新能源利用和发电技术

1、新能源利用技术丁生平 201112718新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能、核电等能源，称为常规能源。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特祉的新能源越来越得到各国的重视。 日前在中国，可以形成产业的新能源上要包括水能（主要指小型水电站）、风能、生物质能、太阳能、地热能等，是可循环利用的清洁能源。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措

2、施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦，其中可开发利用5001000亿度。但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量。其中全球陆地部分3公里深度内、150以上的高温地热能资源为140万吨标准煤，目前一些国家已着手商业开发利用。世界风能的潜力约3500亿千瓦，因风力断续分散，难以经济地利用，今后输能储能技术如有重大改进，风力利用将会增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水温差能等，理论储量十分可观。限于技术水平，现尚处于小规模研究阶段。当前由于新能源的利用技术尚不成熟，故只占世界所需总能量的很

3、小部分，今后有很大发展前途。新能源具有以下共同点:1)资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用；比如，陆上估计可开发利用的风力资源为253GW, 而截止2003年只有0.57GW被开发利用，预计到2010年可以利用的达到4GW, 到2020年到20GW，而太阳能光伏并网和离网应用量预计到2020年可以从目前的0.03GW增加1至2个GW。 2)能量密度低，开发利用需要较大空间； 3)不含碳或含碳量很少，对环境影响小； 4)分布广，有利于小规模分散利用； 5)间断式供应，波动性大，对继续供能不利； 6)目前除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。1生物质能1.1简介生物质能（bio

4、mass energy ），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。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全

5、世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。我国年可获得生物质资源量达到3. 14亿吨煤当量,其中秸秆和薪材分别占54 % 和36 %;现有180多亿吨林木生物质资源量、810亿吨可获得量和3亿吨可作为能源的利用量。1.2分类依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。1.2.1林业资源林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果

6、核等生物质能。1.2.2农业资源农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。1.2.3生活污水和工业有机废水生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。1.

7、2.4城市固体废物城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。1.2.5畜禽粪便畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。1.2.6沼气沼气就是由生物质能转换的一种可燃气体，通常可以供农家用来烧饭、照明。1.3特点1.3.1可再生性生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利

8、用； 1.3.2低污染性生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应； 1.3.3广泛分布性缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能； 1.3.4生物质燃料总量十分丰富生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产10001250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。1.4

9、利用生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式.应用有沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生产生物柴油等。1.4.1直接燃烧技术直接燃烧是目前最简便的生物质能源转化技术，即将生物质直接作为燃料燃烧，燃烧过程所产生的能量主要用于发电或集中供热。直接燃烧技术的途径包括直接燃烧、固化成型和与煤混燃三种。作为燃料的生物质包括各种农林业废弃物、城市生活垃圾等。目前，生物质直接燃烧技术按燃烧方式可分为生物质直接燃烧流化床技术和生物质直接燃烧层燃技术。按燃烧性态可分为生物质成型燃烧技术

10、、生物质粉体燃烧技术、生物质捆烧技术和生物质燃气燃烧技术。适用于发展中国家工业应用的直燃发电锅炉目前有炉排炉、燃料分级燃烧锅炉、倾斜式炉箅锅炉、流化床锅炉和悬浮式锅炉。1.4.1.1直接燃烧在农村地区常见的生物质炉灶和火炕。现阶段，我国农村生活用能结构虽然发生了一定的变化，但薪柴、秸秆等生物质仍占消费总能量的50%以上，是农村生活中的主要能源。这种能源消费结构在相当长的时期内不会发生质的变化，因此在农村，特别是偏远山区，生物质炉灶仍然是农民炊事、取暖的主要生活用能设备。炕（俗称火炕）是我国北方农村居民取暖的主要设施，是睡眠与家务活动的场所。炕的热量一般来源于炊事用的柴灶，炕与灶相连，故称炕连灶

11、。也有专为取暖供热的炕，如西北的煨炕、东北的地炕都是在炕内设一烧火的坑。1.4.1.2固化成型（成型燃烧技术）生物质成型燃料是用机械加压的方法，对稻壳、锯末、秸秆、木屑等生物质废弃物进行加压，使原来松散、无定形的原料压缩成密度较大的具有一定形状的固体成型燃料，其具有体积小、密度大、储运方便；燃烧稳定、周期长；燃烧效率高；灰渣及烟气中污染物含量小等优点。目前生物质成型机类型有螺旋推进式成型机、机械冲压式成型机、活塞冲压式成型机、液压式成型机和辊压式成型机。1.4.1.3与煤混燃大部分生物质燃料的含水量较高，且组份复杂，因此很难使燃用生物质的锅炉以较低的成本达到可与常规锅炉相比的效率，而且生物质能

12、的局域性和不稳定性对大容量锅炉的稳定运行也非常不利。然而采用生物质与矿物燃料的混合燃烧技术既可以达到经济上的合理性，又可大规模地利用生物质能，还可以降低锅炉污染物的排放浓度。煤生物质混燃通常是在燃煤发电锅炉中进行，首先将生物质原料粉碎，通过输送装置送到炉前，由另外设置的专用燃烧器将生物质燃料加到锅炉内，与煤混合燃烧。根据国外的试验，当生物质原料的质量比不超过20时，高氯、高碱的生物质原料不会产生腐蚀和积灰等对锅炉不利的影响。秸秆和煤同时在发电锅炉中燃烧时，流化床是最好的技术，因为它适合于大多数通常不易燃烧的燃料，如泥炭块和低质量的煤。煤-生物质混燃发电技术简单、投资小、抗风险能力强，是生物质利

13、用最经济的方式，在发达国家是生物质利用的主流技术。目前，国内已有多家锅炉厂家生产生物质和煤混烧的链条炉和流化床炉。典型的共燃锅炉，分别在东南亚国家和我国广东、浙江等省运行其中东方锅炉厂生产的2台DG2209813型烟煤与纸渣混烧循环流化床锅炉已在浙江宁波投运，为日前我国最大的生物质与煤混烧锅炉。1.4.1.4城市生活垃圾焚烧技术垃圾焚烧是利用垃圾焚烧锅炉在800一1000高温下燃烧垃圾可燃组分，释放热量供热或发电，具有减少环境污染，节省大量土地资源等优点。我国垃圾焚烧技术主要应用于经济发达、人口密集的城市，包括直辖市、东部沿海经济发达城市和中西部省会城市。目前我国的焚烧处理技术主要分为三类：层

14、状燃烧技术、流化床技术及旋转炉焚烧技术。层状燃烧技术发展较为成熟，一些国家都采用这种燃烧技术。层状燃烧关键是炉排，垃圾在炉排上燃烧通过预热干燥区、主燃区和燃尽区三个区。垃圾在炉排上着火，热量不仅来自上方的辐射和烟气的对流，还来自垃圾层内部燃烧的传热。在炉排上已着火的垃圾在炉排的特殊作用下，使垃圾层强烈地翻动和松动，不断地推动下落，引燃垃圾底部着火。连续地翻转和松动，使垃圾层松动，透气性加强，有助于垃圾的着火和燃烧。为确保垃圾燃烧稳定，炉拱形状设计要考虑烟气流场有利于热烟气对新人炉垃圾的热辐射预热干燥和燃尽区垃圾的燃尽。配风设计要确保空气满足炉排垃圾层燃烧3个阶段的不同需要，并合理使用二次风。流

15、化床燃烧技术已发展成熟，由于其热强度高，更适宜燃烧发热值低、含水分高的垃圾。同时，由于其炉内蓄热量大，在燃烧垃圾时基本上可以不用助燃。为了保证人炉垃圾的充分流动，对人炉垃圾的颗粒尺寸要求较为严格，要求垃圾进行一系列筛选、粉碎等处理，使其尺寸、状况均一化。一般破碎到不大于15cm，然后送入流化床内燃烧，床层物料为石英砂，布风板通常设计成倒锥体结构，风帽为“L”形。床内燃烧温度控制在800900之间，冷态气流断面流速为2ms。一次风经由风帽通过布风板送人流化层，二次风由流化层上部送入。采用燃油预热料层，当料层温度达到600左右时投入垃圾焚烧。该炉启动、燃烧过程特性与普通流化床锅炉相似。旋转燃烧技术

16、旋转焚烧炉燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，其内壁可采用耐火砖砌筑，也可采用管式水冷壁，用以保护滚筒，回转窑直径为46m，长度约1020m，根据焚烧的垃圾量确定，倾斜放置。每台旋转焚烧炉垃圾处理量目前可达到300td(直径4m、长14m)。回转窑过去主要用于处理有毒有害的医院垃圾和化工废料。它是通过炉本体滚筒缓慢转动，利用内壁耐高温抄板将垃圾由筒体下部在筒体滚动时带到筒体上部，然后靠垃圾自重落下。由于垃圾在筒内翻滚，可与空气充分接触，进行较完全的燃烧。垃圾由滚筒一端送入，热烟气对其进行干燥，在达到着火温度后燃烧，随着筒体滚动，垃圾翻滚并下滑，一直到简体出口排出灰渣。当垃圾含水量过大时，可在筒

17、体尾部增加一级燃尽炉排，滚筒中排出的烟气，通过一垂直的燃尽室(二次燃烧室)，燃尽室内送入二次风，烟气中的可燃成分在此得到充分燃烧。二次燃烧室温度为10001200。回转窑式垃圾燃烧装置设备费用低，厂用电耗与其他燃烧方式相比也较少，但对热值较低(S000kJkg)、含水分高的垃圾燃烧有一定的难度。1.4.2生物质热化学转换主要包括干馏技术、生物质热裂解气化和生物质液化。1）干馏技术通过干馏技术可以把能量密度低的生物质转化为能量热值高的炭和气，但其利用率较低，只适用于木质生物质的特殊应用，最早从木质素干馏中得到的甲醇是常用燃料。2）热裂解气化生物质气化是指将生物质原料(柴薪、锯末、麦秆、稻草等)压

18、制成型或简单破碎加工处理后，送入气化炉中，在欠氧的条件下进行气化裂解，从而得到的可燃气体，根据应用需要有时还要对产出气经行净化处理从而得到优质的产品气。生物质气化原理是在一定的热力学条件下，借助于气化介质（空气、氧气或水蒸气等）的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物，获得CO、H2和CH4等气体。由于生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成，含氧量和挥发份高，焦炭的活化性强，因此生物质与煤相比，具有更高的气化活性，更适合气化。生物质气化主要包括气化反应、合成气催化变换和气体分离净化过程（直接燃用的不用分离净化）。从

19、发电规模上分，生物质气化发电系统可分为小型、中型、大型三种。气化炉分为固定床气化炉（分上吸式和下吸式）、流化床气化炉和旋转床气化炉三种类型。被广泛应用于发电和集中供热，欧盟、美国和巴西等国家气化技术较先进，气化设备较大以整体气化联合循环（IGCC）和热空气汽轮机循环（HATC）技术为代表，气化效率可达60%80%。3）生物质液化生物质热化学转化制生物原油或燃料油的高压液化技术，一般在温度为250400、压力为520MPa的条件下进行，通常是在催化剂存在下转化为液体燃料。其产物包括燃料油和醇类燃料，典型液化方式有四种，即生物质热裂解制燃料油、生物质热裂解制醇类燃料、植物燃料油制生物柴油和生物浆体

20、燃料。1.4.3生物质的生物化学转换1.4.3.1生物质水解技术生物质制取乙醇最主要的原料是:糖液、淀粉和木质纤维素等。生物技术制备乙醇的生产过程为先将生物质碾碎,通过化学水解(一般为硫酸)或者催化酶作用将淀粉或者纤维素、半纤维素转化为多糖,再用发酵剂将糖转化为乙醇,得到的乙醇体积分数较低(5 % 15 %)的产品,蒸馏除去水分和其他一些杂质,最后浓缩的乙醇(一步蒸馏过程可得到体积分数为95 %的乙醇)冷凝得到液体。木质纤维素生物质(木材和草)的转化较为复杂,其预处理费用昂贵,需将纤维素经过几种酸的水解才能转化为糖,然后再经过发酵生产乙醇。这种化学水解转化技术能耗高,生产过程污染严重、成本高,

21、缺乏经济竞争力。目前正开发用催化酶法水解,但是因为酶的成本高,尚处于研究阶段。1.4.3.2厌氧发酵技术厌氧发酵是指在隔绝氧气的情况下,通过细菌作用进行生物质的分解。将有机废水(如制药厂废水、人畜粪便等)置于厌氧发酵罐(反应器、沼气池)内,先由厌氧发酵细菌将复杂的有机物水解并发酵为有机酸、醇、H2和CO2 等产物,然后由产氢产乙酸菌将有机酸和醇类代谢为乙酸和氢,最后由产CH4 菌利用已产生的乙酸和H2、CO2 等形成CH4 ,可产生CH4 (体积分数为55 % 65 % ) 和CO2 (体积分数为30 %40 % )气体混合物。许多专性厌氧和兼性厌氧微生物,如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、

22、产气肠杆菌、褐球固氮菌等,能利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将底物分解制取氢气。厌氧发酵制氢的过程是在厌氧条件下进行的,氧气的存在会抑制产氢微生物催化剂的合成与活性。由于转化细菌的高度专一性,不同菌种所能分解的底物也有所不同。因此,要实现底物的彻底分解并制取大量的氢气,应考虑不同菌种的共同培养。厌氧发酵细菌生物制氢的产率较低,能量的转化率一般只有33 % 左右。为提高氢气的产率,除选育优良的耐氧菌种外,还必须开发先进的培养技术才能够使厌氧发酵有机物制氢实现大规模生产。1.4.3.3生物质生物制氢技术光合微生物制氢主要集中于光合细菌和藻类,它们通过光合作用将底物分解产生氢气。1949年, G

23、EST等首次报道了光合细菌深红红螺菌( R hodospirillumrubrum )在厌氧光照下能利用有机质作为供氢体产生分子态的氢。此后人们进行了一系列的相关研究。目前的研究表明,有关光合细菌产氢的微生物主要集中于红假单胞菌属、红螺菌属、梭状芽孢杆菌属、红硫细菌属、外硫红螺菌属、丁酸芽孢杆菌属、红微菌属等7个属的20余个菌株。光合细菌产氢机制,一般认为是光子被捕获得光合作用单元,其能量被送到光合反应中心,进行电荷分离,产生高能电子并造成质子梯度,从而形成腺苷三磷酸(ATP) 。另外,经电荷分离后的高能电子产生还原型铁氧还原蛋白( Fdred) ,固氮酶利用ATP和Fdred进行氢离子还原生

24、成氢气。1.5直燃发电技术生物质直接燃烧发电的原理是，由生物质锅炉设备利用生物质直接燃烧后的热能产生蒸汽，再利用蒸汽推动汽轮发电系统进行发电；在原理上与燃煤锅炉火力发电没什么区别。（将生物质原料从附近各个收集点运送至电站，经预处理(破碎、分选)后存放到原料存贮仓库，仓库容积要保证可以存放5d的发电原料量；然后由原料输送车将预处理后的生物质送人锅炉燃烧，通过锅炉换热将生物质燃烧后的热能转化为蒸汽，为汽轮发电机组提供汽源进行发电。生物质燃烧后的灰渣落入出灰装置，由输灰机送到灰坑，进行灰渣处置。烟气经过烟气处理系统后由烟囱排放人大气中。）生物质燃料燃烧设备按规模可分为小型锅炉、大型锅炉和电联产锅炉；

25、按用途与燃料品种可分为木材炉、壁炉、颗粒燃料炉、薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉、秸秆锅炉及其他燃料锅炉；按燃烧形式可分为片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等。国外现在已经研制出大型工业所需要的燃烧炉和锅炉，这些炉具能够燃烧各种不同形式的生物质，例如木材、废木、制浆作业所产生的黑色废液、食品加工业的废物和城市固体废物等。大型设备的效率相当高，其性能接近于使用矿物性燃料的锅炉。大部分生物质的含水量较高，并且组成成分复杂，因此很难让使用生物质的锅炉在合理的成本上达到可与常规锅炉相比的效率；然而联合生产则具有经济上的优越性，因此吸引着许多存有生物质原料的工业部门纷纷安装联合生产设备。现在已设计出各种各样适合

26、烧木材加工下脚料、木质废弃物和其他形式生物质的燃烧炉。其中有几种主要是为发展中国家的工业应用而设计的，其特点如下：1)荷兰炉是最普通的，但它采用的基本技术却很老，如今大部分已被效率更好的系统所替代。2)自动添加燃料的炉排是一种现代蒸汽发电站所用的烧木材和树皮的锅炉，燃料依靠气压式或机械式布料系统送到锅炉的炉箅上面。有的燃料是在悬空状态下燃烧，未燃尽的剩余部分则落到一组炉箅上，直到完全燃尽。这种锅炉通常采用多个标准产汽量为10th的小型锅炉，但也有能力超过200th的大型炉。3)燃料分级燃烧式锅炉包括两个阶段：燃料从上面被送到主炉中的水冷炉格；然后热燃气进入副燃烧室，并在那里完全燃烧。这种锅炉通

27、常是在低压下工作，产汽能力为512th。4)在倾斜式炉箅的锅炉中，燃料以阶梯式方式被源源不断地送到炉算的顶部，先通过上部的烘干室，然后落到下面的燃烧室，把留在炉箅最下部的粉尘灰清走。5)悬浮式锅炉用于迅速燃烧悬浮在湍动气流中的颗粒状燃料。设备的结构可以是喷射式的，使燃料和空气在燃料室内混合；也可以是气旋式装置，燃料和空气在外部气旋式燃烧室中混合。6)流化床燃烧系统有一个用耐火材料制成的热床，该热床在气流的作用下不停地运动，基本上起到炉排的作用。用烧石油、天然气或煤粉的燃烧室对热床进行预热，使温度上升到足以使生物质燃料燃烧。在这个温度上，升高流过热床的气流的温度，直到热床开始“沸腾”，也就是放流

28、化。把燃料输送到流化床的方法主要取决于燃料的性质，质量大于流化床材料的固体燃料会落到床的表面并被淹没；反之，像木屑或刨花那样质量小的材料被输送到流化床表层的下方。液体燃料则用水冷喷射器输入。1.6发展前景展望就目前国内生物质应用情况来看，目前存在以下几点问题：一是相对投资大，燃料成本高，市场竞争力弱。二是原材料具有分散性和非连续性，燃料收集范围大，原料价格、质量、运输和储存成本等既高又有不确定性。三是过分依赖国家优惠政策的维系。四是缺乏自主核心技术，关键设备需引进。五是缺乏充分论证，建设存在一定盲目性。在生物质燃烧技术方面，大部分燃烧设备都是采用燃煤锅炉，缺乏有针对性的燃烧锅炉，因此，研究专门

29、的生物质燃烧炉将是今后生物质能利用开发的主攻方向。攻克生物质燃烧过程中出现的设备腐蚀、灰分熔融以及污染物排放控制等技术难点将成为研究热点。2水能水能是一种可再生能源，水能或称为水力发电，是运用水的势能和动能转换成电能来发电的方式。水能主要用于水力发电，其优点是成本低、可连续再生、无污染。缺点是分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。水容易受到污染，也容易被地形，气候等多方面的因素所影响。2.1原理水的落差在重力作用下形成动能，从河流或水库等高位水源处向低位处引水，利用水的压力或者流速冲击水轮机，使之旋转，从而将水能转化为机械能，然后再由水轮机带动发电机旋转，切割磁力线产生交流电。水不仅可以直

30、接被人类利用，它还是能量的载体。太阳能驱动地球上水循环，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。世界上水力发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水运动均可以用来发电。也有部分水能用于灌溉。2.2应用2.2.1计算河川径流蕴藏着一定的水能。现代的水能利用，主要是利用水能进行发电，也就是水力发电。水电站的产品是电能，出力和发电量是水电站的两种重要的动能指标。确定水电站的出力和发电量这两种动能指标的计算称为水能计算。 在水电站建设和运行的不同的阶段，水能计算的目的和任务是不同的。在规划设计阶段，

31、主要是选定和水电站及其水库的有关参数，比如水电站装机容量、正常蓄水位、死水位等。在运行阶段，不同的运行方式，水电站的出力及发电量不同，产生的效益不同。这个时候进行水能计算的目的主要是为了确定水电站在电力系统中的最有利运行方案。按照水流能量的有关因素，考虑能量转化当中发生的损失，可以推出水能计算的基本公式 N=9.81Q电 H净 式中 N水电站的出力，kW；水电站的效率系数；Q电发电引用流量，m3/s；H净水电站净水头，m。水电站利用水能来发电，因此它的工作受到河川径流的制约。为了衡量水电站承担发电任务的能力，引入保证出力这样一个动能指标。保证出力是指水电站相应于设计保证率的枯水时段的平均出力，

32、可以简写为N保。 N保虽然是功率，但是它是时段的平均出力，因此，N保是表示水电站提供电能的能力的指标，而不表示提供瞬时出力的能力。 由于河川径流具有随机性，使得一定时期内水电站能够提供的电能也是随机的，并且相应于一定频率。N保相应于设计保证率。 N保实际上应当是水电站发电受限的时段的平均出力。在大多数情况下，水电站发电主要是受水量限制，所以说N保是相应于设计保证率的枯水时段的平均出力。 设计保证率是在多年工作期间，用水部门正常工作得到保证的概率。因为N保相应于设计保证率，所以，如果水电站的时段平均出力达到了N保，就属于正常工作。换句话说，N保即为正常工作状况下，最小的时段平均出力。 5）与水电

33、站保证出力时段相应的发电量称为水电站的保证电能。保证电能可以简写为E保，E保 直接表示了水电站提供电量的能力2.2.2水电厂分类及组成水电厂有多种形式，按集中落差的方式分类可分为堤坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂。按径流调节的程度分为无调节水电厂和有调节水电厂。按照水源的性质，一般为常规水电站，即利用天然河流、湖泊等水源发电。按水电站利用水头的大小，可分为高水头（70米以上）、中水头（ 15-70米）和低水头（低于15米）水电站。 按水电站装机容量的大小，可分为大型、中型和小型水电站。一般装机容量5,000kW以下的为小水电站，5,000至100,000kW为中型水电站，10万kW或以上

34、为大型水电站，或巨型水电站。水电站枢纽的组成建筑物有以下几种： 1）挡水建筑物 用以截断水流，集中落差，形成水库的拦河坝、闸或河床式水电站的长房等水工建筑物。如混凝土重力坝、拱坝、土石坝、堆石坝及拦河闸等。2）泄水建筑物 用以宣泄洪水或防空水库的建筑物。如开敞式河岸溢洪道、溢流坝、泄洪洞及放水底孔等。 3）进水建筑物 从河道或水库按发电要求引进发电流量的引水道首部建筑物。如有压、无压进水口等。 4）引水建筑物 向水电站输送发电流量的明渠及其渠系建筑物、压力隧洞、压力管道等建筑物。 5）平水建筑物 在水电站负荷变化时用以平稳引水建筑物中流量和压力的变化，保证水电站调节稳定的建筑物。对有压引水式水

35、电站为调压井或调压塔；对无压引水式电站为渠道末端的压力前池。 6）厂房枢纽建筑物 水电站厂房枢纽建筑物主要是指水电站的主厂房、副厂房、变压器场、高压开关站、交通道路及尾水渠等建筑物。这些建筑物一般集中布置在同一局部区域形成厂区。厂区是发电、变电、配电、送电的中心，是电能生产的中枢。2.2.3水电厂实例中国的三峡水电站：大坝高185米，蓄水高175米，水库长600余公里，安装32台单机容量为70万千瓦的水电机组，在加上三峡电站自身的两台5万千瓦的电源电站。总装机容量达到了2250万千瓦，年发电量约1000亿度，是葛洲坝水电站的5倍，是大亚湾核电站的10倍，约占全国年发电总量的3%，占全国水力发电

36、的20%。是全世界最大的（装机容量）水力发电站。另外著名的水电站还有葛洲坝水电站、小浪底水电站、美国的胡佛水坝、巴西的伊泰普水电站和叙利亚迪什林水电站。2.3优缺点2.3.1优点水能的优点是成本低、可连续再生、无污染。 1）水力是可以再生的能源，能年复一年地循环使用，而煤炭。石油、天然气都是消耗性的能源，逐年开采，剩余的越来越少，甚至完全枯竭。 2）水能用的是不花钱的燃料，发电成本低，积累多，投资回收快，大中型水电站一般35年就可收回全部投资。 3）水能没有污染，是一种干净的能源。 4）水电站一般都有防洪启溉、航运、养殖、美化环境、旅游等综合经济效益。 5）水电投资跟火电投资差不多，施工工期也

37、并不长，属于短期近利工程。 6）操作、管理人员少，一般不到火电的三分之一人员就足够了。 7）运营成本低，效率高； 8）可按需供电； 9）控制洪水泛滥 10）提供灌溉用水 11）改善河流航动 12）有关工程同时改善该地区的交通、电力供供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。美国田纳西河的综合发展计划，是首个大型的水利工程，带动着整体的经济发展。 2.3.2缺点水能不利方面有：水能分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。水容易受到污染，也容易被地形，气候等多方面的因素所影响。 1）生态破坏：大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等。不过，这些负面影响是可预见并减小的。如水库效应 2）

38、需筑坝移民等，基础建设投资大,搬迁任务重. 3）降水季节变化大的地区，少雨季节发电量少甚至停发电 4)下游肥沃的冲积土减少2.4中国水电产业现状中国不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，都居世界第一位。截至2007年，中国水电总装机容量已达到1.45亿千瓦，水电能源开发利用率从改革开放前的不足10%提高到25%。三峡机组全部国产化，迈出了自主研发和创新的可喜一步。小水电设计、施工、设备制造也已经达到国际领先水平，使中国成为小水电行业技术输出国之一。3风能3.1简介风能(wind energy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。

39、人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。风之强弱程度，通常用风力等级来表示，而风力的等级，可由地面或海面物体被风吹动之情形加以估计之。目前国际通用之风力估计，系以蒲福风级为标准。一般而言，风力发电机组起动风速为2.5米/秒，脸上感觉有风且树叶摇动情况下，就已开始运转发电了，而当风速达2834米/秒时，风机将会自动侦测停止运转，以降低对受体本身之伤害。V= 0.836 * (B (3/2) 其中B为蒲福风级数，V为风速（单位：米/秒）3.2风力发电现状在各类新能源中，风力发电技术相对成熟、最具

40、大规模商业开发条件、成本相对较低，具有巨大的优越性，受到各国的普遍重视，目前已经发展成为一个成熟的产业。随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。2010年底，全球风电总装机容量达199,520兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92%。传统市场发展缓慢，新兴市场却蓬勃向上。中国风电2010年新增装机容量达到18,928兆瓦，占全球新增装机容量48%，超过美国，成为世界第一大风电市场。3.3风力发电优缺点3.3.1优点风能为洁净的能量来源。风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。风力发电是可再

41、生能源，很环保。3.3.2缺点风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高。在一些地区、风力发电的经济性不足：许多地区的风力有间歇性，更糟糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时间；必须等待压缩空气等储能技术发展。风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建。现在的风力发电还未成熟，还有相当发展空间。3.3.3限制及弊端风能利用存在一些限制及弊端: 风速不稳定，产生的能量大小不稳定 风能利用受地

42、理位置限制严重 风能的转换效率低 风能是新型能源,相应的使用设备也不是很成熟 3.4风能发电技术最新进展意大利科学家对一种新型的风筝风力发电机寄予厚望，它看上去就像一个不起眼的晾衣架，却具有成本低，发电量大的优点，其发电能力有可能与传统核电站相媲比。美专利商标局公布了风力发电机结构方面的重要发明专利：“一个共轴多叶轮的风力发电机”；英国Quietrevolution公司研制出了垂直型民用风力发电机QR5，适用于风速低、风向变化频繁的地区。我国广州中科恒源能源科技有限公司自主研制的全永磁悬浮风力发电机顺利实现了产业化，使得微风发电成为可能。美麻省理工大学研究人员最新设计出一种新型风力涡轮机，可固

43、定在离海岸较远的漂浮平台上，使得海上漂浮风车发电成为可能。澳大利亚悉尼工学院的布赖恩罗伯茨教授提出了一种利用高空射流发电的大胆想法，此飞行发电机(FEG)能够象超级大风筝一样悬浮在450013700m的高空射流中(一种围绕着地球的速度极快的气流)，最高时速达320kmh的射流将会带动FEG上的转轴，从而产生电流。罗伯茨说：“我们已经完成了所有的设计，包括尺寸、重量和成本，我们现在唯一缺的就是建造原型机的400万美元的经费。” 国内外关于风力发电系统低电压运行研究也有了最新进展。在1.5MW及以上级别的风电机组中，目前多数厂家采用双馈感应发电机(DFIG)配合变速变桨设计。双馈感应发电机在变速恒

44、频风力发电中得到了广泛的应用，其主要优点是只有部分功率流过励磁变流器，有功和无功可以单独调节。然而，正是由于变流器容量较小，使得它对电网故障非常敏感，需要采取可靠的保护措施，以防止变流器中功率器件的损坏。 尽管目前双馈型风力发电系统仍占主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也开始逐渐受到关注。直驱型风力发电系统是一种新型的风力发电系统，它采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电，然后通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中的我国难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件，系统效率大为提高，有效地抑制了噪声。无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的

45、机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，大大减少了维护成本，得到了市场青睐。4核能4.1简介利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及核能发电站蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的过饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸

46、汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。核发电过程可表示为：核能水和水蒸气的内能发电机转子的机械能电能。4.2原理核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。裂变反应指铀-235、核燃料水池钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子

47、。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子核加热载体。但是只有这两项是不能工作的。因为，高速中子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施。综上所述，核反应堆的合理结构应该是：核燃料慢化剂热载体控制设施防护装置。

48、 另外，铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序，制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作。 4.3核电站分类4.3.1压水堆核电站以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统，其形式与常规火电厂类似。 如大畈核电站。4.3.2沸水堆核电站  以沸水堆为热源的核电站。沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的

49、动力堆。沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点。它们都需使用低富集铀作燃料。沸水堆核电站系统有：主系统（包括反应堆）；蒸汽-给水系统；反应堆辅助系统等。如大亚湾核电站。4.3.3重水堆核电站以重水堆为热源的核电站。重水堆是以重水作慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式两类。重水堆核电站是发展较早的核电站，有各种类别，但已实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核电站。 如秦山三期重水堆核电站。4.3.4快堆核电站由快中子引起链式裂变反应所释放出来的热能转换为电能的核

50、电站。快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增殖。 目前，世界上已商业运行的核电站堆型，如压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚-239等易裂变材料，它对铀资源的利用率也只有12，但在快堆中，铀-238原则上都能转换成钚-239而得以使用，但考虑到各种损耗，快堆可将铀资源的利用率提高到6070。 4.4优缺点4.4.1优点1）核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。 2）核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 3）核能发电所使用的铀燃料，除了

51、发电外，暂时没有其他的用途。 4）核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。 5）核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。4.4.2缺点1）核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。 2）核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。 3）核能电厂投资成本太大

52、，电力公司的财务风险较高。 4）核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 5）兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。 6）核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。5地热能5.1简介地热能是来自地球深处的可再生性热能，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。其储量比目前人们所利用能量的总量多很多，大部分集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。它不但是无污染的清洁能源，而且如果热量提取速度不超过补充的速度，那么热能而且是可再生的。 5.2利用地热能的利用可分为地热发

53、电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下： 1）200400直接发电及综合利用； 2）150200双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工； 3）100150双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品； 4）50100供暖，温室，家庭用热水，工业干燥； 5）2050沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。 现在许多国家为了提高地热利用率，而采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。5.3地热发电地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。目前开发的地热资源主要是

54、蒸汽型和热水型两类，因此，地热发电也分为两大类。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。5.3.1蒸汽型地热发电 蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制（参考资源栏目有关文章）。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。 5.3.2热水型地热发电 热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统：1）闪蒸系统。当高压热水从热水井中抽至地面，于压力

55、降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注人地层。 2）双循环系统。地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器，再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注人地层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。6海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流

56、能、海流能、盐差能等。潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。海洋能有三个显著特点：1）蕴藏量大，并且可以再生不绝。2）能流的分布不均、密度低。3）能量多变、不稳定。 我国从20世纪80年代开始，在沿海各地区陆续兴建了一批中小型潮汐发电站并投入运行发电。其中最大的潮汐电站是1980年5月建成的浙江省温岭市江厦潮汐试验电站，它也是世界已建成的较大双向潮汐电站之一。现有潮汐电站整体规模和单位容量还很小，单位千瓦造价高于常规水电站，水工建筑物的施工还比较落后，水轮发电机组尚未定型标准化。这些均是我国潮汐能开发现存的问题。关键问题是中型潮汐电站水轮发电机组技术问题没有完全解决，电站造价亟待降低。 除潮汐能外，重点开发波浪能和海水热能。统计显示，海浪每秒钟在1平方千米海面上产生20万千瓦的能量，全世界海洋中可开发利用的波浪约为2730亿千瓦，而我国近海域波浪的蕴藏量约为1.5亿千瓦，可开发利用量约30003500万千瓦，目前，一些发达国家已经开始建造小型的