新能源概论.docx
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新能源概论
一、能源的可持续发展
能量与能源：
能量——宇宙间一切运动着的物体，都有能量的存在和转化，人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。
所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。
反过来说，产生某种效果（变化）必然要伴随能量的消耗和转换。
人类所认识的六种能量形式：
机械能、热能、电能、辐射、化学能、核能。
机械能：
包括固体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。
动能和势能统称为宏观机械能——人类认识最早的能量。
热能：
构成物体的微观分子运动的动能表现为热能。
它的宏观表现是温度的高低，反映了分子运动的强度。
地球上最大的热能资源应为地热能。
电能：
它和电子流动与积累有关，通常由电池中的化学能转化而来，或通过发电机由机械能转换得到。
反之，电能也可以通过电动机转化为机械能——电做功。
在自然界中，还有雷电等电能
辐射能：
即物体以电磁波形式发射的能量。
如太阳能，太阳是最大的辐射源。
化学能：
它是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。
按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能，称为化学能。
利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢。
核能：
它是蕴藏在原子核内部的物质结构能。
释放巨大核能的核反应有两种：
核裂变反应、核聚变反应。
能源及能源的分类：
所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。
自然资源：
煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。
为了便于运输和使用，经上述资源加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。
由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下6种不同的分类方法：
按地球上的能量来源分：
（1）来自于地球本身，如核能、地热能等；
（2）来自于球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；（3）来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。
按被利用的程度分：
（1）常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；
（2）新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。
按获得的方法分：
（1）一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；
（2）二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。
按能否再生分：
（1）可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；
（2）非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。
按能源本身的性质分：
（1）含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；
（2）过程性能源（非燃料能源），它们无法直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等。
按对环境的污染情况分：
（1）清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；
（2）非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。
能量的转换：
广义地说，能量转换应包含三项内容：
（1）能量的形态转换，即通常所谓的能量转换；
（2）能量的空间转换，即能量的传输；（3）能量的时间转换，即能量的储存。
能源的评价：
:
能源多种多样，各有优缺点，为了正确选择和使用能源，必须对各种能源进行正确的评价。
通常包括以下7个方面：
储量、储能的可能性与供能的连续性、能流密度、开发费用和利用能源的设备费用、运输费用与损耗、品位问题、污染问题。
能源更迭与社会发展：
人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。
（1）火的发现和利用
（2）畜力、风力、水力等自然动力的利用（3）化石燃料的开发和热的利用（4）电的发现及开发利用（5）原子核能的发现及开发利用。
人类社会已经历了三个能源时期：
薪柴时期：
主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。
煤炭时期：
18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很大。
19世纪，电力成为工矿企业的主要动力，成为生产和生活照明的主要来源。
但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料。
石油时期：
石油资源的发展，开始了能源利用的新时期。
近30年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。
进入21世纪，核能将成为世界能源的主角，清洁能源的时代也将随之到来。
能源与国民经济：
能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，是推动国民经济发展的强大动力。
世界能源消费结构的特点：
（1）半个世纪来，世界煤炭消费比例一直呈下降的趋势，70年代起石油已在世界能源消费中占第一位。
（2）水能和核能的利用，主要表现在水电及核电的比例上。
电能是现代化所必须的高级二次能源。
世界能源消费构成：
1850年能源总耗:
500Mtoes、1992年能源总耗:
9350Mtoes、1996年能源总耗:
9502.1Mtoes。
世界能源消费结构的特点：
表示能源消费程度的指标有两个：
绝对指标——称年消费量，通常用万t标准煤/年表示。
相对指标——称为人均能耗，用t标准煤/（人·年）表示。
国民经济人均产值反映了一个国家的工业发展水平，通常认为人均产值达到1000美元/（人·年）时即达到小康水平。
世界性能源问题：
（1）能源的危机——石油的危机
（2）能源消费的费用迅速增加——能源资源的勘探、开采越来越难，投入资金多、建设周期长、科技含量高（3）能源资源短缺（4）能源对环境的污染。
我国的人均能耗：
（1）单位国民生产总值能耗，我国是日本的5倍，德国的3.6倍，美国的2.6倍，比印度还要多1倍多。
（2）与美国相比，我国的人均能耗不及美国的1/12，而单位能耗的产值只有它的1/5，换言之，我们人均在能源资源的享受方面，只有美国的1/60。
我国能源工业面临的问题：
（1）人均能源拥有量低、储备量低；
（2）能源生产和消费结构依然以煤为主；（3）能源资源分布不均匀；（4）能源利用效率低；（5）农村商品能源短缺；
中国能源可持续发展的对策：
三个手段：
（1）加强政府的宏观决策和行政管理
（2）运用市场机制的调节作用（3）利用经济增长的机遇。
解决我国能源问题，应采取的措施：
1、努力改善能源结构；2、提高能源利用率；3、加速实施洁净煤技术；4、合理利用石油和天然气；5、加快电力发展速度；6、积极开发利用新能源；7、建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；8、改善城市民用能源结构，提高居民生活质量；9、重视能源的环境保护。
二、能量的转换和储存
能量的基本性质:
能量之间的转换:
（1）“量”的多少:
能量守恒与转换定律:
自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的总量恒定不变。
（2）“质”的高低:
能量贬值原理:
一个封闭系统中的任何自发性变化，都必然朝着能量贬值（熵增）的方向发展，而最后的平衡状态，则对应于熵的最大可能值。
热力学第二定律
克劳修斯说法：
“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。
”
开尔文说法：
“不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影响。
”
第二类永动机的例子:
以海洋为热源，海洋共有6.88×1020t的海水，如果海水的温度下降1℃，可放出2.88×1024KJ的热量，约合9.8×1016t标准煤，相当于目前全世界每年能耗的10万倍。
能量转换的主要燃料:
（1）燃料通常是指能够通过燃烧过程而将化学能转换为热能的物质。
（2）所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其它含能体；
（3）所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的含能体。
能量转换过程及转换设备或系统
能源
能源形态转换过程
转换机械或系统
石油、煤
炭、天然
气等矿物
燃料
氢和酒精等二次能源
化学能——热能
化学能——热能——机械能
化学能——热能——机械能——电能
化学能——电能——热能
化学能——电能
炉子、燃烧器
各种热力发动机
热机、发电机，磁流体
发电，EGD发电（压电
效应）
热力发电，热电子发电
燃料电池
水力、风力、潮汐、海流、波浪
太阳能
机械能机械能
机械能机械能电能
光能——热能
光能——热能——机械能——电能
光能——热能——电能
光能——电能
光能——化学能
光能——生物能
电磁波——电能
水车、风车。
水轮机——
发电机，波力发电、风力
发电、潮汐发电、海流发电
热水器，采暖、制冷、光化
学反应，太阳灶
太阳热发动机
太阳热发电
热力发电，热电子发电
光电池、光化学电池
光化学反应（水分解）光合成
核能
核分裂——热能——机械能——电能
核分裂——热能
核分裂——热能——电能
核分裂——电磁能——电能
核聚变——热能——机械能——电能
电能——光（激光）——热能
电能——热能
聚变
核发电，磁流体发电
核能炼钢
热力发电，热电子发电
光电池
核聚变发电
燃烧设备：
机械能的获取：
热机转换：
热机效率
内燃机
——往复运动热机
燃气轮机
——外燃式热机
蒸汽轮机
——将蒸汽热能转换为机械功的热机
电机转换：
电能的生产：
热电转换：
（1）磁流体发电
（2）热电偶温差发电（3）热电子发电
⏹燃料电池：
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。
能量的储存：
在机械能、热能、化学能、辐射能、核能等六种主要类型的能量中，除辐射能外，都能储存在一些普通种类的能量形式中。
主要指标：
1、储能密度2、储存过程的能量损耗3、储存装置的经济性4、储能和取能的速率
5、寿命（重复使用的次数）6、对环境的影响。
能量的储存：
（1）机械能储存
（2）电能储存（3）热能储存。
机械能的储存：
（1）机械能能以动能或势能的形式储存
（2）以动能储存：
旋转飞轮
（3）以势能储存：
弹簧、扭力杆、重力装置、压缩空气储能、抽水储能
压缩空气储能：
压缩空气是工业中常用的气源，除了吹灰、清砂外，还是风动工具和气动控制系统的动力源。
抽水储能电站：
（1）纯抽水蓄能电站2）混合式抽水蓄能电站
我国抽水蓄能电站开发现状：
从上世纪80年代开始起步，到目前为止我国已在9个省、区、市建成11座抽水蓄能电站，装机容量约为570万kW，占全国装机容量的1.8％。
大型电站：
（1）广州电站，装机容量240万kW
（2）浙江天荒坪电站，装机容量180万kW
（3）北京十三陵电站，装机容量80万kW（4）河北潘家口电站，装机容量27万kW
中型电站：
江苏、浙江、安徽、湖北、西藏
将建电站：
（1）山东泰安电站，装机容量100万kW
（2）浙江桐柏电站，装机容量120万kW
（3）山西西龙池电站，装机容量120万kW（4）江苏宜兴电站，装机容量100万kW
（5）河北张河湾电站，装机容量100万kW（6）安徽琅琊山电站，装机容量60万kW
电能的储存：
（1）以机械能的形式储存
（2）以化学能的形式储存于蓄电池中
（3）以电能的形式储存在静电场和感应电场中
蓄电池：
利用电化学原理：
蓄电池：
静电场：
1、电能可用静电场的形式储存在电容器中。
2、在直流电路中，广泛用作储能装置。
3、在交流电路中，用于提高电力系统或负荷的功率因素。
4、储能电容器广泛应用于高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面。
感应电场：
1、电能还可以储存在由电流通过电磁铁这类大型感应器而建立的磁场中。
2、利用感应电场储存电能不常用，因为它需要一个电流流经绕组去保持感应磁场。
热能的储存：
热能储存是把一个时期内暂时不需要的多余热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取使用。
储存时间：
1、随时储存，以小时或更短的时间为周期，随时调整热能供需之间的不平衡；
2、短期储存，以天或周为储热周期，维持一天（或一周）的热能供需平衡；
3、长期储存，以季节或年为储存周期，调节季节（或年）的热量供需关系。
热能储存方法：
1、显热储存2、潜热储存3、化学能储存4、地下含水层储热
潜热储存：
利用蓄热材料发生相变而储热
（1）固体－液体相变蓄热
（2）液体－汽体相变蓄热（蒸汽蓄热器）
地下含水层储热：
（1）解决采暖和空调的季节性负荷问题的重要途径之一。
（2）利用地下岩层的空隙、裂隙、溶洞等储水构造以及地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点，用管井回灌的方法，把冬季大气环境中太丰富的“冷”和夏季不要钱的“热”储存在含水层中，在冷、热不是同时需要的场所实现供冷、供热。
地下含水层储能：
（1）含水层储热——夏灌冬用
（2）含水层储冷——冬灌夏用（3）必须具备灌得进、存得住、保温好、抽得出等条件。
（4）回灌水源：
地表水、地下水、工业排放水。
用途：
广泛用于纺织、化工、制药、食品等工业部门，也用于影剧院和宾馆等建筑物的夏季降温空调、冷却和洗涤用水，冬季采暖及锅炉房供水等。
三、风力发电技术
例题：
Example:
（BONUS2MWatMiddelgrunden）
已知条件：
R=38m、=1.225kg/m3、Vo=10m/s
Massflow:
Power（Cp=0.43forVo=10m/s）
P=1/2Vo3R2Cp=1.2MW
1-1风与风力资源
一、风的产生与特性
产生：
风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本原因。
特性：
周期性、多样性、复杂性
二、风的能量与测量
1、产生能量的基本要素：
风具有一定的质量和速度。
2、风能的一些主要特性参数：
如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。
1）风能：
空气运动产生的动能称为“风能”。
2）风能密度：
单位时间内通过单位截面积的风能。
3）风速与风级：
风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米／秒（m/s）或千米／小时（km／h）。
分13级
4）风向与风频：
通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。
风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比，
5）风的测量：
风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。
三、风力资源：
据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW，其中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.5×109MW，这比世界上可利用的水能大10倍。
（一）世界风力资源分布：
根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有27％的地区年平均风速高于5m／s（距地而10m高）。
如将这些地方用作风力发电场，则每km2的风力发电能力最大值可达8Mw，总装机容量可达24x1013w。
据分析，实际上陆地面积中风力大于5m／s的地区，其中仅4％有可能安装风力发电机组。
（二）中国风力资源
中国风能资源十分丰富，全国风能储量约4.83×109MW，可开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。
在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。
1、风能最佳区：
（1）东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海上岛屿。
（2）内蒙古、甘肃北部。
（3）黑龙江南部、吉林东部。
2、风能较佳区：
（1）西藏高原中北部。
（2）三北北部。
（3）东南沿海（离海岸线20—50kM）
3、风能可利用区：
（1）两广沿海。
（2）大小兴安岭山区。
3）东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。
（三）风能的利用：
按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。
21世纪风能利用的主要领域是风力发电。
风力发电特点及优势:
1、它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低。
2、风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，
3、建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；
4、装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；
5、运行简单，可完全做到无人值守；
6、实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；
7、对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，
8、在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。
1-2风力发电设备
一、组成：
风力发电机组包括两大部分；
1、部分是风力机，由它将风能转换为机械能；
2、另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。
二、分类：
1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。
2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；
3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。
4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；
5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。
6）以风力机的容量分，则有微型（1kW以下）、小型（1—10kW）、中型（10—100kW）和大型（100kw以上）机。
1、水平轴力风机
特点：
风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平轴风力机。
组成：
它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。
应用：
这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有灾际开发价值的风力机：
类型：
有传统风车、低速风力机及高速风力机等3大类型。
风力机的主要技术指标参数：
1、风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；2、叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力机大干4片；3、叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；4、风能利用系数，一般为0.15—0.5之间；5、启动风速，一般为3—5m/s;6、停机风速，通常为15—35m／s;7、输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦；8、发电机，分为直流发电机和交流发电机；9、另外还有塔架高度等等。
2、垂直轴风力机
特点：
凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机。
形式有：
如s型、H型、Ф型等。
应用：
虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出现。
各种形式的垂直轴风力机。
三、风力发电系统及装置
（一）风力发电机组的系统组成
1、风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合。
2、通常包括风轮、发电机、变速器（小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器的）及有关控制器和储能装置。
（二）调向机构
作用：
用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。
因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构（国外通称偏航系统）。
类型：
小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机。
（三）发电机
1、微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；
2、容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机：
（四）升速齿轮箱
作用：
是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。
（五）塔架
水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。
类型：
即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架。
（六）控制系统
组成：
100kw以上的中型风力发电机组及1Mw以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器（PLC）组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。
控制系统主要功能：
①按预先设定的风速值（一般为3—4m／s）自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。
②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。
③当风速大干最大运行速度（一般设定为25m／s）时实现自动停机。
④故障保护。
⑤通过调制解调器与电话线连接。
四、大型并网型风力发电机组
类型：
目前世界上比较成熟的并网型风力发电机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样常见的水平轴风力机类型有：
①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎风式；⑦背风式等。
基本组成：
典型的大型风力发电机组通常主要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等几大部分组成。
1-3风力发电运行方式
•分类：
独立运行和并网运行两种运行方式。
一、独立运行方式
独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。
（一）储能系统：
1、风力发电系统采用的储能系统主要有：
蓄电池储能、抽水蓄能。
2、正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水制氢储能等。
（二）与其他发电形式的联合运行
常用的方式主要有：
1风力——柴油发电联合运行2风力——大阳能电地发电联合运行
风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式：
（1）切换运行，即有风时由风力发电机组供电，有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式简单，但系统的效率较低：
（2）同时运行，风力发电机组与太阳能电池方阵同时向苦电池组充电，可以充分发挥两者的效能，系统效率高。
二、并网运行方式
作用：
采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。
应用：
10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。
并网运行又可分为两种不同的方式：
•①恒速桓频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。
这种方式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不充分。
•②变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。
这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。
1-4风电场
一、概念
（1）风力发电场是日前世界上风力发电并网运行方式的基本形式。
（2）在风能资源良好的地区，将几十台、几百台或几千台单机容量从数十kw、数百kw直至MW级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体．称为风力发电场，简称风电场。
（3）风力发电场属于大规模利用风能的方式，其发出的电能全部经变电设备送往大电网。
（二）风力发电场的选址
1、考虑因素：
风电场场址选择的最主要的因素是风能资源、环境影响、道路交通及电网条件等许多出素。
2、主要依据：
（1）风力资源
（2）风塔建设条件（3）气象数据4）地形地貌（5）对居民影响
（三）风力发电场的风力发电机组排布
作用：
合理地选择机组的排列方式，以减少机组之间的相互影响，风电场内风力发电机组的排列应以
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