新能源发电技术绪论

新能源发电技术绪论第1页/共94页P.2/38电的应用———哪些地方需要电呢?电能很容易转化为我们需要的各种能量，为我们服务。电能的应用：电能转化为其他形式的能第2页/共94页P.3/38

我们生活中处处都要用到电，那我们用的电是怎么来的呢？电的来源发电环节——各种电机第3页/共94页P.4/38参考书《新能源与分布式发电技术》，朱永强主编，北京：北京大学出版社，2010

《核能及新能源发电技术》，张晓东等编著，中国电力出版社，2008

《能源科学导论》，黄素逸编著，中国电力出版社，1999

第4页/共94页P.5/381.1能源的概念1基本概念能量形式:

机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。能源:所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。

或

比较集中的含能体或能量过程第5页/共94页P.6/38按地球上的能量来源分来自于地球本身，如核能、地热能等；来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。2能源的分类第6页/共94页P.7/38按获得的方法分一次（天然）能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；二次（人工）能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，是高品质的能源。大部分一次能源都转换成容易输送、分配和使用的二次能源,以适应人类的需要。二次能源经过输送和分配,在各种设备中使用,即终端能源。终端能源最后会变成有效能。第7页/共94页P.8/38按能源能否再生分可再生能源，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。第8页/共94页P.9/38按被利用的程度分常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。第9页/共94页P.10/38按能源本身的性质分含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；过程性能源（非燃料能源），如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等，它们无法直接储存。第10页/共94页P.11/38按对环境的污染情况分清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。第11页/共94页P.12/38能源多种多样，各有优缺点，为了正确选择和使用能源，必须对各种能源进行正确的评价。3能源的评价储量能量密度储能的可能性与供能的连续性能源的地理分布开发费用和利用能源的设备费用运输费用与损耗、能源的可再生性能源的品位、对环境的影响第12页/共94页P.13/381.2能源利用与开发第13页/共94页P.14/38

1.煤炭埋在地壳中亿万年以上的植物,由于地壳变动等原因会经受一定的压力和温度作用而形成含碳量很高的可燃物质,这种物质就称为煤炭，又称原煤。中国是世界上最早利用煤的国家。开采煤炭已有几千年的历史。希腊和古罗马也是用煤较早的国家，古罗马大约在2000年前已开始用煤加热。第14页/共94页P.15/38《山海经》中称煤为石涅，魏、晋时称煤为石墨或石炭。明代李时珍的《本草纲目》首次使用煤这一名称。

先秦时期的地理著作《山海经》有3处记载：

山海经的《西山经》中，“西南三百里，曰女床之山，其阳多赤铜，其阴多石涅”《中山经》，“岷山之首，曰女几之山，其上多石涅”，“又东一百五十里，曰风雨之山，其上多白金，其下多石涅”。

第15页/共94页P.16/38燃料的化学能转化为电能中国未来很长一段时期仍将以燃煤发电为主。

火力发电现在煤炭主要用于电力生产和在钢铁工业中炼焦,某些国家蒸汽机车的用煤比例也很大。第16页/共94页P.17/38

1994年根据成煤条件,地球上的煤炭资源主要分布在北半球,集中在北美、中国、俄罗斯等地区南半球仅在南非、澳大利亚和博茨瓦纳等地区有较大储量。中国煤炭资源分布十分广泛,遍及全国各省,并且各地质时代的煤炭都有。中国煤炭资源总储量很大，居世界第一位。

第17页/共94页P.18/382.石油石油是一种天然的黄色、褐色或黑色的流动或半流动的黏稠的可燃液体烃类混合物，直接开采出来的未经加工的石油称为原油。石油是如何形成的呢?目前一个理论是:石油是由沉积岩中的有机物质转变而成的。石油同煤相比有很多优点:首先,石油释放的热量比煤大得多;其次，石油使用方便,易燃且不留灰烬,是理想的清洁燃料。第18页/共94页P.19/38人类很早就发现了石油，《汉书》、《梦溪笔谈》有描述。直到19世纪，石油工业才逐渐兴起。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，是现代石油工业的开端。1886年德国人本茨和戴姆勒研制出第一辆以汽油为燃料、由内燃机驱动的汽车，进入大规模使用石油的汽车时代。1965年，在世界能源消费结构中，石油首次超过煤炭占居首位，成为第三代主体能源。到1979年，石油所占的比重达到54%，相当于煤炭的三倍。第19页/共94页P.20/38世界石油储量分布图第20页/共94页P.21/38

1994年

从已探明的石油储量来看,世界石油总储量为1043亿吨。

目前世界有七大储油区,第一大储油区是中东地区,下来依次为拉丁美洲地区、俄罗斯地区、非洲地区、北美洲地区、西欧地区和东南亚地区。这七大油区占世界石油总储量的95%。

中国的石油储量占世界石油总储量的2.4%,人均占有量仅为世界人均占有量的11%。第21页/共94页P.22/381973年和2002年世界石油产量的地区分布图第22页/共94页P.23/383.天然气

天然气是地下岩层中以碳氢化合物为主要成分的气体混合物的总称。天然气是一种重要能源,燃烧时有很高的发热值,对环境的污染也较小,而且还是一种重要的化工原料。近10年来,液化天然气技术有了很大发展,液化后的天然气体积仅为原来体积的1／600,因此可以用冷藏油轮运输,运到使用地点后再将天然气气化。另外,天然气液化后,可为汽车提供既方便污染又小的天然气燃料。第23页/共94页P.24/38

1994年中国的天然气储量占世界天然气总储量的1.2％,但人均占有量仅为世界人均占有量的4％。第24页/共94页P.25/384.水能很早以前,人类就开始利用水下落所产生的能量了最初,人们以机械的形式利用这种能量。在19世纪末期,人们学会了将水能转换为电能。第25页/共94页P.26/38水能资源最显著的特点是可再生、无污染。开发水能对江河的综合治理和综合利用具有积极作用。因此世界各国都把开发水能放在能源发展战略的优先地位。第26页/共94页P.27/385.核能一个原子核吸收一个中子而发生裂变后,除了能释放出巨大能量外,还伴随产生两到三个中子,即由中子引起裂变,裂变后又产生更多的中子。在一定的条件下,这种反应可以连续不断地进行下去,称为链式反应。裂变后会释放出巨大的能量,这种能量就称为核能。经过科学家的努力,目前已实现了人为控制链式反应,即使得裂变可以进行,也可以停止,从而形成了反应堆。第27页/共94页P.28/38大亚湾核电站核能转化为电能第28页/共94页P.29/386.太阳能第29页/共94页P.30/38第30页/共94页P.31/38太阳是一颗巨大的恒星,它不停地通过核聚变反应向宇宙释放大量的能量。可以说地球上的一切能源都来自太阳,各种形式的能量都直接或者间接地来自于太阳能。目前,人们利用太阳能的方式很多,主要利用太阳能加热、取暖、发电等。第31页/共94页P.32/38风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面,由于地球表面各处受热不同,因此会产生温差,进而引起大气的对流运动,这样就形成了风。风能是干净的能源,早在古代人们就利用风能作为动力,用风带动简易的传动装置来磨米、灌溉和排涝。在古埃及、古希腊的历史上也都有使用风车的记载。7.风能第32页/共94页P.33/38第33页/共94页P.34/38风能转化为电能电的来源风力发电第34页/共94页P.35/388.生物质能第35页/共94页P.36/389.海洋能太阳到达地球的能量大部分落在海洋上空和海水中,其中一部分转化为各种形式的海洋能。第36页/共94页P.37/3810.地热能第37页/共94页P.38/38羊八井地热发电站地热能转化为电能第38页/共94页P.39/3811.氢能以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气最主要的方法。在我国的能源结构中,在今后相当长的一段时间内,煤炭还将是主要能源。如何提高煤的利用效率及减少对环境的污染是需要不断研究的课题,将煤炭转化为氢是解决这些问题的途径之一。第39页/共94页P.40/38人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。

(1)火的发现和利用；

(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；

(3)化石燃料的开发和热的利用；

(4)电的发现及开发利用；

(5)原子核能的发现及开发利用。1.3人类利用能源的历史和未来第40页/共94页P.41/38能源更迭与社会发展人类社会已经历了三个能源时期：薪柴时期；煤炭时期；石油时期。第41页/共94页P.42/38薪柴时期主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。第42页/共94页P.43/38煤炭时期18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很快。19世纪，电力成为工矿企业的主要动力，成为生产和生活照明的主要来源。但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料。第43页/共94页P.44/38石油时期石油资源的发展，开始了能源利用的新时期。近30年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。进入21世纪，核能将成为世界能源的主角，清洁能源的时代也将随之到来。第44页/共94页P.45/38能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，是推动国民经济发展的强大动力。人们的日常生活处处离不开能源，不仅衣、食、住、行，而且文化娱乐、医疗卫生等都与能源密切相关。第45页/共94页P.46/381973年,西方世界爆发的石油危机(也叫能源危机)震撼了全世界,它宣告了石油时代的结束,预示着一场新的能源变革将要来临。变革的主要特征是:正在趋于枯竭的、非再生的、在消费过程中产生污染和公害的化石能源将逐步被可再生的、储量丰富的、无污染和无公害的各种可再生的新能源所代替。这个过渡期的能源变革将会经历相当艰难的历程,并且需要很长的时间,人们必须为此付出很大的代价,做出巨大的努力。能源的未来第46页/共94页P.47/38能源技术概述非再生能源:石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的90%左右再生能源:水力、植物燃料等只占10%左右目前人类使用的能源储量和分布1.4世界能源利用的现状及面临的问题1、能源结构第47页/共94页P.48/38再生能源分布:太阳能占99.44%,

水能、风能、地热能、生物能等不到1%目前,世界各国能源结构的特点一般取决于该国资源、经济和科技发展等因素。发达国家石油在消费结构中所占比重均在35%以上。煤炭资源、天然气资源丰富的国家,在能源消费中往往以煤为主,煤炭消费比重较大。化石能源缺乏的国家根据自身特点发展核电及水电。能源技术概述第48页/共94页P.49/38能源技术概述世界非再生能源储量分布:中东地区:石油储量最多,占56.8%；欧洲:天然气和煤炭储量最多,各占54.6%和45%亚洲、大洋洲:煤炭各占18%

石油、天然气只有5%第49页/共94页P.50/382、能量效率根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。能源系统的总效率由开采效率(能源储量的采收率)、中间环节效率(包括加工转换效率和储运效率)及终端利用效率(即终端用户得到的有用能与过程开始时输入的能量之比)三部分组成。其中,中间环节效率与终端利用效率的乘积,通常称为能源效率。第50页/共94页P.51/38火电站的能量转换效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%Overallefficiency:88%×46%×98%=40%第51页/共94页P.52/38Energyefficiencyofsomecommonenergyconversiondevice第52页/共94页P.53/38“能源效率”和“节能”是一样的吗？能源效率是指终端用户使用能源得到的有效能源量与消耗能源量之比。节能是指节省不必要的能耗。提高能源效率是缓解能源危机的一条途径,因此,许多发达国家开始帮助一些不发达的国家和地区来改善能源的使用情况,从而实现一种互利的合作关系。第53页/共94页P.54/38利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1)煤、石油等燃料的燃烧；2)汽车排放的废气；3)工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气。国际社会普遍认为，贫困和过度消费导致人类无节制地开发和破坏自然资源，这是造成环境恶化的罪魁祸首。3、能源环境即环境与能源关系问题第54页/共94页P.55/38全球环境状况大气和江海污染加剧大面积土地退化森林面积急剧减少淡水资源日益短缺大气层臭氧空洞扩大生物多样性受到威胁全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和强度大幅增加。第55页/共94页P.56/38大气环境的三大问题20世纪80年代中期，在南极上空发现了臭氧空洞，它与地球变暖及所谓的温室效应和酸雨沉降问题构成全球性的大气环境问题，明显地危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注，使当今的世界环境问题具有明显的时代特征。第56页/共94页P.57/38历年的南极臭氧第57页/共94页P.58/38

1999年发现的臭氧空洞是有史以来观测到的最大一次，达到2600万km2的面积。

天空正在塌陷第58页/共94页P.59/38臭氧层变薄对健康的危害第59页/共94页P.60/38臭氧层被破坏的后果据科学研究，臭氧减少10%，紫外线可能增加20%，皮肤癌患者可能增加30%，此外还会产生下列几种现象:

(1)白内障罹患率增加；

(2)免疫系统受到抑制；

(3)谷物的收成减少，品质降低，植物和浮游生物减少，破坏自然界的生物链；

(4)塑料、橡胶制品加速老化；

(5)紫外线直射会引起对流层臭氧的增加，致使产生光化学烟雾，造成空气污染。第60页/共94页P.61/38地球变暖的原因到底是什么？太阳射向地球的光约1/3被云层、冰粒和空气分子反射回去；约25％穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，但以后又返回到太空；其余的大约37％则被地球表面吸收。这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新发射到天空。如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，地球表面的温度就会升高。第61页/共94页P.62/38

由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是地球变暖的主要原因。CO2不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地球变暖。像CO2这类会使地球变暖的气体就称为温室气体，温室气体还包括水蒸气、SO、甲烷、氟利昂等。第62页/共94页P.63/38全球正在变暖

海平面上升与陆地淹没；

气候带的移动；

飓风的加剧；

植被的迁徙与物种灭绝；

洋流的变化与厄尔尼诺现象；

雨型的改变。第63页/共94页P.64/38何谓酸雨简单地说，酸雨就是酸性的雨。被大气中存在的酸性气体污染,pH小于5.65的雨叫酸雨。pH小于5.65的雪叫酸雪。在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾,pH小于5.65时叫酸雾。第64页/共94页P.65/38酸雨的形成现代工业、农业和交通排放更大量，种类更多的污染物(包括酸碱性物质),且与尘埃一起升到高空，与天上的水蒸气相遇，就会形成硫酸或硝酸液滴，使雨水酸化。这时，落到地面的雨水就成了酸雨。高硫煤和石油燃烧产生的SO2和NOx是造成酸雨的主要祸首。第65页/共94页P.66/38酸雨的危害导致森林成片死亡，因为酸雨会损坏植物叶面和根部。使湖泊酸化，湖中鱼虾绝迹。破坏农田的土壤成分，使农作物减产甚至死亡。造成地下水酸化，引起对人体的危害。腐蚀建筑物和工业设备，造成重大的经济损失。对露天文物起腐蚀作用，加速文物资源的破坏甚至毁灭。第66页/共94页P.67/38第67页/共94页P.68/38能源是国民经济的基本支撑,是人类赖以生存的基础。能源安全是国家经济安全的重要方面,它直接影响国家安全、可持续发展及社会稳定。能源安全不仅包括能源供应的安全(如石油、天然气和电力),也包括对由于能源生产与使用所造成的环境污染的治理。能源安全是指能源可靠供应的保障。首先是石油、天然气供应问题,油、气是当今世界主要的一次能源,也是涉及国家安全的重要战略物质。4、能量安全第68页/共94页P.69/38能源技术概述我国能源资源地区分布不均衡煤炭，主要集中在华北和西北石油、天然气，主要分布在黑龙江、辽宁、河北、河南、山东、四川、甘肃和新疆等省区内可开发水力资源，主要集中在西南太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。我国能源资源丰富煤炭资源(探明储量)和水力资源均居世界第一位；石油资源占世界第十一位；天然气资源占世界第十四位；太阳能资源居世界第二位；潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。1.5中国能源现状、问题及对策第69页/共94页P.70/38我国能源问题

人均能源资源相对不足，资源质量较差，探明程度低；能源生产消费以煤为主；能源工业技术水平低下，劳动生产率较低；能源资源分布不均，交通运力不足，制约了能源工业发展；能源供需形势依然紧张；能耗水平高，能源利用率低下；农村能源问题日趋突出，影响越来越大；能源环境问题日趋严重，制约了社会经济发展；第70页/共94页P.71/38能源开发逐步西移，开发难度和费用增加；从能源安全角度考虑，面临严重挑战；能源建设周期长，投资超预算；能源价格未能反映其经济成本和能源资源的稀缺性。第71页/共94页P.72/38世界十大严重污染城市中国占：个2因二氧化硫排放，每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元)严重局面!占全国排放比例：燃煤污染物SO2：85%CO2：85%NOx：60%粉尘：70%我国的污染现状第72页/共94页P.73/38酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分图第73页/共94页P.74/38我国城市空气污染综合指数的比较北石重济天广杭上南珠三大昆泉龙深杨厦莆桂章南宁海京家庆南津州州海昌海阴连明州岩圳州门田林州平港口庄第74页/共94页P.75/38我国城市空气质量达标情况对比

第75页/共94页P.76/38努力改善能源结构；提高能源利用率；加速实施洁净煤技术；合理利用石油和天然气；加快电力发展速度；积极开发利用新能源；建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；改善城市民用能源结构，提高居民生活质量；重视能源的环境保护。采取的措施第76页/共94页P.77/38洁净煤技术煤炭是主要的能源，但煤炭的开发利用也严重地污染了人们赖以生存的环境，因此煤炭的清洁开发和利用是摆在全人类面前的紧迫问题。

第77页/共94页P.78/38洁净煤技术洁净煤技术（cleancoaltechnology）是旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。它主要包括洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术、燃煤污染排放治理技术等。第78页/共94页P.79/38洁净煤技术体系第79页/共94页P.80/38小水电小水电是指容量为12～0.5MW的小水电站，容量小于0.5MW的水电站又称农村小水电。新能源第80页/共94页P.81/38小水电的特点运行寿命长，坚固耐用，价格稳定，并且水资源是可再生的。对于用电规模较小的边远地区来说，所有这些优点使水力电站成为最具有吸引力的选择对象。拥有连接电厂和用电中心的输电网的地区并不多。许多地区，特别是在发展中国家，还必须依赖就地的小型电厂供电。几乎处处都有可以用来发电的小河流。第81页/共94页P.82/38小水电的特点一般来说，小型水电站造成的环境影响较小。当把河水用于其他目的时，如灌溉和供水等，如能同时加上小水电发电系统，往往会更有吸引力。在工业化国家，常常把小型水电站作为局部地区工业的能源。但在适宜的条件下，小型电站也可并入公用供电系统供电。对已有的大坝和设施上的旧的小型电站进行改建，发电的成本较低，在经济上比较合算。第82页/共94页P.83/38中国小水电站概况中国有丰富的水力资源，可开发量达3.78亿kW，其中小水电开发量0.75kW。小水电资源分布也很广泛，在全国2166个县（市）中有1573个县有可开发小水电资源，其中可开发量在10~30MW的县有470个，30~100MW的县有500