电站容易受到电压的影响。由于电站的整体调压能力不强，需要借助静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）进行调节。SVG调压技术主要有恒功率因数模式和恒电压模式。通常情况下，恒功率因数模式主要负责控制日常运行，并根据电压的动态变化调整无功变化。但是，当系统电压高于额定电压的10%时，恒功率因数模式很难达到调控电压的目的，此时需要采用恒电压模式。

3.2.4 应用前景。随着用电量需求的不断增加，光伏发电技术的持续开发成为必然的发展趋势。但是，当前我国太阳能的实际应用成本较高，效率普遍较低。为有效解决这个问题，必须提升太阳能的转换效率，建立全面的、系统的太阳能发电、运输电网，以实现光伏发电的大面积应用。

3.3 地热发电技术

地热发电技术主要是利用现有的综合技术，通过汽轮机将地热能转化为电能，能有效摆脱能源紧缺困境和解决环境污染问题。目前，常用的地热资源有干蒸汽、地热水等，其应用的发电技术主要有背压发电、凝汽发电以及闪蒸发电等。不同的地热资源可利用的热力系统不同，具体如表1所示。

3.3.1 背压发电技术。该技术主要在蒸汽井中引出干蒸汽，去除杂质后将纯净蒸汽引入汽轮发电机，在蒸汽作用下产生电能。该方式发电较为简单，投资成本较低。该发电方式的发电效率较低，因此比较适用于压力和温度较高的干蒸汽田，即地热蒸汽中不凝结气体含量多的场合。

3.3.2 凝汽发电技术。该发电技术一般应用于干蒸汽地热田，主要是将地热蒸汽引入蒸汽净化器并进行过滤，去除杂质后再将纯净蒸汽引入汽轮发电机，随后不凝结气体聚集在凝汽器中，利用抽气器排除凝汽器中的空气使凝汽器呈真空状态。与背压发电技术相比，凝汽发电技术使用凝汽器，显著提高了电站的发电效率。

3.3.3 闪蒸发电技术。它主要是将地热水从地热井中引出，并送到闪蒸器中做降压闪蒸（或称扩容）处理，使其产生一定量的蒸汽，再将蒸汽引到汽轮机做功发电[4]。从汽轮机中排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成凝结水送到冷却塔中，剩下一部分分离器中的含盐水流入地下或通过闪蒸分离器引入，用于第二级低压闪蒸，分离出低压蒸汽，引起汽轮机中部某一级中膨胀做功。要求发电设备对地下热水的温度、矿化度以及不凝结气体含量等有较高的适应性。

3.3.4 应用前景。我国地热资源主要分布于西藏、四川等地，地热资源较为丰富。近年来，为加强能源体系建设，优化能源消费结构，地热发电受到重视，政府出台了一系列政策，为地热发电技术的发展指明了方向。截至2020年，我国浅层地热能利用达5 000 MW·h，地热（温泉）直接利用4 000 MW·h，具有广阔的发展前景。

3.4 生物质发电技术

生物质发电技术通过对绿色植物光合作用的应用，将生物质转化为可燃气，再利用燃气发电设备进行发电，具有分布广、污染低、种类多以及清洁度高等优点。它在发电系统中的应用主要包括直接燃烧发电、气化发电以及沼气发电等。

3.4.1 直接燃烧发电技术。它主要是生物质直接在生物质电站锅炉燃烧，产生的热蒸汽在汽轮机的作用下转换成机械能和电能。发电系统由汽轮机、生物质直燃锅炉、给料系统、上料系统、除尘以及除渣装置等构成。其中，生物质直燃锅炉的热效率至关重要，直接影响发电效率。

3.4.2 气化发电技术。它主要是将生物质转化为可燃气体，可燃气体燃烧所产生的热能在发电设备的作用下，将生物质转化为电能。发电系统主要由生物质、气化炉、燃气净化器以及内燃机发电机等组成。工艺流程如下：生物质原料（加工处理后）→进料设备→气化炉。一般会出现两种情况：①生物质燃烧完全，即气化炉→冷却系统和净化装置→汽轮机和内燃机→发电;②生物质燃烧未完全，即气化炉→气化气体回收预热→冷却系统和净化装置→汽轮机和内燃机→发电。与传统的火电直燃发电技术相比，气化发电技术更加清洁、高效、可靠，应用更广泛。

3.4.3 沼气发电技术。该技术具有高效、节能、安全和环保等优点。它主要利用大量有机废弃物，如禽畜粪、城市垃圾和污水等，通过厌氧发酵技术处理后产生沼气，并将沼气用于电能转换。具体工艺流程如图1所示。使用该技术不仅能解决产生的大量废弃物等问题，还能产生热能和电能，符合当前的环保发展理念。

3.4.4 应用前景。我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，因此加强生物质能源的开发和利用是新能源开发的必然趋势[5]。为推动生物质发电技术的发展，我国先后核准批复了生物质发电示范项目，并颁布了相关法律法规等，同时加大可再生能源的技术研发资金支持，大力建设完善的设备制造及检测认证等产业服务体系。

4 結语

随着我国电力需求量的增加，资源的消耗量越来越大，导致资源与环境之间的矛盾突出。在此背景下，为有效解决资源短缺及环境污染问题，实现资源可持续发展的目标，需要加强新能源发电技术在电力系统中应用的研究，促进电力企业实现现代化发展。

参考文献：

[1]牛微，李珊珊.我国新能源发电技术应用现状及发展[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2015（4）：28-30.

[2]郑雷涛，尹柳.特色专业建设中新能源发电技术的应用分析[J].通讯世界，2017（17）：218-219.

[3]赵晋京.新能源发电技术在电力系统中的有效应用[J].电子技术与软件工程，2019（22）：235-236.

[4]田蓬勃.新能源发电技术在电力系统中的应用效果研究[J].中国设备工程，2018（22）：214-215.

[5]王浩炯.浅析新能源发电技术的现状及其展望[J].魅力中国，2017（22）：243-244.