新能源發(fā)電技術(shù) 第2版 課件全套 第1-10講 能源概述、太陽(yáng)能-分布式發(fā)電與能源互補(bǔ)

第1講能源概述§1.1.1

資源和能源——資源——在一定時(shí)期和地點(diǎn)，在一定條件下具有開(kāi)發(fā)價(jià)值、能夠滿足或提高人類當(dāng)前和未來(lái)生存和生活狀況的自然因素和條件，

稱為自然資源，有時(shí)簡(jiǎn)稱資源?！茉础茉淳褪悄軌蛳蛉祟愄峁┠撤N形式能量的自然資源，通過(guò)適當(dāng)?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。§1.1

能源的概念各種能源均有優(yōu)點(diǎn)，也各有不足。如何進(jìn)行評(píng)價(jià)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?！?.1.2

能源的評(píng)價(jià)(2)開(kāi)發(fā)費(fèi)用和設(shè)備造價(jià)(3)存儲(chǔ)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(shí)可以馬上提供，不用時(shí)能夠大量存儲(chǔ)。(4)運(yùn)輸費(fèi)用與損耗(5)對(duì)環(huán)境的影響(6)蘊(yùn)藏量作為可以長(zhǎng)期利用的能源，在地球上的蘊(yùn)藏量要足夠豐富。此外，能源的地理分布對(duì)其開(kāi)發(fā)利用也有影響。(7)能源品位反映的是能源利用的方便程度。(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的來(lái)源自然界中一次能源的初始來(lái)源，大致有三種情況：①來(lái)自地球以外天體（主要是太陽(yáng)）的能量；②來(lái)自地球內(nèi)部的能源；③地球與其他天體相互作用產(chǎn)生的能量。(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(dāng)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(zhǎng)時(shí)間的能源。新能源是指由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)或能源品質(zhì)等因素而未能大規(guī)模使用的能源。(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(duì)的，不同歷史時(shí)期會(huì)變化，這取決于應(yīng)用歷史和使用規(guī)模。(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(wú)法恢復(fù)），總有枯竭的一天。(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(wú)法恢復(fù)），總有枯竭的一天?？稍偕茉?，可以循環(huán)使用，能夠有規(guī)律地不斷得到補(bǔ)充，沒(méi)有使用期限，也不會(huì)因長(zhǎng)期使用而減少。(4)含能體能源和過(guò)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。過(guò)程性能源是指隨著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生、并且僅以運(yùn)動(dòng)過(guò)程的形式存在的能源。這類能源無(wú)法直接儲(chǔ)存和運(yùn)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(duì)環(huán)境沒(méi)有污染或污染較小的能源，有時(shí)也叫綠色能源。非清潔能源是指可能對(duì)環(huán)境造成較大污染的能源?！?.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響任何一種能源的開(kāi)發(fā)利用都會(huì)給環(huán)境造成一定的影響。（1）大氣污染化石燃料的利用過(guò)程會(huì)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(huì)直接損害人體健康?！?.3

能源與環(huán)境問(wèn)題§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（2）溫室效應(yīng)§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。§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（4）其它影響若再考慮能源開(kāi)采、運(yùn)輸和加工過(guò)程中的不良影響，則造成損失將更為嚴(yán)重?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問(wèn)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(shuō)明人類對(duì)能源的依賴越來(lái)越強(qiáng)烈。另一方面，人類大量使用化石燃料，環(huán)境污染日益嚴(yán)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(wèn)題2019年，全球一次能源消費(fèi)總量達(dá)到583.90EJ(1EJ=1018J)，同比增長(zhǎng)1.3%，不到18年增速的一半(2.8%)。詳情參見(jiàn)書?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問(wèn)題從一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)看，石油占全部能源消費(fèi)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(gè)百分點(diǎn)，清潔能源比重提高了0.7個(gè)百分點(diǎn)至39.9%。詳情參見(jiàn)書?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問(wèn)題從一次能源消費(fèi)份額看，2019年，全球一次能源消費(fèi)總量前三甲依次是中國(guó)大陸、美國(guó)和印度，分別占全球一次能源總消費(fèi)量的24.3%、16.2%和5.8%。詳情參見(jiàn)書?？沙掷m(xù)發(fā)展挪威前首相布倫特蘭夫人主持的聯(lián)合國(guó)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)完成調(diào)查報(bào)告《我們共同的未來(lái)》，提出了可持續(xù)發(fā)展概念。可持續(xù)發(fā)展就是“滿足當(dāng)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(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材第2講太陽(yáng)能及其利用26太陽(yáng)是一個(gè)發(fā)光發(fā)熱的巨型氣態(tài)星體，直徑大約為139萬(wàn)km(1.39×109m)，體積約為1.42×1027m3(是地球的130萬(wàn)倍)，質(zhì)量為1.98×1030kg(大約是地球的33萬(wàn)倍)，平均密度只有地球密度的1/4。§2.1.1太陽(yáng)能概述太陽(yáng)的能量，來(lái)自其內(nèi)部進(jìn)行的熱核反應(yīng)(由4個(gè)氫核聚變成1個(gè)氦核)。太陽(yáng)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(yáng)能資源及其分布27地球和太陽(yáng)的平均距離約為1.5×108km，因距離遙遠(yuǎn)，太陽(yáng)釋放的能量只有22億分之一左右投射到地球上。到達(dá)大氣層上界的太陽(yáng)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(yáng)輻射功率只有47%左右，約為8.1×1016W。盡管如此，每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能仍高達(dá)1.05×1018kW·h，相當(dāng)于1.3×107億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是當(dāng)代全球能耗的上萬(wàn)倍。§2.1.1太陽(yáng)能概述28太陽(yáng)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(yáng)能平均輻射總量參見(jiàn)教材P9圖2.1。就全球而言，美國(guó)西南部、非洲、澳大利亞、中國(guó)西藏、中東等地區(qū)的全年太陽(yáng)總輻射量或日照總時(shí)數(shù)最大，為世界太陽(yáng)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(guó)家，在這些地方利用太陽(yáng)能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。§2.1.2世界太陽(yáng)能資源分布29§2.2.2

世界太陽(yáng)能資源分布太陽(yáng)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(shí)數(shù)來(lái)表示。太陽(yáng)能全年總輻射量難以計(jì)算，一般只能根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到。太陽(yáng)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有關(guān)。世界各地太陽(yáng)能全年總輻射量分布§2.1.2世界太陽(yáng)能資源分布30美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)建有一個(gè)包含各地日照數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中部分城市的日照數(shù)據(jù)見(jiàn)表排

序地

點(diǎn)日照量/[kW·h/(m2·年)]排

序地

點(diǎn)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(yáng)能資源分布31我國(guó)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(guó)的太陽(yáng)能資源十分豐富，每年陸地接收的太陽(yáng)輻射總量約為1.9×1016kW·h，相當(dāng)于2.4萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。國(guó)家有關(guān)單位的測(cè)量資料表明，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量基本都在3340～8400MJ/m2，平均值超過(guò)5000MJ/m2(相當(dāng)于170kg/m2標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量)。而且全國(guó)2/3的國(guó)土面積年日照時(shí)間都超過(guò)2200小時(shí)?！?.1.3我國(guó)太陽(yáng)能資源分布32按接受太陽(yáng)能輻射量的大小，全國(guó)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(shí)數(shù)(h/a)年輻射總量(MJ/m2·a)等量熱量所需標(biāo)準(zhǔn)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(yáng)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(guó)太陽(yáng)能資源分布33一、二、三類地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于2000h，輻射總量高于5000MJ/m2·a，是我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國(guó)總面積的2/3以上，具有利用太陽(yáng)能的良好條件。四川盆地、兩湖地區(qū)、秦巴山地等是太陽(yáng)能資源低值區(qū)。我國(guó)太陽(yáng)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?！?.1.3我國(guó)太陽(yáng)能資源分布34與煤炭、石油、天然氣、核能等常規(guī)能源相比，太陽(yáng)能具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）儲(chǔ)量豐富。（2）維持長(zhǎng)久。（3）分布廣泛。（4）維護(hù)方便，運(yùn)行成本低。（5）清潔，無(wú)污染?！?.1.4太陽(yáng)能資源的特點(diǎn)35太陽(yáng)的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）能量的分散性（能量密度低）。（2）能量的不穩(wěn)定性。（3）能量的間歇性，不連續(xù)。§2.1.4太陽(yáng)能資源的特點(diǎn)36§2.2太陽(yáng)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37（1）平板集熱器直曬式平板集熱器，受熱面是一個(gè)或多個(gè)平板，涂有高吸收、低發(fā)射的選擇性涂層，直接讓陽(yáng)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(guò)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(jì)的?！盁嵯洹泵嫦蜿?yáng)光的一面為透明的蓋板，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(yáng)光透過(guò)透明的蓋板進(jìn)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38（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(shí)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(lái)分，有全玻璃真空管和金屬真空管兩類?！?.2.1集熱器類型39（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(jì)，將太陽(yáng)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(diǎn)聚焦線聚焦§2.2.1集熱器類型40

太陽(yáng)能熱水器利用太陽(yáng)輻射的熱量提供熱水?？晒?jié)省電能，是重要的節(jié)能措施之一。太陽(yáng)能熱利用中，發(fā)展和應(yīng)用最完善?！?.2太陽(yáng)能集熱與發(fā)電41太陽(yáng)池若想實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的連續(xù)供應(yīng)，要在陽(yáng)光充足時(shí)盡量多收集，并將用不完的部分設(shè)法儲(chǔ)存起來(lái)，以便在陽(yáng)光不足的使用。太陽(yáng)池就是一種集中儲(chǔ)存太陽(yáng)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)闊崮芎螅顺氐椎挠邢奚?，基本不?huì)向水池表面散熱。這是因?yàn)榉€(wěn)定的鹽溶液不能對(duì)流，而水本身的導(dǎo)熱性又差，上層水實(shí)際上成了厚厚的保溫層。太陽(yáng)不斷輻射、底層水不斷儲(chǔ)熱，水溫就越來(lái)越高。將池底的熱取出，就可以進(jìn)行各種應(yīng)用，而且這種熱源還比較穩(wěn)定?！?.2太陽(yáng)能集熱與發(fā)電太陽(yáng)池示意圖43太陽(yáng)能發(fā)電是未來(lái)太陽(yáng)能大規(guī)模利用的主要發(fā)展方向。主要方式有太陽(yáng)能熱發(fā)電和太陽(yáng)能光發(fā)電兩種。太陽(yáng)能光發(fā)電是指不通過(guò)熱過(guò)程而直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式?！?.2.2太陽(yáng)能發(fā)電44§2.3太陽(yáng)能熱發(fā)電（1）太陽(yáng)能熱發(fā)電兩種類型：一類是蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電，一類是熱電直接轉(zhuǎn)換。——蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電，先利用太陽(yáng)能提供的熱量產(chǎn)生蒸汽，

再利用高溫高壓蒸汽的熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。——熱電直接轉(zhuǎn)換，即利用太陽(yáng)能提供的熱量直接發(fā)電?！?.3.1太陽(yáng)能熱發(fā)電方式45通常所說(shuō)的太陽(yáng)能熱發(fā)電，就是指太陽(yáng)能蒸汽熱動(dòng)力發(fā)電。太陽(yáng)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(jī)組和動(dòng)力循環(huán)都基本相同。太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成46§2.3.2太陽(yáng)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(huì)形成一個(gè)龐大的太陽(yáng)能收集場(chǎng)。一般還配備太陽(yáng)能跟蹤裝置，保證在有陽(yáng)光的時(shí)段持續(xù)獲得高效的太陽(yáng)能利用。集熱器的作用是將聚焦后的太陽(yáng)能輻射吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能提供給工質(zhì)。（2）熱能傳輸部分把集熱器收集起來(lái)的熱能傳輸給蓄熱部分。對(duì)于分散型集熱系統(tǒng)，通常要把多個(gè)單元集熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)組成集熱器方陣。47（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(chǔ)的熱能還需通過(guò)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(guò)熱交換形成的高壓高溫蒸汽，可以推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)工作。汽輪發(fā)電部分，是實(shí)現(xiàn)電能供應(yīng)的重要部件，其電能輸出可以是單機(jī)供電，也可以采用并網(wǎng)供電?！?.3.2太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成48較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計(jì)大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個(gè)龐大的太陽(yáng)能收集場(chǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)聚光功能。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，多采用真空管集熱器?！?.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型49較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計(jì)大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個(gè)龐大的太陽(yáng)能收集場(chǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)聚光功能。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，多采用真空管集熱器?！?.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型50槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)利用槽形拋物面或柱面反射鏡把陽(yáng)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(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電，適用于大規(guī)模太陽(yáng)能熱發(fā)電應(yīng)用。整個(gè)槽式系統(tǒng)由多個(gè)呈拋物線形彎曲的槽型反射鏡構(gòu)成，有時(shí)為了制作方便，各槽式反射鏡采用拋物柱面結(jié)構(gòu)。每個(gè)槽式反射鏡都將其接收到的太陽(yáng)光聚集到處于其截面焦點(diǎn)連線的一個(gè)管狀接收器上。示意圖參見(jiàn)教材P16圖2.11?！?.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型51槽式太陽(yáng)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(wú)風(fēng)地區(qū)。我國(guó)西北的陽(yáng)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(guó)開(kāi)展示范，必須增強(qiáng)槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，因而成本必然要在國(guó)外已有示范基礎(chǔ)上大大增加。此外，太陽(yáng)能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)槽式熱發(fā)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ISCC，又叫一體化太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))

做為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種新興形式，已越來(lái)越多的受到國(guó)際社會(huì)關(guān)注。52線性菲涅爾太陽(yáng)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(lái)取代槽式系統(tǒng)里的拋物面型的曲面鏡聚焦，是簡(jiǎn)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(chǎng)、接收器和跟蹤裝置三部分組成。示意圖參見(jiàn)教材P18圖2.15?！?.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型53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(diǎn)：（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(duì)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(dòng)跟蹤太陽(yáng)，相互之間可用聯(lián)動(dòng)控制，控制成本較低。（3）線性菲涅爾式系統(tǒng)鏡場(chǎng)之間的光線遮擋較小，場(chǎng)地利用率高。（4）線性菲涅爾式系統(tǒng)的聚光比比相同場(chǎng)地的槽式系統(tǒng)要高。線性菲涅爾太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型54塔式太陽(yáng)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(yáng)能反射鏡群（能夠自動(dòng)跟蹤陽(yáng)光的定日鏡群）；定日鏡群把陽(yáng)光積聚到接收器上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。塔式系統(tǒng)聚光比高，易于實(shí)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。最早的和最大的太陽(yáng)能熱電站，都是塔式太陽(yáng)能熱電站。示意圖參見(jiàn)教材P19圖2.16?！?.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型55受聚光集熱裝置的尺寸限制，碟式太陽(yáng)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(dòng)損失小，效率高達(dá)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(gè)方面。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型56由許多反射鏡組成一個(gè)大型拋物面，類似大型的拋物面雷達(dá)天線，聚光比可達(dá)數(shù)百倍到數(shù)千倍；在該拋物面的焦點(diǎn)上安放熱能接收器，利用反射鏡把入射的太陽(yáng)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)加熱到很高溫度驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型57§2.4.1光伏效應(yīng)與光伏材料當(dāng)光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合材料上，會(huì)在不同的部位之間產(chǎn)生電位差。1839年，法國(guó)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(yáng)光照射時(shí)電壓會(huì)突然升高。他在當(dāng)年發(fā)表的論文中稱為“光生伏打效應(yīng)”。1876年，亞當(dāng)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(yáng)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?！?.4太陽(yáng)能光伏發(fā)電58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(kuò)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59光伏電池，是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)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(fù)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(dòng)，

電子向N型半導(dǎo)體區(qū)移動(dòng)(c)電子從N區(qū)負(fù)電極流出負(fù)電，

空穴從P區(qū)正電極流出正電§2.4.2光伏電池60按電池的結(jié)構(gòu)（主要是P-N結(jié)的特點(diǎn)），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(jì)），從而大大地降低了光伏電池的成本?！?.4.2光伏電池61一般由太陽(yáng)能電池方陣、儲(chǔ)能蓄電池、保護(hù)和控制系統(tǒng)、逆變器等設(shè)備組成。（1）光伏電池方陣實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是單體光伏電池。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常要根據(jù)功率需要，串聯(lián)、并聯(lián)組織起來(lái)，并封裝在透明的外殼內(nèi)，組成一個(gè)可以單獨(dú)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(gè)單體電池組成，可產(chǎn)生12～l6V的電壓，功率從零點(diǎn)幾瓦到幾百瓦。還可把多個(gè)電池組件再串、并聯(lián)起來(lái)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)63（2）儲(chǔ)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(dú)立工作時(shí)，常需要配備儲(chǔ)能裝置，以保證對(duì)用戶的可靠供電。（3）保護(hù)和控制系統(tǒng)光伏發(fā)電的保護(hù)和控制系統(tǒng)主要由電子元器件、測(cè)量?jī)x表、繼電器、控制開(kāi)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)64單級(jí)無(wú)變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)雙極無(wú)變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)單級(jí)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)§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)65從太陽(yáng)能資源的角度來(lái)看：太陽(yáng)能是地球上最豐富、最廣泛的可再生能源。從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來(lái)看，很多優(yōu)點(diǎn)是其它能源無(wú)法比擬的，這主要是因?yàn)樘?yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件。（1）運(yùn)輸、安裝容易（2）運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)單（3）安全，可靠，壽命長(zhǎng)（4）清潔，環(huán)境污染少§2.4.4光伏發(fā)電的特點(diǎn)66太陽(yáng)能光伏發(fā)電未能迅速地大面積推廣應(yīng)用，說(shuō)明它也存在一些不足。這些不足主要是由太陽(yáng)能資源本身的弱點(diǎn)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)?！?.4.4光伏發(fā)電的特點(diǎn)67§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r自1950s出現(xiàn)第一塊實(shí)用的單晶硅光伏電池、50年代末光伏電池進(jìn)入空間應(yīng)用、60年代末進(jìn)入了地面應(yīng)用，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)。2004年，光伏電池在全世界能源市場(chǎng)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)開(kāi)始形成。目前，光伏電池的功率級(jí)別非常豐富，大到100kW～10MW的太陽(yáng)能光伏電站，小到手表、計(jì)算器的電源?！?.5太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展68我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研制太陽(yáng)能電池。到2003年底，中國(guó)成為最大的庭園燈等光伏消費(fèi)品的生產(chǎn)國(guó)。2007年，一座205千瓦的太陽(yáng)能聚光光伏示范電站在內(nèi)蒙古建成。崇明島的兆瓦級(jí)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(dá)到1000兆瓦，太陽(yáng)能多晶硅片產(chǎn)能世界第一，成為世界第一個(gè)實(shí)際產(chǎn)能進(jìn)入吉瓦（GW）俱樂(lè)部的光伏企業(yè)。§2.5.2我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r69中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量世界第一。2007年國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量約為1100兆瓦，而歐洲、日本和美國(guó)產(chǎn)量分別是1062、920和266兆瓦。2010年我國(guó)光伏電池產(chǎn)量約8000MW，占全球光伏電池市場(chǎng)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(guó)已達(dá)到世界先進(jìn)水平?！?.5.2我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r702019年全國(guó)太陽(yáng)能電池（光伏電池）產(chǎn)量達(dá)12862萬(wàn)千瓦，同比2018年增長(zhǎng)33.9%。2020年9月全國(guó)太陽(yáng)能電池（光伏電池）產(chǎn)量為1640.4萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)33.3%。2020年1-9月全國(guó)太陽(yáng)能電池（光伏電池）產(chǎn)量為11381.8萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)24.6%?！?.5.2我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)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(yùn)動(dòng)，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽(yáng)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(dòng)，稱為大氣運(yùn)動(dòng)。在氣象學(xué)上，一般把空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為紊流，垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為氣流，水平方向的大氣運(yùn)動(dòng)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(bǔ)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(yáng)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(dòng)，形成山風(fēng)。對(duì)于平原地區(qū)感受此風(fēng)的人來(lái)說(shuō)，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(lái)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(huì)形成季節(jié)性的氣壓變化。以中國(guó)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(guó)大部分地區(qū)常刮東南風(fēng)。。§3.1.2

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

通常指一段時(shí)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(huì)逐漸增大。天氣預(yù)報(bào)中的幾級(jí)風(fēng)，是指離地面10米高度的風(fēng)速等級(jí)。（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度風(fēng)中流動(dòng)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(guò)的風(fēng)能。風(fēng)級(jí)的定義和描述風(fēng)

級(jí)名

稱相應(yīng)風(fēng)速/(m/s)表

現(xiàn)0無(wú)風(fēng)0～0.2零級(jí)無(wú)風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.3～1.5一級(jí)軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.6～3.5二級(jí)輕風(fēng)樹(shù)葉響3微風(fēng)3.4～5.4三級(jí)微風(fēng)樹(shù)枝晃4和風(fēng)5.5～7.9四級(jí)和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)8～10.7五級(jí)清風(fēng)水起波6強(qiáng)風(fēng)10.8～13.8六級(jí)強(qiáng)風(fēng)大樹(shù)搖7疾風(fēng)13.9～17.1七級(jí)疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.2～20.7八級(jí)大風(fēng)樹(shù)枝折9烈風(fēng)20.8～24.4九級(jí)烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.5～28.4十級(jí)狂風(fēng)樹(shù)根拔11暴風(fēng)28.5～32.6十一級(jí)暴風(fēng)陸罕見(jiàn)12颶風(fēng)＞32.6十二級(jí)颶風(fēng)浪滔天§3.1.3

世界風(fēng)資源有專家估計(jì)，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(dāng)于1.08萬(wàn)億噸煤蘊(yùn)藏的能量。據(jù)世界氣象組織估計(jì)，全球大氣中蘊(yùn)藏的總的風(fēng)能功率約為1014MW，其中可被開(kāi)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(dāng)于2.74萬(wàn)億度，其中可利用的相當(dāng)于200億度電，比地球上可開(kāi)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(jī)。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(jì)為200萬(wàn)度左右。顏色越深代表風(fēng)能資源越豐富

§3.1.4

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

我國(guó)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(shí)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(shí)數(shù)，我國(guó)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)。§3.1.4

我國(guó)風(fēng)資源根據(jù)全國(guó)氣象臺(tái)風(fēng)能資料的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，中國(guó)各省份風(fēng)能資源折算為發(fā)電功率狀況見(jiàn)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。§3.2

風(fēng)力機(jī)的種類一般將用作原動(dòng)機(jī)的風(fēng)車稱為風(fēng)力機(jī)。各種類型的風(fēng)力機(jī)，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(jī)大體上可分為兩類：－水平軸風(fēng)力機(jī)（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行）；－垂直軸風(fēng)力機(jī)（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向）。§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(jī)(1)荷蘭式風(fēng)力機(jī)12世紀(jì)初荷蘭人發(fā)明，曾在歐洲(荷、比、西等國(guó))廣泛使用，最大直徑超過(guò)20m。這可能是出現(xiàn)最早的水平軸風(fēng)力機(jī)。§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(jī)(2)螺旋槳式風(fēng)力機(jī)螺旋槳式水平軸風(fēng)力機(jī)目前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最多?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(jī)(3)多翼式風(fēng)力機(jī)也叫多葉式風(fēng)力機(jī)，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(jī)?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(jī)(4)離心甩出式風(fēng)力機(jī)法國(guó)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(dú)特設(shè)計(jì)。采用空心葉片，當(dāng)風(fēng)輪在氣流的作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(lái)氣流從塔架底部流入?？諝鉁u輪機(jī)安裝在塔底內(nèi)部，利用塔底的氣流推動(dòng)其驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(jī)(5)透平式風(fēng)力機(jī)也叫渦輪式風(fēng)力機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)類似，由靜葉片和動(dòng)葉片組成?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(jī)(5)壓縮風(fēng)能型風(fēng)力機(jī)是一種特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，又可分為：－集風(fēng)式－擴(kuò)散式－集風(fēng)擴(kuò)散式§3.2.3

新型風(fēng)力機(jī)(1)旋風(fēng)型風(fēng)力機(jī)

由美國(guó)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(guò)葉輪的空氣流量，提高風(fēng)機(jī)的效率，據(jù)稱這種旋風(fēng)型風(fēng)力機(jī)的效率比傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)要強(qiáng)大得多。

§3.2.3

新型風(fēng)力機(jī)(2)建筑物風(fēng)力機(jī)隨著現(xiàn)代化和城市化的發(fā)展，城市中的高層建筑越來(lái)越多，越來(lái)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(jī)

(2)建筑物風(fēng)力機(jī)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(gè)三層的基座，其兩座三角形的大廈高度達(dá)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(jī)。風(fēng)力渦輪預(yù)計(jì)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(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

§3.3.1

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

水平軸風(fēng)力機(jī)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(jī)捕獲風(fēng)能的部件；－塔架是風(fēng)力機(jī)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(yùn)行；－機(jī)艙內(nèi)集中放置調(diào)向裝置、

控制裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)等?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)的原理翼型及其受力在與飛行器設(shè)計(jì)有關(guān)的空氣動(dòng)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(shí)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(dāng)攻角為0o時(shí)，升力最小。當(dāng)氣流方向與物體表面垂直時(shí)，物體受到的阻力最大?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)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(duì)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(duì)翼型物體產(chǎn)生向上的“吸入”作用，增大升力。設(shè)計(jì)者一般喜歡利用升力裝置，因?yàn)樯Ρ茸枇Υ蟮枚??！?.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)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(shí)也稱之為槳距，常用字母θ表示。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而實(shí)際的攻角α與葉片靜止時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)，考慮到氣流沿著x軸方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，于是氣流相對(duì)于運(yùn)動(dòng)葉片的作用方向?yàn)閳D中Wr所示?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)的原理風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力機(jī)能夠從風(fēng)中吸取的能量，與風(fēng)輪掃過(guò)面積內(nèi)的全部風(fēng)能(未受風(fēng)輪干擾時(shí))之比，稱為風(fēng)能利用系數(shù)。風(fēng)力機(jī)的效率，還要考慮風(fēng)力機(jī)本身的機(jī)械損耗，與風(fēng)能利用系數(shù)不是一個(gè)數(shù)值?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)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(lái)表示。Cp與λ的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示，其中β為槳距角?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)的原理容積比（Solidity）也叫實(shí)度，表示“實(shí)體”在掃掠面積中所占的百分?jǐn)?shù)。多葉片風(fēng)力機(jī)具有很高的容積比，被稱為高容積比風(fēng)力機(jī)；

具有少數(shù)幾個(gè)窄葉片的風(fēng)力機(jī)，則被稱為低容積比風(fēng)力機(jī)。多個(gè)葉片會(huì)互相干擾，因此總體上高容積比的風(fēng)力機(jī)效率低。不過(guò)，多葉片風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲一般較小。低容積比風(fēng)力機(jī)，如果葉尖速比太低，有些風(fēng)會(huì)直接吹過(guò)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(jī)會(huì)對(duì)風(fēng)產(chǎn)生過(guò)大的阻力，一些氣流將繞開(kāi)風(fēng)力機(jī)流過(guò)。在低容積比的風(fēng)力機(jī)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(jī)的原理力矩和轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)機(jī)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。§3.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)的原理取自風(fēng)能的功率風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率：§3.3.2

水平軸風(fēng)力機(jī)的原理工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)并不是在所有風(fēng)速下都能正常工作。當(dāng)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)，有最低扭矩要求，起動(dòng)扭矩主要與槳距和風(fēng)速有關(guān)，因此風(fēng)力機(jī)就有一個(gè)起動(dòng)風(fēng)速，稱為“切入風(fēng)速”。風(fēng)力機(jī)達(dá)到標(biāo)稱功率輸出時(shí)的風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。風(fēng)速提高時(shí)，可利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使風(fēng)力機(jī)的輸出功率保持恒定。風(fēng)速超過(guò)技術(shù)上規(guī)定的最高允許值時(shí)，風(fēng)力機(jī)就有損壞危險(xiǎn)，基于安全方面的考慮，風(fēng)力機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。該停機(jī)風(fēng)速稱為“切出風(fēng)速”。§3.3.3

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式定槳距風(fēng)力機(jī)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(jī)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(dòng)，吸收的能量隨流速上升而增加；當(dāng)超過(guò)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?gòu)娜~片的局部開(kāi)始，隨風(fēng)速的上升而逐步向葉片全長(zhǎng)發(fā)展，起到功率調(diào)節(jié)作用。§3.3.3

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式變槳距風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)通過(guò)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(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角，限制風(fēng)能捕獲以維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。低于額定風(fēng)速時(shí)，保持槳距角恒定，通過(guò)調(diào)速控制使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速，維持風(fēng)力機(jī)組在最佳風(fēng)能捕獲效率下運(yùn)行。高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)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?！?.4

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§3.4.1

風(fēng)電機(jī)組及其構(gòu)成實(shí)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(jī)組(簡(jiǎn)稱風(fēng)力電機(jī)組)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組完成的是“風(fēng)能—機(jī)械能—電能”的二級(jí)轉(zhuǎn)換。風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。因此，從功能上說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，即風(fēng)力機(jī)及其控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)?！?.4

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§3.4.1

風(fēng)電機(jī)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(jī)，

8控制系統(tǒng)，9偏航系統(tǒng)，10測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，11機(jī)艙蓋，12塔架圖為NORDEX公司生產(chǎn)的兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。（具體圖片請(qǐng)參考《新能源發(fā)電技術(shù)》P51圖3.31）§3.4.2

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)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(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。小功率風(fēng)力發(fā)電，過(guò)去普遍采用直流發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在已逐步被交流發(fā)電機(jī)取代。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大多數(shù)均采用交流發(fā)電機(jī)。§3.4.2

風(fēng)力發(fā)電機(jī)（1）恒速恒頻的籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)都是定槳距失速調(diào)節(jié)型，通過(guò)定槳距失速控制的風(fēng)力機(jī)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)后定子磁場(chǎng)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。§3.4.2

風(fēng)力發(fā)電機(jī)（2）變速恒頻的雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速明顯提高，因而可以采用高速發(fā)電機(jī)，體積小，質(zhì)量輕?！?.4.2

風(fēng)力發(fā)電機(jī)（3）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)特點(diǎn)是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)組定子側(cè)產(chǎn)生的交流電能的頻率都是變化的?！?.4.3傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)（1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于容量較大的風(fēng)電機(jī)組，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電的要求，因而可以通過(guò)齒輪箱的增速作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱也稱增速箱。在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，齒輪箱就是一個(gè)不可缺少的重要部件。也有一些采用永磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，而省去齒輪箱，以減輕質(zhì)量和噪聲。對(duì)于小型的風(fēng)電機(jī)組，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速比較接近，通?？梢詫l(fā)電機(jī)的軸直接連到風(fēng)輪的輪轂。§3.4.3傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)（2）對(duì)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(dòng)面，風(fēng)力機(jī)才能最大限度地獲得風(fēng)能。為此，常見(jiàn)的水平軸的風(fēng)力機(jī)需要配備調(diào)向系統(tǒng)，使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向(簡(jiǎn)稱對(duì)風(fēng))?！?.4.3傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)（3）限速和制動(dòng)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(guò)高會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)高和發(fā)電機(jī)超負(fù)荷，危及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。限速安全機(jī)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(jī)一般還設(shè)有專門的制動(dòng)裝置，當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，保證強(qiáng)風(fēng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全?！?.4.4塔架和機(jī)艙機(jī)艙除了用于容納所有機(jī)械部件外，還承受所有外力。塔架是支撐風(fēng)輪和機(jī)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(jī)和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)荷載。此外，塔架還能吸收風(fēng)中機(jī)組的震動(dòng)。塔架的高度視地面障礙物對(duì)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(jī)組的塔架高度有的已達(dá)100m。§3.4.4塔架和機(jī)艙塔架的高度視地面障礙物對(duì)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(jī)組的塔架高度有的已達(dá)100m?！?.5

風(fēng)電場(chǎng)3.5.1風(fēng)電場(chǎng)的概念風(fēng)電場(chǎng)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(tái)至數(shù)千臺(tái)單機(jī)容量較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中安裝在特定場(chǎng)地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成發(fā)電機(jī)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(chǎng)所就是風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)具有單機(jī)容量小、機(jī)組數(shù)目多的特點(diǎn)?！?.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(píng)估（2）基礎(chǔ)建造海上風(fēng)電基礎(chǔ)通常指的是水下結(jié)構(gòu)和地基。由于水下情況復(fù)雜、基礎(chǔ)建造要綜合考慮海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、離岸距離、風(fēng)浪等級(jí)、海流情況等多方面影響，這也是海上風(fēng)電施工難度高于陸地風(fēng)電的主要方面。§3.5.2海上風(fēng)電（3）機(jī)組設(shè)計(jì)由于海上環(huán)境氣候惡劣，海浪潮汐情況復(fù)雜，海上風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行中設(shè)備的故障率較高；而且，由于機(jī)組都位于海上，維修人員只能通過(guò)工作艇或直升機(jī)到達(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備維修或更換，所以維護(hù)的成本很高。這就對(duì)海上機(jī)組設(shè)計(jì)及監(jiān)控水平提出了更高要求：抗臺(tái)風(fēng)抗鹽蝕風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控§3.5.2海上風(fēng)電（4）機(jī)組安裝海上風(fēng)力機(jī)安裝主要有兩種方式：海上分體安裝和海上整體安裝。海上分體安裝是在海上將風(fēng)力機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行安裝。海上整體安裝包括陸地安裝和海上運(yùn)輸兩部分工作。（5）電網(wǎng)接入隨著近海風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，場(chǎng)址距離陸地的主電網(wǎng)越來(lái)越遠(yuǎn)。輕型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)，以其在成本、維護(hù)、輸電質(zhì)量等方面的優(yōu)越性，越來(lái)越受到風(fēng)力發(fā)電輸電系統(tǒng)尤其是海上輸電的青睞。§3.5.3小風(fēng)電系統(tǒng)（1）小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通常由葉片、輪轂、變速箱、發(fā)電機(jī)、主機(jī)架、偏航機(jī)構(gòu)、控制裝置、機(jī)罩和塔架等組成。發(fā)出交流電，經(jīng)整流后直接向蓄電池組充電或向直流負(fù)載供電；還可經(jīng)由變流器向交流負(fù)載（單相或三相）供電。在無(wú)風(fēng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不能運(yùn)行發(fā)電時(shí)，為保持系統(tǒng)不間斷供電，離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還要配備蓄電池組?！?.5.3小風(fēng)電系統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用系統(tǒng)，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、控制裝置、蓄能裝置和電能用戶的電氣負(fù)荷等組成。（具體圖片請(qǐng)參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P58圖3.34）§3.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－世界近20年來(lái)風(fēng)電技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電能力以平均每年20%以上的速度增長(zhǎng)，已經(jīng)成為各種能源中增長(zhǎng)速度最快的一種。近年來(lái)歐洲、北美的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量所提供的電力成為僅次于天然氣發(fā)電電力的第二大能源。歐洲的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)開(kāi)始從“補(bǔ)充能源”向“戰(zhàn)略替代能源”的方向發(fā)展?！?.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－世界全球風(fēng)能理事會(huì)預(yù)測(cè)，這種增長(zhǎng)將持續(xù)下去，在未來(lái)五年內(nèi)將增加355GW的風(fēng)電裝機(jī)容量。這意味著到2024年底，每年將增加71GW的風(fēng)電，屆時(shí)海上風(fēng)電將其在風(fēng)電總安裝量中的份額擴(kuò)大到20％。（全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量和全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量的變化趨勢(shì)請(qǐng)參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P59圖3.35和圖3.36）§3.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－中國(guó)我國(guó)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展始于20世紀(jì)80年代。1986年5月，我國(guó)第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在山東榮成馬蘭灣建成。2010年8月，上海東海大橋100MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目風(fēng)電場(chǎng)全部34臺(tái)華銳風(fēng)電SL3000風(fēng)電機(jī)組，順利完成海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目240小時(shí)預(yù)驗(yàn)收考核。中國(guó)成為繼歐洲之后，最先擁有海上風(fēng)電的地區(qū)。2019年9月，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國(guó)首臺(tái)10MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在中國(guó)三峽福建產(chǎn)業(yè)園——東方電氣風(fēng)電有限公司福建生產(chǎn)基地順利下線。§3.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－中國(guó)截至2018年年底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)1.84億kW，占全部總裝機(jī)容量的9.7%，較2017年增長(zhǎng)0.5個(gè)百分點(diǎn)，連續(xù)九年位居全球第一。2018年我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)21.14GW，同比增加7.5%，扭轉(zhuǎn)了2015年以來(lái)的新增裝機(jī)量逐年下降的趨勢(shì)。（全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量具體變化趨勢(shì)請(qǐng)參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P60圖3.37和圖3.38）§3.7

風(fēng)力發(fā)電工程實(shí)例3.7.1大型陸上風(fēng)電基地（1）甘肅酒泉千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)我國(guó)第一個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地，是國(guó)家繼西氣東輸、西油東輸、西電東送和青藏鐵路之后，西部大開(kāi)發(fā)的又一標(biāo)志性工程，被譽(yù)為“風(fēng)電三峽”?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實(shí)例3.7.1大型陸上風(fēng)電基地（2）塞罕壩風(fēng)電場(chǎng)塞罕壩位于河北省承德市境內(nèi)，是世界在役最大的風(fēng)電場(chǎng)。2012年3月，隨著巴拉奇如德風(fēng)電項(xiàng)目的投產(chǎn)運(yùn)行，塞罕壩風(fēng)電場(chǎng)成為全國(guó)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實(shí)例3.7.2海上風(fēng)電場(chǎng)工程實(shí)例（1）全球最大的海上風(fēng)電場(chǎng)DoggerBank項(xiàng)目是英國(guó)海上風(fēng)電樞紐項(xiàng)目，2015年由英國(guó)政府正式批準(zhǔn)建設(shè)，將在2020年至2026年陸續(xù)開(kāi)工，總投資102億歐元。該風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為3.6GW，約占英國(guó)總發(fā)電量的5%，是目前全球最大的海上風(fēng)電場(chǎng)?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實(shí)例3.7.2海上風(fēng)電場(chǎng)工程實(shí)例（2）全球首個(gè)浮動(dòng)式風(fēng)電場(chǎng)HywindScotland風(fēng)電場(chǎng)，由挪威國(guó)家石油公司（Statoil）承建，位于蘇格蘭東北海岸，2017年已開(kāi)始向蘇格蘭電網(wǎng)輸送電力。整個(gè)項(xiàng)目耗資超過(guò)2億英鎊，共由五臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，裝機(jī)容量為30MW，可以滿足兩萬(wàn)戶普通家庭的用電需求?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實(shí)例3.7.2海上風(fēng)電場(chǎng)工程實(shí)例（3）我國(guó)最大的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)，位于上海東南的東海大橋附近海面，是歐洲以外全球第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)、我國(guó)第一個(gè)國(guó)家海上風(fēng)電示范工程。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材第4講生物質(zhì)能及其利用134生物質(zhì)（biomass），是指有機(jī)物中除化石燃料外的所有來(lái)源于動(dòng)物、植物和微生物的物質(zhì)?！?.1.1生物質(zhì)的概念§4.1

生物質(zhì)能概述135光合作用吸收二氧化碳，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能、生成氧氣并儲(chǔ)存有機(jī)物，是植物賴以生長(zhǎng)的主要物質(zhì)來(lái)源和全部能量來(lái)源，也是其他直接或間接依靠植物生存的生物的有機(jī)物和能量來(lái)源。然后又經(jīng)過(guò)各種化學(xué)作用，生成二氧化碳和熱能，釋放到大氣中，形成了自然界的碳循環(huán)。動(dòng)物、植物和微生物等生命體及其排泄或遺留物都含有大量的有機(jī)物，成為生物質(zhì)能的載體。可以說(shuō)，生物質(zhì)是太陽(yáng)能的有機(jī)能量庫(kù)。生物質(zhì)是地球上存在最廣泛的物質(zhì)，而且可以隨著生物的繁衍生長(zhǎng)不斷再生?！?.1.1生物質(zhì)的概念136光合作用綠色植物通過(guò)葉綠體利用太陽(yáng)能，把二氧化碳和水合成儲(chǔ)存能量的有機(jī)物，并且釋放氧氣的過(guò)程。其化學(xué)表達(dá)式為§4.1.1生物質(zhì)的概念137獲取生物質(zhì)的途徑大體上有兩種情況：一有機(jī)廢棄物的回收利用，一專門培植作為生物質(zhì)來(lái)源的農(nóng)林作物。此外，某些光合成微生物也可以形成有用的生物質(zhì)?！?.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)138（1）農(nóng)林作業(yè)和加工的廢棄物農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的植物殘?bào)w和加工廢棄物。森林作業(yè)和林業(yè)加工提供的生物質(zhì)也很多，許多國(guó)家都開(kāi)始利用這些林業(yè)廢棄物。§4.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)139（2）專門培植的農(nóng)林作物除了利用農(nóng)林作物的殘余物以外，為集中地獲取大量生物質(zhì)，很多國(guó)家還專門培植經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的特種樹(shù)木或農(nóng)作物。據(jù)報(bào)道，國(guó)外每公頃林地每年可收獲30噸以上的能源作物?！?.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)140（2）專門培植的農(nóng)林作物常用作生物質(zhì)資源的農(nóng)作物，例如：可制造酒精的甜高粱、玉米、甘薯、木薯、芭蕉芋，能產(chǎn)生糖類的甘蔗、甜菜，以及向日葵、油菜、黃豆等油料作物。此外，海洋和湖泊也提供大量生物質(zhì)。例如：海洋生的馬尾藻、巨藻、石莼、海帶等；淡水生的布帶草、浮萍等；微藻類的螺旋藻、小球藻以及藍(lán)藻、綠藻等?！?.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)141生產(chǎn)和生活中，還有很多其它形式的有機(jī)廢棄物也是生物質(zhì)的重要來(lái)源。（1）動(dòng)物糞便動(dòng)物糞便是從糧食、農(nóng)作物秸稈、牧草等植物體轉(zhuǎn)化而來(lái)的，數(shù)量也很大。2015年中國(guó)的畜禽糞便可獲得的干物質(zhì)資源就約有4.2億噸。動(dòng)物糞便發(fā)酵所釋放的氣體也是溫室氣體的主要來(lái)源之一。如果不很好地處理這些排泄物，還會(huì)對(duì)水體造成污染?！?.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)142（2）城市垃圾城市垃圾成分比較復(fù)雜，主要包括：居民生活垃圾，辦公、服務(wù)業(yè)垃圾，少量建筑業(yè)垃圾和工業(yè)有機(jī)廢棄物等?！?.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)143（3）有機(jī)廢水包括工業(yè)有機(jī)廢水和生活污水，往往也含有豐富的有機(jī)物。工業(yè)有機(jī)廢水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的廢水。生活污水主要由城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水組成，§4.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)144作為一種能源資源，生物質(zhì)能具有如下特點(diǎn)：（1）可循環(huán)再生（2）可存儲(chǔ)和運(yùn)輸（3）資源分散（4）大多來(lái)自廢物§4.1.2生物質(zhì)的來(lái)源及特點(diǎn)145生物質(zhì)能利用，主要是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯永玫臒崮?、電能和可存?chǔ)的燃料（常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)）。生物質(zhì)的組成與化石燃料大體相同，利用方式也類似。常規(guī)能源的利用技術(shù)無(wú)需大改，即可應(yīng)用于生物質(zhì)能。但生物質(zhì)的種類繁多，各有不同的屬性和特點(diǎn)，應(yīng)用方式也趨于多樣，可能遠(yuǎn)比化石燃料的利用更復(fù)雜?！?.1.3生物質(zhì)能的利用形式146§4.1.3生物質(zhì)能的利用形式147§4.1.4我國(guó)的生物質(zhì)資源我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)。生物質(zhì)資源十分豐富，理論上生物質(zhì)能資源達(dá)到50億t左右，根據(jù)中國(guó)工程院的《可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略咨詢報(bào)告》，我國(guó)生物質(zhì)能源的資源量是水能的2倍和風(fēng)能的3.5倍。目前，每年可開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源約合12億t標(biāo)準(zhǔn)煤.我國(guó)生物質(zhì)資源分布情況148（1）秸稈等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)評(píng)估結(jié)果顯示，2019年全國(guó)主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億噸，可收集資源量為9.0億噸，利用量為7.2億噸，秸稈綜合利用率為80.1%。秸稈結(jié)構(gòu)稻草麥秸玉米秸棉稈油料作物豆類秸稈薯類秸稈其他秸稈比例/(%)25.118.332.53.14.43.32.710.5理論資源量(×104)/t261041903233800322445763432280810920§4.1.4我國(guó)的生物質(zhì)資源149（2）林木生物質(zhì)我國(guó)的薪材年合理開(kāi)采量約1.6億噸，目前實(shí)際使用量超過(guò)了1.8億噸，存在過(guò)量砍伐等不合理現(xiàn)象。林木生物質(zhì)資源大多分布在我國(guó)的主要林區(qū)，其中西藏、四川、云南三省區(qū)的蘊(yùn)藏量越占全國(guó)總量的一半，黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林三省區(qū)則占全國(guó)總量的27%左右，其余依次是陜西、福建、廣西等省區(qū)。薪炭林分布廣的省份多為能源不足、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)或者林業(yè)資源較豐富的地區(qū)?！?.1.4我國(guó)的生物質(zhì)資源150（3）禽畜糞便主要來(lái)源是大牲畜和大型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，集約化養(yǎng)殖所產(chǎn)生的畜禽糞便就有11.2億噸左右。主要分布在河南、山東、四川、河北、湖南等養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，五省共占全國(guó)總量的40%左右。從構(gòu)成上看，牛糞和主要來(lái)自于養(yǎng)殖場(chǎng)的豬糞各占全部畜禽糞便總量的1/3左右。§4.1.4我國(guó)的生物質(zhì)資源151（4）城市垃圾和廢水全國(guó)工業(yè)有機(jī)廢水排放總量高達(dá)20多億噸，這還不包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)。每年城市垃圾產(chǎn)量也不少于1.5億噸，其中有機(jī)物的含量約為37.5％，垃圾的熱值為4.18MJ/kg左右。城市垃圾主要分布在廣東、山東、黑龍江、湖北、江蘇等省，共占全國(guó)總量的36%；廢水主要分布在廣東、江蘇、浙江、山東、河南等省區(qū)，共占國(guó)總量的37%?！?.1.4我國(guó)的生物質(zhì)資源152西南、東北、河南、山東等地是生物質(zhì)能的主要分布區(qū)。蘊(yùn)藏量四川、云南、西藏最多，共占全國(guó)的1/3。理論可獲得量最大的依次為四川、黑龍江、云南、西藏和內(nèi)蒙古，接近全國(guó)總量的40%；最小的依次是上海、北京、天津、海南和寧夏，加在一起不到全國(guó)總量的2%。不論蘊(yùn)藏量還是可獲得量，四川都位居全國(guó)第一；上海、北京、天津、寧夏和海南都處于全國(guó)后五位。同時(shí)，我國(guó)生物質(zhì)能的分布與常規(guī)一次能源有一定程度的互補(bǔ)，在一次能源蘊(yùn)藏量較低的地區(qū)往往具有開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能的巨大潛力?！?.1.4我國(guó)的生物質(zhì)資源153§4.2.1固體生物質(zhì)燃料（1）生物質(zhì)直接燃燒直接燃燒是最古老、最廣泛的生物質(zhì)利用方式。小知識(shí)：農(nóng)作物秸稈的平均含硫量只有煤的1/10。過(guò)去，秸稈都被農(nóng)民在野外白白燒掉，產(chǎn)生的煙霧還污染環(huán)境。實(shí)際上，秸稈的熱值并不低，2噸秸稈燃燒產(chǎn)生的熱量與1噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的熱量大致相當(dāng)。直接燃燒得到的熱量，可直接利用，也可進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換?！?.2生物質(zhì)燃料154（1）生物質(zhì)直接燃燒直接燃燒的轉(zhuǎn)換效率往往很低，通常不超過(guò)20%（特殊設(shè)計(jì)的節(jié)柴灶可能達(dá)到30%）。與煤炭相比，生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)為：－多為碳?xì)浠衔?，受熱分解后揮發(fā)分多，包含的能量超過(guò)生物質(zhì)能量的一半（有時(shí)占3/4）；－含氧量多，易點(diǎn)燃，而不需太多氧氣供應(yīng)；－密度小，容易充分燒盡，灰渣中殘留的碳量??；－含碳量少，能量密度低，燃燒時(shí)間短；－松散，體積大，不便運(yùn)輸?！?.2.1固體生物質(zhì)燃料155生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電示意圖§4.2.1固體生物質(zhì)燃料156生物質(zhì)失去揮發(fā)分后剩下的木炭，其成分基本上就是碳，能量密度是原始生物質(zhì)的兩倍左右。不過(guò)，獲得1噸木炭需要4~10噸木材，如果不能有效地收集揮發(fā)分，將有3/4的能量損失掉。而且制取木炭的過(guò)程也會(huì)排放大量污染物，是溫室氣體的主要來(lái)源之一?！?.2.1固體生物質(zhì)燃料最早用干餾法制取木炭的國(guó)家——中國(guó)157（2）固體成型燃料以木質(zhì)素為黏合劑，將松散的秸稈、樹(shù)枝和木屑等農(nóng)林廢棄物擠壓成特定形狀的固體燃料，可提高其能源密度，改善燃燒性能。這種物理化學(xué)處理方式，稱為生物質(zhì)壓縮成型。壓縮成型可以解決天然生物質(zhì)分布散、密度低、松散蓬松造成的儲(chǔ)運(yùn)困難、使用不便等問(wèn)題?！?.2.1固體生物質(zhì)燃料158一般將松散的原料粉碎到一定細(xì)度后，在一定壓力、溫度和濕度條件下，擠壓成棒狀、球狀、顆粒狀的固體燃料。其能源密度相當(dāng)于中等煙煤，熱值顯著提高，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，并保持了生物質(zhì)揮發(fā)性高、易著火燃燒、灰分及含硫量低、燃燒產(chǎn)生污染物較少等優(yōu)點(diǎn)，是一種清潔商業(yè)燃料。（2）固體成型燃料§4.2.1固體生物質(zhì)燃料159氣體燃料的優(yōu)點(diǎn)包括：①既可直接燃燒，又能用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)；②能量轉(zhuǎn)化效率比生物質(zhì)直接燃燒高；③便于運(yùn)輸；等等。（1）木煤氣可燃的生物質(zhì)在高溫條件下經(jīng)過(guò)干燥、干餾熱解、氧化還原等過(guò)程后，能產(chǎn)生可燃性混合氣體，稱為生物質(zhì)燃?xì)?。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的混合氣體成分與“煤氣”(煤經(jīng)過(guò)氣化后產(chǎn)生的可燃混合氣體）大致相同，俗稱“木煤氣”?！?.2.2氣體生物質(zhì)燃料160生物質(zhì)氣化所用的原料，主要是原木生產(chǎn)及木材加工的殘余物、薪柴、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物等。不同的生物質(zhì)氣化所產(chǎn)生的混合氣體成分可能稍有差異。（1）木煤氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料161目前常用的生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)生器，有熱裂解裝置和氣化爐。熱裂解是指在隔絕空氣或空氣不足的不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，將生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵切斷，使其分解為分子量較低的CO2、H2、CH4等可燃?xì)怏w。氣化爐的工作原理：將生物質(zhì)原料送入爐內(nèi)，加一定量燃料后點(diǎn)燃，同時(shí)通過(guò)進(jìn)氣口向爐內(nèi)鼓風(fēng)，通過(guò)一系列氧化還原反應(yīng)形成煤氣。由于空氣中含有大量氮?dú)猓虼松锩簹庵锌扇細(xì)怏w所占比例較低，熱值較低，一般為4000～5800kJ/m3。生物質(zhì)氣化的能量轉(zhuǎn)換效率，簡(jiǎn)單裝置約為40%，設(shè)計(jì)良好的復(fù)雜氣化系統(tǒng)可達(dá)70%以上。（1）木煤氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料162人和動(dòng)物的糞便、農(nóng)作物的秸稈、谷殼等農(nóng)林廢棄物、有機(jī)廢水等有機(jī)物質(zhì)，在密封裝置中利用特定的微生物分解代謝，能夠產(chǎn)生可燃的混合氣體。由于這種氣體最早是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱為沼氣。氣體生物質(zhì)燃料（2）沼氣163甲烷的發(fā)熱值很高，達(dá)36840kJ/m3，完全燃燒時(shí)僅生成CO2和H2O，并釋放熱能，是一種清潔燃料?；煊卸喾N氣體的沼氣，熱值約為20～25MJ/m3，1m3

沼氣的熱值相當(dāng)于0.8kg標(biāo)準(zhǔn)煤。沼氣可以作為燃料，用于生活生產(chǎn)、照明、取暖、發(fā)電等，沼液、沼渣是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)綠色肥料。利用微生物代謝作用來(lái)生產(chǎn)各種產(chǎn)品的工藝過(guò)程稱為發(fā)酵。（2）沼氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料164沼氣池必須符合多種條件（微生物生存、繁殖）：首先，沼氣池要密閉，因?yàn)橛袡C(jī)物質(zhì)發(fā)酵是厭氧菌活動(dòng)的結(jié)果，因此沼氣池要隔絕空氣，不透氣、不滲水。其次，沼氣池里要維持20～40℃，因?yàn)橥ǔＴ谶@種溫度下產(chǎn)氣率最高。第三，沼氣池要有充足的養(yǎng)分，供給微生物用于生存和繁殖。在沼氣池的發(fā)酵原料中，人畜糞便能提供氮元素，農(nóng)作物的秸稈等纖維素能提供碳元素。第四，發(fā)酵原料要含適量水，一般要求發(fā)酵原料中含水80％左右，過(guò)多或過(guò)少都對(duì)產(chǎn)氣不利。第五，沼氣池的pH值一般控制在7～8.5。（2）沼氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料165中國(guó)在農(nóng)村推廣的沼氣池多為水壓式沼氣池，如圖所示，第三世界國(guó)家廣泛采用，稱為中國(guó)式沼氣池。一般情況下，在中國(guó)南方這樣一個(gè)池子每年可產(chǎn)出250～300m3沼氣。（2）沼氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，截至2006年年底，全國(guó)農(nóng)村大約有2200多萬(wàn)戶農(nóng)村家庭已經(jīng)利用上了沼氣能源，尤其是在西部地區(qū)，發(fā)展更快。新疆塔城地區(qū)就有20960戶農(nóng)戶使用上了沼氣。截至2018年，農(nóng)村戶用沼氣池5310萬(wàn)戶?！?.2.2氣體生物質(zhì)燃料167液體生物質(zhì)燃料主要包括燃料乙醇、植物油、生物柴油等，都屬于優(yōu)質(zhì)的清潔能源，可以直接代替柴油、汽油等由石油提取的常規(guī)液體燃料。生成途徑有熱裂解和直接液化法等。熱裂解是指在隔絕空氣或空氣不足的不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，將生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵切斷，使之分解為分子量較低的可燃物。固態(tài)的生物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)加工過(guò)程，轉(zhuǎn)化成液體燃料，稱為生物質(zhì)的直接液化?！?.2.2液體生物質(zhì)燃料168乙醇俗稱酒精，通常由淀粉質(zhì)原料、糖質(zhì)原料、纖維素原料等經(jīng)發(fā)醇、蒸餾后制成。乙醇進(jìn)一步脫水（使其含量99.6%以上）再加上適量的變性劑即可制成燃料乙醇。主要原料：淀粉質(zhì)原料；糖質(zhì)原料；纖維素原料；工廠廢液。用糖質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇比較簡(jiǎn)單而直接。用淀粉和纖維素需要水解糖化加工過(guò)程，纖維素的水解最難。（1）燃料乙醇§4.2.2液體生物質(zhì)燃料169每千克乙醇完全燃燒時(shí)能產(chǎn)生30MJ左右的熱量，是一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料。燃料乙醇的生產(chǎn)成本與汽油和柴油大致相當(dāng)，產(chǎn)生的環(huán)境污染卻少得多。生物燃料乙醇燃燒排放的CO2和含硫氣體均低于汽油燃料。排放的CO2和作為原料的生物質(zhì)生長(zhǎng)所吸收的CO2基本持平，可減少大氣污染及抑制“溫室效應(yīng)”。經(jīng)過(guò)適當(dāng)加工，燃料乙醇可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇潤(rùn)滑油等用途廣泛的工業(yè)燃料。（1）燃料乙醇§4.2.2液體生物質(zhì)燃料170俄國(guó)是利用植物原料生產(chǎn)乙醇產(chǎn)品最早的國(guó)家，水解乙醇產(chǎn)量己達(dá)35萬(wàn)噸。巴西是乙醇燃料開(kāi)發(fā)利用最有特色的國(guó)家，早在1931年就開(kāi)始將乙醇混入汽油中作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料試用，1991年巴西的980萬(wàn)輛汽車中，有近400萬(wàn)輛純用乙醇作燃料，還有很多用乙醇和汽油的混合燃料。目前大部分新產(chǎn)汽車均以乙醇為燃料，乙醇燃料已占巴西汽車燃料消費(fèi)量的50%以上。美國(guó)汽車用油總量的70%左右也都添加乙醇。（1）燃料乙醇§4.2.2液體生物質(zhì)燃料171世界上最大的生物質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)系統(tǒng)巴西的PRO-ALCOOL項(xiàng)目，1975年建成，用糖渣來(lái)制取燃料乙醇。截止到2000年，25年內(nèi)因?yàn)闇p少石油進(jìn)口而節(jié)省了400億美元。目前生物質(zhì)油的年產(chǎn)量已超過(guò)150億升，所用的汽油中一般都含有26%左右的乙醇。乙醇生產(chǎn)流程圖§4.2.2液體生物質(zhì)燃料172是利用