可再生能源發(fā)電利用及儲能、節(jié)能環(huán)保技術

可再生能源發(fā)電利用及儲能、節(jié)能環(huán)保技術(1)概念闡述和關鍵技術基于可再生能源的能源系統(tǒng)是解決世界范圍內的能源利用問題和環(huán)境污染問題的有效途徑，是能源利用走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇和有效措施。以可再生能源的高效、清潔利用為核心，可再生能源發(fā)電技術和儲能技術等領域快速發(fā)展，在世界范圍內獲得越來越多的關注。可再生能源發(fā)電系統(tǒng)從目前可再生能源的資源狀況和技術發(fā)展水平看，利用水能、風能、太陽能發(fā)電最為現(xiàn)實，前景廣闊?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)可分為單一能源發(fā)電系統(tǒng)和混合能源發(fā)電系統(tǒng)。其中單一能源發(fā)電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相對獨立，較易受到可再生能源自身局限性的影響?；旌夏茉窗l(fā)電系統(tǒng)主要有兩類：一類是利用風、光、水能等可再生能源進行互補結合，克服單一種類的可再生能源在使用時不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺陷。另一類是將可再生能源與現(xiàn)有的化石能源(天然氣、沼氣、生物質能、地熱能等)進行結合的混合發(fā)電系統(tǒng)。保證可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定的輸出電力，并確保供電質量是可再生能源發(fā)電的關鍵技術。目前的主要技術前沿包括：能源系統(tǒng)構成設計和動態(tài)模型建立、混合系統(tǒng)熱力循環(huán)特性，區(qū)域內可再生能源就地利用最大化、天然氣使用最小化和全范圍多能源供需平衡、能量管理和調度控制系統(tǒng)等?？稍偕茉吹陌l(fā)展方向是通過分布式可再生能源和能源智能微網等方式，構建風、光、水、火、儲多能互補系統(tǒng)，開發(fā)面向用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求的終端一體化集成系統(tǒng)?；旌峡稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)已經開始在美國、歐洲等世界各國電力系統(tǒng)中投入應用。先進儲能技術儲能技術是通過在電力需求低時儲電、在電力需求高時放電的方式幫助電網更好地融合風電、水能、太陽能等可再生能源發(fā)電的一種技術。廣義的電力儲能技術可定義為實現(xiàn)電力與熱能、化學能、機械能等能量之間的單向或雙向存儲設備。按照儲存介質的不同，儲能技術可以分為機械類儲能、電氣類儲能、電化學類儲能、熱儲能和化學類儲能等。機械類儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等；電氣類儲能主要包括超級電容器儲能和超導儲能等；電化學類儲能主要包括各類電池，例如鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等；熱儲能將熱能儲存在隔熱容器的媒質（如相變材料）中，需要時可以被轉化為電能，也可直接利用熱能而不再轉化為電能；化學類儲能主要是指利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，例如通過電解水合成氫氣和天然氣進行二次利用。目前抽水蓄能是全球裝機規(guī)模最大的儲能技術，占全球總儲能容量的98%。而壓縮空氣儲能、鉛酸電池、鋰電池等近年來發(fā)展勢頭迅猛，在全球范圍內已成為最具競爭力的儲能技術。其關鍵技術包括：大容量儲能的規(guī)劃及與可再生能源發(fā)電的協(xié)同調度技術、基于儲能的能量流優(yōu)化和能量調度技術、儲能與能量轉換裝置的集成設計和協(xié)調配置等。（2）發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢-可再生能源發(fā)電技術根據(jù)21世紀可再生能源政策網絡（REN21）發(fā)布《全球可再生能源現(xiàn)狀報告2018》，2017年可再生能源發(fā)電占到全球發(fā)電量凈增加值的70%，這是現(xiàn)代歷史上可再生能源發(fā)電量增長最大的一年。目前全球對新增可再生能源發(fā)電的投資已超過對新增化石燃料和核能發(fā)電投資總和的兩倍以上。由于成本競爭力的提高，2017年可再生能源投資占電力行業(yè)總投資的比例超過三分之二，同時可再生能源在電力行業(yè)的份額仍將會繼續(xù)上升。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2017年我國可再生能源發(fā)電量為1.7萬億千瓦時，同比增長1500億千瓦時；可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的26.4%，同比上升0.7個百分點。其中，水電為11945億千瓦時，同比增長1.7%；風電為3057億千瓦時，同比增長26.3%；光伏發(fā)電為1182億千瓦時，同比增長78.6%；生物質發(fā)電為794億千瓦時，同比增長22.7%。全年棄水電量為515億千瓦時，在來水好于去年的情況下，水能利用率達到96%左右；棄風電量為419億千瓦時，棄風率為12%，同比下降5.2個百分點；棄光電量為73億千瓦時，棄光率為6%，同比下降4.3個百分點。我國可再生能源發(fā)電比重穩(wěn)步上升。目前可再生能源最新技術領域有可再生能源先進發(fā)電技術、可再生能源并網技術和可再生能源多能互補技術三個方向。在可再生能源先進發(fā)電技術方面，由于光伏發(fā)電輸出功率的隨機性，保證光伏并網發(fā)電的最大功率點的跟蹤是其研究重點，由于最大功率點跟蹤對跟蹤的準確性、快速性和穩(wěn)定性要求比較高，實現(xiàn)有功輸出的有效調節(jié)是目前光伏發(fā)電的關鍵技術。變速恒頻發(fā)電技術可最大限度的捕捉、利用風能，并且轉速運行范圍相對寬松，調節(jié)系統(tǒng)更加靈活，是目前主流的風力發(fā)電新技術。在可再生能源發(fā)電并網技術方面，可再生資源受環(huán)境溫度、天氣因素的影響，具有比較大的波動性和間歇性，很容易導致電網電壓出現(xiàn)閃變或波動，因此并網消納是將可再生能源接入現(xiàn)有能源體系的關鍵技術，這些技術包括：①先進逆變器技術。逆變器具有可拓展通信功能、可以對無功和有功進行控制、可以降低有功變化率、實現(xiàn)諧波補償?shù)?，保證電能輸出質量更穩(wěn)定、抗干擾能力更強，并具有可以達到智能電網要求的網源互動技術。②可再生能源并網需要更加的精確、快速的電網電壓信號鎖定技術，能夠在大功率并網時不對稱運行情況下和電壓采樣波動情況下完成精確鎖相。③系統(tǒng)抗干擾技術。集中式風光電站要在變換器控制的基礎上實現(xiàn)低電壓穿越，孤島指令和檢測利用輸變電系統(tǒng)能量進行管理實現(xiàn)；分布式風光電站要通過控制達到孤島檢測的目的，并利用基于配電網的能量管理系統(tǒng)來發(fā)出低電壓穿越信號指令。在可再生能源多能互補技術方面，可再生能源多能互補系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)發(fā)電技術而言，其復雜程度和不確定性都大大增加。①在系統(tǒng)規(guī)劃方面，主要針對可再生能源進行確定性和不確定性分析。確定性分析主要是結合風、光等可再生資源情況與負荷需求等歷史記錄數(shù)據(jù)進行分析；不確定性分析是基于概率統(tǒng)計理論對可再生能源與負荷的變化特性進行建模，同時考慮自然環(huán)境、用戶冷熱電負荷等因素。②在系統(tǒng)綜合建模方面，需要針對多能互補的各個子系統(tǒng)的動態(tài)特性時間尺度相差懸殊進行研究，例如電力網絡功率瞬間平衡，其動態(tài)需由微分-代數(shù)方程描述；而冷熱的轉換過程最為緩慢，通常以分、時來表述動態(tài)過程。③在優(yōu)化設計方面，基于牛頓-拉夫遜法的微網潮流算法、電網全壽命周期成本分析、多目標優(yōu)化策略的混沌量子遺傳算法等。以實現(xiàn)能源最佳利用和系統(tǒng)長期經濟可靠運行為目標，進行科學合理的系統(tǒng)集成和能量管理。先進儲能技術截至2017年年底，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模達175.4GW,同比增長4%。其中抽水儲能的累計裝機規(guī)模依舊占據(jù)最大比重，為96%，但較上一年下降1個百分點；電化學儲能的累計裝機規(guī)模緊隨其后，規(guī)模為2926.6MW，同比增長45%，占比1.7%，較上一年增長0.5個百分點。在各類電化學儲能技術中，鋰離子電池的累計裝機占比最大，超過75%。2017年，全球新增投運化學儲能項目裝機規(guī)模為914.1MW，同比增長23%。新增規(guī)劃、在建的電化學儲能項目裝機規(guī)模為3063.7MW，預計短期內全球電化學儲能裝機規(guī)模還將保持高速增長。截至2017年年底，我國已投運儲能項目累計裝機規(guī)模為28.9GW，同比增長19%。2017年中國儲能市場新增投運儲能項目總規(guī)模為121MW，涉及集中式可再生能源并網、輔助服務、用戶側三個領域。其中在集中式可再生能源并網領域，2017年儲能項目開始在技術示范應用的基礎上尋求商業(yè)化突破。以青海直流側光伏儲能示范項目、吉林風電場熱電混合儲能項目為代表。光儲領域加快商業(yè)化進程，電儲能與儲熱的綜合應用成為解決電力系統(tǒng)調峰和可再生能源消納的新探索方向。新能源快速發(fā)展帶來的電力系統(tǒng)靈活性和消納問題，暴露了傳統(tǒng)電力運行和調度機制存在的瓶頸，也進一步提高了儲能在集中式可再生能源并網領域的應用價值和發(fā)展?jié)摿?。目前大?guī)模儲能技術中只有抽水儲能技術相對成熟，但由于受地理因素制約，其廣泛使用受到制約。而其他儲能方式還處于實驗示范階段或者初期研究階段，儲能裝置的可靠性、使用壽命、制造成本以及應用能力等方面還有待突破?？傮w來看，我國儲能技術研究尚處于發(fā)展初步階段，還不適于在電網全面推廣應用，同時還存在著諸如研發(fā)體系不健全、經濟性收益有待提高、缺乏運行數(shù)據(jù)支撐等一系列問題。目前儲能技術研究的關鍵技術領域主要分布在以下幾個方面。在儲能系統(tǒng)規(guī)劃方面，主要包括：①廣域布局的儲能系統(tǒng)與常規(guī)電源、新能源發(fā)電的協(xié)同調度方法；百兆瓦級儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電、輸電和配電等各環(huán)節(jié)中的規(guī)劃布局方法。②新型技術與供電商業(yè)模式下儲能的選型配置方法、分布式儲能系統(tǒng)的匯聚效應及在電網中的運行模式和管理策略。③儲能技術實現(xiàn)市場化應用的政策和制度需求，包括促進儲能發(fā)展的電價機制、市場準入制度及電力市場機制；研究多種類電力市場交易下儲能與其他能源的協(xié)調運作機制等。在儲能設備研究方面，主要關鍵技術方向包括：①針對現(xiàn)有體系下鋰離子、鉛炭、液流等儲能電池的關鍵材料改性、低成本化制備、能量密度提升和產業(yè)化技術；基于離子液體、固態(tài)電解質的高安全性電池材料體系和液流電池低成本高可靠膜制備技術。②超級電容器多孔石墨烯電極、高耐壓電解質鹽和電解液、纖維素隔膜等材料的研制。③空氣壓縮機和膨脹機技術；高轉化效率和低成本的儲冷儲熱和儲氣技術。④針對下一代儲能技術，研究鋰硫、鋰空氣等新型高比能量電池技術；研制高效制氫及氫發(fā)電裝備，突破低成本、高效率和規(guī)?；瘍浼夹g；研發(fā)大容量高能量密度儲熱儲冷技術裝備，突破熱相變儲能關鍵材料技術。在儲能系統(tǒng)集成及工程應用方面，主要關鍵技術包括：①適用于百兆瓦級儲能電站集成與控制技術研究及工程示范。②包含儲能電池組（BP）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲能變流器（PCS）、中央控制系統(tǒng)（MGCC）和能量管理系統(tǒng)（EMS）的電池儲能系統(tǒng)架構；規(guī)?；荽卫秒姵氐闹亟M、集成和熱疏導等安全管理技術。③基于新型器件、拓撲及控制方法的儲能變流器研制；儲能變流器的控制、儲能電池管理、以及系統(tǒng)能量監(jiān)控與調度系統(tǒng)。④儲氫系統(tǒng)、相變儲能和飛輪儲能的系統(tǒng)集成和工程應用技術；海水抽水蓄能和深冷儲能系統(tǒng)集成與試驗技術等。物理儲能依舊占據(jù)主導部分。根據(jù)國家“十三五”水電規(guī)劃，到2020年年底，我國抽水蓄能的累計裝機量為40GW。截至2017年年底，抽水蓄能在運規(guī)模為28.49GW，在建規(guī)模為38.71GW，預計到2020年將完成規(guī)模目標。電化學儲能將保持穩(wěn)定增長。電動汽車等高密度分布式儲能系統(tǒng)將使電網形態(tài)發(fā)生根本改變，隨著新能源汽車得到規(guī)模化的推廣和應用，電池系統(tǒng)的性能和成本逐漸成為影響行業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸問題。未來電化學儲能將圍繞高能量密度、低成本、高安全性、長壽命的電池系統(tǒng)作為發(fā)展目標。儲能技術與可再生能源系統(tǒng)深度融合。儲能技術能夠實現(xiàn)可再生能源平滑功率波動、削峰平谷、調頻調壓，是滿足可再生能源大規(guī)模接入電網的重要手段。隨著智能微電網與能源互聯(lián)網的發(fā)展，市場對靈活性的電力調峰資源和促進可再生能源并網的需求將越發(fā)迫切，儲能技術在該領域有著廣闊的發(fā)展前景。（3）重點研究國家/地區(qū)和機構以及之間的對比及合作情況分析根據(jù)表1.2.5可知,該研究方向的核心論文產出數(shù)量最多的國家是美國、中國、伊朗、印度。其中，美國、中國占據(jù)前兩位，核心、論文比例分別為26.78%和19.51%，印度和伊朗的核心'論文比例均超過6%。由表1.2.6可知，該研究方向的核心'論文產出數(shù)量最多的機構分別是MITSImperialCollSciTechnol&MedUnivMalaya、ChineseAcadSci、HuazhongUnivSci&Technol核心論文產出數(shù)均超過10篇。根據(jù)圖1.2.3可知，較為注重該領域國家或地區(qū)間合作的有中國、美國、澳大利亞、英國、德國。中國的發(fā)表論文數(shù)量較多，主要是與美國、澳大利亞和英國進行合作發(fā)表。根據(jù)圖1.2.4可知,ImperialCollSciTechnol&Med和UnivMa