新能源完整版课件

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1、新能源概论新能源概论1.1能源含义及发展情况能源含义及发展情况1.2新能源的分类及其发展新能源的分类及其发展1.3新能源利用发展现状和趋势新能源利用发展现状和趋势1.1 1.1 能源含义、分类及发展现状能源含义、分类及发展现状1.1.11.1.1能源的含义能源的含义1.1.21.1.2能源分类能源分类一次能源与二次能源一次能源与二次能源一次能源：自然界中存在的天然资源。一次能源：自然界中存在的天然资源。二次能源：由一次能源直接或间接加工转换而成的人工能源，二次能源：由一次能源直接或间接加工转换而成的人工能源，如如热能、机械能、电能热能、机械能、电能等。等。图图1-1 20111-1 2011年

2、世界一次能源结构年世界一次能源结构化石能源与非化石能源化石能源与非化石能源可再生能源与非可再生能源可再生能源与非可再生能源常规能源与新能源常规能源与新能源清洁能源与非清洁能源清洁能源与非清洁能源1.1.31.1.3能源危机能源危机能源危机能源危机资源分资源分布不均布不均人口增人口增长长工业耗能工业耗能战争战争1.1.41.1.4世界及中国能源发展现状世界及中国能源发展现状 目前，全球每年一次能源消耗量目前，全球每年一次能源消耗量超过超过5 510102020J J，其中化石燃，其中化石燃料约占料约占80%80%，可再生能源仅为，可再生能源仅为14%14%。据世界能源理事会。据世界能源理事会（W

3、ECWEC）预测，到）预测，到20502050年可再生能源比例将上升至年可再生能源比例将上升至20%-40%20%-40%，到，到21002100年，将达到年，将达到30%-80%30%-80%。2018世界一次能源消耗结构世界一次能源消耗结构2018年世界能源分区域消费结构年世界能源分区域消费结构2018年分区域的燃料消费量年分区域的燃料消费量2018年世界一次能源消费占比年世界一次能源消费占比20112011年美国一次能源消费结构年美国一次能源消费结构20112011年中国一次能源消费结构年中国一次能源消费结构中国一次能源消费总量趋势中国一次能源消费总量趋势中国一次能源消费趋势预测（不含非

4、商品生物质能）单位：亿吨油当量中国一次能源消费趋势预测（不含非商品生物质能）单位：亿吨油当量预测机构预测机构及时间及时间基准年份基准年份基准值基准值预测值预测值年增长率年增长率/%/%20152015年年20202020年年20302030年年EIAEIA（20062006）2003200311.4311.4323.123.126.826.834.934.94.24.2EIA(2007)EIA(2007)2004200412.4812.4824.424.428.328.336.536.54.24.2IEAIEA（20072007）2005200515.1515.1526.326.331.231

5、.235.935.93.53.5国家发改委国家发改委能源所，能源所，20042004200020009.79.717.517.52 23.33.3中国工程院，中国工程院，20042004200020009.79.724.524.527.027.0中国地质科中国地质科学战略中心，学战略中心，20022002200020009.79.714.714.715.215.2注：EIA（国际能源组织）预测基于中国经济未来25年的平均增速为6.5%的假定；IEA依据的经济平均增速为6%1.21.2新能源的分类及其发展新能源的分类及其发展1.2.11.2.1新能源的特征新能源的特征 (1) (1) 尚未大规模

6、尚未大规模作为新能源开发利用，有的甚至还处于作为新能源开发利用，有的甚至还处于初期研发阶段。初期研发阶段。 (2) (2) 资源赋存条件和物理化学特征与常规能源有明显区资源赋存条件和物理化学特征与常规能源有明显区别。别。 (3(3) ) 可以再生与持续发展，但开发利用或转化技术较复可以再生与持续发展，但开发利用或转化技术较复杂，成本尚较高的能源杂，成本尚较高的能源。 (4) (4) 清洁环保，可实现二氧化碳等污染物零排放或低排放清洁环保，可实现二氧化碳等污染物零排放或低排放的节约型各类能源。的节约型各类能源。 (5) (5) 资源量大、分布广泛，但大多具有能量密度低和发热资源量大、分布广泛，但

7、大多具有能量密度低和发热量小的缺点。量小的缺点。1.2.21.2.2新能源新能源1.1.太阳能太阳能太阳是位于太阳系中心太阳是位于太阳系中心的恒星，它几乎是的恒星，它几乎是热等热等离子体离子体与与磁场磁场交织着的交织着的一个理想球体。一个理想球体。与地球相距与地球相距1.5亿千米亿千米，直径是地球直径的直径是地球直径的109倍倍多多。体积约是地球的。体积约是地球的130万倍；质量大约是地球万倍；质量大约是地球的的330,000倍。太阳每秒倍。太阳每秒钟照射到地球上的能量钟照射到地球上的能量相当于相当于500万吨煤。万吨煤。太阳质量的大约太阳质量的大约四分之三是氢四分之三是氢，剩下的几乎都是，剩

8、下的几乎都是氦氦，包括氧、，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量碳、氖、铁和其他的重元素质量少于少于2%太阳能优点：太阳能优点：普遍普遍无害无害长久长久巨大巨大缺点：缺点：能流密度低能流密度低受昼夜交替和天气条件受昼夜交替和天气条件的限制。的限制。2.2.风能风能风能风能(wind energy)(wind energy)是是地球表面大量空气流动所产生的动能。地球表面大量空气流动所产生的动能。风能汽车风能汽车风能发电风能发电地球吸收的太阳能有地球吸收的太阳能有大约大约2%转化为风能，总量相转化为风能，总量相当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为

9、化学能的化为化学能的50到到100倍倍。 量丰富、广泛分布、干净与缓和温室效应量丰富、广泛分布、干净与缓和温室效应 风力发电风力发电风力发电风力发电BB与其他发电与其他发电方式相结合方式相结合C C风力并网风力并网发电发电独立运行独立运行AA3.3.生物质能生物质能生物质能（生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。生物柴油快艇生物柴油快艇生物质能生物质能直接燃料直接燃料直接燃料直接燃料气体燃料气体燃料气体燃料气体燃料生物油生物油生物油生物油化工原

10、料等化工原料等化工原料等化工原料等3.3.生物质能特点生物质能特点1蕴藏量蕴藏量巨大的巨大的可再生可再生能源；能源；2普遍性、普遍性、易取性；易取性；环境污染环境污染小小3唯一可唯一可以存储、以存储、运输的运输的能源能源4挥发分挥发分高，炭高，炭活性高，活性高，易燃易燃5环境污环境污染小染小现有土地现有土地边际性土边际性土地地农业废弃农业废弃物物林业废弃林业废弃物物畜禽粪便畜禽粪便有机废弃有机废弃物物总计总计0 0167167（平均（平均24247272）141436364 417177 76 61 113131 110101010262262（平均（平均6060119119） 表表1-2 2

11、050年全球生物质开发潜力年全球生物质开发潜力 单位：亿吨油当量4.4.水能水能水能：是指水体的水能：是指水体的动能动能、势能势能和和压力能压力能等能量资源。等能量资源。广义广义水能资源：包括水能、潮汐能、波浪能和海洋能等。水能资源：包括水能、潮汐能、波浪能和海洋能等。狭义狭义水能资源：即指河流的水能资源。水能资源：即指河流的水能资源。经济科开发水能世界各大洲的水能资源单位：1012kWh注：前苏联各国的水能资源分别计入亚洲和欧洲，俄罗斯的水能资源全部计入亚洲。世界一些国家的水能资源开发度（世界一些国家的水能资源开发度（2008年，单位：年，单位：%）5 5. .地热能地热能地热能地热能Geo

12、thermal Energy是由地壳抽取的天然热能，是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。火山爆发及地震的能量。温泉温泉温泉温泉肯尼亚地热发电厂肯尼亚地热发电厂产生：产生：地幔流体的热对流作用地幔流体的热对流作用 地壳中放射性元素的衰变。地壳中放射性元素的衰变。温度（温度（）用途用途200200400400发电和综合利用发电和综合利用150150200200发电、工业加热、工业干燥和制冷发电、工业加热、工业干燥和制冷100100150150采暖、工业干燥、脱水加工、回收盐类和双循环发

13、采暖、工业干燥、脱水加工、回收盐类和双循环发电电5050100100温室、采暖、家用热水、工业干燥和制冷温室、采暖、家用热水、工业干燥和制冷20205050洗浴、养殖、种植和医疗洗浴、养殖、种植和医疗7 7. .海洋能海洋能v包含：潮汐能、波浪能、海流能和海水温差能等。包含：潮汐能、波浪能、海流能和海水温差能等。7 7. .氢能氢能特点：资源丰富，来源具有多样性，具有可存储性和可再生特点：资源丰富，来源具有多样性，具有可存储性和可再生 性，热值高和无污染。性，热值高和无污染。8 8. .核能核能优点：优点：核燃料具有体积小，能量大等优势；核燃料具有体积小，能量大等优势；污染少；污染少；安全性强

14、安全性强缺点：缺点：核废料难处理；核废料难处理；热效率较低；热效率较低；投资成本大，风投资成本大，风险高；险高；反射性对人体和生态有一定的破坏。反射性对人体和生态有一定的破坏。核能利用方式：核能利用方式：核裂变和核聚变核裂变和核聚变，目前用于发电的只有核裂，目前用于发电的只有核裂变。利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电。变。利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电。1kg铀235=25002500吨标煤吨标煤=含3%铀235浓缩铀28吨200300万吨万吨100万千瓦万千瓦1.3 1.3 新能源利用发展现状和趋势新能源利用发展现状和趋势类型类型20072007年容量年容量2020202

15、0年目标年目标水电水电145GW145GW300GW300GW（含（含75GW75GW小水电）小水电）太阳能光伏太阳能光伏100MW100MW1.8GW1.8GW风电风电6GW6GW30GW30GW太阳能热水器太阳能热水器130M130M300M300M生物质能发电生物质能发电3GW3GW30GW30GW沼气沼气99m99m 440440 生物固体燃料生物固体燃料- -50005000万吨万吨燃料乙醇燃料乙醇1616亿升（包括粮食乙醇）亿升（包括粮食乙醇）127127亿升亿升生物柴油生物柴油1.191.19亿升亿升2424亿升亿升地热（发电和供热）地热（发电和供热）32MW32MW（发电）（发

16、电）12001200吨标准煤（发电和供热）吨标准煤（发电和供热）潮汐能潮汐能- -100MW100MW（潮汐能应用）（潮汐能应用）新能源的开发利用，开创了能源的新时代，但受制于资源、新能源的开发利用，开创了能源的新时代，但受制于资源、技术、产业影响。技术、产业影响。可再生能源、氢能与互联网技术相结合的能源产业被称为第可再生能源、氢能与互联网技术相结合的能源产业被称为第三次工业革命。三次工业革命。可再生能源得到开发和利用，已形成运行良好的产业。中国、可再生能源得到开发和利用，已形成运行良好的产业。中国、印度等新兴国家成为新能源发展的重要力量。印度等新兴国家成为新能源发展的重要力量。 目前新能源在

17、一次能源中的比例总体上偏低。对于中国，目前新能源在一次能源中的比例总体上偏低。对于中国，新能源新能源产业目标产业目标是积极推进可再生能源技术产业化，大力是积极推进可再生能源技术产业化，大力发展技术成熟的核电、风电、太阳能、生物质能等。发展技术成熟的核电、风电、太阳能、生物质能等。国际能源署（国际能源署（IEAIEA）对）对2000200020302030年国际电力的需求研究表年国际电力的需求研究表明，来自新能源的发电总量年平均增长速度将最快。明，来自新能源的发电总量年平均增长速度将最快。1.1.什么叫作能源？什么叫作能源？2.2.我国能源存在哪些问题？应如何具体解决？我国能源存在哪些问题？应如

18、何具体解决？3.3.简述能源的分类简述能源的分类4.4.简述新能源的定义和其主要特征？简述新能源的定义和其主要特征？5.5.新能源的具体分类方法有哪几种？具体怎么划分？新能源的具体分类方法有哪几种？具体怎么划分？6.6.发展新能源的重大战略意义是什么？发展新能源的重大战略意义是什么？思考题思考题第二章第二章 太阳能太阳能太阳能传热理论太阳能传热理论2.2太阳能供暖技术太阳能供暖技术2.3太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术2.4太阳能热发电技术太阳能热发电技术2.5概述概述2.1太阳能利用发展现状和趋势太阳能利用发展现状和趋势2.62.1 2.1 概述概述一、太阳辐射能一、太阳辐射能 太阳常数

19、太阳常数：是指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气：是指在平均日地距离，垂直于太阳辐射的大气外层平面上，单位时间、单位面积上所接收的太阳辐射能，外层平面上，单位时间、单位面积上所接收的太阳辐射能，可用符号可用符号IscIsc表示，其单位为表示，其单位为W/W/，约为，约为1367W/1367W/。太阳辐射光谱能量分布曲线太阳辐射光谱能量分布曲线二、太阳能资源和开发潜力二、太阳能资源和开发潜力（1 1）我国太阳能资源的分布）我国太阳能资源的分布类类别别全年日照时数全年日照时数/h/h年总辐射量年总辐射量/ /（KJ/cm2KJ/cm2）主要地区主要地区1 13200320033003300670

20、670837837青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆东部青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆东部2 23000300032003200586586670670河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部新疆南部3 32200220030003000502502586586山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东北部、广东南部、福建南部、江苏北部、东北部、广东南部、福建南

21、部、江苏北部、安徽北部等安徽北部等4 41400140022002200419419502502长江中下游、福建、浙江、和广东的部分地长江中下游、福建、浙江、和广东的部分地区区5 51000100014001400335335419419四川、贵州四川、贵州表表2-1 我国主要地区按太阳能资源分布类表我国主要地区按太阳能资源分布类表根据太阳辐射地理分布将地球南北半球划分为四个地域带。根据太阳辐射地理分布将地球南北半球划分为四个地域带。以北半球为例：以北半球为例：（2 2）世界太阳能资源的分布）世界太阳能资源的分布世界太阳能资源分布情况（来源：美国国家航空航天局）世界太阳能资源分布情况（来源：美

22、国国家航空航天局）2.1.2 2.1.2 太阳能的特点太阳能的特点 太阳能的太阳能的缺点缺点： 分散性；分散性；不稳定性；不稳定性；效率低、成本高效率低、成本高 太阳能的太阳能的优点优点： 普遍；普遍；无害；无害；巨大；巨大；长久长久2.1.32.1.3太阳能的利用形式太阳能的利用形式主要包括主要包括光热利用光热利用和和光伏发电光伏发电1. 1. 太阳能太阳能热热利用利用（1 1）太阳能热水器）太阳能热水器（2 2）太阳房）太阳房 被动式太阳房被动式太阳房 是指太阳房仅依靠建筑物是指太阳房仅依靠建筑物朝向朝向和和周围环境的布置周围环境的布置，通过，通过窗户窗户、墙以及屋顶墙以及屋顶等以自然交换

23、的方等以自然交换的方式来获取太阳能的一类建筑。式来获取太阳能的一类建筑。 可分为可分为直接受益式、集热墙式、直接受益式、集热墙式、附加阳光间式和组合式附加阳光间式和组合式主动式太阳房主动式太阳房 用太阳集热器替代锅炉，通过热水（或者热风）对太阳用太阳集热器替代锅炉，通过热水（或者热风）对太阳房内进行供暖。一般由房内进行供暖。一般由集热器、传热流体、蓄热器、控集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源系统制系统及适当的辅助能源系统构成。系统需要构成。系统需要电源、热电源、热交换器、水泵和风机交换器、水泵和风机等设备。等设备。 主动式太阳房主动式太阳房是指在被动式太阳房对建筑结构及环境是指

24、在被动式太阳房对建筑结构及环境 要求的基础上，以要求的基础上，以太阳集热墙太阳集热墙作为主要热源的一种建作为主要热源的一种建筑。筑。（3 3）太阳能热发电）太阳能热发电（4 4）太阳能制冷与空调）太阳能制冷与空调（5 5）太阳灶）太阳灶聚光式聚光式热箱式热箱式（6 6）太阳能干燥）太阳能干燥2.2.太阳能光伏发电太阳能光伏发电2.22.2太阳能传热理论太阳能传热理论 2.2.12.2.1经典黑体辐射基本定律经典黑体辐射基本定律 普兰克定律普兰克定律（Planck LawPlanck Law）描述黑体的光谱辐射力随光子）描述黑体的光谱辐射力随光子波长变化：波长变化： （2-12-1） 式中，式中

25、，c c1 1和和c c2 2分别为第一和第二辖射常数，分别为第一和第二辖射常数，T T为黑体温度，为辐射光子为黑体温度，为辐射光子的波长。的波长。 斯蒂芬斯蒂芬- -玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)推导出了描述黑推导出了描述黑体辐射力体辐射力E Eh h与黑体热力学温度与黑体热力学温度T T之间关系的黑体辐射四次之间关系的黑体辐射四次方定律，即：方定律，即： （2-22-2） 式中，式中，为斯蒂芬为斯蒂芬- -玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数=5.67=5.671010- -8 8W/(mW/(m2 2K K4 4) ) 维恩维恩(Wien)(

26、Wien)则发现了最大光谱辐射力的波长则发现了最大光谱辐射力的波长m m与黑体温度与黑体温度T T之间的关系，即之间的关系，即维恩位移定律维恩位移定律： （2-32-3） 2.2.22.2.2太阳能传输到达地面接收器的照射辐射强度理论太阳能传输到达地面接收器的照射辐射强度理论 定义照射到辐射接收器表面某一点处的面元上的太阳辐射定义照射到辐射接收器表面某一点处的面元上的太阳辐射通量除以该面元的面积为通量除以该面元的面积为照射辐射强度照射辐射强度： （2-42-4） 由朗伯由朗伯- -比尔比尔(Bouguer-Lambert)(Bouguer-Lambert)定律：定律： （2-52-5） L L

27、为太阳辐射穿过的大气层厚度，为太阳辐射穿过的大气层厚度，o o为初始为初始 辐射通量，辐射通量，为线性衰减系数。为线性衰减系数。=O Oe e-L-L 对对太阳直辐射太阳直辐射有：有： （2-62-6） G G0 0为大气层的初始入射照射辐射强度，也可认为是太阳常数为大气层的初始入射照射辐射强度，也可认为是太阳常数I Iscsc。为大。为大气透射系数，气透射系数，m m为大气光学质量。为大气光学质量。 对于对于不同辐射波长不同辐射波长对应的照射辐射强度，可以表示为：对应的照射辐射强度，可以表示为： （2-6a2-6a） 参数说明：参数说明： ：太阳赤讳，太阳入射线与赤道面的夹角。太阳赤讳，太阳

28、入射线与赤道面的夹角。 s s：辐射接收器表面与海平面的夹角，即接收器接收面的倾斜角。：辐射接收器表面与海平面的夹角，即接收器接收面的倾斜角。 ：辐射接收器表面的方位角，即接收面法线方向与正南方向的夹角。：辐射接收器表面的方位角，即接收面法线方向与正南方向的夹角。 ：时角，正午为：时角，正午为0 0，每小时，每小时1515，上午为正，下午为负。，上午为正，下午为负。 ：入射角，太阳入射线与辐射接收面法线的夹角。：入射角，太阳入射线与辐射接收面法线的夹角。 A As s：太阳方位角。：太阳方位角。 ：太阳高度角。：太阳高度角。 太阳赤纬角太阳赤纬角： （2-72-7） n n为一年中的某一天，取

29、为一年中的某一天，取0-3650-365太阳高度角太阳高度角： （2-82-8） 为辐射接收器所在纬度为辐射接收器所在纬度 太阳方位角太阳方位角： （2-92-9） 对对斜面斜面：（2-102-10） 为倾斜接受面上的太阳入射角。为倾斜接受面上的太阳入射角。 到达辐射接收器表面的直辐射射量为：到达辐射接收器表面的直辐射射量为： （2-112-11）为此时的入射太阳直射辐射量为此时的入射太阳直射辐射量 如果辐射接收器如果辐射接收器水平水平放置时：放置时： （2-122-12） 为入射光线与接收面法线的夹角。为入射光线与接收面法线的夹角。倾斜面上得到的全部太阳辐射量（包括太阳漫辐射）为：倾斜面上得

30、到的全部太阳辐射量（包括太阳漫辐射）为： （2-132-13） 为到达为到达辐射接收面的漫辐射量，为地面建筑、地面或者水面的为到达为到达辐射接收面的漫辐射量，为地面建筑、地面或者水面的反射率。反射率。2.2.32.2.3辐射接收器的辐射性质辐射接收器的辐射性质吸收率、反射率、透过率和发射率吸收率、反射率、透过率和发射率，吸收率、反射率和透，吸收率、反射率和透过率分别为接收器吸收、反射和透射的投射辐射的过率分别为接收器吸收、反射和透射的投射辐射的份额份额。Q QQ QQ QQ QQ=QQ=Q+Q+Q+Q+Q非透明辐射接收器有：非透明辐射接收器有：Q QQ QQ Q发射率发射率是接收器表面发射的辐

31、射能与同温度黑体发射的辐是接收器表面发射的辐射能与同温度黑体发射的辐射能之比。射能之比。 基尔霍夫定律基尔霍夫定律：在在热平衡条件热平衡条件下，任意物体对黑体投入辐下，任意物体对黑体投入辐射的射的吸收比吸收比等于同温度下该物体的发射率。等于同温度下该物体的发射率。太阳能量重要集中在波长太阳能量重要集中在波长3m3m的谱段，波长的谱段，波长3m3m3m采用低吸收率的选采用低吸收率的选择性表面涂层材料。择性表面涂层材料。理想的太阳能集热器表面涂层材料吸收率理想的太阳能集热器表面涂层材料吸收率2 2. .2.4 2.4 太阳能利用中的其他基础理论知识太阳能利用中的其他基础理论知识 1. 1.太阳能的

32、品位属性和热力学表征问题太阳能的品位属性和热力学表征问题利用困难：利用困难：能流密度低能流密度低，利用效率不高利用效率不高特性：特性：辐射具有频率特性辐射具有频率特性2.2.地面上利用太阳能转化为电能的极限效率地面上利用太阳能转化为电能的极限效率在光热发电方法中，辐射能在传输扩散时，有效能会损失。在光热发电方法中，辐射能在传输扩散时，有效能会损失。能量效率与截止波长关系曲线能量效率与截止波长关系曲线3.3.光与物质作用的能量转换光与物质作用的能量转换 辐射光子与物质相互作用的常见理论包括光与非金属内简辐射光子与物质相互作用的常见理论包括光与非金属内简谐振子相互作用的谐振子相互作用的洛伦兹模型洛

33、伦兹模型，光与金属物质内简谐振子，光与金属物质内简谐振子作用的作用的德鲁德模型和能带理论德鲁德模型和能带理论。洛伦兹模型洛伦兹模型较好解释了部分非金属固体、气较好解释了部分非金属固体、气体和液体与光的相互作用体和液体与光的相互作用对对半导体物质半导体物质与光作用现象解释存与光作用现象解释存在一定的问题在一定的问题德鲁德模型德鲁德模型 对光与金属的作用能较好的分析对光与金属的作用能较好的分析对对半导体物质半导体物质与光作用现象解释存与光作用现象解释存在一定的问题在一定的问题能带理论能带理论很好的解释许多物质与光的相互很好的解释许多物质与光的相互作用现象作用现象没有给出光与物质之间的没有给出光与物

34、质之间的能量转换能量转换作用机制作用机制4.4.分频和综合利用太阳能的理论分频和综合利用太阳能的理论 分频技术的理论依据：分频技术的理论依据：太阳能辐射接收器对太阳全光谱光太阳能辐射接收器对太阳全光谱光子子某一波段某一波段的太阳辐射具有的太阳辐射具有选择性吸收选择性吸收，而不吸收其余波，而不吸收其余波段的太阳辐射。段的太阳辐射。釆用太阳能分频技术可以有效地减少无效辐射进入太阳电池，釆用太阳能分频技术可以有效地减少无效辐射进入太阳电池，进而降低太阳电池温度，提高太阳电池光电转换效率。进而降低太阳电池温度，提高太阳电池光电转换效率。5.5.太阳能聚光技术理论太阳能聚光技术理论 聚光方法有效提高太阳

35、辐射能流密度且减少太阳电池使用聚光方法有效提高太阳辐射能流密度且减少太阳电池使用数量。目前，用于太阳能聚光光伏发电的聚光方法主要有数量。目前，用于太阳能聚光光伏发电的聚光方法主要有两种，即两种，即反射聚光反射聚光和和透射聚光透射聚光。2.32.3太阳能供暖技术太阳能供暖技术2.3.12.3.1太阳能供暖利用研究太阳能供暖利用研究国外国外 起步较早，发展较快，技术先进，安装面积和供热能起步较早，发展较快，技术先进，安装面积和供热能力较大等力较大等国内国内 起步较晚，处于市场发展初期，技术主要以研究和试起步较晚，处于市场发展初期，技术主要以研究和试验为主，安装面积和供热能力十分有限等。验为主，安装

36、面积和供热能力十分有限等。2.3.22.3.2太阳能供暖的分类太阳能供暖的分类自然循环式自然循环式 自然循环式热水系统是依靠集热器和贮水箱中的自然循环式热水系统是依靠集热器和贮水箱中的温差温差，形，形成系统的成系统的热虹吸压头热虹吸压头，使水在系统中循环。，使水在系统中循环。自然循环式太阳能供暖系统简图自然循环式太阳能供暖系统简图1-1-集热器；集热器；2-2-循环水箱；循环水箱；3-3-补给水箱；补给水箱；4-4-上循环管；上循环管；5-5-下循环管；下循环管；6-6-供热水管；供热水管；7-7-补给水管；补给水管；8-8-自来水管自来水管强制循环式强制循环式1-1-集热器；集热器；2-2-

37、换热器；换热器；3-3-水箱；水箱；4-4-循环水泵循环水泵设置换热器的强制循环式太阳能供暖系统简图设置换热器的强制循环式太阳能供暖系统简图常规能源采暖系统相比太阳能采暖系统有如下特点：常规能源采暖系统相比太阳能采暖系统有如下特点：特点特点适合在节能建筑中应用适合在节能建筑中应用有储存热量的设备有储存热量的设备与辅助热源配套使用与辅助热源配套使用系统运行温度低系统运行温度低特点特点适合在节能建筑中应用适合在节能建筑中应用有储存热量的设备有储存热量的设备与辅助热源配套使用与辅助热源配套使用系统运行温度低系统运行温度低2.3.32.3.3太阳能供暖原理太阳能供暖原理 太阳能供暖系统由太阳能太阳能供

38、暖系统由太阳能集热系统集热系统、水循环系统水循环系统、风循环风循环系统系统及及控制系统控制系统组成组成( (图图2-8)2-8)。 图图2-8 2-8 太阳能供暖系统简图太阳能供暖系统简图1-1-集热器；集热器；2-2-上水管；上水管；3-3-水泵；水泵；4-4-板式换热器；板式换热器；5-5-下水管；下水管；6-6-补给水箱；补给水箱；7-7-蓄热水箱；蓄热水箱；8-8-用户用户2.3.42.3.4太阳能集热系统关键设计基础太阳能集热系统关键设计基础集热器的东、南、西方向集热器的东、南、西方向无遮挡无遮挡减少散热量减少散热量避风避风设阁楼层等将贮水箱设阁楼层等将贮水箱放在建筑内部放在建筑内部

39、减少贮水箱热损失减少贮水箱热损失安安装装位位置置要要求求保证系统总效率，特保证系统总效率，特别是自然循环式别是自然循环式连接管路尽可能连接管路尽可能短短连接管路尽可能连接管路尽可能短短1.1.太阳能集热器的定位太阳能集热器的定位（1 1）太阳能集热器的安装方位和倾角）太阳能集热器的安装方位和倾角 推荐集热器最佳安装范围是正南，或南偏东、偏西推荐集热器最佳安装范围是正南，或南偏东、偏西3030， 倾角为当地纬度倾角为当地纬度1010。 全年使用的太阳能热水系统，集热器安装倾角等于当地纬度全年使用的太阳能热水系统，集热器安装倾角等于当地纬度。系统侧重在系统侧重在夏季夏季使用，安装倾角推荐采用当地纬

40、度使用，安装倾角推荐采用当地纬度减减1010；在在冬季冬季使用，其安装倾角推荐采用当地纬度使用，其安装倾角推荐采用当地纬度加加1010。（2 2）太阳能集热器的前后排间距）太阳能集热器的前后排间距 为防止系统实际运行效果和经济性受太阳能集热器位置设为防止系统实际运行效果和经济性受太阳能集热器位置设置以及被前方障碍物或前排集热器遮挡的影响，对放置在置以及被前方障碍物或前排集热器遮挡的影响，对放置在建筑外围护结构上建筑外围护结构上太阳能集热器太阳能集热器采光面的日照时间采光面的日照时间做出规做出规定：定：冬至日日照时间不少于冬至日日照时间不少于4h4h。集热器遮挡问题分集热器遮挡问题分两类两类，一

41、类是集热器前方建筑物在，一类是集热器前方建筑物在某一时某一时刻刻遮挡投射到集热器上的阳光；另一类是平行安装的集热器遮挡投射到集热器上的阳光；另一类是平行安装的集热器阵列，前排对后排的遮挡。阵列，前排对后排的遮挡。2.2.太阳能集热器的连接太阳能集热器的连接 集热器连接方式对太阳能系统中各个集热器的流量分配和集热器连接方式对太阳能系统中各个集热器的流量分配和换热均有影响。集热器的连接方式主要有三种：换热均有影响。集热器的连接方式主要有三种：串联；串联；并联；并联；混联。混联。 并并联联连连接接系系统统的的流流动动阻阻力力较较小小，适适宜宜自自然然循循环环系系统统，但但并并联联的组数不宜过多，否则

42、会造成集热器之间流量不平衡。的组数不宜过多，否则会造成集热器之间流量不平衡。集热器组集热器组并联并联各组并联的集热各组并联的集热器数应该器数应该相同相同每组并联的集热器每组并联的集热器的量的量不宜超过不宜超过1010片片集热器的连接集热器的连接尽可尽可能采用并联能采用并联，串联，串联的集热器数目应尽的集热器数目应尽可能少可能少1平板型集热器平板型集热器每排每排并联数目不宜超过并联数目不宜超过1616个个2热管真空管集热热管真空管集热器串联时，集热器串联时，集热器的联箱总长度器的联箱总长度不宜超过不宜超过20m20m3全玻璃真空管全玻璃真空管东西东西向放置向放置的集热器，的集热器，在同一斜面上多

43、层在同一斜面上多层布置时，串联的集布置时，串联的集热器联箱总长度不热器联箱总长度不宜超宜超6m6m4对于自然循环系统，对于自然循环系统，每个系统全部集热每个系统全部集热器的数目不宜超过器的数目不宜超过2424个个，大面积自然，大面积自然循环系统，可以分循环系统，可以分成若干成若干子系统子系统。3.3.太阳能集热器面积的确定太阳能集热器面积的确定（1 1）直接式太阳能采暖系统集热器面积的确定）直接式太阳能采暖系统集热器面积的确定 直接式采暖系统集热器面积根据集热器性能、当地辐直接式采暖系统集热器面积根据集热器性能、当地辐射条件、采暖需求工况等参数确定：射条件、采暖需求工况等参数确定： （2-17

44、2-17） 式中，式中，AcAc为直接式太阳能采暖系统集热器总面积，为直接式太阳能采暖系统集热器总面积，m m2 2；T T为每日采暖时为每日采暖时间，间，h h；Q Qh h为日平均采暖负荷，为日平均采暖负荷，W W；J JT T为系统使用期的当地在集热器平为系统使用期的当地在集热器平面上的平均日太阳能辐照量面上的平均日太阳能辐照量,J/m,J/m2 2；f f为太阳能保证率，可参考表为太阳能保证率，可参考表 2-2 2-2选取；选取；cdcd为系统使用期的平均集热效率；为系统使用期的平均集热效率；L L为管道及贮水箱热损失为管道及贮水箱热损失率，一般取值率，一般取值0.20.20.30.3

45、。太阳能资源太阳能资源等级等级太阳能保证率太阳能保证率f/%f/%短期蓄热系统短期蓄热系统 季节蓄热系统季节蓄热系统丰富区丰富区50506060较富区较富区3030505040406060一般区一般区1010303020204040贫乏区贫乏区5 5101010102020不同地区采暖系统太阳能保证率的推荐选用值不同地区采暖系统太阳能保证率的推荐选用值（2 2）间接式太阳能系统集热器面积的确定）间接式太阳能系统集热器面积的确定 间接系统换热器内外存在温差，系统加热能力相同时，太间接系统换热器内外存在温差，系统加热能力相同时，太阳能集热器平均工作温度高于直接式系统，集热器效率降阳能集热器平均工作

46、温度高于直接式系统，集热器效率降低。所以，获得相同热水，间接系统集热器面积要大于直低。所以，获得相同热水，间接系统集热器面积要大于直接系统。接系统。 （2-182-18） 式中，式中，A AININ间接系统集热器总面积，间接系统集热器总面积，m m2 2； F FR RU UL L集热器总热损系数，集热器总热损系数，W/(mW/(m2 2)； U Uhxhx为换热器传热系数，为换热器传热系数，W/(mW/(m2 2)； A Ahxhx为换热器换热面积，为换热器换热面积，m m2 2。1.1.从保热性能上分析从保热性能上分析 各种供暖方式采用不同的太阳能集热器。各种供暖方式采用不同的太阳能集热器

47、。 2.3.52.3.5太阳能集热器与供暖方式的搭配分析太阳能集热器与供暖方式的搭配分析供暖方式（工作温度）供暖方式（工作温度）低温热水地板辐射供低温热水地板辐射供暖（暖（35354545）风机盘管供暖风机盘管供暖(50(5060)60)散热器供暖散热器供暖(70(7095)95)平板型集热器、全玻平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热璃真空管集热器、热管真空管集热器管真空管集热器全玻璃真空管集热器全玻璃真空管集热器热管真空管集热器热管真空管集热器热管真空管集热器热管真空管集热器 供暖方式和太阳能集热器的搭配供暖方式和太阳能集热器的搭配2.2.从系统运行安全可行性考虑从系统运行安全可行性考虑 非

48、供暖季，系统所需负荷减少，太阳能偏执器会长时间处非供暖季，系统所需负荷减少，太阳能偏执器会长时间处于空晒、闷晒，太阳能系统会产生于空晒、闷晒，太阳能系统会产生过热问题过热问题。并采取相应。并采取相应的保护措施。的保护措施。平板型集热器平板型集热器冬季在冬季在7575左右，夏季在左右，夏季在 90 90左右，左右，集热效率集热效率接近于接近于0 0，达到吸热与散热自平衡状态，本身就解决了系统的达到吸热与散热自平衡状态，本身就解决了系统的过热问题。而其他两种真空管集热器，则必须加装相应的散过热问题。而其他两种真空管集热器，则必须加装相应的散热装置才能解决系统的热装置才能解决系统的过热问题过热问题。

49、3.3.太阳能供暖系统应用效果注意事项太阳能供暖系统应用效果注意事项太阳能集热器太阳能集热器面积与供暖面面积与供暖面积的配比积的配比主要考虑主要考虑两个问题两个问题太阳能供暖太阳能供暖系统与建筑系统与建筑的结合。的结合。（1 1）太阳能集热器面积与供暖面积的配比）太阳能集热器面积与供暖面积的配比 综合考虑各种因素，太阳能系统的综合考虑各种因素，太阳能系统的供暖贡献率宜取供暖贡献率宜取6060以以下下，太阳能集热器面积与供暖面积的配比应控制在，太阳能集热器面积与供暖面积的配比应控制在1:51:5至至1:101:10之间之间。面积配比面积配比太阳能的节能太阳能的节能率率建筑的供暖负建筑的供暖负荷荷

50、系统的经济效系统的经济效益益（2 2）太阳能供暖系统与建筑的结合）太阳能供暖系统与建筑的结合 太阳能集热器可采用太阳能集热器可采用嵌嵌入屋面瓦中、安装在屋面瓦上、安入屋面瓦中、安装在屋面瓦上、安装在南立面上、安装在大倾角坡屋面上等多种方式。装在南立面上、安装在大倾角坡屋面上等多种方式。2.4 2.4 太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术优太阳能光伏发电技术优势势无污染排放、绿色能源无污染排放、绿色能源能量广泛、地域限制小能量广泛、地域限制小运行可靠，故障率低运行可靠，故障率低维护简单维护简单应用场合广，可独立或应用场合广，可独立或并网发电并网发电无需架设输电线路无需架设输电线

51、路建站周期短，规模任意建站周期短，规模任意2.4.12.4.1太阳能光伏发电利用研究太阳能光伏发电利用研究国外研究国外研究 起步早发展较快，光伏电池效率较高（达起步早发展较快，光伏电池效率较高（达23.7%23.7%），逐步），逐步商业化，装机容量大，政府扶持力度大等。商业化，装机容量大，政府扶持力度大等。国内研究国内研究发展迅速，光伏电池效率与国外相差不大，装机容量小，成发展迅速，光伏电池效率与国外相差不大，装机容量小，成本较高，商业化不足等。本较高，商业化不足等。2.4.22.4.2太阳能光伏发电系统分类太阳能光伏发电系统分类分为分为独立供电独立供电光伏发电系统、光伏发电系统、并网并网光伏

52、发电系统、光伏发电系统、混合型混合型光光伏发电系统三种。伏发电系统三种。太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统是是利用太阳能电池的光伏利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种直接转换成电能的一种新型发电系统。一般是新型发电系统。一般是由由太阳能电池板太阳能电池板、太阳太阳能控制器能控制器、逆变器逆变器和和蓄蓄电池电池( (组组) )构成。构成。1.1.独立供电光伏发电系统独立供电光伏发电系统 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图2.2.并网光伏发电系统并网光伏发电系统 并网光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统结构框图3.

53、3.混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统结构框图混合型光伏发电系统结构框图2.4.32.4.3太阳能电池光伏发电原理太阳能电池光伏发电原理1.1.发电原理发电原理图图2-12 2-12 太阳能电池发电原理图太阳能电池发电原理图2.2.太阳能电池分类太阳能电池分类（1 1）太阳能电池分类）太阳能电池分类图图2-13 2-13 太阳能电池分类图太阳能电池分类图电池类别电池类别优点优点缺点缺点单晶硅太阳能光伏电池单晶硅太阳能光伏电池转化效率最高，技术最转化效率最高，技术最成熟，使用寿命最长成熟，使用寿命最长成本高，工艺繁琐成本高，工艺繁琐非晶硅薄膜太阳能光伏非晶硅薄膜太阳能光伏电池

54、电池资源丰富，制造工艺简资源丰富，制造工艺简单且成本低，便于大规单且成本低，便于大规模生产模生产转化效率低，稳定性差转化效率低，稳定性差多晶硅薄膜太阳能光伏多晶硅薄膜太阳能光伏电池电池无效率衰退问题，成本无效率衰退问题，成本远低于单晶硅电池，效远低于单晶硅电池，效率高于非晶硅薄膜电池率高于非晶硅薄膜电池对结晶技术要求较高对结晶技术要求较高（2 2）太阳能电池的材料）太阳能电池的材料 目前太阳能电池产品中，目前太阳能电池产品中， 以以硅半导体硅半导体材料为主。原材料材料为主。原材料广泛，广泛， 较高的转换效率和可靠性。较高的转换效率和可靠性。 多晶硅太阳能电池性价比多晶硅太阳能电池性价比最高最高

55、，占现有市场份额，占现有市场份额70% 70% 以上以上。非晶硅在民用产品上也有广泛的应用，但是它的稳定性和转非晶硅在民用产品上也有广泛的应用，但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料。换效率劣于结晶类半导体材料。三种电池示意图三种电池示意图（3 3）太阳能电池板）太阳能电池板 太阳能电池板从上至下分别由太阳能电池板从上至下分别由白玻璃白玻璃、EVA( EVA( 粘接膜粘接膜) )、减反射涂层、太阳能电池板芯片、减反射涂层、太阳能电池板芯片、EVAEVA、TPT(TPT(聚氟乙烯复聚氟乙烯复合膜合膜) )与外边框组成。与外边框组成。 太阳能电池板结构图太阳能电池板结构图2.4.42.4.4

56、太阳能光伏发电系统设计原则太阳能光伏发电系统设计原则为了节省线缆成本、减少发电量在线缆上的损失，大规为了节省线缆成本、减少发电量在线缆上的损失，大规模光伏电站一般以模光伏电站一般以 1MWp 1MWp 为一个小的发电单元（为一个小的发电单元（子方阵子方阵）。）。电池板串联形成的组电池板串联形成的组串其输出电压的变化串其输出电压的变化范围必须在逆变器正范围必须在逆变器正常工作时允许输入电常工作时允许输入电压范围内。压范围内。各电池板至逆各电池板至逆变器的直流部变器的直流部分通路应尽可分通路应尽可能短，以减少能短，以减少直流损耗。直流损耗。每个子方阵的每个子方阵的总功率应不超总功率应不超过逆变器的

57、最过逆变器的最大允许输入功大允许输入功率。率。电电池池板板串串联联后后其其最最高高输输出出电电压压不不允允许许超超过过电电池池组组件件自自身身要要求求的的最最高高允允许许系系统电压统电压太阳能逆变器主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。太阳能逆变器主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。太阳能逆变器太阳能逆变器2.4.52.4.5太阳能光伏发电系统设计程序太阳能光伏发电系统设计程序1.1.当地太阳能辐照数据及气象数据收集当地太阳能辐照数据及气象数据收集1收集基本资料：地收集基本资料：地点、气候、纬度、点、气候、纬度、经度、平均日照、经度、平均日照、平均温度、降雨量、平均温度、降雨量、湿度、浮

58、尘量、风湿度、浮尘量、风荷载和地质条件等。荷载和地质条件等。2气象资料无法做气象资料无法做出长期观测时，出长期观测时，只能根据以往只能根据以往10102020年的平均值年的平均值作为设计依据。作为设计依据。 3不能从当地或附不能从当地或附近气象观测站获近气象观测站获得太阳能辐照及得太阳能辐照及气象资料时，一气象资料时，一般参考美国宇航般参考美国宇航气象数据库的资气象数据库的资料，但要比实际料，但要比实际数据高约数据高约20%20%。2.2.太阳能电池组件选择太阳能电池组件选择太阳能电太阳能电池组件选池组件选择几本原择几本原则则确定组件型式确定组件型式气象条件气象条件地理环境地理环境施工条件施工

59、条件交通运输交通运输太阳能资源状况太阳能资源状况太阳能电池组太阳能电池组件类型件类型计算年发电量计算年发电量选择最佳太阳能电池组件选择最佳太阳能电池组件（1 1）太阳能电池组件选型）太阳能电池组件选型技术成熟、运行可靠技术成熟、运行可靠（2 2）太阳能电池类型选择）太阳能电池类型选择种种类类电池类电池类型型商用效商用效率率% %实验室实验室效率效率% %使用寿使用寿命命/ /年年特点特点目前应用范围目前应用范围晶晶体体电电池池单晶体单晶体1414171724.724.72525效率高效率高技术成熟技术成熟中央发电系统中央发电系统独立电源独立电源民用消费品市场民用消费品市场多晶体多晶体13131

60、51520.320.32525效率较高效率较高技术成熟技术成熟中央发电系统中央发电系统独立电源民用消费品独立电源民用消费品市场市场薄薄膜膜电电池池非晶硅非晶硅6 68 813132525弱光效应好弱光效应好成本相对较低成本相对较低民用消费品市场民用消费品市场中央发电系统中央发电系统碲化镉碲化镉9 9111116.516.52525弱光效应好弱光效应好成本相对较低成本相对较低民用消费品市场民用消费品市场铜铟硒铜铟硒9 9111119.519.52020弱光效应好弱光效应好成本相对较低成本相对较低民用消费品市场民用消费品市场少数独立电源少数独立电源3.3.太阳能电池组件的串并联设计太阳能电池组件的

61、串并联设计 (1) (1) 太阳能电池组件串联的数量由逆变器的太阳能电池组件串联的数量由逆变器的最高输入电压最高输入电压和和最低工作电压最低工作电压、以及、以及太阳能电池组件允许的最大系统电太阳能电池组件允许的最大系统电压压所确定。太阳能电池串的并联数量由逆变器的所确定。太阳能电池串的并联数量由逆变器的额定容量额定容量确定。确定。（2 2）在进行光伏系统组串设计时，尽量保证在温度和辐照变）在进行光伏系统组串设计时，尽量保证在温度和辐照变化时，在光伏阵列电压工作在逆变器的化时，在光伏阵列电压工作在逆变器的 MPPTMPPT 范围内，保证范围内，保证光伏系统发电量最高。光伏系统发电量最高。太阳能电

62、池组件串并联设计的基本原则是：太阳能电池组件串并联设计的基本原则是：（3 3）电池组件串、联数量计算：）电池组件串、联数量计算： 式中：式中：V Vdcmaxdcmax逆变器输入直流侧最大电压；逆变器输入直流侧最大电压； V Vdcmindcmin逆变器输入直流侧最小电压；逆变器输入直流侧最小电压； V Vococ电池组件开路电压；电池组件开路电压； V Vmpmp电池组件最佳工作电压；电池组件最佳工作电压； N N电池组件串联数。电池组件串联数。(4) (4) 太阳能电池组件输出可能的太阳能电池组件输出可能的最低最低电压条件电压条件这种情况一般发生在日出、日落时。这种情况一般发生在日出、日落

63、时。(5) (5) 太阳能电池组件输出可能的太阳能电池组件输出可能的最高最高电压条件电压条件太阳辐射强度最大；这种情况一般发生在冬季中午至下太阳辐射强度最大；这种情况一般发生在冬季中午至下午时段。午时段。4.4.太阳能电池组件的排列方式太阳能电池组件的排列方式 晶硅组件排列方式分为：将晶硅组件排列方式分为：将 20 20 块组件分成块组件分成 l l 行行 20 20 列，列，每块纵向放置，再将每块纵向放置，再将 2 2 组组 20 20 块组、串纵向叠加放置；块组、串纵向叠加放置；由于大尺寸薄膜组件可以两块或三块组件串联使用，因此由于大尺寸薄膜组件可以两块或三块组件串联使用，因此大尺寸薄膜组

64、件排列方式为大尺寸薄膜组件排列方式为 18 18 块或块或 24 24 块单排放置，既块单排放置，既可以两块组件串联使用也可以三块组件串联使用。可以两块组件串联使用也可以三块组件串联使用。5.5.太阳能电池阵列的运行方式太阳能电池阵列的运行方式组件安装组件安装方式方式自动跟踪自动跟踪式式固定安装固定安装式式单轴跟踪单轴跟踪系统系统双轴跟踪双轴跟踪系统系统固定的倾角固定的倾角从东从东往西往西跟踪太阳的跟踪太阳的轨迹轨迹可以随着太阳轨可以随着太阳轨迹的季节性位置迹的季节性位置变换而改变方位变换而改变方位角和倾角角和倾角6.6.太阳能电池阵列最佳倾角的计算太阳能电池阵列最佳倾角的计算 与光伏组件方阵

65、放置相关的两个角度参量：与光伏组件方阵放置相关的两个角度参量：太阳电池组件太阳电池组件倾角；太阳电池组件方位角倾角；太阳电池组件方位角。一般在北半球，太阳电池组件朝向正南一般在北半球，太阳电池组件朝向正南( (即方阵垂直面与正南即方阵垂直面与正南的夹角为的夹角为0 0度度) )时，太阳电池组件的发电量是最大的。时，太阳电池组件的发电量是最大的。太阳电池组件的太阳电池组件的倾角倾角是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。光伏组件方阵的光伏组件方阵的方位角方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角是方阵的垂直面与正南方向的夹角( (向向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度

66、东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度) )。7.7.固定式阵列前后排间距计算固定式阵列前后排间距计算 确定方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的确定方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离距离，一般的确定原则是：一般的确定原则是：冬至日当天早晨冬至日当天早晨 9:00 9:00 至下午至下午3:00 3:00 的时间段内，太阳能电池方阵不应被遮挡。的时间段内，太阳能电池方阵不应被遮挡。 光伏电池方阵间距或可能遮挡物与方阵底边的垂直距光伏电池方阵间距或可能遮挡物与方阵底边的垂直距离应不小于：离应不小于： （2-192-19） 式中：式中：D D遮挡物与阵列的间距，遮挡物与阵列的间距，m m；

67、H H遮挡物与可能被遮挡组件底遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差，边的高度差，m m； 当地纬度，当地纬度，degdeg；太阳赤纬角，太阳赤纬角，degdeg；太阳方位角，太阳方位角，degdeg；时角，时角，degdeg。8.8.光伏专用防雷汇流箱光伏专用防雷汇流箱光伏专用防光伏专用防雷汇流箱雷汇流箱使多个太阳能电使多个太阳能电池组件的连接有池组件的连接有序，利于维护、序，利于维护、检查，当太阳能检查，当太阳能电池阵列发生故电池阵列发生故障时可以把停电障时可以把停电的范围缩小。的范围缩小。防止雷电浪涌侵入防止雷电浪涌侵入到太阳能电池阵列到太阳能电池阵列或逆变器的保护装或逆变器的保护装置。通常

68、，为了保置。通常，为了保护太阳能电池阵列，护太阳能电池阵列，每一个组件串中都每一个组件串中都要安装避雷元件要安装避雷元件为防止由于电池阵列组串之间由于电压不平衡而造成反向为防止由于电池阵列组串之间由于电压不平衡而造成反向电流，在组件串上要安装防止逆流元件，一般用二极管。电流，在组件串上要安装防止逆流元件，一般用二极管。9.9.逆变器逆变器逆变器逆变器输入直流电源性质输入直流电源性质光伏系统的应用光伏系统的应用（1 1）逆变器的分类）逆变器的分类（2 2）逆变器的主要技术指标）逆变器的主要技术指标逆变器的主要技逆变器的主要技术指标术指标输出效率输出效率输出波形输出波形输入直流电压的输入直流电压的

69、范围范围可恢复性可恢复性可可靠靠性性逆变器的主要技逆变器的主要技术指标术指标输出效率输出效率输入直流电压的范围输入直流电压的范围输出波形输出波形可恢复性可恢复性可可靠靠性性2.52.5太阳能热发电技术太阳能热发电技术2.5.12.5.1太阳能热发电利用研究太阳能热发电利用研究 2020世纪世纪7070年代初石油危机后，世界主要发达国家如美年代初石油危机后，世界主要发达国家如美国、西班牙、德国、瑞士、法国等开始大力研发太阳能发国、西班牙、德国、瑞士、法国等开始大力研发太阳能发电技术，电技术，8080年代就建立了大量的实验电站，近年代就建立了大量的实验电站，近2020年来，全年来，全世界建造的太阳

70、能热发电站约有世界建造的太阳能热发电站约有2020余座，并且有些已经投余座，并且有些已经投入商业运行。入商业运行。2.5.2 2.5.2 太阳能热发电系统分类太阳能热发电系统分类太阳热能通过热机带太阳热能通过热机带动常规发电机发电动常规发电机发电利用半导体或金属利用半导体或金属材料的温差发电、材料的温差发电、真空器件的热电子真空器件的热电子和热离子发电和热离子发电间接热发电间接热发电直接热发电直接热发电槽式、碟式、塔式、槽式、碟式、塔式、太阳能热气流和太太阳能热气流和太阳能池阳能池RankineRankine循环、循环、BraytonBrayton循环、循环、StirlingStirling循

71、环、循环、OttoOtto和和DieselDiesel循环及联循环及联合循环合循环纯太阳能发电系统、纯太阳能发电系统、太阳能与化石能源互补太阳能与化石能源互补太阳能热化学整合的多太阳能热化学整合的多能源互补发电系统能源互补发电系统聚光集热方式聚光集热方式热功转换的热力循环热功转换的热力循环方式方式利用模式利用模式2.5.3 2.5.3 太阳能热发电系统原理太阳能热发电系统原理 太阳能热发电是指聚集太阳光将其转化为足够温度的热能，太阳能热发电是指聚集太阳光将其转化为足够温度的热能，然后转换成电能的技术。然后转换成电能的技术。聚光集热聚光集热器收集太器收集太阳能阳能向做功向做功工质传工质传热热驱动

72、汽驱动汽轮机轮机带动发电带动发电机发电机发电发电过程发电过程加热集加热集热工质热工质2.5.4 2.5.4 太阳能热发电系统技术太阳能热发电系统技术1.1.塔式太阳能热发电技术塔式太阳能热发电技术 塔式太阳能热发电主要由塔式太阳能热发电主要由定日镜系统定日镜系统、吸热与热能传吸热与热能传递系统递系统( (热流体系统热流体系统) )、发电系统发电系统 3 3部分组成。部分组成。v（1 1）塔式熔盐系统）塔式熔盐系统Solar TwoSolar Two塔式熔盐电站示意图塔式熔盐电站示意图塔式盐溶液塔式盐溶液系统系统（2 2）塔式水）塔式水/ /蒸汽系统蒸汽系统 Solar One Solar On

73、e试验电站示意图试验电站示意图（3 3）塔式空气系统）塔式空气系统 太阳能空气预热系统太阳能空气预热系统太阳能燃料重整发电系统太阳能燃料重整发电系统无相变无相变工作温度高工作温度高丰富、不污丰富、不污染环境染环境易于运行和维护，易于运行和维护，启动快无保温和启动快无保温和加热系统。加热系统。2.2.槽式太阳能热发电槽式太阳能热发电抛物面反射镜抛物面反射镜集热管集热管 槽式的槽式的聚光比小，聚光比小，要维持高温时的运行效率，必须使要维持高温时的运行效率，必须使用真空管作为吸热器件。用真空管作为吸热器件。 与塔式太阳能热发电系统相比，除聚光和集热装置有与塔式太阳能热发电系统相比，除聚光和集热装置有

74、所不同外，两者在系统构成和工作原理等方面，基本上都所不同外，两者在系统构成和工作原理等方面，基本上都是一样的，都是是一样的，都是通过汽轮机将热能转化为电能通过汽轮机将热能转化为电能。3.3.碟式太阳能热发电碟式太阳能热发电 碟式太阳能热发电系统一般由碟式太阳能热发电系统一般由旋转抛物面反射镜旋转抛物面反射镜、吸热器吸热器、跟踪装置跟踪装置以及以及热功转换装置热功转换装置等组成。等组成。 中科院电工所研制的碟式太阳能热发电装置中科院电工所研制的碟式太阳能热发电装置 碟式太阳能热发电系统碟式太阳能热发电系统聚光比大聚光比大，工作温度高，系统，工作温度高，系统效率高；结构紧凑，安装方便，非常适用于分

75、布式能源系效率高；结构紧凑，安装方便，非常适用于分布式能源系统。统。 但核心部件但核心部件斯特林发动机技术斯特林发动机技术难度较大，在我国仍处难度较大，在我国仍处于研发阶段。于研发阶段。2.5.52.5.5三种太阳能热发电系统技术比较三种太阳能热发电系统技术比较发电方式发电方式抛物槽式抛物槽式塔式塔式碟式碟式发电规模发电规模1100MW1100MW110MW应用应用可并网发电：中温段、高温可并可并网发电：中温段、高温可并网发电：高温段加热网发电：高温段加热可并网发电：高温可并网发电：高温段加热段加热小容量分散发电、边小容量分散发电、边远地区独立系统供电远地区独立系统供电优点优点1.已商业化已商

76、业化2.太阳能集热装置效率达到太阳能集热装置效率达到60%，太阳能化电能效率为太阳能化电能效率为21%3.温度达到温度达到500，年均净发电率，年均净发电率14%4.在所有的太阳能发电技术中用在所有的太阳能发电技术中用地最少地最少5.可混合发电可混合发电6.可有储能可有储能1.较高的转化效率，较高的转化效率，有中期前景有中期前景(在加热在加热温度达到温度达到565e时太时太阳能集热装置效率阳能集热装置效率46%，太阳能转化电，太阳能转化电能效率达到能效率达到23%)2.运行温度可超过运行温度可超过10003.可混合发电可混合发电4.可高温储能可高温储能1.高的转化效率，峰高的转化效率，峰值时太

77、阳能净发电效值时太阳能净发电效率超过率超过30%2.可模块化可模块化3.可混合发电可混合发电缺点缺点使用油作为传热介质，限制了运使用油作为传热介质，限制了运行温度，目前已达到行温度，目前已达到400，只能，只能产生中等品质的蒸汽产生中等品质的蒸汽性能、初投资和运性能、初投资和运营费用商业化程度营费用商业化程度不够不够可靠性需要加强，预可靠性需要加强，预计的大规模生成的成计的大规模生成的成本目标尚未达到本目标尚未达到2.5.62.5.6提高太阳能热发电系统效率的主要措施提高太阳能热发电系统效率的主要措施提高聚光集热提高聚光集热装置及光热转换装置的装置及光热转换装置的光热转换效率光热转换效率采用新

78、型的开口翅片管技术采用新型的开口翅片管技术尽量提高加热介质的进口参数尽量提高加热介质的进口参数降低加热介质的出口参数降低加热介质的出口参数提高太阳能热发电系统载热提高太阳能热发电系统载热介质的传输效率介质的传输效率提高太阳能热发电系统的蒸汽提高太阳能热发电系统的蒸汽发生器效率发生器效率 提高汽轮机的进汽参数，降低提高汽轮机的进汽参数，降低排汽参数排汽参数提高汽轮发电机组的装机容量提高汽轮发电机组的装机容量采用再热式机组采用再热式机组提高太阳能热发电系统提高太阳能热发电系统汽轮发电机组的效率汽轮发电机组的效率障碍与方向障碍与方向障障 碍碍成本和初投资高成本和初投资高发电效率低发电效率低不稳定不稳

79、定关键部件关键部件提高热功转化率提高热功转化率互补、互补、热化学反应热化学反应措措 施施2.62.6太阳能利用发展现状和趋势太阳能利用发展现状和趋势2.6.1 2.6.1 太阳能产业发展背景太阳能产业发展背景2.2.国内国内“低碳经济低碳经济”背景背景面对资源紧缺、环境污染等问题，为此国家提出了低碳经济面对资源紧缺、环境污染等问题，为此国家提出了低碳经济发展模式，以实现可持续发展。发展模式，以实现可持续发展。1.1.国际背景国际背景（1 1）资源与环境要求）资源与环境要求（2 2）国际太阳能源产业迅速发展）国际太阳能源产业迅速发展3.3.政策背景政策背景2.6.22.6.2太阳能利用技术的发展

80、战略与趋势太阳能利用技术的发展战略与趋势1.1.分布式能源系统分布式能源系统 是指分布在需求侧的是指分布在需求侧的能源梯级能源梯级/ /综合利用综合利用，资源资源综合综合利用和可再生能源利用的设施。利用和可再生能源利用的设施。减少能源中间环节损耗，提高能源利用效率，能治理环境污减少能源中间环节损耗，提高能源利用效率，能治理环境污染和降低能源成本。染和降低能源成本。 太阳能的分散型资源与就地的分散式能源消费模式相结合太阳能的分散型资源与就地的分散式能源消费模式相结合是经济、合理开发太阳能利用应遵循的规律。近是经济、合理开发太阳能利用应遵循的规律。近1010年来，年来，迅速发展的世界太阳能市场以迅

81、速发展的世界太阳能市场以分散型用户为主分散型用户为主，它主要集，它主要集中在中在光伏和低温热利用光伏和低温热利用两方面。两方面。2.2.太阳能利用装置是分布式能源系统的一个组成部分太阳能利用装置是分布式能源系统的一个组成部分3.3.太阳能在建筑领域的应用是太阳能利用发展的主流趋势太阳能在建筑领域的应用是太阳能利用发展的主流趋势降低建造成降低建造成本减少耗材本减少耗材充分利用充分利用太阳辐射太阳辐射能源自给能源自给太阳能与太阳能与建筑结合建筑结合建筑耗能约占总耗能的建筑耗能约占总耗能的25%25%40%40%4.4.集中式大型太阳能发电站集中式大型太阳能发电站- , - 2.6.32.6.3太阳

82、能发电利用十三五发展目标太阳能发电利用十三五发展目标开发利用目标成本目标技术进步目标1.1.太阳能的利用越来越受到人们的重视，并且现在也大力提倡太阳能的利用越来越受到人们的重视，并且现在也大力提倡使用太阳能，请谈谈卫生么现在大力提倡使用太阳能呢？使用太阳能，请谈谈卫生么现在大力提倡使用太阳能呢？2.2.解释什么是太阳高度角和方位角？分别怎样计算？解释什么是太阳高度角和方位角？分别怎样计算？3.3.外墙外保温墙体的主要优点有哪些？外墙外保温墙体的主要优点有哪些？4.4.被动式太阳房的重要形式有哪几种？各自的特点是什么？被动式太阳房的重要形式有哪几种？各自的特点是什么？5.5.太阳能光伏发电的优点

83、有哪些？太阳能光伏发电的优点有哪些？6.6.论述影响太阳能电池的转化效率有哪些？各个因素是如何影论述影响太阳能电池的转化效率有哪些？各个因素是如何影响的？响的？7.7.论述太阳能热水器的组成结构及各自的作用。论述太阳能热水器的组成结构及各自的作用。思考题思考题第三章第三章 生物质能生物质能3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 生物质能开发和能量转化技术生物质能开发和能量转化技术3.3 3.3 生物质能热化学转化技术生物质能热化学转化技术3.4 3.4 生物质能生物转化技术生物质能生物转化技术3.5 3.5 生物质能发电技术生物质能发电技术3.6 3.6 生物质能利用发展现状和趋势生物质能利用

84、发展现状和趋势3.1 3.1 概述概述生物质能优点：生物质能优点：分布广分布广自身可再生自身可再生贡献能量贡献能量生产化工产品生产化工产品与环境友好与环境友好其他其他预计到预计到2121世纪中叶，新技术生产的各种生物质替代燃料将占全世纪中叶，新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的球总能耗的40%40%以上以上。世界能源消费总量前四位：煤、石油、天然气、世界能源消费总量前四位：煤、石油、天然气、生物质能生物质能。占比占比14%3.1.1 3.1.1 生物质及生物质能生物质及生物质能生物质生物质：指通过：指通过光合作用光合作用而形成的各种有机体，包括所有的而形成的各种有机体，包括所有的动植

85、物和微生物。动植物和微生物。 生物质能生物质能：太阳能以：太阳能以化学能化学能形式蕴藏在生物质中的一种能量形式蕴藏在生物质中的一种能量形式，是以生物质为载体的能量。可转化为常规的形式，是以生物质为载体的能量。可转化为常规的固态固态、液液态态和和气态气态燃料，是一种可再生能源。燃料，是一种可再生能源。3.1.2 3.1.2 生物质能分类生物质能分类(1)(1)林业废弃物林业废弃物(2)(2)农业废弃物农业废弃物(3)(3)禽畜粪便禽畜粪便(4)(4)城市固体废物城市固体废物(5)(5)生活污水和工业有机污水生活污水和工业有机污水(6)(6)能源植物能源植物3.1.3 3.1.3 生物质能的特点生

86、物质能的特点1 1、生物质能资源的、生物质能资源的大量性大量性和和普遍性普遍性。2 2、生物质能是一种理想的、生物质能是一种理想的可再生能源可再生能源，可保证能源的永续利用。可保证能源的永续利用。3 3、生物质能的、生物质能的清洁性清洁性。3.2 3.2 生物质能开发和能量转化技术生物质能开发和能量转化技术主要主要转化转化途径途径物理物理转换转换化学化学转换转换生物生物转换转换3.2.1 3.2.1 物理转换物理转换物理转换技术物理转换技术：主要指生物质主要指生物质压缩成型压缩成型技术技术目的目的：提高：提高能源密度能源密度，改善，改善燃燃烧特性烧特性，解决生物质能堆积密，解决生物质能堆积密度

87、小且较松散、运输和储运使度小且较松散、运输和储运使用不方便等问题，是生物质用不方便等问题，是生物质预预处理处理的一种方式。的一种方式。3.2.2 3.2.2 化学转换化学转换热热气气流流高高压压蒸蒸汽汽化学转换化学转换直接燃烧直接燃烧液化液化气化气化热解热解燃料燃料油、油、化工化工产品产品乙醇、乙醇、甲醇、甲醇、氢气氢气直接液化直接液化间接液化间接液化木木煤煤气气氢氢气、气、甲甲醇醇合成合成木炭、木煤气、木炭、木煤气、木焦油、木醋木焦油、木醋液、燃料油液、燃料油3.2.3 3.2.3 生物转换生物转换生物转换是依靠生物转换是依靠微生物微生物或或酶酶进行生物转化，生产出如进行生物转化，生产出如乙

88、醇乙醇、氢氢、甲烷甲烷等液体或气体燃料，通常分为发酵生产乙醇工艺和厌氧消等液体或气体燃料，通常分为发酵生产乙醇工艺和厌氧消化技术。化技术。 生物转换生物转换甲烷气甲烷气乙醇乙醇发酵发酵水解发酵水解发酵3.3 3.3 生物质能热化学转化技术生物质能热化学转化技术3.3.1 生物质生物质直接燃烧直接燃烧3.3.2 生物质生物质热解热解3.3.3 生物质生物质气化气化技术技术3.3.1 3.3.1 生物质直接燃烧生物质直接燃烧1.1.生物质直接燃烧技术生物质直接燃烧技术及其特点及其特点生物质在空气中燃烧是利用不同的生物质在空气中燃烧是利用不同的过程设备过程设备( (例如锅炉等例如锅炉等) )将贮存将

89、贮存在生物质中的在生物质中的化学能化学能转化为转化为热能热能、机械能机械能或或电能电能。优点优点：清洁，可认为清洁，可认为COCO2 2零排放；零排放； 燃烧产物燃烧产物用途广，灰渣可加以综合利用用途广，灰渣可加以综合利用； 与矿物质燃料与矿物质燃料混燃混燃，减少成本，提高燃烧效率，减少成本，提高燃烧效率； 大规模减量化、无害化、资源化利用，大规模减量化、无害化、资源化利用，成本较低成本较低。生物质直接燃烧过程生物质直接燃烧过程四个阶段四个阶段： 1. 1. 预热预热和和干燥干燥阶段阶段2. 2. 挥发分挥发分析出及析出及木炭木炭形成形成阶段，又称干馏阶段，又称干馏3. 3. 挥发分挥发分燃烧

90、燃烧阶段阶段4. 4. 固定碳固定碳燃烧阶段燃烧阶段现代化生物质直接燃烧反应装置现代化生物质直接燃烧反应装置炉灶炉灶生物质锅炉生物质锅炉层燃炉层燃炉流化床炉流化床炉层燃技术层燃技术层燃过程层燃过程生物质生物质空气空气氧化层区域氧化层区域：空气被预热后和炽热：空气被预热后和炽热的木炭相遇，发生剧烈的的木炭相遇，发生剧烈的氧化反应氧化反应，O O2 2被迅速消耗，生成了被迅速消耗，生成了COCO2 2和和COCO，温度逐渐升高到最大值。温度逐渐升高到最大值。还原层区域还原层区域：在氧化层以上：在氧化层以上O O2 2基本基本消耗完毕，烟气中的消耗完毕，烟气中的COCO2 2和木炭相和木炭相遇遇，C

91、OCO2 2+C2CO+C2CO，烟气中，烟气中COCO2 2逐渐逐渐减少，减少，COCO不断增加。不断增加。布风板喷嘴布风板喷嘴流化床流化床: : 是基于是基于气固流态气固流态化化的一项技术的一项技术。 下部装有下部装有布风板布风板，空气从布风板下面的空气从布风板下面的风室风室向上送入，布风向上送入，布风板的上方堆有一定粒板的上方堆有一定粒度分布的度分布的固体燃料层固体燃料层。流化床燃烧技术流化床燃烧技术循环流化床锅炉循环流化床锅炉悬浮燃烧技术悬浮燃烧技术采用悬浮燃烧技术的生物质水管锅炉示意图采用悬浮燃烧技术的生物质水管锅炉示意图1-初级空气；初级空气；2-燃料输送；燃料输送；3-还原段；还

92、原段；4-烟气回流；烟气回流；5-灰室；灰室； 6-二次空气；二次空气； 7-三次空气；三次空气；8-锅炉水管锅炉水管l过程过程：预处理，：预处理，尺寸尺寸小小于于2mm2mm，含水率含水率15%15%。与空气混合喷入燃烧室。与空气混合喷入燃烧室。l优点优点：可在较低的：可在较低的过剩过剩空气空气下运行，减少下运行，减少NOx的生成。的生成。l缺点缺点：炉墙表面温度高，：炉墙表面温度高，较快较快损坏损坏炉墙的炉墙的耐火材耐火材料料。3.3.2 3.3.2 生物质热解生物质热解生物油生物油生物质热解技术及其特点：生物质热解技术及其特点：生物质生物质热解热解通常是指在通常是指在无氧无氧环境下，生物

93、质被加热升温引起环境下，生物质被加热升温引起分分子分解子分解产生产生焦炭焦炭、可冷凝液体可冷凝液体和和气体气体产物的过程。产物的过程。焦炭焦炭气体气体生物质热解的主要工艺类型生物质热解的主要工艺类型工艺类型工艺类型滞留期滞留期升温速率升温速率最高温度最高温度/主要产物主要产物慢速热解慢速热解炭化炭化数小时数天数小时数天非常低非常低400炭炭常规常规530min低低600气、油、炭气、油、炭快速热解快速热解快速快速0.55s较高较高650油油闪速（液体）闪速（液体）650油油闪速（气体）闪速（气体）650气气极快速极快速0.5s非常高非常高1000气气真空真空230s中中400油油反应性热解反应

94、性热解加氢热解加氢热解1.2m/s)(1.2m/s)移动移动并并热解热解，生物，生物质颗粒是由一些成质颗粒是由一些成角度的叶片角度的叶片压入压入到到金属表面。金属表面。（2 2）烧蚀反应器）烧蚀反应器（3 3）携带床反应器）携带床反应器生物质颗粒加入生物质颗粒加入惰性惰性颗粒流颗粒流( (如沙子等如沙子等) )，一同被抛入加热的反一同被抛入加热的反应器表面发生应器表面发生热解反热解反应应，同时沿着高温锥，同时沿着高温锥表面螺旋上升，表面螺旋上升，木炭木炭和和灰灰从锥顶排除从锥顶排除。（4 4）旋转锥反应器）旋转锥反应器(5)(5)真空移动床反应器真空移动床反应器 生物质热解产物生物质热解产物产

95、物产物形成过程形成过程成分成分用途用途气体气体热解形成焦炭过程中，少量的初热解形成焦炭过程中，少量的初级气体随之产生级气体随之产生，随后的热解过随后的热解过程中，部分有机蒸气裂解成为二程中，部分有机蒸气裂解成为二次气体。次气体。COCO、COCO2 2、H H2 2、CHCH4 4、CnHmCnHm。气体燃料气体燃料焦炭焦炭慢速裂解慢速裂解 化学成分化学成分固体燃料固体燃料液体液体 快速热解、传统热解快速热解、传统热解复杂流体，含复杂流体，含有一定的水分有一定的水分和微量固体炭。和微量固体炭。生物油（快速热生物油（快速热解），焦油（传解），焦油（传统热解）统热解）3.3.33.3.3 生物质气

96、化技术生物质气化技术生物质气化技术及其特点：生物质气化技术及其特点： 生物质气化是以生物质生物质气化是以生物质为原料，以为原料，以氧气氧气( (空气、富空气、富氧或纯氧氧或纯氧) )、水蒸气水蒸气或或氢气氢气等作为气化剂，在等作为气化剂，在高温高温条条件下通过热化学反应将生件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为物质中可燃的部分转化为可燃气可燃气的过程。的过程。不同条件下生物质气化过不同条件下生物质气化过程基本上包括下列反应：程基本上包括下列反应：C+O2=CO2 CO2+C=2CO 2C+O2=2CO 2CO+O2=2CO2H2O+C=CO+H2 2H2O+C=CO2+2H2H2O+CO

97、=CO2+H2C+2H2=CH4生物质气化生物质气化无气化剂无气化剂有气化剂有气化剂 干馏气化干馏气化空气气化空气气化氧气气化氧气气化水蒸气气化水蒸气气化水蒸气水蒸气空气气化空气气化氢气气化氢气气化生物质气化技术的分类生物质气化技术的分类 生物质气化装置生物质气化装置气化炉气化炉固定床固定床气化炉气化炉流化床流化床气化炉气化炉上上吸式固定床气化炉吸式固定床气化炉下下吸式固定床气化炉吸式固定床气化炉横横吸式固定床气化炉吸式固定床气化炉开心式开心式固定床气化炉固定床气化炉单流化床单流化床气化炉气化炉循环流化床循环流化床气化炉气化炉双床双床气化炉气化炉携带流化床携带流化床气化炉气化炉上上/ /下吸式

98、固定床气化炉下吸式固定床气化炉横吸式固定床气化炉横吸式固定床气化炉特征是空气由侧方向特征是空气由侧方向供给，产出气体从侧供给，产出气体从侧向流出，气体流向流出，气体流横向横向通过气化区。一般适通过气化区。一般适用于用于木炭木炭和含和含灰量较灰量较低低物料的气化。物料的气化。开心式固定床气化炉开心式固定床气化炉类似于下流式固定床类似于下流式固定床气化炉，所不同的是，气化炉，所不同的是，它没有缩口，同时它它没有缩口，同时它的的炉栅中间炉栅中间向上隆起。向上隆起。这种炉子多以这种炉子多以稻壳稻壳作作为气化原料，反应产为气化原料，反应产生生灰分较多灰分较多。鼓泡流化床气化炉鼓泡流化床气化炉气化剂气化剂

99、从底部气体分从底部气体分布板吹入，在布板吹入，在流化床流化床上上同生物质原料进行同生物质原料进行气化反应气化反应，生成的气，生成的气化气直接由气化炉出化气直接由气化炉出口送入净化系统中。口送入净化系统中。循环流化床气化炉循环流化床气化炉在气化气出口处，设在气化气出口处，设有有旋风分离器旋风分离器或或袋式袋式分离器分离器，将燃气携带，将燃气携带的炭粒和沙子分离出的炭粒和沙子分离出来，返回气化炉中再来，返回气化炉中再次参加气化反应，提次参加气化反应，提高碳的高碳的转化率转化率。双流化床气化炉双流化床气化炉气化炉中产出的燃气气化炉中产出的燃气经分离后，经分离后，沙子沙子和和炭炭粒粒流入流入燃烧炉燃烧

100、炉中，在中，在这里炭粒燃烧将沙子这里炭粒燃烧将沙子加热，灼热的沙子再加热，灼热的沙子再返回到返回到气化炉气化炉中，以中，以补充补充气化炉所需的气化炉所需的热热量量。气化炉对原料的要求气化炉对原料的要求气化炉气化炉类型型下吸式固下吸式固定床定床上吸式固定上吸式固定床床横吸式横吸式固定床固定床开心式开心式固定固定场流化床流化床原料种原料种类秸秸秆秆、废木木秸秸秆秆、废木木木炭木炭稻壳稻壳秸秸秆秆、木屑、木屑、稻壳稻壳尺寸尺寸/mm510020100408013010适度适度/%302571220灰分灰分/%25662020各种类型气化炉产出气体热值对照表各种类型气化炉产出气体热值对照表气化气化剂剂

101、下吸下吸式式上吸上吸式式横吸横吸式式开心开心式式单流单流化床化床双流双流化床化床循环循环床床携带携带床床空气空气氧气氧气水蒸水蒸气气：中热值气体：中热值气体 ：低热值气体：低热值气体3.4 3.4 生物质能生物转化技术生物质能生物转化技术3.4.1 沼气沼气技术技术3.4.2 生物生物燃料乙醇燃料乙醇技术技术3.4.3 生物生物乙醇乙醇的的制备制备方法方法3.4.1 3.4.1 沼气技术沼气技术沼气的成分及性质：沼气的成分及性质：当沼气池处于正常稳定发酵阶段时，沼气的当沼气池处于正常稳定发酵阶段时，沼气的体积体积组成大致为：组成大致为：CHCH4 4（60%60%70%70%），COCO2 2

102、（30%30%40%40%），此外还有少量的，此外还有少量的COCO、H H2 2、H H2 2S S、O O2 2和和N N2 2等气体。等气体。沼气最主要的性质：沼气最主要的性质：可燃性可燃性主要成分：主要成分：甲烷甲烷、氢气、硫化氢和一氧化碳也能燃烧，不可燃、氢气、硫化氢和一氧化碳也能燃烧，不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。 沼气的发酵原理沼气的发酵原理沼气发酵沼气发酵：各种：各种有机质有机质，包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农，包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含的有机物等，在业排放废水中所含的有机物等，在厌氧厌氧及其他及其他适宜适宜的条件

103、下，的条件下，通过通过微生物微生物的作用，最终转化成沼气。的作用，最终转化成沼气。微生物微生物发酵池发酵池沼气发酵的三个阶段沼气发酵的三个阶段 沼气发酵的工艺条件沼气发酵的工艺条件严格的严格的厌氧环境厌氧环境发酵发酵温度温度 发酵发酵原料原料 P值值菌种菌种的选择与富集培养的选择与富集培养原料原料碳氮比碳氮比添加剂添加剂和和抑制剂抑制剂搅拌搅拌 沼气发酵工艺分类沼气发酵工艺分类( (一一) ) 按发酵按发酵温度温度，分为常温发酵、中温发酵和高温发酵分为常温发酵、中温发酵和高温发酵。( (二二) ) 按按投料方式投料方式，分为连续发酵、半连续发酵和批量发酵，分为连续发酵、半连续发酵和批量发酵。(

104、 (三三) ) 按沼气按沼气发酵阶发酵阶，分为二步发酵、一步沼气发酵分为二步发酵、一步沼气发酵。( (四四) ) 按发酵按发酵装置装置型式不同，可分为多种沼气发酵工艺型式不同，可分为多种沼气发酵工艺 典型的农村户用沼气池池型典型的农村户用沼气池池型最具代表性的最具代表性的典型池典型池型有：底层出料型有：底层出料水压式水压式沼气池、沼气池、曲曲流布料式流布料式沼气池、沼气池、分离浮罩式分离浮罩式沼气池和沼气池和强旋流液搅拌强旋流液搅拌沼沼气池等。气池等。 水压式沼气池水压式沼气池 曲流布料式沼气池曲流布料式沼气池1 1破壳装置；破壳装置；2 2曲流布料挡板；曲流布料挡板；3 3湿式流量计；湿式流

105、量计；4 4集气罩集气罩 分离浮罩式沼气池分离浮罩式沼气池活动罩活动罩进料间进料间发酵间发酵间水压间水压间出料口出料口储气罩储气罩水封池水封池 强旋强旋流液搅拌沼气池流液搅拌沼气池 大中型沼气工程大中型沼气工程规模规模单位容积单位容积/m/m3 3单位容积之和单位容积之和/ m/ m3 3日产气量日产气量/ m/ m3 3小型小型50505050505005001000100010001000沼气工程规模划分沼气工程规模划分大中型沼气工程，是指大中型沼气工程，是指沼气发酵装置沼气发酵装置或或日产气量日产气量应该具有一定应该具有一定规模规模的工程。的工程。沼气发酵基本工艺流程沼气发酵基本工艺流程

106、3.4.2 3.4.2 生物燃料乙醇技术生物燃料乙醇技术生物法生物法乙醇乙醇生产就是以生产就是以淀粉质淀粉质( (玉米等玉米等) )、糖蜜糖蜜( (甘蔗等甘蔗等) )或或纤维纤维质质( (木屑等木屑等) )为原料，经为原料，经发酵发酵、蒸馏蒸馏制成，将乙醇进一步制成，将乙醇进一步脱水脱水再再添加添加变性剂变性剂( (车用无铅汽油车用无铅汽油) )变性后称为变性后称为燃料乙醇燃料乙醇。特点：特点： 可作为新的可作为新的燃料替代品燃料替代品，减少对石油的消耗。，减少对石油的消耗。 辛烷值高，辛烷值高，抗爆抗爆性能好。性能好。 作为汽油作为汽油添加剂添加剂，可减少矿物燃料的应用以及对大，可减少矿物燃

107、料的应用以及对大 气的污染。气的污染。 乙醇是乙醇是可再生可再生能源能源，清洁性好。，清洁性好。 制取生物燃料乙醇的生物质原料制取生物燃料乙醇的生物质原料( (一一) ) 糖类原料糖类原料( (二二) ) 淀粉质原料淀粉质原料( (三三) ) 纤维素原料纤维素原料( (四四) ) 其他原料其他原料3.4.3 3.4.3 生物乙醇的制备方法生物乙醇的制备方法淀粉质原料制备生物燃料乙醇技术淀粉质原料制备生物燃料乙醇技术淀粉质原料淀粉质原料酒精发酵酒精发酵是以含淀粉的农副产品为原料，利用是以含淀粉的农副产品为原料，利用-淀淀粉酶粉酶和和糖化酶糖化酶将淀粉转化为将淀粉转化为葡萄糖葡萄糖，再利用酵母菌产

108、生的，再利用酵母菌产生的酒化酒化酶酶等将糖转变为等将糖转变为酒精酒精和和二氧化碳二氧化碳的生物化学过程。的生物化学过程。( (一一) )原料粉碎原料粉碎( (二二) ) 蒸煮糊化蒸煮糊化 ( (三三) ) 糖化糖化( (四四) ) 酒精发酵酒精发酵 纤维质原料制备生物燃料乙醇技术纤维质原料制备生物燃料乙醇技术( (一一) ) 原料原料预处理预处理( (二二) ) 水解糖化水解糖化( (四四) ) 燃料乙醇的燃料乙醇的脱水脱水( (三三) ) 酶水解发酵酶水解发酵工艺工艺3.5 3.5 生物质生物质能能发电技术发电技术3.5.1 直接燃烧直接燃烧发电技术发电技术3.5.2 生物质生物质气化发电气

109、化发电技术技术3.5.3 沼气发电沼气发电技术技术3.5.1 3.5.1 直接燃烧发电技术直接燃烧发电技术生物质直接燃烧发电工艺流程生物质直接燃烧发电工艺流程生物质锅炉生物质锅炉 生物质燃烧发电技术分类生物质燃烧发电技术分类生物质燃烧发电技术根据不同的技术路线可分为生物质燃烧发电技术根据不同的技术路线可分为汽轮机汽轮机、蒸汽蒸汽机机和和斯特林发动机斯特林发动机等。等。工作介质工作介质发电技术发电技术装机容量装机容量发展状况发展状况水蒸气水蒸气汽轮机汽轮机5 5500 MW500 MW成熟技术成熟技术水蒸气水蒸气蒸汽机蒸汽机0.10.11 MW1 MW成熟技术成熟技术气体气体( (无相无相变变)

110、 )斯特林发动机斯特林发动机2020100 MW100 MW发展和示范阶发展和示范阶段段 生物质燃烧发电技术对比生物质燃烧发电技术对比汽轮机发电技术汽轮机发电技术汽轮机汽轮机汽轮机发电系统示意图汽轮机发电系统示意图斯特林发动机发电技术斯特林发动机发电技术斯特林发动机斯特林发动机原理原理生物质气化发电工艺流程示意生物质气化发电工艺流程示意一是一是灵活性灵活性； 二是二是洁净性洁净性；三是三是经济性经济性三个方面特点：三个方面特点：3.5.2 3.5.2 生物质气化发电技术生物质气化发电技术气化发电工作原理气化发电工作原理 气化发电技术的分类气化发电技术的分类规模规模气化过程气化过程发电过程发电过

111、程主要用途主要用途小型小型系统系统( (功率功率200kW)200kW)固定床气化、流固定床气化、流化床气化化床气化内燃机组、微型燃内燃机组、微型燃气轮机气轮机农村用电、中小企农村用电、中小企业用电业用电中型中型系统系统(500kW(500kW功率功率3000kW)5000kW)5000kW)常压流化床气化、常压流化床气化、高压流化床气化、高压流化床气化、双流化床气化双流化床气化内燃机内燃机+ +蒸汽轮机蒸汽轮机燃气轮机燃气轮机+ +蒸汽轮蒸汽轮机机上网电站、独立能上网电站、独立能源系统源系统 各种生物质气化发电技术的特点各种生物质气化发电技术的特点( (一一) ) 根据生物质气化发电规模分类

112、根据生物质气化发电规模分类( (二二) ) 根据生物质气化形式分类根据生物质气化形式分类固定床固定床流化床流化床( (三三) ) 根据燃气发电系统根据燃气发电系统(1) (1) 内燃机气化发电系统内燃机气化发电系统(2) (2) 燃气轮机气化发电系统燃气轮机气化发电系统(3) (3) 燃气蒸汽联合循环发电系统燃气蒸汽联合循环发电系统3.5.3 3.5.3 沼气发电技术沼气发电技术沼气发电技术分为沼气发电技术分为纯沼气纯沼气电站电站和和沼气沼气- -柴油混烧柴油混烧发电站。发电站。沼气电站沼气电站按规模沼气电站按规模沼气电站分类：分类：小型小型沼气电站沼气电站：50kW以下以下中型中型沼气电站沼

113、气电站：50500kW大型大型沼气电站沼气电站：500kW以上以上沼气发电系统的工艺流程图沼气发电系统的工艺流程图3.6 3.6 生物质能利用发展现状和趋势生物质能利用发展现状和趋势3.6.1 生物质能利用生物质能利用发展现状发展现状3.6.2 生物质能利用的生物质能利用的发展趋势发展趋势 国外生物质能利用发展现状国外生物质能利用发展现状日本日本的的“阳光计划阳光计划”、印度印度的的“绿色能源工程绿色能源工程”、美国美国的的“能源农场能源农场”和和巴西巴西的的“酒精能源计划酒精能源计划”等。等。欧洲欧洲国家普遍重视生物质能的开发利用技术，丹麦、荷兰、国家普遍重视生物质能的开发利用技术，丹麦、荷

114、兰、德国、意大利、瑞士等许多欧洲国家在生物质的热化学转德国、意大利、瑞士等许多欧洲国家在生物质的热化学转换上取得了很大的进展。换上取得了很大的进展。3.6.1 3.6.1 生物质能利用发展现状生物质能利用发展现状我国生物质能利用发展现状我国生物质能利用发展现状3.6.2 3.6.2 生物质能利用的发展趋势生物质能利用的发展趋势从国外看：从国外看：生物质成型燃料生物质成型燃料的技术已基本成熟。的技术已基本成熟。大型沼气发电大型沼气发电技术成熟。技术成熟。生物质热电联产生物质热电联产，以及，以及生物质与煤混燃生物质与煤混燃发电仍是今发电仍是今后一段时期利用的主要方式。后一段时期利用的主要方式。低成

115、本纤维素低成本纤维素乙醇乙醇、生物柴油生物柴油等先进非粮生物液体等先进非粮生物液体燃料取得进步。燃料取得进步。我国生物质应用技术将主要在以下几方面发展：我国生物质应用技术将主要在以下几方面发展：(1)(1)能源植物能源植物的开发的开发 (2)(2)高效高效直接燃烧直接燃烧技术和设备的开发技术和设备的开发(3)(3)生物质生物质气化气化和和发电发电(4)(4)生物质的生物质的液化液化技术技术1.1.简述生物质的来源及特点。简述生物质的来源及特点。2.2.目前生物质能转化利用的主要途径有哪些？目前生物质能转化利用的主要途径有哪些？3.3.简述生物质燃烧技术及其特点。简述生物质燃烧技术及其特点。 4

116、.4.生物质直接燃烧过程分为几个阶段？生物质直接燃烧过程分为几个阶段？5.5.简述生物质热解技术特点及常见的工艺过程。简述生物质热解技术特点及常见的工艺过程。6.6.按照气化剂的不同，生物质气化技术分为哪几类？按照气化剂的不同，生物质气化技术分为哪几类？7.7.简述沼气发酵的原理及其工艺条件。简述沼气发酵的原理及其工艺条件。8.8.利用生物质生产乙醇有哪些方法利用生物质生产乙醇有哪些方法? ? 分别简述这些方法的常见工艺流程。分别简述这些方法的常见工艺流程。 9.9.简述生物质能利用的现状和发展趋势。简述生物质能利用的现状和发展趋势。思考题思考题 第四章第四章 风风 能能第四章第四章 风风 能

117、能第一节第一节 概述概述第二节第二节 风能利用原理风能利用原理第三节第三节 风力发电技术风力发电技术第四节第四节 风能存储技术风能存储技术第五节第五节 风能利用现状和发展趋势风能利用现状和发展趋势第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述 风风: :相对于地表面的空气运动，风通常指它的水平分量。相对于地表面的空气运动，风通常指它的水平分量。 风能风能: :空气相对于地面做水平运动时所产生的动能，本质空气相对于地面做水平运动时所产生的动能，本质 上也是太阳能的一种转化形式。上也是太阳能的一种转化形式。第一节第一节 概述概述风风人类人类4.1.1 4.1.1 风能的特点风能的特点一、风能优点一、

118、风能优点 蕴藏量大、清洁能源、分布广泛、可再生能源蕴藏量大、清洁能源、分布广泛、可再生能源二、风能局限性二、风能局限性 能量密度低、不稳定性、地区差异大能量密度低、不稳定性、地区差异大4.1.1 4.1.1 风能的特点风能的特点能源类别能源类别风能风能（3m/s3m/s）水能水能( (流速流速3m/s)3m/s)波浪能波浪能( (波高波高2m)2m)潮汐能潮汐能( (潮差潮差10m)10m)太阳能太阳能能量密度能量密度/ /（kW/mkW/m2 2）0.020.0220203030100100晴天晴天平均平均昼夜昼夜平均平均1.01.00.160.16不同能源的能量密度表不同能源的能量密度表4

119、.1.2 4.1.2 风能的基本特征风能的基本特征风速：风的大小常用风的速度来衡量，风速是指单位时间风速：风的大小常用风的速度来衡量，风速是指单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。内空气在水平方向上所移动的距离。 风级：风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种风级：风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按照风力的强度等级来估计风力的大小。现象，按照风力的强度等级来估计风力的大小。 风能密度：风能密度是指单位时间内通过单位横截面积的风能密度：风能密度是指单位时间内通过单位横截面积的风所含的能量，常以风所含的能量，常以W/mW/m2 2来表示。来表示。4.1.2 4.1.2 风能

120、的基本特征风能的基本特征 风级歌风级歌地面无风烟直上；一级轻烟随风偏；地面无风烟直上；一级轻烟随风偏；二级清风叶正响；三级枝摇红旗扬；二级清风叶正响；三级枝摇红旗扬；四级灰尘地上舞；五级水面起波浪；四级灰尘地上舞；五级水面起波浪；六级强风举伞难；七级树摇步行艰；六级强风举伞难；七级树摇步行艰；八级风吹树枝断；九级屋顶飞瓦片；八级风吹树枝断；九级屋顶飞瓦片；十级狂风能拔树；十一十二陆上稀。十级狂风能拔树；十一十二陆上稀。4.1.2 4.1.2 风能的基本特征风能的基本特征平均风能密度：平均风能密度：式中式中 : :W W - -平均风能密度，平均风能密度，W/mW/m2 2； V Vi i- -

121、各等级风速，各等级风速，m/sm/s； N Ni i- -各等级风速各等级风速V Vi i出现的次数；出现的次数； N-N-各等级风速出现的总次数；各等级风速出现的总次数； - -空气密度，空气密度，kg/mkg/m3 3。4.1.3 4.1.3 风能资源概况风能资源概况 全球风能资源：全球风能资源： a. a. 资源丰富资源丰富 b. b. 分布广泛分布广泛资源丰富资源丰富分布广泛分布广泛我国风能资源概况我国风能资源概况 我国风能资源非常丰富，仅次于俄罗斯和美国，我国风能资源非常丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界居世界 第三位第三位。 根据国家气象局气象研究所估算，从理论上讲，我国根据国家气象

122、局气象研究所估算，从理论上讲，我国地地 面风能可开发总量达面风能可开发总量达32.2632.26亿千瓦亿千瓦，高度，高度1010米内米内实际可实际可 开发量为开发量为2.532.53亿千瓦亿千瓦。4.1.3 4.1.3 风能资源概况风能资源概况4.1.3 4.1.3 风能资源概况风能资源概况中国全年中国全年3-20m/s3-20m/s风速小时数分布图风速小时数分布图我国风能资源我国风能资源丰富的地区主丰富的地区主要集中在要集中在北部、北部、西北、东北草西北、东北草原和戈壁滩，原和戈壁滩，以及东南沿海以及东南沿海地区和一些岛地区和一些岛屿上屿上 四川盆地地区四川盆地地区分布极少分布极少第二节第二

123、节 风能利用原理风能利用原理人类风能风能发电发电4.2.1 4.2.1 风力机简介风力机简介风力发电机：风力发电机：将风能转化为机械能进而转化为电能的机械装将风能转化为机械能进而转化为电能的机械装置。包括水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。置。包括水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。工作原理：工作原理：风轮在风力作用下旋转，将风的动能转化为机械风轮在风力作用下旋转，将风的动能转化为机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风力发电机构成：一般由风力发电机构成：一般由风轮风轮、传动装置、传动装置、塔架、调塔架、调向器向器( (尾翼尾翼) )、限速安全装置、发电

124、机限速安全装置、发电机和和储能装置储能装置等构件组，等构件组，大中型风力发电系统还有大中型风力发电系统还有自控系统自控系统。4.2.1 4.2.1 风力机简介风力机简介4.2.1 4.2.1 风力机简介风力机简介风轮风轮: :集风装置，将流动空气具有的动能转变为风轮旋转集风装置，将流动空气具有的动能转变为风轮旋转 机械能。机械能。发电机发电机: :目前风能利用中有三种风力发电机，即直流发电目前风能利用中有三种风力发电机，即直流发电 机、同步交流发电机和异步交流发电机。机、同步交流发电机和异步交流发电机。塔架塔架: :风力机的塔架是风力发电系统重要的基础平台。风力机的塔架是风力发电系统重要的基础

125、平台。 调向器调向器: :调向器的作用是尽量使风力发电机的风轮随时都调向器的作用是尽量使风力发电机的风轮随时都迎着风向，最大限度地获得风能，一般采用尾翼控制风轮的迎着风向，最大限度地获得风能，一般采用尾翼控制风轮的迎风朝向。包括迎风朝向。包括尾舵、侧风轮、风向跟踪系统尾舵、侧风轮、风向跟踪系统三种。三种。 限速安全装置限速安全装置: :限速安全装置能保证风轮的转速在一定的限速安全装置能保证风轮的转速在一定的风速范围内运行。风速范围内运行。使风轮偏离主风向、利用气动阻力和改变使风轮偏离主风向、利用气动阻力和改变叶片的桨距角叶片的桨距角。4.2.1 4.2.1 风力机简介风力机简介4.2.2 4.

126、2.2 风力机工作原理风力机工作原理 翼型绕流的力学分析翼型绕流的力学分析 叶叶片片受受到到的的气气流流作作用用力力F F 可可分分解解为为与与气气流流方方向向平平行行的的力力F Fx x和和与与气气流流方方向向垂垂直直的的力力F Fy y ，分别称为分别称为阻力阻力和和升力升力。4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理式中：式中：C Cr r为叶片总的空气动力系数；为叶片总的空气动力系数； 为吹向物体的风速；为吹向物体的风速； 为空气密度；为空气密度； 为叶片在垂直于气流方向平面上的最大投影面积。为叶片在垂直于气流方向平面上的最大投影面积。式中：式中：C Cy y 为升力系数；为

127、升力系数；C Cx x 为阻力系数。为阻力系数。对于同一种翼型对于同一种翼型 ( (截面形状截面形状) )，其升力系数和阻力其升力系数和阻力系数的比值，被称为升阻比系数的比值，被称为升阻比( (k k) )：4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理影响升力系数和阻力系数的因素影响升力系数和阻力系数的因素a.a.翼型的影响翼型的影响: :阻力阻力: :平板型平板型 弧板型弧板型 流线型；流线型； 升力升力: :流线型流线型 弧板型弧板型 平板型。平板型。对应的对应的C Cy y 与与C Cx x 值也符合同样的规律。值也符合同样的规律。4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作

128、原理4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理b.b.攻角的影响攻角的影响 气流方向与叶片横截面的弦气流方向与叶片横截面的弦( (L L) )的夹角的夹角称为攻角，称为攻角，攻角有正有负。攻角有正有负。C Cy y 与与C Cx x 值随值随的变化而变化。的变化而变化。4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理c.c.雷诺数的影响雷诺数的影响式中：式中：V V吹向叶片的空气流速；吹向叶片的空气流速； l l翼型弦长；翼型弦长； 空气的运动黏性系数，空气的运动黏性系数，/ /，为空气的为空气的 动力黏性系数，动力黏性系数，为空气密度。为空气密度。 ReRe 值越大，黏性作用越

129、小，值越大，黏性作用越小，C Cy y 值增加，值增加，C Cx x 值减少，值减少，升阻比升阻比k k值变大。值变大。4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理d d. .叶片表面粗糙度的影响叶片表面粗糙度的影响 叶片表面不可能做得绝对光滑，叶片表面不可能做得绝对光滑，把凹凸不平的波峰把凹凸不平的波峰与波谷之问高度的平均值称为粗糙度，与波谷之问高度的平均值称为粗糙度，粗糙度增大，粗糙度增大，C Cx x值变高，增加了阻力；而对值变高，增加了阻力；而对C Cy y 值影响不大。值影响不大。u实际叶片的受力分析实际叶片的受力分析 a. a.安装角随着半径的增大而逐渐减小安装角随着半径的

130、增大而逐渐减小 b. b.调节整个叶片的安装角调节整个叶片的安装角 c.c.变速运行方式变速运行方式4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理风力机的工作性能风力机的工作性能 当流速为当流速为V V 的风吹向风轮，使风轮转动，该风轮扫掠的的风吹向风轮，使风轮转动，该风轮扫掠的面积为面积为A A ，空气密度为，空气密度为，经过，经过1s1s，流向风轮空气所具有的，流向风轮空气所具有的动能为：动能为： 若风轮的直径为若风轮的直径为D D，则：，则：4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理风能不可能全被风轮捕获而转换成机械能，

131、设由风轮轴风能不可能全被风轮捕获而转换成机械能，设由风轮轴输出的功率为输出的功率为N N ( (风轮功率风轮功率) )，它与，它与N N0 0 之比，称为风轮功率系之比，称为风轮功率系数，用数，用C Cp p表示。即：表示。即： 于是：于是： C Cp p值为值为0.20.20.50.5。可以证明，。可以证明，C Cp p的理论最大值为的理论最大值为0.5930.593。4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理 吹向风轮的风具有的功率为吹向风轮的风具有的功率为N N0 0 ，风轮功率为，风轮功率为: : 此功率经传动装置、做功装置此功率经传动装置、做功装置( (如发电机、水泵等如发

132、电机、水泵等) )，最终得到的有效功率为最终得到的有效功率为N Ne e 。则风力机的系统效率。则风力机的系统效率( (总体效总体效率率) )为：为： 式中：式中：1 1为传动装置效率；为传动装置效率；2 2为做功装置效率。为做功装置效率。4.2.2 4.2.2 风力机工作原理风力机工作原理风力机最终所发出的有效功率为：风力机最终所发出的有效功率为： 对于结构简单、设计和制造比较粗糙的风力机，对于结构简单、设计和制造比较粗糙的风力机，值值一般为一般为0.10.10.20.2；对于结构合理、设计和制造比较精细的对于结构合理、设计和制造比较精细的风风力力机机，值值一一般般为为0.20.20.350

133、.35，最最佳佳者者可可达达0.400.400.450.45。第三节第三节 风力发电技术风力发电技术4.3.1 4.3.1 风力发电技术简介风力发电技术简介 风力发电是在风力提水机的基础上发展起来的。丹麦风力发电是在风力提水机的基础上发展起来的。丹麦是世界上最大的风力发电机组生产国，是世界上最大的风力发电机组生产国，产量占世界产量占世界60%60%以上。以上。 独立的风电系统独立的风电系统: : 风力发电机风力发电机、逆变器逆变器和和蓄电池蓄电池风电系统风电系统独立风电系统独立风电系统并网风电系统并网风电系统不超过不超过5%5%10%10%4.3.2 4.3.2 海上风力发电海上风力发电优点：

134、优点：风更强更持续、空间广阔风更强更持续、空间广阔缺点：缺点：技术难度大技术难度大悬浮式风力发电机：悬浮式风力发电机：海风海风(Hywind)(Hywind)4.3.3 4.3.3 高空风力发电高空风力发电 高空风能比低空风能要丰富且稳定。高空风能比低空风能要丰富且稳定。科学家根据相关科学家根据相关的研究数据估计，如果在距地面大约的研究数据估计，如果在距地面大约50050012000m12000m的高空中的高空中的风能能够全部转变为电能，的风能能够全部转变为电能，可以满足全世界百倍的电力可以满足全世界百倍的电力需求。需求。1.1.在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到在空中建造发电站

135、，在高空发电，然后通过电缆输送到 地面；地面；2. 2. 在高空建设传动设备，将风能转化为机械能后直接输送在高空建设传动设备，将风能转化为机械能后直接输送 到地面，再由发电机将其转换为电。到地面，再由发电机将其转换为电。4.3.3 4.3.3 高空风力发电高空风力发电高空风力发电高空风力发电4.3.4 4.3.4 低风速风力发电技术低风速风力发电技术 低风速指的是在海拔低风速指的是在海拔10m10m的高度上年平均风速不超过的高度上年平均风速不超过5.8m/s5.8m/s，相当于，相当于4 4级的风。要在此条件下使发电成本合乎要级的风。要在此条件下使发电成本合乎要求，必须对风机进行必要的改进，主

136、要措施包括：求，必须对风机进行必要的改进，主要措施包括： 在不增加成本的前提下，尽量增大转子直径，以获取尽在不增加成本的前提下，尽量增大转子直径，以获取尽可能多的能量；可能多的能量； 尽量增加塔架高度，好处是可以提高风速；尽量增加塔架高度，好处是可以提高风速； 提高发电设备及动力装置的效率。提高发电设备及动力装置的效率。4.3.5 4.3.5 涡轮风力发电技术涡轮风力发电技术 新型风力发电用涡轮机。新型风力发电用涡轮机。这种涡轮机用一个罩子罩着这种涡轮机用一个罩子罩着涡轮机叶片，以产生低压区，使它能够以相当于正常速度涡轮机叶片，以产生低压区，使它能够以相当于正常速度3 3倍的速度吸入流过叶片的

137、气流。倍的速度吸入流过叶片的气流。风洞测试结果表明，有罩风洞测试结果表明，有罩的涡轮机比无罩的涡轮机输出功率大的涡轮机比无罩的涡轮机输出功率大6 6倍以上。倍以上。第四节第四节 风能存储技术风能存储技术4.4.1 4.4.1 电池储能电池储能原理：风能转化的电能采用电池来存储原理：风能转化的电能采用电池来存储. .优点：简便易操作。优点：简便易操作。不足：电池存储电能的效率不高，只有不足：电池存储电能的效率不高，只有50%50%。充电次数受到。充电次数受到 限制最好的情形也就是可充电限制最好的情形也就是可充电2000200030003000次。环境温次。环境温 度会直接影响电池效率。度会直接影

138、响电池效率。4.4.2 4.4.2 水力蓄能水力蓄能 按目前水力涡轮和水泵的技术水平，水力涡轮效率为按目前水力涡轮和水泵的技术水平，水力涡轮效率为0.850.850.910.91，水泵效率为水泵效率为0.830.830.870.87，加上水在管道内的流动加上水在管道内的流动摩擦损失，摩擦损失，抽水蓄能的能量转换利用效率一般为抽水蓄能的能量转换利用效率一般为0.680.680.750.75。4.4.3 4.4.3 飞轮蓄能飞轮蓄能 在风力机与发电机之间安装一个飞轮，利用飞轮旋转时在风力机与发电机之间安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能。的惯性储能。当风速高时，风能以动能的形式储存于飞轮中；当风

139、速高时，风能以动能的形式储存于飞轮中；当风速低时，储存在飞轮中的动能带动发电机发电。当风速低时，储存在飞轮中的动能带动发电机发电。4.4.3 4.4.3 飞轮蓄能飞轮蓄能以角速度以角速度绕轴线绕轴线z z转动的飞轮所具有的动能为：转动的飞轮所具有的动能为：式中；式中；J Jz z飞轮对轴线飞轮对轴线z z的转动惯量，的转动惯量，kg/mkg/m2 2； r ri i分布质量距飞轮轴线的距离。分布质量距飞轮轴线的距离。 用较大质量分布在距飞轮轴线的远端；采用用较大质量分布在距飞轮轴线的远端；采用高强度的碳高强度的碳纤维材料，纤维材料，在保证强度、刚度的前提下在保证强度、刚度的前提下提高飞轮转速提

140、高飞轮转速；都可；都可以提高飞轮存储风能的容量。以提高飞轮存储风能的容量。4.4.4 4.4.4 压缩空气蓄能压缩空气蓄能一、常规压缩空气蓄能循环一、常规压缩空气蓄能循环 常规压缩空气蓄能常规压缩空气蓄能(CAES)(CAES)系统在储能过程中，由风能产系统在储能过程中，由风能产生的富余电力带动压缩机向储气室生的富余电力带动压缩机向储气室6 6注入压缩空气。注入压缩空气。风电不足风电不足时，从储气室流出的空气进入燃气透平做功，释放出压缩空时，从储气室流出的空气进入燃气透平做功，释放出压缩空气所蓄能量。气所蓄能量。4.4.4 4.4.4 压缩空气蓄能压缩空气蓄能二、电热冷联产压缩空气蓄能系统二、

141、电热冷联产压缩空气蓄能系统 风能不足时，系统以同时供应电、热、冷的方式释放出风能不足时，系统以同时供应电、热、冷的方式释放出存储的多余风能；存储的多余风能；需要对电热冷联产压缩空气蓄能装置产出需要对电热冷联产压缩空气蓄能装置产出的热量、冷量也实行存储。的热量、冷量也实行存储。4.4.5 4.4.5 热能存储热能存储三种方式：三种方式：显热储存显热储存升温升温吸热吸热相变储存相变储存相变相变吸热吸热蓄冷技术蓄冷技术水蓄冷水蓄冷冰蓄冷冰蓄冷共晶盐相变共晶盐相变蓄冷蓄冷4.4.6 4.4.6 氢能存储氢能存储氢能是指游离的分子氢氢能是指游离的分子氢(H(H2 2) )所具有的能量，而不是成所具有的能

142、量，而不是成为化合态的氢元素的能量。为化合态的氢元素的能量。电解槽电解槽直直流流电电氧气存储氧气存储氢气存储氢气存储燃料电池燃料电池交流电至电网交流电至电网涡轮发电机网涡轮发电机网燃料供应燃料供应第五节第五节 风能利用发展现状和趋势风能利用发展现状和趋势4.5.1 4.5.1 风能利用现状风能利用现状a. a. 世界风电现状世界风电现状 到目前为止，全球到目前为止，全球7575个国家有商业运营的风电装机，其个国家有商业运营的风电装机，其中中2222个国家的装机容量超过个国家的装机容量超过1GW1GW。据全球风能理事会的统计。据全球风能理事会的统计，20172017年全球风电新增装机排名前十位的

143、国家分别是年全球风电新增装机排名前十位的国家分别是中国、中国、美美国国、德德国国、英英国国、印印度度、巴巴西西、法法国国、土土耳耳其其、墨墨西西哥哥和和比利时。比利时。4.5.1 4.5.1 风能利用现状风能利用现状全球风电新增装机容量（全球风电新增装机容量（2001200120172017年）年）4.5.1 4.5.1 风能利用现状风能利用现状b. b. 我国风电现状我国风电现状 中国风力发电的发展历史较短，大型风力发电机组的中国风力发电的发展历史较短，大型风力发电机组的研制从研制从2020世纪世纪8080年代开始。年代开始。20172017年全国风电发电量达年全国风电发电量达3057305

144、7亿亿kWhkWh，同比增长，同比增长26.85%26.85%。风电所产生的环境效益显现：风电所产生的环境效益显现：22002200万吨万吨3636万吨万吨70007000万万吨吨标煤标煤SO2CO24.5.1 4.5.1 风能利用现状风能利用现状我国部分区域新增风电装机容量趋势（我国部分区域新增风电装机容量趋势（2013201320172017年）年）4.5.1 4.5.1 风能利用现状风能利用现状区域特征区域特征 20172017年年, ,六六大大区区域域的的风风电电新新增增装装机机容容量量所所占占比比例例分分别别为为华华北北 (25%)(25%)、 中中南南 (23%)(23%)、华华东

145、东 (23%)(23%)、西西北北 (17%)(17%)、西西南南 (9%)(9%)、东东北北 (3%)(3%)。“三三北北”地地区区新新增增装装机机容容量量占占比比为为45%,45%,中东南部地区新增装机容量占比达到中东南部地区新增装机容量占比达到55%55%。4.5.2 4.5.2 主要国家的支持政策和措施主要国家的支持政策和措施 德国德国实行固定上网电价，全球风电的领先者实行固定上网电价，全球风电的领先者 美国美国激励补贴计划和财税优惠并举，可再生能源配额激励补贴计划和财税优惠并举，可再生能源配额制作用显著制作用显著 丹麦丹麦稳定持续的政策导向、强大的产业链支撑。稳定持续的政策导向、强大

146、的产业链支撑。4.5.3 4.5.3 风力发电的发展趋势风力发电的发展趋势 (1)(1)机组容量快速稳步上升机组容量快速稳步上升 (2)(2)变桨距调节方式将逐渐成为主流变桨距调节方式将逐渐成为主流 (3) (3)恒速运行方式走向变速运行方式恒速运行方式走向变速运行方式 (4)(4)直驱式无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大直驱式无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大 (5) (5)风力发电成本将大幅降低风力发电成本将大幅降低 (6) (6)海上风电场飞速发展海上风电场飞速发展思考题思考题1.1.简述风和风能的特点和资源情况？简述风和风能的特点和资源情况？2.2.简述风力发电机的工作原理、系统组成现状与发展

147、趋势？简述风力发电机的工作原理、系统组成现状与发展趋势？3.3.简述制约风能产业的因素有哪些？简述制约风能产业的因素有哪些？4.4.风力发电系统的组成？风力发电系统的组成？5.5.简述风能利用的途径及现状？简述风能利用的途径及现状？6.6.制约风能产业的因素有那些？制约风能产业的因素有那些？7.7.如何实现我国风能产业又好又快发展？如何实现我国风能产业又好又快发展？ 水水 能能5.15.1概述概述概述概述5.25.2水能开水能开水能开水能开发发利用原理利用原理利用原理利用原理5.35.3径流径流径流径流调节调节与水能与水能与水能与水能计计算算算算5.45.4水力水力水力水力发电发电技技技技术术

148、5.55.5发发展展展展现现状和状和状和状和趋势趋势第五章第五章 水水 能能5.1概述v5.1.1 5.1.1 我国水能资源概况我国水能资源概况v 中国可开发的水能资源及其分布中国可开发的水能资源及其分布 定义地位作用代替大量的煤炭、石油、天然气等化石能源；代替大量的煤炭、石油、天然气等化石能源；可避免燃烧矿物燃料而产生的环境的污染；可避免燃烧矿物燃料而产生的环境的污染；可实现对水资源的综合利用可实现对水资源的综合利用水能指河川径流相对于某一基准面具有的动水能指河川径流相对于某一基准面具有的动能和势能能和势能。5.1.2水能的地位与作用水能是人类最重要常规能源之一 5 5、水资源污染严重，亟须

149、加强保护。、水资源污染严重，亟须加强保护。5.1.3水能资源特点1 1、资源总量十分丰富，但人均资源量并不富裕；、资源总量十分丰富，但人均资源量并不富裕；2 2、水能资源分布不均衡，与经济发展的现状极不匹配、水能资源分布不均衡，与经济发展的现状极不匹配；3 3、时间分布不均匀，江、河水量变化大；、时间分布不均匀，江、河水量变化大；4 4、总开发率很低，东西开发差异极大；、总开发率很低，东西开发差异极大； 5.2水能开发利用原理v5.2.15.2.1水能利用的原理水能利用的原理v一、水轮泵一、水轮泵 (1) (1) 水轮泵的工作原理水轮泵的工作原理 水轮泵的特点：水轮泵的特点：结结构简单，使用方

150、便，构简单，使用方便，依靠自然水力作用依靠自然水力作用而运转，性能可靠，而运转，性能可靠，成本低廉。成本低廉。vv5)功率：水轮机轴输出功率，用NL表示。NL= QHL(5-2)式中：H水轮机的工作水头，m；Q过水流量，m3/s；L水轮机效率； 水的重度， =9810N/m3。水泵轴输出的功率，用NB表示。NB= qh/B(5-3)式中：B水泵效率v6)水轮泵的机组效率:用表示= qh/ QH=LB(5-4)v若水轮机与水泵非共轴运转，中间有传动装置，则=LBi(5-5)v式中i传动效率v7)水头比:用iH表示iH=h/H(5-6)二、水锤扬水机二、水锤扬水机1 1）结构与工作原理结构与工作原

151、理：水锤扬水机又称水锤泵。：水锤扬水机又称水锤泵。 水锤扬水机水锤扬水机2 2）效率效率为为: :=qh/QH1-水源；水源；2-进水管路；进水管路；3-泵筒；泵筒；4-压水阀；压水阀；5-锤击阀；锤击阀；6-工作室；工作室；7-调节螺钉；调节螺钉；8-出水出水管路；管路；9.灌溉渠道灌溉渠道5.3径流调节与水能计算v5.3.1 5.3.1 径流调节径流调节v1 1、径流形成、径流形成 径流形成过程示意图径流形成过程示意图产流过程坡面汇流河网汇流汇流过程v2、河川径流的基本特性：多变性、周期性、地区性v3、径流调节的涵义：v广义人类对地面及地下径流的自然过程的有意识的改造或干涉。如水利工程及农

152、、林业的水土改良设施等v狭义上是通过修建水库，控制和分配河川径流的河流流量(蓄洪济枯)。v5、径流调节的作用：协调来水与用水在时间分配和地区分布上的矛盾，及统一协调各用水部门需求间的矛盾。6、径流调节的分类按调节周期：无调节、日调节、周调节、年调节和多年调节等。按两水库相对位置和调节方式：补偿调节、缓冲调节、梯级调节、反调节。通常人们用水库库容系数来初步判断某一水库属何种调节类型。水库库容系数为水库调节库容与多年平均年水量(W0)的比值,即=Vn/W0。具体可参照下列经验系数：当30%50%时,多属多年调节;当3%5%25%30%时,多属年调节;当200200335335适适用用于于高高水水头

153、，小小流流量量电站站。小小型型机机组多多用用于于水水头在以上，流量在在以上，流量在/s/s以下的以下的电站站斜斜击式式XJXJ25-30025-30030703070与与水水斗斗式式相相比比，转轮较简单，过水水能能力力大大，制制造造容易，使用流量容易，使用流量较水斗式大水斗式大双双击时SJSJ5-805-803515035150水水流流从从喷嘴嘴射射出出后后，先先冲冲击转轮上上部部叶叶片片；然然后后水水流流通通过转轮中中心心在在冲冲击下下部部分分叶叶片片。主主要要用用于于小小型型电站。站。反反击式式轴流式流式定定浆：ZDZD转浆：ZZZZ3503503803802507002507002008

154、50200850过水水能能力力大大，适适用用于于大大流流量量、低低水水头电站站，用用转浆式式(ZZ)(ZZ)能能克克服服定定浆式式(ZD)(ZD)在在流流量量变变化化时时造造成成的的运运行不稳定和低负荷运行时效率低的缺点。行不稳定和低负荷运行时效率低的缺点。混流式混流式HLHL7007005030050300运运行行稳定定，效效率率高高，多多用用于于中中等等水水头和和中中等等流流量量的的电站。站。斜流式斜流式XLXL4012040120100350100350多多数数为转浆式式的的，运运行行高高效效率率区区交交宽，对水水头和和流量流量变化化较大的情况适用。大的情况适用。贯流式流式定定浆：GDG

155、D转浆：GZGZ2302302302301000100010001000过水水能能力力大大，流流道道畅通通、水水力力损失失小小，效效率率高高，土土建建筑筑投投资少少，但但密密封封止止水水和和绝缘要要求求高高，适适用用于于平原地区低水平原地区低水头、大流量的、大流量的电站和潮汐站和潮汐电站。站。v( (二二) ) 水轮机的工作参数水轮机的工作参数v1)1)水轮机比转速水轮机比转速n ns s：指当工作水头：指当工作水头H=1mH=1m、发出的功率、发出的功率N=1kWN=1kW时，时，水轮机所具有的转速。代表着水轮机系列特征，对于同系列水轮机所具有的转速。代表着水轮机系列特征，对于同系列的水轮机

156、为常数，不同系列的水轮机则不同。的水轮机为常数，不同系列的水轮机则不同。v2)2)工作水头工作水头(H)(H)；v3)3)流量流量(Q)(Q)；v4)4)功率功率(N)(N)；v5)5)水轮机效率水轮机效率( ()；v6)6)水轮机直径水轮机直径(D)(D)v(三三) 水轮机的型牌号水轮机的型牌号v水轮机型牌号举例：水轮机型牌号举例：v(1)HL240-LJ-120，表示为混流式水轮机，转轮型号为，表示为混流式水轮机，转轮型号为240，立轴，金属蜗壳引水室，转轮标称直径为，立轴，金属蜗壳引水室，转轮标称直径为120cmv(2)ZZ560 LH-500，表示为轴流转桨式水轮机，转轮型号，表示为轴

157、流转桨式水轮机，转轮型号为为560，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径500cmv(四四) 水轮机的调速设备水轮机的调速设备v分类：分类：1）按操作方式）按操作方式分分为为手动手动和和自动自动。自动调速。自动调速器分为器分为机械液压式机械液压式和和电气电气液压式液压式两大类。机械液压两大类。机械液压式调速器分为式调速器分为压力油槽式压力油槽式和和川流式。川流式。v2）按调整流量的方式）按调整流量的方式可可分单调和双调。分单调和双调。二、水轮发电机v水轮发电机分水轮发电机分立轴立轴和和卧轴卧轴v1) 1) 立轴水轮发电机：分为立轴水轮发电机：分为悬式悬式和和伞式伞式

158、主要部分：定子、转子、主要部分：定子、转子、推力轴承、机架、通风冷推力轴承、机架、通风冷却装置、制动装置及励磁却装置、制动装置及励磁装置等装置等1-转轴；转轴；2-推力轴承；推力轴承；3-导轴承；导轴承；4-下机架；下机架；5-制动器；制动器；6-冷却器；冷却器；7-定子机座；定子机座；8-定子铁芯；定子铁芯；9-定子绕；定子绕；10-磁极；磁极；11-磁轭；磁轭；12-上机架；上机架；13-转子支臂；转子支臂；14-转子中心体；转子中心体；15-励磁机；励磁机；16-副副励磁机；励磁机；17-永磁发电机永磁发电机伞式水轮发电机组伞式水轮发电机组v2) 2) 卧轴卧轴水轮发电机水轮发电机卧轴水

159、轮发电机由转子、定子卧轴水轮发电机由转子、定子、滑动轴承、飞轮及制动装置组成，、滑动轴承、飞轮及制动装置组成，卧式水轮发电机常用于中小型水电站。卧式水轮发电机常用于中小型水电站。3) 3) 贯流式贯流式水轮发电机水轮发电机贯流式水轮发电机是特殊的贯流式水轮发电机是特殊的卧轴装置卧轴装置。国内一般为灯泡式结。国内一般为灯泡式结构，发电机装在一个密封的壳体内部，压力水绕过灯泡外构，发电机装在一个密封的壳体内部，压力水绕过灯泡外壳壳5.5水能利用发展现状和趋势水能资源的应用发展前景我国水电建设技术成就我国水电建设成就5.5.1我国水电建设成就v三峡工程是迄今为止世界上规模最大的水利枢纽工程，总三峡工

160、程是迄今为止世界上规模最大的水利枢纽工程，总装机达到装机达到22.4022.40万兆瓦万兆瓦。v截至截至20122012年底，历年累计发电量达到年底，历年累计发电量达到6291.46291.4亿千瓦时亿千瓦时，相，相当于减排二氧化碳当于减排二氧化碳4.964.96亿吨亿吨，减排二氧化硫，减排二氧化硫595595万吨万吨，为，为节能减排做出了积极贡献。节能减排做出了积极贡献。5.5.2我国水电建设技术成就v1 1、坝型的优选：在碾压混凝土坝、钢筋混凝土面板堆石、坝型的优选：在碾压混凝土坝、钢筋混凝土面板堆石坝和高薄拱坝等方面，成就突出。坝和高薄拱坝等方面，成就突出。v2 2、高坝大流量泄水建筑物

161、及消能工技术、高坝大流量泄水建筑物及消能工技术v3 3、钢筋混凝土引水岔管技术、钢筋混凝土引水岔管技术v4 4、高坝地墓及高边坡预应力锚固处理技术、高坝地墓及高边坡预应力锚固处理技术v5 5、 地下建筑物建设地下建筑物建设5.5.3我国水能资源的应用发展前景v20102010年，水电装机容量达到年，水电装机容量达到1.551.55亿亿kWkW以上，我国的水电装以上，我国的水电装机容量超过美国，完成从机容量超过美国，完成从资源资源第一大国到第一大国到生产生产第一大国的第一大国的转变。转变。v2011-20492011-2049年，我国达到或超过中等发达国家的水平，全年，我国达到或超过中等发达国家

162、的水平，全国总装机约为国总装机约为1515亿亿kWkW，成为真正意义上的水电第一大国。，成为真正意义上的水电第一大国。v1.1.什么叫径流调节、兴利调节和洪水调节？什么叫径流调节、兴利调节和洪水调节？v2.2.什么是调节周期、补偿调节和反调节？什么是调节周期、补偿调节和反调节？v3.3.水力发电的优点？水力发电的优点？v4.4.水能开发方式与水电站基本类型？水能开发方式与水电站基本类型？v5.5.水力发电系统的基本构成如下？水力发电系统的基本构成如下？v6.6.简述水电站的水工建筑物？简述水电站的水工建筑物？v7.7.试述我国水能发展现状？试述我国水能发展现状？思考题思考题第六章海洋能335v

163、6.1 6.1 概述概述v6.26.2 海洋能的开发技术海洋能的开发技术v6.36.3 海洋能利用发展现状和趋势海洋能利用发展现状和趋势6.1概述v1 1、定义定义：蕴藏在海水中，并通过海水：蕴藏在海水中，并通过海水自身所呈现可再生的清洁能源。自身所呈现可再生的清洁能源。v2 2、分类分类按按能量的储存形式能量的储存形式：机械能：机械能( (也称流体力也称流体力学能学能) )、热能和物理化学能；、热能和物理化学能；按按能量的表现形式能量的表现形式：波浪能、潮汐能、海：波浪能、潮汐能、海洋温差能、海流能和海洋盐差能等。洋温差能、海流能和海洋盐差能等。v3 3、 海洋能资源的特点海洋能资源的特点1

164、 1）能量密度低，蕴藏量大；）能量密度低，蕴藏量大；2 2）可再生性；）可再生性；3 3）稳定与不稳定能源之分；）稳定与不稳定能源之分；4 4）清洁能源；）清洁能源；5 5）转换装置造价高。）转换装置造价高。五种海洋能理论上五种海洋能理论上可再生可再生的总量为的总量为766766亿亿kWkW。温差能为。温差能为400400亿亿kWkW，盐差，盐差能为能为300300亿亿kWkW，潮汐和波浪能各为，潮汐和波浪能各为3030亿亿kWkW，海流能为，海流能为6 6亿亿kWkW。 v4 4、 海洋能开发利用及其意义海洋能开发利用及其意义可缓解东部沿海，特别是海岛地区的能源紧缺问题，对于优化可缓解东部沿

165、海，特别是海岛地区的能源紧缺问题，对于优化能源结构、促进清洁能源开发、应对气候变化、发展低碳经能源结构、促进清洁能源开发、应对气候变化、发展低碳经济等具有重要战略意义。济等具有重要战略意义。6.2.16.2.1潮汐能发电技术潮汐能发电技术6.2.26.2.2波浪能发电技术波浪能发电技术6.2.36.2.3温差能发电技术温差能发电技术6.2.46.2.4盐差能发电技术盐差能发电技术6.2海洋能的开发技术6.2.1潮汐能发电技术按能量形式按能量形式：一种利用潮汐：一种利用潮汐的动能发电，利用涨落潮水的动能发电，利用涨落潮水的流速冲击水轮机发电；一的流速冲击水轮机发电；一种利用势能发电，利用坝内种利

166、用势能发电，利用坝内外涨、落潮时的水位差来发外涨、落潮时的水位差来发电。电。图6-1 潮汐发电原理图v1 1、 原理原理v2 2、 发电方式和电站的类型发电方式和电站的类型单库潮汐电站单库潮汐电站双向式双向式双库式潮汐电站双库式潮汐电站单向式单向式发电结合抽水蓄能式发电结合抽水蓄能式单向式单向式双向式双向式潮潮汐汐电电站站图6-2 单库潮汐电站示意图图6-3 双库潮汐电站示意图发电厂发电厂（1 1）竖轴式机组）竖轴式机组（2 2）卧轴式机组）卧轴式机组（3 3）贯流式机组）贯流式机组拦水堤坝拦水堤坝(1)(1)土坝：单种土质坝和多种土质坝两种土坝：单种土质坝和多种土质坝两种(2)(2)石坝：分

167、为堆石坝和干砌石坝两种石坝：分为堆石坝和干砌石坝两种(3)(3)钢筋混凝土坝钢筋混凝土坝(4)(4)浮运式钢筋混凝土沉箱堵坝浮运式钢筋混凝土沉箱堵坝水闸水闸v3 3、 潮汐能发电站的组成潮汐能发电站的组成竖轴式机组竖轴式机组卧轴式机组卧轴式机组灯泡贯流式机组灯泡贯流式机组全贯流式机组全贯流式机组国家国家站址站址库区面积库区面积/km/km2 2平均潮差平均潮差/m/m装机容量装机容量/MW/MW投入运行时间投入运行时间法国法国朗斯朗斯17178.58.524024019661966年年加拿大加拿大安娜波利斯安娜波利斯6 67.17.1202019841984年年俄罗斯俄罗斯基斯拉雅基斯拉雅2

168、23.93.90.400.4019681968年年中国中国江厦江厦2 25.15.13.203.2019801980年年世界上正在运行的大型潮汐电站世界上正在运行的大型潮汐电站站名站名平均潮差平均潮差/m/m装机容量装机容量/MW/MW投入运行时间投入运行时间江厦江厦5.15.13.203.2019801980年年白沙口白沙口2.42.40.640.6419781978年年幸福洋幸福洋4.54.51.281.2819891989年年岳浦岳浦3.63.60.150.1519711971年年海山海山4.94.90.150.1519751975年年沙山沙山5.15.10.040.0419611961

169、年年浏河浏河2.12.10.150.1519761976年年果子山果子山2.52.50.040.0419771977年年中国主要潮汐电站中国主要潮汐电站位于法国圣马诺湾朗斯河口，位于法国圣马诺湾朗斯河口，开发方式为单库双向型，灯开发方式为单库双向型，灯泡贯流式水轮发电机组。泡贯流式水轮发电机组。位于浙江省温岭市乐清湾北位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港，开发方式为单库端江厦港，开发方式为单库双向发电。双向发电。6.2.2波浪能发电技术有有三个阶段三个阶段：第一级第一级是吸能装置；是吸能装置；第二级第二级是能量传递机构，是能量传递机构，目的是把低品位波能变成高品位的机械能；目的是把低品位波能变成高

170、品位的机械能；第三级第三级是发电机是发电机系统等。系统等。v(1)(1)第一级转换第一级转换第一级转换是指将波能转换为装置实体所特有的能量。因此，第一级转换是指将波能转换为装置实体所特有的能量。因此，要有一对实体，即受能体和固定体。要有一对实体，即受能体和固定体。v1 1、 波浪能发电的原理波浪能发电的原理图6-4 波浪能转换流程v波能的利用形式波能的利用形式1)1)转换的原理转换的原理: :活动型、振荡水柱型、水流型、压力型；活动型、振荡水柱型、水流型、压力型；2) 2) 在海上不同的布置和不同的在海上不同的布置和不同的吸能效果吸能效果: :点吸式、衰减式、点吸式、衰减式、截止式。截止式。点

171、吸式截止式衰减式图6-5气动式波浪能发电示意图v（2 2）中间转换：能起到传）中间转换：能起到传输能量的作用。输能量的作用。v(3)(3)最终转换最终转换为适应用户的需要，最终转换多为适应用户的需要，最终转换多为机械能转换为电能。为机械能转换为电能。中间转换的种类中间转换的种类: :机械式、机械式、液动式、气动式等。液动式、气动式等。v2 2、波浪发电的类型波浪发电的类型v（1 1）振荡水柱型）振荡水柱型图6-6漂浮式振荡水柱波浪能发电装置示意图通过波浪产生的水面位置变化引起容器内的空气容积发生变化，通过波浪产生的水面位置变化引起容器内的空气容积发生变化，压缩容器内的空气，用压缩空气驱动叶轮，

172、带动发电装置发电。压缩容器内的空气，用压缩空气驱动叶轮，带动发电装置发电。波浪能发电站外型波浪能发电站外型波浪能发电站内部装置波浪能发电站内部装置20052005年，由中科院广州能源所研发的年，由中科院广州能源所研发的100kW100kW波浪发电站波浪发电站（固定岸式）落户广州汕尾，总装机容量（固定岸式）落户广州汕尾，总装机容量50kW50kW，其发，其发电成本每度电成本每度2 2元左右，预计每年可以发电元左右，预计每年可以发电7 7万度。万度。v（2 2）机械型）机械型利用波浪的运动推动装置的利用波浪的运动推动装置的活动部分活动部分鸭体、阀体、鸭体、阀体、浮子等，活动部分压缩油、浮子等，活动

173、部分压缩油、水等中间介质，通过中间介水等中间介质，通过中间介质推动转换发电装置发电。质推动转换发电装置发电。鸭体鸭体浮子浮子阀体阀体v（3 3）水流型）水流型利用收缩水道将波浪引入高位水利用收缩水道将波浪引入高位水库形成水位差（水头），利用水库形成水位差（水头），利用水头直接驱动水轮发电机组发电。头直接驱动水轮发电机组发电。v3 3、波浪发电的装置、波浪发电的装置v（1 1）分类：）分类：浮体、波浪能接收器、波力放大器、原动机浮体、波浪能接收器、波力放大器、原动机- -发电机、电器控制发电机、电器控制与自动控制设备。与自动控制设备。v（2 2）海洋式波浪发电装置海洋式波浪发电装置：按工作的场所

174、按工作的场所: :海岸式波浪能转换装置和海洋式波浪能转换装置；海岸式波浪能转换装置和海洋式波浪能转换装置；按吸收波浪能的方式按吸收波浪能的方式: :垂直摆荡式、空腔共振式、压力式等。垂直摆荡式、空腔共振式、压力式等。 海上波力发电浮航标海上波力发电浮航标浮桶随浪产生上下升降，中浮桶随浪产生上下升降，中心管内的空气受到挤压，气心管内的空气受到挤压，气流推动汽轮机旋转，带动发流推动汽轮机旋转，带动发电机发电。电机发电。波力发电船波力发电船用海底电缆将发出的电输送到陆地并用海底电缆将发出的电输送到陆地并网，也可直接为海上加工厂提供电力网，也可直接为海上加工厂提供电力。 岸式波力发电站岸式波力发电站采

175、用空腔振荡水柱气动方式采用空腔振荡水柱气动方式v4 4、波浪发电的应用、波浪发电的应用6.2.3温差能发电技术v1 1、原理及分类、原理及分类（2 2） 分类分类：闭式循环系统、开：闭式循环系统、开式循环系统和混合式循环。式循环系统和混合式循环。（1 1）原理）原理: :利用温海水利用温海水(2628)(2628)加热某些低沸点工质加热某些低沸点工质使之汽化，或通过降压使海水汽使之汽化，或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电。同时提取化以驱动汽轮机发电。同时提取的冷海水的冷海水(46)(46)将做功后的乏将做功后的乏气冷凝，使之重新变为液体。气冷凝，使之重新变为液体。图6-7闭式海洋温差发电系统

176、 图6-8开式海洋温差发电系统 图6-9混合式海洋温差发电系统 优点v与波浪能和潮汐能电站相与波浪能和潮汐能电站相比，可提供稳定的电力；比，可提供稳定的电力；v与矿物燃料电站或核电站与矿物燃料电站或核电站相比，运行与维护保养费相比，运行与维护保养费用低，工作寿命长；用低，工作寿命长；v无废料；无废料；v能产生副产品淡水能产生副产品淡水缺点v排放的羽状热水流造成温度排放的羽状热水流造成温度结构异常结构异常; ;v进水管工作时生物被吸入管进水管工作时生物被吸入管内，排放的水中营养物的重新内，排放的水中营养物的重新分布和生物生产力的增加分布和生物生产力的增加; ;v工作介质溢漏后对生物的潜工作介质溢

177、漏后对生物的潜在毒害等。在毒害等。v2 2、海洋温差能发电技术的优缺点、海洋温差能发电技术的优缺点v19301930年年，在古巴曼坦萨斯湾海岸建成一座开式循环发电装，在古巴曼坦萨斯湾海岸建成一座开式循环发电装置，出力置，出力22kW22kW。v19811981年在太平洋赤道地区的瑙鲁岛建立了世界第一座功率年在太平洋赤道地区的瑙鲁岛建立了世界第一座功率为为100kW100kW的岸式试验电站。的岸式试验电站。v除了闭式循环发电技术接近成熟之外，其他利用海洋热能除了闭式循环发电技术接近成熟之外，其他利用海洋热能的方式也在研究中。的方式也在研究中。v3 3、海洋温差能发电技术的应用、海洋温差能发电技术

178、的应用6.2.4盐差能发电技术v1 1、原理、原理v利用海水中的盐分浓度和淡水利用海水中的盐分浓度和淡水间的化学电势差发电。间的化学电势差发电。基本方式基本方式：将不同盐浓度的海水：将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电。势能，再利用水轮机发电。图6-10盐差发电原理图 v2 2、盐差能发电种类、盐差能发电种类提取盐差能的三种方法：提取盐差能的三种方法：（1 1）渗透压能（渗透压能（PROPRO）法）法：利用淡水与盐水之间的渗透压力：利用淡水与盐水之间的渗透压力差为动力，推动水轮机发电。差为动力，推动水轮机发电。（2 2）反电渗析（反电

179、渗析（REDRED）法）法：用阴阳离子渗透膜将浓，淡盐水：用阴阳离子渗透膜将浓，淡盐水隔开，利用阴阳离子的定向渗透在整个溶液中产生电流。隔开，利用阴阳离子的定向渗透在整个溶液中产生电流。（3 3）蒸汽压能（蒸汽压能（VPDVPD）法）法：利用淡水与盐水之间的蒸汽压力：利用淡水与盐水之间的蒸汽压力差为动力，推动风扇发电。差为动力，推动风扇发电。常见的压差发电：常见的压差发电：图6-11水压塔式盐水发电系统示意图 图6-12强力渗压发电系统示意图v3 3、海洋盐差能发电研究进展、海洋盐差能发电研究进展19391939年美国人提出利用海水和河水靠渗透压或电位差发电年美国人提出利用海水和河水靠渗透压或

180、电位差发电的设想；的设想；19541954年建造并试验了一套根据电位差原理运行的年建造并试验了一套根据电位差原理运行的装置；装置；19751975年以色列人建造并试验了一套渗透法发电装置年以色列人建造并试验了一套渗透法发电装置,1997,1997年研究盐差能利用装置年研究盐差能利用装置,2008,2008年建设了一座功率年建设了一座功率2 24kW4kW的的盐差能发电站。盐差能发电站。6.3.1 6.3.1 国外发展现状和趋势国外发展现状和趋势6.3.2 6.3.2 我国发展现状和趋势我国发展现状和趋势6.3海洋能利用发展现状和趋势海洋能利用发展现状和趋势6.3.1国外发展现状和趋势英英国国素

181、素有有“海海浪浪能能源源故故乡乡”之之称称，19971997年年在在塞塞汉汉河河口口建建造造第第一一座座潮潮汐汐电电站站，装装机机容容量量为为8.6GW8.6GW，20052005年年正正式式全全面面运运行行。据据统统计计，如如果果将将英英国国的的潮潮汐汐能能都都利利用用起起来来，每每年年可可发发电电540540亿亿千千瓦瓦时时，相当于英格兰和威尔士目前发电量的相当于英格兰和威尔士目前发电量的20%20%。19831983年年日日本本海海洋洋科科学学中中心心建建造造了了一一座座40kW40kW的的岸岸式式振振荡荡水水柱柱试试验验电站。电站。19961996年日本东北电力公司投运了年日本东北电力

182、公司投运了130kW130kW的波力发电设备。的波力发电设备。19101910年年法法国国开开创创了了人人类类把把海海洋洋能能转转化化为为电电能能的的先先河河。法法国国朗朗斯斯潮潮汐汐电电站站首首台台机机组组于于19661966年年8 8月月发发电电，19671967年年全全部部竣竣工工，总总装装机机容量容量240MW,240MW,年发电量年发电量5.45.4亿千瓦时。亿千瓦时。6.3.2我国发展现状和趋势v20102010年底，我国运行发电的潮汐能发电站有年底，我国运行发电的潮汐能发电站有8 8座，分布在浙江、座，分布在浙江、江苏、广东、山东和福建等省，总装机容量为江苏、广东、山东和福建等省

183、，总装机容量为10.6MW10.6MWv第一座海流能发电站于第一座海流能发电站于19941994年在浙江省岱山县关山岛建成。年在浙江省岱山县关山岛建成。v我国在舟山海域进行了我国在舟山海域进行了8 kW8 kW潮流发电机组原理性试验。潮流发电机组原理性试验。v1.1.海洋能按蕴藏形式分哪几种形式？海洋能按蕴藏形式分哪几种形式？v2.2.潮汐电站有哪几种？试分别简述。潮汐电站有哪几种？试分别简述。v3. 3. 波浪能发电系统中，水流的能量通过哪几个步骤转化为波浪能发电系统中，水流的能量通过哪几个步骤转化为电力？电力？v4.4.波浪发电类型可分为哪几类？试分别简述。波浪发电类型可分为哪几类？试分别

184、简述。v5.5.简述我国海洋能发展现状？简述我国海洋能发展现状？v6.6.查阅文献，试述海洋能双库单向潮汐发电的原理和特点。查阅文献，试述海洋能双库单向潮汐发电的原理和特点。思考题思考题第七章第七章 地热能地热能概述概述地热能的分类及分布地热能的分类及分布地热能的应用地热能的应用地热能利用发展现状及趋势地热能利用发展现状及趋势7-17-27-37-47-1-1 地球内部的结构地球内部的结构v地球构成：地球构成：地壳、地幔、地核地壳、地幔、地核11001300C土层和岩石土层和岩石岩浆岩浆铁、镍等金属铁、镍等金属20005000 7-1-2 地球内部的能源地球内部的能源地热能地热能: :来自地球

185、内部熔岩来自地球内部熔岩地球热源外部热源太阳辐射等内部热源人类活动等优势：无污染、可再生优势：无污染、可再生7-2-1 地热能的分类地热能的分类蒸汽型：以温度蒸汽型：以温度 较高的较高的干蒸汽干蒸汽形形式存在的地下储式存在的地下储热热（1）按赋存状态分类：）按赋存状态分类：蒸汽型蒸汽型、热水型热水型、干热、干热岩型、地压型、岩浆型。岩型、地压型、岩浆型。西藏羊八井西藏羊八井7-2-1 地热能的分类地热能的分类热水型地热能是指以热水形式存在的地热能热水型地热能是指以热水形式存在的地热能。低温热水田低温热水田中温热水田中温热水田高温热水田高温热水田 150 中低温热水田分布广，储量大中低温热水田分

186、布广，储量大7-2-1 地热能的分类地热能的分类高温地热能高温地热能(大于大于150) 发电发电中温地热能中温地热能(90150) 供暖、工业干燥供暖、工业干燥 脱水加工等脱水加工等低温地热能（低于低温地热能（低于90） 水产、养殖等水产、养殖等（2）按）按温度温度分类：高温地热能、中温地热能、分类：高温地热能、中温地热能、低温地热能。低温地热能。7-2-1 地热能的分类地热能的分类地热地热岩浆型岩浆型火山型火山型岩浆型岩浆型隆起断隆起断裂型裂型沉降盆沉降盆地型地型按地热区形成要素分类 7-2-2 7-2-2 地热能的分布地热能的分布 地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是地热能集中分布

187、在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震的多发区。每年从地球内部传到地面的热火山和地震的多发区。每年从地球内部传到地面的热能相当于能相当于100PWh。1.07 1.07 10101414吨吨我国每年消耗我国每年消耗1010亿亿（10 10 9 9）吨标准煤）吨标准煤全球地热资源分布全球地热资源分布我国地热资源分布我国地热资源分布7-3 地热能的应用地热能的应用 地热能应用地热能应用地热发电地热发电地热蒸汽地热蒸汽地热水地热水闪蒸系统闪蒸系统双循环系双循环系统统地热直接地热直接利用利用地热供暖地热供暖其他其他7-3-1 地热发电地热发电 ( (一一) )地热蒸汽发电地热蒸汽发电方法方法简单简单

188、，但干蒸汽，但干蒸汽地热资源十分地热资源十分有限有限，且多存于且多存于较深较深的地层，的地层，开采技术开采技术难度大难度大7-3-1 地热发电地热发电 闪蒸发电系统闪蒸发电系统( (二二) )地热水发电地热水发电7-3-1 地热发电地热发电 双循环发电系统双循环发电系统7-3-2 地热直接利用地热直接利用 我国地热能直接利用分布比例我国地热能直接利用分布比例7-3-2 地热直接利用地热直接利用 热泵热泵机机械械能能高温热源高温热源低温热源低温热源低温低温热能热能高温高温热能热能如果利用如果利用热泵热泵技术，温度为技术，温度为20或或低于低于20的的热液源也可以被当作一种热源来使用。热液源也可以

189、被当作一种热源来使用。 热泵工作原理热泵工作原理7-3-2 地热直接利用地热直接利用 （1） 地热供暖地热供暖优点：优点：无污染无污染，费，费用只是采用燃油气用只是采用燃油气锅炉的锅炉的10%，燃煤，燃煤锅炉的锅炉的20%。7-3-2 地热直接利用地热直接利用 （2） 地热在农业方面的利用地热在农业方面的利用2828水温下可加速鱼的育肥水温下可加速鱼的育肥使农作物早熟增产使农作物早熟增产7-3-2 地热直接利用地热直接利用 （3） 地热在医疗保健和旅游方面的利用地热在医疗保健和旅游方面的利用日本著名地热温泉日本著名地热温泉-草津温泉草津温泉7-4-1 地热能利用发展现状地热能利用发展现状( (

190、一一) )世界地热资源的利用发展现状世界地热资源的利用发展现状地区地区发电直接利用直接利用总装机容装机容量量/MWt生生产总和和总装机容装机容量量/MWt生生产总和和/(GWh/a)/%/(GWh/a)/%非洲非洲5439711255041美洲美洲339023342474355727014亚洲洲3095175103546082423546欧洲欧洲99857451257141890535大洋洲大洋洲4372269534220654合合计79474926310015144529791007-4-1 地热能利用发展现状地热能利用发展现状我国直接使用地热资源的设备能力为我国直接使用地热资源的设备能力为

191、8898 MW，排，排名世界第名世界第2；但是地热发电的装机容量仅为；但是地热发电的装机容量仅为27MW，在在 24个具有地热发电的国家中排名第个具有地热发电的国家中排名第18位。位。( (二二) )中国地热资源的利用发展现状中国地热资源的利用发展现状7-4-1 地热能利用发展现状地热能利用发展现状我国地热资源勘查开发利用状况我国地热资源勘查开发利用状况年年钻井数井数(个个)占占总井数井数(%)累累计进尺尺(m)占占总量量(%)平均平均钻井深井深度度(m)197119804915.046285.78.0944.61198119906419.073369.4013.01146.419912000

192、9729.0182543.7931.01881.892001200412036.0281919.9348.02349.33总 计330100.0584118.29100.001770.067-4-2 地热能利用发展趋势地热能利用发展趋势2010年统计：地热发电在年统计：地热发电在24个国家，总装机容量达到了个国家，总装机容量达到了10751 MW( (兆瓦电功率兆瓦电功率) )，年发电利用，年发电利用 67246 GW h，平，平均利用系数为均利用系数为72 %。20102010年地热产量最大国家装机能力年地热产量最大国家装机能力1.1.地热能具有哪些资源特性？地热能具有哪些资源特性？2.2.

193、地热能资源分为哪几种形式？地热能资源分为哪几种形式？3.3.地热发电分哪几种工艺类型？地热发电分哪几种工艺类型？4.4.简述目前我国地热供暖的方式有哪些？简述目前我国地热供暖的方式有哪些？5.5.论述浅层地热能开发利用的优点和优势。论述浅层地热能开发利用的优点和优势。思考题思考题第八章核能概述原子核物理基础核反应堆及核燃料核能利用技术8-18-28-38-4核废物处理与核安全核能利用发展现状和趋势8-58-68-1概述核能的应用历史1核能发电2月球的核应用3海洋的核资源2核能：通过质量转化而从原子核中释放的能量二次世界大战原子弹放射性物质的标志1.核能的应用历史1895：伦琴（德）X射线（19

194、01第一届诺贝尔物理奖）1896：贝克勒尔（法）天然放射性现象（1903年诺贝尔物理奖）1902：玛丽居里（法）镭（1903年诺贝尔物理奖，1911年诺贝尔化学奖）1905：爱因斯坦（美）质能转换公式1.核能的应用历史1914：卢瑟福（英）发现质子卢瑟福用卢瑟福用 粒粒子轰击氮原子轰击氮原子核，得到子核，得到氧原子核和氧原子核和氢原子核，氢原子核，首次实现人首次实现人工核反应。工核反应。1.核能的应用历史1935：查德威克（英）发现中子1938：哈恩（德）用中子轰击铀原子核，出现的新元素与铀相距甚远。这是首次发现重原子核裂变现象1.核能的应用历史1942年12月2日美国加哥大学成功启动了世界上

195、第一座核反应堆1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎1945年之前，人类在核能利用领域只涉及物理变化和化学变化，1945年之后，人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。2.核能发电核能水和水蒸气的内能发电机转子的机械能电能一核电厂每年用掉80t核燃料，只需2个货柜；燃煤则需515万t，每天用20t卡车运705车；使用天然气需143万t，相当于每天20万桶家用瓦斯。2.核能发电堆型堆型运行中机组运行中机组运行中净功率运行中净功率/MW总计机组总计机组总计功率总计功率/MW压水堆256227690289259492沸水堆92797749886866各种气冷堆3

196、2108503210850各种重水堆43218395227241轻水冷却石墨慢化堆13125451413470液态金属快中子增殖堆273952573总计438353437490400492中国大陆的核电起步较晚，20世纪80年代才动工兴建核电站。截至2012年末，我国有6座核电站运行，12座在建核电站，预计2020年我国核电总投产达到4000万千瓦，总发电量2600亿千瓦时，占全国发电量的6%以上2.核能发电链式裂变反应从宏观上看,核能发电与传统的火力发电中热能向机械能的转化、机械能向电能的转化是相同的。核能发电的能量来自铀235、钚239、铀233等重元素可裂变材料核燃料。2.核能发电核能应

197、用的优劣优点体积小能量大1000g 铀235 完全裂变释放的能量相当于2500t 标准煤释放的能量, 每一磅铀的成本约为20 美元, 换算成1 千瓦发电经费0.001 美元左右污染少核电站基本上不排放污染环境的物质, 就是放射性污染也比烧煤电站少得多缺点核废料难处理热效率低投资成本大不适宜做尖峰、 离峰的随载运转 兴建核电厂较易引发政治意见纷争 核废料的泄露回对生态及民众造成伤害 3.海洋的核资源类型含量可用时间铀相当陆地储量的几千倍几万年氘含有几亿千克氘上百亿年锂储量约为2.51011吨重水含有21014吨4.月球的核应用月球有大量的氦3大约5亿吨使用上千年8-2 原子核物理基础原子核物理基

198、础理论1核裂变2核聚变3核衰变41.原子核物理基础理论基本定义：1.原子是由位于中心的原子核和围绕原子核运动的若干电子组成，原子核由质子和中子组成，统称为核子，电子质量只有核子1/1840，原子质量几乎全部集中在原子核上。8-2-2原子核物理基础理论2.原子核内质子和中子总数，称为核子数，或质量数，用A表示。3.原子核的质子数或核外电子数决定了元素化学性质，称为元素原子序数，用Z表示。4.原子序数相同而质量数(核子数)A不同元素，称为同位素。8-2-2原子核物理基础理论5.能量计算：原子核的结合能是由质量转化为能量的。实际测得：原子质量质子质量+中子质量+电子质量质量亏损结合能8-2-2原子核

199、物理基础理论6.原子核的平均结合能是指原子核的结合能除以组成原子核的核子数A大部分原子核平均结合能在78.5MeV之间轻核和重核均具有较小的平均结合能（轻核与重核的划分界限是铁，大于56为重核，小于56为轻核）8-2-2 8-2-2 原子核物理基础理论原子核物理基础理论核能释放方式核能释放方式三种方式三种方式核裂核裂变变核聚核聚变变核衰核衰变变2.核裂变核裂变核裂变（nuclearfissionnuclearfission）是重核分裂为中等核的过程。第一）是重核分裂为中等核的过程。第一代核武器和现代核电站都依赖于裂变过程而产生能量。代核武器和现代核电站都依赖于裂变过程而产生能量。中子U-235

200、U-235分裂分裂碎片分裂碎片中子中子中子射线千万分之一秒內U-235分裂U-235分裂2.核裂变铀裂变的方程式：2.核裂变裂变时会形成60余种不同的碎片，而这些碎片通过衰变产生约250种不同的核素的裂片产物。裂变碎片的质量分布图1.曲线呈现两个明显的峰，分别位于质量数为95和140附近2.分裂成质量数恰好相等的两半的概率很小，大约只占0.01%注意：裂片碎片会发生一系列的衰变，具有很强的放射性，主要是射线和射线，其中有些核素半衰期较长，给核燃料后处理带来困难3.核聚变核聚变(nuclearfusion)由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。热核武器就是以聚变反应为基础的核武器。氘氚中子14.

201、1MeV氦-43.5MeV3.核聚变3.核聚变“第一代”聚变：氘氚聚变，燃料便宜，产生中子。“第二代”聚变:氘和氦3反应。不产生中子，或者产生非常少量的中子。“第三代”聚变:让氦3跟氦3反应。完全不产生中子，称为终极聚变。3.核聚变劳逊条件：等离子体密度和约束时间的乘积必须大于某一值，热核反应才能持续进行。反应堆类型最低温度/K等离子体密度/(个cm-3)最少约束时间/s劳逊条件/(s个cm-3)氘-氚反应108101410160.0111014氘-氘反应51080.210140.2101655001016表8-2可控核聚变反应堆需要满足的基本条件可控核聚变方式超声波核聚变激光约束核聚变磁约束

202、核聚变3.核聚变4.核衰变射线射线射线类型实质特点射线带正电荷的氦核电离作用最强穿透本领很小射线带负电荷的高速电子流电离作用弱穿透本领强射线波长短，频率高的电磁波电离作用最弱穿透本领最强4.核衰变8-3核反应堆及核燃料核反应堆1核燃料21.核反应堆核反应堆：装配了铀或钚等核燃料，使得在无需补加中子源的条件下，实现大规模可控制的自持式核裂变链式反应并释放能量的装置。1.核反应堆1.核反应堆的类型用途燃料类型冷却剂慢化剂热工状态研究堆，生产堆，目的堆，发电堆，推进堆天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆沸腾堆、非沸腾堆

203、、压水堆1.核反应堆2.核反应堆的工作原理1.核反应堆核反应堆结构核燃料防护装置控制设施慢化剂热载体1.核反应堆3.核反应堆的核心组件慢化剂。用石墨、重水或普通水（用于减小中子的速度）。控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）屏蔽层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。水管铀棒控制棒石墨水泥防护层减速剂减速剂 核原料核原料 冷却剂冷却剂 热交换热交换 控制反应速度控制反应速度 防防 辐辐 射射 快中子快中子 慢中子慢中子吸收慢中子吸收慢中子1.核反应堆4.核反应堆分代标志技术成熟的商业堆，目前在运的核电站绝大部分属

204、于第二代核电站核电站是早期的原型堆电站先进的轻水堆核电站，第三代核电站采用标准化、最佳化设计和安全性更高的非能动安全系统。待开发的核电站第一代GEN-I第二代GEN-第三代GEN-第四代GEN-1.核反应堆发电供热AB裂变中子D核动力C5.核反应堆的用途1.核反应堆（1）核能供热：一项新技术，是一种经济、安全、清洁的热源，因而在世界上受到广泛重视。1.核反应堆（2）核动力：核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力；又由于它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。1.核反应堆（3）利用裂变中子：核反应堆的第二大用途就

205、是利用链式裂变反应中放出的大量中子。12中子轰击薄膜材料可以生成极微小的孔洞3中子还可以生产优质半导体材料大量生产各种放射性同位素4中子可以治疗癌症2.核燃料核燃料，是指可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。铀235，钚239是能发生核裂变的核燃料，称裂变核燃料氘、氚及氦-3称为聚变核燃料2.核燃料乏燃料乏燃料裂变核裂变核燃料燃料聚变核燃聚变核燃料料核燃料燃料形式形态材料适用堆型固体燃料金属U石墨慢化堆合金U-Al快堆U-Mo快堆U-ZrH脉冲堆陶瓷U3Si重水堆(U,Pu)O2快堆(U,Pu)C快堆(U,Pu)N快堆UO2轻水堆、重水堆弥散体金属-金属UAl4-Al重水堆陶瓷-

206、金属UO2-Al重水堆陶瓷-陶瓷(U,Th)O2-(热解石墨，SiC)-石墨高温气冷堆液体燃料水溶液(UO2)SO4-H2O沸水堆悬浊液U3O8-H2O水均匀堆液态金属U-Bi熔盐UF4-LiF-BeF2-ZrF4熔盐堆2.核燃料乏燃料及聚变核燃料乏燃料定义：裂变产物、铀、钚以及稀有锕系核素的混合物聚变核燃料：聚变核燃料包括氘、氚及氦-3注意：虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行2.核燃料与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用具有较高的熔点和热导率辐照稳定性好制造容易，再处理简单2.核燃料回收和重新利用

207、核燃料核燃料的后处理确保环境的安全2.核燃料回收和重新利用核燃料的方法：水法过程干法过程以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程普雷克斯流程注意：核燃料后处理过程必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中，进行远距离操作，并且需要采取防止核临界的措施。8-4核能利用技术核能发电1核武器及核动力2核技术的广泛应用3核能的发展前景4核电站是利用核分裂或核融合反应所释放的的能量产生电能的发电厂1.核能发电核岛NI常规岛CI核能电厂与火力电厂异同出水蒸汽发电机冷却冷凝器进水锅炉核反应器 核反应器1.核能发电1.核能发电一不会污染空气五发电成本稳定二不会排放二氧化碳核电的优点三铀燃料除发电外，无其他用途1.核

208、能发电美国第一座核电厂建成于1975年12月。近50年来美国总共建成商业核电机组132台，除去已经关闭的28台目前仍在运行的有104台，居世界之最。它们分布在美国的31个州（见图4）美国1.核能发电日本在核电堆型选择方面，日本的压水堆和沸水堆核电机组并行发展，两者数量相近。1.核能发电目前日本运行的核电机组有55台英国英国曾是世界上核电发展领先的国家，但自上世纪70年代起，北海油田大规模产油使其能源供应状况得到改善，加上对核电安全问题的顾虑，英国的核电发展步入冬天。2008年，英国政府发布核能白皮书，宣布重启核电发展。1.核能发电1.1.核能发电核能发电秦山一期（浙江）30万千瓦机组，是我国自

209、主设计、建造和运营的第一个原型堆核电机组。1.核能发电1.核能发电秦山二期（浙江）我国首座自主建设、自主建造、自主管理、自主运营的2650MW级商用压水堆核电厂。1.核能发电秦山三期（浙江）引进加拿大重水堆技术建造的2728MW级重水堆核电厂1.核能发电大亚湾核电厂（广东）我国首座2900MW级商用压水堆核电厂。核岛部分采用法国压水堆技术。大亚湾核电厂年发电量约150亿千瓦时，70供香港，30送广东电网。1.核能发电红沿河核电站（辽宁）中国首次一次同意4台百万千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，是东北地区第一个核电站。采用的是在法国技术上改进的压水堆，是目前中国内地应用的最先进的核电技

210、术。世界核电机组概况世界核电机组概况2.核武器及核动力核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称裂变武器（原子弹）聚变武器（氢弹）具有特定功能的核武器（中子弹和小型化核武器）2.核武器及核动力不扩散核武器条约1968年，59个国家签署了不扩散核武器条约目前，187规定：只有在1967年1月1日前爆炸核装置的国家，才允许保留核武器。2.核武器及核动力核动力是利用可控核反应来获取能量，从而得到动力，热量和电能世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力3.核技术的广泛应用核技术应用主要有以下几个方面同位素的应用2射线辐照的应用3中子

211、束的应用4离子束的应用5为核能源的开发服务14.核能的发展前景1核电的经济性能可与火电竞争2发展核电有利于减轻交通系对燃料运输的负担3以核燃料代替煤和石油，有利于资源的合理利用8-5核废物处理与核安全核废物处理1核安全22.核废物类型1.核废物处理1.核废料：核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料物理状态分比活度分固体液体气体高水平中水平低水平比活度：也称为比放射性，指放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质量(通常用重量表示)产品中所含某种核素的放射性活度。1.核废物处理热能释放热能释放放射性放射性特征特征射线危害射线危害3.核废物特征1.核废物处理4.核废料管理原则尽

212、量减少不必要的废料产生并开展回收利用对已产生的核废料分类收集分别贮存和处理以稳定的固化体形式贮存以减少放射性核素迁移扩散向环境稀释排放时必须严格遵守有关法规尽量减少容积以节约运输、贮存和处理的费用1.核废物处理5.处理核废料的必要条件安全、永久地将核废料封闭在一个容器里并保证数万年内不泄露出放射性寻找一处安全、永久存放核废料的地点，例如：花岗岩层、岩盐层以及粘土层1.核废物处理6.废料处理方法国际处理方法海洋陆地一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的金属罐深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中1

213、.核废物处理6.废料处理方法中低放射性核废料危害较低，国际上通行的做法是在地面开挖深约1020米的壕沟然后建好各种防辐射工程屏障。高放废料危害较大，世界上公认的最安全可行的方法就是深地质处置方法，即将高放废料保存在地下深处的特殊仓库中永久保存。2.核安全核事故核污染事件-1979年美国三里岛核电站事故鬼城切尔诺贝利死亡人数：9.3万人致癌人数：23万人经济损失：180亿卢布核污染事件-1986年前苏联切尔诺贝利事故2.核安全2.核安全核污染事件-2011年日本福岛第一核电站事故燃料芯块及包壳压力容器钢衬安全壳2.核安全8-5-2核安全新的核安全技术第三代核反应堆第四代核反应堆三套紧急情况下的柴

214、油发电机附加的紧集核心冷却系统我国核安全政策核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标8-6核能利用发展现状和趋势能源危机与发展核能的必然性1核能的发展历程与开发利用现状2核能的利用对环境造成的影响3核能发展的前景41.能源危机与发展核能的必然性2012年BP世界能源统计，截止到2011年底，全世界剩余石油探明可采储量为2343亿吨，(1)2011年世界石油产量为39.96亿吨，即可供开采年限大约58年。(2)煤炭剩余可采储量为8609.38亿吨，可供约200年(3)天然气剩余可采储量为208.42万亿立方米，可供开采越63年8-6-1能源危机与发展核能的必然性100万千瓦的燃煤

215、电厂每年要耗煤250万吨二氧化碳650万吨二氧化硫1.7万吨氮氧化物4000吨煤灰28万吨8-6-1能源危机与发展核能的必然性100万千瓦的核电厂每年消耗低浓铀25吨高放废物9吨中放废物200吨低放废物400吨2.核能的发展历程与开发利用现状1.20世纪50年代，第一代核电机组。2.20世纪70年代，第二代核电机组3.20世纪80年代，第三代核电机组4.以美国为首的一些工业发达国家已经联合起来进行第四代核能利用系统的研究和开发3.核能的利用对环境造成的影响核电产生的放射性废物主要是放射性废水、放射性废气和放射性固体废物对环境造成污染铀矿资源的开发造成的废气、废水、废渣等污染环境，因此对铀尾矿也

216、必须进行妥善处理。发生核事故或核泄漏，对人类和环境造成的影响都是灾难性的5.核能发展的前景展望未来：传统能源存量不足，效率低，污染大。核电具有资源丰富、高效、清洁而安全的相对优势，其它可再生新型能源如风能、生物质能特别是太阳能由于成本高、效率低，短期内难以成为能源供应主力，因此，未来2030年核电将会迅速发展以缓解人类能源需求的燃眉之急。1.什么是核能？简述世界和中国核能的发展史。2.简述核电的发展历程，以及中国核电的发展现状。3.什么是核反应堆？简述其主要用途、分类和组成。4.简述核电站存在的主要安全隐患，浅述保证核电站安全的措施。5.常见的核电站反应堆有哪些堆型？简述其主要工作原理。6.核

217、废料是如何产生的？简述核废料的种类和常用的处理方法。思考题第九章第九章 氢能氢能9-1 概述概述9-2 氢的制备方法和储运氢的制备方法和储运9-3 氢能应用技术氢能应用技术9-4 氢能安全氢能安全9-5 氢能利用发展现状和趋势氢能利用发展现状和趋势9-1-1 氢的分布氢的分布氢在地球上主要以化氢在地球上主要以化合态存在于合态存在于化合物化合物中，中，如：水、石油、煤、如：水、石油、煤、天然气以及各种生物天然气以及各种生物的组成中。的组成中。75%9-1-2 氢的性质氢的性质物理性质物理性质 无色、无味、无嗅和无毒的可燃性气体无色、无味、无嗅和无毒的可燃性气体最轻的气体，粘度最小，热导率最高，化

218、学最轻的气体，粘度最小，热导率最高，化学活性、活性、渗透性渗透性和和扩散性强扩散性强降降低低了了钢钢的的力力学学性性能能，甚甚至引起材质的损坏至引起材质的损坏在氢气的生产、储送和使在氢气的生产、储送和使用过程中都易造成泄漏用过程中都易造成泄漏9-1-2 氢的性质氢的性质化学性质化学性质(1)氢气与金属的反气与金属的反应氢原子核外只有一个电子，氢原子核外只有一个电子，呈呈-1价，价，它与活泼金属作用而生成氢化它与活泼金属作用而生成氢化物物H2+2Na2NaH H2+CaCaH2 由于由于H-H键键能大，在常温下，能大，在常温下，氢气比气比较稳定。在定。在较高的温度下，特高的温度下，特别是存在催化

219、是存在催化剂时，氢气很活气很活泼9-1-2 氢的性质氢的性质在高温下，氢可将许多金属氧化物置换出来在高温下，氢可将许多金属氧化物置换出来H2+CuOCu+H2O4H2+Fe3O43Fe+4H2O (2)氢气与非金属的反气与非金属的反应氢气可与很多非金属反气可与很多非金属反应，呈，呈+1价价 H2+F22HF (爆炸性化合爆炸性化合) H2+Cl22HCl (爆炸性化合爆炸性化合)H2+I22HI (可逆反可逆反应)9-1-2 氢的性质氢的性质在高温时，氢可将氯化物中的氯置换出来，使金属和非在高温时，氢可将氯化物中的氯置换出来，使金属和非金属还原金属还原SiCl4+2H2Si+4HCl SiHC

220、l3+H2Si+3HCl TiCl4+2H2Ti+4HCl (3)氢气的加成反气的加成反应在高温和催化在高温和催化剂条件下，条件下，氢气可气可对碳碳重碳碳重键和碳氧重和碳氧重键起加成反起加成反应。如。如CO与与H2在高在高压。高温和催化。高温和催化剂条件下可生成甲醇条件下可生成甲醇 2H2+COCH3OH9-1-2 氢的性质氢的性质氢无毒、无腐无毒、无腐蚀性性，但，但对氯丁橡胶、氟橡胶、聚四氟乙丁橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚、聚氢乙乙烯等具有等具有较强强的渗透性。的渗透性。 (5)毒性及腐蚀性毒性及腐蚀性(4)氢原子与某些物原子与某些物质的反的反应在加在加热时，可使部分，可使部分氢气分子离解气

221、分子离解为氢原子原子 3H+As AsH3 2H+CuCl2 Cu + 2HCl 8H+BaSO4 BaS + 2H2O9-1-2 氢的性质氢的性质纯氢气在自然环境下以气态存在，只有经过液化过程高压处理才纯氢气在自然环境下以气态存在，只有经过液化过程高压处理才以液态形式存在。以液态形式存在。储能特性能特性物物 质 名名 称称氢气气(20MPa)液液氢MgHFeTiH甲甲烷( (液液) )甲醇甲醇优质汽油汽油煤油煤油含能量含能量(kWh)/L0.492.363.363.185.84.428.979.5含能量含能量(kWh)/kg33.333.32.330.5813.85.612.011.9含氢化

222、合物的储能特性含氢化合物的储能特性9-1-3 氢能的特点氢能的特点H2O2H2O能能量量氢能氢能1mol H1mol H2 2285.83kJ285.83kJ9-1-3 氢能的特点氢能的特点优点优点资源丰资源丰富富热值高热值高环保环保缺点缺点成本高成本高生产生产存储存储从目前来看，可再生能源或可再生资源制氢所占份额仍然从目前来看，可再生能源或可再生资源制氢所占份额仍然很小，很小，化石燃料制氢化石燃料制氢在将来很长一段时间内将占主导地位。在将来很长一段时间内将占主导地位。9-2 氢的制的制备方法和方法和储运运9-2-1 氢的制备氢的制备化石燃料制氢化石燃料制氢煤制氢煤制氢气体原料制氢气体原料制氢

223、液体化石燃料制氢液体化石燃料制氢电解水制氢电解水制氢生物及生物质生物及生物质制氢制氢生物质热化学转化生物质热化学转化技术技术微生物转化技术微生物转化技术9-2-1 氢的制备氢的制备煤气化制氢技术工艺流程煤气化制氢技术工艺流程煤制煤制氢：以煤气化制：以煤气化制氢为主主 C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) 装置成本高装置成本高装置成本高装置成本高COCOCOCO2 2 2 2排量大排量大排量大排量大9-2-1 氢的制备氢的制备气体原料制气体原料制氢：主要是指天然气制氢。主要是指天然气制氢。主要方法主要方法：转化反应转化反应 CH4+H2OC

224、O+3H2 206 kJ 变换反应变换反应 CO+H2OCO2+H2 41 kJ 总反应式总反应式 CHCH4 4+2H+2H2 2O OCOCO2 2+4H+4H2 2 165 kJ165 kJ 天然气水蒸气重整制氢天然气水蒸气重整制氢天然气部分氧化重整制氢天然气部分氧化重整制氢 天然气催化裂解制氢天然气催化裂解制氢9-2-1 氢的制备氢的制备天然气部分氧化重整制氢天然气部分氧化重整制氢氧氧 (10%12%) 甲醇、甲醛和甲酸甲醇、甲醛和甲酸530MPa氧氧(35%37%) 乙炔乙炔 1300氧氧(38%63%) 一氧化碳和一氧化碳和氢气气氧氧(64%) 二氧化碳和水蒸气二氧化碳和水蒸气主要

225、反应为：主要反应为： CH4+0.5O2 CO+2H2 35.5kJ 9-2-1 氢的制备氢的制备天然气催化天然气催化热裂解制裂解制氢:首先将天然气和空气按理首先将天然气和空气按理论完全燃完全燃烧比比例混合，同例混合，同时进入炉内燃入炉内燃烧，使温度逐，使温度逐渐上升到上升到1300时停止停止供供给空气，只供空气，只供给天然气天然气 CH4C+2H2炭黑得不到充分利用炭黑得不到充分利用催化催化剂易失去活性易失去活性其反应式为其反应式为:9-2-1 氢的制备氢的制备液体化石燃料制氢液体化石燃料制氢甲醇裂解甲醇裂解变压吸附制吸附制氢CH3OHCO+2H2 CO+H2OCO2+H2总反反应为 CH3

226、OH+H2OCO2+3H2 工艺简单、工艺简单、技术成熟、技术成熟、制氢成本低制氢成本低CH3OH +H2O CO2+3H2 9-2-1 氢的制备氢的制备电解水制氢电解水制氢阳极：阳极：2e+H2OH2+2OH阴极：阴极：4OHO2+2H2O+4e9-2-1 氢的制备氢的制备CH1.5O0.7+0.3 H2OCO+1.05H2 74kJ/molCO+ H2OCO2+ H2 42kJ/mol生物及生物质制氢生物及生物质制氢每千克生物每千克生物质最大最大产氢量量165g 9-2-2 氢气的纯化氢气的纯化冷凝冷凝低温吸附法低温吸附法低温吸收低温吸收吸附法吸附法变压吸附法变压吸附法(PSA(PSA法法

227、) )9-2-3 氢储存和运输氢储存和运输气气加压气态储存加压气态储存液液液化储氢技术液化储氢技术金金金属氢化物储氢金属氢化物储氢化化有机化合物储氢有机化合物储氢(NaAlH4)9-2-3 氢储存和运输氢储存和运输管道运输液氢运输长管拖车成本高成本高成本高运输效率高运输效率高运输效率高液化投资大，能液化投资大，能耗高，运输量大耗高，运输量大技术成熟，不适技术成熟，不适宜远距离输送宜远距离输送9-3-1 燃料电池技术燃料电池技术特点：能量特点：能量转换效率可高达效率可高达60%80%，实际使用效率使用效率是内燃机的是内燃机的23倍。倍。电站燃料站燃料污染物染物天然气天然气重油重油煤煤FCG-1燃

228、燃料料电池池EPA燃料燃料电池池SOx/kg/(GWh)3.354.950.0000461.24NOx/kg/(GWh)0.891.252.890.0310.464颗粒粒/kg/(GWh)0.450.420.410.00000460.155燃料电池与火电厂的大气污染比较燃料电池与火电厂的大气污染比较9-4 氢能安全氢能安全氢的安全性氢的安全性氢脆氢脆泄露性泄露性扩散性扩散性可燃性可燃性爆炸性爆炸性在层流情况下，氢气的泄漏率比天然气高在层流情况下，氢气的泄漏率比天然气高26%在湍流的情况下，氢气的泄漏率是天然气的在湍流的情况下，氢气的泄漏率是天然气的2.8倍倍氢的扩散系数是天然气的氢的扩散系数是

229、天然气的3.8倍，丙烷的倍，丙烷的6.1倍，倍，汽油的汽油的12倍倍9-5-1 氢能燃料能燃料电池利用池利用现状状日本已建成并运行了用于日本已建成并运行了用于发电的的5MW和和11MW的示的示范范电站站美国美国250kW和和2MW的的 固定固定发电站也示范成功站也示范成功加拿大也示范成功了加拿大也示范成功了250kW的固定的固定发电站站9-5-2 氢能利用的能利用的发展展趋势燃料燃料电池的池的关关键材料以及材料以及 MEA 的制的制备技技术是当前国是当前国际燃料燃料电池基池基础研究重要的方向研究重要的方向可再生能源制氢技术可再生能源制氢技术将在未来被广泛应用将在未来被广泛应用燃料电池汽车商业化

230、最需要解决的问题是燃料电池汽车商业化最需要解决的问题是可靠性、寿命可靠性、寿命及费用及费用1. 简述氢气的化学性质。简述氢气的化学性质。2. 简述常见的工业制氢方法和特点。简述常见的工业制氢方法和特点。3. 氢气是如何储存的？简述常见的氢气储存方式及特点。氢气是如何储存的？简述常见的氢气储存方式及特点。4. 我国是产煤大国，简述煤炭气化制氢的原理。我国是产煤大国，简述煤炭气化制氢的原理。5. 举例说明氢能在现代工业中的应用。举例说明氢能在现代工业中的应用。6. 氢能燃料电池是如何分类的？简述各类燃料电池的工作原理、特氢能燃料电池是如何分类的？简述各类燃料电池的工作原理、特点。点。7. 氢能利用技术现状和发展趋势如何？氢能利用技术现状和发展趋势如何？思考题思考题