国内外新能源应用现状与发展前景
国内外新能源应用现状与发展前景
姓名：丁仲侣
院系：自动化院电气工程及其自动化专业
班级：电气一班
学号：1010190102
指导老师：蔡卫峰
摘要：在全球的电源结构中，传统化石燃料也仍然占据绝对主流地位，占全部发电量的60%以上。一次能源的大量消耗导致全球能源短缺和气候恶化，已经成了迫在眉睫的全球性问题。在巨大的环境压力下，全球积极开发应用新能源，在传统的火电、水电的基础上，大力发展核能、太阳能、风能等新能源发电。与常规能源相比,新能源最大优势是地域分布比较均衡且资源量巨大,其资源量相比人类需求来说,可谓资源无限。开发利用新能源有利于优化能源消费结构、保护生态环境、保障能源安全。同时也是拉动内需、培育新的经济增长点、增加就业机会、促进经济和社会可持续发展的战略选择。新能源大多存在能量密度低、资源分散等问题,难以在短时期内大规模替代化石能源,对其开发利用需要在技术、成本、管理等诸多方面做更大努力。
关键词：不可再生能源新能源发电技术开发利用现状发展态势研究热点发展前景与展望
引言：本文将主要围绕21世纪中期的主要能源和人类如何最终解决能源问题做出探讨。
新能源与可再生能源．是指除常规化石能源和大中型水利发电、核裂变发电之外的太阳能、风能、生物质能、海洋能以及地热能等一次能源这些能源资源丰富、可以再生、清洁干净，是最有前景的替代能源．将成为未来世界能源的基石。
可再生能源具有清洁、环保、持续、长久的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。联合国环境规划署2009年全球可持续能源投资趋势报告显示，尽管全球投资市场普遍疲软，但2008年全球可再生能源投资达1550亿美元，再创历史新高。2008年全球可再生能源投资总额较2007年增长5％。据专家预测：到本世纪50年代，新能源和可再生能源在全球能源消耗中的比例将达到50％。
从可持续发展看，人类当前主要依靠的化石能源终将耗竭，未来的主要能源只能依赖于可再生能源和受控核聚变能，对此，科技界已形成比较一致的共识。近年来，世界已开始了向可持续能源系统过渡的积极努力，期望在二十一世纪上半叶能形成初始的体系框架，发展大规模可再生能源是主要措施之一。
正文：
1.不可再生旧能源
21世纪中期天然气、石油、煤炭依然是人类的主要能源，而各种新能源将会得到很大发展，作为辅助能源。
（1）天然气：天然气是21世纪消费量增长最快的能源，石油和煤炭消费领域里有70%以上都可以用天然气取代。由于天然气具有较好的经济性与环保性，成为市场上最受欢迎的能源品种，在传统能源中增长最快。
“天然气——21世纪的能源主角”已成为人们的共识。我国、俄罗斯、中亚、中东和
亚太地区天然气储量都极为可观。除了常规天然气外，世界上还存在储量巨大的非常规天然气储量，如天然气水合物，即“可燃冰”，它被视为未来的清洁能源。我国南海海底的天然气水合物储量就相当于我国现有石油储量的一半。然而，虽然由于天然气水合物大部分赋存于低温高压的深海海域，开采和利用难度大，还容易扰动海底环境，一旦开采不当，导致甲烷气体大量泄漏，可能会造成海啸、海底滑坡、海水毒化、温室效应等灾害。所以开发“可燃冰”的技术还不够成熟，在它成为人类能源之前还需要一定的科技发展。天然气将是21世纪的能源主角，加快天然气工业的发展将成为不可扭转的趋势。
石油：纵观全球石油供求的形势，一个基本的判断是：预计在21世纪中叶，全球石油供求基本平衡的大格局不会发生根本性的变化，石油仍将是世界的主要能源。全球经济和交通运输业的发展，也将会导致石油需求增长而不是下降。
据国际能源机构的预测，全球石油可采资源总量预测为5000亿吨，目前探明的剩余可采石油储量1700多亿吨。按年产油38亿吨计算，石油储采比40：1。也就是说，即使今后不再发现新的石油资源，理论上还可以开采40年。
市场需求增长、新技术出现与地缘政治事件等正一起改变着石油能源作用与地位。“从商业上讲，不需要没完没了地进行石油勘探开发，勘探开发到一定程度，石油企业的积极性就会下降。”金融危机改变了前几年石油消费增加趋势的状态，现在国际油价并没有往下落，而且保持在一个相对比较高的程度，这是因为石油供应方在控制产量。
煤炭：21世纪煤炭仍是人类赖以生存的主要能源之一，作为主要基础能源的地位不会改变。原因主要有：煤炭资源丰富，全球探明可采煤炭储量10316．1亿吨，按目前生产水平可开采200年以上，而石油仅45年，天然气仅65年；煤炭作为传统能源，开采、使用技术成熟，并已形成规模的生产、应用链；洁净煤技术的推广应用已可能使煤炭成为清洁、无污染燃料。
煤炭在能源发电、生产、消费中仍处于不可替代的重要地位。
煤炭本身不是污染，是可以通过技术进步实现洁净利用的；从可采资源、保障供应、经济性和技术等方面看，煤炭仍将是不可替代的基础能源，提供优质煤炭、保障能源供应、提高煤炭效率、减少煤炭污染，是21世纪煤炭工业的重要责任。（1）
2、国外新能源发电技术发展情况：
随着全球范围内能源危机的冲击和环境保护及经济持续发展的要求，开发利用新能源和可再生能源成为大多发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。
（2）2．1 太阳能发电：美国是世界上太阳能发电技术开发较早的国家，太阳能槽式发电系统已经积累了10多年联网营运的经验，1×104kW 塔式和5～25kW 盘式太阳能发电系统正处于示范阶段。法国、西班牙、日本、意大利等国太阳能发电的应用也有一定发展。太阳能光伏发电最早用于缺电地区，从80年代开始，联网问题得到很大重视。目前，在世界范围内已建成多个兆瓦级的联网光伏电站，光伏发电总装机容量约1×103M W 。
2．2 风力发电：风力发电经历了从独立系统到并网系统的发展过程，大规模风力田的建设已成为发达国家风电发展的主要形式。目前，风力田建设投资已降至1000美元/kW，低于核电投资且建设时间可少于一年，其成本与煤电成本接近，因而具有很大的竞争潜力。世界上最大的风力田位于美国加利福尼亚州，年发电约221×108kW.h。全世界风电装机容量已达17706MW。美国将在俄勒冈州至华盛顿州沿线建立一个世界最大的风力发电基地，德国计划30年后用风力发电取代核电，风力发电在德国供电系统中的比重将占到25 %。
2．3 地热能发电：地热发电的相关技术已经基本成熟，进入了商业化应用阶段。美国拥有世界上最大的盖塞斯地热发电站，装机容量达2080MW。菲律宾的地热发电装机容量也高达1050MW，占该国电力装机总容量的15 %。目前全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1×104MW，分布在20多个国家，其中美国占40%。
2．4 海洋能发电：目前，世界各地已建成了许多潮汐电站，其中规模最大的是法国的郎斯电站，装机容量240MW。规模较大的还有加拿大的安那波利斯电站、中国的江厦电站和幸福洋电站、原苏联的基斯洛电站等。
2．5 生物能发电：城市垃圾发电是30年代发展起来的新技术，最先利用垃圾发电的是德国和美国。目前，美国垃圾焚烧发电约占总垃圾处理量的40％，已建立了几百座垃圾电站，其中底特律市拥有世界上最大的日处理垃圾4000t的垃圾发电厂。日本城市垃圾焚烧发电技术发展更快，垃圾焚烧处理的比例已接近100%。
2．6 燃料电池发电：美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。日本也大力开展燃料电池及发电技术的研究，仅磷酸型燃料电池(PAFC)发电装机就已超过30MW。加拿大、韩国以及欧洲许多国家也在燃料电池的研究与应用上取得了很大进展。目前，PAFC 是技术最成熟、商业化应用最广泛的燃料电池，其价格已降至1500美元/kW。已有数百座PAFC型电站在美国、日本以及欧洲各国投入运行，容量最大的是东京电力公司的五井电厂(11MW)。（2）
3、开发利用概况：
不同种类的新能源在资源分布、技术难度、使用成本等多方面存在相当大的差异,因而新能源的开发利用程度各不相同。在新型可再生能源中,太阳能、风能、生物质能和地热能发展势头良好,已经进入或接近产业化阶段,尤其是太阳能热水器、风电以及生物燃料,已经形成较大的商业规模,成本也降至可接受水平。核能技术已经成熟,核电在国外已过发展高峰期,在我国则刚刚兴起。核聚变、氢能、天然气水合物、海洋能仍处于研究和发展之中,距离商业化还有较大距离。
（5）截止到2009年2月,全球核电装机已达3.72亿kW,年发电量2.6万亿kWh,在全球一次能源结构中的比重约为6%左右。相比而言,新型可再生能源的开发利用程度还很低,以2006年为例,其在全球一次能源供应量中的比重仅为1%左右,占全部可再生能源的比例也仅为8%左右。2007年,全球新型可再生能源发电装机量为1.65亿kW,相当于全球电力装机总容量的3.7%。德国、美国、西班牙、日本等发达国家的可再生能源产业化水平已达到较高程度,其市场规模和装备制造水平跟其他国家相比具有明显优势。我国也是世界重要的可再生能源大国,太阳能热水器产量和保有量、光伏电池产量、地热直接利用量以及沼气产量都位居世界第一。不过,我国对新型可再生能源的开发多集中在技术含量较低的供暖和制热领域,在可再生能源发电技术水平和利用规模方面跟国外相比还存在较大差距。我国新型可再生能源发电装机容量仅为905万kW,占全球5.5%,远低于我国电力装机总容量占全球16%的比重。（5）
3、世界主要国家新能源发展态势
20世纪70年代石油危机之后，世界各国对替代能源的兴趣和研究逐渐热络起来。1981年8月，联合国在内罗毕召开新能源和可再生能源会议，推动了利用新能源和可再生能源的升温。
（3）美国：奥巴马新政府将推广可再生能源作为保障国家安全、提供就业机会、降低二氧化碳的排放量、净化空气、减小对进口石油依赖的重要途径之一。奥巴马政府已明确提出，把“绿色能源计划”作为“美国复兴和再投资计划的重要内容，将投入上千亿美元支持新能源技术的研发和推广。
德国：2000年通过了可再生能源法，保证可再生能源的地位。确定了以下几个重点领域：(1)大力发展风能，促进现有风力设备的更新换代。(2)将清洁电能的使用率由2004年的12％提高到2020年的25％一30％，将热电年供的使用率提高25％。(3)至2020年，建筑取暖中使用太阳能、生物燃气、地热等清洁能源比例由2004年6％提高2020年14％。
目前，高效聚光太阳能电池效率已经达到32%，高效平板太阳能电池效率达到25%~28%。世界最大的太阳能电池生产厂年产电池36MW，价格在3~4美元/峰瓦，并且正在设计制造年产500MW的生产线，力球使电池价格进一步降至1美元/峰瓦左右。届时，太阳能光伏发电的成本将降至6美元/kW.h，可以与火力发电进行价格竞争。
4.2大型风力发电机组：风力发电机组是风电系统的关键设备，很多国家为此进行了大量投资，就风轮机的材料、结构、发电机控制技术、功率容量以及可靠性等展开研究，其技术也取得了长足的进步。主要表现在：①单机功率逐步增大。80年代中期，商品化机组的单机功率只有55kW，目前，单机功率已上了兆瓦级，1MW以下的并网风力发电机组单机技术已经成熟。②由于控制技术的改进、设计水平的提高以及新型材料的运用，机组功率曲线改善，运行可靠性不断提高，故障率显著下降。③运用先进的计算机控制技术，能实现对机组的远程集中监控和通信，从而可做到无人值守运行。
4.3地热发电设备：当前营运的地热电站主要采用水蒸汽发电或双循环发电方式，全流发电和干热岩体发电等形式正在研究开发中。地热发电设备的主要发展趋势，一是便于安装和移动的3~5MW小功率积木式机组，二是为了利用量大面广的85~130℃的地热水而开发的低沸点有机工质朗肯循环机组。此外，热泵技术、防腐技术、去垢技术及其相关材料，也正处于积极开发和完善阶段。
4.4最大能量跟踪技术：在不同的光照强度和电池温度下，太阳能电池的最大输出功率(MPP)点是不相同的。为了得到最佳的能量利用效率，必须采取措施使电池的输出自动跟踪气候条件的变化，最大能量跟踪技术就是针对这一问题而提出的。最大能量跟踪的常用方法是：首先使输出电压产生一个微小的变化量，然后通过判断输出功率的改变方向(增大还是减小)来决定下一步输出电压的改变方向，使电池输出电压不断朝着使输出功率增大的方向改变，从而使电池总是工作在MPP点附近。其缺点是跟踪速度不够快，特别当光照或者温度改变频繁时更慢。文献[4]提出了一种改进方法，其思路是通过反馈控制使电池输出功率与输出电压的微分dρ/dυ趋于零，从而使电池的工作点总是指向MPP点。这种方法的优点是MPP 点对应于dρ/dυ=0的点，而且这种关系不随光照和温度而改变。
4.5并网技术：独立发电系统容量不太稳定，电能质量不佳，调节能力有限，投资成本较高，为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已是大势所趋。为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这就牵涉到功率因数较正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术，这正是当前各个国家研究的热点，也是我国国内新能源发电技术中最薄弱的环节之一。目前，国外单向功率变换技术已经基本成熟，三相大功率变换技术则还有很多值得研究的问题，如具有高效率的系统主电路结合设计、低损耗的软开关技术以及单位功率因数的实现技术等。
4.6燃料电池技术：燃料电池的关键技术涉及电池容量、性能、寿命、价格等商业化有关的项目，主要包括新的电解质材料和催化剂的开发、各种材料电池性能的比较和优化、大功率电池制造等。磷酸型燃料电池的研究集中在提高可靠性和减小体积；溶融碳酸盐型燃料电池的开发集中于其寿命和发电特性的改善；固体氧化物型燃料电池的重要课题是材料的耐高温性及稳定性。（5）
5、前景：
大力发展可再生能源，对于中国未来应对世界能源危机有重大意义。过去有专家认为，可再生能源虽然先进，但在能源结构中的比例不过是2%、3%，起不了大的作用。这话不完全错，因为可再生能源现在要起主导作用确实还不行。但就目前来说，它可以起到一些补充作用，特别是在边远地区、不发达地区和农村地区，可再生能源能够显示出更多的优越性。这些地区不像大城市聚居地，可以集中为其供应能源，它们很偏僻、很分散，如果要靠长距
离拉线供电，那就比较困难。比如说某个山顶有一幢别墅，接电线的话可能相当麻烦，但要是在那里利用可再生能源供电，相对就比较容易。我在美国参观过一位科学家位于山顶的房子，他称其为“零能源建筑”，主要利用太阳能、建筑节能等技术，而不需要用化石能源。中国的一些边远地区，例如西藏，缺少化石能源，如果从外地输入，不仅花费大而且还会破坏那里的生态环境，所以这些地区可以重点发展太阳能电站、地热电站等。
可再生能源的重要作用在于未来它是一种替代性能源。欧洲国家的减排目标，几乎是靠可再生能源的替代来实现。虽然我们现在大量使用煤、电、油、气，但不能轻视可再生能源，因为它在未来会起主导作用，这个历史的趋势不会改变，只是时间长短的问题。
中国可再生能源（包括水能）的发展目标是到2010年在能源消费中的比重达到10%，2020年达到15%，这个目标我认为是非常雄心勃勃的。因为我们首先一定要考虑到中国总能源的增长速度是相当快的，一年增长一亿千瓦，比有些国家的整个装机容量还大。在这样的情况下可再生能源还要在整个能源结构中比例上升，其增长速度就必须比能源增长的整体速度还要快。现在总能源增长速度超过了10%，那么可再生能源增长速度要保证20%甚至30%，这样的目标任重而道远。所以除了有高远的目标，我们还得脚踏实地，做好当前的工作。
6、新能源发电技术发展展望
（6）风力发电是当今新能源开发利用中技术成熟、最具备开发条件、发展前景良好的项目，自90年代以来，风电的年增长率一直保持了两位数的百分比水平。目前，由于风机单机容量的增加和电站建设成本的下降，风电价格已经可以与石油、煤、天然气发电以及核电的价格相竞争，一个世界范围内的风力发电高潮已经到来。除了陆地以外，海上风电场也将得到开发。预计到2020年，风力发电将可提供世界电力需求的10%。
太阳能电池是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，估计今后10年将以每年20%~30%甚至更高的递增速度发展，其作用也将逐步由作为农村和边远地区的补充能源向全社会的替代能源过渡。太阳能薄膜技术将获得突破，电池成本将不断下降，太阳能集成建筑将快速发展，并网技术将普遍推广应用。太阳能利用的另一个发展方向是空间太阳能技术。其斯大林我想是在地球外层空间(卫星、月球等)建立太阳能发电基地，然后通过微波将产生的电能传输到地面上的太阳能接收装置。而如何实现对电能的远距离空间传输，是必须解决的关键问题。总之，"太阳能将在21世纪取代原子能作为世界性能源，唯一的问题是在2030年实现，还是在2050年实现。"--世界著名的太阳能专家施密特教授的论断颇耐人寻味。
燃料电池技术将进一步发展，容量增大、性能提高、寿命延长、价格下降是其发展趋势。燃料电池发电的低噪声、高效率、无污染性能符合未来社会的发展趋势，其优越的运行稳定性和简单的运行方式是火力发电难以比拟的，燃料的多样性和来源的方便性使燃料电池不存在应用上的障碍。
海洋能、地热能发电产业将快速发展，城市垃圾发电技术将得到高度重视，并在世界范围内快速、普遍推广。专家预测，到本世纪中叶，新能源与可再生能源在整个社会能源构成中将占到50%。（6）
结束语：
负荷持续增长，能源需求不断增加，同时电力系统结构的不断老化，环保问题、能源利用率瓶颈以及用户对电能质量的高标准要求，己成为世界各国电力工业所面临的严峻挑战，所以开发利用可再生能源，构建可持续能源系统成为各国的共识与必然的发展趋势。但是随着新能源并网发电容量的不断增加，对传统电网的影响也越来越大。
新能源蕴藏量极为巨大．但大多数是分布广泛而品质较低的能源。如太阳能、风能具有季节性、随机性、间歇性等特点。因此，如何提高发电效率、降低发电成本并安全、可靠运
行．需要解决大量的理论和工程问题，还需要广大科技工作者的不懈努力。
在全球能源危机和环境恶化的影响下，新型绿色能源，开发潜力相当大，受到国际普遍重视，纷纷制订了相关的激励政策和措施，然而各国的开发现状并不一致，所遇到的问题与解决途径也各不相同，相信通过交流能相互促进，减轻全球的能源危机，新能源开发的明天将是辉煌的。
参考文献：1、《对人类未来能源问题的探索》——中国科技大学韩耀刚
2、《新能源发电的调研报告》——流程
3、《可再生能源技术的发展研究》——华东理工大学化工学院王梦雪
4、《新能源发电技术研究现状和发展趋势》——徐爱华
5、《新能源发电技术概况及发展趋势》——刘军
6、《新能源发电前景》——王安邦
感谢蔡卫峰老师的悉心指导！