我国新能源形式分析及关键技术.docx

1、我国新能源形式分析及关键技术课 程 设 计 报 告题目：我国新能源形式分析及关键技术学 院：专业名称：学生姓名：班 级：指导教师：时 间：课程设计任务书一、设计内容1、了解新能源的种类、原理及特点；2、结合我国能源现状、对新能源在我国的发展特点及方向进行分析；3、选取其中一种新能源形式（比如：太阳能），对其关键技术进行研究；二、主要技术指标1、新能源现状及发展趋势；2、新能源关键问题及解决方法；三、进度要求2012.09.032012.09.05 查阅资料；2012.09.062012.09.07 对新能源相关材料进行总结；2012.09.082012.09.11 选择一种新能源，就其关键问题

2、进行研究；2012.09.122012.09.14 撰写报告；学 生指导教师我国新能源形式分析及关键技术摘要我国新能源资源储量丰富。积极发展新能源发电，是我国调整能源结构、保护环境、应对气候变化、转变经济发展方式和实现可持续发展的战略选择。在当前情况下,我国的新能源产业具有多样性和可持续性,在国家日渐加大研究和应用的投入鼓励下,新能源产业具有很大的潜力。在可再生能源中,太阳能取之不尽,清洁安全,是理想的可再生能源。我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。此外，目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展的可再生能源技术之一。本文阐述了我国新能源发展情况以及

3、新能源发电的相关技术并主要介绍了光伏发电技术的相关概念，综述了该领域的主要研究内容和应用现状，并对光伏发电产业的未来发展趋势进行分析。关键词: 新能源;发电;风能发电,；太阳能光伏发电;发展；前景。目录摘要 1一新能源 21.1 什么是新能源 21.2 新能源的特点 21.3 新能源对电力系统的影响 31.4 新能源发电的原则1 31.5 我国的新能源的开发形式和开发现状 41.6 我国新能源发电的发展思路 51.7 我国新能源开发面临的问题： 7二光伏发电 82.1 光伏发电原理 82.2 光伏发电系统 92.3 太阳能电池技术 102.4 光伏阵列最大功率点跟踪 102.5 太阳能光伏发电

4、技术的应用 122.5.1 独立光伏发电系统 122.5.2 并网光伏发电系统 122.5.3 混合光伏发电系统 122.5.4 光伏建筑一体化 132.5.5 光伏发电与LED( Lght Emitter Diode) 照明的结合 132.6 国内外光伏发电技术现状概览 132.6.1 国外光伏发电技术研究热点6 132.6.2 我国光伏发电技术进展 152.6.3 中国光伏技术前景 16参考文献 17一新能源1.1 什么是新能源1980年联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再

5、生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能和氢能和核能。而已经广泛利用的石油、天然气、水能、等能源，称为常规能源。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出,以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。1.2 新能源的特点新能源资源与能源需求呈逆向分布，新能源发电大规模发展电力需要长距离输送。风能资源丰富地区除东部沿海以外，主要集中在内蒙古、新疆和甘肃河西走廊以及华北北部，太阳能资源丰富地区主要集中在西藏、新疆南部以及青海、甘肃和内蒙古的西部，而我国75%以上的能源需求集中在东部和中部地区，新能源资源与能源需求逆向性分布明显。新能源资源属于

6、地域性自然资源，本身无法直接输送，必须转化为电能才能实现大规模利用。当前我国新能源资源密集地区用电负荷较少，就地消纳困难，必须通过电网长距离输送至东中部负荷中心。新能源资源具有分散性的特点。由于能流密度低，分布到单位面积上的能量较少，风电、太阳能电站占用的空间较大。新能源发电出力具有随机性、间歇性、波动性等特点。出力受季节、气候、地球自转等因素影响。1.3 新能源对电力系统的影响 如果新能源的发电特点未能得到重视并妥善解决，将给电力系统带来诸多影响。（1）对电网安全稳定运行带来影响新能源发电的大规模并网，客观上改变了瞬时平衡的电力系统的电力供应模式，给电力系统的安全稳定运行带来了一定的影响。（

7、2 ）对系统调度管理提出更高要求新能源发电特性决定了对其出力进行精确预测的难度很大，因此新能源发电大规模并网对电力系统发电调节的手段及能力提出了更高要求，对电力系统生产计划编制和调度运行安排提出了更高的要求，需要加强储能、调峰、调频以及电力系统智能化建设。（3 ）对电力系统经济运行带来影响新能源发电出力的不确定性加大了实现系统经济调度的难度，降低了电力设备的可用率，增加了电力系统的供电成本。同时，为确保供电稳定性和电能质量，系统对辅助服务的需求增加，例如需要火电机组等进行深度调峰，影响了其单位能耗指标。(4)对配电网产生一定影响分散式新能源发电容量较小，一般接入配电网或者离网、微网应用。分散式

8、新能源发电的接入，使得潮流不再单向由电源流向用户侧，增大了配电系统的复杂性和不确定性1。1.4 新能源发电的原则1新能源发电发展要以科学发展为主题，以加快转变电力发展方式为主线，以保障安全、优化结构、节能减排、促进和谐为重点，努力构建安全、经济、绿色、和谐的现代电力工业体系，为实现2020年我国非化石能源在一次能源消费中比重达到15%左右和单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降4045%的目标做出应有贡献。在发展过程中要坚持以下原则。（1）安全性原则安全性主要体现在新能源发电与常规能源发电的装机能够满足系统负荷需求并留有合理备用，各类电源的出力能够互相调剂、时刻满足负荷需求并及时跟踪负荷变化

9、，确保整个电力系统的安全、稳定、可靠运行。（2 ）鼓励性原则新能源发电具有清洁、可再生等优势，在满足电力系统安全运行的前提下，要鼓励发展新能源发电，减少电力行业的化石能源消耗及二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等的排放，促进电力工业的绿色发展，为节能减排做出应有的贡献。（3）经济性原则各种类型新能源发电在发电成本、出力曲线、对电力系统影响等方面具有各自不同的特性。坚持经济性原则，就是要在新能源发电发展总量目标的指导下，深入研究风电、太阳能等不同新能源发电形式的技术经济特性，以全系统成本最低为原则，全面优化新能源发电结构比重和区域布局。（4）协调性原则新能源发电一方面要加强与其他常规电源发展的相互协调

10、，提高系统调节能力，保障电量的充分消纳。另一方面要加强与电网建设的相互协调，同步建成电源送出工程，加强跨区联网，加快构建坚强智能电网。1.5 我国的新能源的开发形式和开发现状我国新能源资源储量丰富。风能资源方面 根据中国气象局第四次风能资源普查结果，我国离地50m高度陆地上风能资源潜在开发量为23.8亿kw,近海525m水深范围内风能资源潜在开发量约为2亿kw,“三北”地区（华北、东北和西北）以及东南沿海地区、沿海岛屿潜在风能资源开发量约占全国的80%,我国规划了八个千万千瓦级的风电基地。太阳能资源方面19712000年我国陆地表面年均接受太阳总辐射量相当于1.7万亿tce，太阳能总辐射资源总

11、体上西部大于东部、高原大于平原、内陆大于沿海、干燥区大于湿润区，直接辐射年总量的空间分布特征与总辐射基本一致，内蒙古西部、青海中部、西藏西南部是直接辐射资源最丰富地区。生物质能方面 我国生物质原料资源年产出8.99亿tce，其中有机废弃物年产出4.74亿t,边际性土地年产出4.25亿t。地热能方面 我国地热可采储量约4626 亿tce，占全球总量的7.9%，我国地热能发电开发潜力582万kw 。海洋能方面 我国波浪能资源量为1285万kW,潮汐能资源量为1.1亿kw，潮流能资源量为1.4亿kw，温差能资源量可达13.2亿14.8亿kw。在党中央、国务院的正确领导下，经过电力行业及其制造行业的不

12、懈努力，近年来我国新能源发电发展取得了令人瞩目的成就。根据中电联快报数据和初步分析，截至2011年底，全国并网新能源发电装机容量达到5159万kw，占总装机容量的4.89%，其中，并网风电4505.11万kw，约占并网新能源发电装机的87.33%；并网太阳能光伏装机214.30万kW,约占4.15%;并网生物质发电装机436.39kw，约占8.46%；地热能发电装机2.42万kw，海洋能发电装机0.6万kW。2011年我国并网新能源发电量933.55亿kwh，约占总发电量的2%，节约标煤2885万t，相当于减排二氧化碳8020万t,二氧化硫62万t、氮氧化物27万t,其中,并网风电发电量为73

13、1.74亿kwh,约占并网新能源发电量的78.38%;并网太阳能发电量9.14亿kwh，约占0.98%；生物能发电量191.21亿kwh，约占20.48%；地热能、海洋能发电量1.46 亿kwh，约占0.16%。我国新能源的快速发展主要得益于支持发展的法律法规和政策不断完善、发电技术不断进步、标准建设工作不断取得进展、检测和认证体系初步建立等4。1.6 我国新能源发电的发展思路按照上述指导思想与基本原则，着眼未来十年和长远发展战略，统筹常规发电和新能源发电的资源禀赋特征以及电网消纳能力，兼顾电力供需平衡、电力系统安全、非化石能源比重等要求，并以电力系统总成本最低为目标，提出了我国新能源发电发展

14、的思路。（1）积极有序发展风电我国风电开发要实现大中小、分散与集中、陆地与海上开发相结合的原则。首先，有序建设八大千万千瓦级风电基地。其次，积极推进内陆分散风能资源的利用。鼓励内陆丘陵、河谷等风能资源相对丰富的地区，发挥距离电力负荷近、电网接入条件好的优势，因地制宜建设中小型风电项目。在偏远地区，因地制宜发展离网风电。第三，因地制宜稳妥开展海上风电项目。在充分进行海上资源评价、地质勘察等准备工作后，通过示范项目的建设和运行，总结海上风电开发经验，推动海上风电技术和装备进步，有步骤有计划地在山东、江苏、上海等沿海省市拓展海上风电建设工作。通过风电开发和建设，促进风电技术进步和产业发展，实现风电设

15、备制造自主化，尽快使风电具有市场竞争力，力争2020年我国风电技术达到世界领先水平。（2）促进发展太阳能光伏发电，示范推进太阳能热发电太阳能光伏发电按照“大规模集中开发、中高压输送”与“分散开发、低电压就地消纳”并举的思路发展。在甘肃敦煌、青海柴达木盆地和西藏等地区建设大型并网型太阳能光伏电站项目；重点在北京、上海、江苏、广东、山东等地区开展城市建筑屋顶光伏发电；发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，在西藏、青海、内蒙古、新疆、宁夏、甘肃、云南等偏远地区推广使用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决无电人口的供电问题。太阳能热发电按照“示范推进”的思路发展。在内蒙古、甘肃、青海、新疆、西藏等

16、地选择荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地，建设太阳能热发电示范项目。（3）因地制宜发展生物质能发电有序发展农林生物质发电 在桔秆剩余物资源较多、人均耕地面积较大的粮棉主产区，有序发展秸秆生物质直燃发电；在重点林区和林产品加工集中地区，结合林业生态建设，利用林业三剩物和林产品加工剩余物，有序发展林业生物质直燃发电；在“三北”地区，结合防沙治沙生态环境建设，建设灌木林种植基地，有序发展沙生灌木平茬剩余物直燃发电项目；在甘蔗种植主产区和蔗糖加工集中区，有序发展蔗渣直燃发电。合理发展垃圾发电 在人口密集、土地资源紧张的中东部地区城市，合理发展生活垃圾焚烧发电项目。在西部地区对采取垃圾填埋方式处理垃圾的城市建设

17、填埋场沼气发电项目。大力推动垃圾发电关键设备和清洁燃烧技术进步。积极发展生物质燃气发电 在农村生物质资源比较丰富、人口密集的乡镇，发展分布式生物质燃气发电；依托大型畜禽养殖场，结合污染治理，支持建设大型畜禽养殖废弃物沼气发电项目；积极推动造纸、酿酒、印染、皮革等工业有机废水和城市生活污水处理沼气发电。（4）试点研究地热能和海洋能发电我国的地热发电已经具有一定的技术基础和能源补贴种类，系统地对消费端、生产端补贴量进行估算；二是建立符合我国国情的能源补贴合理性判据；三是尝试评估改革能源补贴机制的影响，尤其是结合能源定价机制改革，进一步提出完善补贴机制的建议，以助我国运用财税政策理顺能源价格、优化能

18、源结构。1.7 我国新能源开发面临的问题：能源供给与能源需求矛盾突出我国人口众多，人均化石能源资源拥有量较低，煤炭人均拥有量仅相当于世界平均水平的1/2 ，石油、天然气人均拥有量仅为世界平均水平的1/15左右，化石能源形势较世界其他国家更为严峻。同时，我国尚处于发展中国家，人均能源消费量很小，与发达国家相差甚远，能源需求增长空间较大，随着我国全面建设小康社会的推进、工业化程度提高及人民生活不断改善，能源需求将持续增长。积极发展新能源发电，节约和替代部分化石能源，有利于保障我国能源供应，促进能源结构的调整。生态环境保护压力日趋加大我国火电用煤占煤炭总消费量的50%以上，这种能源消费结构对环境造成

19、了严重的影响。目前面临的能源环境问题极为严峻:（1）燃煤产生的二氧化硫导致了严重的酸雨发生，我国的酸雨发生面积在逐渐扩大；（2）燃煤排放大量二氧化碳带来全球气候变暖。开发利用新能源、走绿色发展道路已经成为我国电力工业发展的必由之路。在众多新能源中，太阳能在我国的应用尤为突出，在太阳能方面，中国目前是世界上生产真空管太阳能热水器最多的国家，我们一年大概生产能力超过一千八百万平方米。在太阳能发电方面，我国已成为世界上最大生产光伏电池的国家。太阳能光伏发已电成为了我国新能源开发利用方面的关键技术。太阳能光伏发电技术是集半导体材料、电力电子技术、现代控制技术、蓄电池技术及电力工程技术于一体的综合性技术

20、。二光伏发电2.1 光伏发电原理“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839年，法国科学家贝克勒尔（A.E.Becqurel）首先发现了“光生伏打效应(Photovoltaic Effect)”。然而，第一个实用单晶硅光伏电池(Solar Cell)直到一个多世纪后的1954年才在美国贝尔实验室研制成功。20世纪70年代中后期开始，光伏电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。光伏发电原理如图1所示。PN结两侧因多数载流子（N区中的电子和P区中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但

21、它对两边的少数载流子（N区中的空穴和P区中的电子）却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，如图1a、b 所示2-4，光伏电池受到太阳光子的冲击，在光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即N区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子）可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在光伏电池中的PN结中产生光生电场Epv，当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。2.2 光伏发电系统光伏发电系统是由

22、光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。图2是一个典型光伏发电系统的构成图。光伏发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统（Stand-Alone PV System）和并网光伏发电系统（Grid-Connected PV System）。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的边远地区或作为野外移动式便携电源，其建设的主要目的是解决无电问题。由于太阳能发电的特点是白天发电，而负荷用电特性往往是全天候的，因此在独立光

23、伏发电系统中储能元件必不可少。一般而言，系统在白天把太阳光转化为电能，通过充电器和蓄电池将电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能释放出来适当使用。尽管其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，但对地处边远地区的居民而言，他们往往没有条件连接入公共电网，用电设备也多为低功率级别，独立光伏发电系统因而成为当地安全、可靠的电力供给方式。并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏电池所发的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送入电力系统。控制器一般由单片机或数字

24、信号处理芯片作为核心器件构成，用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成，以脉宽调制方式形成所需电量形式向电网送电。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角色。因此并网系统不需要额外的蓄电池，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电稳定性。光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统，成为光伏发电的最合理发展方向。2.3 太阳能电池技术光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件, 它的大规模应用需要解决两大难题: 一是提高光电转换效率; 二是降低生产成本。

25、以硅片为基础的第一代光伏电池, 其技术虽已经发展成熟,但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中, 很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上, 大大减少了半导体材料的消耗, 且易于批量自动化生产, 从而大大降低光伏电池的成本。国际上已经开发出电池效率在15%以上、组件效率10%以上和系统效率8%以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。继晶体硅和薄膜电池之后, 一些新概念、新结构的电池, 通过减少非光能耗,增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻, 使得光伏转换效率的上限有望获得新的提升。目前许多研究人员把目光投向了以先进薄膜制造技术为基础的,理论极限光电转换效率最高可达93%的第三代

26、太阳能电池,主要有量子点、多层多结、染料敏化太阳能电池、有机聚合物电池、纳米结构电池等,这些新型太阳能电池目前正围绕提高光电转换光电效率和降低生产成本两大目标展开研发。2.4 光伏阵列最大功率点跟踪光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（Maximum Power Point，MPP）。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时检测光伏阵

27、列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况，调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT），相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。光伏阵列电压、电流的输出特性如图3所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同太阳辐照度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。当太阳辐照度发生变化，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A点，这样就偏离了相应太阳辐照度下的最大功

28、率点。为了继续追踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果太阳辐照度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2变至曲线1，则相应的工作点由B点变化至B点，应当相应地减小负载2至负载1以保证系统在太阳辐照度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。目前，除了采用恒电压跟踪（CVT）方法来近似等效MPPT方法外，常见的MPPT方法还包括干扰观测法（Perturb and Observe）、电导增量法（Incremental Conductance）和模糊逻辑法（FuzzyLogic Method）等。2.5 太阳能光伏发电技术的应用太阳能光伏发电的应用方

29、式有多种, 包括独立、并网、混合光伏发电系统, 光伏与建筑集成系统以及大规模光伏电站领域; 在偏远农村电气化、荒漠、军事、通信及野外检测等领域得到广泛应用, 并且随着技术的发展, 其应用领域还在不断地延伸和发展。2.5.1 独立光伏发电系统独立光伏发电系统是不与公共电网系统相连而孤立运行的发电系统, 通常建设在远离电网的边远地区或作为野外移动式便携电源, 比如公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、边防哨所、移动通讯基站等等。由于太阳能发电的特点是白天发电, 而负荷用电特性往往是全天候的, 因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少。尽管其供电可靠性受气象环境等因素影响很大, 供电稳定性也相对较差,

30、但它是边远无电地区居民和社会用电问题的重要方式。2.5.2 并网光伏发电系统并网光伏发电系统与公共电网相联接, 共同承担供电任务。光伏电池阵列所发的直流电经逆变器变换成与电网相同频率的交流电, 以电压源或电流源的方式送入电力系统。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角色。因此并网系统不需要额外的蓄电池, 降低了系统运行成本, 提高了系统运行和供电稳定性, 并且光伏并网系统的电能转换效率大大高于独立系统, 它是当今世界太阳能光伏发电技术的最合理发展方向。2.5.3 混合光伏发电系统混合光伏发电系统是将一种或几种发电方式同时引入光伏发电系统中,联合向负载供电的系统。其目的是为了综合利

31、用各种发电技术的优点, 避免各自的缺点。如光伏系统的优点是维护少, 缺点是电能输出依赖于天气、不稳定。在冬天日照差,但风力大的地区,采用光伏、风力混合发电系统,可以减少对天气的依赖性, 降低负载缺电率。2.5.4 光伏建筑一体化 光伏发电与建筑物集成化( Building integratedPV, BIPV) 的概念在1991年被正式提出, 是目前世界上大规模利用光伏发电的研发热点。光伏与建筑相结合主要有两种形式:一种是在建筑物屋顶安装平板光伏器什,光伏阵列与电网并联向用户供电,形成用户联网光伏系统。第二种形式是将光伏器件与建筑集成化, 在屋顶安装光伏电池板, 用光伏发电的玻璃幕墙代替普通的

32、玻璃幕墙,由屋顶和墙面的光伏器件直接吸收太阳能,这样既可以做建材又可以发电,进一步降低光伏发电的成本。目前已研制出大尺度的彩色光伏模块代替昂贵的墙体外饰材料, 不仅实现以上目的,还可使建筑外观更具魅力。2.5.5 光伏发电与LED( Lght Emitter Diode) 照明的结合LED照明,也称固态照明。LED是发光二极管,是半导体材料制成的组件, 可将电能转换为光能。基于LED技术的半导体照明,具有高效、节能、环保、长寿命、易维护等显著特点。光伏LED照明技术是将光生伏特效应原理应用在照明上,即利用太阳能电池将太阳能转换成电能,再用LED照明装置将电能转换为光能。光伏发电技术能与LED照明完美结合关键在于两者同为直流电、电压低并能互相匹配等特点。两者结合不需要变频器将光伏电池产生的直流电