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节能减排的措施有哪些?

  • 发布时间:2018-08-14
  • 发布者: 百度文库
  • 来源: 百度文库
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  在持续稳定地使用能源的过程中,先进功率电子技术的应用、提高设备的能效比、大规模使用太阳能发电等措施,可以推进节能减排,帮助全人类进入“绿色能源”时代。
  石油等传统化石能源的产量呈现下降的趋势,伴随着日益增长的能源需求,全球能源供应面临严峻的挑战。在开发新一代能源的同时,提高现有能源的使用效率,即节能,是一项重要的应对手段。而化石燃料的消耗迅速上升,还会带来一些问题,包括以二氧化碳为主的温室气体排放导致全球气候变暖。这使得在节能的同时,减排也成为了全世界关注的问题。
  2009年11月,国务院公布了我国的温室气体减排目标,即到2020年,单位国内生产总值的二氧化碳排放要比2005年下降40%-45%。因此,各行各业都应该担负起节能减排的社会责任。在持续稳定地使用能源的过程中,有哪些技术和措施可以推进节能减排,帮助全人类进入“绿色能源”时代?
  措施一:电能技术革新
  电能是使用最普遍的二次能源。在发达国家中一半左右的一次能源,如煤、石油、天然气、铀矿等,会被用来发电,电气化率因此成为衡量国家现代化程度的重要指标。典型的能源系统包括产生、传输、使用三个环节。电能在传输环节有独特的优势,能够以光速方便快捷地传输能量。出于对远距离输电和旋转动力的需求,三相交流制式得到了普及应用。从大约一百年前直到现在,几乎所有国家都采用50Hz或60Hz的三相交流制式输电。
  为了达到节能减排的目的,传统电能技术需要进行革新。在发电环节,新能源技术的比例逐步增加,典型新能源发电装置的输出,是频率和电压均变化的交流电(风力发电)或电压变化的直流电(太阳能发电);在用电环节,要求电机(用电量约占总发电量一半)的旋转速度随用户要求而改变,以节约电能;在输电环节,要求电网能够在保持频率稳定的同时,具有更好的稳定性和柔性,以提高电网利用率。
  所有这一切,都需要能够在定频定压的三相交流电,以及变频(或直流)变压的能量源(或用电器)之间,实现高效互联的功率变换的装置。功率电子技术恰好满足了这一需求。
  功率电子技术
  功率电子技术是使用功率半导体技术对电能进行变换的技术。功率变换器是功率电子技术的具体载体,其通过现代控制技术,对功率半导体器件的导通和关断状态,进行动态控制,完成不同能量形式之间的转换。功率电子技术在革新传统电能技术,促进节能减排方面的作用体现在能源系统的三个环节。
  在发电环节,新能源发电是节能减排的重要方向。预计到2020年,我国风电装机约为1.5亿千瓦,太阳能装机为2000万千瓦。新能源发电具有发电电压和频率均与现有电力系统不匹配的特征,因此需要功率变换器作为连接电网的接口,以实现能量的可靠输送,即并网。
  目前用于风能、太阳能的功率变换器功率可达MW量级,且必须具有电网故障穿越的能力,以保证在电网暂态电压跌落时,仍能与电网连接,并支撑电网电压。
  在用电环节,功率电子技术用于电机控制,可以起到节能作用。我国“十一五”规划目标要求降低电机用电量2%,即年均节电200亿度,相当于节约两个三峡水电站的年发电量。为了达成节电目标,电机负载主要为风机水泵类型,采用功率电子技术平均节电约20%。
  在输电环节,以柔性交流输电技术、静止无功补偿技术、基于SCR的高压直流输电技术和基于IGBT的轻型直流输电技术为代表的功率电子技术,是智能电网的重要核心技术。在输出能量波动较大的风能、太阳能发电装置大规模引入电网后,上述基于电力系统应用的功率变换器,可以通过控制电网的潮流分布和提高电网稳定裕度,达到提高电网传输效率,节能减排的目的。
  除此以外,功率电子技术在新能源汽车、机车牵引、储能等诸多促进节能减排的领域,也起到了重要作用。
  功率半导体器件
  功率半导体器件是功率电子技术的核心。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器,进入由功率半导体器件构成的变流器时代。
  功率半导体器件是发电、输电、变配电、用电、储能的核心部件,用于电能分配、电能转换、电能控制,起到改善电力、控制电能、节能环保的作用。它对电能的控制,类似于水龙头对水流的调节和控制,可对电流、电压、功率、频率,进行精确高效的控制和变换。
  功率电子装置(产品)的重要特征参数是效率。功率半导体器件作为能源输送的通道,其能效直接影响整机系统的整体效率。功率半导体器件依照设备的要求,变换电源的电压与频率等,同时将功率送到各个元器件中。从电子设备整体来看,功率半导体器件耗能越低,设备的能源利用率就越高。这使功率半导体成为节能减排的关键点。
  在国际范围内,功率半导体器件的发展经历了三个阶段,包括以大功率二极管、晶闸管(Silicon Controlled Rectifier—SCR)作为代表的第一代器件;20世纪70年代出现的称之为第二代的自关断器件,如门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor—GTO)、大功率双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT或Giant Transistor—GTR)等;以及20世纪80年代出现的以绝缘栅极双极型晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT或IGT)为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。
  值得指出的是,这三个阶段是交叉并行的,新一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰。全球SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半,是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。
  20世纪80年代后期,功率半导体器件的发展趋势是模块化、集成化,即按照电力电子电路的各种拓扑结构,将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件,封装在一个模块中。这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。IGBT的发展方向是高压、大电流,不断占去部分晶闸管的市场份额。
  在SCR、GTO时代,我国的研制、生产能力与国际相当。遗憾的是,在国外开始IGBT产业化时,我国功率半导体产业的发展停滞了近30年。直到2006年11月,在汪梄生院士和多位技术专家的呼吁下,以及政府的支持下,情况才有了一些改变。以华为为代表的企业,正努力将通信领域的电子信息控制技术应用于电力(功率)电子产业,以实现能源的高效转换和利用,为ICT领域节能减排开辟出一条全新的道路。总体来说,我国正逐步整合构建独立自主的电力(功率)电子产业,向国际先进水平迈进。
  措施二:提高设备能效比
  未来的能源使用中,能源使用效率(能效)和碳排放的管理至关重要,是避免“炭”壁垒的基础。节约一度电比生产一度再生电力更重要。
  在ICT领域,节能减排空间巨大。通常情况下,IT设备或通讯设备的耗电不到IDC机房或者BTS基站耗电的50%,即PUE值(总耗电与IT或CT设备耗电之比)大于2。
  所以说节能减排需要综合的能效管理系统,精确地测量各用电部件的功耗,全天候的数据采集、监控、分析和综合管理。为了将PUE值降到1.2以下,智能、精准的综合能效管理需要围绕高能效去设计产品和E2E解决方案,如IDC中采用的对IT机房的综合管理、Row级精确温控及能效管理、Rack级的精确温控及能效管理等手段。
  设备本身的节能减排,首先要降低IT、CT设备的功耗,采取智能调度、服务迁移、智能休眠等节能措施;其次要做到精确的能源供给,在保障供电安全的前提下,适配电池、电源及UPS等;第三要通过能效管理系统的精确调度,做到精准的制冷和散热,综合利用空调、直通风、热交换等技术,保障ICT设备的安全运行,以保证综合能效比最高。
  措施三:高能效太阳能发电
  根据全球能源市场研究公司Clean Edge Inc.发布的《清洁能源发展趋势》报告预测,三大主要绿色能源行业,即太阳能发电、风能和生物燃料并驾齐驱,到2019年在全球的综合收入将达到3259亿美元。
  最近几年,第三代III-V族元素化合物多结太阳能电池技术得到突破。以这种电池为核心部件组成的聚光太阳能CPV发电系统,能量转化效率高于火力发电和传统核能发电,已经开始规模应用,也吸引了大量投资用于产业化。
  例如,2011年6月,西门子收购美国Semprius太阳能科技公司16%的股份,Semprius公司聚焦转换效率可以达40%的III-V族元素化合物多结太阳能电池及设备的生产。美国波音光谱实验室(Boeing Spectrolab)中的三结电池光电转换效率,在364倍的聚光倍率下已达到41.6%,量产产品达到40.7%。另外一家美国公司Emcore,其量产的产品转换效率为39%,1cm2的三结电池在500倍聚光下输出8A电流,相当于7张5英寸多晶硅电池,能大大减少半导体的用量。
  由于产生了规模效应,III-V多结聚光太阳能CPV系统的端到端成本正在大幅度下降。EU Photovoltaic Technology Platform预测,其产量将从20MW提升到200MW,系统成本将从2.12欧元/W降低到1.07欧元/W。再加上CPV在占地面积上的优势,发电成本会很快降低到0.07$/ kWh,应用前景看好。
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