可再生能源及其發電技術

問題引入：同學們知道哪些能源是可再生能源嗎？可再生能源可再生能源包括太陽能、水能、風能、生物質能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能、地熱能、核能（聚變）等。它們在自然界可以循環再生。是取之不盡，用之不竭的能源，不需要人力參與便會自動再生。我國太陽能輻照地區分類太陽能資源豐富地區占全國總面積2/3以上。我國太陽能輻照概況一、二、三類地區，年日照時數大于2200h，太陽年輻射總量高于5016MJ/m2，是中國太陽能資源豐富或較豐富的地區，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、五類地區，雖然太陽能資源條件較差，但是也有一定的利用價值，其中有的地方是有可能開發利用的。從全國來看，中國是太陽能資源相當豐富的國家，具有發展太陽能利用事業得天獨厚的優越條件，太陽能利用事業在我國是有著廣闊的發展前景的。我國太陽能利用同學們知道哪些太陽能利用技術呢？太陽能發電：大家知道哪些太陽能發電技術？太陽能發電：其實，利用太陽能進行發電的手段很多。太陽能發電熱發電光發電蒸汽熱動力發電熱電直接轉換光化學發電和生物轉換光感應發電光伏發電太陽能熱發電1、蒸汽熱動力發電太陽能熱發電系統，由集熱部分、熱傳輸部分、蓄熱與熱交換部分和汽輪發電部分組成。太陽能熱發電（1）集熱部分定日鏡（聚光系統）的作用是提高功率密度。集熱器的作用是將聚焦后的太陽能輻射吸收，并轉換為熱能提供給工質。（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。（3）蓄熱與熱交換部分蓄熱裝置保證發電系統的熱源穩定。熱能通過熱交換裝置，轉化為高溫高壓蒸汽。（4）汽輪發電部分太陽能熱發電定日鏡專用鍋爐蓄熱器太陽能熱發電高壓熱蒸汽在推動汽輪機轉動的同時，還通過專用的管道將一部分熱能儲存在蓄熱器內。陰天、雨雪天及夜間沒有太陽光，便由蓄熱器來提供熱能，從而保證太陽能熱電站能夠連續發電。世界上第一座太陽能熱電站是法國的奧德約太陽能熱電站，雖然它的發電能力當初只有64千瓦，但卻開創了太陽能熱電的先河。2013年8月，在八達嶺長城腳下，我國首座自主知識產權光熱發電站，也是亞洲首座塔式太陽能熱電站將并網發電。太陽能熱發電大家想想這種發電形式的缺點在哪兒？那就是占用地方大。一組定日鏡占地100平方米，100組定日鏡即使嚴絲合縫地湊在一起，也至少要占總計1萬平方米土地。太陽能熱發電2、熱電直接轉換多是依靠特殊的物理現象或化學反應。這類發電方式的優點是發電裝置本體沒有活動部件，但一般發電量都很小，有的方法尚處于原理性試驗階段。相對成熟一些的，主要是半導體溫差發電。太陽能光發電1、光化學轉換（1）光化學電池浸泡在溶液中的半導體電極受到光照后，電極上有電流輸出的現象。（2）光生物發電光生物發電，通常是指葉綠素電池發電，葉綠素在光照作用下能產生電流，這是最普遍的生物現象之一。太陽能光發電2、光感應發電是利用某些有機高分子團吸收太陽的光能后變成光極化偶極子的現象。太陽能光發電3、光伏發電是利用某些物質的光電效應（光生伏打效應），將太陽光輻射能直接轉變成電能的發電方式。光伏電池，是利用光伏效應將太陽能直接轉換為電能的器件，也叫太陽能電池，都是由很多單體光伏電池構成的。太陽能光發電光伏電池原理：帶正電的空穴向P型半導體區移動，帶負電的電子向N型半導體區移動電子從N區負電極流出負電，空穴從P區正電極流出正電太陽能光發電光伏發電系統組成一般由太陽能電池方陣、儲能蓄電池、保護和控制系統、逆變器等設備組成。將多個光伏單體電池經串并聯，并封裝在一起，組成一個光伏電池組件。把多個電池組件再串、并聯起來并裝在支架上，組成光伏電池陣列。光伏發電輸出功率不穩定性、不連續，需要配備儲能裝置，以保證對用戶的可靠供電。陽光充足時，剩余的能量給蓄電池充電。日照缺乏的情況下，由蓄電池向用戶補充供電。太陽能光發電在小型或獨立運行的光伏發電系統中，保護和控制功能主要是蓄電池的保護，防止過充電和過放電。

對于大中型或并網運行的光伏發電系統，保護和控制系統擔負著平衡、管理系統能量，保護蓄電池及整個系統正常工作和顯示系統工作狀態等重要作用。太陽能光發電光伏電池和蓄電池輸出的都是直流電。逆變器是將直流電變換成交流電的電力電子設備，是光伏電池普及應用的關鍵技術之一。光伏發電的特點優點（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，環境污染少光伏發電的特點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）能量不穩定。（3）能量不連續。光伏發電概況根據國家能源局數據：2014-2019年，中國光伏發電累計裝機容量逐年增長，新增裝機容量呈現先增長后下降的趨勢。光伏發電概況根據國家能源局數據：2019年，全國光伏發電累計裝機容量達到20430萬千瓦，同比增長17.3%，其中集中式光伏14167萬千瓦，同比增長14.5%。截止2020年6月底，光伏發電累計裝機達到2.16億千瓦，其中集中式光伏1.49億千瓦。。分布式光伏發電概況根據國家能源局數據：在2010-2015年間，我國集中式光伏電站一直處于投資風口，大批電站項目集中上馬，而分布式光伏項目幾乎無人問津。2014-2019年，中國分布式光伏發電累計裝機容量逐年增長，其中2016年起呈快速增長趨勢;新增裝機容量呈現先增長后下降的走勢。分布式光伏發電概況2019年，全國分布式光伏發電累計裝機容量達到6435萬千瓦，同比增長23.75%;2020年1-6月，全國新增分布式光伏發電裝機443.5萬千瓦。截止6月底，分布式光伏發電累計裝機達到6707萬千瓦。分布式光伏發電概況我國分布式光伏發電相關規劃政策：目前，我國集中式光伏電站主要集中在西部地區，但由于項目過于集中，電網消納困難、高線損等問題，當地出現棄光現象，局部地區棄光率甚至高于20%;中、東部地區是分布式光伏發電布局的主戰場，也是用電消費重地。二、風能利用提到風能利用，同學們會想到哪些事物或故事？風能利用埃及可能是最先利用風能的國家。10-11世紀，中東國家開始大范圍使用風能。風能利用12世紀，風車的概念和設計從中東傳入歐洲。荷蘭人發明了水平轉軸的塔形風車，并且很快風靡北歐。風能利用1300多年前宋代的一種垂直軸“走馬燈式”，一直沿用到新中國成立。風力發電也有水平軸和垂直軸兩種風機雙葉風車三葉風車風力發電垂直軸風機發電風力發電機組簡單結構主要用水平軸風機發電，且多用螺旋槳型葉片。水平軸風力機主要包括風輪、塔架、機艙等部分。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，從而對翼型物體產生向上的“吸入”作用，增大升力。風力發電機組原理空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應關系，流速越快，壓力越低，這種現象叫作伯努利效應。風力發電機組原理工作風速？風力機并不是在所有風速下都能正常工作。起動風速——“切入風速”； “額定風速”；停機風速——“切出風速”。風力發電機組內部結構風電場風力資源豐富的地區，將數十臺至數千臺單機容量較大的風力發電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風向排成陣列，組成發電機群，產生數量較大的電力并送入電網，這種風力發電的場所就是風電場。風力發電特點風電優點：（1）沒有直接污染排放；（2）不需要水參與發電過程；（3）經濟性好。對環境的負面影響：（1）風力機的噪聲；（2）風力機的電磁干擾；（3）視覺影響；等等。風力發電特點大家可能會對風力發電機的價格有所關注：家庭用小型風機：300W～600W的基本上在3000～5000元配置：帶充電控制器風力發電機，200W數控逆變電源，12V65AH免維護蓄電池1只適用：彩電、VCD、功放、電腦、衛星接收機、照明等。每天可用電量：1800／W小時，譬如使用彩電、VCD、衛星接收機及1－2只照明燈泡，可使用10小時左右。造價：3500元／套2.配置：200W帶充電控制器風力發電機，500W數控逆變電源，12V65AH免維護蓄電池2只。適用：彩電、小型新式冰箱、VCD、功放、電腦、衛星接收機、照明、電風扇等。每天可用電量：3500／W

小時，即所用電器功率在300W內每日約可用12小時左右。造價：4200元／套。風力發電特點大家可能會對風力發電機的價格有所關注：家庭用小型風機：300W～600W的基本上在3000～5000元配置：300W帶充電控制器風力發電機，1KW數控逆變電源，12V100AH免維護蓄電池2只適用：彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛星接收機、電風扇、電飯煲。每天可用電量：5100／W小時。造價：6300元／套。風力發電特點大型發電機組：一般整機出廠的價格都不一樣，基本都在3400-4500/KW的單價，所以是按照機組的功率大小決定的。例如2KW的單機，主機+葉片大概4300元，不過還需要買塔桿、控制器、逆變器、電池，這樣才能配成一個完整的系統，總費用9000元左右。比如1.5MW（也就是1500KW）基本在600多萬元左右，一臺機組要運行，還要配套相變，遠程通迅，以及線路造價等。風力發電未來方向思考：風力發電未來發展方向在哪里？生物質能發電：生物質能發電：生物質發電是利用生物質直接燃燒或轉化為某種燃料后燃燒所產生的熱量發電。生物質能發電：生物質發電的流程，大致分兩個階段：一般先把各種可利用的生物原料收集起來，通過一定程序的加工處理，轉變為可以高效燃燒的燃料；再把燃料送入鍋爐中燃燒，產生高溫高壓蒸汽，驅動汽輪發電機組發出電能。*生物質發電涉及原料的收集、打包、運輸、貯存、預處理、燃料制備、燃燒過程的控制、灰渣利用等諸多環節。我國生物質能發電形式我國生物質發電形式：直接燃燒發電沼氣發電垃圾發電生物質燃氣發電——氣化爐（裂解爐）生物質能發電特點：特點：（1）適于分散建設、就地利用（2）技術基礎較好、建設容易（3）碳排放比化石燃料少（4）變廢為寶，更加環保需要注意問題：（1）轉化設備必須安全可靠。（2）能源作物需要占用大量土地可再生能源發電特點：可再生能源發電都有一些普遍特點，大家可以總結一下嗎？面大、量廣、密度低、有限制·小結

了解利用太陽能、風能、生物質能發電的技術；了解各種可再生能源發電技術的特點互補發電特點：（1）可再生能源既可充分發揮優勢，又能克服本身不足。取自天然、分布廣泛、清潔環保等優點仍能體現，季節性、氣候性變動造成的能量波動，可以改善。（2）對多種能源協調利用，可提高能源的綜合利用率。（3）電源供電質量的提高，對補償設備的要求降低。單一發電，波動和間歇明顯，需大量儲能或補償裝置；互補運行，會因相互抵消，降低儲能或補償要求。1、風-太陽能互補基礎：我國屬季風氣候區，很多地區風能和太陽能有天然的季節互補性，適合采用風-光互補發電系統。在一些邊遠農村地區，風能資源豐富，且太陽能資源充足，聯合發電運行是解決供電問題的有效途徑。1、風-太陽能互補風－光互補發電系統，一般由風電機組、光伏電池組、儲能裝置、電力變換裝置、直流母線及控制器等部分構成，向各種直流或交流用電負載供電。1、風-太陽能互補風－光互補發電系統的發電和儲能配置，應考慮：-負荷的用電量及其變化規律； －蓄電池的能量損失和使用壽命； －太陽能和風能的資源情況。

1、風-太陽能互補根據風力和陽光的變化情況，有三種可能的運行模式。風電機組單獨向負載供電；

光伏電池單獨向負載供電；

風電機組和光伏電池聯合向負載供電。

1、風-太陽能互補（1）風力/光伏互補發電系統。該類型以風力發電為主，光伏為輔，適合于風能資源非常豐富，太陽能資源仍可利用的地區。（2）光伏/風力互補發電系統。該類型以光伏發電為主，風力為輔，適合于太陽能資源非常豐富，風能資源相對較弱的地區。

1、風-太陽能互補（3）除此之外，還有兩種情況a.太陽能和風能雖然比較豐富，但互補性欠佳，如在某個月份太陽能和風能都不足。b.太陽能和風能互補性很好，但總體兩種資源總量欠缺。大家想想，這種情況下應該怎么辦？

1、風-太陽能互補優點：－利用資源的互補性，可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性；－保證同樣供電時，可大大減少儲能蓄電池的容量；－很少或不用啟動備用電源（如柴油機發電機組）等，可獲得較好的社會效益和經濟效益。風-光互補是對二者的綜合利用，對太陽能和風資源要求都低一些，受自然條件的限制較少，應用地域范圍更廣。

1、風-太陽能互補小容量的風－光互補式路燈：

2.風、光－柴油機互補應用互補互補剛才，我們討論了風光互補時的兩種特殊情況。在這些邊遠地區，尤其是高山和海島，往往太陽能和風能資源比較豐富，但互補不足；或者互補可以，但總量不足。這時我們就要因地制宜地，即利用風光互補，又要加入柴油機，實現聯合發電運行。

2.風、光－柴油機互補應用互補互補目前，在很多邊遠或孤立地區，柴油發電機組是提供必要生活和生產用電的常用發電設備或備用設備。柴油價格高，運輸不便，有時還供應緊張，因而柴油機發電的成本很高，往往還不能保證電力供應的可靠性。特點：－投資回報率高，節油效果明顯(30%以上)－規模小，見效快－穩定性好；

2.1風-柴油機互補應用互補互補風－柴并聯運行，是風電和柴油發電最簡單的結合方式。可以降低柴油機的平均負載，從而節省燃料。

一種改進方案，在柴油機和發電機之間加一個飛輪和電磁離合器，來控制柴油機是否投入，以有效提高節油率。在運行中不僅彌補了風力發電的不穩定性，而且能最大限度地節約柴油并減少對環境的污染。2.2光-柴油機互補應用互補互補光伏—柴油混合發電系統也有投資率高等優點，但對逆變電源要求較高。（1）要求具有較高的效率，以提高系統效率。（2）要求具有較高的可靠性。（3）要求逆變電源的輸出應為良好的正弦波。（4）要求直流輸入電壓適應范圍寬。

3、微型燃氣輪機－燃料電池互補互補燃氣輪機發電技術已經比較完善，效率較高，且氮