可再生能源发电技术1-综述76张课件

要点能源相关概念能源利用历史能源品质可再生能源发展的必要性我国能源利用现状要点能源相关概念1——自然资源（Resources）——在一定时期和地点，在一定条件下具有开发价值、能够满足或提高人类当前和未来生存和生活状况的自然因素和条件，称为自然资源，有时简称资源包括气候资源、水资源、矿物资源、生物资源、能源，等等——能源（Energy）——能源就是能够向人类提供某种形式能量（光、热、动力等）的自然资源，包括所有的燃料、流水、阳光、地热、风等通过适当转换手段可使其为人类生产和生活提供所需的能量例如煤和石油等化石能源燃烧时提供热能，流水和风力可以提供机械能，太阳的辐射可转化为热能或电能能源是人类活动的物质基础

1能源相关概念——自然资源（Resources）————能源（Energ2能源种类很多，通常按其形态特征或转换与应用的层次分类

(1)一次能源和二次能源（按形成条件）以天然形态存在于在自然界中，可直接取得而不需改变其基本形态的能源，称为一次能源。是自然界中现成存在的天然能源。如煤炭、石油、天然气、水能，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、核能等。有些能源通常需要经过加工进行直接或间接的转换才能使用。由一次能源经加工转换而获得的另一种形态的能源，称为二次能源。如电力、煤气、沼气、酒精、汽油、柴油、焦炭，以及蒸汽、氢能等。电能是最重要的二次能源。各种各样的能源能源种类很多，通常按其形态特征或转换与应用的层次分类(1)3一次能源的来源自然界中一次能源的初始来源，大致有三种情况：①来自地球以外天体（主要是太阳）的能量能以光和热的形式直接利用的太阳能，以化石或生物体等物质形式存储的能量，以风、水流、波浪等形式体现的能量②来自地球内部的能源主要是核能（原子能）和地热能③地球与其他天体相互作用产生的能量月亮、太阳引力变化形成的海洋潮汐能一次能源的来源自然界中一次能源的初始来源，大致有三种情况：4(2)常规能源与新能源（按发展应用状况）常规能源（conventionalenergy）：在当前的技术水平和利用条件下，已广泛应用了较长时间的能源主要指煤炭、石油、天然气、水能、核（裂变）能特点：使用较普遍，技术较成熟。新能源（newenergy）：由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源如太阳能、风能、海洋能、地热、生物质、氢能、核（聚变）能等特点：已开始或即将被人们推广利用，但还没有被大规模使用，有的甚至还处于研发或试用阶段(2)常规能源与新能源（按发展应用状况）常规能源（conv5常规能源和新能源的分类是相对的，不同历史时期会变化，这取决于应用历史和使用规模。例如在1950年代，核(裂变)能属于新能源，现在已经成为常规能源。有些能源虽然应用的历史很长，但正经历着利用方式的变革，而那些较有发展前途的新型应用方式尚不成熟或规模还小，也被归为新能源，例如太阳能、风能。在中国，新能源指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的一次能源。常规能源和新能源的分类是相对的，不同历史时期会变化，这取决于6(3)非再生能源和可再生能源（按循环恢复能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期内无法恢复），总有枯竭的一天如化石燃料和核燃料均为非再生能源。按照现有的探明储量和开采程度，地球上的化石燃料最多还可使用几百年可再生能源，可以循环使用，能够有规律地不断得到补充，没有使用期限，也不会因长期使用而减少。如太阳能、水能、风能、海洋能、地热能和生物质能，均为可再生能源。(3)非再生能源和可再生能源（按循环恢复能力）非再生能源，也7(4)含能体能源和过程性能源(按能源存在和转移形式)含能体能源是指包含着能量的物质或实体例如化石燃料、核燃料、生物质、地热水和地热蒸汽，等等特点：可以直接储存和运输过程性能源是指随着物质运动而产生、并且仅以运动过程的形式存在的能源如风、水、海潮、波浪、地热等特点：无法直接储存和运输(4)含能体能源和过程性能源(按能源存在和转移形式)含能体能8(5)清洁能源和非清洁能源(按环境污染程度)清洁能源是指对环境没有污染或污染较小的能源，有时也叫绿色能源。如太阳能，风能，海洋能，垃圾发电，沼气等。非清洁能源是指可能对环境造成较大污染的能源，例如煤炭等化石燃料。清洁与非清洁能源的划分也是相对的。(5)清洁能源和非清洁能源(按环境污染程度)清洁能源是指对环9可再生能源《中华人民共和国可再生能源法》2019年1月1日起施行（2019年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过，2009年修订）目的是促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展。国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，建议将可再生能源知识和技术纳入普通教育、职业教育课程。中国可再生能源学会（原中国太阳能学会，1979年9月6日在西安市成立）可再生能源《中华人民共和国可再生能源法》10可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等11可再生能源发电技术1-综述76张课件122能源利用的历史人类认识和征服自然依靠能源，分5个发展阶段。(1)天然能源的原始利用（又称薪柴时代）几十万年以前人类学会了用火，在漫长的岁月里，一直以柴草(firewood)为生活能量的主要来源，燃火用于烧饭、取暖和照明。后来逐渐学会将畜力、风力、水力等自然动力用于生产和交通运输这种初级形式的能源利用直到19世纪中期都没有太大突破。在1860年的世界能源消费结构中，薪柴和农作物秸秆仍占能源消费总量的73.8%。2能源利用的历史人类认识和征服自然依靠能源，分5个发展阶段13(2)煤炭（煤炭时代）2000多年以前人类就知道煤炭可以作为燃料。14世纪的中国、17世纪的英国采煤业都已相当发达，但煤炭长期未能在世界能源消费结构中占据主导地位。18世纪70年代，英国的瓦特发明以煤炭作燃料的蒸汽机。蒸汽机的广泛应用使煤炭迅速成为第二代主体能源。煤炭在世界一次能源消费结构中所占的比重，从1860年的25％，上升到1920年的62％。(2)煤炭（煤炭时代）14(3)石油（石油时代）人类很早就发现了石油，直到19世纪，石油工业才逐渐兴起。1859年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，是现代石油工业的开端。1886年德国人本茨和戴姆勒研制出以汽油为燃料、由内燃机驱动的汽车（德国奔驰），进入大规模使用石油的汽车时代。（1905年，美国福特）石油和天然气逐渐取代煤炭，在世界能源消费构成中占据主要地位。1965年，在世界能源消费结构中，石油首次超过煤炭占居首位，成为第三代主体能源。到1979年，石油所占的比重达到54%，相当于煤炭的三倍。(3)石油（石油时代）石油和天然气逐渐取代煤炭，在世界能源消15(4)电力1881年，美国建成世界上第一个发电站，同时还研制出电灯等实用的用电设备（爱迪生）以后，电力的应用领域越来越广，发展规模也越来越大，人类社会逐步进入电气化时代石油、煤炭、天然气等化石燃料被转换成更加便于输送和利用的电能，进一步推动工业革命，带来了巨大的技术进步电能使用起来方便清洁、易于输送、易转化成其它型式的能量，成为现代生产不可或缺的动力，与现代生活也密不可分。(4)电力石油、煤炭、天然气等化石燃料被转换成更加便于输送和16(5)核能和可再生能源1942年美国建立世界上第一座核反应堆（费米）1954年前苏联建成世界第一座发电的反应堆（库尔恰托夫支持修建的奥布灵斯克核电站）并正式启用。1956年美国的核电站投入运行核能利用迅速发展起来，在世界能源结构中占据重要位置。到20世纪90年代，核能发电所提供的电力占全世界发电总量的17%左右进入21世纪以来，太阳能、风能、海洋能、生物质能等可再生新能源发展很快，并且逐渐走向成熟和规模化，所占的比重也有望大幅度提高，为人类解决能源和环保问题开辟了新的天地(5)核能和可再生能源进入21世纪以来，太阳能、风能、海洋能17各种能源均有优点，也各有不足。如何进行评价和比较？(1)能流密度即在单位空间或单位面积内，能够从某种能源获得的功率化石燃料与核燃料的能流密度大，各种可再生能源的能流密度一般都比较小能量密度太小，则不利于开发利用，因为经济性太差3能源的品质标准煤各种燃料的热值是不同的，在统计能源的生产和消费，特别在计算能耗指标时，常定义一种假想的标准燃料，即标准煤。标准煤的热值为2.9×104kJ/kg。各种燃料均可按平均发热量折算成标准煤。各种能源均有优点，也各有不足。如何进行评价和比较？(1)能18(2)开发费用和设备造价化石能源与核燃料，探、采、加工、运输，需投入大量人力、物力，发电设备单位容量的初期投资较小。可再生能源，开发费用主要是开发能源的一次性投资，设备造价比较高，而运营费用很低。(3)存储的可能性与供能的连续性化石燃料都比较容易存储，也便于连续供应。太阳能、风能等可再生能源则不易保存。能量供应也可能有波动性和间断性。(2)开发费用和设备造价化石能源与核燃料，探、采、加工、运输19(4)运输费用与损耗运输过程本身也要投资并消耗能源，远距离运输的成本和损耗会影响能源的使用。太阳能、风能、地热能难以运输。化石燃料可以运输，但要考虑运输的成本和耗能。(5)对环境的影响化石燃料燃烧过程中会排放CO2等温室气体，甚至还有一些有毒的或腐蚀性物质，对环境影响较大。核燃料有放射性污染及废料处理的问题。可再生能源大多对环境的影响较小，基本都是清洁能源。(4)运输费用与损耗运输过程本身也要投资并消耗能源，远距离运20(6)蕴藏量化石燃料等非再生能源，蕴藏量是有限的，总有用完的时候。太阳能、风能等可再生能源，可以循环使用，不断的得到补充，即使每年更新的数量有限，长期来看，也是无穷无尽的。(7)能源品位能源品味反映的是能源利用的方便程度。一般来说，二次能源要比一次能源品味高。能直接变成机械能和电能的能源（如水力和风能），要比那些必须先经过热利用环节的能源（如化石燃料）的品位高。(6)蕴藏量化石燃料等非再生能源，蕴藏量是有限的，总有用完的214发展可再生能源的必要性现代能源现状4发展可再生能源的必要性现代能源现状22现代能源三大支柱：煤炭、石油和天然气现代能源三大支柱：煤炭、石油和天然气23石油和天然气的形成和开采“生于水际砂石，与泉水相杂，惘惘而出”北宋沈括《梦溪笔谈》石油和天然气的形成和开采24根据BP世界能源统计，全球化石燃料可用情况如下：40.6年164年65.1年1636亿吨

179.8万亿方9091亿吨

储量储采比能源形势：化石燃料面临枯竭危险《BP世界能源统计2019》石油天然气煤碳根据BP世界能源统计，全球化石燃料可用情况如下：40.6年125化石燃料储量比储采比石油2.3％20.1/40.6年天然气0.9%49.3/65.1年煤炭11.6%114.5/164年

我国的形势严峻：人均能源拥有量仅为世界平均值的一半，化石燃料的储采比低于世界平均值；但工业能耗又高于工业发达国家，主要能源消耗已经名列世界前茅（煤炭第一，石油第二）。《2019中国能源发展报告》化石燃料储量比储采比石油2.3％20.1/40.6年天然26世界人均的能量消耗则不断上升，在过去一世纪中总能耗增长到25.8倍！

1kg标准煤的发热值=29308kJ

年份总人口人均能耗(亿）[t标准煤/(人.年)]

190015.710.493195025.011.026

200060.503.300

探明的化石燃料藏量有限，而工业与生活所需数值不断增长，这是世界能源所面临的主要问题。

世界人均的能量消耗则不断上升，在过去一世纪中总能27国际上出现三次石油危机国际上出现三次石油危机28化石能源的消费带来严重的环境问题当前，威胁人类生存的十大环境问题是：（1）全球气候变暖；（2）臭氧层的耗损与破坏；（3）生物多样性减少；（4）酸雨蔓延；（5）森林锐减；（6）土地荒漠化；（7）大气污染；（8）水污染；（9）海洋污染；（10）危险性废物越境转移化石能源的消费带来严重的环境问题当前，威胁人类生存的十大环29化石能源利用的环境影响

酸雨煤和石油的燃烧排放出二氧化硫或氮氧化物烟气与天上的水蒸气相遇，就会形成硫酸和硝酸小滴，使雨水酸化，这时落到地面的雨水就成了酸雨。酸雨的危害有：1)

腐蚀建筑物和工业设备；2)

破坏露天的文物古迹；3)

损坏植物叶面，导致森林死亡；4)

使湖泊中鱼虾死亡；5)

破坏土壤成分，使农作物减产甚至死亡；6)

饮用酸化造成的地下水，对人体有害。（1）北美死湖事件，美国受酸雨影响的水域达3.6万平方公里，加拿大受酸雨影响的水域5.2万平方公里，大量湖泊酸化，甚至成为死湖。湖中无鱼，湖滨树木枯萎。（2）西德森林枯死病事件，有80多万公顷森林被毁。每年有数万儿童感染特殊的喉炎症。化石能源利用的环境影响酸雨煤和石油的燃烧排放出二氧化硫或301002001750180018501900195019900煤→CO2石油→CO2天然气→CO2CO2(billiontons/year)RapidGlobalWarmingItisanimportantissue

toreducefossilfuelconsumption化石燃料排放的CO21750180018501900195019900280340300320CO2(ppm)inAir360工业革命

大气

CO2Temperaturevariation（℃）bythermometerfromtreerings，coral，・・・Averagetemp.in1961～1990过去1000年北半环平均气温变化工业革命

100012001400160018002000

Source；IPCC#3ReportYear0.00.5-0.5-1.0

温室效应（花房效应）10020017501800185019001950199031加拿大冰山区域不断缩小－K.Suzuki加拿大冰山区域不断缩小－K.Suzuki3233气温上升、冰川熔化、海平面上升，太平洋岛国图瓦卢举国迁移Arctic

1979-201933气温上升、冰川熔化、海平面上升，太平洋岛国图瓦卢举国迁移33

大气污染（1）英国伦敦毒雾事件，1952，1956,1957,1962年连续发生12次，死亡近4万人，直到1965年后才消失；（2）美国洛杉矶毒烟事件，1943，1952,1955年多次反生光化学烟雾事件，使人出现眼睛痛、头痛、呼吸困难等症状，直到70年代后期才消失；（3）2019年以来，全国中东部发生严重的雾霾和污染天气……大气污染（1）英国伦敦毒雾事件，1952，1956,134如果人类都按照美国人的方式生活…60亿人口需要4.3个地球!能源开采、运输和加工过程中存在不良影响，如煤炭开采会有人员伤亡和土地塌陷。核能的利用存在核安全和核废料问题。（如前苏联切尔诺贝利1986.4.26和日本福岛2019.3）世界范围内的核能利用，将产生成千上万吨的核废料。如果不能妥善处理，放射性的危害或风险将持续几百年。

其它影响如果人类都按照美国人的方式生活…60亿人口需要4.3个地球35可持续发展社会环境经济联合国世界环境与发展委员会提出了可持续发展概念。就是“满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需求能力的发展”。可持续发展社会环境经济联合国世界环境与发展委员会提出了可持续36可持续的解决方案更加广泛地使用可再生能源—开源进一步提高能源效率——节能减少排放可持续的解决方案更加广泛地使用可再生能源—开源37资料来源:《中国光伏发展报告2019》能源结构预测资料来源:《中国光伏发展报告2019》能源结构预测38The21stcenturywillbeelectric…andintelligent03691215195020002050电能GDPEnergyIndex(1=1950)未来的智能电力（智能电网）可控精确灵活干净快速安全电力是高品位的终端能源The21stcenturywillbeelect39水能风能地热潮汐和波浪太阳能化石核能生物质能电力农业文明工业文明信息化低碳化水能风能地热潮汐和波浪太阳能化石核能生物质能电力农业文明40（1）能源生产和消费（增长率大，世界第一）5我国能源利用现状（1）能源生产和消费（增长率大，世界第一）5我国能源利用现412019年能源消费结构石油天然气煤炭水电核电世界36.8%23.7%27.2%6.2%6.1%中国22.3%2.5%69.0%5.4%0.8%我国能源需求估计2020年22～29亿吨标准煤，2050年33~47亿吨标准煤。未来50年内能源需求总量将会增长到现在的3倍煤炭生产和消费占世界比重的1/3强，世界第一

石油生产低于消费，对外依存度高，接近50%环境约束与能源需求的矛盾日益加大2019年能源消费结构石油天然气煤炭水电核电世界36.8%242（2）能源利用效率低能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重我国能源终端利用效率仅为33％，比发达国家低约10～20%单位产品的能耗平均比发达国家高约40%能源消费强度（单位GDP耗能）高，是美国的4倍，日英德法等国的8倍（我国人口占20.43%，GDP占4.03%）人均能源消费低，是美国的1/8，日本的1/4（3）能源品种以煤为主，污染严重典型的能源消费型污染——煤炭消费型污染城市空气污染、酸雨、温室气体排放（2）能源利用效率低43（4）可再生能源发展面临的几个问题经济效益：成本高，效率低，需要依靠科技创新和科技进步，发展科技持续可靠性：克服能源间歇性、不连续性的影响局限性：最佳容量研究，分布式发电与联网输电环境及生态：调整结构，合理替代；节约优先，环境友好管理体制和机制：加快科技生产力的转化，健全相关法律法规，有序有利健康发展风力发电势头正劲，科技进步和成熟，成本快速下降光伏发电超常规发展，与风电一起年增长率高达30%生物质发电等其它可再生能源步履蹒跚（4）可再生能源发展面临的几个问题44可再生能源的发展可再生能源的发展45可再生能源是多种能源的统称，本课程将逐一对目前正大力发展和探索的发电技术进行介绍，内容如下：水力发电技术风力发电技术太阳能利用及发电技术生物质能利用及发电技术地热能利用及发电技术海洋能多种发电技术氢能与燃料电池发电技术6本课程的内容可再生能源是多种能源的统称，本课程将逐一对目前正大力发展和探46常见的能量形式有机械能、热能、电能、化学能、原子能等机械能：包括与位置相关的势能和与运动相关的动能，以这种能量形式出现的是水能、风能、波浪能等热能：与分子热运动有关的能量，也是人类常利用的能量形式，化石能源的利用都是先将燃料的化学能转换为热能，以这种能量型式出现的有太阳辐射热能、地热能等电能（电磁场能）：电荷流动和积累相关的一种能量，是高品质的二次能源，是当前利用的最主要的能源型式，可以由各种能量转换而来。化学能：存在于物质各组分之间连接键内的一种能量，是在发生每种化学反应时形成和释放的，以这种型式存在的有很多一次能源：煤炭、石油、天然气、生物质等原子能：原子核质量发生变化时释放的能量，分衰变、裂变和聚变，目前核能的利用主要是裂变6能源的形式与转换常见的能量形式有机械能、热能、电能、化学能、原子能等6能源47可再生能源发电技术1-综述76张课件48燃料燃烧是获取热能的最主要方式。所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能源。天然的液体燃料有石油（原油）；人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。天然的气体燃料有天然气，人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。化学能转换为热能燃料燃烧是获取热能的最主要方式。化学能转换为热能49液体燃料固体燃料气体燃料燃烧液体燃料固体燃料气体燃料燃烧50燃烧设备锅炉工业炉窑化学能

热能燃烧设备锅炉化学能热能51热能转换为机械能通常需要一种介质，成为工质，推动旋转机械从而转换为旋转机械能以水及其蒸汽作为工质，蒸汽轮机直接以燃烧后的高温混合气体作为工质的，燃气轮机、内燃机等热能转换为机械能热能转换为机械能通常需要一种介质，成为工质，推动旋转机械从而52蒸汽轮机蒸汽轮机53压缩室燃烧室涡轮机燃气汽轮机压缩室燃烧室涡轮机燃气汽轮机54应用广泛内燃机应用广泛内燃机55电能能够方便地以高转换效率转换成其它形式的能量，因此电能是非常有用的一种能量形式。电能可以通过多种途径生产，最主要的途径是通过发电机将机械能直接转换成电能。将机械能转换成电能的发电机都是同步发电机。可以输出交流电或直流电。根据动力机械的特点，同步发电机有立式和卧式两种。由汽轮机和内燃机驱动的发电机多为卧式。另外，可在燃料电池和蓄电池中由化学能直接转换成电能；在太阳能电池中由辐射能直接转换成电能。磁流体发电、热电偶温差发电可将热能直接转变成电能。机械能转换为电能电能能够方便地以高转换效率转换成其它形式的能量，因此电能是非56发电机发电机57发电厂是实现电能转换的场所，将其它型式的一次能源转换为电能。传统发电厂按其所用一次能源的不同，可分为水力发电厂、火力发电厂和核能发电厂。随着新能源技术的不断发展，风能发电厂、生物质能发电厂、太阳能发电厂、海洋能发电厂等多种发电形式和技术。发电厂发电厂是实现电能转换的场所，将其它型式的一次能源转换为电能。58水电站是将水能转变成电能的工厂，其能量转换的基本过程是：水能→机械能→电能。按利用能源的种类，水电站可分为：（1）将河川中水能转换成电能的常规水电站，也是通常所说的水电站，按集中落差的方法它又有三种基本形式，即堤坝式、引水式和混合式；（2）调节电力系统峰谷负荷的抽水蓄能式水电站；（3）利用海洋能中的水流的机械能进行发电的水电站，即潮汐电站、波浪能电站、海流能电站。水力发电厂59水电站是将水能转变成电能的工厂，其能量转换的基本过程是：水可再生能源发电技术1-综述76张课件60火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃料的化学能生产电能的工厂。我国电源构成是以火电为主，至2019年底，全国总装机容量为44070万kW，火电装机容量为32490万kW,占我国发电装机总容量的73.7%。火电厂按使用燃料的不同可分为燃煤、燃油和燃气等几类电厂。我国的煤炭资源比较丰富，燃煤火电厂是我国目前电能生产的主要方式。火力发电厂61火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃料的化可再生能源发电技术1-综述76张课件62核电厂是利用核裂变能转化为热能，再按火电厂的发电方式，将热能转换为电能，它的原子核反应堆相当于锅炉。核反应堆中，除装有核燃料外，还以重水或高压水作为慢化剂和冷却剂，所以，反应堆又可分为重水堆、压水堆等。核反应堆内，铀-235在中子撞击下，使原子核发生裂变，产生的巨大能量主要以热能形式被高压水带至蒸汽发生器，在此产生蒸汽，送至汽轮发电机组。

1kg铀-235所发出的电力约等于2700t标准煤所发出的电力。核能发电厂63核电厂是利用核裂变能转化为热能，再按火电厂的发电方式，将热能可再生能源发电技术1-综述76张课件