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关键词:教学改革;新能源发电技术;创新人才培养
作者简介:韩杨(1982-),男,四川成都人,电子科技大学机电学院电力电子系,讲师。
基金项目:本文系电子科技大学中央高校基本科研业务费资助(项目编号:2672011ZYGX2011J093)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)14-0046-02
“新能源发电技术”是电子科技大学电气工程及自动化、机械设计制造及自动化、工业工程三个专业课程体系中的一门重要课程。该课程属于高年级本科生的专业选修课,共32课时、内容多、知识面广、综合性强。[1, 2]由于三个专业的学生知识体系存在一定差异,在教学理念、教学内容、教学方法等方面,需要做出系统的设计和创新。笔者在教学过程中,充分吸收国外高校模块化教学模式、凝练教学内容,充分利用交互式教学方法,采用课堂讲授、提问与解答、课程项目、研究报告等手段,把互动式教学方法成功应用到教学实践中。课程以电能变换与控制为主线,鼓励不同专业背景的学生组成研究小组对课程项目进行协作研究,提升了学生的学习兴趣,培养了学生的自主创新能力。[3, 4]
一、国外“新能源发电技术”教学内容与模式回顾
1.麻省理工学院(MIT)的模块化教学模式
课程简介:课程评估当前和未来潜在的能源系统,包括资源提取、转换和最终使用技术,重点区域和全球能源需求。研究各种可再生能源和传统能源的生产技术,能源最终用途和替代品,在不同国家的消费习惯。
第一部分:能源的背景。欠发达国家日益增长的能源需求、发达国家可持续的未来能源。能源概述、能源供给和需求的问题;能源转换和经济性分析,气候变化和应对措施。模块1:能量传递和转换方法。模块2:资源评估和消耗分析。模块3:能量转换、传输和存储。模块4:系统的分析方法。模块5:能源供应,需求和存储规划。模块6:电气系统动力学。模块7:热力学与效率的计算。
第二部分:具体的能源技术。模块1:核能的基础和现状;核废料处理;扩建民用核能和核扩散。模块2:化石能源的燃料转换,电源循环,联合循环。模块3:地热能源的类型;技术、环境、社会和经济问题。模块4:生物质能资源和用途,资源的类型和要求。
第三部分:能源最终用途,方案评估和权衡分析。模块1:汽车技术和燃料经济政策。模块2:生物质转化的生命周期分析;土地使用问题、净能量平衡和能量整合。模块3:电化学方法电能储存、能量转换,燃料电池。模块4:可持续能源,非洲撒哈拉以南地区的电力系统的挑战和选择。
2.瑞典皇家理工学院(KTH)课程内容与要求
课程内容:替代能源和可再生能源的全方位的介绍和分析,包括整合这些解决方案以满足能源服务的要求。包括现有和未来的替代能源,如水能、风能、太阳能、光伏、光热,燃料处理;可再生能源系统面临的挑战;动态整合各种可再生能源。在整个教学过程中,学生的读、写和研讨主题是“先进的可再生能源系统技术”,特别是通过项目工作和多个为期半天的研讨会对相关专题进行研讨,每个人都参与演讲和讨论,并邀请有行业工程背景的专家和政策制定者来课堂参与探讨,丰富课堂内容、提升教学质量。
课程要求:在课程结束时,学生应能够分析和设计能源系统,利用风能、生物能源、太阳能产生电力或用于加热与冷却。完成课程后,学生能详细说明风能、生物能、太阳能基本原理和主要特点,以及它们之间的区别。能掌握这3种可再生能源系统的主要组件,了解基于化石燃料的能源系统对环境和社会的影响。
3.威斯康星大学(UWM)课程内容与要求
课程内容:学习有关国家最先进的可再生能源系统,包括生物质、电力和液体燃料,以及风力、太阳能、水电。学生们将对可再生能源电力和能源供应做工程计算,并要了解可再生能源的生产、分配和最终使用系统。能源存储、可再生能源政策;经济分析,购买和销售能源;风能理论与实践;太阳能可用性,光热和光伏发电系统;水电;地热,潮汐能和波浪发电;生物能源、生物质燃烧热力和电力;生物质气化,生物油热解;生物燃料的生命周期评估。
课程要求:掌握基本的可再生能源系统的工程计算,了解可再生资源评估和能源基础设施一体化。确定可再生能源系统的环境影响。设计和评估可再生能源系统的技术和经济上的可行性。了解能源在社会中的关键作用。了解可再生能源发展的公共政策、市场结构。卓越学生的学习成果:能够运用数学、科学和工程原则进行实验设计,并能分析和解释实验现象。有能力设计一个系统、部件或过程,以满足预期要求,具备解决工程问题和有效沟通的能力。
二、创新人才培养模式下“新能源发电技术”教学设计
通过对该课程的学习,使学生了解中国的能源现状,掌握电源变换与控制技术的基本原理,掌握光伏发电和风力发电的基本原理及系统的构成,加深对中国风力资源和风力发电基本原理的认识,理解生物质资源的利用现状、转换与控制技术的基本原理,了解天然气、燃气发电与控制技术的基本原理和应用情况。吸收国外经验,设计教学模块。
1.电源变换和控制技术
内容要点:电力电子器件的概念、特征和分类,不可控器件——电力二极管,半控型器件——晶闸管,电力场效应晶体管——电力MOSFET,绝缘栅双极型晶体管——IGBT;AC—DC变换电路:二极管整流器——不控整流,晶闸管整流器——相控整流,PWM整流器——斩波整流;DC—DC变换电路:单管不隔离式DC—DC变换器,隔离式DC—DC变换器;DC—AC变换电路原理、分类、参数计算;AC—AC变换电路。
课堂提问:晶闸管的导通和关断条件是什么?相控整流与PWM整流电路区别是什么?交流调压电路的基本原理是什么?什么是逆变?如何防止逆变失败?
课程项目1:让学生设计一个50kW的相控整流和PWM整流电路,进行MATLAB仿真分析,比较两种整流电路的区别,要求分组讨论、制作PPT演讲,撰写研究报告。
2.风能、风力发电与控制技术
内容要点:风的产生、特性与应用;风力发电机组的结构、分类与工作原理;风力发电的特点、控制要求和功率调节控制;风力发电机组的并网运行和功率补偿:同步发电机组、异步发电机组和双馈异步发电机组的并网运行和功率补偿。
课堂提问:简述风能转换的基本原理。风力机的空气动力学参数有哪些?具体怎么求解?风力机有哪几种分类方法?
课程项目2:让学生设计基于全功率变换器的风力发电系统,在课程项目1的PWM整流电路的基础上,设计整流和逆变电路及其控制算法,进行MATLAB仿真,验证工作原理,要求分组讨论、制作PPT演讲、撰写研究报告。
3.太阳能、光伏发电与控制技术
内容要点:太阳能利用方式、分类及原理,中国光伏发电的历史和研究现状;太阳能电池的工作原理,太阳能电池材料的光学性质、等效电路、输出功率和填充因数,太阳能电池的效率、影响效率的因素及提高的途径;太阳能电池制造工艺,多、单晶硅制造技术;太阳能光伏发电系统设备构成,正弦波PWM技术,逆变器基本特性及评价;独立光伏发电系统的结构及工作原理、系统构成;并网光伏发电系统的分类、特点、结构、供电形式和设备构成。
课堂提问:多晶硅和单晶硅的制造工艺有什么不同?根据制作工艺的不同它们各有什么特点?什么是正弦波PWM逆变技术?并网光伏发电系统由哪几部分构成?
课程项目3:让学生设计小功率并网光伏发电系统,在课程项目2逆变电路的基础上,设计单相及三相逆变电路及其控制算法,进行MATLAB仿真,验证工作原理,要求分组讨论、制作PPT演讲、撰写研究报告。
4.生物质能的转换与控制技术
内容要点:生物质能的定义、生物质资源特点及类别;生物质能转换和发电技术、生物质能转换的能源模形式,城市垃圾、生物质燃气发电技术;生物质热裂解发电技术的分类、生物质热裂解机理,生物质热裂解技术及装置简介;我国生物质能的利用现状及开发生物质能的必要性,生物质能发电前景。
课堂提问:生物质能的优缺点是什么?根据其优缺点如何扬长避短充分利用生物质资源?生物质热裂解的机理是什么?请详细分析说明。影响生物质热裂解的因素有哪些?具体是如何影响的?
5.天然气、燃气发电与控制技术
内容要点:天然气水合物的概念,形成机理及化学性质;天然气的综合利用、环境价值与发展前景;小型燃气轮机发电机组的原理及用途、主要形式及应用前景;燃气轮机组的电能变换与控制系统、电网供电及控制;燃气发电机组的并网运行与控制策略,DC-AC低频并网逆变技术,DC-AC/ AC-DC-AC三级变换高频环节并网逆变技术;燃气发电机组高频并网逆变的控制策略。
课堂提问:小型燃气轮机组并网发电的原理是什么?简述燃气轮机组电能变换系统的结构和工作原理。燃气发电机组高频并网逆变是如何实现的?
三、结束语
在充分吸收国外高校“新能源发电技术”模块化教学模式的基础上,以人才培养为中心,凝练教学内容、改革教学方法,提高了学生对该课程的学习兴趣,课堂互动得到明显改善,不同专业背景的学生能够对课程项目进行协作研究,发挥各自的特长收集和吸收国外前沿技术,在PPT演讲、研究报告撰写方面锻炼了学生的综合能力,取得了良好的教学效果。
参考文献:
[1]何瑞文,谢云,陈璟华.电气工程及其自动化专业建设与实践模式探讨[J].中国电力教育,2012,(3):72-73.
[2]王三义.浅谈新能源发电技术[J].中国电力教育,2011,(15):92-93.
发达国家对低碳资源和低碳产品给予适当的经济补贴是减少碳排放的另一项重要的财税措施,目的是为了增多所供给的消费量。发达国家通过新能源、新材料和新技术对节能减排的推动发展实施了一系列的补贴扶持政策。
(一)实施战略
1.针对生产者采取的补贴政策。以德国和美国为例,在可再生能源发电领域中实施关于对生产者的补贴政策。德国政府为确保可再生能源的地位,实施了《可再生能源法》,针对可再生能源生产成本高的问题通过可再生能源发电补贴的形式进行制衡,以促进可再生能源的快速发展。由于德国利用可再生能源发电(除水电外)起步较晚、还未形成规模且成本较高,电力传输网络也没有单独的渠道,无法传送给用户。针对这一问题,德国《可再生能源发电并网法》的颁布实施,对可再生能源发电的入网措施和能够为发电企业赢得收益的收购价格进行确定。同时以天然气优先为原则,获得管道运营商优先天然气的输送权,而后根据天然气的价值标准进行市场定价,以明确补贴的金额。美国于二十世纪八十年代对一些风电项目也实施了投资补贴政策。但这一政策却使投资者过于看重补贴的获得和设备的安装,而忽视了项目的性能。因此美国自1993年根据相关能源的政策法规将联邦政府对风电的投资扶持改为对风电的生产过程进行扶持。其补贴时间自项目投产起长达十年,并随着通货膨胀率作及时调整。税收优惠政策是鼓励发展可再生能源的一种策略,其对生产税收优惠的表现形式为价格补贴,主要还是意在对可再生能源进行税收返还。2.针对消费者采取的补贴政策。在汽车、房地产和家电领域实施关于对消费者的低碳补贴政策。美国曾对使用柴油汽车和混合动力汽车的消费者在2007~2011年返还了最高达3500美元的税收金额。同时在实施对新建节能建筑减税政策的前提下,鼓励消费者使用节能设备和购买节能建筑,并明确规定新建筑如能达到国际节能标准的46%以上,便可获得3000美元以内的单套房低税奖励。同时减免使用住宅节能设备的居民税收,甚至于居民在住宅中对室温调控设备、节能窗、冷热设施等进行更换也能享受减免10%以内的税收优惠。目前欧洲的许多国家已开始实施了对太阳能热水器用户提供的不低于30%的补贴政策。法国也自2006年起,可再生能源或热泵能源设备的减免税收提高了5个百分点。
(二)实施背景
低碳补贴作为财政支出的有效措施,不但可以促进低碳产业的发展,还可以通过扩张的形式刺激低迷时期的经济。所以各国在遭遇经济危机时,或传统产业的发展停滞不前影响其优势地位时,通过低碳补贴的形式来推动以新能源、新技术、新材料为主的低碳产业的发展。
(三)实际成果
低碳补贴的考察标准因生产者和消费者的补贴对象不同而有所不同。在新能源的领域里主要针对生产者的低碳补贴,从各国新能源的发展状况即可说明一切。通过各国风力发电的发展情况进行如下阐明:美国十年间的风力发电量增加达33000MW,年复合率平均增长了30%;德国十年间的风力发电量也增加达17000MW,年复合率平均增长了13%。在汽车、家电和房地产的节能建材领域里主要针对消费者的低碳补贴。美国自2007开始鼓励消费者使用新能源汽车,由于扶持的力度较大,取得了明显的效果。虽然轻型汽车的销量在最近几年呈下滑之势,但是新能源汽车的销量在2009年之前却呈逐年增长的态势。可见,低碳补贴的实施无论是对生产者还是消费者,均取得了良好的效果。
(四)实践总结
通过分析各国低碳补贴情况的实施,总结如下:1.低碳补贴以扩张的形式,刺激低迷时期的经济,尤其在传统产业的发展停滞不前时,政府通过低碳补贴的举措,推动了低碳产业的发展,避免了经济衰退的发生,重新获得了新的经济增长点。同时由于此举的扩张性,在经济成熟时期却不宜应用。2.中下游产业是生产者和消费者的补贴对象。发达国家实践证明,其下游产业的兴衰成败由最终需求直接决定,所以一般采取补贴消费者的方式;而中游产业因具有相同质量的产品,进行补贴的对象以生产者为主,以鼓励对其新技术、新工艺,降低能耗的应用。
二、发达国家对低碳技术创新的财政扶持
政府是否给予低碳技术的政策扶持决定了我国低碳经济的发展。低碳技术创新的效用如下:(1)有益发展能源使用高效,能源消费低效。(2)有益于改善能源的消费结构,增加低碳能源的消费比例。二者都有效地抑制了碳的排放量。
(一)实施战略
日本由于受特殊地理环境的限制,相较于其他发达国家,深受气候变化的影响。一直以来,日本各届政府始终致力于节能减排的宣传推广,呼吁低碳社会的创建。终于2007年6月,一部有关新能源的发展战略基于法律的强硬手段,使节能减排的预期措施得以全面施行。此外,日本还成就于化学能源的减排技术,如燃煤电厂烟气脱硫的技术创新,成为国际环保的领先行业。同年9月,德国也实施了高新技术战略,鼓励技术创新的不断发展,以期成为世界未来科技市场的领头军。次年,德国联邦教研部又实施了基于高新技术战略的气候保护技术战略。鉴于此,联邦教研部倾注大量资金进行气候保护技术的钻研,同时工业界也对此作了大量的投入。2002年末,英国政府通过财政补贴对可再生能源的高新技术发展进行了政策扶持,对于近海风能、能源作物、光伏以及新一代新能源技术的全面研发起了积极的推动作用。英国政府在规划可再生能源的发展战略时经历了新技术开发和商业化展示两个不同的时期:(1)开发时期,研发新技术的初期都必须进行大量的资金投入,风险性较高。(2)展示时期,大量资金的有效投入,可以加快工业活动的发展,其公共资金的投入对于这两个时期来说相当重要。
(二)实施基础
发达国家早就投入了大量的科研技术力量来支持低碳技术的研发,但具体的实施基础与碳税和低碳补贴有所区别,并没有紧密联系外部的经济环境。由于低碳技术的研发、进展是一项长效工程,发达国家大都采取持续的大量投入来普遍实施。其实施的基础主要表现在:(1)确保财政收入。一般只有发达国家实施低碳技术的补贴政策,因而对于低碳技术研发的支持,他们是具备充足的财政实力的。(2)灵活筹资举措。低碳技术的研发可利用碳基金的形式进行相应的扶持。
(三)实际成果
发达国家的环保技术在能源、建筑、汽车等行业都取得了良好的效果,有效地减缓了二氧化碳的排放。这是低碳技术发展的直接结果。如英国,突破了低碳技术瓶颈,实现了经济环保,随着低碳技术的深入推广,经济效益也收获颇丰,又实现了环保经济,最终使低碳科技发展达成“双赢”。英国政府二百年以来最长的经济增长期仅在过去十年间就得以实现,低碳经济及相关产业每年所实现的产值达上千亿英镑,圆了上百万人的就业梦,使经济得以快速增长,温室气体排放也降低了10个百分点。英国最终实现环保经济主要通过低碳技术出口,以这样的低碳技术输出模式来获取更大的经济效益。
(四)经验总结
【关键词】:能源互联网;技术形态;关键技术
1、导言
随着互联网在全世界普及应用,人类的生产生活在互联网技术驱动下不断发生改变。同时,互联网正继续向各行各业渗透。互联网在实现开放对等原则的基础上,能够向整个系统提供全方位的信息支持,而能源互联网是以可再生分布式能源和互联网为核心而形成的新能源互联网,旨在实现能源的高效传输、利用,进行更广泛的分布式互联系统优化,实现能源分布式的有效供应,形成坚实的能源基础架构。
2、能源互联网信息通信需求和特点
能源互联网借鉴了信息互联网的相关特征,但同时也有所区别,双方在网络功能、结构、设备、协议、服务、安全和服务对象等方面有所类似和不同。
借鉴信息互联网的发展趋势,能源互联网将向着扁平化、分散式域控制,以及以能量为中心的网络等方向发展。鉴于电力能源的清洁性、安全性和传输效率优势,能源互联网将主要通过电力互联网的形态体现。
2.1能源互联网信息通信技术需求
能源互联网对信息通信能力的需求可总结为以下5个方面:
2.1.1多样的信息采集能力和灵活的网络接入能力。
2.1.2高速可靠的网络传输能力和海量信息存储能力。
2.1.3高效的数据处理能力和规范的业务处理能力。
2.1.4智能的数据分析和决策能力。
2.1.5强大的网络和信息安全保障能力。
2.2能源互联网信息通信特点
信息通信技术已经成为现代工业信息化、智能化发展的关键要素。基于能源互联网对信息通信技术的上述需求,支撑能源互联网信息通信技术需具备以下特点。
2.2.1开放互联。
2.2.2对等分享。
2.2.3智能高效。
3、关键技术
3.1可再生能源发电技术
能源互联网发电设备包括传统能源发电和可再生能源发电,其中最主要的是可再生能源发电。可再生能源发电主要包括水力发电、生物质能发电、风力发电、太阳能发电、潮汐发电等。风电、太阳能发电、太阳能热发电、地热发电和潮汐发电是新兴的发电技术,当前主流的研究方向集中在风电和光伏发电。风力发电技术在可再生能源领域中发展相对成熟,是发展新能源技术中具有最大商业化发展规模前景的。太阳能光伏发电有很多优点,如无噪声、无污染、不受地域限制且分布广泛、不消耗燃料、建设周期短、经营成本低、无长距离传输、可现场使用、结合建筑物具有更好的便利性等。所以太阳能光伏发电是一种常规发电无法比拟的发电方式。在能源互联网中,任何有风能和太阳能的地方均可以作为一个小电站配合电网进行供电。
3.2储能技术
储能装置在能源互联网中的许多领域都是一个非常重要的部分。在能源互联网中储能设备可以改善电能质量,保持电力系统的稳定。储能设备的应用是一种能够提高发电机的输出电压质量和频率质量的有效方式,同时增加了分布式电源和电网运行的可靠性。分布式电源和储能设备的可靠结合是解决例如电压跌落、阶段时间停电等电网问题的有效解决方式;储能设备还可以有效地提高动态功率的质量。另外,储能设备在提高分布式电源的经济性方面起着不可忽视的作用。在电力市场中,分布式电源通常并网运行,有足够的存储功率,可以将电出售给电力公司,来满足电力调峰和紧急供电,以最大限度地提高经济效益。储能装置主要有化学储能和物理储能,如蓄电池、氢储能、压缩空气储能、超级电容器、飞轮储能、超导储能等。
3.3远距离输电技术
远距离输电技术符合我国电力发展的当前预期,也是国际能源革命的重要组成部分,所以着重发展该技术是很有必要的。自2011年起,我国东部沿海发达区域逐渐出现了电力短缺的状况,例如浙江省,全省在2012年最大电力短缺额约近1000万kW,电力的可靠性供应难度逐渐增大,所以从其他地区到浙江进行远距离大容量输电是比较可靠、有效的方式。运用远距离大容量输电技术不仅能够解决能源传输问题,而且能节省煤炭资源,因为输电的经济性优于输送煤炭且输送效率基本相当。该技术是高新技术的集成,在优化其他产业的研发和加快其结构调整等方面都能够起到催化作用。
3.4电网负荷的相关技术
能源互联网是可用于各种AC和DC负载的一种先进的智能电网。最近几年,随着电池技术的不断成熟和相应成本的不断下降,电动车使用率正在迅速增长。可以预见的是通过电动车的联系,电力系统和交通系统的耦合程度将在今后继续加强。电气化运输系统,特别是电动汽车,将成为能源互联网的重要组成部分。同时,能源互联网即插即用的功能需要能量管理系统来管理在不同负载时的转换器和通信。该系统可以基于本地信息进行快速响应,而当电压下降时,电网故障或者停电等事件发生后,系统可以从电网平滑切换,自动实现孤岛运行。
3.5相关信息技术
目前,中国首个开放开源为主导的能源建设云平台已经由中国电力建设集团有限公司建立。该公司以“互联网+能源”为主导,通过互联网技术,结合大数据、云计算、物联网及智能硬件技术,成功开发了电建云平台。能源互联网的开发和发展能够驱动传统能源建设行业在工程、流域、资源等方面进行整合和产业升级。云计算可以根据即时网络数据,按需进行信息提取和分析计算,具有方便快捷、可靠性高等特点。大数据领域中的关键技术有:海量信息的采集、数据存储、信息数据的预处理及其分析应用等。能源互联网的数据量比传统能源数据量要大,且种类繁多,其中包括能源传送、用户能源用量、电动汽车的接入、电能计量及分布式电源、能源日常的运行管理等数据,所以大数据的发展和应用起着至关重要的作用。
结论
综上所述,随着互联网技术的融入,能源、交通、建筑等各大行业将会形成有效交互和融合。能源在现代工业生产中占有重要地位,能源互联网将会有更广阔的未来。
【参考文献】:
关键词:风电 发展瓶颈 对策
Research on the Bottlenecks in the development of wind power in China and Countermeasures
He Weijun Chai Xiaona
College of Economics and Management,Three Gorges University
Abstract:In China, wind power is as the representative of the clean energy, greatly improving our existing energy structures and providing a way to achieve the low carbon economy. But in recent years, China's wind power has encountered many bottlenecks for the rapid development, such as the rate of accessing to the grid is lower , adjusting the peak is more difficult and the wind resource assessment has bigger errors and so on. The paper aims to analyze these bottlenecks based on the status of the wind power industry, and give the appropriate countermeasures: strengthening the collaboration between the wind farm and the grid, and paying attention to the construction of peaking power. So as to provide a constructive reference for optimizing our wind power industry, and maintaining the sustainable development of socio-economic.
Key words:wind power;bottlenecks in the development;countermeasures
1、我国风电产业发展的现状
从上世纪80年代,风电起步,发展至今已有30多年,风电技术不断取得突破,规模经济效应日益明显,在各类可再生能源中,风电在目前的技术成熟度和经济可行性等方面最具竞争力,是目前最具成本优势的可再生能源。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风电作为可再生能源中最有开发利用和商业化发展前景、最具规模开发条件和技术最成熟的发电方式之一,已成为全球能源工业关注的热点,也成为全球投资者们广为关注的行业之一。到2020 年,我国可再生能源将占总能源需求的15%,其中并网的风能预期达到3%,即到2020年风电装机总容量将达到80GW[3]。以风电为龙头的清洁电源形式对于改善我国电源结构,实现能源开发对环境友好、可持续发展以及二氧化碳减排具有重要的战略地位。在目前的形势下,可以优先发展风电行业,然后带动其他种类的新能源共同发展。这样可以缓解目前多种新能源同步发展的造成的人力、资金的紧张局势。但现阶段,我国风电快速发展的同时不可避免的遇到了一些发展瓶颈,亟待解决。
2、我国风电发展的瓶颈
2.1 风能资源评估误差大
风能资源评估和风电场微观选址技术还难以准确地估算出风电场在寿命期(比如20年)内的上网电量,往往实际风电项目销售电量小于项目建设之前可行性研究测算的数值。由于现有的欧美商业软件建模时考虑的地形与我国差别很大,造成风电场储能分析及微观选址不准。又由于全国风资源调查不够细致全面,风资源测量分析方法不完善,这些因素都增加了风电的成本,阻碍了发展规模和速度,因此迫切需要采取措施提高风电的评估系统的技术水平。
2.2 风电专业人才匮乏
风电产业整体人才的短缺依然是我国风电行业与发达国家存在巨大差距的根源所在。风电企业的发展受专业技术人才缺少制约,特别是总体设计人才,高级技术工人以及风电场运行和维护人员等严重匮乏,这样就使得人力资源成为行业发展的瓶颈。据有关企业初步统计,国内各类风电人才的缺口将达10万人以上。实现可再生能源发展规划2020年目标,中国需要至少35万风电专业人才[4]。另外,我国目前开设风电专业课程的高校为数也不多,仅仅有十几所院校,这更加剧了企业试图在高校招聘到“心满意足”的风电稀缺人才的尴尬。
2.3 风电发展重速度轻质量
2011年,我国风电仍保持快速增长势头。根据中国可再生能源学会风能专业委员会最新统计,2011年,我国(不包括台湾地区)新增安装风电机组11409台,装机容量17630.9MW,累计安装风电机组45894台,装机容量62364.2MW,年增39.4%,位居第一,这也是中国连续两年风机装机量位居世界第一[5]。中国可再生能源学会风能专业委员会的统计数据还提到,2011年全国约有100亿千瓦时风电电量被限发,创造历史最高值。根据电监会的统计,2011年我国部分省市风电弃风达20%左右,“三北”(东北、华北和西北)一些风资源丰富的地区或超过30%,直接经济损失达近百亿元[6]。从风机质量上看,我国在风机设备制造、安装、维护、检测等整个产业链相关的技术标准体系中,大多数采用的是欧洲标准,在面对我国特殊的风电状况时频频出现“水土不服”的问题。加上一些风电企业片面追求低成本,导致风电项目因风机质量不达标造成事故屡屡出现。我国是目前世界上增长速度最快的风电市场。但风电发展速度与质量之间的矛盾日益凸显,值得我们反思。
图1 2001-2011中国历年新增及累计风电装机容量
2.4 调峰制约风电发展
风电的随机性给电网的稳定运行带来影响,同时,还存在与其他电源的冲突。因为风电的不稳定性必然要求其他电源进行调峰,但这必然会增加其他电源的额外成本。目前,电网严重缺少便于调峰的水电、抽水蓄能电站以及燃气电厂。作为一种具有间歇性和随机性的风电,当其作为一种电源接入到电力系统的时候,如果不做预测和调度管理,就需要在电力系统当中留有与风电容量相等的备用容量。这也就是要保证,当无风或者少风的时候,电力系统中的其他电源能够“顶”上来,保证电力系统的正常运行;当有风的时候,其他电源能够“让”下去,使风电接入电网[7]随着风电在电源中比例的增加,电力系统的峰谷差会进一步变大,这就需要进行更大幅度的调峰,如果仍然采用电力系统留全部风电容量备用的方式,电力系统将无法正常运行。
2.5 风电并网率低
风电并网率低的原因主要由:①缺乏风电消纳方案,与风电并网相关的发电项目输送线路、网架结构电网建设相对滞后,繁琐的并网工作以及并网后电网效益的不确定性也致使电网公司对于接纳风电投资的积极性低下;②过度集中的风电分布使得电网难以消纳[8];③我国风电产业发展太快,行业标准没有及时跟上,风机不具备低电压穿越等技术能力,导致风机不能正常并网发电[9]。如果仅仅将风机与电网物理连接,这非常简单,但并不能解决问题。风电并网归根结底是要合理、有效地利用风电,这就是一个相当复杂的系统问题。电网规划滞后,许多风电开发项目距离负荷区很远,以致配套的大容量电网、输电通道和基础设施都跟不上风电发展的速度。
2.6 风电扶持政策不完善
我国现有风电产业扶持政策体系还不是很完善。例如在风电项目的招标机制、清洁能源的税收激励机制、减少碳排放的补贴机制等尚存在不完善或不到位, 甚至缺失等问题[10]。产业技术标准认证等产业管理体系尚未完全建立, 存在着无序开发、不合理竞争、管理不规范等混乱现象; 需要进一步从政策及配套体系上予以规范和完善。
3、我国风电突破发展瓶颈的对策
3.1建立反映中国特色的风能评估体系
我国版图内地形复杂,气候多样,例如,三北地区的高风沙现象;沿海地区的台风频繁;风场野外环境使风机叶片经常黏附沙尘,冰霜,昆虫尸体及盐粒等;我国复杂山区地形占总面积70%;低风速地区约占全国陆地总面积的68%[11]。这些风场特点与国外区别较大,这就要求进行风机叶片乃至整机设计时,改变原有的国外设计思路与标准,开发适合于中国风场气候特点的机组设计新方法或新标准,真正使我国的风机发挥最大发电功效,同时有效降低成本。
从技术上讲,风能评估体系的提高将有助于捕获更多的风能。从经济上讲,在保证高效利用风能的前提下,也可避免由于选型不当而导致造价上升。由此可见,开展反映我国地形特点,特别是复杂山地地形特点的风场模拟系统,为将来打破国外垄断,自主开发有中国风场特色的风资源评估技术是非常有意义的。
3.2 大力培养风电运维人才
在“十二五”期间国家将加大教育经费投入,对于“实现更高水平的普及教育、形成惠及全民的公平教育、提供更加丰富的优质教育”,将起到至关重要的作用。2012年实现4%是保障“十二五”期间教育经费投入的核心问题。在国家宏观政策的大力支持下,各个学校应把握机遇,加大对风电人才的培养力度,尽快形成较强的研发能力。
风电产业的科学发展,必须紧紧围绕科技创新这个龙头,只有通过基础研究与工程实际相结合,国外技术与中国实际相结合,努力实现产、学、研三者的成功对接,从而不断提高我们的设计水平和研发实力,培养出自己的既掌握风电理论又具有风电工程设计实践经验的复合型人才,才能使我国风电产业得到健康发展。同时,加大对风电企业在职人员的培训,了解掌握国际风电前沿知识和技术,并从思想上做到与时俱进,从行动上勇于开拓创新。加大人才培养投入有利于提高企业的技术水平和设备质量,降低企业的成本和避免同质化、低层次的竞争,有助于提升企业的核心竞争力。
3.3 加强调峰电源建设
建设调峰电源对解决风电发展的问题非常关键。在提高现阶段机组调峰能力的基础上,增加调峰电源的数量,比如多建设抽水蓄能、燃气发电等调峰电源,并加快调节性能好的大型水电基地建设,以满足系统调峰需求,促进风电与调峰电源协调发展。
此外,抽水蓄能电站的选址和规模要考虑到各负荷区的电力供应结构的特点。应大力开发站址条件好、单位投资成本相对较低的抽水蓄能电站。我国天然气储量不是很大,且很难用于建设大规模燃气发电机组,所以不可能大规模集中发电,但燃气发电机组启动快且运行灵活,用来作为调峰电源,其力量也不可低估。水电的响应快,这也是调峰电源不可缺少的。风电与这三种调峰电源协调发展,对改善电源结构有积极的影响。虽然这些技术手段不能从根本上解决风电调峰问题,但在现阶段可以有效缓解风电对电力系统调峰的影响。
3.4 加强风电场与电网建设发展
对于电网来说,只有电力是可控、能适应系统扰动且抗故障能力较强,当负荷需要的时候才有供应保障,但目前风电不能满足这些要求。因此,风电场与电网之间要加强协调。风电场努力改善发电特性,增强风电可控性、响应能力、抗干扰能力。电网也要同步规划风电并网的相关事宜。双方加强协调,共同为我国的风电发展出一份力。
风电并网管理是我国“十二五”时期风电发展的重点,包括规划风电接入系统工程,完善风电并网技术的国家标准,开展风电机组并网认证以及规范风电并网调度协议等。另外,我国也可以借鉴国外风电发展已经很成熟的风电并网规则,对大型风电并网提出严格的要求,对并网机组的电能质量提出较为规范的约束标准。因此,只有当电网足够坚强、灵活时,才能够支撑风电规模化、可持续发展。只有当风电并网进行销售且获得良好的回报时,才会进一步提高企业对风电开发的积极性,同时也有助于加快国家对其他新能源开发的脚步。
3.5 加强国家对风电的调控力度
国家规定电力企业要全额收购风电的发电量,但实际情况并不尽如人意。所以目前更应加大监督执行力度,不能制定出法律条文是一回事,而在监督电力企业执行力方面又是另一回事。否则“弃风”、“窝风”现象还会一直出现。《可再生能源法》和国家有关部门都明确规定,电网企业要确保按国家规划建设的可再生能源发电上网和国家规定的价格收购可再生能源发电。电网没有动力主动去接纳风电,从这个角度讲,电网是在明知故犯。电网不配合严重阻碍了风电的发展。在这种情况下,国家需要给电网强制规定可再生能源发电配额。为了尽可能地增加电网接纳风电电力,国家还需出台一些激励措施,引导和鼓励企业和电网互相开展风电新技术的研发和应用,形成一条心,这样就可大大提高风电的发展速度,同时也为其他新能源提供借鉴并带动其他新能源的快速发展。
4、结语
总体来说,风电发展到一定阶段不可避免地遇到了上述的发展瓶颈。那么,我们就应该及时地采取对策来解决这些已经存在的问题。加大对风电科技的研发投入力度;积极培养风电人才,攻克技术难题;加大风电发电的可靠性以提高并网率;积极消纳风电,取得可观的经济和社会回报;改善政策扶持等。同时在“十二五”期间, 我国还应加大风电发展,以更快速度朝更大规模、更加优质的方向发展。尤其是近几年海上风电的快速崛起,作为新的发展领域,应抓住机遇,来更好的应对能源结构调整,减排目标的实现。在认真总结经验的基础上,跟踪世界前沿,发挥风电的优势,促进我国风电资源的有序开发和产业的持续发展。
注释:
[3]2011-2020年我国能源科学学科发展战略报告(第四稿)[R].北京:能源科学学科发展战略研究组,2010.
[4]内蒙古引进风电人才需求[EB/OL]. ,2011-07-11/2012-05-01
[5]李春莲.风电场窝电严重[EB/OL]., 2009-08-05/2012-05-01.
[8]我国风电发展主要问题分析[EB/OL]. ,2012-02-18/2012-05-01.
[9]新国标将终结风电发展“”[EB/OL].省略/Article/31501.html,2011-09-06 /2012-05-01.
生物质能是一种以生物质为载体的能量,这种能量直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能蕴藏在生物质内部。生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。生物质能资源通常指农业废弃物、林业废弃物和畜禽粪便等现有的废弃型资源,此外还包括专门种植的能源植物。二氧化碳(CO2)是导致温室效应的主要气体,而生物质燃烧所释放出的二氧化碳(CO2)大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的二氧化碳(CO2),因此生物质能利用的二氧化碳(CO2)排放可被认为是零。
生物质气化顾名思义,是将固态的生物质转变为气态的生物燃气利用,这个过程是通过生物质在高温条件下与氧气和/或水蒸气反应,转化为氢气(H2)和一氧化碳(CO)等可燃气体。生物质气化和我们比较熟悉的燃烧虽然都是在高温条件下进行,但还是有重要的区别。燃烧是在氧气充足的条件下生物质完全燃烧,其中蕴藏的化学能全部转化为热能,反应产物为二氧化碳(CO2)和水(H2O);而气化则是在缺氧条件下生物质不完全燃烧,尽可能地减少二氧化碳(CO2)和水(H2O)的生成,从而将生物质的能量以化学能的形式保留在氢气(H2)和一氧化碳(CO)等可燃气中。
生物质气化产生的可燃气,也称为生物质气化燃气,利用范围非常广泛,既可以用来集中供气、替代化石燃料,还可以用来发电,甚至可以进一步变身成为液体燃料。
将生物质气化燃气通过集中供气系统,供给到居民家里,可以供居民进行炊事和采暖。自1994年山东省桓台县东潘村建成中国第一个生物质气化集中供气试点以来,山东、河北、辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津等省市陆续推广应用,在2000年前后达到了一个高峰。相关规范和制度正逐步完善,生物质气化集中供气应用在中国农村能源建设中稳步推进。
生物质气化燃气还可以替代工业锅炉/窑炉使用的化石燃料。工业锅炉和工业窑炉是我国能源消耗和污染排放的大户。而生物质气化产生的可燃气体,可不经净化直接应用于燃料品质要求较低的工业窑炉,如钢厂的轧钢加热炉,水泥厂的水泥回转炉;经过净化后的燃气可应用燃料品质要求较高的工业窑炉,如发电厂、陶瓷厂的窑炉。广州能源所及其合作公司已将生物质气化成功应用于工业锅炉、钢材煅烧炉、熔铝炉、熔铜炉、不锈钢退火炉等,燃烧效率可达到99%以上,节能减排效益显著。利用生物质气化燃气代替化石燃料,既节能又环保。