《新能源發(fā)電技術(shù)第2版》 課件全套 朱永強 第1-10章 能源概述- 分布式發(fā)電與能源互補

第1講能源概述§1.1.1

資源和能源——資源——在一定時期和地點，在一定條件下具有開發(fā)價值、能夠滿足或提高人類當前和未來生存和生活狀況的自然因素和條件，

稱為自然資源，有時簡稱資源。包括氣候資源、水資源、礦物資源、生物資源、能源，等等。——能源——能源就是能夠向人類提供某種形式能量的自然資源，包括所有的燃料、流水、陽光、地熱、風(fēng)等，通過適當?shù)霓D(zhuǎn)換手段可使其為人類生產(chǎn)和生活提供所需的能量。例如煤和石油等化石能源燃燒時提供熱能，流水和風(fēng)力可以提供機械能，太陽的輻射可轉(zhuǎn)化為熱能或電能。§1.1

能源的概念各種能源均有優(yōu)點，也各有不足。如何進行評價和比較？(1)能流密度即在單位空間或單位面積內(nèi)，能夠從某種能源獲得的功率?；剂吓c核燃料的能流密度大，各種可再生能源的能流密度一般都比較小。能量密度太小，則不利于開發(fā)利用，因為經(jīng)濟性太差。能流密度較小的太陽能、風(fēng)能等可再生能源，小規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)已經(jīng)相當成熟，大規(guī)模開發(fā)時需要安排較大的接收面積?！?.1.2

能源的評價標準煤各種燃料的熱值是不同的，在統(tǒng)計能源的生產(chǎn)和消費，特別在計算能耗指標時，常定義一種假想的標準燃料，即標準煤。標準煤的熱值為2.9×104kJ/kg。各種燃料均可按平均發(fā)熱量折算成標準煤。(2)開發(fā)費用和設(shè)備造價化石能源與核燃料，勘探、開采、加工、運輸，都需投入大量人力、物力。而使用天然氣和石油的發(fā)電設(shè)備以及水電設(shè)備，單位容量的初期投資較小。太陽能、風(fēng)能等可再生能源，開發(fā)費用主要是開發(fā)能源的一次性投資，設(shè)備造價比較高；而運營費用很低。(3)存儲的可能性與供能的連續(xù)性即能源可以連續(xù)供應(yīng)，需要能量時可以馬上提供，不用時能夠大量存儲。化石燃料都比較容易存儲，也便于連續(xù)供應(yīng)。太陽能、風(fēng)能等可再生能源則不易保存，

能量供應(yīng)也可能有波動性和間斷性。(4)運輸費用與損耗能源的資源分布與能源利用的需求分布，往往并不一致。從能源開發(fā)地點到使用地點，運輸過程本身也要投資并消耗能源，遠距離運輸?shù)某杀竞蛽p耗會影響能源的使用。太陽能、風(fēng)能、地熱能，是難以運輸?shù)??；剂峡梢赃\輸，但要考慮運輸?shù)某杀竞秃哪堋?5)對環(huán)境的影響化石燃料燃燒過程中會排放CO2等溫室氣體，甚至還有一些有毒的或腐蝕性物質(zhì)，對環(huán)境影響較大。核燃料有放射性污染及廢料處理的問題?？稍偕茉创蠖嗍菨崈裟茉?，對環(huán)境的影響較小。(6)蘊藏量作為可以長期利用的能源，在地球上的蘊藏量要足夠豐富。此外，能源的地理分布對其開發(fā)利用也有影響?；剂系确窃偕茉?，蘊藏量是有限的，總有用完的時候。太陽能、風(fēng)能等可再生能源，可以循環(huán)使用，不斷的得到補充，即使每年更新的數(shù)量有限，長期來看，也是無窮無盡的。(7)能源品位能源品味反映的是能源利用的方便程度。一般來說，二次能源要比一次能源品味高。能直接變成機械能和電能的能源（如水力和風(fēng)能），要比那些必須先經(jīng)過熱利用環(huán)節(jié)的能源（如化石燃料）的品位高。(1)一次能源vs二次能源（按形成條件）§1.2

能源的分類一次能源：定義：以天然形態(tài)存在于自然界中，可直接取得而不需改變其基本形態(tài)的能源。舉例：太陽能；風(fēng)能；海洋能(包括潮汐能、波浪能、海水溫差能、鹽差能、海流能等)；現(xiàn)代生物質(zhì)能(包括垃圾發(fā)電、秸稈發(fā)電、沼氣發(fā)電等)；煤炭；石油；地熱能；天然氣；水能；核能二次能源：定義：由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而獲得的另一種形態(tài)的能源。舉例：氫能；電能；蒸汽能一次能源的來源自然界中一次能源的初始來源，大致有三種情況：①來自地球以外天體（主要是太陽）的能量，例如能以光和熱的形式直接利用的太陽能，以化石或生物體等物質(zhì)形式存儲的能量，以風(fēng)、水流、波浪等形式體現(xiàn)的能量；②來自地球內(nèi)部的能源，主要是核能和地熱能；③地球與其他天體相互作用產(chǎn)生的能量，例如月亮、太陽引力變化形成的海洋潮汐能。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應(yīng)用狀況）常規(guī)能源是指在當前的技術(shù)水平和利用條件下，已被人們廣泛應(yīng)用了較長時間的能源，現(xiàn)階段主要是指煤炭、石油、天然氣、水能、核（裂變）能。這類能源，使用較普遍，技術(shù)較成熟。目前，世界能源消費絕大部分靠這五大能源來供應(yīng)。新能源是指由于技術(shù)、經(jīng)濟或能源品質(zhì)等因素而未能大規(guī)模使用的能源，如太陽能、風(fēng)能、海洋能、地熱、生物質(zhì)、氫能、核聚變能等。這類能源，已經(jīng)開始或即將被人們推廣利用，但目前還沒有被大規(guī)模使用，有的甚至還處于研發(fā)或試用階段。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應(yīng)用狀況）常規(guī)能源和新能源的分類是相對的，不同歷史時期會變化，這取決于應(yīng)用歷史和使用規(guī)模。例如在1950年代，核(裂變)能屬于新能源，但隨著其開發(fā)和利用的日益廣泛，世界上不少國家已把它被歸為常規(guī)能源。有些能源雖然應(yīng)用的歷史很長，但正經(jīng)歷著利用方式的變革，而那些較有發(fā)展前途的新型應(yīng)用方式尚不成熟或規(guī)模還小，也被歸為新能源，例如太陽能、風(fēng)能。在中國，新能源指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的一次能源，包括太陽能、風(fēng)能、海洋能、地熱能、生物質(zhì)能等。(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復(fù)能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內(nèi)無法恢復(fù)），總有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均為非再生能源。據(jù)估計，按照現(xiàn)有的探明儲量和開采程度，地球上的化石燃料最多還可使用幾百年?；茉吹膬Σ杀龋辏狟P世界能源統(tǒng)計2020煤：132年天然氣：49.8年石油：50年(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復(fù)能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內(nèi)無法恢復(fù)），總有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均為非再生能源。據(jù)估計，按照現(xiàn)有的探明儲量和開采程度，地球上的化石燃料最多還可使用幾百年?？稍偕茉?，可以循環(huán)使用，能夠有規(guī)律地不斷得到補充，沒有使用期限，也不會因長期使用而減少。如太陽能、水能、風(fēng)能、海洋能、地熱能和生物質(zhì)能，均為可再生能源。大中型水電和傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用為舊的可再生能源，其開發(fā)相對比較成熟，但對環(huán)境有較大的不利影響。太陽能、風(fēng)能、地熱能、海洋能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、氫能等為可再生新能源。(4)含能體能源和過程性能源(按能源存在和轉(zhuǎn)移形式)含能體能源是指包含著能量的物質(zhì)或?qū)嶓w。例如化石燃料、核燃料、生物質(zhì)、地熱水和地熱蒸汽，等等。這類能源可以直接儲存和運輸。過程性能源是指隨著物質(zhì)運動而產(chǎn)生、并且僅以運動過程的形式存在的能源。如天上刮的風(fēng)、河里流的水、漲落的海潮、起伏的波浪、地球內(nèi)部的地熱等。這類能源無法直接儲存和運輸。(5)清潔能源和非清潔能源(按環(huán)境污染程度)清潔能源是指對環(huán)境沒有污染或污染較小的能源，

有時也叫綠色能源。可以是本身就不產(chǎn)生污染物的能源，如太陽能,風(fēng)能,海洋能；也可以是“變廢為寶”，利用能源與環(huán)境保護相結(jié)合的開發(fā)方式，例如垃圾發(fā)電、沼氣等生物質(zhì)能利用。非清潔能源是指可能對環(huán)境造成較大污染的能源，例如煤炭等化石燃料。清潔與非清潔能源的劃分也是相對的。與煤炭相比，過去曾認為石油是清潔能源，而與風(fēng)能、太陽能等相比，它就顯得不夠清潔了，也會產(chǎn)生氧化氮、氧化硫等有害物質(zhì)。塞罕壩風(fēng)電場，全國首個百萬千瓦級風(fēng)電基地甘肅敦煌100MW熔鹽塔式光熱電站我國首個雙向潮汐能發(fā)電站——溫嶺江廈潮汐電站西藏羊八井地熱二分場§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響任何一種能源的開發(fā)利用都會給環(huán)境造成一定的影響。（1）大氣污染化石燃料的利用過程會產(chǎn)生CO、SO2、NOx等有害氣體，不僅能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞，還會直接損害人體健康。2017年全球因長期暴露于室外和室內(nèi)空氣污染而死于中風(fēng)、心臟病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人數(shù)達到近500萬；而在中國，該數(shù)字是120萬。在全球范圍內(nèi)，室外和室內(nèi)空氣污染致人均預(yù)期壽命縮短達20個月，其影響堪比吸煙?！?.3

能源與環(huán)境問題§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（2）溫室效應(yīng)大氣中CO2的濃度增加一倍，地表平均溫度將上升1.5～3℃，在極地可能會上升6～8℃，結(jié)果可能導(dǎo)致海平面上升20～140cm，將給許多國家造成嚴重的經(jīng)濟和社會影響。由于大量化石燃料的燃燒，大氣中CO2的濃度不斷增加，每100萬大氣單位中的CO2含量，在工業(yè)革命前為280個單位，到1988年增長為349個單位。2018年，全球碳排放為近七年最高增速，能源消費新產(chǎn)生的碳排放達6億噸，相當于在地球上增加三分之一的乘用車所產(chǎn)生的排放。§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響溫室效應(yīng)的加劇引發(fā)了冰雪圈、生物圈甚至全球性的連鎖反應(yīng)。白化的珊瑚南極思韋茨冰川融化§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（3）酸雨SO2、NOx等污染物，經(jīng)大氣傳輸，在一定條件下形成酸雨，改變酸雨覆蓋區(qū)的土壤性質(zhì)，危害農(nóng)作物和森林生態(tài)系統(tǒng)，改變湖泊水庫的酸度，破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)，腐蝕材料，造成重大經(jīng)濟損失。酸雨還導(dǎo)致地區(qū)氣候改變，造成難以估量的后果?！?.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（4）其它影響若再考慮能源開采、運輸和加工過程中的不良影響，

則造成損失將更為嚴重。平均每開采1萬噸煤，受傷人數(shù)為15～30人，

可能造成0.2公頃土地塌陷，平均每年塌陷的土地超過200km2。核能的利用雖然不會產(chǎn)生上述污染物，但存在核廢料問題。世界范圍內(nèi)的核能利用，將產(chǎn)生成千上萬噸的核廢料。如果不能妥善處理，放射性的危害或風(fēng)險將持續(xù)幾百年?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問題世界人口從1900年的16億到目前的60多億，凈增加了2倍多，而能源消耗增加了16倍，說明人類對能源的依賴越來越強烈。目前，石油、煤、天然氣這些化石能源在世界能源消費結(jié)構(gòu)中所占的比例仍然很高，且各類燃料需求均處于增長態(tài)勢。如果沒有新的替代能源充分發(fā)展，21世紀人類將面臨著新的能源危機。另一方面，人類大量使用化石燃料，環(huán)境污染日益嚴重，生態(tài)平衡慘遭破壞，直接危及人類的生存和發(fā)展?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問題2019年，全球一次能源消費總量達到583.90EJ(1EJ=1018J)，同比增長1.3%，不到18年增速的一半(2.8%)。2019年全球一次能源消費量(EJ)§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題從一次能源消費結(jié)構(gòu)看，石油占全部能源消費總量的33.1%，天然氣占24.2%，煤炭占27.0%，水電占6.4%，核能占4.3%，可再生能源占5.0%。與上年相比，可再生能源比重提高了0.5個百分點，清潔能源比重提高了0.7個百分點至39.9%。2019年全球一次能源消費結(jié)構(gòu)§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題從一次能源消費份額看，2019年，全球一次能源消費總量前三甲依次是中國大陸、美國和印度，分別占全球一次能源總消費量的24.3%、16.2%和5.8%。2019年全球一次能源消費量份額可持續(xù)發(fā)展挪威前首相布倫特蘭夫人主持的聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會完成調(diào)查報告《我們共同的未來》，提出了可持續(xù)發(fā)展概念?？沙掷m(xù)發(fā)展就是“滿足當代人的需求，又不損害子孫后代滿足其需求能力的發(fā)展”。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第2講太陽能及其利用32太陽是一個發(fā)光發(fā)熱的巨型氣態(tài)星體，直徑大約為139萬km(1.39×109m)，體積約為1.42×1027m3(是地球的130萬倍)，質(zhì)量為1.98×1030kg(大約是地球的33萬倍)，平均密度只有地球密度的1/4?！?.1.1太陽能概述太陽的能量，來自其內(nèi)部進行的熱核反應(yīng)(由4個氫核聚變成1個氦核)。太陽以光輻射的形式，每秒向太空發(fā)射約3.74×1026J的能量，即輻射功率約為3.74×1026W。熱核反應(yīng)方程式為411H→24He+210e§2.1太陽能資源及其分布33地球和太陽的平均距離約為1.5×108km，因距離遙遠，太陽釋放的能量只有22億分之一左右投射到地球上。到達大氣層上界的太陽輻射功率約為1.73×1017W，其中大約30%被大氣層反射回宇宙空間，大約23%被大氣層吸收。能夠投射到地面的太陽輻射功率只有47%左右，約為8.1×1016W。盡管如此，每年到達地球表面的太陽能仍高達1.05×1018kW·h，相當于1.3×107億噸標準煤，是當代全球能耗的上萬倍。§2.1.1太陽能概述34太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候狀況等有關(guān)。全球太陽能平均輻射總量如圖所示。就全球而言，美國西南部、非洲、澳大利亞、中國西藏、中東等地區(qū)的全年太陽總輻射量或日照總時數(shù)最大，為世界太陽能資源最豐富地區(qū)。而且，其中有很多地區(qū)屬于發(fā)展中國家，在這些地方利用太陽能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。§2.1.2世界太陽能資源分布35§2.2.2

世界太陽能資源分布太陽能資源的豐富程度一般以單位面積的全年總輻射量和全年日照總時數(shù)來表示。太陽能全年總輻射量難以計算，一般只能根據(jù)實際測量得到。世界各地太陽能全年總輻射量分布§2.1.2世界太陽能資源分布36美國國家航空航天局(NASA)建有一個包含各地日照數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，其中部分城市的日照數(shù)據(jù)見表排

序地

點日照量/[kW·h/(m2·年)]排

序地

點日照量/[kW·h/(m2·年)]1馬德里17859北京14302悉尼167510紐約13003雅典166511巴黎12204舊金山158012慕尼黑10855曼谷156013阿姆斯特丹9756羅馬153514倫敦9507香港152515漢堡9208東京1460

§2.1.2世界太陽能資源分布37我國位于歐亞大陸東部，陸地占世界陸地面積的1/14，而且大部分處于北溫帶，因此，我國的太陽能資源十分豐富，每年陸地接收的太陽輻射總量約為1.9×1016kW·h，相當于2.4萬億噸標準煤。國家有關(guān)單位的測量資料表明，全國各地太陽年輻射總量基本都在3340～8400MJ/m2，平均值超過5000MJ/m2(相當于170kg/m2標準煤的熱量)。而且全國2/3的國土面積年日照時間都超過2200小時?！?.1.3我國太陽能資源分布38按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區(qū)。中，a表示每年（annual）。地區(qū)類型年日照時數(shù)(h/a)年輻射總量(MJ/m2·a)等量熱量所需標準燃煤(kg)包括的主要地區(qū)備注

一類

3200-3300

6680-8400

225～285kg寧夏北部，甘肅北部，新疆南部，青海西部，西藏西部太陽能資源最豐富地區(qū)

二類

3000-3200

5852-6680

200～225kg河北西北部，山西北部，內(nèi)蒙南部，寧夏南部，甘肅中部，青海東部，西藏東南部，新疆南部較豐富地區(qū)

三類

2200-3000

5016-5852

170-200kg山東，河南，河北東南部，山西南部，新疆北部，吉林，遼寧，云南，陜西北部，甘肅東南部，廣東南部中等地區(qū)

四類

1400-2200

4180-5016

140-170kg湖南，廣西，江西，浙江，湖北，福建北部，廣東北部，陜西南部，安徽南部較差地區(qū)五類1000-14003344-4180115-140kg四川大部分地區(qū)，貴州最差地區(qū)§2.1.3我國太陽能資源分布39一、二、三類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2000h，輻射總量高于5000MJ/m2·a，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。四川盆地、兩湖地區(qū)、秦巴山地等是太陽能資源低值區(qū)。我國太陽能資源分布，西部高于東部，而且基本上南部低于北部(除西藏、新疆例外)，與通常隨緯度變化的規(guī)律并不一致，緯度小的地區(qū)反而低于緯度大的地區(qū)。這主要是由大氣云量及山脈分布的影響造成的。例如，我國南方云量明顯比北方大。而青藏高原地區(qū)，平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，日照時間長，因此太陽能資源最豐富，最高值達920kJ/(cm2·年)?！?.1.3我國太陽能資源分布40與煤炭、石油、天然氣、核能等常規(guī)能源相比，太陽能具有如下優(yōu)點：（1）儲量豐富。一年內(nèi)到達地面的太陽輻射能總量，要比地球上現(xiàn)在每年消耗的各種能源的總量大幾萬倍。（2）維持長久。相對于人類歷史而言，太陽的壽命幾乎是“永遠”。（3）分布廣泛。陽光普照，遍及全球，幾乎是到處都有，就地可用。（4）維護方便，運行成本低。經(jīng)一次性投資安裝好太陽能利用設(shè)備后，后續(xù)的運行維護費用比其他各種能源要小得多。（5）清潔，無污染?！?.1.4太陽能資源的特點41太陽的主要缺點表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）能量的分散性（能量密度低）。即使是晴朗白晝的正午，在垂直于太陽光方向的地面上，每平方米所能接收的太陽能平均也只有1千瓦左右，大多數(shù)情況下甚至低于500瓦。（2）能量的不穩(wěn)定性。陽光的輻射角度隨著時間不斷發(fā)生變化，再加上氣候、季節(jié)等因素的影響，到達地面某處的太陽直接輻射能是不穩(wěn)定的，具有明顯的波動性甚至隨機性。（3）能量的間歇性，不連續(xù)。隨著晝夜的交替，到達地面的太陽直接輻射能具有不連續(xù)性?！?.1.4太陽能資源的特點42§2.2太陽能集熱與發(fā)電§2.2.1集熱器類型（1）平板集熱器吸熱部分主體是涂有黑色吸收涂層的平板。按結(jié)構(gòu)的差別，又分為直曬式平板集熱器和透明蓋板式集熱器。直曬式透明蓋板式43（1）平板集熱器§2.2.1集熱器類型44（1）平板集熱器直曬式平板集熱器，受熱面是一個或多個平板，涂有高吸收、低發(fā)射的選擇性涂層，直接讓陽光照射到涂有吸收涂層的平板上，水管等傳熱結(jié)構(gòu)放置在集熱平板的背光一面，通過水循環(huán)將熱量傳遞到水箱中。透明蓋板式集熱器，則是根據(jù)“熱箱原理”設(shè)計的?！盁嵯洹泵嫦蜿柟獾囊幻鏋橥该鞯纳w板，可用玻璃、玻璃鋼或塑料薄膜制作；其它幾面為不透氣的保溫層，并且內(nèi)壁涂黑。太陽光透過透明的蓋板進入箱內(nèi)，就被內(nèi)壁涂層吸收，轉(zhuǎn)換為熱能。熱箱內(nèi)的集熱介質(zhì)可以是空氣，也可以是水?！?.2.1集熱器類型45（2）真空管集熱器如果將透明蓋板式集熱器的集熱板與透明蓋板、側(cè)壁之間抽成真空，同時在結(jié)構(gòu)上做成圓管形狀，就變成了真空管集熱器，。其核心部件是真空管，按照材料來分，有全玻璃真空管和金屬真空管兩類。§2.2.1集熱器類型46（3）聚焦型集熱器聚焦型集熱器采用特定的聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計，將太陽輻射聚集到較小的集熱面上，從而可以獲得很高的能流密度和集熱溫度。點聚焦線聚焦§2.2.1集熱器類型47

太陽能熱水器利用太陽輻射的熱量提供熱水。可節(jié)省電能，是重要的節(jié)能措施之一。太陽能熱利用中，發(fā)展和應(yīng)用最完善。§2.2太陽能集熱與發(fā)電48太陽池若想實現(xiàn)太陽能的連續(xù)供應(yīng)，要在陽光充足時盡量多收集，并將用不完的部分設(shè)法儲存起來，以便在陽光不足的使用。太陽池就是一種集中儲存太陽能的方式，并可作為熱源使用。池水為天然咸水或加入氯化鈉或氯化鎂的鹽水，一般表層為清水，越往深處鹽度越大，底層甚至為飽和狀態(tài)。池底深而黑，光輻射被池底吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，除了池底的有限散熱，基本不會向水池表面散熱。這是因為穩(wěn)定的鹽溶液不能對流，而水本身的導(dǎo)熱性又差，上層水實際上成了厚厚的保溫層。太陽不斷輻射、底層水不斷儲熱，水溫就越來越高。將池底的熱取出，就可以進行各種應(yīng)用，而且這種熱源還比較穩(wěn)定?！?.2太陽能集熱與發(fā)電49太陽能發(fā)電是未來太陽能大規(guī)模利用的主要發(fā)展方向。主要方式有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種。太陽能光發(fā)電是指不通過熱過程而直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式。廣義的光發(fā)電，包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光生物發(fā)電和光感應(yīng)發(fā)電等。光化學(xué)發(fā)電和光生物轉(zhuǎn)換，主要通過光化轉(zhuǎn)換的過程實現(xiàn)。當今實際應(yīng)用的太陽能發(fā)電方式，基本上都是太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電?！?.2.2太陽能發(fā)電50§2.3太陽能熱發(fā)電（1）太陽能熱發(fā)電兩種類型：一類是蒸汽熱動力發(fā)電，一類是熱電直接轉(zhuǎn)換。——蒸汽熱動力發(fā)電，先利用太陽能提供的熱量產(chǎn)生蒸汽，

再利用高溫高壓蒸汽的熱動力驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電?！獰犭娭苯愚D(zhuǎn)換，即利用太陽能提供的熱量直接發(fā)電,實現(xiàn)形式有：半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電等。優(yōu)點是發(fā)電裝置沒有活動部件，但一般發(fā)電量很小。相對成熟的是太陽能半導(dǎo)體溫差發(fā)電?！?.3.1太陽能熱發(fā)電方式51通常所說的太陽能熱發(fā)電，就是指太陽能蒸汽熱動力發(fā)電。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理和傳統(tǒng)火力發(fā)電的原理類似，所采用的發(fā)電機組和動力循環(huán)都基本相同。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，由集熱部分、熱傳輸部分、蓄熱與熱交換部分和汽輪發(fā)電部分組成。§2.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成52§2.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成（1）集熱部分定日鏡（聚光系統(tǒng)）的作用是提高功率密度。大規(guī)模發(fā)電，會形成一個龐大的太陽能收集場。一般還配備太陽能跟蹤裝置，保證在有陽光的時段持續(xù)獲得高效的太陽能利用。集熱器的作用是將聚焦后的太陽能輻射吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能提供給工質(zhì)。目前常用真空管式和腔體式結(jié)構(gòu)。（2）熱能傳輸部分把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱部分。對于分散型集熱系統(tǒng)，通常要把多個單元集熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來組成集熱器方陣。傳熱介質(zhì)通常選用加壓水或有機流體。53（3）蓄熱與熱交換部分為保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)定，需要設(shè)置蓄熱裝置。蓄熱分低溫(<100℃)、中溫(100℃~500℃)、高溫(500℃以上)，分別采用水化鹽、導(dǎo)熱油、熔化鹽等作為蓄熱材料。為了適應(yīng)汽輪發(fā)電的需要，傳輸和存儲的熱能還需通過熱交換裝置，轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽。（4）汽輪發(fā)電部分經(jīng)過熱交換形成的高壓高溫蒸汽，可以推動汽輪發(fā)電機工作。汽輪發(fā)電部分，是實現(xiàn)電能供應(yīng)的重要部件，其電能輸出可以是單機供電，也可以采用并網(wǎng)供電。§2.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成54較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個龐大的太陽能收集場，來實現(xiàn)聚光功能。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，多采用真空管集熱器。§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型55槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用槽形拋物面或柱面反射鏡把陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱，在換熱器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電，適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電應(yīng)用。整個槽式系統(tǒng)由多個呈拋物線形彎曲的槽型反射鏡構(gòu)成，有時為了制作方便，各槽式反射鏡采用拋物柱面結(jié)構(gòu)。每個槽式反射鏡都將其接收到的太陽光聚集到處于其截面焦點連線的一個管狀接收器上。§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型56槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由于抗風(fēng)性能最差，目前多處于少風(fēng)或無風(fēng)地區(qū)。我國西北的陽光富足地區(qū)往往多風(fēng)、大風(fēng)甚至沙塵暴頻發(fā)。如果在我國開展示范，必須增強槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，因而成本必然要在國外已有示范基礎(chǔ)上大大增加。此外，太陽能-燃氣聯(lián)合循環(huán)槽式熱發(fā)電系統(tǒng)(簡稱ISCC，又叫一體化太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))

做為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種新興形式，已越來越多的受到國際社會關(guān)注。ISCC是將槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，以優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率。ISCC聯(lián)合體裝置在高峰時間發(fā)電率可以達到70％（常規(guī)燃氣發(fā)電機發(fā)電率為50%～55%）?；贗SCC形式的項目包括埃及的Kuraymat項目和摩洛哥的AinBeniMather項目等，目前均已投產(chǎn)運行。

57線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)線性菲涅爾反射聚光技術(shù)的原理起源于拋物槽式反射聚光技術(shù)。菲涅爾系統(tǒng)用一組平板鏡來取代槽式系統(tǒng)里的拋物面型的曲面鏡聚焦，是簡化了的槽式系統(tǒng)。線性菲涅爾反射聚光器主要有主反射鏡場、接收器和跟蹤裝置三部分組成，有時在聚光器的頂部加裝小型拋物面反射鏡（二次聚光器），以加強陽光的聚焦。當電站規(guī)模達到兆瓦級時，需要配備多套聚光集熱單元。為避免相鄰單元的主鏡場邊緣反射鏡相互遮擋，需要抬高集熱器的支撐結(jié)構(gòu)，相鄰單元間的距離也需增大，土地利用率較低，于是，研究者們提出了緊湊型線性菲涅爾式反射聚光系統(tǒng)的概念，采用多個接收器接收反射鏡的反射光。§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型58線性菲涅爾反射聚光技術(shù)較拋物槽式反射聚光技術(shù)的優(yōu)點：（1）拋物槽式系統(tǒng)的鏡面是曲面且面積很大，不易加工；線性菲涅爾式系統(tǒng)的鏡面是平面，鏡面相對較小，容易加工，成本較低。（2）線性菲涅爾式系統(tǒng)的每面鏡條都自動跟蹤太陽，相互之間可用聯(lián)動控制，控制成本較低。（3）線性菲涅爾式系統(tǒng)鏡場之間的光線遮擋較小，場地利用率高。（4）線性菲涅爾式系統(tǒng)的聚光比比相同場地的槽式系統(tǒng)要高，一般在50-100之間。聚光比是指拋物鏡的開口面積或定日鏡群的總面積與它們焦平面上光斑面積之比，它是設(shè)計聚光型太陽能利用裝置最重要的參數(shù)之一。線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型59塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般是在空曠平地上建立高塔，高塔頂上安裝接收器；以高塔為中心，在周圍地面上布置大量的太陽能反射鏡群（能夠自動跟蹤陽光的定日鏡群）；定日鏡群把陽光積聚到接收器上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)聚光比高，易于實現(xiàn)較高的工作溫度，系統(tǒng)容量大、效率高，因而適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。最早的和最大的太陽能熱電站，都是塔式太陽能熱電站。§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型60世界之最：最大的太陽能光熱電站。拜阿聯(lián)酋迪拜馬克圖姆太陽能園區(qū)第四期950MW發(fā)電項目工程為全球最大的太陽能光熱光伏混合發(fā)電項目。該項目原為700MW光熱發(fā)電項目，后增加250MW光伏機組。目前，項目構(gòu)成由原“光熱”電站變?yōu)椤肮鉄?光伏”混合電站。對于整個項目的發(fā)電貢獻，3*200MW槽式光熱電站將貢獻74%的電力輸出，100MW塔式光熱電站占比14%，250MW光伏電站占比12%。該電站采用全球領(lǐng)先的“塔式+槽式”集中式光熱發(fā)電技術(shù)，配置包括1套100兆瓦塔式熔鹽儲熱發(fā)電機組和3套200兆瓦瓦槽式熔鹽儲熱發(fā)電機組，每臺機組均配置15小時的儲熱系統(tǒng)，項目合計發(fā)電容量達700兆瓦，是目前全球規(guī)模最大光熱電站項目。該項目的成功開發(fā)標志著光熱發(fā)電技術(shù)進入到新的發(fā)展階段，是清潔能源領(lǐng)域的又一里程碑。整個項目計劃在2021-2022年全部完工。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型61受聚光集熱裝置的尺寸限制，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的功率較小，更適用于分布式能源系統(tǒng)。其光學(xué)效率高，啟動損失小，效率高達29%，在三類系統(tǒng)中位居首位。今后的研究方向主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)發(fā)電成本兩個方面。2003年中國科學(xué)院電工研究所在北京通縣的太陽能聚光熱發(fā)電試驗成果，這是我國首次采用碟式太陽能聚光技術(shù)進行的太陽能熱發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型62由許多反射鏡組成一個大型拋物面，類似大型的拋物面雷達天線，聚光比可達數(shù)百倍到數(shù)千倍；在該拋物面的焦點上安放熱能接收器，利用反射鏡把入射的太陽光聚集到熱能接收器所在的很小的面積上，收集的熱能將接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱到很高溫度（例如750℃左右），驅(qū)動發(fā)動機進行發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型63§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型64§2.4.1光伏效應(yīng)與光伏材料當光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合材料上，會在不同的部位之間產(chǎn)生電位差。1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾意外地發(fā)現(xiàn)：將兩片金屬浸入電解質(zhì)溶液所構(gòu)成的伏打電池，在受到陽光照射時電壓會突然升高。他在當年發(fā)表的論文中稱為“光生伏打效應(yīng)”。1876年，亞當斯等人又在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。1941年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，奠定了半導(dǎo)體硅在太陽能光伏發(fā)電中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。除了硅以外，可用的光伏材料還有：砷化鎵、磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物，硫化鎘等Ⅱ-Ⅵ族化合物，銅銦硒等多元化合物，以及某些功能高分子材料和研制中的納米晶體材料。§2.4太陽能光伏發(fā)電65典型的單體硅光伏電池，結(jié)構(gòu)如圖所示1—上電極；2—減反射膜及蓋板；3—擴散頂區(qū)；4—基體或襯底；5—下電極或稱底電極§2.4.2光伏電池66光伏電池，是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由很多單體光伏電池構(gòu)成的。單體光伏電池是指具有正、負電極，并能把光能轉(zhuǎn)換成電能的最小光伏電池單元。(a)半導(dǎo)體晶片(b)空穴向P型半導(dǎo)體區(qū)移動，

電子向N型半導(dǎo)體區(qū)移動(c)電子從N區(qū)負電極流出負電，

空穴從P區(qū)正電極流出正電§2.4.2光伏電池67按電池的結(jié)構(gòu)（主要是P-N結(jié)的特點），有同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池、肖特基結(jié)光伏電池、薄膜光伏電池、疊層光伏電池和濕式光伏電池。薄膜電池指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體光電材料鋪在非半導(dǎo)體的襯底上而構(gòu)成的光伏電池。這種電池可大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以μm計），從而大大地降低了光伏電池的成本?？捎糜跇?gòu)成薄膜光伏電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘以及CIS等，其中以多晶硅薄膜光伏電池性能較優(yōu)。非晶硅薄膜電池§2.4.2光伏電池68一般由太陽能電池方陣、儲能蓄電池、保護和控制系統(tǒng)、逆變器等設(shè)備組成。（1）光伏電池方陣實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是單體光伏電池。在實際應(yīng)用時，常常要根據(jù)功率需要，串聯(lián)、并聯(lián)組織起來，并封裝在透明的外殼內(nèi)，組成一個可以單獨作為電源使用的最小單元，即光伏電池組件。光伏電池組件，一般由36個單體電池組成，可產(chǎn)生12～l6V的電壓，功率從零點幾瓦到幾百瓦。還可把多個電池組件再串、并聯(lián)起來并裝在支架上，組成光伏電池陣列?！?.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏電池單體輸出:0.45V，20~25mA/cm2，串、并聯(lián)封裝構(gòu)成光伏電池組件，排成光伏陣列§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)70（2）儲能蓄電池由于光伏發(fā)電功率的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，獨立工作時，常需要配備儲能裝置，以保證對用戶的可靠供電。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、硅膠蓄電池和堿性鎘鎳蓄電池，其中鉛酸蓄電池功率價格比最優(yōu)、應(yīng)用最廣。（3）保護和控制系統(tǒng)光伏發(fā)電的保護和控制系統(tǒng)主要由電子元器件、測量儀表、繼電器、控制開關(guān)等組成。（4）逆變器是將直流電變換成交流電的電力電子設(shè)備，一般是把低壓直流電逆變成220V的交流電，是光伏電池普及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。光伏電池和蓄電池輸出的都是直流電?！?.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)71單級無變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)雙極無變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)單級工頻變壓器隔離的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)高頻變壓器隔離的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)采用高頻變壓器和無變壓器方式的并網(wǎng)逆變器，由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有優(yōu)勢，因而在小功率及分布式發(fā)電系統(tǒng)中成為目前研究的熱點和發(fā)展趨勢?！?.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)72從太陽能資源的角度來看：太陽能是地球上最豐富、最廣泛的可再生能源。不僅總量巨大，“取之不盡、用之不竭”；而且分布廣泛，獲取容易，不需要開采和運輸。從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來看，很多優(yōu)點是其它能源無法比擬的，這主要是因為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件。（1）運輸、安裝容易（2）運行、維護簡單（3）安全，可靠，壽命長（4）清潔，環(huán)境污染少§2.4.4光伏發(fā)電的特點73太陽能光伏發(fā)電未能迅速地大面積推廣應(yīng)用，說明它也存在一些不足。這些不足主要是由太陽能資源本身的弱點造成的。（1）能量分散（能量密度低）。（2）能量不穩(wěn)定。（3）能量不連續(xù)。§2.4.4光伏發(fā)電的特點74§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況自1950s出現(xiàn)第一塊實用的單晶硅光伏電池、50年代末光伏電池進入空間應(yīng)用、60年代末進入了地面應(yīng)用，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已歷經(jīng)了半個世紀。2004年，光伏電池在全世界能源市場開始蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)開始形成。目前，光伏電池的功率級別非常豐富，大到100kW～10MW的太陽能光伏電站，小到手表、計算器的電源。最好的單結(jié)硅太陽電池在實驗室中的轉(zhuǎn)換效率已達到24%。多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率達到15%，砷化鎵太陽電池轉(zhuǎn)化效率達到27%，在實驗室中特制的砷化鎵太陽電池轉(zhuǎn)化效率甚至已高達35%~36%。2012年世界太陽能電池組件的年產(chǎn)量已達38.5GW?！?.5太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展75§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況2019年全球前10國家光伏新增裝機量(GW)§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況2019年全球前10國家光伏累計裝機量(GW)§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況78我國從20世紀50年代開始研制太陽能電池。到2003年底，中國成為最大的庭園燈等光伏消費品的生產(chǎn)國。2007年，一座205千瓦的太陽能聚光光伏示范電站在內(nèi)蒙古建成。崇明島的兆瓦級光伏電站發(fā)電示范工程正式并網(wǎng)發(fā)電。2008年，江西賽維LDK公司硅片產(chǎn)能達到1000兆瓦，太陽能多晶硅片產(chǎn)能世界第一，成為世界第一個實際產(chǎn)能進入吉瓦（GW）俱樂部的光伏企業(yè)?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況79中國太陽能電池產(chǎn)量世界第一。2007年國內(nèi)太陽能電池的產(chǎn)量約為1100兆瓦，而歐洲、日本和美國產(chǎn)量分別是1062、920和266兆瓦。2010年我國光伏電池產(chǎn)量約8000MW，占全球光伏電池市場的50%，繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。在光伏電池制造技術(shù)方面，我國已達到世界先進水平?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況802010-2019我國光伏電池累計產(chǎn)量及增長率§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況2010-2019我國光伏電池累計產(chǎn)量§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況2011—2019年中國累計光伏裝機容量（GW）§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況832019年全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量達12862萬千瓦，同比2018年增長33.9%。2020年9月全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量為1640.4萬千瓦，同比增長33.3%。2020年1-9月全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量為11381.8萬千瓦，同比增長24.6%?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況842.世界首個ISCC光熱燃氣聯(lián)合循環(huán)電站摩洛哥在2010年建成了AinBeniMathar這一世界上首個ISCC（IntegratedSolarCombinedCycle）光熱燃氣聯(lián)合循環(huán)電站采用了槽式光熱發(fā)電和燃氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)?！?.6.1太陽能熱發(fā)電工程實例853.世界首個熔鹽菲涅爾光熱發(fā)電項目我國蘭州大成敦煌50MW線性菲涅爾式光熱發(fā)電項目是世界首個以熔鹽作為集熱工質(zhì)的線性菲涅爾式太陽能光熱發(fā)電商業(yè)項目，如圖所示。項目位于甘肅省敦煌市七里鎮(zhèn)光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)，總投資約16.88億元，規(guī)劃裝機容量50MW。該項目采用線性菲涅爾聚光集熱技術(shù)，把熔鹽作為集熱、傳熱和儲熱的統(tǒng)一介質(zhì)，儲熱時長15小時，具備24小時持續(xù)發(fā)電能力。2019年11月，該項目廠用帶電一次成功，全面開啟調(diào)試工作的關(guān)鍵階段?！?.6.1太陽能熱發(fā)電工程實例864.我國首座百兆瓦級商業(yè)化塔式光熱電站坐落于我國甘肅敦煌的首航節(jié)能敦煌100MW熔鹽式光熱電站是目前中國和亞洲裝機規(guī)模最大、全球裝機容量位列第二的熔鹽塔式光熱電站，如圖所示。該電站于2018年12月并網(wǎng)發(fā)電，可實現(xiàn)24小時連續(xù)發(fā)電，一年發(fā)電量可達3.9億kW·h。項目可減排3.5×105噸二氧化碳/年，環(huán)保效益相當于種植1萬畝森林?！?.6.1太陽能熱發(fā)電工程實例871.世界首座太陽能光伏發(fā)電五星級酒店2011年4月，英利集團下屬的電谷錦江國際酒店正式掛牌，成為世界首座太陽能光伏發(fā)電“五星級酒店”，如圖所示。酒店外立面創(chuàng)造性地安裝太陽電池組件，利用太陽能并網(wǎng)發(fā)電。據(jù)介紹，酒店總裝機容量0.3MW，年發(fā)電量26萬kW·h，全年可節(jié)約104噸標準煤，減少二氧化碳排放270噸，減少二氧化硫排放2.3噸，減少氮氧化合物排放1噸。§2.6.2太陽能光伏工程實例882.全球最大光伏建筑一體化(BIPV)電站2017年10月，世界最大光伏建筑一體化電站項目——常石舟山造船廠屋頂光伏電站順利并網(wǎng)運行。該項目由亞洲潔能資本有限公司(ACC)投資建設(shè)。該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機19MW，安裝于常石集團(舟山)有限公司車間屋頂?！?.6.2太陽能光伏工程實例893.世界首座熊貓外形光伏電站2017年，全球首個熊貓外形的光伏電站在我國山西大同投運實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，如圖所示。這座光伏電站由黑白兩色組成，從高處俯瞰，黑色部分(熊貓的耳朵與爪子)由單晶體硅太陽能電池組成，白色部分由薄膜太陽能電池組成。該電站總占地面積約1500畝，裝機規(guī)模為100MW，年發(fā)電能力為50MW，全部投入使用后，能在25年內(nèi)提供32億kW·h綠色電力，可節(jié)約1.056×106噸煤炭，同時減少二氧化碳排放2.70×106噸?！?.6.2太陽能光伏工程實例本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第3講風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電§3.1

風(fēng)和風(fēng)資源§3.1.1

風(fēng)的形成地球自傳、公轉(zhuǎn)運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使地面受熱不均。不同地區(qū)的溫差和空氣中水蒸汽含量不同，形成不同的氣壓區(qū)?？諝鈴母邭鈮簠^(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學(xué)上，一般把空氣的不規(guī)則運動稱為紊流，垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動就是風(fēng)?！?.1.1

風(fēng)的形成按照形成原因，風(fēng)有信風(fēng)、海陸風(fēng)和山谷風(fēng)(平原風(fēng))等。（1）信風(fēng)赤道附近氣溫高，熱氣上升；兩極氣溫低，冷氣下降，相互填補空缺，冷空氣在地面附近從兩極流向赤道(高空反之)。地球自西向東轉(zhuǎn)，北半球東北風(fēng)，南半球東南風(fēng)。（2）海陸風(fēng)海洋熱容量大。白天日照下陸地溫度比海面高，熱空氣上升，海面冷空氣在地表附近流向陸地，這就是海風(fēng)。夜間，陸地比海洋冷卻得快，形成流向海洋的陸風(fēng)。（3）山谷風(fēng)白天山坡朝陽面受熱較多，空氣上升；低凹處受熱少，冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風(fēng)。夜間，山坡降溫幅度大，冷空氣則沿山坡向下流動，形成山風(fēng)。對于平原地區(qū)感受此風(fēng)的人來說，也可以稱其為平原風(fēng)?！?.1.1

風(fēng)的形成一般，在晴朗而且晝夜溫差較大的沿海地區(qū)，白天吹來海風(fēng)，夜晚則有陸風(fēng)吹向海上。大型湖泊附近也有類似的情況。在山區(qū)，白天谷風(fēng)從谷底向山上吹，晚上山風(fēng)從山上向山下吹。大陸與海洋的熱容量差別，還會形成季節(jié)性的氣壓變化。以中國的華北地區(qū)為例，冬季內(nèi)陸氣溫低，多形成高氣壓區(qū)，空氣流向東南方向的海洋低氣壓區(qū)，所以在冬季多刮西北風(fēng)。而夏季正好相反，我國大部分地區(qū)常刮東南風(fēng)。?！?.1.2

風(fēng)的描述（1）風(fēng)向就是風(fēng)吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風(fēng)，就稱為南風(fēng)。（2）風(fēng)速就是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。

通常指一段時間內(nèi)的風(fēng)速的算術(shù)平均值。一般在幾千米高度范圍內(nèi)，隨著高度的增加，風(fēng)會逐漸增大。天氣預(yù)報中的幾級風(fēng)，是指離地面10米高度的風(fēng)速等級。（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度風(fēng)中流動的空氣所具有的能量，稱為風(fēng)能。

風(fēng)能密度，就是單位面積上流過的風(fēng)能。風(fēng)級的定義和描述風(fēng)

級名

稱相應(yīng)風(fēng)速/(m/s)表

現(xiàn)0無風(fēng)0～0.2零級無風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.3～1.5一級軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.6～3.5二級輕風(fēng)樹葉響3微風(fēng)3.4～5.4三級微風(fēng)樹枝晃4和風(fēng)5.5～7.9四級和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)8～10.7五級清風(fēng)水起波6強風(fēng)10.8～13.8六級強風(fēng)大樹搖7疾風(fēng)13.9～17.1七級疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.2～20.7八級大風(fēng)樹枝折9烈風(fēng)20.8～24.4九級烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.5～28.4十級狂風(fēng)樹根拔11暴風(fēng)28.5～32.6十一級暴風(fēng)陸罕見12颶風(fēng)＞32.6十二級颶風(fēng)浪滔天§3.1.3

世界風(fēng)資源有專家估計，地球上的風(fēng)能，大約是目前全世界能源總消耗量的100倍，相當于1.08萬億噸煤蘊藏的能量。據(jù)世界氣象組織估計，全球大氣中蘊藏的總的風(fēng)能功率約為1014MW，其中可被開發(fā)利用的風(fēng)能約有35億MW。全球的風(fēng)能折算為電能，相當于2.74萬億度，其中可利用的相當于200億度電，比地球上可開發(fā)利用的水電總量還要大10倍。地球1.07億平方公里的陸地表面，平均風(fēng)速高于5m/s（距地面10m高處）的面積約占27%。據(jù)分析，其中只有4％左右的面積有可能安裝風(fēng)力發(fā)電機。以目前的技術(shù)水平，每平方公里的風(fēng)能發(fā)電量為330千瓦左右，平均每年發(fā)電量的合理估計為200萬度左右。顏色越深代表風(fēng)能資源越豐富

§3.1.4

我國風(fēng)資源研究表明，全國平均風(fēng)能密度約為100W/m2，全國風(fēng)能總儲量約48億兆瓦，陸上和近海區(qū)域10米高度可開發(fā)風(fēng)能資源儲量約為10億千瓦，其中有很好開發(fā)利用價值的陸上風(fēng)資源大約有2.53億千瓦，大體相當于我國水電資源技術(shù)可開發(fā)量的51.32%。根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心公布，2019年我國各省地面10m高度年平均風(fēng)速距平百分率，我國各省陸地70m高度年平均風(fēng)速與風(fēng)功率密度?！?.1.4

我國風(fēng)資源風(fēng)能資源的利用，取決于風(fēng)能密度和可利用風(fēng)能年累積小時數(shù)。按照有效風(fēng)能密度的大小和3～20m/s風(fēng)速全年出現(xiàn)的累積小時數(shù)，我國風(fēng)能資源的分布可劃分為4類區(qū)域：豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)和貧乏區(qū)。根據(jù)全國氣象臺風(fēng)能資料的統(tǒng)計和計算，中國陸地風(fēng)能分區(qū)與占全國陸地面積的百分如下表指

標豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度/(W/m2)>200200～150150～50<50年風(fēng)速超過3m/s累計小時數(shù)/h>50005000～40004000～2000<2000年風(fēng)速超過6m/s累計小時數(shù)/h>22002200～15001500～350<350占全國陸地面積的百分比/(%)8185024§3.1.4

我國風(fēng)資源根據(jù)全國氣象臺風(fēng)能資料的統(tǒng)計和計算，中國各省份風(fēng)能資源折算為發(fā)電功率狀況見下表，其中內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江和甘肅四省區(qū)的風(fēng)力資源最為豐富。省

區(qū)風(fēng)力資源(×104)/kW省

區(qū)風(fēng)力資源(×104)/kW內(nèi)蒙古6178山

東394新

疆3433江

西293黑龍江1723江

蘇238甘

肅1143廣

東195吉

林638浙

江164河

北612福

建137遼

寧606海

南64§3.2

風(fēng)力機的種類一般將用作原動機的風(fēng)車稱為風(fēng)力機。各種類型的風(fēng)力機，都至少包括葉片（有些稱為槳葉）、輪轂、轉(zhuǎn)軸、支架（有些稱為塔架）等部分。其中由葉片和輪轂等構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)部分又稱為風(fēng)輪。按轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的關(guān)系，風(fēng)力機大體上可分為兩類：－水平軸風(fēng)力機（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行）；－垂直軸風(fēng)力機（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向）?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(1)荷蘭式風(fēng)力機12世紀初荷蘭人發(fā)明，曾在歐洲(荷、比、西等國)廣泛使用，最大直徑超過20m。這可能是出現(xiàn)最早的水平軸風(fēng)力機。一種是風(fēng)車小屋能跟隨風(fēng)向一起轉(zhuǎn)動；一種只有安裝風(fēng)車的屋頂能跟隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動。§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(2)螺旋槳式風(fēng)力機螺旋槳式水平軸風(fēng)力機目前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最多。其翼型與飛機的翼型類似，一般多為雙葉片或三葉片，也有少量用單葉片或四葉片以上的。風(fēng)力發(fā)電使用最多的就是螺旋槳式風(fēng)力機。§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(3)多翼式風(fēng)力機也叫多葉式風(fēng)力機，一般裝有20枚左右的葉片，是典型的低轉(zhuǎn)速大扭矩風(fēng)力機。美國中、西部的牧場多用它來提水，在墨西哥、澳大利亞、阿根廷、南美等地也有相當數(shù)量的應(yīng)用。19世紀曾有數(shù)百萬臺?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(4)離心甩出式風(fēng)力機法國人安東略發(fā)明，也叫Andreau式。是一種不直接利用自然風(fēng)的獨特設(shè)計。采用空心葉片，當風(fēng)輪在氣流的作用下旋轉(zhuǎn)時，葉片空腔內(nèi)的空氣因受離心力作用而從葉片尖端甩出，并“吸”來氣流從塔架底部流入?？諝鉁u輪機安裝在塔底內(nèi)部，利用塔底的氣流推動其驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通道內(nèi)空氣流動的摩擦損失大，總體效率很低。英國的弗里特電纜公司1953年曾經(jīng)建造過一個高26米的空心塔和直徑24.4米的開孔風(fēng)輪。以后再沒人制造?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(5)透平式風(fēng)力機也叫渦輪式風(fēng)力機，其結(jié)構(gòu)形式燃氣輪機和蒸汽輪機類似，由靜葉片和動葉片組成。這種風(fēng)力機的葉片短，強度高，尤其適用于強風(fēng)場合，例如南極和北極地區(qū)。日本大學(xué)粟野教授研制并在南極

使用的渦輪式風(fēng)力發(fā)電裝置，

可耐南極40-50米/秒的大風(fēng)雪?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(5)壓縮風(fēng)能型風(fēng)力機是一種特殊設(shè)計的風(fēng)力機，根據(jù)設(shè)計特點，又可分為：－集風(fēng)式（在迎風(fēng)面加裝喇叭狀的集風(fēng)器，通過收緊的喇叭口將風(fēng)能聚集起來送給風(fēng)輪），－擴散式（在背風(fēng)面加裝喇叭狀的擴散器，通過逐漸放開的喇叭口降低風(fēng)輪后面的氣壓）－集風(fēng)擴散式（結(jié)合前兩種結(jié)構(gòu)）。利用裝在葉輪外面的集風(fēng)器或擴散筒，

提高經(jīng)過風(fēng)輪的空氣密度，

或者增加風(fēng)輪兩側(cè)的氣壓差，

從而提高風(fēng)能吸收的效果。還有安裝和成本上的問題需要解決?！?.2.3

新型風(fēng)力機(1)旋風(fēng)型風(fēng)力機

由美國的格魯曼空間公司詹姆斯伊恩首創(chuàng)的，其原理就是利用特殊結(jié)構(gòu)的浮筒在浮筒內(nèi)產(chǎn)生類似龍卷風(fēng)的渦旋，形成低氣壓區(qū)，從而增加通過葉輪的空氣流量，提高風(fēng)機的效率，據(jù)稱這種旋風(fēng)型風(fēng)力機的效率比傳統(tǒng)風(fēng)力機要強大得多。

§3.2.3

新型風(fēng)力機(2)建筑物風(fēng)力機隨著現(xiàn)代化和城市化的發(fā)展，城市中的高層建筑越來越多，越來越高。這些高層建筑干擾了局部氣流，形成了特殊的聚風(fēng)效應(yīng)，這些高樓具有很大的能量，又在用能中心，充分利用這些風(fēng)能可以獲得很多能源。

最典型的就是雙塔結(jié)構(gòu)的建筑，它們之間狹窄通道處容易產(chǎn)生“文氏效應(yīng)”，形成風(fēng)口現(xiàn)象?！?.2.3

新型風(fēng)力機

(2)建筑物風(fēng)力機完工于2008年的巴林世貿(mào)中心主體結(jié)構(gòu)包括兩座50層的雙子塔，底部是一個三層的基座，其兩座三角形的大廈高度達240米。在兩座大廈之間安裝了3座直徑29米的水平風(fēng)力渦輪發(fā)電機。風(fēng)力渦輪預(yù)計能夠支持大廈所需用電的11%-15%，使巴林世貿(mào)中心成為世界上首先為自身持續(xù)提供可再生能源的摩天大樓。巴林世貿(mào)中心§3.3

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)和原理

§3.3.1

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用較多的是水平軸風(fēng)力機，且多用螺旋槳型葉片。水平軸風(fēng)力機主要包括風(fēng)輪、塔架、機艙等部分?！?.3.1

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)－風(fēng)輪是由輪轂及安裝于輪轂上的若干葉片(槳葉)組成，是風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的部件；

多為雙葉片或三葉片，采用葉根強度高、葉尖強度低、帶有螺旋角的結(jié)構(gòu)，與飛機螺旋槳類似，因此也叫槳葉。－塔架是風(fēng)力機的支撐結(jié)構(gòu)，保證風(fēng)輪能在地面上方具有較高風(fēng)速的位置運行；－機艙內(nèi)集中放置調(diào)向裝置、

控制裝置、傳動機構(gòu)、發(fā)電機等。為了使風(fēng)向正對風(fēng)輪的回轉(zhuǎn)平面，

需要裝有調(diào)向裝置進行方向控制?！?.3.1

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)一般來說，設(shè)計功率越大的風(fēng)力機，其風(fēng)輪直徑越大。GE公司不同功率等級風(fēng)力機的風(fēng)輪直徑§3.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理翼型及其受力在與飛行器設(shè)計有關(guān)的空氣動力學(xué)中，升力是促使飛行器飛離地面的力，因而被稱為升力。在實際的應(yīng)用中，升力也有可能是側(cè)向力（帆船）或者是向下的力（賽車阻流板）。當攻角為0o時，升力最小。當氣流方向與物體表面垂直時，物體受到的阻力最大?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理伯努利效應(yīng)空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應(yīng)關(guān)系，流速越快，壓力越低，這種現(xiàn)象叫作伯努利效應(yīng)。翼型上表面凸起部分的氣流較快，上表面的空氣壓力比下表面明顯要低，對翼型物體產(chǎn)生向上的“吸入”作用，增大升力。設(shè)計者一般喜歡利用升力裝置，因為升力比阻力大得多?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理槳距（節(jié)距角）攻角與葉片的安裝角度有關(guān)。葉片的安裝角稱為節(jié)距角，有時也稱之為槳距，常用字母θ表示。當風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相對運動，因而實際的攻角α與葉片靜止時的攻角不一樣。若以旋轉(zhuǎn)的葉片為參考系，則氣流與葉片之間存在與y軸方向相反的相對運動，考慮到氣流沿著x軸方向的實際運動，于是氣流相對于運動葉片的作用方向為圖中Wr所示?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理風(fēng)能利用系數(shù)任何類型風(fēng)力機都不可能將接觸的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化成機械能，風(fēng)能捕獲效率總是小于1的。風(fēng)力機能夠從風(fēng)中吸取的能量，與風(fēng)輪掃過面積內(nèi)的全部風(fēng)能(未受風(fēng)輪干擾時)之比，稱為風(fēng)能利用系數(shù)。Cp

德國科學(xué)家貝茨(Betz)于1926年建立了著名的風(fēng)能轉(zhuǎn)化理論，根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)的理論最大值是0.593。風(fēng)能利用系數(shù)主要取決于風(fēng)輪葉片的設(shè)計（如攻角、槳距、翼型）以及制造水平，還和轉(zhuǎn)速有關(guān)。高性能的螺旋槳式風(fēng)力機，Cp值一般在0.45左右。風(fēng)力機的效率，還要考慮風(fēng)力機本身的機械損耗，與風(fēng)能利用系數(shù)不是一個數(shù)值?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理葉尖速比葉片尖端旋轉(zhuǎn)速率與上游未受干擾的風(fēng)速之比，稱葉尖速比，常用字母λ來表示。Cp與λ的對應(yīng)關(guān)系如圖所示，其中β為槳距角?？梢姡?/p>

取特定值時Cp值最大，稱之為最佳葉尖速比?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理容積比（Solidity）也叫實度，表示“實體”在掃掠面積中所占的百分數(shù)。多葉片風(fēng)力機具有很高的容積比，被稱為高容積比風(fēng)力機；

具有少數(shù)幾個窄葉片的風(fēng)力機，則被稱為低容積比風(fēng)力機。多個葉片會互相干擾，因此總體上高容積比的風(fēng)力機效率低。不過，多葉片風(fēng)力機產(chǎn)生的空氣動力學(xué)噪聲一般較小。低容積比風(fēng)力機，如果葉尖速比太低，有些風(fēng)會直接吹過轉(zhuǎn)子的掃掠面積而不與葉片作用；如果葉尖速比太高，風(fēng)力機會對風(fēng)產(chǎn)生過大的阻力，一些氣流將繞開風(fēng)力機流過。在低容積比的風(fēng)力機中，三葉片的風(fēng)輪效率最高，其次是雙葉片和單葉片?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理力矩和轉(zhuǎn)速風(fēng)力機機械能等于葉片角速度與風(fēng)作用于風(fēng)輪的力矩的乘積。獲取風(fēng)能相同，角速度小，則力矩大；角速度大，則力矩小。低速風(fēng)力機的輸出功率小，扭矩系數(shù)大，用于磨面和提水的風(fēng)力機，常采用多葉片風(fēng)力機。

高速風(fēng)力機效率高、輸出功率大，因此風(fēng)力發(fā)電常用2～3葉片?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理取自風(fēng)能的功率風(fēng)力機捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率：一般不易對空氣密度、風(fēng)速、葉片半徑等進行實時控制，為了實現(xiàn)風(fēng)能捕獲最大化，唯一的控制參數(shù)就是風(fēng)能利用系數(shù)Cp

。主要是控制葉尖速比和槳距等?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理工作風(fēng)速風(fēng)力機并不是在所有風(fēng)速下都能正常工作。當風(fēng)力機起動時，有最低扭矩要求，起動扭矩主要與槳距和風(fēng)速有關(guān)，因此風(fēng)力機就有一個起動風(fēng)速，稱為“切入風(fēng)速”。風(fēng)力機達到標稱功率輸出時的風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。風(fēng)速提高時，可利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使風(fēng)力機的輸出功率保持恒定。風(fēng)速超過技術(shù)上規(guī)定的最高允許值時，風(fēng)力機就有損壞危險，基于安全方面的考慮，風(fēng)力機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。該停機風(fēng)速稱為“切出風(fēng)速”?！?.3.3

風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)方式定槳距風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片的槳距角固定不變，利用葉片的失速特性調(diào)節(jié)風(fēng)力機的輸出功率。在額定風(fēng)速以下，空氣沿葉片表面穩(wěn)定流動，吸收的能量隨流速上升而增加；當超過額定風(fēng)速后，葉片翼型發(fā)生變化，葉片后側(cè)的氣流分離產(chǎn)生湍流，葉片效率急劇下降，輸出功率不隨風(fēng)速上升而增加。失速型葉片存在扭角，失速從葉片的局部開始，隨風(fēng)速的上升而逐步向葉片全長發(fā)展，起到功率調(diào)節(jié)作用。定槳距風(fēng)力機的風(fēng)功率捕獲控制完全依靠葉片的氣動性能，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、同時具有較好的安全系數(shù)。缺點是難以對風(fēng)功率的捕獲進行精確的控制?！?.3.3

風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)方式變槳距風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)槳距角改變?nèi)~片攻角，以改變?nèi)~片的風(fēng)能捕獲能力，保持葉輪的吸收功率在額定功率以下。啟動時，調(diào)節(jié)槳距角，限制風(fēng)能捕獲以維持風(fēng)力機轉(zhuǎn)速恒定。低于額定風(fēng)速時，保持槳距角恒定，通過調(diào)速控制使風(fēng)力機運行于最佳葉尖速，維持風(fēng)力機組在最佳風(fēng)能捕獲效率下運行。高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)風(fēng)力機槳距角，使風(fēng)輪葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。變槳距功率調(diào)節(jié)可在高于額定風(fēng)速時保持穩(wěn)定的功率輸出，可提高機組的發(fā)電量3％～10％，并且機組結(jié)構(gòu)受力相對較小。但是需要槳距調(diào)節(jié)裝置，控制系統(tǒng)復(fù)雜，價格較高，風(fēng)速跟蹤有延時，可能導(dǎo)致風(fēng)力機瞬間超載。同時，風(fēng)速的不斷變化會導(dǎo)致變槳機構(gòu)頻繁動作，其壽命一般4～5年，維修費用昂貴。§3.4

風(fēng)力發(fā)電機組§3.4.1

風(fēng)電機組及其構(gòu)成實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的成套設(shè)備稱為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，或者風(fēng)力發(fā)電機組(簡稱風(fēng)力電機組)。風(fēng)力發(fā)電機組完成的是“風(fēng)能—機械能—電能”的二級轉(zhuǎn)換。風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。因此，從功能上說，風(fēng)力發(fā)電機組由兩個子系統(tǒng)組成，即風(fēng)力機及其控制系統(tǒng)、發(fā)電機及其控制系統(tǒng)。目前世界上比較成熟的風(fēng)力發(fā)電機組多采用螺旋槳式水平軸風(fēng)力機。能夠從外部看到的風(fēng)力發(fā)電機組，主要包括風(fēng)輪、機艙和塔架三個部分。另外，機艙底盤和塔架之間有回轉(zhuǎn)體，使機艙可以水平轉(zhuǎn)動。§3.4

風(fēng)力發(fā)電機組§3.4.1

風(fēng)電機組及其構(gòu)成1葉輪，2輪轂，3變槳距部分，4液壓系統(tǒng)，5齒輪箱，6剎車盤，7發(fā)電機，

8控制系統(tǒng)，9偏航系統(tǒng)，10測風(fēng)系統(tǒng)，11機艙蓋，12塔架下圖為NORDEX公司生產(chǎn)的兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)?！?.4.2

風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電的核心設(shè)備，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象把由風(fēng)輪輸出的機械能轉(zhuǎn)換為電能。小功率風(fēng)力發(fā)電，過去普遍采用直流發(fā)電機，現(xiàn)在已逐步被交流發(fā)電機取代。大中型風(fēng)力發(fā)電機，大多數(shù)均采用交流發(fā)電機。目前，主流的大中型風(fēng)力發(fā)電機包括：（1）恒速恒頻的籠式異步（感應(yīng)）發(fā)電機（2）雙饋感應(yīng)式發(fā)電機（3）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機§3.4.2

風(fēng)力發(fā)電機（1）恒速恒頻的籠式感應(yīng)發(fā)電機特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速變化范圍很小，近似恒定；發(fā)電機輸出的交流電能頻率恒定。都是定槳距失速調(diào)節(jié)型，通過定槳距失速控制的風(fēng)力機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風(fēng)力機并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率，因而轉(zhuǎn)子、風(fēng)輪的速度變化范圍小，不能保持在最佳葉尖速比，捕獲風(fēng)能的效率低?！?.4.2

風(fēng)力發(fā)電機（2）變速恒頻的雙饋感應(yīng)式發(fā)電機特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，允許發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速變化，而發(fā)電機定子發(fā)出的交流電能的頻率恒定；結(jié)合了同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的特點，定子和轉(zhuǎn)子都可以和電網(wǎng)交換功率，雙饋因此而得名。一般都采用升速齒輪箱將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速增加若干倍，傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速明顯提高，因而可以采用高速發(fā)電機，體積小，質(zhì)量輕。雙饋變流器的容量僅與發(fā)電機的轉(zhuǎn)差容量相關(guān)，效率高、價格低廉，缺點是升速齒輪箱價格高、噪聲大、易疲勞損壞。2024/3/21131雙饋式感應(yīng)式風(fēng)電機組§3.4.2

風(fēng)力發(fā)電機（3）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機組定子側(cè)產(chǎn)生的交流電能的頻率都是變化的。因此，此類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要在定子側(cè)串聯(lián)電力變流裝置才能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行?！?.4.3傳動和控制機構(gòu)（1）傳動機構(gòu)對于容量較大的風(fēng)電機組，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電的要求，因而可以通過齒輪箱的增速作用來實現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱也稱增速箱。在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組中，齒輪箱就是一個不可缺少的重要部件。大型風(fēng)力發(fā)電機的傳動裝置，增速比一般為40～50。這樣，可以減輕發(fā)電機質(zhì)量，從而節(jié)省成本。也有一些采用永磁同步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在設(shè)計時由風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，而省去齒輪箱，以減輕質(zhì)量和噪聲。對于小型的風(fēng)電機組，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速比較接近，通?？梢詫l(fā)電機的軸直接連到風(fēng)輪的輪轂?！?.4.3傳動和控制機構(gòu)（2）對風(fēng)系統(tǒng)(偏航系統(tǒng))只有讓風(fēng)垂直地吹向風(fēng)輪轉(zhuǎn)動面，風(fēng)力機才能最大限度地獲得風(fēng)能。為此，常見的水平軸的風(fēng)力機需要配備調(diào)向系統(tǒng)，使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準風(fēng)向(簡稱對風(fēng))。對于小容量風(fēng)力發(fā)電機組，往往在風(fēng)輪后面裝一個類似風(fēng)向標的尾舵(也稱尾翼)，來實現(xiàn)對風(fēng)功能。對于容量較大的風(fēng)力發(fā)電機組，通常配有專門的對風(fēng)裝置——偏航系統(tǒng)，由風(fēng)向傳感器和伺服電動機組合而成。大型機組都采用主動偏航系統(tǒng)，即用電力或液壓拖動來完成對風(fēng)動作，偏航方式通常采用齒輪驅(qū)動。一般大型風(fēng)力機在機艙后面的頂部(機艙外)有兩個互相獨立的傳感器(風(fēng)速計和風(fēng)向標)。當風(fēng)向發(fā)生改變時，風(fēng)向標登記這個方位，并傳遞信號到控制器，然后控制器控制偏航系統(tǒng)轉(zhuǎn)動機艙。§3.4.3傳動和控制機構(gòu)（3）限速和制動裝置風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率隨著風(fēng)速的提高而增加，風(fēng)速過高會導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過高和發(fā)電機超負荷，危及風(fēng)力發(fā)電機組的運行安全。限速安全機構(gòu)的作用是使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)基本保持不變。風(fēng)力發(fā)電機一般還設(shè)有專門的制動裝置，當風(fēng)速過高時使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，保證強風(fēng)下風(fēng)力發(fā)電機組的安全?！?.4.4塔架和機艙機艙除了用于容納所有機械部件外，還承受所有外力。塔架是支撐風(fēng)輪和機艙的構(gòu)架，目的是把風(fēng)力發(fā)電裝置架設(shè)在不受周圍障礙物影響的高空中。塔架除了起支撐作用，還要承受吹向風(fēng)力機和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機運行中的動荷載。此外，塔架還能吸收風(fēng)中機組的震動。塔架的高度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定?，F(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組的塔架高度有的已達100m?！?.4.4塔架和機艙塔架的高度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定?，F(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組的塔架高度有的已達100m。電線桿輸電鐵塔風(fēng)力機塔架樹木30ft125ft550ft60ft§3.5

風(fēng)電場3.5.1風(fēng)電場的概念風(fēng)電場的概念于1970s在美國提出，很快在世界各地普及。如今，已經(jīng)成為大規(guī)模利用風(fēng)能的有效方式之一。風(fēng)電場是在某一特定區(qū)域內(nèi)建設(shè)的所有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及配套設(shè)施的總稱。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，將數(shù)十臺至數(shù)千臺單機容量較大的風(fēng)力發(fā)電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成發(fā)電機群，產(chǎn)生數(shù)量較大的電力并送入電網(wǎng)，這種風(fēng)力發(fā)電的場所就是風(fēng)電場。風(fēng)電場具有單機容量小、機組數(shù)目多的特點。例如，建設(shè)一個裝機容量5萬千瓦的風(fēng)電場，若采用目前技術(shù)比較成熟的1.5MW“大容量”機組，也需要33臺風(fēng)電機組?！?.5.2海上風(fēng)電

§3.5.2海上風(fēng)電海上風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）風(fēng)資源評估風(fēng)資源評估是風(fēng)電場開發(fā)的首要步驟，是進行風(fēng)場選址、機位布局、風(fēng)機選型、發(fā)電量估算和經(jīng)濟概算的基礎(chǔ)。（2）