1、第七章 新能源與可再生能源利用 7.1 太陽能 7.2 風能 7.3 生物質能 7.4 地熱能 7.6 氫能與燃料電池 7.5 水能7.1 太陽能7.1.1 概述從廣義上說，地球上除了地熱能、核能和潮汐能以外的所有能源都來源于太陽能。 （一）太陽能的特點 1數量巨大但卻非常分散 2時間長久但卻不連續不穩定 3清潔安全、免費使用但初投資高 （二）太陽能利用的方式1太陽能轉換為熱能 2太陽能轉換為電能 3太陽能轉換為化學能7.1.2 太陽輻射能的基本特性與集熱器原理（一）太陽輻射能的基本特性 1太陽常數地球除自轉以外,還在一橢圓形軌道上繞太陽公轉。地球自轉軸與其公轉軌道平面法線成2327的夾角。太

2、陽與地球間的距離，在一年中隨著季節的變化而變化。 所謂太陽常數，是指在日地平均距離時，地球大氣層外，垂直于太陽光線的單位面積上，在單位時間內所接受到的太陽輻照度。世界氣象組織推薦太陽常數值Esc=(13677)W/m2，通常采用1367 W/m2。大氣層外太陽輻照度隨季節變化按下式計算：2太陽輻射光譜 太陽輻射，約有43的太陽輻射因反射和散射而折回宇宙空間；僅有57左右進入地表和大氣，而這57中又有14為大氣層所吸收；在剩下的43中，以直射輻射占27和漫射輻射占16的比例到達地面，而且它主要是波長0.292.5 m的太陽輻射能。 3 太陽高度角和日照時間 太陽高度角的定義為：太陽光線與地平面之

3、間的夾角，也簡稱為太陽高度。 日照時間就是從日出到日落的時間。不同緯度地區的日照時間不同。4地球表面的太陽輻射與大氣質量 到達地面的太陽輻射實際上由兩部分組成：一部分是由太陽直接輻射而來的，叫做直射輻射；另一部分由分子、灰塵、水滴等散射而來的叫做漫射輻射。 太陽光線穿過大氣層的路程直接影響到達地面的太陽輻射。太陽輻射經歷大氣的路程常用大氣質量來表示。 所謂大氣質量就是太陽光線穿過地球大氣的路程與垂直方向上經歷的大氣路程之比，常用符號m表示。并設在海平面上空垂直方向的m為1，如圖71中OP所示。在任意高度角時相應的大氣質量m可近似用下列公式計算圖71 大氣質量示意圖 （二）太陽能集熱器原理 典型

4、的集熱器的型式有：平板型、聚焦型和真空管型。 1平板集熱器的基本結構 如圖72所示，平板集熱器通常由三部分組成：圖72 平板集熱器 1-透明蓋板 2-吸熱蓋板 3-絕熱框體 （1）透明蓋板 作用是讓太陽輻射透過而防止吸熱板熱能輻射的透過及對流損失。用低鐵玻璃作為蓋板，可以很好地完成這一功能。（2）吸熱板 作用是吸收透過蓋板的太陽輻射并轉變為熱能，傳給其中流過的工質如水、空氣等。吸熱板應是對太陽輻射吸收率高、對紅外線輻射發射率低的選擇性表面。 （3）絕熱框體 它的作用是支撐固定蓋板、吸熱板，并防止側面、底部散熱。插圖71 平板集熱器與連接水箱 2平板集熱器的基本能量平衡方程 對于采光面積為 的平

5、板集熱器，其能量平衡方程為： 集熱器效率 是衡量集熱器性能的一個重要參數，其定義為在任何一段時間內，有用能量與投射在集熱器面積上的太陽輻射能之比，即： 3平板集熱器太陽輻照度的工程計算進行該項計算的方程為（1）入射角的計算 太陽入射角 i 是指被太陽照射的表面的法線和太陽射線間的夾角。為了計算入射角，必須知道太陽高度角（h，即地平面與太陽射線的夾角)、太陽方位角( ，即太陽射線和正南方之間的夾角)、傾斜面的方位角（，即傾斜面的法向平面與正南方之間的夾角）以及傾斜面的傾角（ ），如圖73所示。圖73 太陽入射角等示意圖 由此，任意取向的表面的太陽射線入射角 i 的普遍式 為 （2）太陽的直射輻照

6、度 的計算公式為： 式中， 為表觀太陽輻照度（Wm2)；B為大氣衰減系數，無因次。 和B的值與月份有關。4平板集熱器效率計算平板集熱器中工作流體的溫度范圍為3090，隨集熱器的形式和用途而異。對于具有雙層蓋板的平板集熱器，其集熱器效率按定義可以表達為 使用液體作載熱劑的集熱器，其FR值約為0.9。K值可由試驗確定，工程上估算：對于無蓋板的，最大約15 W(m2K)；單層蓋板，67 W(m2K) ；雙層蓋板，34 W(m2K) 。例7-1 太陽能供熱用的1m2m雙層蓋板平板式集熱器，每層蓋板的透射率是0.87，鋁吸熱板的 0.9, E 800Wm2，t2 10，t1 50。試求集熱器的效率。解

7、取K值為3.5 W(m2K) ，取 0.9，由效率計算式得 在設計時經常使用如圖74所示的集熱器效率圖來選擇集熱器。圖74中的直線截距表示集熱器可能得到的最大的瞬時效率；直線的斜率表示集熱器在實際運行過程中的熱損程度。從圖74可以看出蓋板的作用。在Ti-Ta較小時，因為對流損失小，沒有或只有單層蓋板的集熱器的效率較高；在較大時，則以雙層蓋板集熱器的效率為高。圖74 典型平板式集熱器的效率 A無蓋板 B單層蓋板，無選擇性涂層 C雙層蓋板，無選擇性涂層 D雙層蓋板，選擇性涂層圖74中的直線截距表示集熱器可能得到的最大的瞬時效率；直線的斜率表示集熱器在實際運行過程中的熱損程度。使用有選擇性的吸熱板表

8、面，再加上雙層蓋板、可以大大提高集熱器的效能，如圖74中集熱器D的曲線所示。例72 1m2m的雙層平板式集熱器，其吸熱板無選擇性、用水作冷卻劑，水的比定壓熱容Cp為4186.8 J(kg)。如果冷卻劑流量qm為 0.03 kgs，入口溫度為50，太陽輻照度為 800Wm2。試求 1）集熱速率；2）當環境溫度為10時，水的出口溫度。解 1） (Ti-Ta)/E(50 - l0)800m2/W 0.05m2W 由圖7-4中曲線C得c 0.5，于是 集熱速率E Ac 80020.5W800W 2) = qm Cp (t0 - ti) 出口溫度 t0(50+8000.034186.8) =56.377

9、.1.3 太陽能熱發電（一）太陽能熱發電的基本原理太陽能熱發電系統由太陽能集熱器、熱機和冷卻器 組成，如圖75所示。太陽能熱電站的最高效率是卡諾熱機效率，即卡諾效率E T1 集熱器輸出的最高流體溫度; T2 冷卻器的最低放熱溫度T2 。圖75 太陽能熱電站熱力學原理 1集熱器 2熱機 3冷卻器 設集熱器中工作流體吸熱量為 ,則電站的最高效率為因此，定義一個太陽能熱電站的總效率S是必要的，即以發電站的總效率最高為目標函數，可以求得最佳的集熱溫度。（二）太陽能熱發電分類及系統組成 1）按集熱溫度分 低溫熱發電大多用平板集熱器或平板-圓柱拋物面集熱器，集熱溫度100-150； 中高溫熱發電用聚焦型集

10、熱器。2）對于高溫太陽能熱發電系統，按照接收太陽能的形式分 集中式如，塔式系統（如圖78），聚光比為3001500，運行溫度可達10001500oC. 又,蝶式系統（如圖79）,聚光點的溫度一般在5001000oC；兩者均可實現高溫太陽能熱發電。 分散式如，槽式系統（集熱器如圖77）和蝶式系統（集熱器如圖79）。槽式電站屬“線”聚焦，聚光倍數僅為幾十，可實現中溫太陽能熱發電。蝶式系統屬“點”聚焦,聚光點的溫度一般在5001000oC,可實現高溫太陽能熱發電。 典型的太陽能發電系統一般由聚光集熱子系統、吸熱與輸送熱量子系統、蓄熱子系統、蒸汽發生系統、動力子系統和發電子系統組成,圖76是一種原則性

11、的太陽能熱發電系統。1集熱器 2換熱器 3汽輪機 4發電機 5冷凝器 6泵圖76 太陽能熱發電系統示意圖 圖77 槽形拋物面集熱器 1拋物面聚焦器 2接收器 1接收器 2定日鏡 (a) 塔式集熱器 (b) 塔式太陽能發電 圖7-8 塔式太陽能系統圖79 盤（或碟）式拋物面集熱器 1接收器 2拋物形陣列 插圖72 槽式太陽能聚光器 插圖73 塔式太陽能集熱器整體裝置 插圖74 定日鏡 插圖7-5 單蝶式太陽能聚光器 插圖7-6 多蝶式太陽能聚光器 表7-1 三種典型聚光型太陽能熱發電系統性能比較 性能名稱 塔式 槽式 碟式 裝機容量/MW 10200 30320 525 工作溫度/oC 565

12、390 750 最高效率/% 23.0 20.0 29.4 年平均效率/% 720 1116 12257.1.4 太陽電池借助于光電效應使太陽能直接轉變為電能，其轉換器件稱為太陽電池。現以晶體硅電池應用最廣，發展較為成熟。 1光電轉換基本原理太陽能的光電轉換是指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程,在物理學上叫 “光生伏打效應”，所以也稱光伏電池。太陽電池都是由P型與N型半導體相接觸形成PN結而成的。這樣的半導體受到陽光照射時，會發生光電轉換。2太陽電池基本結構和形式 硅太陽能電池的基本結構如圖711所示，其底層（或稱基體）為P型半導體，不受光照，基體底下有一薄金屬涂層形成下電極（正

13、極）；上層為N型半導體，上部設有柵格形金屬網形成上電極（負極），N型半導體頂部鍍了一層透明的、極薄的減反射膜，它比裸硅有更好的光傳輸性能，能最大限度地減少光反射。目前主要的，也是效率最高的商業化太陽電池仍是由單晶硅制成，其光電轉換效率也在12%以上。圖710 太陽能電池基本結構 3太陽電池的應用以往太陽電池主要在航天上應用較多，下面是幾個民用實例。（1）野外及邊遠無電地區農牧民用太陽能發電簡易供電系統。 （2）野外及戶用太陽能供電小系統。如圖7-11。 圖7-11 太陽能電池供電系統（3）太陽電池并網發電系統（3kW） 太陽能并網發電系統一般是由太陽能電池板、并網逆 變器、戶內配電箱和并網控制

14、計量器組成。如圖7-12 所示。 圖7-12 太陽電池并網發電系統（3kW） 插圖77 太陽電池發電系統的部件連接 插圖78 青海共和縣4kW太陽能光伏電站 7.1.5 太陽能建筑太陽能建筑是指能用太陽能代替部分常規能源來提供采暖、熱水、空調、照明、通風、動力等功能的建筑物。太陽能建筑的發展大體可分為三個階段：第一階段為被動式大陽房，第二階段為主動式太陽房，第三階段是再加上太陽電池應用。（一）太陽能熱水系統太陽能熱水系統由集熱器、蓄熱水箱及連接管道等組成。按照流體的流動方式，有：循環式、直流式、悶曬式。按照流體循環的動力，循環式又分為自然循環式和強迫循環式。1.自然循環熱水系統圖7-13(a)

15、和(b)是自然循環式太陽能熱水系統。這種系統結構簡單，運行可靠，不消耗其他資源。由于自然循環的動力完全取決于日照。使該熱水系統的使用具有一定的局限性，一般適用于小型熱水系統。圖713(a) 自然循環式太陽能熱水系統 圖713(b) 自然循環式太陽能熱水系統 2. 強迫循環熱水系統對于大型供熱水系統，應采用強迫循環熱水系統。蓄熱水箱可以設置在任意地方，但需要消耗電力驅動水泵及控制系統，若停電系統不能工作。（二）太陽能供暖太陽能供暖系統可以分為被動式和主動式兩大類。被動式太陽能供暖，簡稱為太陽房。主動式太陽能供暖系統包括集熱設備、貯存熱量用的貯熱設備、供暖房間的配熱設備、 輔助熱源以及輸送熱媒的動

16、力設備和管道等。根據輸送熱量的熱媒載熱流體的不同，又可分為空氣式或熱水式兩種供暖系統。圖714 以空氣為介質的主動式太陽能供暖系統 1集熱器 2蓄熱裝置 3輔助加熱裝置 4風機 （三） 太陽能制冷明顯優點是，供求比較一致，貯能的要求不象太陽能采暖那樣突出。太陽能制冷的方法有三種：“光-電-冷”使用光電池產生電流，通過溫差制冷器直接制冷。“光-熱-電-冷”使用太陽能熱機帶動發電機再帶動制冷機制冷，或用太陽能熱機直接帶動壓縮式制冷機制冷。“光-熱-冷”用太陽能直接起動吸收式或噴射式制冷機制冷。7.2 風能風能是地球表面大量空氣運動的動能。太陽輻射能是風能的源泉，屬于豐富且清潔的可再生能源之一。7.

17、2.1 概述1風的產生 風就是大氣的運動。一般把垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動稱為風。大氣壓差是風形成的主要因素。2.風向 理論上風從高壓吹向低壓區。在北半球，風以逆時針方向環繞氣旋（低壓）區，而以順時針方向環繞反氣旋（高壓）區。風向，可利用風向標（一種圍繞立軸旋轉的金屬片），從風向與固定主方位指示桿之間的相對位置來測定。利用各個地方每日的記錄，可畫出一幅極線圖，顯示出各種風向發生時間的百分比（數字沿半徑線標注）。 3. 風速 風速表示空氣在單位時間內通過的距離，以米/秒為單位。風速常用瞬時風速和平均風速來描述。 工程上通常使用指數法計算風速: 對于風能轉換裝置而言，可利用的風

18、能是在“啟動風速”到“停機風速”之間的風速段，該風速范圍內的平均風功率密度稱為“有效風功率密度”。 風速的變幅就是風速變化的幅度。風速變幅小，對于風能的利用是有利的。4.風級 風級是根據風對地而或海面物體影響而引起的各種現象。表7-2為風級表現。 風級名稱相應風速（m/s）表現0無風00.2零級無風炊煙上1軟風0.31.5一級軟風煙稍斜2輕風1.63.5二級輕風樹葉響3微風3.45.4三級微風樹枝晃4和風5.57.9四級和風灰塵起5清勁風810.7五級輕風水起波6強風10.813.8六級強風大樹搖7疾風13.917.1七級疾風步難行8大風17.220.7八級大風樹枝折9烈風20.824.4九級

19、烈風煙囪毀10狂風24.528.4十級狂風樹根拔11暴風28.532.6十一級暴風陸罕見12颶風 32.736.9十二級颶風浪滔天 13-17級分別對應的是臺風的風級。可以用以下風速與風級間的數字關系計算風速： 5.風速頻率與風玫瑰圖 風速頻率是指某地一年（或一個月）之內具有相同風速的總時數的百分比。 風玫瑰圖(圖7-15)是以“玫瑰花”形式表示各方向上氣流狀況重復率的統計圖形.用各方向上平均風速頻率和平均風速立方值的乘積，繪制成風玫瑰圖，可顯示風能資源情況及能量集中的方向.風玫瑰圖在風電場建設初期設計中起到很大作用。北西東南圖715 風能玫瑰圖 6. 風能密度 它是指迎風面上每平方米面積上把

20、運動著的空氣動能全部利用起來可以得到的最大功率。風能實質上就是流動著的空氣的動能，而每立方米以流速為v流動著的空氣動能為 因為與空氣流動方向相垂直的每一平方米面積上所流過的空氣流速為v，所以風能密度為 可以對不同風速情況的風能資源有一個總體的評價。 用表73風功率密度等級表(略)可以對不同風速情況的風能資源有一個總體的評價。7.2.2我國風能資源的分布 我國一般都用有效風能密度和年累積有效風速小時數兩個指標來表示風能資源的潛力和特征。我國風能密度的分布有以下幾個特點：（1）東南沿海及其島嶼為我國最大風能資源區。（2）內蒙和甘肅北部為風能資源次大區。（3）黑龍江和吉林東部及遼東半島沿海風能也較

21、大。 （4）青藏高原北部、三北地區的北部和沿海是風 能較大地區。（5）云貴川、甘肅、陜西南部，河南、湖南西部 以及福建、廣東、廣西的山區以及塔里木盆 地為我國最小風能區。 我國的風能資源總儲量約16億kW，其中近期可開發利用的約為1.6億kW。如西南地區一些山口風口，風速大，風向穩定，有著發展風力發電的優良條件。 7.2.3 風力發動機工作原理風力發動機是實現風能利用的主體設備。風力發動機的主要部件是由兩個或多個葉片組成的。葉片呈機翼形，當空氣繞流過葉片時產生升力，這就是風輪回轉的原動力。風力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲（Betz）于1926年建立的。研究一個理想風輪（沒有輪轂，無限多的葉

22、片，沒有阻力）在流動的大氣中的情況（如圖716），并規定：V1 -距離風力機一定距離的上游風速：V -通過風輪時的實際風速；V2 -離風輪遠處的下游風速。 圖716 理想風輪在大氣中的情況 假設通過風輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風輪所獲得的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而V2必然低于V1，所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。如果假定空氣是不可壓縮的，由連續條件可得：風作用在風輪上的力可由歐拉理論寫出： 故風輪吸收的功率為：此功率是由動能轉換而來的。從上游至下游動能的變化為：上述兩式相等可以得到： 作用在風輪上的力和提供的功率可寫為：對于給定的上游

23、速度V1，可寫出以V2為函數的功率變化關系，將上式微分得：等式 有兩個解： ，沒有物理意義； ，對應于最大功率。以 代入P的表達式，得到最大功率為將上式除以氣流通過掃風面S時風具有的動能，可推得風力機的理論最大效率： 上式即為有名的貝茲理論的極限值。它說明，風力機從自然風中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉動能。 其能量損失一般約為最大輸出功率的1/3，也就是說，實際風力機的功率利用系數 小于0.593。因此，風力機實際能得到的有用功率輸出是：對于每 掃風面積則有： 7.2.3 風力發動機形式和構造1) 分類 風力發動機按結構形式分類如圖7-17（a）所示。 垂直

24、軸風力發動機，其轉動軸與風向垂直。一種典型的垂直軸風力發電機如圖718 所示，它的葉片被彎曲成類似正弦曲線的形狀，而葉片斷面為機翼形。圖719所示為垂直軸風力發動機的各種形式。 圖7-17 風力發電機的組成與分類 (a) 按結構形式分類 （b）風力發電機組成圖 718 戴瑞斯垂直軸風力發電機 1上軸承2葉片 3拉繩 4下軸承5聯軸器 6齒輪箱 7發電機插圖79 型垂直軸風力發電機 圖719 垂直軸風力發動機 a）阻力型1S型 2多葉片型 3開裂式S型 4平板型b）升力型1型 2型 3旋翼型2) 構造 如,水平軸風力發動機，其轉動軸與風向平行(圖7-22)。 按葉片數可分為單葉片型雙葉片型三葉片

25、型或多葉片型；按風向，則有迎風和背風型，迎風型轉子即葉片正對著風向。大部分水平軸式風力葉輪會隨風向變化而調整位置。圖720所示為水平軸風力發動機的各種形式。從經濟上來看，目前水平軸式仍優于垂直軸風力發電機，也是研究和發展的較為成熟的一種風力發動機。 圖720 水平軸風力發動機 a）單葉片b）雙葉片 c）三葉片 d）美國農場式多葉片e）車輪式多葉片f ）迎風式g）背風式h）空心壓差式I ）帆翼式J）多轉子k）反轉葉片式 3) 組成見圖7-17。1.風輪 捕捉和吸收風能，并將風能轉變為機械能，由風輪軸將能量送至傳動裝置，如圖7-20所示。 2對風裝置 大多數水平軸風力機都有對風裝置,如圖7-21中

26、有四種,為了獲得較高的效率，應使它的風輪經常對準風向。3.調速(限速)機構 使風輪轉速維持在一個較穩定的范圍之內，防止超速乃至飛車的發生。圖720 水平軸風力發動機 1風輪葉片2機頭3尾舵4回轉體5拉繩 圖7-21 幾種典型的風車轉向機構 （a）尾舵轉向機構 （b）舵輪轉向機構 （c）電動機構 （d）自動對風4傳動裝置 將風輪軸的機械能送至作功裝置的機構，稱為傳動裝置。對于風力發電機，其傳動裝置為增速機構。風力機的傳動裝置為齒輪、皮帶、曲軸連桿等機械傳動。 5作功裝置 由傳動裝置送來的機械能，供給工作機械。與此相應的機械，有發電機、水泵、粉碎機、鍘草機等。6蓄能裝置 如風力發電機的蓄電池和風力

27、提水機的蓄水罐。7塔架 將風輪、控制系統和機艙（內有傳動機構）等組成的機頭支撐到高空。8附屬裝置 如機艙，它們配合主要部件工作，以保證風力機的正常運行。 插圖710 水平軸風力發動機 插圖711 水平軸6葉片風力發動機 插圖712 內蒙古商都風電場 ,裝機容量為3875kW 4) 運行方式1.獨立運行 風力發電機輸出的電能經蓄電池蓄能，再供用戶使用。2.并網運行 將發出的電送入電網，用電時再從電網把電取出來，這就解決了發電不連續及電壓和頻率不穩定等問題。風力發電機組一般采用兩種方式向網上送電.3.集群式風力發電站 在風能資源豐富的地區按一定的排列方式成群安裝風力發電機組，組成集群。4.風力-柴

28、油互補發電 采用該系統可以實現穩定持續地供電。有兩種不同的運行方式：交替（切換）運行及并聯運行.7.2.4 風力發電技術的發展趨勢1單機容量大 目前單機容量可達5MW以上。美國、英國和丹麥等國正在研制10MW的巨型風力發電機。2風發電機槳葉的變化 2MW風機葉輪掃風直徑已達72m。目前最長的葉片已做到50m。槳葉在向柔性方向發展。槳葉材料已發展為強度高、質量輕的碳纖維。對巨型風電機而言，分段式葉片技術是很好的選擇.美國開發了一種新型葉片，比早期的槳葉捕捉風能的能力要高20%。許多國家在致力于新葉型的開發研究。3.塔架高度上升 在中、小型風電機的設計中，采用了更高的塔架，以捕獲更多的風能。在50

29、m高度捕捉風能要比30m高處多20%。4海上風力發電 海上風力發電比陸上風力發電優勢更為明顯.海上風速較陸上大且穩定，平均設備利用小時數在海上可達3000h以上。同容量裝機，海上比陸上成本增加60%，電量增加50%左右。5.新方案和新技術不斷采用 如,在功率調節方式上，變速恒頻技術和變槳距調節技術的應用.7.3生物質能7.3.1 概述 生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，它直接或間接地來源于植物的光合作用。 生物質能可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料。生物質能資源豐富，目前是僅次于煤炭、石油和天然氣的世界第四大能源消費品種。 生物質能的優點是燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點

30、是熱值及熱效率低，體積大而不易運輸。直接燃燒生物質的熱效率僅為10一30。 1.生物質的分類 從生物學的角度，生物質可分為植物性和非植物性兩類。從生物質能開發、利用的歷史出發，生物質可分為傳統生物質和現代生物質兩類。2.生物質資源的特點 與化石資源相比，主要具有以下幾個重要特點: 時空無限性; 可再生性與減少二氧化碳排放的特性;潔凈性;低能源品位性;分散性.3.生物質資源與分布 地球上每年生長的生物質能總量約14001800億噸（干重），相當于目前世界總能耗的10倍。我國每年可開發為能源的生物質資源達3億多噸標準煤隨著速生炭薪林的開發推廣，我國的生物質資源將越來越多.4.轉換的能源形式 現代意

31、義的生物質能利用，主要是將其加工轉化為固體燃料、液體燃料、氣體燃料、電能以及熱能等能源形式。5.發展障礙與前景由于生物質的多樣性和復雜性，其利用技術遠比化石燃料復.，生物質能今后的發展將不再像最近200多年來一樣日漸萎縮，而是會重新發揮重要作用，并在能源利用中占據越來越顯著的地位。7.3.2 生物質能轉化技術生物質轉化技術可分為四大類，見圖723。 圖723 生物質轉化技術分類和子技術7.3.3 生物質能發電技術分類1直接燃燒發電與混合燃燒發電 直接燃燒發電就是將生物質直接送入鍋爐燃燒后，產生蒸汽帶動發電機發電。如，秸稈發電。混合燃燒發電是將生物質與煤等化石燃料混合燃燒的發電方式，是目前生物質

32、燃燒發電應用比較多的方式。 2氣化發電技術 基本原理是把生物質轉化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發電設備進行發電。它既能解決生物質難于燃用而又分布分散的缺點，又可以充分發揮燃氣發電技術設備緊湊而污染小的優點，所以是生物質能最有效最潔凈的利用方法之一。氣化發電過程包括三個方面，一是生物質氣化，把固體生物質轉化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質，包括灰分、焦炭和焦油等，需經過凈化以保證燃氣發電設備的正常運行；三是燃氣發電，利用燃氣輪機或燃氣內燃機進行發電。生物質氣化發電技術具有： 充分的靈活性；較好的潔凈性；較經濟，它是所有可再生能源技術中最經濟的發電技術。綜合的發電成本已接

33、近小型常規能源的發電水平，典型的生物質氣化發電系統流程如圖724所示。 圖724 生物質氣化發電系統流程圖3生物質IGCC技術 IGCC即氣化聯合循環發電系統，適合于大規模處理農業或森林生物質,其典型流程如圖7-25所示.該系統具有處理量大、自動化程度高、系統效率高等優點，較適合工業化生產。常壓的IGCC系統，系統效率可達35%45%。 圖725 生物質IGCC發電系統流程圖7.4 地熱能 地熱能是地球內部蘊藏的各類熱能之總稱。通常所說的地熱能是指離地表面5km以內的熱能。地熱能數量相當巨大，我國的地熱資源相當于2000多億噸標準煤。 根據溫度的不同我國將地熱區分為低溫（25-90oC）、中溫

34、（90-150oC）和高溫（150oC）三類。高溫地熱資源通常用于地熱發電利用，而中、低溫地熱資源供非發電利用.隨著地源熱泵技術的日趨完善，使得我國淺層地熱能利用發展迅猛，成為最有希望實現大規模應用的一種可再生能源。7.4.1 地熱資源1地熱資源的類型 （1）水熱型 包括地熱蒸汽和地熱水。地熱蒸汽儲量很少，而地熱水的儲量較大，其溫度范圍從接近室溫到高達390。（2）地壓型 它是處于地層深處23公里沉積巖中的含有甲烷的高鹽分熱水，溫度為150260之間，其儲量約是已探明的地熱資源總量的20。（3）干熱巖型 這是泛指地下深部普遍存在的幾乎沒有水和蒸汽的熱巖石，溫度范圍在150650之間。其儲量十分

35、豐富，約為已探明的地熱資源總量的30。（4）熔巖型 它是埋藏部位最深的一種完全熔化的熱熔巖，其溫度高達6501200。熔巖儲藏的熱能比其它幾種都多，約占已探明的地熱資源總量的40左右。到目前為止，對于地熱資源的利用主要是水熱資源的開發。2地熱流體 地熱流體中除蒸汽和熱水外，一般都含有CO2、H2S等不凝性氣體，在液相中還有數量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO等物質。 對于地熱發電來說，地熱流體的品質，在發電系統和設備的選擇和設計上都需要認真考慮。 插圖713 云南騰沖地熱景觀 7.4.2 地熱發電系統 利用地熱能發電，具有許多的優點：投資少，通常低于水電站；發電成本比水電、火電和

36、核電都低；發電設備的利用時數較長；減少污染環境；發電用過的蒸汽或熱水，還可以用于取暖或其它方面。 地熱發電的原理與一般火力發電相似。以高溫濕蒸汽為熱源的地熱電站，大多采用汽水分離的閃蒸系統發電。對于以地下熱水為熱源的電站，一般是采用雙循環系統發電。 圖726 地熱發電系統 （a）閃蒸系統 （b）雙循環系統1汽水分離器； 2汽輪機； 3發電機； 4冷凝器； 5閃蒸器； 6回灌井； 7生產井； 8換熱器； 9泵。 1.干蒸汽系統 它是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽輪發電機組發電，有背壓式和凝汽式兩種發電系統。2閃蒸系統地熱發電 如圖726（a）所示為一種（可稱為兩級）閃蒸系統。3雙循環系統 也稱為低

37、沸點工質地熱發電，如圖726（b）所示。常用的低沸點工質有氯乙烷、正丁烷、異丁烷、R11、R12等。4.總流式 總流式地熱發電是將來自地熱井口的兩相混合物，不經分離和閃蒸，就直接全部引進汽輪膨脹機膨脹作功。5.增強型地熱系統 增強型地熱系統（圖7-27）是國際上最為關注的地熱發電發展趨勢之一，主要是針對有高熱流卻沒有足夠的蒸汽或熱水，或孔隙率低、孔隙不連通的區域。全世界任何5-10km深度的巖石中都可以發現大量的熱，甚至在沒有水的地方，開發潛力也巨大. 地熱發電的工質參數相當低，故熱效率也遠低于火電站，因此如何最大限度地利用地熱能量，尤其是對于熱水型地熱能更是突出的問題。 圖727 增強型地熱

38、系統插圖714 西藏羊八井地熱電站 表74 地熱發電類型 按載熱體類型 按技術類型 蒸汽型（干蒸汽） 干蒸汽式系統 熱水型（濕蒸汽） 閃蒸系統 雙循環系統 總流式 干熱巖型 增強型地熱系統（EGS）7.4.3 地熱能的直接利用 儲量大、分布廣的熱水型地熱資源，特別是中低溫（小于150）的地熱流體的直接利用仍然是地熱能利用的一個主要方面。地熱能的直接利用時，熱源不宜離熱用戶過遠。 如圖728所示，典型的地熱能直接利用系統可由三部分組成：生產井及地熱水的供應系統；熱交換及輸送給熱用戶的系統；回灌井或貯水池的廢水排放系統。 板式換熱器回灌井熱水井熱用戶泵圖728 地熱能直接利用系統 地熱能利用的方式

39、選擇 溫度較高（150）的地熱水可首先考慮用于發電，并應注意綜合利用； 100150的地熱水可以用于公用建筑和民用房屋的采暖通風、工業過程干燥等； 50100的地熱水可用于溫室供暖、家庭用熱水、工業過程干燥等； 更低溫度的地熱水可用于水產養殖、洗浴等。 7.4.4 地源熱泵技術 地源熱泵是一種利用地表以下百米范圍淺層地熱資源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。1 地源熱泵的分類（1） 土壤源熱泵（GCHP）或稱土壤耦合熱泵(GCHP) 土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。（2）地下水熱泵（GWHP）系統 最常用的形式是采用水

40、水式板式換熱器，一側走地下水，一側走熱泵機組冷卻水。宜用雙井系統，一個井抽水，一個井回灌。（3） 地表水熱泵（SWHP）系統 地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。在寒冷地區，只能采用閉路系統。 2地源熱泵工作系統 如圖729所示，地源熱泵供暖空調系統主要可分三部分：室外地下換熱系統、水源熱泵機組和室內采暖空調末端系統。其中水源熱泵機組主要有兩種形式：水水式或水空氣式。 圖729 地源熱泵工作系統 3地源熱泵應用方式地源熱泵應用方式主要有兩種：土壤空氣型地源熱泵技術和水-水型地源熱泵技術4.地源熱泵技術特點（1）符合可持續發展的戰略要求；（2）系統簡單，一機多用，節約設備用房，應用范圍廣。（3）

41、環境效益高。 5.地源熱泵的應用前景 目前在中國，地下水熱泵系統工程雖然仍在數量上占優，而土壤源熱泵系統尤其在部分地區呈現著快速發展的勢頭。許多城市已經制訂了具體的鼓勵政策，利用淺層地熱能的地源熱泵技術必將具有很好的發展前景。 7.5水能 河川水流、海浪、潮汐等蘊藏著巨大的動能和勢能，稱之為水能，它是清潔、廉價能源。7.5.1 水能資源及概況 我國水能蘊藏量極為豐富，僅河川水能資源，估就為6.76億kW，居世界首位。 我國海洋能理論蘊藏量為6.3億kW，其中可開發約達3.85107kW，相當于年發電量870108kW。我國陸上水能資源具有以下特點：（1）資源豐富，但分布不均。分布不均的情況與其

42、他能源配合開發卻極為有利。（2）可建水電站中大中型的比較多，位置集中。但自然條件差，工程往往十分艱巨。（3）氣候受季風影響，降水和徑流在年內分配不均勻。（4）人口多，耕地少，建水庫往往受到淹沒損失的限制。（5）大部分河流，特別是河流中下游多有綜合利用要求。 在全世界電力生產中，約20%來自于水電。我國目前已開發的水力資源占可開發資源量不到10%。美國和加拿大的水電占世界水電總量的13%左右，我國占5%。我國水能資源概況可見表7-5(略).插圖715 富春江水電站 7.5.2 小型水電站 通常將裝機容量小于25MW的水電站稱為小水電站。大中型水電站對環境有很多負面影響。而小水電站作為同樣一種經濟

43、而可再生的能源，對生態環境的影響則要小得多，因而日益受到人們的重視。1. 水力發電小型水電站資源 水工建筑物和機電設備的總和，稱為水力發電站。水電站的功率理論值為每秒鐘通過水輪機水的重量與水輪的工作水頭的乘積。實際功率還要考慮一系列的能量損失，一般小型水電站的效率為6080%。通常將裝機容量小于2.5kW的水電站稱為小水電站。我國水力資源中小水電資源占1/5。目前，全國已建成的小水電站有5萬多座，到2010年，總裝機容量已達到5840萬kW.其中有1/3以上的縣主要依靠小水電站供電。我國中小水電資源可分為南、北兩大資源帶。 2小型水電站類型小型水電站按落差集中的方式，分成三種類型，各適合于不同

44、的河道地形、地質、水文等自然條件。（）堤壩式水電站在河道上修建攔河壩（或閘），抬高上游水位以集中落差，并形成水庫調節流量 根據水電站廠房的位置，又分為河床式與壩后式兩種。如圖730、731所示。河床式水電站一般修建在河流中、下游坡度平緩的河段上。其適用的水頭范圍約在8-10米以下，但其引用的流量一般較大。 壩后式水電站一般修建在河流的中、上游，適用于水頭較大。 圖730 河床式水電站 圖731 壩后式水電站 （）引水式水電站在山區河道上修建水電站時，在河道上建引水低壩或閘，采用引水渠道來集中落差，形成水頭，稱為引水式水電站，如圖732所示。 在小型水電站中，引水式水電站比堤壩式水電站更為普遍。

45、水頭可達到很高的數值，但發電引用的流量都比較小。 圖732引水式水電站 （）混合式水電站混合式水電站其落差是由攔河壩抬高水頭和引水集中落差兩方面獲得，因而具有堤壩式水電站和引水式水電站的特點。當上游河段地形平緩，下游河岸坡降較陡時，宜在上游筑壩，形成水庫，調節水量，在下游修建引水渠道，以集中較大落差。如圖733所示。混合式水電站和引水式水電站之間沒有明顯的界限。 733混合式水電站 3常見的幾種建站型式1）利用天然瀑布。2）利用灌溉渠道上下游水位的落差修建電站。3）利用河流急灘或天然跌水修建電站。4）利用河流的彎道修建電站。5）跨河引水發電。6）利用高山湖泊發電。 7.5.3 海洋能利用海洋占

46、地球表面積3/4左右，其可開發利用部分估計遠遠超出全球能源的總消耗量。海洋能包括：潮汐能、波浪能、海洋溫差能和海流能（潮流能）和海水鹽差能等。當前開發利用較有成效的是潮汐能和波浪能。 1潮汐能利用 海水潮汐是一種自然現象。它是在月球和太陽引潮力作用下所發生的海水周期性漲、落運動。一般情況下，每晝夜有兩次漲落，一次在白天，一次在晚上，人們把白天的海水漲落稱“潮”，晚上的海水漲落稱“汐”，合起來稱為“潮汐”。潮汐能主要源于地球與月球、太陽之間的相互作用，不像其他海洋能主要來源于太陽能，而且其開發技術相對比較成熟。所謂潮汐能就是指海水在漲落潮運動中包含著的大量的動能和勢能的總和。如以表示海水密度，A

47、表示潮差，d表示水深，b表示潮波通過的斷面寬度，v表示潮汐運動速度，則單位長度潮汐所具有的勢能和動能分別由下式表示：可以證明，勢能和動能是相等的，即 因此，單位長度潮波所具有的總能量為 潮汐能利用，既可以利用潮波動能，也可以利用潮汐的勢能。一般所說的潮汐能利用多指后者。 我國海岸線長達2萬千米，潮汐能至少約有1.9億多千瓦。我國已建設了數十座小型潮汐發電站。如浙江溫嶺縣江廈潮汐電站，其裝機總容量為3200千瓦。 潮汐能是一種清潔、相對穩定的可靠能源。建設潮汐電站不需大量構筑水庫，運行費用低。 由于潮汐電站有其特殊性，所以，潮汐電站的布置形式也多種多樣。主要有以下三種：（1）單庫單向電站 這是最

48、早出現的一種類型，如圖734所示。該類型電站優點是，建筑物和發電設備的結構均較簡單，投資也較少；其缺點是，由于只能在落潮（或在漲潮）時發電，發電時間較短，每天只能發電1012小時，發電量少而且不連續，不能充分利用潮汐能。 漲潮落潮機房水庫海域圖734 單庫單向潮汐電站平面示意圖 (2) 單庫雙向電站這種電站雖然也只有一個水庫，但漲、落潮時都可以發電，如圖735所示。由于這種電站使用了一種新型水輪發電機組（水輪機既可順轉，也可以倒轉，并配有可正反轉的發電機），所以它在正反向運行時都能發電。 水 閘水庫廠房及發電機組海域(a) 漲潮時發電水庫水閘海域(b) 落潮時發電廠房及發電機組 圖735 單庫

49、雙向電站示意圖 這種電站在海潮的一次漲落過程中可以發電兩次。它比單庫單向式潮汐電站的效益要高得多，每天可發電達1620小時。但其水工結構比單庫單向復雜，投資也相應大一些。 我國的江廈潮汐電站就是采用的單庫雙向式，其年發電量和裝機容量可采用如下經驗公式進行估算： 平均潮差A取一個月以上的潮位資料，分別求高、低潮位的平均值，求其差。 （3）雙庫單向電站 圖736所示，它有兩個水庫，一個總是保持著較高的水位，稱為高庫；一個總是維持著較低的水位，稱為低庫。這電站發電量較小，而投資卻幾乎增加一倍。 使用何種發電方式最佳，則需根據當地具體情況而定。 隔壩低 庫高 庫海 域閘閘圖736 雙庫單向潮汐電站平面

50、示意圖 2海洋溫差發電 這是利用海洋表層和深處的溫差來發電。如波斯灣和紅海海面水溫可達35，而在海洋深處5001000m處卻只有36。全世界海洋溫差能的儲量估計為200億kW，在各種海洋能中，其儲量是最大的。 海洋溫差發電系統一般可分為開式循環、閉式循環及混合循環，目前接近實用的是閉式循環方式。 圖737所示為開式循環系統。這種系統簡單，還可兼制淡水；但設備和管道體積龐大，真空泵及抽水水泵耗功較多，影響發電效率。 閉式循環系統如圖738所示。通常采用低沸點工質（如丙烷、異丁烷、氟里昂、氨等）作為工作物質。這種系統因不需要真空泵是目前海洋溫差發電中常采用的循環，但它不能像開式循環那樣兼制淡水，經

51、濟性比較低。 海洋溫差發電效率僅為3%左右；換熱面積大，建設費用高；海水腐蝕等不利因素都制約著海洋溫差發電的發展。但除了發電以外，還可以同時進行水產品及作物養殖、海水淡化等，這將大大提高海洋能綜合利用的經濟效益。 圖737 開式循環系統圖738閉式循環系統 圖7-39是混合式海洋溫差發電系統圖，該系統綜合了開式和閉式循環系統的優點，它以閉式循環發電，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質。這樣做的好處在于減小了蒸發器的體積，節省材料，便于維護并收集淡水. 海洋溫差發電效率僅為3%左右；換熱面積大，建設費用高；海水腐蝕等不利因素都制約著海洋溫差發電的發展。但除了發電以外，還可以同時進行水產

52、品及作物養殖、海水淡化等，這將大大提高海洋能綜合利用的經濟效益。圖7-39 混合循環系統 3波浪能發電 波浪能是以動能形態出現的海洋能。波浪式由風引起的海水起伏現象，它實質上是吸收了風能而形成的。通常一個典型的海洋中部在8s的周期內會涌起1.5m高的波浪。波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算，即 P=0.5TH2 我國沿海有效波高約為23m，周期為9s的波列，波浪功率可達1739kW/m，渤海灣更高達42kW/m，利用前景誘人。 海洋波浪屬于低品位能源，在自然狀態下，由于大部分波浪運動沒有周期性，故很難經濟地開發利用。 利用波浪能發電的裝置多種多樣。用得最廣泛的浮標式波浪發電，已廣泛

53、用于航標和燈塔的照明。固定式的波浪發電裝置不用浮標。對小島漁村和邊防哨所很有實用意義。 海洋能的利用除上述潮汐能、海水溫差、波浪能利用外，還有其他如海流能的利用，利用方式主要是發電。我國已經有樣機進入中間試驗階段。 7.6 氫能與燃料電池 氫能是一種新的二次能源，常用的電能、汽油、柴油、酒精等都屬于傳統的二次能源。氫能可以輸送、儲存、大規模生產和可再生利用。基本上沒有環境污染。7.6.1 氫能1概況 氫能是由氫氣燃燒或發生其他化學反應時所釋放出的一種能量，主要以熱能或化學能形式出現。 氫氣燃燒有以下特點： （1）發熱值高，是化石燃料的3倍以上； （2）點燃快，燃點高，燃燒性能好。 （3）氫氣在

54、空氣中燃燒時，不產生其他對環境有害的物質，是一種清潔燃料。 氫除了可以通過燃燒變成熱能以外，還可以在燃料電池反應中直接由化學能變成電能。 2氫的制備 為了實現氫能的大規模應用，最關鍵的是要找到一種廉價低能耗的制氫方法。制備氫的基本方法： （1）化石燃料轉化制氫 該制氫的方法是：采用煤、石油或天然氣等化石燃料，在高溫與水蒸氣發生催化反應，對于不同物料其反應方程有：甲烷催化水蒸氣重整反應 煤氣化制氫反應 甲醇催化裂解反應 由于制氫反應都是吸熱反應，所需要的熱量從部分燃料煤氣或天然氣獲得，可以利用外部熱源，如核能等。 （2）電解水制氫 水電解過程就是使直流電通過導電水溶液(通常加H2SO4或KOH)

55、使水分解成H2和O2,電解的反應式為為了提高制氫效率，水的電解通常在3.05.0MPa的壓力下進行。近年來，采用煤輔助水電解的方法,可以使電解的能耗比常規方法下降100%。 （3）熱化學制氫 從水中制氫也可以通過高溫化學反應的方法進行。按照反應中所涉及的中間載體物料，可以分成氧化物體系，鹵化物體系、含硫體系和雜化體系四種反應體系。如，氧化物體系：其中Me為金屬Mn、Fe、Co等。 對于四種體系的反應過程都可以寫成一種通用形式總反應為反應式中X是反應的中間媒體（如，氧化物，鹵化物），它在反應中并不消耗，僅參與反應。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量，熱化學反應的溫度約為10731273K。 （4）生

56、物質制氫 固態生物質制氫的基本工藝為將生物質生成合成氣。合成氣中的碳氫化合物再與水蒸氣發生催化重整反應，生成H2和CO2。整個反應式為： 3規模化制氫技術(1)核能熱利用制氫 (2)太陽能熱分解水制氫 (3)太陽能電解水制氫 (4)風能電解水制氫(5)太陽能直接光解水制氫 (6)人工光合成作用制氫 （7)光合作用制氫(8)生物制氫 4氫的儲存氫的儲存難度很大，目前可以采用的儲氫方法有下列三種。1）高壓儲存 將氫氣壓縮成高壓（1520MPa），裝入鋼瓶中儲存和運輸。但由于氫氣密度很小，不能解決大量氫的儲存問題。目前正在研究一種微孔結構的儲氫裝置.2）液態儲存 將氫氣冷卻到20K，氫氣將被液化，儲

57、存在絕熱的低溫容器中。 3）金屬氫化物儲存 當氫和金屬形成氫化物時，氫就以固態的形式存儲于氫化物中。當需要用氫時，通過加熱，氫化物就可以放出氫氣。金屬氫化物儲存使用方便，運輸簡單，是氫氣儲存中最方便且有發展前景的一種儲氫方法。4) 碳材料儲存 做儲氫介質的碳材料主要有高比表面積的活性炭、石墨納米纖維和碳納米管。納米碳管儲氫已成為當前研究熱點。 5氫能的利用（1）航空航天 （2）交通運輸 （3）工業 目前正在研究以氫作為燃料的峰值負荷發電廠，其熱效率可達到4749%。而更有市場前景的還是直接以氫為原料的燃料電池。 7.6.2 燃料電池 燃料電池的化學燃料儲存在電池的外部，它可以按電池的需要，源源

58、不斷地提供化學燃料。 燃料電池所用的燃料來自氫及含氫量高又易分解的物質如天然氣、煤化氣、石油、甲醇、乙醇、甲烷等。1燃料電池的工作原理 燃料電池的結構與蓄電池相似，也是由正、負兩個電極（可分別稱為燃料極、空氣極）和電解質組成；但燃料電池的反應劑（燃料和氧化劑）并不儲存在電池中，而由外界不斷地輸入，生成物則不斷地引出。圖740為氫氧燃料電池的工作原理圖。 在 陽極電解液分界面，氫分子根據下面的表達式離解為氫離子和電子 2H2（g）4H+4e 這些電子通過外電路流動，并且在那里作電功，然后回到電池的陰極。其間，氫離子通過電解液擴散到電解液陰極分界面，并依照下述表達式，它們在分層面處與回來的電子和氧

59、氣結合形成液態水。 O2（g）4H+4e2H2O（l） 1多孔的碳極2電解液（氫氧化鉀） 圖740 氫氧燃料電池工作原理因此，全部的化學反應是： 2H2（g）O2（g）2H2O(l)在這個反應過程中，每個氧分子（或每兩個氫分子）有四個電子通過外電路。那么，每摩爾氧（或每兩摩爾氫）所輸出的電能是： We4NAeE 由熱力學第一、第二定律，每摩爾氧（或每兩摩爾氫）所發出的電能We為： WeG 由上式可以看出，實際過程，所得到的電能要小于工作過程中的自由焓的降低。 插圖716 氫氧燃料電池的工作原理圖 2燃料電池的分類 按工作溫度的不同燃料電池可分為：常溫（室溫100）、中溫（100300）和高溫（300以上）三種類型。 按照燃料來源，燃料電池也可分為三類:直接式、間接式、再生式燃料電池. 按所用電解質的不同燃料電池分成五種類型，其特點見表76及