新能源应用技术综述.docx
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新能源应用技术综述
第一章绪论
（1）太阳能太阳能是自然界赐给人类的巨大能源之一。
地球上的风能、水能、海洋温差能、生物智能以及化石燃料（如煤、石油、天然气等）都源于太阳能。
目前人类已经迈出了利用太阳能的步伐，太阳能热水器、太阳能电池等太阳能利用技术日臻成熟，对太阳能的进一步开发和利用技术已经越来越得到深入研究。
（2）风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和制热等。
风力发电是主要的开发利用方式。
根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦。
主要分布在两大风带：
一是“三北地区”（东北、华北北部和西北地区）；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。
另外，内陆地区还
有一些局部风能资源丰富区，有广阔的开发前景。
风能是一种自然资源，由于风的大小及方向都变换不定，因此其经济性和实用性由风机的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。
（3）水能水能资源是我国重要的可再生能源资源，是清洁能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。
广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源，是常规能源，一
次能源。
水不仅可以直接人类直接利用，它还是能量的载体。
太阳能驱动地球上的水循环，并使之持续进行，地表水的流动是重要的一环。
在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。
随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。
（4）氢能氢能是一种二次能源，一种理想的新的含能体能源。
在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少，因此必须在含氢物质加工后方能得到氢气。
最丰富的含氢物质是水，其次就是各种矿物质燃料（煤、石
油、天然气）及各种生物质等。
氢不但是一种优质燃料，还有石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。
石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。
氢还用还原铁矿石。
用氢制成燃料电池壳直接发电。
采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，
其能量转换效率将远高于现有的火电厂。
随着制氢技术的进步和储氢手段的完善，氢能在21世纪的能源舞台上大展风采。
（5）地热是指来自地下的热能资源。
地球是一个巨大的地热库，仅地下10km厚的一层，储热量就达1.051026j，相当于9.9510叫标准煤所释放的热量。
地热能在世界很多地方都应用相当广泛。
老的技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断的完善。
在能源的开发和技术转让方面，未来的发展潜力相当大。
地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可根据需要提供使用。
据初步勘探，我国地热资源以中低温为主，适用于工业加热、建筑采暖、保健疗养和种植养殖等，资源遍布全国各地。
初步估
算，全国可采地热资源量约相当于33亿吨标准煤。
（6）海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。
海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，
但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。
开发利用的方式主要是发电，其中潮汐能和小型波浪发电技术已经实用化。
波浪能发电利用的是海洋波浪上下运动的能量。
1910年，法国的普莱西克发明了利用海水波浪垂直运动
压缩空气，推动风力发电机组的装置，把1kW勺电力送到岸上，开创了人类把海洋能转变为电能的先河。
目前已开发出60〜450kW勺多种类型波浪发动装置。
（7）生物质能是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。
地区上每年植物光合作用固定的碳达210t，含能量达310J，因此每年通过光合作用储存在植物的根、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍，相当于全世界现有人口食物能量的160倍。
虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质。
生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。
我国生物质能资源主要有农作物秸秆、树木枝丫、畜禽粪便、能源作物（植物）、工业有机废水、城市生活废水和垃圾等。
全国农作物秸秆年产量约6亿吨，除部分作为造纸原料和禽牧饲料外，大约3
亿吨可作为燃料使用，折合约2亿吨标准煤。
甜高粱、小桐子、黄连木、油桐等能源作物（植物）可种植面积达2000多万公顷，可满足年产量约5000万吨生物液体燃料的原料需求。
畜禽养殖和工业有机废水理论上可年产沼气约800亿立方米。
目前，我国生物质资源科转换成能源的潜力约5亿吨标准煤，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，生物质资源转换为能源的潜力可达10亿吨标准
煤。
第二章太阳能
【学习目标】
1.了解太阳能的概念和我国太阳能资源概况
2.了解太阳能利用技术的应用原理、种类及在都是农业中的应用。
【学习内容】
1.太阳能集热器技术。
2.太阳能热水器技术。
3.太阳房的原理及应用。
4.太阳能在都市农业中的应用。
第一节太阳能概述
人类利用太阳能的历史悠久，利用方式也多种多样，最古老而又最简单的利用方式是晒太阳取暖、晒衣服、晒粮食，即将太阳辐射能转变为其他形式的能加以利用，即采用某些装置或系统将太阳的辐射能收集、转换和储藏及利用。
辐射能转换形式可分为三种：
光化学转换、光热转换与光电转换。
太阳能最常见的光化学转换就是植物的光合作用，即二氧化碳和水在阳光照射下，借助植物的叶绿素，吸收光能转化为碳水化合物，储存于植物或其果实中。
光化反应是另一种光化学转换，它是指某些物质在阳光照射下吸热分解，当其在低温时可释放吸收的太阳能。
地球陆地上的植物通过光合作用利用的太阳能，约为到达地球上太阳能的0.4%〜0.5%,但其利用效率却仅为0.5%左右。
太阳能的光热转换是指通过反射、吸收或其他方式吸收太阳辐射能，使之转换为热能并加以利用。
太阳能热利用设备主要有太阳能热水器、太阳房、太阳能烹调器（如太阳灶）、太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能热泵与制冷装置、太阳能热机（提供动力）、太阳能炉（可冶炼金属）等。
光电转换是把太阳辐射能转换为电能，可通过光电元件（太阳电池）将太阳能直接转换为电能，也可先把太阳能转换成热能，再通过热能发电设备转换为电能。
太阳能是太阳内部连续的氢聚变的核反应过程产生的能量。
太阳每天辐射到地球表面的能量大约相当于2.5亿桶石油，每秒辐射到地球上的能量相当于500万吨标准煤。
地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能、生物质能、部分潮汐能以及化石燃料（如煤、石油、天然气等）都源于太阳能。
一、太阳能的特点
1．太阳能的优点太阳能与常规能源（如煤、石油等）相比，具有三个主要特点。
（1）太阳能具有能量的巨大性和使用寿命的长久性每年地球陆地上接收到的太阳能相当于全球一年一年内总能耗的3.5万倍，是当今世界可以开发的巨大能源，也是21世纪的主要能源。
按照反应速率及质量亏损率计算，太阳上氢的储量足够维持600亿年,与地球上人类历史相比，可以说太阳是取之不尽、用之不竭的长久能源。
（2）太阳能具有其广泛性因为阳光普照全球，无论在陆地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，部分国家与地区都可以就地开发利用，无需开采和运输。
（3）太阳能是一种清洁的能源在开发和利用过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质，不会给环境造成污染和生态平衡的破坏，且无论如何利用，对人类都是安全的。
2.太阳能的缺点
首先，太阳辐射的能量密度较低。
一般在北回归线附近夏季阳光较好时，正午时地面上接收的太阳福照度约为1000W加左右；全年日平均约500W加左右；而在冬季只有年日平均辐照度的一半。
因此，在开发利用太阳能时，需要较大的采光面积。
其次，由于夜晚得不到太阳的辐射，需要考虑配备储能设备，供夜晚使用，或增设辅助热源，才能全天候应用。
最后，太阳能随天气的变化而变化，再加上季节的变异及其他因素，都会影响太阳能利用的稳定性。
二、太阳能的储存
太阳能储能技术主要包括机械能、电能和热能的储存。
热能是最普通的能量形式。
所谓热能储存，就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，等到需要时再提取利用。
1.按照热能储存的时间长短分类可以分为随时储存、短期储存和长期储存三大类。
（1）随时储存以小时或更短的时间为周期，其目的是随时调整热能供需之间的不平衡。
例如，利用太阳热水系统进行地板辐射采暖时，其储热水箱的作用在于储热和放热，使房屋采暖维持供需之间的平衡。
（2）短期储存以天或周为储热周期，其目的就是为了维持一天（或一周）的热能供需平衡。
例如，太阳能集热器只能在阳光好的天气吸收太阳的辐射热，因此集热器除了满足阳光好的天气供应热水的需要外，还能将部分热能储存起来，供夜晚或阴天使用。
（3）长期储存以季节或年为储存周期，其目的就是为了调节季节（或年）的热量供需关系。
例如把夏季的太阳能或工业余热长期储存下来，供冬季使用；或者冬季将天然冰储存起来，供来年夏季使用。
三、太阳能利用
1.太阳能热利用技术
（1）太阳能热水器热水器是太阳能热利用中商业化程度最高应用最普
通的技术。
太阳能热水器在我国得到了快速发展和广泛应用，成为太阳能利用的主流产业。
从20世纪80年代开始，我国先后研制成功全玻璃和热管式真空管集热器，并实现了产业化。
控制技术已由简单地仪表控制发展到电脑控制。
（2）太阳能建筑太阳房概念与建筑相结合，形成了太阳能建筑技术领
域。
实验表明，太阳能建筑节能率在75%左右，以成为最有发展前景的领域之一。
我国太阳房开发利用自20世纪80年代初开始，至今已建成约1000万平方米的太阳房，主要分布在山东、河北、辽林、内蒙古、甘肃、青海和西藏的农村地区。
目前，被动太阳房开始由群体建设向住宅小区发展，但我国在技术水平上与国外还有相当大的差距。
2.太阳能光伏发电
太阳能光伏发电的应用十分广泛。
20世纪90年代以后，世界光伏迅速发展，最近几年平均年增长率超过30%。
世界各国一直通过扩大规模、提高自动程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。
商业化电池效率从10%-13%提高到13%-15%生
产规模从每年1〜5MW发展到每年5〜25MW并正在向50MV甚至100MW扩大，光伏组件的生产成本降到3美元/W以下。
到21世纪中叶，光伏发电有望成为人类的基础能源之一。
近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
预计，到21世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上。
3太阳能的利用方式及发展趋势我国的光伏技术产业化及市场发展经过20多年的努力已形成了一定的基础，但总体水平与国外还有相当大的差距，主要表现为以下几点。
1生产规模小，无法形成经济规模。
2技术水平低。
电池效率，封装水平同国外存在一定的差距。
3专用原材料性能有待进一步改进。
4成本高。
目前我国电池组件成本约30元/W,平均售价42元/W。
成本和售价都高于国外产品。
第二节风能资源与风能利用概况
我国的风能资源
风能资源的主要参数是当地的年平均风速和年平均风能密度，当然，有效风能时间（h）也很重要。
1981年，在为世界气象组织（WM）所进行的一项研究中，太平洋西北实验室（PNL绘制了一份世界范围的风能资源图，该图给出了不同区域的平均风速和平均风能密度。
但由于风速会随季节、高度、地形等因素的不同而变化，因此风的资源量只是一个推算估评。
根据世界范围的风能资源图估计，地球陆地表面27%勺地方年平均风速高于5m/s（距地面10m处）。
我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。
中国10m高度层的风能总
储量为32.26亿千瓦，这个储量称作“理论可开发总量”。
实际可开发的量按上述总量的1/10估计，并开率风能转换装置风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数0.785（即1m直径的圆面积是边长1m的正方形面积的0.785倍），得到中国陆地10m高度层实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦。
二、风能资源的特点
（一）风能资源的优点
1风能是可再生能源，取之不尽，用之不竭。
2一般来说，在偏远山区、海滨、居民分散的无电或少电地区，风能资源比较丰富，值得开发利用。
3开发利用风能，不污染环境，不影响生态平衡。
4把风能转化成机械能，办法比较简单，容易实现。
（二）风能资源的缺点
1不稳定。
风能长随季节、昼夜变化，当小风或无风时还想利用它，则涉及能量储存问题，需要储能设备。
2密度低。
风能密度比较低，空气的密度约为水的1/800,因此，要获得较
大的功率，势必得把风能机的风轮做的很大。
3地区差异大。
风能受地形地貌的影响较大，即使在同一个区域，有利地形处的风力往往是不利地形处的几倍乃至更多。
（三）国内外风能利用概况
人类利用风能的历史可以追溯到公元前，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴碾米，10世纪人伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。
数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。
但至1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才有了长足的发展。
风能作为一种无污染和可再生的能源，有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。
即使在发达国家，风能作为高效清洁的新能源也日益受到重视。
美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。
瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国也根据各自的情况制定了相应的风力发电计划。
中国是世界上利用风能最早的国家之一。
据考证我国用帆式风车提水已有1700多年的历史，这种传统的风车一直用到20世纪，在农用灌溉和农用提水中提到过重要的作用。
我国风力提水虽有悠久的历史，但直至20世纪70年代后，在风力提水机组的研制和应用方面才得以成熟的发展，并用于农田灌溉、海水制盐、海水养殖、
滩涂改造、人畜饮水、草场改良等提水作业，取得了较好的经济效益和社会效应。
我国已研制的风力提水机组大致可以分为两大类：
一类是低扬尘（小于5m大
流量（大于20t/h）型，用于南方提地表水；另一类是高扬尘（大于10m小流量（小于8.5t/h）型，用于北方抽提地下水。
另外，与风力提水机配套的泵，国内都能自行研制和生产。
我国在风力提水技术方面的进步得到了国际同行的重视。
我国风力发电起步较晚，但发展较快。
小型风力发电机组得到推广应用，大型风力发电机组开始进入商业化，风电场已在风力发电行业中占有一席之地。
风力发电在解决边远地区生活用电和缓解部分地区生产用电紧张方面已取得较好的社会效益、环境效益和经济效益。
我国已研制的风力发电机组主要是水平轴风力发电机组。
我过风力发电并网运行方式有三种形式：
第一种是将单台中、大型风力发电机组并入电网运行；第二种是将单台或多台中、大型风力发电机组与柴油发电机组组成风/柴系统并入电网运行；第三种是将多台大型发电机组组成风电场并入电网运行。
目前主要是第三种。
第四章生物质能应用
【学习目标】
1.了解生物质能在都市农业产品与设备中的应用领域。
2．了解固体燃料成型技术、生物质燃烧技术、生物质热体技术、生物质气化技术、生物质直接液化技术、及生物质生物转化技术原理与利用。
【学习内容】
1.固体燃料成型技术。
2.生物质燃烧技术。
3.生物质气化技术。
4.生物质热解技术。
5.生物质直接液化技术。
6.生物质生物转化技术。
7.生物柴油。
第一节生物质概述
生物质能是可再生能源，由于低排放、永不枯竭的特性得到了广泛的重视。
太阳能、风能、小水电等可再生能源自身不产生物质，不能进行物质生产，而生物质能既能贡献能源，又能像煤炭和石油那样生产出成百上千种化工产品，且由于其主要成分为碳水化合物，在生产和使用过程中与环境友好，又胜出化石能源一筹。
农村常规的生物质能利用除作为牲畜饲料、秸秆还田、直接燃烧外，大量的有机生物质能（特别是禽畜粪便与其他有机废弃物）一般用于沼气。
一、生物质能的概念
生物质（biomass）是自然界中有生命的、可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物。
生物质能是由太阳能转化而来的化学能形式储藏在生物质中的能量。
与传统的矿物质燃料相比，生物质资源具有明显的特点，即可再生性和无污染性。
时至今日，以寻找石油替代物为主要目的的生物质资源和化工原料的研究，在世界上的许多国家掀起高潮，并取得了一系列重大进展。
随着资源和环境问题的突出以及生物质生物质资源利用技术的日趋成熟，生物质资源作为能源和化工原料的作用越来越重要，最终必将成为社会长期持续发展的基本支柱之一。
生物质的基本来源是绿色植物通过光合作用把水和二氧化碳转化成碳水化合物，可以通过各种生物质能转换技术把生物质能加以利用。
二、光合作用与生物质能
光合作用是绿色植物吸收太阳能还原二氧化碳并释放氧气的过程。
在这个过程中把光能转变为化学能积蓄在有机物中，其基本反应式为：
光
CO2H0—>CH2OO2（4-1）
式中，ch2o代表糖类。
由于光合作用所利用的是自然界取之不尽、用之不竭的太阳能，大气中的二氧化碳与地球上十分丰富的水作为燃料，故而绿色植物在地球上得到了优势的发展，成为规模最大的一类植物。
后来发现某些光合细菌也能进行光合作用。
地球上的植物通过光合作用每年约吸收71011t二氧化碳，合成51011t有机物，光合作用是地球上制造有机物的重要途径。
从能量利用方面看，光合作用是一个巨型能量转换过程，它是地球上唯一大规模的将太阳能转化为可储存的化学能的生物学过程。
虽然通过光合作用固定的太阳能只约占到达地球表面太阳能的1/1000,但其每年合成有机物的能量还是非常巨大，约为世界每年耗能量的10倍。
光合作用能把太阳能转变为化学能储存起来，是因为的能量实际上可以看做是由形成化合物的原子之间的化学键所储藏着的。
从上述光合作用总反应式可
以看出，反应前和反应后的碳原子、氢原子和氧原子的数目都没有变化，只是这
三种元素作了从新排列，即原子的结合不同了。
不同原子之间的化学键所储藏着的能量也不同，经测定，氢原子和氧原子之间的化学键（H-0）的能量为460kj/mol，氧原子和氢原子之间的化学键（0-0的能量没摩尔为485kj/mol；而氧原子与碳原子之间化学键（O=C的能量没摩尔为795kj/mol，碳原子与氢原子之间化学键（C-H）的能量为没摩尔为385kj/mol。
这样就可以算出光合反应前二氧化碳和水的总键能是2510kj/mol，而光合反应后氧气和碳水化合物的总键能是2050kj/mol,即:
因此，反应后的氧气的碳水化合物里的键能，比反应前二氧化碳和水里的键能要小。
键能小，就是所处的化学势位高，容易向键能大、化学势位低的方向转化。
这样转化趋势就是化学能。
光合作用在这里所得到的化学能是460kj/mol。
利用有机物时，例如将有机物燃烧时，只要把1mol的碳水化合物和1mol的氧气结合起来，变成为更稳定的1mol的二氧化碳和1mol的水，同时就可以获得460kj的能量。
绿色植物光合作用过程实际上只由植物的叶和茎在进行。
叶绿素细胞上有许多叶绿体，叶绿体上分布着许多叶绿素分子。
它吸收光能后相互传递并引发一系列化学反应，即发生光化分解，生成氧气和氢；发生光化磷酸化反应，生成腺
苷三磷酸；发生二氧化碳同化反应，生成碳水化合物。
植物的种类繁多，光合作用的方式也各有差异，光合作用的效率也高低不
同。
按植物光合作用中碳同化过程来区分，可把植物分成三碳（C3）植物和四碳
（C4）植物。
大多数植物同化二氧化碳的途径都一样，即二氧化碳进入叶子以后，首先与腺苷三磷酸生成一种叫磷酸甘油酸的中间化合物，然后再经几次反应生成碳水化合物。
由于磷酸甘油酸是一种具有三个碳原子的化合物，所以凡属于这一类型的，都叫做三碳（C3）植物。
有一些起源于热带地区的植物，它们的碳同化过程，在开头还要先生成一个比较稳定的叫做草酰乙酸的中间的化合物。
这个中间化合物经过一些变化后，再放出二氧化碳，然后再像三碳植物一样，通过磷酸甘油酸而发生一系列同化反应，生成碳水化合物。
在整个过程中，由于先生成的中间化合物是有四个草酰乙酸，所以这一类植物就叫做四碳（C4）植物。
高粱、玉米、甘蔗等都是四碳植物。
四碳植物比三碳植物多了一个二氧化碳吸收和放出的过程，所以四碳植物比三碳植物具有更高的二氧化碳吸收能力，从而使得光合作用效果更好。
四氧化碳是高光效植物，其产量一般比三碳植物高。
除太阳光外，植物的产量还受温度、二氧化碳、氧气水分及营养条件等多种因素的影响。
由于气候差异，世界上有的地区的作物光能利用率比一般植物高得多，可达4%以上。
这里的光能利用率是指作物光合产物中储存的能量占照射到地面能量的百分数。
三、生物质的种类和资源通常提供作为能源的生物质资源种类很多，主要是农作物、油料作物和农业有机剩余物、林木、森林、工业残余物。
此外，动物的排泄物、江河湖泊的沉积物、农副产品加工后的有机废物和废水、城市生活的有机废水和垃圾等，都是重要的生物质资源。
生物质资源既包括陆生植物，也包括水生植物。
水生生物质资源比陆生的更为广泛，这是因为地球上有广大的水域，而且不存在与陆生资源那样与住宅、粮食等争地的问题。
水域费用一般比陆生费用低。
水生生物质资源品种繁多，资源量大，领域广阔。
①生物质是可再生的、资源丰富的，且只要开发利用合理，是一种环境友好的能源。
生物质具有诸多的优点。
a•可再生且产量大。
世界上生物质资源数量庞大，形式繁多，据统计，全世界每年农村生物质的产量为3000亿吨。
b•生物质本身的氮（N）、硫（S）含量较低，几乎不会产生像二氧化硫（SQ）
之类的可形成酸雨的气体。
矿物燃料在燃烧过程中，排出二氧化碳（CO2）气体，
在大气层中不断积累，是导致气候变暖的原因之一。
而生物质加工时产生的二氧化碳（CO2）可被植物或微生物通过光合作用再吸收利用，二氧化碳（CO2）的尽排放量为零，不会引起温室效应。
c•生物质分布广泛、来源丰富，不受世界范围能源价格波动的影响，也不会受进口原料、供应量多少的影响。
尤其在一些发展中国家，使用液态生物质燃料，如乙醇和柴油，可减轻进口石油所造成的经济和政治压力。
②中国土地面积辽阔，生物质潜在的资源量非常巨大，但目前的利用率很低。
生物质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，本质是太阳能的储存形式，只要太阳辐射能存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质就会将太阳能不断储存起来，周而复始的循环，使生物质资源取之不竭。
但是，生物质能远远没有达到有效利用。
据统计，每年经光合作用产生的生物质约1700亿吨，其
能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1%。
据测算，中国理论生物质能资源约合50亿吨
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