新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势.doc

新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势孟庆梅新能源和可再生能源在我国社会经济可持续发展中具有重要作用，是我国能源发展的重要内容和组成部分。2005年第十届全国人大常委会第十四次会议正式通过了《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，从而奠定了我国可再生能源事业规划与发展的法律基础，今年颁布的国家中长期科技发展纲要和“十一五”科技发展计划明确提出了国家能源研究和发展战略，将这方面的研究纳入国家863计划等高新技术项目给予重点支持。为此，本刊记者就新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势采访了上海海事大学电力传动与控制研究所所长、教授、博导汤天浩。一、新能源发电方式（一）风力发电目前，风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀的草原牧场提供电力；三是并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，因此需要配置电力电子功率变换器，通过功率变换器的换流控制，使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图1给出了两种风力发电系统的结构。3~3~==SG蓄电池滤波器变压器电网变频器齿轮箱风力发电机组（a）直接输出型风力发电系统3~3~==DIG蓄电池滤波器变压器电网变频器齿轮箱风力发电机组（b）双馈型风力发电机系统图1风力发电系统的两种结构（二）太阳能电池自50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图2所示，通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行变换DC/AC变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。当阳光充足时，由太阳电池供电，同时向蓄电池充电；当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池供电。变流器的电路结构如图2所示。=3~==蓄电池滤波器变压器电网变流器太阳电池图2太阳能供电系统结构（三）燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等[2]。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，且具有洁净、无污染、低噪声，模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。=3~==蓄电池滤波器变压器电网变流器燃料电池燃料电池发电系统的结构如图3所示，系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置，使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。图3燃料电池供电系统结构二、关键技术利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。其核心是采用电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，由于长期形成的学科体系和行业的条块分割，形成制约新能源电力系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此，特别需要通过学科交叉研究和开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成形成产品，以方便用户。（一）电能变换如上所述，新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是解决上述问题的根本出路。图4给出了一个采用多电平逆变拓扑构成的组合式三相交流电源。图4多电平交流逆变电路结构由于新能源电力系统中电能变换主要是DC/DC变换和AC/DC变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。