章新能源发电与控制技术导论

1机械工业出版社新能源发电与控制技术（V3.0）江南大学物联网工程学院2机械工业出版社本书主要内容第1章新能源发电与控制技术导论

第2章电源变换和控制技术基础知识

第3章风能、风力发电与控制技术

第4章太阳能、光伏发电与控制技术

第5章生物质能发电与控制技术

第6章分布式电源与微电网组网技术

第7章核能发电与应用技术

第8章其他形式新能源的发电与应用技术

3机械工业出版社绪论新能源利用包括可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。

新能源发电与控制技术涉及：①利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源―电能；②对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。

4机械工业出版社第1章新能源发电与控制技术导论5机械工业出版社6机械工业出版社1.1能源储备与可持续发展战略

1.2能源的分类与基本特征

1.3新能源发电――能源转换的重要形式

1.4新能源转换与控制技术的经济意义

本章主要内容7机械工业出版社1.1能源储备与可持续发展战略

1.1.1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。8机械工业出版社9机械工业出版社

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。10机械工业出版社2.我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30%左右，每万元GDP能耗为世界平均水平的3倍。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。11机械工业出版社中国一次能源历年消费结构（2003-2012）12机械工业出版社中国能源消费结构（2015）世界能源消费结构（2015）13机械工业出版社中国能源产消现状14机械工业出版社中国历年煤电发电量与增长率15机械工业出版社中国一次能源的储量、开采量、消费量、可开采年限能源种类一次能源消费所占比例至2008年底中国探明储量到2008年中国开采量2008年中国消费量中国消费增速（2008年比较2007年按目前储量可开采年限石油18.76%155亿桶13.85亿桶29.20亿桶3.30%11.1年煤炭70.22%1145亿吨1414.5百万吨（油当量）1406.3百万吨（油当量）6.50%41年天然气3.62%24600亿立方米761亿立方米807亿立方米15.80%32.3年合计92.60%

16机械工业出版社1.1.2我国的可持续发展战略l980～2000年期间，我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。是能源利用效率大幅度提高。是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。17机械工业出版社

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。

18机械工业出版社风力发电19机械工业出版社水力发电20机械工业出版社燃料电池汽车21机械工业出版社奥体中心光伏发电项目

22机械工业出版社最大地热发电厂-盖瑟斯地热田

23机械工业出版社1.2能源的分类与基本特征1.2.1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。

24机械工业出版社1.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界未经加工与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。

25机械工业出版社二次能源:是指由一次能源经加工转换后得到的能源产品。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。根据能量表现形式又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。含能体能源：指包含能量的物质。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。这类含能体可以直接储存运送。过程性能源：指能量比较集中的物质在流动（运动）过程中产生的能量，或称能量过程。如流水、海流、潮汐、风、地震、直接的太阳辐射、电能等。过程性能源和含能提能源是不能互相替代的，有各自的表现形式与应用范围。

如：电能如：柴油、汽油26机械工业出版社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、水能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。27机械工业出版社1.2.3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。28机械工业出版社“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。

29机械工业出版社1.2.4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。

30机械工业出版社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31机械工业出版社微型燃气轮机32机械工业出版社2.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33机械工业出版社分布式能源的发展34机械工业出版社分布式发电网络示意图35机械工业出版社1.3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。

36机械工业出版社海上风力发电37机械工业出版社太阳能发电传统市场如日本、美国、欧洲等依然保持强劲发展势头，新兴市场如印度，东南亚等国不断涌现。美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界范围内已建成数百个MW级的联网光伏电站。美国最大太阳能发电项目——“太阳能之星”38机械工业出版社家用光伏发电39机械工业出版社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，掌握了许多最先进的技术。

燃料电池发电系统

燃料电池汽车40机械工业出版社燃料电池汽车组成框图41机械工业出版社生物质发电

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42机械工业出版社核能发电

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43机械工业出版社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。

44机械工业出版社其他还有小水利发电、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45机械工业出版社1.3.2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25%，一般商业电池效率是15%～18%。风能发电——2009年至2014年，新增风电装机容量连续5年居全球首位。2014年，我国新增装机容量23,196MW，与此同时，累计风电装机总容量114,609MW。地热能发电——地热能我国地热发电站总装机容量100MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。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。46机械工业出版社燃料电池发电——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。十三五初期又提升对燃料电池的补贴，从18万提至20~50万。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。小水利发电——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。核能发电——预计，中国计划2020年核能发电能力将增加到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。

47机械工业出版社异步交直交并网发电荷兰WES5-2.5KW48机械工业出版社1.4新能源发电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

2015年世界能源消费结构49机械工业出版社50机械工业出版社2.中国能源消费现状与发展趋势

2015年中国能源消费结构51机械工业出版社我国新能源发展趋势52机械工业出版社3.我国可持续发展战略与新能源利用

要实现2020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。53机械工业出版社1.4.2新能源发电的经济意义1.新能源发电的资源保障（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。

54机械工业出版社光伏并网系统55机械工业出版社（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。

截至2014年风电装机容量为114609MW，已居世界第一。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。（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。

56机械工业出版社57机械工业出版社（4）小水利发电——装机容量5万kW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；在环境保护、扶贫及提供农村能源等方面均具有显著作用。小水利58机械工业出版社（5）生物质能发电——利用生物质转换过程形成的生物质气、油通过燃烧发电的形式。

全世界约25亿人的生活能源的90%以上是生物质能。优点：燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点：热值及热效率低，能量密度低，直接燃烧