新能源装备现状及发展趋势

摘  要：我国石油和天然气资源比较贫乏，是一个以煤炭为主要能源资源的国家。开发利用太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等新型绿色能源和可再生能源，是我国长期的能源发展战略。本文介绍了国内外新能源发电装备的现状与发展趋势，并论述了新能源装备在机械中的应用。

关键词：新能源装备 现状 发展趋势 机械工业

1.引言

能源是国民经济的命脉，充足的能源供应是、地区安全的保障。面对石油、煤炭等传统可耗竭能源日益短缺的危机，大力开发利用可再生的新型能源，包括太阳能、风能、核能、生物质能、潮汐能，成为各国战略能源的重要组成部分。

在我国以化石能源为主体的发电装备生产制造一直占有重要的地位，尽管发电设备的技术能级以及对发电厂环保配套工程的要求都在逐步提高和完善，但因为传统的化石能源发电装备大量地消耗有限的地球资源和对环境造成一定程度的污染，进一步大规模地发展化石能源的发电装备将会逐步受到。为此，世界各国都在积极地发展绿色环保的新能源发电装备以取代传统的化石能源装备。

2.新能源装备现状及发展趋势

太阳能发电装备、风力发电装备以及生物质能发电装备是目前最有发展前景的新能源装备。因为它们既能够为人类提供大量的电能，同时又能做到很少地消耗资源和减少环境污染，所以是目前世界上作为可再生能源利用的主要手段，也是绿色环保的新能源发电装备的主要发展方向。

2.1太阳能发电装备现状及发展趋势

太阳能是一种清洁、安全、可再生和分布范围广的绿色能源，是今后替代能源发展的战略性领域。它是太阳内部连续不断地核聚变在反应过程中发生的能量，地球获得的能量可达173 000 TW，也就是说，太阳每秒种照射到地球上的能量就相当于 500 万吨煤。太阳每年辐射到地球表面上的能量相当于目前世界能源消耗总量的 20 000 倍以上，地面每平方米接收的太阳能平均为 1.35 kW，因季节、气候、白昼和经纬度不同，分布很不均匀。我国 2/3 的国土面积年日照小时数在 2 200 h 以上，年太阳辐射总量大于每平方米 5 000 MJ，属于太阳能利用条件较好的地区。

2.1.1太阳能发电装备现状

从国内现有的技术水平看，太阳能发电形式包括：光伏发电、光热发电。

科学技术的发展促进了光伏发电技术的更新，这不仅实现了电能生产效率的提升，也加快了各种能源转换的运用。国内光伏发电领域起步较早，经过长期的研究发展在太阳能电池组件的生产能力等方面取得了诸多成就，这对于缓解国内能源危机是很有效的方式。太阳能电池主要运用光伏效应把太阳能转变成电能的部件。太阳光对太阳能电池持续照射后，太阳光的光子在电池里激发出电子空穴对，电子和空穴则会向电池的两端移动，当外部存在通路时则会出现电流，最终生成了电能。离网型、并网型是光伏发电系统的两大形式，离网型光伏发电系统从太阳能电池发出的直流电多数可作为电能使用，我们可根据具体需要采用逆变器将电流调整为直流电，从而满足了不同的使用要求。与电网相连的光伏发电系统则是通常所说的并网型光伏发电系统，这种系统在结构性能上都有一定的优越性。按照配备的储能装置对并网型光伏发电系统进行分类，包括可调度式并网光伏发电系统、不可调度式并网型光伏发电系统，前者含有储能装置，后者不含储能装置。由于太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、故障率低、维护简便等优点，是一种被看好的能源利用形式。

光热发电的原理是将自然界的光能聚集到一起，主要结合聚光器汇集太阳能，经过相应的处理后把太阳能从液态变为气态，用于汽轮发电机发电。光热发电系统主要槽式、塔式、蝶式 3 种。最近几年企业运用槽式光热发电技术较多，这种发电技术的效率相对较高。从世界发电技术的运用情况看，至 2009 年 5 月，全世界运行的光热电站总容量已达73.6 万 kW。受技术条件的，中国在光热发电方面的研究进展缓慢，尽管科学研究所开始对这种能源发电全力研究，但取得的成绩不是很突出。

2.1.2太阳能发电装备发展趋势

目前太阳能发电装备主要有：单晶硅太阳能发电装备、多晶硅太阳能发电装备、多晶硅薄膜太阳能发电装备、非晶质（薄膜）太阳能发电装备、III-V族化合物——砷化镓（GaAs）太阳能发电装备、II-VI族化合物（CdS/CdTe）太阳能发电装备、三元（I-III-VI族）化合物（Culnsez）太阳能发电装备、色素增感太阳能发电装备以及右击薄膜太阳能发电装备。其中，非晶质（薄膜）太阳能发电装备正成为一种趋势。

用一种类似于印刷机的机器，将一种能够吸收太阳能的液体喷涂在一层薄薄的金属片上，这种太阳能电池薄膜的成本，只有目前主流的“太阳能电池板”的十分之一，一台机器每分钟可以生产出几百张．而且可以随时随地根据不同崖顶的具体形状制作和安装。专家指出，薄膜太阳能发电装备虽然“年纪轻轻”，但它却已经有一个“大家族”。目前，已经进行大规模产业化生产的薄膜太阳能发电装备主要有三种：硅基薄膜太阳能发电装备、铜铟镓硒薄膜太阳能发电装备（CIGS）和碲化镉薄膜太阳能发电装备（CdTe）。

薄膜太阳能发电装备在早晚、阴天等弱光条件下仍可生产电能，因此，在同样地理和气象条件下，全年发电量比晶体硅太阳能发电装备高出10%~15%。而晶硅太阳能发电装备在温度超过50℃之后，转换能力会有明显衰减。因此，在阳光照射强的地区晶体硅太阳能发电装备效果反而差。而薄膜太阳能发电装备在高温下只有微弱衰减，适合用于高温、荒漠地区建设电站，特别是像重庆这样日照少、温度高的城市。

2.2风能发电装备现状及发展趋势

风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。

2.2.1风能发电装备现状

我国自上世纪80年代中期引进55kw容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底。我围风电总装机容量达到260l万kw，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36％，居世界首位。可以看出．我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段。 

从技术发展上来说，我国风电企业经过“引进技术一消化吸收一自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5wM容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及。标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新。加强风电核心技术攻关，尤其是加强风能发电关键设备和技术的攻关。

2.2.2风能发电装备发展趋势

2008年国际金融危机以来，世界各国都把发展可再生能源作为一个主要的经济增长点。基于2009年世界风电快速发展的状况，世界各国的风电行业普遍都调高了风电发展预期。2020年全球风电机容量预计将达到6亿KW。

目前世界整机技术路线以变桨变速的双馈异步发电型、低磁永磁同步发电型为主。在技术路线上，风能发电装备将朝着大容量、低风速、高效率的机型发展；在机型上，双馈式机组向紧凑型轻量化发展，直驱式一体化向高速电机发展；控制系统向智能一体化发展；在制造技术上，主要在主轴承、控制系统、逆变系统上，对基础元器件和材料进行突破，最终完全替代进口；在设计技术上，形成具有完全知识产权的整机设计软件，包括数据库、机型库及源代码；在风场建设上，将建立一套完整的风资源和发电效率预测评估体系。风电产业的国际化、一体化、单机容量的大型化，要求风电机组向结构简单化、体积小型化的方向发展。由于永磁直驱风力发电机组转换效率高、变速范围大，因减少了齿轮箱，易于运输、安装、维护，更减少了故障率，尤其适合海上和低风速风区，因此是未来风能发电装备发展的重点。

2.3生物质能发电装备现状及发展趋势

生物质(biomass)是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物的能再生的物质。生物质能(biomass energy 或bioenergy)是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学能固定和贮藏在生物体内的能量。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，具有环境友好和可再生双重功能。生物质资源丰富，包括林业生物质；农业废弃物；人畜粪便；城市垃圾；有机废水；水生植物；能源植物等。

2.3.1生物质能发电装备现状

20 世纪的两次石油危机给西方国家的经济带来严重的打击，同时也大大促进了全球范围内可再生能源的发展。近年来，可再生能源已逐渐成为常规化石燃料的一种替代能源，世界上许多国家地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分。芬兰是欧盟国家利用生物质发电最成功的国家之一。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划。瑞典正在实行利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位，美国的加利福尼亚州计划在 2017 年，20%的电力将来自可再生能源。德国计划到 2020年把新能源发电比例提高到 20%。丹麦积极开发生物质能和风能、太阳能等可再生能源。

生物质发电在我国起步相对较晚，过去建设的生物质电厂的设计和设备主要来自国外。近年来，在我国科研院所和高校科研工作者的辛勤努力下，在引进技术设备的同时进行自主研发，取得了一定的成果。目前国内已兴建了一批生物质能发电厂，其中包括几十个垃圾发电厂和十几个秸秆发电厂，也正在兴建生物质气化发电示范工程。

2.3.2生物质能发电装备发展趋势

生物质联合循环发电(BIGCC)是一种比较先进的生物质能利用技术,整个系统包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。由于生物质燃气热值低(约5 MJ/m3),要使BIGCC具有较高的效率,燃气必须处于高温高压状态,因此必须采用高温高压的气化和净化技术。当气化炉出口时的温度800℃以上(进入燃气轮机之前不降温)压力又足够高时,BIGCC的整体效率可以达到40%;采用一般常压的气化和燃气降温净化,由于气化效率和带压缩的燃气轮机效率都较低,整体效率一般只能低于35%。目前比较典型的BIGCC有美国Battelle(63 MW)和夏威夷(6 MW)项目、欧洲英国(8 MW)和芬兰(6 MW)的示范工程等,但由于燃气轮机改造在技术上难度很高,特别是焦油的处理还存在很多有待进一步解决的技术问题,技术尚未成熟设备造价也很高,了应用推广。

3.新能源装备在机械行业中的应用

机械行业主要是通过对金属原材料物理形状的改变、加工、组装进而成为产品的制造行业，从机械行业能源消耗特点分析，机械行业生产过程中主要资源、能源的消耗有原煤、汽油、煤油、柴油、电力、蒸汽、自制水、压缩空气、乙炔等。常用重点用能设备设施有:熔炼炉，锻造加热炉热处理火焰炉，热处理电阻炉蒸一空锻锤水/油压机，焊接设备金属加工设备电镀/电泳/喷涂装置等。

为了节能和环保，近十多年来，日、美、俄、德等国加大了新能源工程机械的开发力度。我国一些工程机械厂近年也开发了少量新能源工程机械。理论和实践都证明#开发新能源工程机械、创新工程机械的驱动方式来节能减排，是工程机械可持续发展的必然趋势之一。

由于工程机械机种众多，且各机种工况不一，所以新能源工程机械具有多样性的特点，主要有以下2种。

3.1双动力工程机械

双动力工程机械同时安装2台动力机，一台是柴油机或汽油机，另一台是交流电动机或直流电动机，一台动力机在机械上无连接，功能，内燃机驱动行走系，电动机驱动作业装置。如美国powerscreen公司开发的双动力移动筛分机，机载内燃机驱动行走系行走到固定作业点后，接上外接交流电源，由机载交流电动机驱动作业机构作业。英国LUCAS维修公司开发的折叠式双动力随车起重机，是一台流动维修用的工程机械，汽车内燃机驱动行走系，可折叠的电动吊车 (起重量1000kg)平时平放在车厢板上，使用时安装在车厢边，用车载动力电池供电动吊车作业。德国依发汽车厂开发的ADK汽车起重机，机上装有一台电动机，停在货场作业时，可用货场交流电源插座接入交流电供车载电动机驱动作业机运行。若无外接电源，也可用汽车发动机驱动作业机构。

3.2混合动力工程机械

混合动力工程机械上安装有柴油机和动力模块(发电机/电动机+动力电池+能量管理系统)组成的混合动力源，按柴油机和发电机)电动机的联结方式，分为串联、并联和混联3种型式；按柴油机和动力模块的功率分配比例，分为轻度混合、中度混合和重度混合3种。

由于有电动机助力，混合动力工程机械上的柴油机功率级别可比同能力的内燃式工程机械的柴油机小1~2级配备，如AR65混合动力装载机的柴油机功率为37KW（另配15KW电机），而同能力的内燃装载机的柴油机功率为。另外由于电动机助力驱动，柴油机可在低油耗、低排放的高效区运行。这两项节油减排的措施，使混合动力工 程 机 械 比同 能 力 内 燃 式 工 程 机 械 节 油15%~30%，污染物排放量下降15%~35%（节油和减排效果依不同的联结方式和混合比例不同而不同）。

4小结

我国快速持续发展的经济,正面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。坚持节能优先,提高能源效率;依靠科技进步,开发利用新能源和可再生能源,研制新能源装备，是建立可持续能源系统最主要的措施,也是我国长期的能源发展战略。

参考文献

[1] 杨金孝, 朱琳. 基于Matiab/Simulink光伏电池模型的研究[J]. 现代电子技术, 2011(24). 

[2] 刑运民, 张文娟. 新能源与可再生能源发电技术的发展[J], 西华大学学报, 2007, (26).

[3] 张明锋, 邓凯, 陈波等. 中国风电产业现状与发展[J]. 机电工程. 2010, 1(27): 1-3. 

[4] 牛　微. 我国新能源发电技术应用现状及发展[J]. 沈阳工程学院学报,2005(4):28-30.

[5] YUAN Zhenhong. Research and Development on Biomass Energy in China[EB/OL]. 2001.Http://www.unescap.org/enrd/energy/China/China Biomass. pdf. 

[6] 马隆龙, 吴创之, 孙 立. 生物质气化技术及其应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.