章新能源發(fā)電與控制技術(shù)導(dǎo)論

1機(jī)械工業(yè)出版社新能源發(fā)電與控制技術(shù)（V3.0）江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院2機(jī)械工業(yè)出版社本書主要內(nèi)容第1章新能源發(fā)電與控制技術(shù)導(dǎo)論

第2章電源變換和控制技術(shù)基礎(chǔ)知識

第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)

第5章生物質(zhì)能發(fā)電與控制技術(shù)

第6章分布式電源與微電網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

第7章核能發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)

第8章其他形式新能源的發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)

3機(jī)械工業(yè)出版社緒論新能源利用包括可再生能源(風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮堋淠?、核能轉(zhuǎn)換及其利用新技術(shù)（高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)）。

新能源發(fā)電與控制技術(shù)涉及：①利用可再生能源和清潔能源發(fā)電，以便持續(xù)獲得二次清潔能源―電能；②對電能通過變換與控制，滿足高質(zhì)量的終端能源消費(fèi)需求和電力的高效管理。

4機(jī)械工業(yè)出版社第1章新能源發(fā)電與控制技術(shù)導(dǎo)論5機(jī)械工業(yè)出版社6機(jī)械工業(yè)出版社1.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類與基本特征

1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.4新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義

本章主要內(nèi)容7機(jī)械工業(yè)出版社1.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國的能源結(jié)構(gòu)與儲備

1.中國的能源結(jié)構(gòu)

中國是一個能源大國，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭儲量最為豐富，僅次于俄羅斯、美國。但是，中國又是一個能源貧國，中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。8機(jī)械工業(yè)出版社9機(jī)械工業(yè)出版社

煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀(jì)中葉，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將不會改變。

在能源生產(chǎn)與消費(fèi)中，以煤炭為主要能源直接進(jìn)行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴(yán)重、效率低下、浪費(fèi)驚人。10機(jī)械工業(yè)出版社2.我國的資源和能源儲備

我國對能源的開發(fā)利用已達(dá)到相當(dāng)高的強(qiáng)度，但能源利用效率的低下。我國能源利用效率僅為30%左右，每萬元GDP能耗為世界平均水平的3倍。中國能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當(dāng)突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體制，深入研究、大力開發(fā)和利用新能源，是中國實(shí)現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。11機(jī)械工業(yè)出版社中國一次能源歷年消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2003-2012）12機(jī)械工業(yè)出版社中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2015）世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2015）13機(jī)械工業(yè)出版社中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀14機(jī)械工業(yè)出版社中國歷年煤電發(fā)電量與增長率15機(jī)械工業(yè)出版社中國一次能源的儲量、開采量、消費(fèi)量、可開采年限能源種類一次能源消費(fèi)所占比例至2008年底中國探明儲量到2008年中國開采量2008年中國消費(fèi)量中國消費(fèi)增速（2008年比較2007年按目前儲量可開采年限石油18.76%155億桶13.85億桶29.20億桶3.30%11.1年煤炭70.22%1145億噸1414.5百萬噸（油當(dāng)量）1406.3百萬噸（油當(dāng)量）6.50%41年天然氣3.62%24600億立方米761億立方米807億立方米15.80%32.3年合計92.60%

16機(jī)械工業(yè)出版社1.1.2我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，我國能源發(fā)展成就巨大：實(shí)現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費(fèi)僅翻一番的成就。是能源利用效率大幅度提高。是取得了相當(dāng)大的環(huán)境效益。這些成就為我國的經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國在新能源利用與開發(fā)方面還存在很大差距。17機(jī)械工業(yè)出版社

在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，即將陸續(xù)出臺一系列鼓勵政策與配套措施。這標(biāo)志著可再生能源的利用已進(jìn)入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并將迸發(fā)超前的活力，為中國能源事業(yè)的發(fā)展、為國民經(jīng)濟(jì)與社會事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來，我國將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽能供熱等常規(guī)清潔能源轉(zhuǎn)換成熟技術(shù)和風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機(jī)組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)為重點(diǎn)。

18機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力發(fā)電19機(jī)械工業(yè)出版社水力發(fā)電20機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池汽車21機(jī)械工業(yè)出版社奧體中心光伏發(fā)電項目

22機(jī)械工業(yè)出版社最大地?zé)岚l(fā)電廠-蓋瑟斯地?zé)崽?/p>

23機(jī)械工業(yè)出版社1.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1.能源

能源是可以直接或通過轉(zhuǎn)換提供給人類所需的有用能的資源。世界上一切形式能源的初始來源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽系行星的運(yùn)行。2.能源的分類

“世界能源理事會(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽能；生物質(zhì)能；風(fēng)能；海洋能；地?zé)崮?；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

24機(jī)械工業(yè)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經(jīng)加工與轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點(diǎn)，便少一點(diǎn)。

25機(jī)械工業(yè)出版社二次能源:是指由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。根據(jù)能量表現(xiàn)形式又可分為“過程性能源”和“含能體能源”。含能體能源：指包含能量的物質(zhì)。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。這類含能體可以直接儲存運(yùn)送。過程性能源：指能量比較集中的物質(zhì)在流動（運(yùn)動）過程中產(chǎn)生的能量，或稱能量過程。如流水、海流、潮汐、風(fēng)、地震、直接的太陽輻射、電能等。過程性能源和含能提能源是不能互相替代的，有各自的表現(xiàn)形式與應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油26機(jī)械工業(yè)出版社終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費(fèi)的各種能源。常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費(fèi)的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。27機(jī)械工業(yè)出版社1.2.3新能源及主要特征新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟(jì)上合理；環(huán)境和社會可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮堋淠?、核能；新能源利用技術(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)。28機(jī)械工業(yè)出版社“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”

能源利用方式和能源系統(tǒng)相對立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益，不注重資源、環(huán)境代價的傳統(tǒng)能源利用理念?！靶隆保孩俑咝Ю媚茉?；②資源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

29機(jī)械工業(yè)出版社1.2.4分布式能源及主要特征1.分布式能源

國際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

30機(jī)械工業(yè)出版社國際公認(rèn)的兩個具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組，這是實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池31機(jī)械工業(yè)出版社微型燃?xì)廨啓C(jī)32機(jī)械工業(yè)出版社2.分布式能源主要特征

(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國家輸配電投資(7)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電33機(jī)械工業(yè)出版社分布式能源的發(fā)展34機(jī)械工業(yè)出版社分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)示意圖35機(jī)械工業(yè)出版社1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達(dá)國家風(fēng)電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點(diǎn)主要集中在大型風(fēng)力發(fā)電場與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開發(fā)可靠的風(fēng)力預(yù)報方法；開展與風(fēng)能開發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電等。

36機(jī)械工業(yè)出版社海上風(fēng)力發(fā)電37機(jī)械工業(yè)出版社太陽能發(fā)電傳統(tǒng)市場如日本、美國、歐洲等依然保持強(qiáng)勁發(fā)展勢頭，新興市場如印度，東南亞等國不斷涌現(xiàn)。美國是世界上太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)較早的國家，在太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成數(shù)百個MW級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國最大太陽能發(fā)電項目——“太陽能之星”38機(jī)械工業(yè)出版社家用光伏發(fā)電39機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無污染的能源，主要用途包括：固定地點(diǎn)發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運(yùn)輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國每年投資數(shù)億元開發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進(jìn)的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車40機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池汽車組成框圖41機(jī)械工業(yè)出版社生物質(zhì)發(fā)電

全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當(dāng)于10.2萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界每年耗能（87億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但目前開發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠42機(jī)械工業(yè)出版社核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點(diǎn)：安全、無污染、高效，核能中聚變能是一種無限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣43機(jī)械工業(yè)出版社燃?xì)獍l(fā)電根據(jù)用戶用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃?xì)夤芫W(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達(dá)用戶。由小型燃機(jī)、微型燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃?xì)怆娬疽唤?。帕帕蘭多燃?xì)怆娬镜?臺燃?xì)鈾C(jī)組都是由中國制造?？傃b機(jī)容量為33.6萬千瓦。

44機(jī)械工業(yè)出版社其他還有小水利發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地?zé)崮馨l(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站45機(jī)械工業(yè)出版社1.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電——我國太陽能電池制造水平比較先進(jìn)，實(shí)驗室效率已經(jīng)達(dá)到25%，一般商業(yè)電池效率是15%～18%。風(fēng)能發(fā)電——2009年至2014年，新增風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)5年居全球首位。2014年，我國新增裝機(jī)容量23,196MW，與此同時，累計風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘?14,609MW。地?zé)崮馨l(fā)電——地?zé)崮芪覈責(zé)岚l(fā)電站總裝機(jī)容量100MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個地?zé)犭娬疽?guī)模較大。生物質(zhì)能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用，總裝機(jī)容量約800MW。46機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀(jì)90年代中期以來，我國在燃料電池研究方面取得了較大的進(jìn)展。十三五初期又提升對燃料電池的補(bǔ)貼，從18萬提至20~50萬。燃料電池技術(shù)列入了國家應(yīng)用研究與發(fā)展重大項目，其研究目標(biāo)直指國際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風(fēng)險低、效益穩(wěn)、運(yùn)營成本比較低，在國家各種優(yōu)惠政策的鼓勵下，全國掀起了一股投資建設(shè)小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預(yù)計，中國計劃2020年核能發(fā)電能力將增加到40kMW，投資金額高達(dá)300億美元。開發(fā)時序預(yù)期為：2000－2020年重點(diǎn)開發(fā)先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)；

2020－2030年重點(diǎn)開發(fā)快中子堆技術(shù)；

2030－2040年重點(diǎn)開發(fā)加速器驅(qū)動亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點(diǎn)開發(fā)受控核聚變技術(shù)。

47機(jī)械工業(yè)出版社異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW48機(jī)械工業(yè)出版社1.4新能源發(fā)電與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義1.4.1能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎1.世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2015年世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)49機(jī)械工業(yè)出版社50機(jī)械工業(yè)出版社2.中國能源消費(fèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2015年中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)51機(jī)械工業(yè)出版社我國新能源發(fā)展趨勢52機(jī)械工業(yè)出版社3.我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用

要實(shí)現(xiàn)2020年的發(fā)展目標(biāo)，能源、資源和環(huán)境是最大的制約因素。

新能源利用從廣義化概念講，應(yīng)包括以下3個方面：綜合利用能源

——以提高能源利用效率和節(jié)能為目標(biāo)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式。替代能源

——發(fā)展煤炭潔凈燃燒技術(shù)和煤制油產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，降低對石油進(jìn)口的依賴。新能源轉(zhuǎn)換

——大力發(fā)展以可再生能源為主的新能源利用體系，調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。53機(jī)械工業(yè)出版社1.4.2新能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)意義1.新能源發(fā)電的資源保障（1）光伏發(fā)電

——利用光伏電池將太陽產(chǎn)生的光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電形式

太陽能的轉(zhuǎn)換利用方式有：

光――熱轉(zhuǎn)換光――電轉(zhuǎn)換光――化學(xué)轉(zhuǎn)換但如何合理利用太陽能發(fā)電，提高光――電轉(zhuǎn)換效率，降低開發(fā)和轉(zhuǎn)化成本，是太陽能發(fā)電與控制技術(shù)面臨的重要課題。

54機(jī)械工業(yè)出版社光伏并網(wǎng)系統(tǒng)55機(jī)械工業(yè)出版社（2）風(fēng)能發(fā)電——利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。

中國的風(fēng)能總儲量估計為1.6×109kW，列世界第三位。

截至2014年風(fēng)電裝機(jī)容量為114609MW，已居世界第一。風(fēng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性由風(fēng)車的安裝地點(diǎn)、方向、風(fēng)速等多種因素綜合決定。（3）核能發(fā)電——利用核反應(yīng)堆釋放出的核能量進(jìn)行的發(fā)電形式。

56機(jī)械工業(yè)出版社57機(jī)械工業(yè)出版社（4）小水利發(fā)電——裝機(jī)容量5萬kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱。優(yōu)勢：開發(fā)靈活，可以分散開發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；具有極強(qiáng)的適用性和輻射性；是國際上大力提倡的清潔可再生的綠色能源；在環(huán)境保護(hù)、扶貧及提供農(nóng)村能源等方面均具有顯著作用。小水利58機(jī)械工業(yè)出版社（5）生物質(zhì)能發(fā)電——利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程形成的生物質(zhì)氣、油通過燃燒發(fā)電的形式。

全世界約25億人的生活能源的90%以上是生物質(zhì)能。優(yōu)點(diǎn)：燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點(diǎn)：熱值及熱效率低，能量密度低，直接燃燒