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基于“双碳”目标的清洁能源发电现状及发展分析

2024-07-31 42 上传者：管理员

摘要：如今全球面临能源紧张的问题，各个国家加大了对清洁能源开发和利用的力度。在“双碳”目标下，我国十分重视清洁能源发电技术的研发和应用。为了提高光伏发电、风力发电等技术水平，本文在总结清洁能源概念和技术特点的基础上，对常见清洁能源发电技术在电力系统中的应用和未来发展进行了阐述，希望可以为相关工作者提供参考。

关键词：
“双碳”目标
发电技术
清洁能源
清洁能源开发
能源紧张
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1、清洁能源概述

在现有能源结构下，化石能源发电将释放大量二氧化碳等气体，而二氧化碳等气体是造成全球气候变暖的主要原因之一。为了解决日益严峻的气候问题，世界各国纷纷寻找新的可再生能源来代替传统能源。为早日实现碳中和目标，全球178个签字国签署了《巴黎协定》，并逐渐加强了对清洁能源的开发和利用。随着世界各国对清洁能源的重视，各国政府纷纷出台相应的政策，推动新能源产业的健康、可持续发展。目前，我国正在加快清洁能源的研究与建设，并逐渐走在世界的前列。相关研究者可以通过识别并计算不同清洁能源在全生命周期系统中的输入与输出，实现对各类清洁能源碳排放强度等关键参数的量化，从而更加准确地评价其环境效应。

目前主要采用的方法是净现值法对各个阶段的碳排放进行测算。当前如何对清洁能源生命周期内的碳排放进行科学评估，已成为国内外研究热点。

2、清洁能源发电特点

清洁能源的开发利用具有不可替代的优势，利用清洁能源发电可以明显改善环境污染，缓解碳排放问题，促进人类朝着清洁、绿色、低碳的生态经济发展。近几年来，世界各国纷纷加大对清洁能源的开发与利用，发展清洁能源已成为各国的共识。然而，当前清洁能源发电面临诸多技术难题，其中如何提高清洁能源的利用效率已成为制约新能源发展的瓶颈。我国的清洁能源主要有水力发电、风能、光伏发电、生物质能、氢能、潮汐等。不同类型清洁能源发电有其特有的特征，详见表1。

水能是利用水中的势能转换成动能，推动发电机发电，从而实现水能到电的转换，其发电效率高达90%，发电成本低，启动快，数分钟内即可发电，具有无废气、无废渣、无环境污染等优点。但水能发电基建投资高，造价高，对地形和地形的依赖程度高，输出电能易受天气、旱涝等因素的影响，工程建设会影响到当地的生态环境。

表1 清洁能源发电特点

光伏发电以光生伏特效应为基础，将太阳能直接转化为电能，光伏发电是一种清洁、无污染的能源，具有可再生、简单易得、不需长距离输电、无污染、无噪声、无废物排放等优点，可有效降低输电损耗。

风力发电是将风能转化为电能的一种方式，可广泛应用于陆上和海上，具有环境友好、无污染、安装灵活、操作和维修费用低等优点。风力发电机主要由风力发电机和传动系统、变桨距系统、控制系统等部分构成。不过该技术收到风力不稳定、连续性差等因素影响，存在发电不稳定、噪音大、影响鸟类和动物生存空间等不足。

核电具有高能量密度、发电能力强、运行稳定等优点，但存在一次性投资大等问题。另外，核能还具有潜在的安全隐患，一旦发生核泄漏，将会对人类造成巨大的危害。

生物质发电是一种以生物质为燃料的技术，该技术具有污染少、电能质量高、可靠性好等优点，但其造价及运行维护费用较高。生物质作为一种资源丰富、价格低廉、无污染的新型能源，在世界范围内受到广泛关注，特别是在一些发达国家，生物质发电已经成为一种新兴的能源开发与利用模式。

3、新能源发电技术在电力系统中的应用

3.1 风力发电技术

风力发电被认为是世界上最丰富的新能源，风力发电也是新能源发电的核心。在我国现有能源结构中，风力发电占有很大的比重。风力发电机按轴向可分为横轴和纵轴，按功率调节方式可分为固定桨距、桨距和失速三种类型。

目前，国内风电场多采用定桨距和变速恒频运行方式。风机设备主要包括机舱、叶轮、塔等，不同结构所发挥的作用有所不同，例如变桨风机叶轮主要作用是捕获风能，它包括桨毂、桨叶和桨距系统。

3.2 光伏发电技术

光伏发电技术主要是基于光电效应，也就是说，当电磁波照射在一种物质上会激发其内部的电子运动，电子自身不稳定，在光照射下会不断地运动，运动过程中就产生了电位。

光伏发电系统由多个关键部件组成：

第一，光伏阵列，其排列方式直接影响到光伏发电效率。

第二，电池组。太阳能电池的类型很多，最早使用的有硅电池、硅薄膜电池、化合物薄膜电池、聚光电池等。目前该类电池普遍存在着硅基薄膜电池能量效率较低、化合物薄膜电池易造成环境污染等问题，聚光电池需配置聚光系统、散热器等，成本较高。光伏电站一般容量小，对过电压非常敏感。过电压一旦发生将严重影响电站的正常运行。要解决这一问题，技术人员可以采用SVG调压的方式。技术人员从光伏电站实际运行维护需求出发，根据电网运行规范采用恒功率因数控制策略对SVG进行控制，保证当光伏发电出力波动时能够按照一定比例动态调节。当过压超过110%时，为保证设备安全，系统可以采用恒压模式运行。光伏组件在运行一段时间后，其电位将逐渐降低，这对组件的综合性能有很大的影响，此时会产生PID效应，尤其在温、湿环境下，这种现象更为突出。

4、新能源发电系统控制技术分析

4.1 采用多元互补及大型火电深度调峰的方式

如图1所示，新能源发电技术可实现稳定高效运行，但功率输出不稳定，需采用互补电源加以抑制才能满足电网实时供电需求。抽水蓄能电站和风力发电是目前使用储能技术最为常见的项目，抽水蓄能电站与火电站并网是我国新能源电力系统中广泛采用的一种方式。水电是调峰的主要手段，在装机容量中占有相当大的比重，利用火电机组实现快速、深层次调峰是加快新能源发电系统规模化发展的重要途径。

图1 新能源电力技术机制控制技术

采用多种控制策略，可有效突破现有电网调度技术的局限性，拓展电网应用领域。火力发电厂的电能储存与传输主要依赖于汽轮机组及发电机，这些设备均属热能与动力工程之范畴。利用火电机组可获得更高的储能效率，对其储热机理、储能方案等进行研究，可形成火电机组快速发电的核心技术。利用过程参数对系统状态进行科学表征不仅可以达到快速检测的目的，而且可以提高系统的经济性与环境友好性，进而提高负荷响应速度，为发电全过程提供强有力的技术支撑。

4.2 革新电网结构，运用先进的输电方式

为降低新能源电源的不稳定，相关技术人员需设计多种互补策略，使其在新能源电力系统中发挥主导作用，实现对各类能源的综合优化控制，保证新能源系统中的能量平衡。

为保证电网稳定、安全运行，相关工作者可以根据不同地区的需要对输电线路的路径及容量进行合理的规划，比如选址时需明确大型输电站的具体选址，利用微电网接入技术提高储能效率；利用储能器件和微电网之间的能量交换技术，实现电能传输过程中的损耗降低；综合考虑新能源的随机性与输电策略，优化电网结构，实现输电网分层分区布局。

4.3 采用大容量储能技术

以风、光为代表的新能源在电力系统中所占比重较大，其运行稳定性有待提高，长距离传输面临着巨大的挑战，为了保障电力系统的正常稳定运行，技术人员应积极引入先进的储能技术，应对电网故障后可能带来的不利影响。在向外输送电能时，技术人员应充分考虑新能源电力的吸收能力，保证其大容量储能技术的发展，降低系统干扰对储能装置性能的不利影响，使其能在最短时间内吸收能量，并为装置调整预留时间，避免系统失稳。

4.4 引用可平移及新型用电方式

当风力发电等间歇性电源接入电网后，为确保电力系统安全可靠运行，技术人员需要对供电系统进行合理的调度和管理。为保障电网安全运行，技术人员需提高电网设备利用率，组号调频任务，充分发挥备用装置的作用。

如今物联网技术、大数据技术等信息科技逐渐渗透到各个领域，很多家用电气可通过远程监控系统实现远程控制，电力企业也可以通过远程监测实现电能信息的采集，提高电能计量系统的性能，为新型用电方式的应用奠定基础。

4.5 双侧资源控制及多能源互补机制

在新能源需求不断增长的背景下，能源之间存在着一定的不稳定性，为了保证能源的高效利用，相关企业应做好电能的优化配置。双侧资源控制及多能源互补机制可显著提高单电源的稳定性，可通过多能源互补来实现电网间的互补，保证电力系统稳定运行。

5、清洁能源发电前景

为减少环境污染，促进清洁能源利用，我国在第75届联合国大会上提出大规模、高质量发展新能源的重要性，计划加快建设风电、光伏等基础设施，力争2030年和2060年实现碳中和。这不仅关系到国家能源安全，而且关系到人类社会的可持续发展。

在减排方面，我国展现出了前所未有的大国力量。澳大利亚前首相兼美国亚洲学会主席陆克文在全球研讨会及报告发布活动中提到，中国正采取减少碳排放计划与措施，这充分显示出中国在气候变化方面的引领作用。

6、结语

总体而言，随着“双碳”目标的提出，我国发展清洁能源发电势在必行。我国应积极发展清洁能源发电技术，开展新技术研发，拓展新思维，确保我国在清洁能源发电领域处于领先地位，为我国未来清洁能源市场奠定基础。

参考文献:

[1]何李丽,张恒.“双碳”目标下我国能源转型路径[J].上海节能,2023(09):1285-1294.