清潔能源陳金強(qiáng)班,個人整理,僅供參考教材

1、什么是能源？ 廣義地講， 能源即能夠向人類提供能量的自然資源。 如煤和石油等化石能源提 供熱能，水力和風(fēng)力提供機(jī)械能，地?zé)崽峁崮埽?太陽提供電磁輻射能 （可轉(zhuǎn)化為熱能或電 能）。 許多自然過程都產(chǎn)生一定的能量，甚至普通的垃圾也可以產(chǎn)生能量，但轉(zhuǎn)化的數(shù)量 和轉(zhuǎn)化的難易程度則差異極大。 因此能源又可定義為較集中而又較容易轉(zhuǎn)化的含能物質(zhì)或含 能資源。能源分類1）按開發(fā)利用的情況： 常規(guī)能源：煤、石油、天然氣、水能、核能等。 新能源：太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、核聚變?nèi)剂系取?）按開發(fā)的步驟：一次能源 : 煤、石油、天然氣、風(fēng)能、水能、太陽能、地?zé)崮?、海洋能等。二次能?: 電力、煤氣、

2、汽油、沼氣、氫氣甲醇、酒精等。3）按能否再生： 可再生能源：水能、太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿龋?非再生能源：煤、石油、天然氣、核能等。4）按開發(fā)利用過程中對環(huán)境的污染情況： 清潔能源：太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能等； 非清潔能源：煤、石油、天然氣等。一次能源： 指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。 （分為可再生能源和非 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 非再生能源包括：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

3、點(diǎn)。二次能源 :是指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(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。 二次能源又可分為 “過程性能源” 和 “合能體能源”。過程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。表 1-2 一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分類表一次 能源可再生能源直接太陽輻射、生物質(zhì)、風(fēng)、流水、 海浪、潮汐、海流、海水溫差、地?zé)?水、地?zé)嵴羝釒r層不可再 生能源化石燃料（煤、石油、天然氣、油頁 巖、可燃冰） 、核燃料 （鈾、 釷、钚、 氘等）二次 能源電能、氫能、

4、汽油、煤油、柴油、火藥、酒精、 甲醇、丙烷、苯胺、焦炭、硝化棉、硝化甘油等圖 1-3. 能量的各種形式和轉(zhuǎn)換太陽常數(shù) 就是指在平均日地距離，垂直于太陽輻射的大氣外層平面上，單位時間、單位面 積上所接收的太陽輻射能，國際上通常取 1357W/m 2在大氣層之外， 在一年中的某一天單位時間、 單位垂直面積上所接收到的太陽輻射能可用下 式計算： I IC（D0）2 IC1 0.034cos 360n （W /m2）C D C 365.25D ：日地距離， D0：日地距離， IC ：太陽常數(shù)， n：從元旦算起的天數(shù) 太陽能光電轉(zhuǎn)換原理 太陽能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽的輻射能光子通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?的過

5、程，通常叫做“光伏效應(yīng)”，太陽電池就是利用這種效應(yīng)制成的。 當(dāng)太陽光照射到半 導(dǎo)體上時， 其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱， 另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞， 于是產(chǎn)生電子空穴對。 這樣， 光能就以產(chǎn)生電子空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋⑷绻雽?dǎo)體內(nèi)存在Pn 結(jié)，則在 P型和 n型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向 n 區(qū)，空穴驅(qū)向 P 區(qū)，從而使得 n 區(qū)有過剩的 電子， P 區(qū)有過剩的空穴，在 P n 結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。若分別在 P型層和 n 型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池 元

6、件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。熱力學(xué)定律 熱力學(xué)第零定律： 如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)溫度相 等，那么這兩個系統(tǒng)溫度 也相等，或者說兩者處于熱力學(xué)平衡。熱力學(xué)第一定律 （能量守恒定律） ：在存在著物質(zhì)進(jìn)出、 做功交換和熱量傳遞的熱力學(xué)系統(tǒng)， 其內(nèi)能的變化（增加）恒等于物質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)所帶入的凈的能量、傳遞給系統(tǒng)的凈的熱量、外 界對系統(tǒng)所做的凈功這三者之和。熱力學(xué)第二定律：有開爾文普朗克表述和克勞休斯表述，對能量轉(zhuǎn)換的方向提出了限制。 熱力學(xué)第三定律：當(dāng)溫度趨向于絕對零度時，凝聚態(tài)的熵變也趨向于零。熱力學(xué)第二定律及其推論 開爾文敘述 :熱機(jī)必須工作于高溫?zé)嵩春?/p>

7、低溫冷源之間。熱機(jī)從高溫?zé)嵩传@得熱量，向外做 功，同時必須向低溫冷源放熱，排出部分熱量，因此熱機(jī)效率永遠(yuǎn)小于1?？藙谛菟箶⑹觯?熱只能從高溫自發(fā)地傳到低溫， 而不能相反。 把熱從低溫物體傳到高溫物體 是可能的，但要對外界產(chǎn)生其它影響。注意效率計算。（熱機(jī)或熱泵 ）太陽能制冷的熱力學(xué)原理由熱力學(xué)定律可知，熱量 （能 ）只能自動地從溫度較高的物體傳導(dǎo)到溫度較低的物體，所以說 物體自然冷卻的過程， 只能使被冷卻的物體之溫度達(dá)到周圍環(huán)境的溫度。 如果要使物體的溫 度降低到比其周圍的環(huán)境溫度更低，就得由外力做功，即由人工制冷（制冷機(jī) ）來完成。人工制冷和用水泵從井中抽水很相似， 如圖 1-2.。將水自低

8、處移到高處，必須通過水泵消耗電 能做功來實(shí)現(xiàn)； 要實(shí)現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳熱， 必須像水泵那樣， 通過壓縮機(jī)消耗電能做 功，使低溫物體的熱量和壓縮機(jī)做功所產(chǎn)生的熱量一起傳向高溫物體（ 周圍環(huán)境 ）。制冷原理 制冷技術(shù)，就是利用制冷劑在比較低的溫度下，其狀態(tài)改變時能吸收較大的熱量 而其本身的溫度卻不改變的特性， 例如 H2 由液體變成氣體的沸點(diǎn)為一 298， 此溫度下， F12由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，每 kg 需吸收約 40ka1（168U）的熱量， 而其本身的溫度卻不變。 電冰箱 就是利用這一原理制成的。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷，就要有一個使液態(tài)制冷劑不斷蒸發(fā)（汽化 ）和冷凝 （液化）的制冷系統(tǒng)，使其周而復(fù)始

9、地工作下去。我們稱這種周而復(fù)始的工作方式為制冷 循環(huán)。 一般情況下，制冷循環(huán)系統(tǒng)包括四個基本部分，即制冷壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥（毛細(xì)管 ）和蒸發(fā)器。壓縮機(jī)吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質(zhì)蒸汽，使之壓力升高后送入冷 凝器， 在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后， 成為壓力較低的液體后， 送入 蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循環(huán)?；鹆Πl(fā)電系統(tǒng)工作原理 所謂火力發(fā)電， 就是將從煤炭、 石油和天然氣等燃料所得到的熱能 變換成機(jī)械能， 再帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能的發(fā)電方式。 火力發(fā)電有汽輪機(jī)發(fā)電、 內(nèi)燃機(jī)發(fā) 電和燃?xì)廨啺l(fā)電等方式。 通常所說的火力發(fā)電， 主要是指汽輪

10、機(jī)發(fā)電， 也就是利用燃料在鍋 爐中燃燒得到的熱能將水加熱成為蒸汽， 蒸汽沖動汽輪機(jī)， 汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電。 火力 發(fā)電系統(tǒng)由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備和許多附屬設(shè)備組成?；鹆Πl(fā)電的原理 燃料燃燒產(chǎn)生的熱能將鍋爐中的水加熱產(chǎn)生濕飽和蒸汽，濕飽和蒸汽通過 輸汽管時繼續(xù)加熱成為干飽和蒸汽， 再經(jīng)過過熱器進(jìn)一步加熱成為過熱蒸汽。 高溫高壓的過 熱蒸汽通過汽輪機(jī)噴嘴后，壓力和溫度降低，體積膨脹，流速增高，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，推?汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動， 由汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。 汽輪機(jī)排出的低溫低壓蒸汽送進(jìn)凝汽器凝結(jié)成 水，再送入鍋爐循環(huán)使用?；鹆Πl(fā)電過程中， 燃料的熱能要經(jīng)過鍋爐、 汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)才能

11、轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在鍋爐和汽輪機(jī)等處都有能量損失，其熱效率只有30-40 左右。太陽能熱發(fā)電的類型和特點(diǎn) 太陽能是一種能流密度很低的能源， 若要提高經(jīng)濟(jì)效益， 就必 須提高熱機(jī)效率和規(guī)模大型化。 太陽輻射能很容易以極高的效率轉(zhuǎn)換為熱能， 但把熱能轉(zhuǎn)變 為功則受到限制。 熱力學(xué)第二定律和卡諾定律闡述了熱轉(zhuǎn)換為功的條件和最大轉(zhuǎn)換效率， 提 高熱機(jī)效率的主要途徑是提高熱源溫度。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分類： 塔式電站、碟式電站、槽式電站、太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng) 塔式電站 塔式電站的優(yōu)點(diǎn)是聚光倍數(shù)高， 容易達(dá)到較高的工作溫度； 能量集中過程由反射 光一次完成，方法簡捷有效；吸收器散熱器面積相對較小，光熱轉(zhuǎn)換效率高。但塔

12、式電站建設(shè)費(fèi)用高，其中反射鏡的費(fèi)用占50%以上。太陽能塔式電站的總體效率可以達(dá)到20%。塔式電站的致命缺點(diǎn)是太陽能電站規(guī)模越大， 反射鏡陣列的占的面積越大， 吸收塔的高度也要 提升。塔式、槽式和碟式三種電站技術(shù)比較： 塔式電站和碟式拋物鏡集熱器分散布置式電站均為點(diǎn)聚焦， 聚光倍數(shù)高達(dá) 500 以上。 碟式效 率最高但系統(tǒng)復(fù)雜。 但塔式電站的跟蹤代價高， 碟式電站的能量集中代價大， 二者受到了目 前技術(shù)水準(zhǔn)的限制，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化尚需時日。槽式電站是線聚焦，聚光倍數(shù)小于100。但槽式電站跟蹤精度低， 導(dǎo)致控制代價小， 同時采用管狀吸收器， 工作介質(zhì)受熱流動同時集中能量。 槽式電站的總體代價相對小，經(jīng)濟(jì)

13、效益相對提高，所以目前槽式電站發(fā)展迅速。太陽電池分類1. 按照基體材料分類： 晶硅太陽電池， 包括：單晶硅和多晶硅太陽電池 ；非晶硅太陽電池 ； 薄膜太陽電池 ；化合物太陽電池，包括：砷化鎵電池；硫化鎘電池；碲化鎘電池；硒銦銅 電池等 ；有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池 等。2. 按照結(jié)構(gòu)分類： 同質(zhì)結(jié)太陽電池、異質(zhì)結(jié)太陽電池、肖特基結(jié)太陽電池、復(fù)合結(jié)太陽電 池、液結(jié)太陽電池等3. 按照用途分類：空間太陽電池、地面太陽電池、光敏傳感器4. 按照工作方式分類：平板太陽電池、聚光太陽電池 多晶硅太陽電池制作工藝與單晶硅太陽電池 差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效 率則要降低不少， 其光電轉(zhuǎn)換效率約 12左

14、右 （2004 年 7 月 1 日日本夏普上市效率為 14.8% 的世界最高效率多晶硅太陽能電池 ）。 從制作成本上來講， 比單晶硅太陽能電池要便宜一些， 材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。此外，多晶硅太陽能電 池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。P-N 結(jié)的光伏效應(yīng) 當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時，一部分光將深入到半導(dǎo)體及 P-N 結(jié)內(nèi)部。 半導(dǎo)體中的電子吸收了能量大于禁帶寬度的光子后， 發(fā)生帶間躍遷， 在勢壘區(qū)附近產(chǎn)生光生 電子 -空穴對。在內(nèi)建電場的作用下，勢壘區(qū)內(nèi)及其附近擴(kuò)散到勢壘區(qū)的光生空穴被掃向P區(qū)，光生電子被掃向 N 區(qū)；從而在 P 區(qū)內(nèi)儲存大量過剩的空穴，

15、形成空穴積累，在 N 區(qū)內(nèi) 儲存大量過剩的電子， 形成電子積累。 這種積累使 P 區(qū)端電勢升高， N 區(qū)端電勢降低， 其效 果是中和了部分空間電荷，使 P-N 結(jié)內(nèi)建電場的作用減弱勢壘高度降低，從而在 P-N 結(jié) 附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場，產(chǎn)生光生電壓，這就是 P-N 結(jié)的光生伏特效應(yīng)， 簡稱光伏效應(yīng)。太陽能電池的效率分析 圖中光線表示有一部分光線在表面被反射回去。光線表示在接近電池表面被吸收的光線，它們可以產(chǎn)生電子 -空穴對，但是這些少數(shù)載流子在達(dá)到P-N 結(jié)之前又復(fù)合還原，對外不產(chǎn)生光生電壓，它們大部分是吸收系數(shù)較大的短波光線。 光線表示在 P-N 結(jié)附近被吸收生成電子 -空穴

16、對的光線， 這些電子 - 空穴對被 P-N 結(jié)的漂移作用分離而產(chǎn)生光生電 壓，這是使太陽能電池能夠發(fā)電的有用光線。 光線表示在 電池片深處、離 P-N 結(jié)較遠(yuǎn)的地方被吸收的光線，也產(chǎn)生 電子 -空穴對，僅在到達(dá) P-N 結(jié)之前又被復(fù)合，不產(chǎn)生光生電壓表示被電池吸收，但是出于能量較小，不能產(chǎn)生電子 -空穴對的光線，這部分能量加熱太陽能電池， 使太陽能電池溫度上升。 光線表示未被電池吸收而透射過去的光線可以看 出。 能夠產(chǎn)少光生電壓的是光線，盡可能增加它的數(shù)量，才能提高太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率。光電轉(zhuǎn)換效率 是指受光照的單體太陽能電池所產(chǎn)生的最大輸出電功率與入射到該電池受光幾何平面面積上的全部光

17、的輻射功率的百分比。對于單晶硅太陽能電池，理論上限是27%，目前研究得到的最大值為 24%左右。并聯(lián)時需要工作電壓相同的組件，并在每一條并聯(lián)線路串接阻 塞二極管。串聯(lián)時需要工作電流相同的組件，并為每個組件并 接旁路二極管。阻塞二極管 是用來控制光伏系統(tǒng)中的電流的，任何一個獨(dú)立光 伏系統(tǒng)都必須有防止從蓄電池流向陣列的反向電流的方法或有 保護(hù)失效單元的方法。如果控制器沒有這項功能的話，就要用 到阻塞二極管。一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他 有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件 此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的

18、部分能量， 都可能被遮蔽的電池所消耗。 為了防止太陽電池 由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞， 最好在太陽電池組件的正負(fù)極間 并聯(lián)一個旁路二極管 ，以避免光 照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。太陽能電池組件方陣(a)縱聯(lián)橫并； (b) 橫聯(lián)縱并 圖示為同樣 64 塊太陽能電池組件分別用 4 并 8 串方 式組成方陣。 在圖中可以看到， 當(dāng)遇到有局部陰影時， (a)中連接的總線電壓下降， 輸出電池也大幅下降， 系 統(tǒng)有可能不能正常工作； 而 (b)中連接的總線電壓可保 持不變，雖然少了一組電流，但系統(tǒng)卻能正常工作。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響隨著技術(shù)和市場的發(fā)展， 當(dāng)光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量在電網(wǎng)中與火電

19、廠， 水電， 核電等電廠的發(fā) 電量處于可比較的數(shù)量級和成為不可忽略的一部分時， 光伏并網(wǎng)發(fā)電將對現(xiàn)有發(fā)電模式和電 網(wǎng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策和環(huán)境效益帶來如下問題：1. 負(fù)荷峰谷對電網(wǎng)的影響。 由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備調(diào)峰和調(diào)頻能力， 這將對電網(wǎng)的早 峰負(fù)荷和晚峰負(fù)荷造成沖擊。 因為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加的發(fā)電能力并不能減少電力系統(tǒng)發(fā) 電機(jī)組的擁有量或冗余， 所以電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組來解決早峰 和晚峰的調(diào)峰問題。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機(jī)組利用小時數(shù)下降為代價的。 當(dāng)然 是發(fā)電商所不愿意看到的。2. 晝夜變化，東西部時差以及季節(jié)的變化對電網(wǎng)的影響。由于陽光和負(fù)荷出現(xiàn)的

20、周期性， 光伏并網(wǎng)發(fā)電量的增加并不能減少對電網(wǎng)裝機(jī)容量的需求。3. 氣象條件的變化。當(dāng)一個城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達(dá)到一定規(guī)模時，如果地理氣象出現(xiàn) 大幅變化， 電網(wǎng)將為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的區(qū)域性旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組和無功補(bǔ)償容量， 來 控制和調(diào)整系統(tǒng)的頻率和電壓。 在這種情況下， 電網(wǎng)將以犧牲經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式為代價來保證電 網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4. 遠(yuǎn)距離光伏電能輸送。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電遠(yuǎn)距離輸送電力在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上成為可能時，由 于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒有旋轉(zhuǎn)慣量， 調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)， 它將給交流電網(wǎng)帶來新的穩(wěn)定問題。 如 果光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模采用高壓交直流送電， 將會給與光伏發(fā)電直流輸電系統(tǒng)相鄰的交流 系統(tǒng)帶來

21、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)問題， (專門用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的輸電線路， 由于使用效率低，將對荒 漠太陽能的利用形成制約。 用于借道或者兼顧輸送光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電能的輸電線路， 由于負(fù)荷率低下，顯得很不經(jīng)濟(jì)。） 不論采用高壓交流或直流送出，光伏并網(wǎng)發(fā)電站都必須配備 自動無功調(diào)壓裝置。 至于對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響， 目前還未見到光伏發(fā)電在電網(wǎng)穩(wěn)定計算中的數(shù) 學(xué)模型（包括電源模型和負(fù)荷模型）。5. 降耗問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電的一個主要優(yōu)勢是可替代礦物燃料的消耗。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電 增加了發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)備用或者是熱備用， 因此， 光伏并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)際降耗比率應(yīng)該扣 除旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組或熱備用機(jī)組損失的能量。 光伏并網(wǎng)發(fā)電的降耗效率應(yīng)

22、該考慮到由于光伏并 網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供的電力導(dǎo)致發(fā)電公司機(jī)組利用小時數(shù)降低帶來的效率損失。6. 環(huán)保問題。光伏發(fā)電帶來的減排效果是否應(yīng)該只考慮火電排放的二氧化硫和二氧化碳還 有待討論， 因為當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電時， 同樣電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時，往往減也不僅僅只由水電廠來承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用的任。因此，在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的減排節(jié)能減排的效果并不像一些文章中所講少出力的不僅僅是火電廠， 因而考慮旋轉(zhuǎn)備用時， 務(wù)（水電廠承當(dāng)旋轉(zhuǎn)備用任務(wù)時同樣要損失水能） 貢獻(xiàn)時， 也應(yīng)該在理論值前乘以一個小于一的系數(shù)。 的那么樂觀。生物質(zhì)能的定義與范疇 生物質(zhì)能能源是通過綠色植物的光合作用將太陽輻射的能量以一種生物

23、質(zhì)形式固定下來的 能源。生物質(zhì)利用：太陽能驅(qū)動的碳、氫、氧循環(huán)。碳、氫、氧循環(huán)是人類最重要的間接利 用太陽能的方式 注意看生物質(zhì)的產(chǎn)生和利用循環(huán)圖 風(fēng)玫瑰圖“風(fēng)玫瑰圖” 是一個給定地點(diǎn)一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。 通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。 最常見的風(fēng)玫瑰圖是一個圓， 圓上引出 16條放射線， 它們代表 16個不同的方向， 每條直線 的長度與這個方向的風(fēng)的頻度成正比。 靜風(fēng)的頻度放在中間。 有些風(fēng)玫瑰圖上還指示出了各 風(fēng)向的風(fēng)速范圍。風(fēng)玫瑰圖 （a）風(fēng)向的 16 個方位； （b）風(fēng)玫瑰示意圖風(fēng)力機(jī)又稱風(fēng)車， 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、 電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。 風(fēng)力機(jī)的類型 很多， 通常將其

24、分為水平軸風(fēng)力機(jī)， 垂直軸風(fēng)力機(jī)和特殊風(fēng)力機(jī)三大類。 但應(yīng)用最廣的還是 前兩種類型的風(fēng)力機(jī)。2011年中國新增裝機(jī)占比 43.46% 2011 年中國累計裝機(jī)占比 26.24% 中國能源電力戰(zhàn)略發(fā)展方向 截至 2011 年，風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到 6236.42 萬千瓦，居世界第一， 占全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量的 26.2%；預(yù)計到 2020 年，我國風(fēng)電裝機(jī)將至少達(dá)到 1.5 億千瓦， 太陽能發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到 2000 萬千瓦；預(yù)計到 2030 年，新能源占我國國內(nèi)一次能源供應(yīng)的比 重達(dá)到 25%。中國風(fēng)電發(fā)展特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括兩大部分； 一部分是風(fēng)力機(jī)， 由它將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能； 另一部分是發(fā)電 機(jī)，由

25、它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)械、電氣及共控制設(shè)備的 組合。通常包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、變速器 （小、微容量及特殊類型的也有不包括變速器的）及有關(guān)控制器和儲能裝置。風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計思想 是盡可能便宜地生產(chǎn)電能。 風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計基于目標(biāo)風(fēng)場的風(fēng)速條件， 因此 風(fēng)輪機(jī)一般被設(shè)計成在風(fēng)速為 815m s 時具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。人們 不會花大力氣把風(fēng)機(jī)設(shè)計在強(qiáng)風(fēng)時有最多電能產(chǎn)出，因為強(qiáng)風(fēng)天氣不多見。 因此，在強(qiáng)風(fēng) 天氣時必須浪費(fèi)部分多余風(fēng)能， 以避免損壞風(fēng)機(jī)。 所以所有的風(fēng)機(jī)都設(shè)計有某種能量控制裝 置，在現(xiàn)代風(fēng)機(jī)上有兩種不同的安全實(shí)現(xiàn)方式。 可調(diào)楔

26、角控制風(fēng)輪機(jī)和被動失速控制風(fēng)輪機(jī)。 可調(diào)楔角控制風(fēng)輪機(jī)。 在可調(diào)楔角控制 （pitch） 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電子控制器每 秒鐘檢查幾次風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能輸出。 當(dāng)能量輸出過高時， 它就會向槳葉調(diào)節(jié)裝置發(fā)出一個 指令， 后者將立即把槳葉輕微地轉(zhuǎn)動一個角度，減小沖角使之偏離最佳值；反之， 當(dāng)風(fēng)速再次降低時， 槳葉就會回復(fù)原來的最佳沖角。 因此， 安裝在輪轂上的槳葉必須能夠繞風(fēng)輪的徑 向縱軸轉(zhuǎn)動。被動失速控制 被動失速控制風(fēng)輪機(jī)的槳葉是經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計的，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速增大到某一特定 的數(shù)值時，槳葉的沖角就會達(dá)到失速邊界，開始出現(xiàn)失速。被動失速控制風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片沿縱向是微螺旋形（也稱為彎扭葉片 ）

27、的，即楔角隨著半徑的增大而減小。 除了前面介紹的原因外， 這樣做的另一方面原因是確保當(dāng)風(fēng)速達(dá)到失速臨界 值時葉輪能夠平穩(wěn)失速而不要突然全面爆發(fā)。 或者說， 失速是自葉根部位開始的， 隨著風(fēng)速 的增加逐步向葉尖的方向發(fā)展。被動失速控制的主要優(yōu)點(diǎn)是避免了扭動葉輪轉(zhuǎn)子本身的部 分，而且不用復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 而另一方面則出現(xiàn)了復(fù)雜的氣體動力學(xué)設(shè)計難題， 還有相關(guān) 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計的挑戰(zhàn)， 比如說怎樣避免誘發(fā)失速的振動等。 現(xiàn)在， 世界 上安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大約有 23 采用的是被動失速控制方式。主動失速控制風(fēng)機(jī) 越來越多的大型風(fēng)機(jī) （1MW 及以上 ）在發(fā)展主動失速控制裝置。主動失 速控

28、制風(fēng)輪機(jī)技術(shù)上與可調(diào)楔角控制的風(fēng)輪機(jī)有些相像， 因為它們都可以扭轉(zhuǎn)槳葉。 為了在 低風(fēng)速時能夠有足夠大的力矩， 這種風(fēng)輪機(jī)通常設(shè)計在低風(fēng)速時像可調(diào)楔角控制風(fēng)輪機(jī)那樣 轉(zhuǎn)動槳葉，從而獲得最佳的沖角 （不過通常只是根據(jù)風(fēng)速情況采取幾個固定角度）。然而，當(dāng) 風(fēng)速增大， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力達(dá)到額定功率時， 就會體現(xiàn)出它與可調(diào)楔角控制風(fēng)輪機(jī)的重要 差別：當(dāng)發(fā)電機(jī)將要超負(fù)荷時，它轉(zhuǎn)動槳葉的方向與可調(diào)楔角控制風(fēng)輪機(jī)的方向恰恰相反。 可調(diào)楔角控制風(fēng)輪機(jī)是通過減小沖角來使之小于最佳值， 而主動失速控制的方法是繼續(xù)增加 沖角，使槳葉失速來浪費(fèi)多余的風(fēng)能。 主動失速控制的一個優(yōu)點(diǎn)是能夠比被動失速控制更精 確地控制能量

29、輸出， 以避免剛起大風(fēng)時風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)超負(fù)荷。 另一個優(yōu)點(diǎn)是幾乎在所有強(qiáng) 風(fēng)天氣都能保持額定功率運(yùn)行， 而一般被動失速控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高風(fēng)速時通常會因為葉 輪失速而使電能輸出降低。主動失速控制裝置通常通過液壓裝置或步進(jìn)電動機(jī)來驅(qū)動。 但 是，與被動失速控制相比， 主動失速控制有一個經(jīng)濟(jì)問題： 加裝動葉轉(zhuǎn)動裝置顯然會增加風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的投資，同時也會增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。海洋能 指依附在海水中的可再生能源， 海洋通過各種物理過程接收、 儲存和散發(fā)能量， 這些 能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在于海洋之中。海洋能特點(diǎn)1、海洋能密度低。海洋能在海洋總水體中的蘊(yùn)藏量巨大，而單位體積

30、、單位面積、單位長 度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。2、海洋能具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球 等天體與地球共存，這種能源就會再生，就會取之不盡，用之不竭。3、海洋能有較穩(wěn)定與不穩(wěn)定能源之分。較穩(wěn)定的為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩(wěn)定 能源分為變化有規(guī)律與變化無規(guī)律兩種。 屬于不穩(wěn)定但變化有規(guī)律的有潮汐能與潮流能。 人 們根據(jù)潮汐潮流變化規(guī)律， 編制出各地逐日逐時的潮汐與潮流預(yù)報， 預(yù)測未來各個時間的潮 汐大小與潮流強(qiáng)弱。 潮汐電站與潮流電站可根據(jù)預(yù)報表安排發(fā)電運(yùn)行。 既不穩(wěn)定又無規(guī)律的 是波浪能。4、海洋能屬于清潔

31、能源，也就是海洋能一旦開發(fā)后，其本身對環(huán)境污染影響很小。海洋能總量 據(jù)權(quán)威統(tǒng)計， 全世界海洋能的理論可再生量超過 760 億千瓦。海水溫差能約 400 億千瓦。鹽度差能約 300億千瓦。潮汐能大于 30 億千瓦。波浪能約 30億千瓦。全球到 2030 年的電力裝機(jī)容量將增長至 48 億千瓦。我國電力裝機(jī)容量 2009 年底達(dá) 8.6 億千瓦。 地球的內(nèi)部構(gòu)造 地幔厚度約 2900 千米，上地幔主要是橄欖石，下地幔是具有一定塑性的 固體物質(zhì)。地核的平均厚度約 3400 千米，外核是液態(tài)的，可流動；內(nèi)核是固態(tài)的，主要由 鐵、鎳等金屬元素構(gòu)成。中心密度為每立方厘米13 克，溫度最高可達(dá) 5000左右

32、，壓力最大可達(dá) 370 萬個大氣壓。地?zé)崮?，簡單地說就是來自地下的熱能，即地球內(nèi)部的熱能。地?zé)嵴羝l(fā)電 (1)背壓式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。最簡單的地?zé)岣烧羝l(fā)電，是采用背壓式汽輪機(jī)地?zé)嵴羝l(fā)電 系統(tǒng)。 工作原理：首先把干蒸汽從蒸汽井中引出， 先加以凈化，經(jīng)過分離器分離出所含的固 體雜質(zhì)，然后就可把蒸汽通入汽輪機(jī)做功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。 做功后的蒸汽，可直接排入大 氣；也可用于工業(yè)生產(chǎn)中的加熱過程。 應(yīng)用： 這種系統(tǒng)大多用于地?zé)嵴羝胁荒Y(jié)氣體含量 很高的場合，或者綜合利用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的場合(2)凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng) 為提高地?zé)犭娬镜臋C(jī)組出力和發(fā)電效率，通常采用凝汽式汽輪機(jī)地?zé)嵴羝l(fā)電系統(tǒng)。

33、在該系統(tǒng)中， 由于蒸汽在汽輪機(jī)中能膨脹到很低的壓力， 因而能做出更多的功。 做功后的蒸 汽排入混合式凝汽器，并在其中被循環(huán)水泵打入冷卻水所冷卻而凝結(jié)成水，然后排走。 在凝汽器中，為保持很低的冷凝壓力，即真空狀態(tài)，設(shè)有兩臺帶有冷卻器的抽氣器來抽氣， 把由地?zé)嵴羝麕淼母鞣N不凝結(jié)氣體和外界漏入系統(tǒng)中的空氣從凝汽器中抽走。地下熱水發(fā)電 兩種方式：閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)；雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)（1）閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)：直接利用地下熱水所產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)工作。也叫做減壓擴(kuò) 容法地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。類型：可以分為： 1）單級閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng) （又包括濕蒸汽型和熱水型兩種 ）；2）兩級閃蒸 地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)； 3）全流法地?zé)?/p>

34、發(fā)電系統(tǒng)； （2）雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)：利用地下熱水來加熱某種低沸點(diǎn)工質(zhì)，使其產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽輪 機(jī)工作。 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電也叫做低沸點(diǎn)工質(zhì)地?zé)岚l(fā)電或中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電，又叫做熱交 換法地?zé)岚l(fā)電。 在這種發(fā)電系統(tǒng)中， 低沸點(diǎn)介質(zhì)常采用兩種流體； 一種是采用地?zé)崃黧w作熱 源；另一種是采用低沸點(diǎn)工質(zhì)流體作為一種工作介質(zhì)來完成將地下熱水的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械 能。所謂雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)即是由此而得名。常用的低沸點(diǎn)工質(zhì)有氯乙烷、正丁烷、 異丁 烷、氟利昂 11、氟利昂 12 等。21 世紀(jì)最有前途的能源有兩種 ：氫能、受控核聚變能 氫能的優(yōu)勢 1.地球上的氫元素十分豐富 2.氫氣是最潔凈的燃料 3.氫能的高效率

35、4.氫是可儲 存的二次能源氫氣儲存和輸運(yùn)中的考慮 氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在，且易燃 （4-75%） 、易爆 （15-59%） ，這就為儲存和運(yùn)輸帶來了很大的困難。當(dāng)氫作為一種燃料時，必然具有分散性和 間歇性使用的特點(diǎn)，因此必須解決儲存和運(yùn)輸問題。儲氫和輸氫技術(shù)要求能量密度大（包含單位體積和質(zhì)量儲存的氫含量大 ）、能耗少、安全性高。當(dāng)作為車載燃料使用（如燃料電池動力汽車 ）時，應(yīng)符合車載狀況所需要求。一般來說，汽車行駛400 km 需消耗汽油 24 kg，而以氫氣為燃料則只需要 8 kg（內(nèi)燃機(jī)，效率 25%）或 4 kg（燃料電池，效率 50-60%） 。 氫氣的儲存和輸運(yùn)方法 總體說來，氫氣儲存可分為物理法和化學(xué)法兩大類。物理儲存方法 主要包括液氫儲存、 高壓氫氣儲存、 活性炭吸附儲存、碳纖維和碳納米管儲存、玻璃微球儲 存、地下巖洞儲存等。 化學(xué)儲存方法有金屬氫化物儲存、 有機(jī)液態(tài)氫化物儲存、 無機(jī)物儲存、 鐵磁性材料儲存等。 氫氣的輸運(yùn)與氫氣儲存技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)， 目前氫氣的運(yùn)輸方式主要 包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫