西交大能源环境学讲义第7章 开发替代能源

PAGEPAGE10第7章开发替代能源7.1太阳能7.1.1太阳能的特点太阳能是一种资源丰富又不会污染环境的优质能源。1.优点数量巨大；清洁安全；与煤炭、石油、天然气、核能等矿物燃料相比，具有以下明显的优点：(1)分布均匀：太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，可直接开发和利用，不用开采和运输。只有入射角不同而造成的光能有差别，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成能源危机。(2)清洁无害：太阳能是最清洁的能源之一。太阳能无危险性及污染性，在人类与自然和平共处的原则下，使用太阳能最不伤和气。当然，大量使用太阳能之后，由于太阳能的充分利用，结果会使环境的温度稍微升高，但这种温升不致对环境造成不良影响。(3)量大持久：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。2.缺点分散；间断、不稳定；目前转换效率低，成本高。太阳能虽然具有常规能源无法比拟的优点，但作为能源利用时，也有缺点：(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1／5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。

(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，通常称之为低品位能源。这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。

(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。（4）有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”，是指庞大的太阳能收集器会造成视觉上的污染。由于以上缺点，人类大规模开发利用太阳能要解决很多问题。其一,如何将低品位的太阳能转换为高品位的能量(如聚焦的光源),是个收集的问题;其二,如何解决太阳能本身的间歇,属贮存问题;其三,如何更有效地利用已经收集到的能量,属转换问题。所有这些,不仅意味着要解决一系列技术问题,更重要的是要研究采用何种有效技术途径,以便使太阳能利用的经济指标达到可以与常规能源的经济指标相比拟。这已成为当今太阳能开发利用能否广泛推广使用的关键。7.1.2转换利用方式1.光——热转换将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。太阳能集热是当今利用太阳能最普及的技术。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器3种。2.光——电转换未来若大规模利用，就是发电。利用太阳能发电的方式主要有两种：（1）光—热—电转换：利用太阳辐射所产生的热能发电。用太阳能集热器集太阳辐射得热能，转给水蒸汽，再用蒸汽驱动汽轮机，带动发电机发电。（2）光—电转换：光电直接转换，是把太阳光的能量通过半导体材料转化成直流电的“光伏技术”，又称光伏电池或太阳能能电池。当光子进入半导体中，电子被释放，产生了直流电，常用的半导体材料是单晶硅，非晶硅，多晶硅，镉，碲等。把太阳能转换成电能的光伏效率是关键技术，目前可获得的效率是32%。中国商品电池效率：5~6%—12%；3．光——化学能转换贮存贮存于某些化学反应、化学物质中；或分解水制氢，是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。4.光——生物质转换自然光合作用；人工光合作用。光生物利用：通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。7.1.3技术现状1.太阳能热水器热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。国际上,太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展。目前热水器产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失。透明蜂窝应用于太阳能热水器的核心部件—集热器的研究,成为目前太阳能热水器发展的一个重要趋势。透明蜂窝结构中的网格把其中的空气分割成很多相互隔离的微小空气单元,在一端或两端封闭的情况下能有效抑制单元内自然对流的形成,使热损系数降低,提高隔热性能。透明蜂窝具有“热二极管”的作用：既能透过太阳辐射,又具有优异的隔热性能。透过率和热损系数是透明蜂窝结构的两个主要性能参数。真空管式太阳能热水器由多只真空玻璃集热管插入储水箱构成,换热原理为自然对流换热。2.太阳能热发电目前得到实际应用的是光伏电池。太阳能热发电是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置。太阳能热发电有多种类型，主要有以下五种：塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。前三种是聚光型太阳能热发电系统，后两种是非聚光型。(a)太阳能塔热流发电(b)太阳池发电2太阳能光伏技术太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,有独立运行和并网运行两种方式。太阳能光伏发电的研究重点在开发高效率、低成本新型太阳能电池方面。世界上应用最广泛的太阳电池是非晶硅太阳能电池、单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。为了鼓励人们使用太阳能，德国近两年开始推行家庭电站计划：居民们购置一座功率为0.5至1千瓦的家庭太阳能电站设备，将太阳能电池板安装在自家屋顶上就可以了。电站所发的电力除了供一家一户使用外，剩余的部分还可输入到公共电网，由电力公司收购，因此很受居民欢迎。3太阳能制冷(a)太阳能吸收式制冷；(b)太阳能吸附式制冷；(c)太阳能喷射式制冷4.节能型太阳建筑太阳能与节能建筑一体化应用：发电、空调（采暖与降温）、供热水。将太阳能电池制成屋面和墙体。在建筑物屋顶上安装的光伏系统，通常采用与公共电网并网的形式。7.1.4前景展望提高太阳能热利用效率有望获得突破；太阳能光电制氢产业将得到大力发展；空间太阳能电站显示出良好的发展前景。7.2风能7.2.1风能概况（特点）储量大，分布不均，不稳定；风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。同时，风能资源又是清洁能源。根据国际绿色和平组织和世界风能协会共同发布的《风力12》预计，2020年世界电力12%将来自风电。将大大减少因火力发电给大气层带来的危害。风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动，是太阳能的一种转化形式。目前风能利用主要集中在风力发电、风帆助航、风力提水、风力制热四个方面。世界拥有巨大的风能资源。据估计，世界风能资源高达每年53万亿kWh，是2020年世界预期电力需求的两倍。中国是风能资源丰富的国家，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。根据中国气象科学研究院估算的数据，我国在10m低空范围的风电资源约为10亿kW。7.2.2我国的风能资源中国的风能资源主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带，给大规模的开发和利用带来了良好的条件；可望成为重要能源之一。根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面10米高度风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍，沿海约为7.5亿kW。如果扩展到50m至60m以上高空，风电资源将至少再扩展一倍，可望达到20~25亿kW。实际可开发量（亿kW）：内蒙古0.618；西藏0.408；新疆0.343；青海0.242；黑龙江0.172。截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治特别行政区）。7.2.3风力发电现状为了迎接未来能源危机的挑战，除了水力发电外，风能这一古老的能源又在很多国家和地区得到青睐，反映了当今国际电力发展的一个新动向。20世纪90年代以来，发展迅速。1、国外风电发展现状：1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas，美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2、2.3、3.6、4.2、4.5到5MW。叶轮直径从80、82.4、100、110、114、116到126m。世界上很多国家，尤其是发达国家，已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视。德国与西班牙在风力发电方面领先欧洲及世界各国，两国风力电能占欧盟总风力发电量70%；在本国的电能供应中也占有很大的比重。美国在经历了20世纪90年代的沉寂之后，很快又成为世界大风电市场之一。2005年风电仅次于天然气电为美国第二大新能源电力来源，为250万个美国家庭提供电力。丹麦拥有世界上最大的海上风电场,提供了大约20%的本国电力需求。作为发展中国家的印度，从上世纪80年代起就一直积极发展风电，仅2005年新装机容量就达1430MW。2005年底世界风力发电机组装机总量为59322MW。至2006年底，世界风力发电总量增至71420MW，相当于减少了4300万吨二氧化碳排放量。世界风力发电的发展呈现以下主要特点:(1)装机规模不断扩大。风电发电量占世界总电量的比例逐年增加，从1999年占总量的不到1‰发展到2005年的1%。(2)发电机单机容量不断扩大。从1997年以前的500~750kW主流机型发展到目前3.6MW机组的批量安装。欧美已成功制造7.5MW风电机组,并开始研制10MW以上的巨型风力机。(3)风电结构日趋庞大。随着发电机单机容量的不断扩大，叶片的长度也从20m左右发展到50m以上。德国REpower公司生产的5MW机组，其叶片长61.5m，旋翼区直径为126m，面积相当于2个足球场。(4)海上风电场逐步商业化。海上风电场具有风速高、风力稳定、各种干扰少、发电量大等特点，可以有效利用风电机组的发电容量。2002年丹麦在HornsRev海域建成了装机容量16万kW的世界上最大的海上风电场。(5)风力发电成本不断降低。风电的建设投资成本较高,但营运费用很低。经过欧美国家近二十年的研发，风电成本已接近火电。如果考虑因化石燃料燃烧造成污染所带来的外部成本，风电已具有与传统常规电源发电竞争的潜力。2国内风电发展现状自1986年第一个风电场在山东荣城并网发电后,中国依靠政府拨款和外国赠款引进国外风电机组,陆续建起了一批风电场。政府从1990年开始意识到风电对改善能源结构、保护环境的重要性。风电得到较大发展。尤其近几年，我国成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2005年2月中国通过了《可再生能源法》，建立了国家可持续能源利用的法律框架，确定了风电发展的3项原则：(1)对风电实行保护型固定电价。(2)电网无条件收购风电，价差由参加网分摊。(3)国家财政设立专项资金，支持可再生能源发展。在大型风力发电机组及其部件的设计制造方面，中国已经基本掌握单机容量750kW及以下风力发电设备的制造技术，并且在整机、叶片、控制系统、发电机、齿轮箱、塔架等方面，都在逐渐形成规模化的制造能力。目前正在研发MW级的大型风电设备，具有自主知识产权的1.2MW直驱型已于2005年研制成功并投入试运行。但是中国的风电设备技术同国际先进水平仍有一定差距，重要设备大部分还要依赖国外进口。风力发电的技术状况以及实际运行情况表明，它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本将会降低，已经具备了和其他发电手段相竞争的能力。风力发电不消耗资源，不污染环境，具有广阔的发展前景，和其他发电方式相比，它的建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设。此外，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等组成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。这些既是风电的特点，也是优势。7.2.4风力发电基本知识1风能的计算公式动能。风能是指空气运动具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为P=1/2mV2其中：单位时间质量流量m=AV；于是，P=1/2AV3在实际中，Pw=1/2CpmeAV3式中，Pw——每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风，即风能功率，W；Cp——叶轮的风能利用系数；m——齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80~0.95，直驱式风力发电机为1.0；e——发电机效率，一般为0.70~0.98；——空气密度，kg/m3；A——风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V——风速，m/s。根据贝茨理论（Betz,1926），Pmax=8/27AV3，所以风力机的理论最大效率为0.593：max=（8/27）/（1/2）风能的实际利用系数Cp＜0.593。2风力机的主要组成1）小型风力发电机小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。2）大型风力发电机大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。7.2.5目前的问题风力发电是一项综合性的技术。涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、声学、机械工程、动力工程、电气工程、控制技术、气象学、环境科学等多个学科和多种领域。由于风电机组大型化导致技术难度不断提高，出现了一些基础性的课题。1风数据收集处理首先必须进行一些观测试验研究，在收集、整各地风数据的基础上建立风能数据库，得到全国风能资源的更为学准确的数据。此外，利用风数据研究风的时空布和变化特征，建立数学模型进行风场数值拟，对风能资源进行更精确合理的评估(包括年风力发电量、平均风速、平均风能密度、平均有效能密度、风力机风能可利用率等)，为风电场的设计和建设提供基础和科学依据。2.发电机及控制系统风力发电系统根据风轮运转速度特点，可分为恒速恒频发电机系统和变速恒频发电机系统。恒速恒频发电机系统比较简单，在早期的风力发电中得到了大量的应用。变速恒频发电机系统是20世纪90年代开始兴起的一种机组形式。其主要优点在于通过风轮的变速运行在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比。从而获得比恒速风力机高得多的运行效率。国内外许多科研单位都开展了对发电机及控制系统的研究，并取得了大量的成果。3并网风能具有间歇性和不可调度性的特点，大量风电并网后会对电力系统的安全稳定运行带来一定的影响。此外，我国目前采用较多的异步发电机系统在发出有功功率的同时，还要从系统吸收无功功率，给电网造成一定的负担。因此,研究并网风电场的运行特性以及改善其运行的稳定性是风力发电技术中的重要问题。目前国内已有不少学者对风电并网作了大量的研究，取得了很多成果。4结构受力问题风力发电结构受力问题，主要包含结构与风的相互作用、结构与地基的相互作用以及在海上风电场中存在的结构与水相互作用三个方面。结构所受的风、水流、波浪作用力最终都将传递到基础上，所以基础结构的安全与稳定是保障风力发电正常运行的最基本要素。5环境影响风力发电也会对环境造成一定负面影响。如，风力发电机运行过程中叶片切割空气和机组运转都产生噪音；随着发电机叶片的增大，其旋翼区面积也大大增加，将对鸟类迁徙产生影响；风力叶片在太阳光下旋转时产生明暗交替的光影对周边居民和动物产生心理影响；风力机组运行时发电机、输电线路、变电所都会产生电磁辐射等。海上风电机组离岸较远，这些影响大大减小；但是，对于大型海上风电场也需考虑发电机群对水流、泥沙、甚至海洋生物的影响。7.3生物质能生物质能是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质能具有以下几个特点：1）可再生性。2）资源丰富。3）清洁安全7.3.1生物质能的利用现状目前生物质能是世界第四大消费能源,位于石油、煤和天然气三大常规能源之后,占世界总能耗的11%。有关专家估计,生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分,到下世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。其技术路线为：种植能源作物—收割—粉碎—存储—气化—净化—发电。生物质能的主要利用方式有联合燃烧、联合气化、热化学转换及生物化学转换等。1.联合燃烧和煤混烧2联合气化是将生物质、污泥及其它废弃物与煤按一定比例混合而气化的方式3.热化学转换是指在一定温度和条件下，使生物质气化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。4生物化学转换生物质的生物化学转换包括生物质—沼气转换和生物质—乙醇转换等。沼气转换是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体，即沼气；乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。7，3，2能源植物的资源开发与应用1能源植物能源作物可分为木质(森林)作物(用于供热、小型电厂)、草本作物(供燃烧用)、含油种子作物（制造生物柴油，如油菜、向日葵等）、高糖作物(制造乙醇)等。可以制合成气