國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 苗 青 王 霞 北京振中電子技術(shù)有限公司 紀(jì) 蘋

風(fēng)能和光能屬于清潔型能源，在實(shí)際運(yùn)行中擁有低成本、無污染等優(yōu)勢，符合新時(shí)期的綠色發(fā)展要求。因此，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源技術(shù)在當(dāng)前的電力生產(chǎn)中得到廣泛利用，相應(yīng)技術(shù)也是現(xiàn)階段較為常用的集中新能源發(fā)電重要技術(shù)，為促進(jìn)現(xiàn)有電力生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化創(chuàng)新，需要針對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，促進(jìn)我國電力生產(chǎn)系統(tǒng)不斷創(chuàng)新。

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)電以及太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展，并受到人們廣泛關(guān)注，特別是在相關(guān)技術(shù)體系實(shí)施中具有獨(dú)特優(yōu)勢。立足于主觀層面進(jìn)行分析，風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電技術(shù)能夠滿足城市居民基礎(chǔ)用電需求，同時(shí)具備重復(fù)再生特征，滿足我國當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展訴求。筆者認(rèn)為，風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展和持續(xù)性應(yīng)用，需要不斷深化技術(shù)創(chuàng)新研究，突破現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)，提升電能綜合質(zhì)量，擴(kuò)大電能綜合生產(chǎn)效率[1]。

2 風(fēng)電與光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 風(fēng)電應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為一種主流發(fā)電技術(shù)，結(jié)合相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)分析，全球風(fēng)能總量達(dá)到2.74×109MW，對(duì)應(yīng)可利用風(fēng)能達(dá)到2×77MW。風(fēng)能屬于可再生、清潔能源，廣泛應(yīng)用于發(fā)電生產(chǎn)當(dāng)中，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，發(fā)展?jié)摿^大。我國2020年年底新增裝機(jī)容量達(dá)到19087萬kW，風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到7167萬kW，所占比例達(dá)到37.5%，風(fēng)電裝機(jī)總計(jì)突破2.8億kW。

2020年風(fēng)電總發(fā)電量達(dá)到4665億kWh，在社會(huì)總用電75110億kWh 中所占比例達(dá)到6.2%，同比增長達(dá)到15%。風(fēng)力發(fā)電從技術(shù)體系以及技術(shù)原理層面分析較為簡單，從發(fā)電領(lǐng)域主要表現(xiàn)如下：基于風(fēng)力發(fā)電這一基礎(chǔ)載體能夠進(jìn)一步提升國內(nèi)綜合發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ?、工作與生產(chǎn)等多方面用電需求的切實(shí)滿足。持續(xù)改進(jìn)相關(guān)技術(shù)方法和技術(shù)體系，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)，結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)的融合利用，促使風(fēng)能的綜合利用率持續(xù)提高，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 風(fēng)力發(fā)電工作原理

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)實(shí)際運(yùn)行中，想要進(jìn)一步提升發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量，需要進(jìn)一步增加塔架高度、延長葉片長度。但該種措施并不適合所有發(fā)電機(jī)組，為此需要不斷深化研究，促進(jìn)技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新，這也是未來電力產(chǎn)業(yè)主流發(fā)展趨勢。此外，風(fēng)力資源擁有可持續(xù)利用特征，在電力生產(chǎn)中能夠發(fā)揮出節(jié)約能源、控制環(huán)境污染等成效。尤其是在可再生能源總量持續(xù)下降中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用前景擴(kuò)大。比如，創(chuàng)建風(fēng)電場能夠?qū)r(nóng)網(wǎng)、電網(wǎng)相關(guān)電力進(jìn)行有效補(bǔ)充，進(jìn)而滿足山區(qū)以及邊遠(yuǎn)區(qū)域日常用電要求[2]。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)全面推行背景下，我國電力供應(yīng)邁入全新局面，電能生產(chǎn)效率明顯提升。但是，受到社會(huì)高速發(fā)展、人口增加等多種因素的影響，傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)無法切實(shí)滿足現(xiàn)實(shí)的電能需求，因此必須落實(shí)對(duì)發(fā)電新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。針對(duì)具體發(fā)電量以及發(fā)電生產(chǎn)穩(wěn)定性開展深入剖析，促進(jìn)電價(jià)逐步降低，具體見表1。一些地區(qū)盡管擁有足夠電能，但卻未能得到充分利用，為此需要提高重視。綜合考慮成本、效益合理建設(shè)風(fēng)力電站，確保滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不斷完善技術(shù)體系、簡化相關(guān)技術(shù)措施，改善煩瑣復(fù)雜的技術(shù)程序，優(yōu)化發(fā)電質(zhì)量，提升發(fā)電生產(chǎn)效率。

表1 2020-2022年風(fēng)力發(fā)電電價(jià)表

2.2 光伏發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀

光伏發(fā)電技術(shù)主要是利用半導(dǎo)體材料，發(fā)揮出某種光伏效應(yīng)，從而進(jìn)一步使太陽能向著固態(tài)電能的方向轉(zhuǎn)變，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的高效利用。結(jié)合現(xiàn)有研究能夠明確的是，全球光伏發(fā)電總量約為67.4GW，而我國則僅僅達(dá)到3GW。2019年，我國相關(guān)補(bǔ)貼政策推出，2020年各種競價(jià)項(xiàng)目、平價(jià)項(xiàng)目落實(shí)，我國新增光伏裝機(jī)達(dá)到4820萬kW。立足于相關(guān)政策措施、電源成本以及光伏發(fā)電技術(shù)分析，預(yù)估2050年的光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀預(yù)估結(jié)果見表2。

表2 2050年光伏發(fā)電應(yīng)用狀況（商業(yè)用電為例）

應(yīng)用20MWP 并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)完成某光伏發(fā)電站的搭建，當(dāng)該光伏發(fā)電站穩(wěn)定投產(chǎn)運(yùn)行后，整年發(fā)電量可以提升至2714.25萬kWh。同時(shí)，在該光伏發(fā)電站實(shí)際運(yùn)行期間，發(fā)生故障棄光以及電網(wǎng)棄光等問題的概率更低，使月利用率以及發(fā)電單元利用率可以長期保持在100%的水平。可以明確的是，光伏發(fā)電技術(shù)本身所擁有的優(yōu)勢性明顯，可以更好抵抗多種外部因素的影響，提升無電區(qū)日常生活的便利程度，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益均保持在相對(duì)較高的水平。

相比于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)來說，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯，不會(huì)受到地域條件的限制，能夠?yàn)椴煌匦螚l件下的所有地區(qū)提供電力支持。光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生污染，但各種光伏組件的加工生產(chǎn)中容易影響環(huán)境。為此，需要重點(diǎn)關(guān)注光伏發(fā)電站的建設(shè)過程，在有效減少成本投入、控制設(shè)備內(nèi)耗基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制相關(guān)資源。相關(guān)電力企業(yè)應(yīng)該結(jié)合對(duì)本行業(yè)的制約因素，通過合理制定相關(guān)政策措施，優(yōu)化調(diào)整電價(jià)、完善行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，采取并網(wǎng)措施，確保其在創(chuàng)新電網(wǎng)綜合運(yùn)行體系基礎(chǔ)上，改善風(fēng)電并網(wǎng)問題[3]。

3 風(fēng)電與光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 風(fēng)電技術(shù)

筆者在工作中致力于對(duì)風(fēng)電技術(shù)的研究，特別是定速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，這也是一種借助雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電力生產(chǎn)的風(fēng)電技術(shù)措施，將小功率低感應(yīng)電機(jī)加設(shè)在低風(fēng)速區(qū)域；將大功率高速感應(yīng)電機(jī)加設(shè)在高風(fēng)速區(qū)域，以此展開電力生產(chǎn)。期間，如果在實(shí)際的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域內(nèi)，存在著現(xiàn)實(shí)風(fēng)速高于標(biāo)準(zhǔn)限度的情況，可以在葉片失速原理的指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的有效控制，對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，更為靈活地控制風(fēng)能的具體消耗。需要注意的是，在定速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行期間，該系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)最大值勢必會(huì)發(fā)生一定程度的偏差，使得風(fēng)能的現(xiàn)實(shí)利用率有所下降?；谶@樣的情況，需要企業(yè)風(fēng)機(jī)長期維持在低效運(yùn)行的狀態(tài)下。

以某風(fēng)電項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。在該項(xiàng)目中，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到19.2萬kW，擬在項(xiàng)目中完成60臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的搭建，分別布設(shè)在山脊北段、中段區(qū)域。2022年10月，該項(xiàng)目進(jìn)行了首臺(tái)機(jī)組的吊裝施工作業(yè)，預(yù)計(jì)到2023年9月完成全部機(jī)組建設(shè)并投入實(shí)際的發(fā)電生產(chǎn)。項(xiàng)目中采用B900B 型葉片，將其配套在東方風(fēng)電5MW 等級(jí)陸上風(fēng)電機(jī)組中，其中機(jī)組的葉輪直徑為183m，這種規(guī)格參數(shù)的葉片適合用在多個(gè)風(fēng)區(qū)，主梁位置使用了玻纖拉擠板材料，有效保障風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備質(zhì)量。

在區(qū)域內(nèi)的風(fēng)光互補(bǔ)綠色清潔可再生能源示范基地完成建設(shè)并投入實(shí)際應(yīng)用后，每年度可以提供的清潔電能保持在高于2200億kWh 的水平。在本項(xiàng)目中，風(fēng)電等效年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到2612h，在建成后，可以面向全省每天提供共5億kWh 清潔電能，為21萬戶家庭的全年用電提供充足的電能支持。同時(shí)，發(fā)電生產(chǎn)期間，每年能夠節(jié)約16萬t 的標(biāo)準(zhǔn)煤，減少40萬t 的二氧化碳排放，實(shí)際所表現(xiàn)出的節(jié)能減排效果理想。

在該風(fēng)電項(xiàng)目中，筆者參與了變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，具體實(shí)踐中，主要在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)全面融合增速齒輪箱、全功率變流裝置、變流器、雙饋感應(yīng)系統(tǒng)以及并網(wǎng)控制器等裝置。針對(duì)雙饋感應(yīng)器搭配系統(tǒng)變流器展開整體性設(shè)計(jì)，以此確保其在后續(xù)使用階段可以保持在正常的發(fā)電狀態(tài)下。如果變流器的相關(guān)容量明顯低于額定功率，即保持在20%～30%額定功率的范圍內(nèi)，則相應(yīng)發(fā)電器件實(shí)際所能夠顯現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更為理想。在電網(wǎng)故障條件下，能夠落實(shí)對(duì)低壓快速穿越的利用，并在系統(tǒng)電流峰值有所提升后，促使電力系統(tǒng)保持在安全運(yùn)行狀態(tài)下，體現(xiàn)出對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有效保護(hù)[4]。

3.2 光伏發(fā)電技術(shù)

在光伏電池的支持下，結(jié)合光電效應(yīng)的利用，促使太陽能向著電能方向轉(zhuǎn)化，以此實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電。對(duì)于光伏電池而言，其主要運(yùn)行原理為：半導(dǎo)體P-N 結(jié)形成光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)如下，獨(dú)立光伏發(fā)電技術(shù)也被稱作是離網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)。和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相比，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有一套相對(duì)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，隔離系統(tǒng)通常用在偏遠(yuǎn)地區(qū)，旨在解決當(dāng)?shù)氐臒o電問題，保障供電可靠性，防止光伏發(fā)電受到氣候或負(fù)荷等因素的影響。

筆者參與的光伏發(fā)電項(xiàng)目中，致力于對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，其中獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括蓄電池、控制器以及太陽能電池組件等部件組成。項(xiàng)目內(nèi)建設(shè)了孤立光伏電站，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)就被用在照明條件良好且對(duì)電力負(fù)荷需求比較大的區(qū)域，電站的容量可以達(dá)到幾十千瓦，整個(gè)電站包含了光伏電池板陣列、蓄電池與變流器等部分，白天系統(tǒng)會(huì)為蓄電池充電，完成光伏水泵與設(shè)備供電，夜晚系統(tǒng)將會(huì)控制蓄電池進(jìn)行逆變放電。

對(duì)電站進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，蓄電池的合理應(yīng)用至關(guān)重要，特別是對(duì)于夜里用電或用電率比較高的電動(dòng)機(jī)，需采取動(dòng)態(tài)負(fù)荷的用電模式。如果系統(tǒng)是以交流負(fù)載供電為主，則電力系統(tǒng)內(nèi)會(huì)設(shè)置交流逆變器，可以進(jìn)一步劃分為兩種子系統(tǒng)，即交流、直流兩種形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該種電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于光照條件較好情況下，光伏發(fā)電列陣可以實(shí)現(xiàn)向著電力負(fù)荷展開功率傳輸，并為太陽能電池充電。

如果光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了逆變器，則系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間可以直接完成對(duì)電池直流功率、列陣功率的轉(zhuǎn)化，促使功率降低、保持在50～60Hz的范圍內(nèi)，并對(duì)額定功率整體控制效率進(jìn)行持續(xù)提高，達(dá)到85%～95%的范圍內(nèi)。在陽光充足且負(fù)載需求偏高的海島、無電村落等環(huán)境中，更加適合搭建并使用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。在相應(yīng)系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)，用電用戶相對(duì)集中，構(gòu)建容量規(guī)模在10～100kW 范圍內(nèi)的立式光伏系統(tǒng)即可。在日照條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠向著蓄電池充電；充滿電后，向光伏水泵、加工設(shè)備等提供電能，結(jié)束供電后展開抽蓄水等多種生產(chǎn)活動(dòng)。在夜間沒有光照的條件下，蓄電池轉(zhuǎn)入逆變放電狀態(tài)，以此確保能夠?yàn)殡娏τ脩?，以及相關(guān)電力設(shè)備提供正常的供電服務(wù)。

4 結(jié)語

綜上所述，在新時(shí)期發(fā)展中，資源不足以及生態(tài)環(huán)境污染不斷加劇，人們對(duì)于綠色生產(chǎn)重視程度持續(xù)提升，以太陽能和風(fēng)力資源為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)，以及風(fēng)電技術(shù)能夠在滿足社會(huì)電力生產(chǎn)基礎(chǔ)需求同時(shí)，提高電力生產(chǎn)清潔性，進(jìn)一步降低電力生產(chǎn)中的污染問題和能源損耗。為此，需要電力產(chǎn)業(yè)積極迎合新時(shí)期發(fā)展潮流，深化電力生產(chǎn)技術(shù)研究，擴(kuò)大電力系統(tǒng)各種清潔、可再生能源利用比例。