《分布式能源》 课件 第3章可再生能源发电导论

可再生能源及其发电技术

问题引入：同学们知道哪些能源是可再生能源吗？可再生能源可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能、核能（聚变）等。它们在自然界可以循环再生。是取之不尽，用之不竭的能源，不需要人力参与便会自动再生。我国太阳能辐照地区分类太阳能资源丰富地区占全国总面积2/3以上。我国太阳能辐照概况一、二、三类地区，年日照时数大于2200h，太阳年辐射总量高于5016MJ/m2，是中国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区，虽然太阳能资源条件较差，但是也有一定的利用价值，其中有的地方是有可能开发利用的。从全国来看，中国是太阳能资源相当丰富的国家，具有发展太阳能利用事业得天独厚的优越条件，太阳能利用事业在我国是有着广阔的发展前景的。我国太阳能利用同学们知道哪些太阳能利用技术呢？太阳能发电：大家知道哪些太阳能发电技术？太阳能发电：其实，利用太阳能进行发电的手段很多。太阳能发电热发电光发电蒸汽热动力发电热电直接转换光化学发电和生物转换光感应发电光伏发电太阳能热发电1、蒸汽热动力发电太阳能热发电系统，由集热部分、热传输部分、蓄热与热交换部分和汽轮发电部分组成。太阳能热发电（1）集热部分定日镜（聚光系统）的作用是提高功率密度。集热器的作用是将聚焦后的太阳能辐射吸收，并转换为热能提供给工质。（2）热能传输部分把集热器收集起来的热能传输给蓄热部分。（3）蓄热与热交换部分蓄热装置保证发电系统的热源稳定。热能通过热交换装置，转化为高温高压蒸汽。（4）汽轮发电部分太阳能热发电定日镜专用锅炉蓄热器太阳能热发电高压热蒸汽在推动汽轮机转动的同时，还通过专用的管道将一部分热能储存在蓄热器内。阴天、雨雪天及夜间没有太阳光，便由蓄热器来提供热能，从而保证太阳能热电站能够连续发电。世界上第一座太阳能热电站是法国的奥德约太阳能热电站，虽然它的发电能力当初只有64千瓦，但却开创了太阳能热电的先河。2013年8月，在八达岭长城脚下，我国首座自主知识产权光热发电站，也是亚洲首座塔式太阳能热电站将并网发电。太阳能热发电大家想想这种发电形式的缺点在哪儿？那就是占用地方大。一组定日镜占地100平方米，100组定日镜即使严丝合缝地凑在一起，也至少要占总计1万平方米土地。太阳能热发电2、热电直接转换多是依靠特殊的物理现象或化学反应。这类发电方式的优点是发电装置本体没有活动部件，但一般发电量都很小，有的方法尚处于原理性试验阶段。相对成熟一些的，主要是半导体温差发电。太阳能光发电1、光化学转换（1）光化学电池浸泡在溶液中的半导体电极受到光照后，电极上有电流输出的现象。（2）光生物发电光生物发电，通常是指叶绿素电池发电，叶绿素在光照作用下能产生电流，这是最普遍的生物现象之一。太阳能光发电2、光感应发电是利用某些有机高分子团吸收太阳的光能后变成光极化偶极子的现象。太阳能光发电3、光伏发电是利用某些物质的光电效应（光生伏打效应），将太阳光辐射能直接转变成电能的发电方式。光伏电池，是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的器件，也叫太阳能电池，都是由很多单体光伏电池构成的。太阳能光发电光伏电池原理：带正电的空穴向P型半导体区移动，带负电的电子向N型半导体区移动电子从N区负电极流出负电，空穴从P区正电极流出正电太阳能光发电光伏发电系统组成一般由太阳能电池方阵、储能蓄电池、保护和控制系统、逆变器等设备组成。将多个光伏单体电池经串并联，并封装在一起，组成一个光伏电池组件。把多个电池组件再串、并联起来并装在支架上，组成光伏电池阵列。光伏发电输出功率不稳定性、不连续，需要配备储能装置，以保证对用户的可靠供电。阳光充足时，剩余的能量给蓄电池充电。日照缺乏的情况下，由蓄电池向用户补充供电。太阳能光发电在小型或独立运行的光伏发电系统中，保护和控制功能主要是蓄电池的保护，防止过充电和过放电。

对于大中型或并网运行的光伏发电系统，保护和控制系统担负着平衡、管理系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。太阳能光发电光伏电池和蓄电池输出的都是直流电。逆变器是将直流电变换成交流电的电力电子设备，是光伏电池普及应用的关键技术之一。光伏发电的特点优点（1）运输、安装容易（2）运行、维护简单（3）安全，可靠，寿命长（4）清洁，环境污染少光伏发电的特点不足主要是由太阳能资源本身的弱点造成的。（1）能量分散（能量密度低）。（2）能量不稳定。（3）能量不连续。光伏发电概况根据国家能源局数据：2014-2019年，中国光伏发电累计装机容量逐年增长，新增装机容量呈现先增长后下降的趋势。光伏发电概况根据国家能源局数据：2019年，全国光伏发电累计装机容量达到20430万千瓦，同比增长17.3%，其中集中式光伏14167万千瓦，同比增长14.5%。截止2020年6月底，光伏发电累计装机达到2.16亿千瓦，其中集中式光伏1.49亿千瓦。。分布式光伏发电概况根据国家能源局数据：在2010-2015年间，我国集中式光伏电站一直处于投资风口，大批电站项目集中上马，而分布式光伏项目几乎无人问津。2014-2019年，中国分布式光伏发电累计装机容量逐年增长，其中2016年起呈快速增长趋势;新增装机容量呈现先增长后下降的走势。分布式光伏发电概况2019年，全国分布式光伏发电累计装机容量达到6435万千瓦，同比增长23.75%;2020年1-6月，全国新增分布式光伏发电装机443.5万千瓦。截止6月底，分布式光伏发电累计装机达到6707万千瓦。分布式光伏发电概况我国分布式光伏发电相关规划政策：目前，我国集中式光伏电站主要集中在西部地区，但由于项目过于集中，电网消纳困难、高线损等问题，当地出现弃光现象，局部地区弃光率甚至高于20%;中、东部地区是分布式光伏发电布局的主战场，也是用电消费重地。二、风能利用提到风能利用，同学们会想到哪些事物或故事？风能利用埃及可能是最先利用风能的国家。10-11世纪，中东国家开始大范围使用风能。风能利用12世纪，风车的概念和设计从中东传入欧洲。荷兰人发明了水平转轴的塔形风车，并且很快风靡北欧。风能利用1300多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式”，一直沿用到新中国成立。风力发电也有水平轴和垂直轴两种风机双叶风车三叶风车风力发电垂直轴风机发电风力发电机组简单结构主要用水平轴风机发电，且多用螺旋桨型叶片。水平轴风力机主要包括风轮、塔架、机舱等部分。翼型上表面凸起部分的气流较快，上表面的空气压力比下表面明显要低，从而对翼型物体产生向上的“吸入”作用，增大升力。风力发电机组原理空气的压力与气流的速度有一定的对应关系，流速越快，压力越低，这种现象叫作伯努利效应。风力发电机组原理工作风速？风力机并不是在所有风速下都能正常工作。起动风速——“切入风速”； “额定风速”；停机风速——“切出风速”。风力发电机组内部结构风电场风力资源丰富的地区，将数十台至数千台单机容量较大的风力发电机组集中安装在特定场地，按照地形和主风向排成阵列，组成发电机群，产生数量较大的电力并送入电网，这种风力发电的场所就是风电场。风力发电特点风电优点：（1）没有直接污染排放；（2）不需要水参与发电过程；（3）经济性好。对环境的负面影响：（1）风力机的噪声；（2）风力机的电磁干扰；（3）视觉影响；等等。风力发电特点大家可能会对风力发电机的价格有所关注：家庭用小型风机：300W～600W的基本上在3000～5000元配置：带充电控制器风力发电机，200W数控逆变电源，12V65AH免维护蓄电池1只适用：彩电、VCD、功放、电脑、卫星接收机、照明等。每天可用电量：1800／W小时，譬如使用彩电、VCD、卫星接收机及1－2只照明灯泡，可使用10小时左右。造价：3500元／套2.配置：200W带充电控制器风力发电机，500W数控逆变电源，12V65AH免维护蓄电池2只。适用：彩电、小型新式冰箱、VCD、功放、电脑、卫星接收机、照明、电风扇等。每天可用电量：3500／W

小时，即所用电器功率在300W内每日约可用12小时左右。造价：4200元／套。风力发电特点大家可能会对风力发电机的价格有所关注：家庭用小型风机：300W～600W的基本上在3000～5000元配置：300W带充电控制器风力发电机，1KW数控逆变电源，12V100AH免维护蓄电池2只适用：彩电、冰箱、VCD、电脑、照明、卫星接收机、电风扇、电饭煲。每天可用电量：5100／W小时。造价：6300元／套。风力发电特点大型发电机组：一般整机出厂的价格都不一样，基本都在3400-4500/KW的单价，所以是按照机组的功率大小决定的。例如2KW的单机，主机+叶片大概4300元，不过还需要买塔杆、控制器、逆变器、电池，这样才能配成一个完整的系统，总费用9000元左右。比如1.5MW（也就是1500KW）基本在600多万元左右，一台机组要运行，还要配套相变，远程通迅，以及线路造价等。风力发电未来方向思考：风力发电未来发展方向在哪里？生物质能发电：生物质能发电：生物质发电是利用生物质直接燃烧或转化为某种燃料后燃烧所产生的热量发电。生物质能发电：生物质发电的流程，大致分两个阶段：一般先把各种可利用的生物原料收集起来，通过一定程序的加工处理，转变为可以高效燃烧的燃料；再把燃料送入锅炉中燃烧，产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机组发出电能。*生物质发电涉及原料的收集、打包、运输、贮存、预处理、燃料制备、燃烧过程的控制、灰渣利用等诸多环节。我国生物质能发电形式我国生物质发电形式：直接燃烧发电沼气发电垃圾发电生物质燃气发电——气化炉（裂解炉）生物质能发电特点：特点：（1）适于分散建设、就地利用（2）技术基础较好、建设容易（3）碳排放比化石燃料少（4）变废为宝，更加环保需要注意问题：（1）转化设备必须安全可靠。（2）能源作物需要占用大量土地可再生能源发电特点：可再生能源发电都有一些普遍特点，大家可以总结一下吗？面大、量广、密度低、有限制·小结

了解利用太阳能、风能、生物质能发电的技术；了解各种可再生能源发电技术的特点互补发电特点：（1）可再生能源既可充分发挥优势，又能克服本身不足。取自天然、分布广泛、清洁环保等优点仍能体现，季节性、气候性变动造成的能量波动，可以改善。（2）对多种能源协调利用，可提高能源的综合利用率。（3）电源供电质量的提高，对补偿设备的要求降低。单一发电，波动和间歇明显，需大量储能或补偿装置；互补运行，会因相互抵消，降低储能或补偿要求。1、风-太阳能互补基础：我国属季风气候区，很多地区风能和太阳能有天然的季节互补性，适合采用风-光互补发电系统。在一些边远农村地区，风能资源丰富，且太阳能资源充足，联合发电运行是解决供电问题的有效途径。1、风-太阳能互补风－光互补发电系统，一般由风电机组、光伏电池组、储能装置、电力变换装置、直流母线及控制器等部分构成，向各种直流或交流用电负载供电。1、风-太阳能互补风－光互补发电系统的发电和储能配置，应考虑：-负荷的用电量及其变化规律； －蓄电池的能量损失和使用寿命； －太阳能和风能的资源情况。

1、风-太阳能互补根据风力和阳光的变化情况，有三种可能的运行模式。风电机组单独向负载供电；

光伏电池单独向负载供电；

风电机组和光伏电池联合向负载供电。

1、风-太阳能互补（1）风力/光伏互补发电系统。该类型以风力发电为主，光伏为辅，适合于风能资源非常丰富，太阳能资源仍可利用的地区。（2）光伏/风力互补发电系统。该类型以光伏发电为主，风力为辅，适合于太阳能资源非常丰富，风能资源相对较弱的地区。

1、风-太阳能互补（3）除此之外，还有两种情况a.太阳能和风能虽然比较丰富，但互补性欠佳，如在某个月份太阳能和风能都不足。b.太阳能和风能互补性很好，但总体两种资源总量欠缺。大家想想，这种情况下应该怎么办？

1、风-太阳能互补优点：－利用资源的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；－保证同样供电时，可大大减少储能蓄电池的容量；－很少或不用启动备用电源（如柴油机发电机组）等，可获得较好的社会效益和经济效益。风-光互补是对二者的综合利用，对太阳能和风资源要求都低一些，受自然条件的限制较少，应用地域范围更广。

1、风-太阳能互补小容量的风－光互补式路灯：

2.风、光－柴油机互补应用互补互补刚才，我们讨论了风光互补时的两种特殊情况。在这些边远地区，尤其是高山和海岛，往往太阳能和风能资源比较丰富，但互补不足；或者互补可以，但总量不足。这时我们就要因地制宜地，即利用风光互补，又要加入柴油机，实现联合发电运行。

2.风、光－柴油机互补应用互补互补目前，在很多边远或孤立地区，柴油发电机组是提供必要生活和生产用电的常用发电设备或备用设备。柴油价格高，运输不便，有时还供应紧张，因而柴油机发电的成本很高，往往还不能保证电力供应的可靠性。特点：－投资回报率高，节油效果明显(30%以上)－规模小，见效快－稳定性好；

2.1风-柴油机互补应用互补互补风－柴并联运行，是风电和柴油发电最简单的结合方式。可以降低柴油机的平均负载，从而节省燃料。

一种改进方案，在柴油机和发电机之间加一个飞轮和电磁离合器，来控制柴油机是否投入，以有效提高节油率。在运行中不仅弥补了风力发电的不稳定性，而且能最大限度地节约柴油并减少对环境的污染。2.2光-柴油机互补应用互补互补光伏—柴油混合发电系统也有投资率高等优点，但对逆变电源要求较高。（1）要求具有较高的效率，以提高系统效率。（2）要求具有较高的可靠性。（3）要求逆变电源的输出应为良好的正弦波。（4）要求直流输入电压适应范围宽。

3、微型燃气轮机－燃料电池互补互补燃气轮机发电技术已经比较完善，效率较高，且氮