新能源发电与控制技术-第一章-概述

本书主要内容第1章新能源发电与控制技术导论

第2章风能、风力发电与控制技术

第3章太阳能、光伏发电与控制技术

第4章水能、小水力发电与控制技术

第5章生物质能的转换与控制技术

第6章其他新能源的发电与应用技术

机械工业出版社1第1章新能源发电与控制技术导论机械工业出版社2机械工业出版社31.1能源的分类与基本特征1.2能源储备与可持续发展战略1.3新能源发电――能源转换的重要形式1.4新能源发电与控制技术的经济意义

本章主要内容机械工业出版社41.1能源的分类与基本特征1.1.1能源的分类1、能源

能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星的运行。2、能源的分类“世界能源理事会(WorldEnergyCouncil–WEC)”推荐的能源分类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。

机械工业出版社51.1.2能源的基本特征

一次能源:指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等；是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初级资源。

包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。

机械工业出版社6二次能源:是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。含能体能源指包含着能量的物质或实体，如化石燃料、核燃料、生物质、地热水等。过程性能源指随着物质运动而产生、并且仅以运动过程的形式而存在的能源。如天上刮的风、河里流的水、涨落的海潮、起伏的波浪、地球内部的地热等。机械工业出版社7终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。常规能源又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气等能源属于常规能源。商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5种。非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的能源供应中占有很大比重。机械工业出版社81.1.3新能源及主要特征

新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。包含两方面：

新能源体系：可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热能、氢能、核能

新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术机械工业出版社9“新”与“旧”的区别“新”与传统的“旧”能源利用方式和能源系统相对立。“旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率；只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。“新”：①高效利用能源；②资源综合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤节能。

机械工业出版社101.1.4分布式能源及主要特征1、分布式能源国际分布式能源联盟（WADE）对“分布式能源”给出的定义是：发电系统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：①高效的利用发电产生的废能生产热和电；②现场端的可再生能源系统；③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。

机械工业出版社11国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主要形式；“燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。

高效燃料电池机械工业出版社12分布式发电是相对于集中发电的。分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低于30MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式发电装置（DistributedGeneration），指功率为数千瓦至50MW的小型模块式的，与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和用户的特定要求，如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等。分布式发电主要利用可再生能源但不一定。机械工业出版社132、分布式能源主要特征

(1)高效性(2)环保性(3)能源利用的多样性(4)调峰作用(5)安全性和可靠性(6)减少国家输配电投资(7)解决边远地区供电机械工业出版社14绿色能源，清洁能源（狭义，广义），绿色电力绿色能源也称清洁能源，是从能源的生产对环境的影响角度来说的，它可分为狭义和广义两种概念狭义的绿色能源是指可再生能源，如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些能源消耗之后可以恢复补充，很少产生污染。有时也把绿色植物提供的燃料叫绿色能源。广义的绿色能源则包括在能源的生产、及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源，如天然气、清洁煤（将煤通过化学反应转变成煤气或“煤”油，通过高新技术严密控制的燃烧转变成电力）和核能等。机械工业出版社15绿色能源，清洁能源（狭义，广义），绿色电力绿色电力也是从对环境的影响的角度来说的电力绿色电力至今还有不同理解。多数认同的看法是：不排放或低排放二氧化碳，不污染环境，可再生，用之不竭的清洁电力。水力是一种可再生的清洁能源，但是大型水力枢纽的与小型水电站开发区别很大。大型水电站及大型地热发电是否属于绿色电力尚有不同看法。目前常把来自可再生能源的电力称为绿色电力。绿色电力在生产过程中不需要消耗煤、石油、天然气等燃料，因而不会产生或很少产生对环境有害的排放物。机械工业出版社161.2能源储备与可持续发展战略

1.2.1中国的能源结构与储备

1、中国的能源结构

中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人均水平的1/10。

机械工业出版社17机械工业出版社18

煤多油少是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后20年，甚至到本世纪中叶，我国以煤为主的能源结构将不会改变。

在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成环境污染严重、效率低下、浪费惊人。机械工业出版社192、中国的资源和能源储备我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用效率的低下。我国能源利用效率仅为35%左右。中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结构矛盾的表现。煤电油供需矛盾相当突出。建立高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。机械工业出版社20中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）

（美国数据为2001年）机械工业出版社21中国能源产消现状机械工业出版社22年份占能源消费总量的比重/%煤炭石油天然气水电、核电、风电198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中国一次能源消费结构机械工业出版社23“十五”以来中国能源消费增长情况机械工业出版社241.2.2中国的可持续发展战略1980～2000年期间，中国能源发展成就巨大：实现了GDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相当大的环境效益。这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。机械工业出版社25在2006年初，我国正式颁布了《可再生能源法》，即将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热——电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。

机械工业出版社26风力发电机械工业出版社27水力发电机械工业出版社28燃料电池汽车机械工业出版社29奥体中心光伏发电项目

机械工业出版社301.3新能源发电――能源转换的重要形式

1.3.1新能源发电技术的应用

风力发电

风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为发达国家风电发展的主要形式。目前研发重点主要集中在大型风力发电场与现有电网联网；继续开发可靠的风力预报方法；开展与风能开发相配套的生态影响研究；发展海上风力发电等。

目前，风力发电建设投资已低于核电投资，建设周期短，其成本与煤电成本接近，具有很大的竞争潜力。机械工业出版社31太阳能发电

20世纪80年代太阳能光伏发电开始研究联网问题。目前，在世界范围内已建成多个MW级的联网光伏电站。2009年8月，总功率为80.7MW的世界最大的太阳能发电站——德国利伯罗瑟太阳能发电站落成。2010年我国光伏电池产量达到8000MW，占全球总产量的50%。但受能源补贴政策、投资成本和回收周期的影响，光伏计划的实施并不理想，推广应用相对滞后。美国最大太阳能发电项目——“太阳能之星”机械工业出版社32燃料电池发电燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多独创和最先进的技术。

燃料电池发电系统

燃料电池汽车机械工业出版社33生物质发电全球每年植物所固定的生物质能相当于10.2万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（87亿吨标准煤）1172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的生物质能总量约合7亿吨标准煤，但目前开发极少。

生物质发电示意图秸秆发电厂机械工业出版社34核能发电

又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。

俄罗斯悬浮核能发电厂

核能发电厂水蒸气机械工业出版社35燃气发电根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。

距尼日利亚拉各斯70余公里的帕帕兰多燃气电站一角。帕帕兰多燃气电站的8台燃气机组都是由中国制造。总装机容量为33.6万千瓦。

机械工业出版社36其他还有小水力发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。

地热能发电海洋能—潮汐发电站机械工业出版社371.3.2我国新能源发电的现状

太阳能发电——我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%～14%。光伏发电的成本目前约在1.4-2元/kWh。风能发电——到2005年底，我国独立风电装置有10多万台，总容量20MW左右，80%以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场。2010年，首批海上风电项目—上海东海大桥10万kW完成组装，安装了34台国产3MW风力发电机组。我国风力发电最低上网电价0.38元/kWh。小水力发电——由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮。机械工业出版社38生物质能发电——生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约800MW。深圳垃圾发电厂已运行近10年，将为解决我国城市垃圾处理问题带来新的希望。燃料电池发电——燃料电池自上世纪90年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。潮汐发电——目前我国共有8座潮汐电站建成运行，最大的是20世纪80年代建成的浙江江厦电站，装机容量为3.2MW。地热能发电——地热能我国地热发电站总装机容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。机械工业出版社39核能发电——预计，中国计划2020年核能发电能力将由目前的约8kMW增加到40kMW，投资金额高达300亿美元。开发时序预期为：2000－2020年重点开发先进核反应堆技术；

2020－2030年重点开发快中子堆技术；

2030－2040年重点开发加速器驱动亚1临界系统；

2040－2050年重点开发受控核聚变技术。

机械工业出版社401.3.3新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.3.3.1太阳能光伏发电及其电源变换系统

光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。1、光伏发电系统结构典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成。

机械工业出版社41（1）光伏阵列

实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.图1-1光伏发电系统组成机械工业出版社42（2）蓄电池组

作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳能电池阵列――蓄电池组的充电、蓄电池组――负载的放电）双向变换控制。（3）电力电子变换器

电力电子变换器实现DC－AC或DC－DC电能变换，是光伏发电系统的关键部分。

直流变换器——将直流电源变换为不同电压等级的直流电源交流变换器——将直流电源逆变成交流电源变换器机械工业出版社43（4）控制器光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。功能包括：太阳能最大功率点控制（MPPT）蓄电池充放电控制光伏直流输电升降压变换控制

逆变器控制等（5）负载

终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。负载直流负载——由直流电源供电

交流负载——由交流电源供电

机械工业出版社441.3.3.2风力发电及其电源变换系统从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分：一部分是风力机，由它将风能转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。风力机在结构型式上分水平轴式与垂直轴式。垂直轴水平轴机械工业出版社451．风力发电系统结构风力发电系统是将风能转换为电能，由机械、电气及控制３大系统组合构成。包括风轮（风力机）、发电机、变速器及有关控制器和储能装置。典型的风力发电系统：风能资源风力发电机组控制装置蓄能装置备用电源电能用户机械工业出版社461.3.3.3燃料电池发电及其电源变换系统

分类：固定式的燃料电池汽车专用移动式燃料电池特点：低噪声；变换效率高，对环境的污染几乎为零；体积小，使用方便；能使用多种燃料发电，可以代替火力发电。机械工业出版社471．燃料电池发电系统构成

燃料重整系统空气供应系统控制系统DC/AC变换系统剩气循环系统排热回收系统燃料空气电力热输出（高温燃料电池）图1-14燃料电池发电系统构成框图机械工业出版社48燃料重整系统――将得到的燃料转化为燃料电池能使用的以氢为主要成分的转换系统；空气供应系统――可以使用电动机驱动的送风机或空气压缩机；DC/AC变换系统――直流到交流的逆变装置；排热回收系统――用于回收燃料电池发电时产生的热能；控制系统――燃料电池发电时的起动、停止、运行、外接负载等的控制装置；剩余气体循环系统――在高温燃料电池发电装置中，由于燃料电池排热温度高，因此安装可以使用蒸汽轮机与燃气轮机的剩余气体的循环系统。

机械工业出版社491.4新能源转换与控制技术的经济意义1.4.1能源是经济发展的引擎1、世界能源消费现状和发展趋势

过去100多年世界能源消费变化机械工业出版社502、中国能源消费现状与发展趋势

机械工业出版社513、中国可持续发展战略与新能源利用

实现未来15年的发展目标，能源、资源和环境是最大的制约因素。

新能源利用从广义化概念讲，应包括以下3个方面：综合利用能源——以提高能源利用效率和节能为目标，加快转变经济增长方式。替代能源——发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油进口的依赖。新能源转换——大力发展以可再生能源为主的新能源利用体系，调整、优化能源结构。机械工业出版社521.4.2新能源转换的经济意义1、新能源转换的资源保障（1）光伏发电——利用光伏电池将太阳产生的光能直接转换成电能的发电形式太阳能的转换利用方式有：光――热转换光――电转换光――化学转换

但如何合理利用太阳能发电，提高光――电转换效率，降低开发和转化成本，是太阳能发电与控制技术面临的重要课题。

机械工业出版社53（2）风能发电——利用风力发电机将风能转换为电能的发电形式。中国的风能总储量估计为1.6×109kW，列世界第三位。风能发电的经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。新核能（3）核能发电——利用核反应堆释放出的核能量进行的发电形式。机械工业出版社54（4）小水力发电——装机容量50000kW以下水电站及其配套电网的统称。优势：开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；具有极强的适用性和辐射性；是国际上大力提倡的清洁可再生的绿色能源；环境保护、扶贫及提供农村能源等