未來(lái)電力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)淺析

未來(lái)電力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)淺析一、前言在跨入21世紀(jì)之際，人類面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展（sustainabledevelopment)的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球最重要的話題。所謂“可持續(xù)發(fā)展”是指當(dāng)代的發(fā)展應(yīng)以不損壞子孫后代的環(huán)境權(quán)益和生活質(zhì)量為前提。由于人類的活動(dòng)造成的全球氣候變化便是當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)，由于化石燃料利用產(chǎn)生的二氧化碳等溫室效應(yīng)氣體引起的全球變暖的趨勢(shì)還在發(fā)展。近年來(lái)自然災(zāi)害大幅增加、地表平均氣溫升高、冰川溶化便是證據(jù)。另一方面，人口增長(zhǎng)和工業(yè)發(fā)展能源需求不斷增加。據(jù)國(guó)際能源協(xié)會(huì)（IEA)統(tǒng)計(jì)，1971～1991年期間全世界一次需求量每年平均增加2·４％，電力每年平均增長(zhǎng)４·１％。預(yù)計(jì)，１９９１～２０１０年間，全球一次能源需求每年平均增長(zhǎng)２·１％，發(fā)展中國(guó)際由于人口快速增長(zhǎng)，工業(yè)化發(fā)展和城市化進(jìn)程等因素，對(duì)能源需求的增長(zhǎng)更快。目前發(fā)展中國(guó)家有７０％人口（２０億）缺電，今后這些地區(qū)的能源短缺將更加嚴(yán)重。為了維持當(dāng)代的發(fā)展，化石燃料利用的勢(shì)頭不減。我國(guó)人口眾多，又處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，能源供需矛盾突出。此外，化石燃料在一次能源中占很大比例。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須實(shí)施新的能源發(fā)展戰(zhàn)略，采用新技術(shù)。舍此別無(wú)他途。本文將分析２１世紀(jì)我國(guó)電力工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要的技術(shù)，下世紀(jì)可能出現(xiàn)的技術(shù)突破，在此基礎(chǔ)上，介紹幾項(xiàng)電力新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。二、我國(guó)電力工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)１．電力供需矛盾難以根本緩解按照統(tǒng)計(jì)分析、每個(gè)國(guó)家的人均ＧＤＰ（國(guó)民生產(chǎn)總值）與人均的能耗有十分密切的相關(guān)關(guān)系。我國(guó)要在下世紀(jì)中葉達(dá)到中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，人均用電水平的增長(zhǎng)是步可避免的。人口增長(zhǎng)和現(xiàn)代化進(jìn)程使我國(guó)對(duì)電力需求不斷增加。按照規(guī)劃，２０５０年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)應(yīng)超過(guò)１５億千瓦，比現(xiàn)有的裝機(jī)凈增１３億千瓦以上。按常規(guī)的發(fā)展摸式機(jī)乎不可能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。除非尋求新的發(fā)展途徑。２．有限資源的制約日趨嚴(yán)重我國(guó)去年已成為石油今口國(guó)，不能指望靠石油發(fā)電。水電可發(fā)容量不足３.７億千瓦，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)煤碳仍是主要的一次能源。但燃煤生產(chǎn)的環(huán)境污染的治理是一個(gè)極為困難的問(wèn)題。此外。煤炭基地資源短缺是我國(guó)發(fā)展火電的又一重要制約因素。３．治理環(huán)境的任務(wù)艱巨更為嚴(yán)峻的問(wèn)題是環(huán)境保護(hù)。我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，電力的構(gòu)成中約又８０％是煤炭。一座２４０千瓦的火電站，如不加一控制，每小時(shí)排放的ＳＯ２達(dá)７～１２噸，灰達(dá)７０～８０噸，渣為１５０噸，各類廢水１００噸。數(shù)字相當(dāng)客觀。中國(guó)許多城市的酸雨已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。中國(guó)大氣ＳＯ２的平均濃度為０·０３ｐｐｍ，比日本高３倍，個(gè)別地區(qū)達(dá)到１５ｐｐｍ。酸雨引起森林和農(nóng)作物破壞、價(jià)降低，以及快眾子增值的堆的商業(yè)化，核電技術(shù)再下世紀(jì)有可能東山再起。可控?zé)岷司圩冊(cè)?050年以后，有可能取得突破。到那時(shí)可能最終解決人類能源供應(yīng)問(wèn)題。3．能源的高效利用技術(shù)將廣泛應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有66%的能源被白白浪費(fèi)掉。節(jié)約技術(shù)將是下世紀(jì)的重要技術(shù)。這些技術(shù)包括：聯(lián)合循環(huán)，聯(lián)電聯(lián)產(chǎn)，熱泵（HeatPump)，高效節(jié)能燈，建筑節(jié)能技術(shù)，電力電子學(xué)術(shù)，能源效益審計(jì)（EnergyAuditingandAccounting)等等，這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用堆節(jié)約資源核能源會(huì)產(chǎn)生巨大作用。4．蓄能技術(shù)會(huì)有常足進(jìn)展由于大量分布式的電源（燃料電池，太陽(yáng)能電池）的應(yīng)用以及提高電網(wǎng)可靠性核調(diào)峰的需要，份散的蓄能系統(tǒng)的重要性日益增加。這種分散的蓄能系統(tǒng)由于近年來(lái)電動(dòng)汽車（EV）的達(dá)規(guī)模研究二得到飛速發(fā)展。最有希望的式電池蓄能系統(tǒng)（BESS)、飛輪蓄能系統(tǒng)（FWESS)核超導(dǎo)蓄能系統(tǒng)（SMESS)。5．與環(huán)境兼容的能源利用技術(shù)日顯重要潔凈煤技術(shù)(CCT)，作為21世紀(jì)能源領(lǐng)域最關(guān)鍵技術(shù)之一將會(huì)得到常足發(fā)展。潔凈煤技術(shù)可份為潔凈煤處理技術(shù)（如煤的洗、選，預(yù)脫灰處理，煤型，煤的氣化、液化，水煤漿）核潔凈煤燃燒（發(fā)電）技術(shù)（如煙氣凈化技術(shù)，循環(huán)流化床，增壓循環(huán)流化床，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)，電子束、短脈沖脫硫硝技術(shù)等）。此外，溫室效應(yīng)氣體液化及儲(chǔ)存利用技術(shù)，降低高壓輸電線路環(huán)境影響的技術(shù)，核廢料的份離處理及儲(chǔ)存技術(shù)葉回有重要發(fā)展。6．電網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用將引氣電網(wǎng)的重要變革電網(wǎng)運(yùn)行管理體制近年發(fā)生的重要變革和現(xiàn)代社會(huì)回電網(wǎng)可靠性的高要求，迫切需要發(fā)展新的電網(wǎng)技術(shù)。隨著電力電子器件（即達(dá)功率的電子器件）的開(kāi)斷能力達(dá)幅度提高，這些器件用于電力系統(tǒng)已成為現(xiàn)實(shí)。電力電子計(jì)劃上和現(xiàn)代控制理論再電力系統(tǒng)中應(yīng)用將導(dǎo)致下世紀(jì)電力系統(tǒng)的重大變革。未來(lái)的電網(wǎng)新技術(shù)包括：靈活的交流輸電技術(shù)（FACTS)和新一代直流輸電技術(shù)，更加有效的電網(wǎng)狀態(tài)測(cè)定和控制技術(shù)，現(xiàn)代化達(dá)都市供電新技術(shù)等等。四、若干關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介1．太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)太陽(yáng)能式取之步盡的可再生能源，可利用量巨大。已年的太陽(yáng)輻射能，依緯度的不同，可達(dá)870～3400KWh/m2。按轉(zhuǎn)換效率0·20計(jì)算，再一般地區(qū)，10平方的面積的太陽(yáng)能電池全年可提供3000～5000KWh/m2的電能，足夠一般家庭使用，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要包括光伏發(fā)電（PV）技術(shù)和太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電（PV）技術(shù)，即用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)，被認(rèn)為式下世紀(jì)最有希望得到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用單位可再生能源利用技術(shù)之一。目前，全球光伏發(fā)電規(guī)模尚小。單太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量增長(zhǎng)容量很快，約每3～4年翻一番。到下世紀(jì)中葉，光伏發(fā)電裝置容量將很可觀。光伏發(fā)電技術(shù)達(dá)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵式其價(jià)格。由于近年光伏電池研究的進(jìn)展，光伏發(fā)電的價(jià)格預(yù)計(jì)到2000年左右便可與常規(guī)發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。2．燃料電池發(fā)電技術(shù)燃料電池（FC）式直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。燃料電池發(fā)電效率高，功率可達(dá)60%以上，如果高溫燃料電池配和聯(lián)合循環(huán)，效率可達(dá)85%。而且，效率受燃料電池規(guī)模和負(fù)荷大小影響步大。燃料電池發(fā)電出力能快速跟蹤負(fù)荷變化，速度可達(dá)每秒變化全負(fù)荷的50%，調(diào)峰能力極強(qiáng)。FC發(fā)電的重要優(yōu)點(diǎn)式堆環(huán)境污染很小，由于沒(méi)有燃燒過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的零排放。燃料電池另一達(dá)優(yōu)點(diǎn)式省水。這對(duì)水資源缺乏的我國(guó)而言極為重要。此外，燃料電池發(fā)電尚有適合分布式供電，節(jié)省輸電投資，摸塊結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)建等等優(yōu)點(diǎn)。早期的燃料電池式堿性燃料電池，曾用于宇航。現(xiàn)再商用的多為磷酸燃料電池（PAFC）。正再開(kāi)發(fā)研究融熔碳酸鹽燃料電池（MCFC），固體氧化物燃料電池（SOFC)和質(zhì)子交換薄膜燃料電池這被認(rèn)為式最有希望取得達(dá)規(guī)模應(yīng)用的新型燃料電池。固體氧化物燃料電池式高溫燃料中足器。煤的氧化裝置于固體氧化物燃料電池內(nèi)進(jìn)行，步需外加燃料重足器。煤的氧化裝置于固體氧化物燃料電池組合將構(gòu)成未來(lái)以煤燃料的清潔高效的新型發(fā)電設(shè)備?，F(xiàn)在全球已有100座以上FC發(fā)電廠再運(yùn)行，主要式硫酸燃料電池。容量最達(dá)為11MW，裝再北京。美國(guó)西屋公司正在設(shè)計(jì)已座20MW的固體氧化物燃料電池，占低僅0。135公頃，造價(jià)可低到110美元/KW。預(yù)計(jì)到2010年全球燃料電池總?cè)萘靠蛇_(dá)6000MW。3．靈活的交流輸電技術(shù)靈活的交流輸電系統(tǒng)（FACTS)，80年代后期出現(xiàn)的新技術(shù)，近年來(lái)再全世界上發(fā)展迅速。專家們預(yù)，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將在電力輸送和分配方面將引起重大變革，對(duì)于充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源和實(shí)現(xiàn)電能的高效利用，將會(huì)發(fā)揮重要作用。所謂“靈活的交流輸電技術(shù)”是指：采用大功率電子器件作為大功率高壓開(kāi)關(guān)，與其他電力設(shè)備組成ＦＡＣＴＳ設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)，如線路阻抗、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。世界上第一臺(tái)500ＫＶ的全可控的串聯(lián)補(bǔ)償裝置（ＴＣＳＣ）已于1994年12月在美國(guó)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)行。目前，美國(guó)以及中國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)、巴西、印度等國(guó)的電業(yè)部門(mén)均在積極研究在超高壓輸電工程中應(yīng)用ＴＣＳＣ及其他ＦＡＣＴＳ技術(shù)的可行性和具體實(shí)施方案。４．電能儲(chǔ)存技術(shù)電能儲(chǔ)存是實(shí)現(xiàn)電能高效利用的重要途徑。除了抽水蓄能方式以外，實(shí)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)要數(shù)電池儲(chǔ)能（ＢＥＳＳ）。它的核心部件是蓄電池和ＧＴＯ－類的器件組成的交直流變換器。電池蓄能系統(tǒng)既可作為旋轉(zhuǎn)備用，也可作為調(diào)峰和調(diào)頻電源，或直接安裝在重要用戶內(nèi)，作為大型的不間斷電源。同時(shí)，ＢＥＳＳ還具有無(wú)功調(diào)節(jié)的功能。目前，全世界已有近２０個(gè)ＢＥＳＳ在系統(tǒng)中運(yùn)行。例如，美國(guó)加州ＣＨＩＮＯ變電站安裝有１０ＭＷ的ＢＥＳＳ，在洛杉磯的ＶＥＲＮＯＮ安裝有５ＭＷ的ＢＥＳＳ。最近在波多黎各有一座２０ＭＷ的ＢＥＳＳ投運(yùn)，用于旋轉(zhuǎn)備用和調(diào)頻。ＢＥＳＳ在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的主要技術(shù)關(guān)鍵是提高蓄電池的儲(chǔ)能密度，降低價(jià)格以及延長(zhǎng)壽命。目前的蓄電池儲(chǔ)能密度達(dá)到１００－２００ＷＨ／ＫＧ，壽命為８－１０年，ＢＥＳＳ的總體造價(jià)約為１０００美元／ＫＷ。鎳－鋅電池、鈉－硫電池、聚合物薄膜電池、鋅－空氣電池等等新型電池正在研究之中，倘若研究取得重大突破，則不僅對(duì)電動(dòng)汽車的實(shí)用化有重大意義，對(duì)于電能的高效利用來(lái)說(shuō)也將產(chǎn)生重要的影響。此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能（ＳＭＥＳ），飛輪儲(chǔ)能（ＦＷＥＳ）也在積極研究和試驗(yàn)之中。５．電能質(zhì)量控制技術(shù)電能的高效利用的一個(gè)重要內(nèi)容是向用戶提供可靠的、優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)。現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展對(duì)提高供電的可靠性，改善電能質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)支器、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線、精密的加工工具的采用，由于可編程控制器、計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的日益廣泛使用，對(duì)電能質(zhì)量的控制提出了嚴(yán)格的要求。這些設(shè)備對(duì)電源的波動(dòng)和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，從而產(chǎn)生重大損失。電網(wǎng)的擾動(dòng)和污染主要包括：電壓降落（ＶＯＬＴＡＧＥＳＡＧ），閃變（ＦＬＩＣＫＥＲ）、脈沖（ＩＭＰＵＬＳＥ）、暫態(tài)升高（ＳＷＥＬＬ）、諧波（ＨＡＲＭＯＮＩＣＳ）以及斷電（ＯＵＴＡＧＥ）。標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)已經(jīng)制定了適用于不同用戶的電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。例如，對(duì)計(jì)算機(jī)用戶而言，持續(xù)時(shí)間為0.1秒的40%的電壓降落是不允許的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備已開(kāi)始進(jìn)入配電系統(tǒng)并為解決電能質(zhì)量控制提供了技術(shù)手段。近年來(lái)，國(guó)外提出了“用戶電力技術(shù)”（ＣＵＳＴＯＭＰＯＷＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ）的概念，即使用電力電子技術(shù)提高供電可靠性和實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量嚴(yán)格控制。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于配電網(wǎng)的電力電子裝置，例如固態(tài)高壓開(kāi)關(guān)（ＳＯＬＩＤ－ＳＴＡＴＣＣＩＲＣＵＩＴＢＲＥＡＫＥＲ）。與常規(guī)的機(jī)械開(kāi)關(guān)相比，固態(tài)開(kāi)關(guān)能在一個(gè)工頻半波以內(nèi)完成由故障供電線路向健全的供電線路的切換。這是一般機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)法比擬的。另一關(guān)鍵設(shè)備是動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（ＤＹＮＡＭＩＣＶＯＬＴＡＧＥＲＥＳＴＯＲＥＲ），它由直流儲(chǔ)能電路、變換器和級(jí)次串聯(lián)在供電張路中的變壓器構(gòu)成。變換器的控制系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)到的線路的電壓波形，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，使合成的電壓動(dòng)態(tài)休持恒定。無(wú)論是短時(shí)的電壓低落或過(guò)電壓，通過(guò)ＤＶＲ均可以使負(fù)載上的電壓保持動(dòng)態(tài)恒定。６．現(xiàn)代化大都市供電技術(shù)現(xiàn)代化的社會(huì)要求更高的供電可靠性和電能質(zhì)量。由于現(xiàn)代化大都市供電負(fù)荷密度大，供電方式復(fù)雜，可靠性要求高，還要求考慮更大的發(fā)展靈活性，以適應(yīng)供電負(fù)荷不斷增加和供電網(wǎng)升格的需要，建設(shè)現(xiàn)代的供電網(wǎng)需要更加復(fù)雜的技術(shù)。例如：配電網(wǎng)緊湊化技術(shù)，包括新型ＧＩＳ設(shè)備，配電設(shè)備的集成技術(shù)，配電網(wǎng)保護(hù)臨近設(shè)備的集成技術(shù)；配電線路地下化技術(shù)，如新型電纜的研制和應(yīng)用、火災(zāi)不蔓延設(shè)備、新型的地理圖形及設(shè)備管理系統(tǒng)；高壓直流配電技術(shù)（ＨＶＤＣＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ），即以高壓直流電纜為骨干網(wǎng)架，采用自變流技術(shù)（ＳＥＬＦ－ＣＯＭＭＵＤＡＴＥＤＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ），以高頻、工頻、或直流向最終用戶供電新技術(shù)。五、結(jié)束語(yǔ)１、我國(guó)由于人口眾多、工業(yè)化進(jìn)程和城市化等因素，對(duì)能源需求的增長(zhǎng)很快。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，電力供需矛盾難以根本緩解。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須依靠科技進(jìn)步，實(shí)施新的能源發(fā)展戰(zhàn)略，盡快實(shí)現(xiàn)電力新技術(shù)規(guī)模應(yīng)用，大幅度嗇可再生能源發(fā)電的比例，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，發(fā)展與環(huán)境兼容的能源利用技術(shù)，發(fā)展新型輸配電技術(shù)及電能質(zhì)量控制技術(shù)。２、在可再生能源發(fā)電和清潔發(fā)電領(lǐng)域，光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電、生物技能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可望取得重大技術(shù)突破和大規(guī)模應(yīng)用。核電作為一種清潔的發(fā)電方式仍有很大吸引力。隨著固有安全堆實(shí)用化和造價(jià)降低，以及快中子增殖的堆的商業(yè)化，核電技術(shù)在下世紀(jì)有可能重新占據(jù)重要位置。我國(guó)應(yīng)不失時(shí)機(jī)地開(kāi)展這些新技術(shù)的研究并實(shí)現(xiàn)其規(guī)模應(yīng)用和設(shè)備的