热能与动力机械基础第七章-新能源与可再生能源利用课件

1、第七章 新能源与可再生能源利用 7.1 太阳能 7.2 风能 7.3 生物质能 7.4 地热能 7.6 氢能与燃料电池 7.5 水能7.1 太阳能7.1.1 概述从广义上说，地球上除了地热能、核能和潮汐能以外的所有能源都来源于太阳能。 （一）太阳能的特点 1数量巨大但却非常分散 2时间长久但却不连续不稳定 3清洁安全、免费使用但初投资高 （二）太阳能利用的方式1太阳能转换为热能 2太阳能转换为电能 3太阳能转换为化学能7.1.2 太阳辐射能的基本特性与集热器原理（一）太阳辐射能的基本特性 1太阳常数地球除自转以外,还在一椭圆形轨道上绕太阳公转。地球自转轴与其公转轨道平面法线成2327的夹角。太

2、阳与地球间的距离，在一年中随着季节的变化而变化。 所谓太阳常数，是指在日地平均距离时，地球大气层外，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接受到的太阳辐照度。世界气象组织推荐太阳常数值Esc=(13677)W/m2，通常采用1367 W/m2。大气层外太阳辐照度随季节变化按下式计算：2太阳辐射光谱 太阳辐射，约有43的太阳辐射因反射和散射而折回宇宙空间；仅有57左右进入地表和大气，而这57中又有14为大气层所吸收；在剩下的43中，以直射辐射占27和漫射辐射占16的比例到达地面，而且它主要是波长0.292.5 m的太阳辐射能。 3 太阳高度角和日照时间 太阳高度角的定义为：太阳光线与地平面之

3、间的夹角，也简称为太阳高度。 日照时间就是从日出到日落的时间。不同纬度地区的日照时间不同。4地球表面的太阳辐射与大气质量 到达地面的太阳辐射实际上由两部分组成：一部分是由太阳直接辐射而来的，叫做直射辐射；另一部分由分子、灰尘、水滴等散射而来的叫做漫射辐射。 太阳光线穿过大气层的路程直接影响到达地面的太阳辐射。太阳辐射经历大气的路程常用大气质量来表示。 所谓大气质量就是太阳光线穿过地球大气的路程与垂直方向上经历的大气路程之比，常用符号m表示。并设在海平面上空垂直方向的m为1，如图71中OP所示。在任意高度角时相应的大气质量m可近似用下列公式计算图71 大气质量示意图 （二）太阳能集热器原理 典型

4、的集热器的型式有：平板型、聚焦型和真空管型。 1平板集热器的基本结构 如图72所示，平板集热器通常由三部分组成：图72 平板集热器 1-透明盖板 2-吸热盖板 3-绝热框体 （1）透明盖板 作用是让太阳辐射透过而防止吸热板热能辐射的透过及对流损失。用低铁玻璃作为盖板，可以很好地完成这一功能。（2）吸热板 作用是吸收透过盖板的太阳辐射并转变为热能，传给其中流过的工质如水、空气等。吸热板应是对太阳辐射吸收率高、对红外线辐射发射率低的选择性表面。 （3）绝热框体 它的作用是支撑固定盖板、吸热板，并防止侧面、底部散热。插图71 平板集热器与连接水箱 2平板集热器的基本能量平衡方程 对于采光面积为 的平

5、板集热器，其能量平衡方程为： 集热器效率 是衡量集热器性能的一个重要参数，其定义为在任何一段时间内，有用能量与投射在集热器面积上的太阳辐射能之比，即： 3平板集热器太阳辐照度的工程计算进行该项计算的方程为（1）入射角的计算 太阳入射角 i 是指被太阳照射的表面的法线和太阳射线间的夹角。为了计算入射角，必须知道太阳高度角（h，即地平面与太阳射线的夹角)、太阳方位角( ，即太阳射线和正南方之间的夹角)、倾斜面的方位角（，即倾斜面的法向平面与正南方之间的夹角）以及倾斜面的倾角（ ），如图73所示。图73 太阳入射角等示意图 由此，任意取向的表面的太阳射线入射角 i 的普遍式 为 （2）太阳的直射辐照

6、度 的计算公式为： 式中， 为表观太阳辐照度（Wm2)；B为大气衰减系数，无因次。 和B的值与月份有关。4平板集热器效率计算平板集热器中工作流体的温度范围为3090，随集热器的形式和用途而异。对于具有双层盖板的平板集热器，其集热器效率按定义可以表达为 使用液体作载热剂的集热器，其FR值约为0.9。K值可由试验确定，工程上估算：对于无盖板的，最大约15 W(m2K)；单层盖板，67 W(m2K) ；双层盖板，34 W(m2K) 。例7-1 太阳能供热用的1m2m双层盖板平板式集热器，每层盖板的透射率是0.87，铝吸热板的 0.9, E 800Wm2，t2 10，t1 50。试求集热器的效率。解

7、取K值为3.5 W(m2K) ，取 0.9，由效率计算式得 在设计时经常使用如图74所示的集热器效率图来选择集热器。图74中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。从图74可以看出盖板的作用。在Ti-Ta较小时，因为对流损失小，没有或只有单层盖板的集热器的效率较高；在较大时，则以双层盖板集热器的效率为高。图74 典型平板式集热器的效率 A无盖板 B单层盖板，无选择性涂层 C双层盖板，无选择性涂层 D双层盖板，选择性涂层图74中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。使用有选择性的吸热板表

8、面，再加上双层盖板、可以大大提高集热器的效能，如图74中集热器D的曲线所示。例72 1m2m的双层平板式集热器，其吸热板无选择性、用水作冷却剂，水的比定压热容Cp为4186.8 J(kg)。如果冷却剂流量qm为 0.03 kgs，入口温度为50，太阳辐照度为 800Wm2。试求 1）集热速率；2）当环境温度为10时，水的出口温度。解 1） (Ti-Ta)/E(50 - l0)800m2/W 0.05m2W 由图7-4中曲线C得c 0.5，于是 集热速率E Ac 80020.5W800W 2) = qm Cp (t0 - ti) 出口温度 t0(50+8000.034186.8) =56.377

9、.1.3 太阳能热发电（一）太阳能热发电的基本原理太阳能热发电系统由太阳能集热器、热机和冷却器 组成，如图75所示。太阳能热电站的最高效率是卡诺热机效率，即卡诺效率E T1 集热器输出的最高流体温度; T2 冷却器的最低放热温度T2 。图75 太阳能热电站热力学原理 1集热器 2热机 3冷却器 设集热器中工作流体吸热量为 ,则电站的最高效率为因此，定义一个太阳能热电站的总效率S是必要的，即以发电站的总效率最高为目标函数，可以求得最佳的集热温度。（二）太阳能热发电分类及系统组成 1）按集热温度分 低温热发电大多用平板集热器或平板-圆柱抛物面集热器，集热温度100-150； 中高温热发电用聚焦型集

10、热器。2）对于高温太阳能热发电系统，按照接收太阳能的形式分 集中式如，塔式系统（如图78），聚光比为3001500，运行温度可达10001500oC. 又,蝶式系统（如图79）,聚光点的温度一般在5001000oC；两者均可实现高温太阳能热发电。 分散式如，槽式系统（集热器如图77）和蝶式系统（集热器如图79）。槽式电站属“线”聚焦，聚光倍数仅为几十，可实现中温太阳能热发电。蝶式系统属“点”聚焦,聚光点的温度一般在5001000oC,可实现高温太阳能热发电。 典型的太阳能发电系统一般由聚光集热子系统、吸热与输送热量子系统、蓄热子系统、蒸汽发生系统、动力子系统和发电子系统组成,图76是一种原则性

11、的太阳能热发电系统。1集热器 2换热器 3汽轮机 4发电机 5冷凝器 6泵图76 太阳能热发电系统示意图 图77 槽形抛物面集热器 1抛物面聚焦器 2接收器 1接收器 2定日镜 (a) 塔式集热器 (b) 塔式太阳能发电 图7-8 塔式太阳能系统图79 盘（或碟）式抛物面集热器 1接收器 2抛物形阵列 插图72 槽式太阳能聚光器 插图73 塔式太阳能集热器整体装置 插图74 定日镜 插图7-5 单蝶式太阳能聚光器 插图7-6 多蝶式太阳能聚光器 表7-1 三种典型聚光型太阳能热发电系统性能比较 性能名称 塔式 槽式 碟式 装机容量/MW 10200 30320 525 工作温度/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 太阳电池借助于光电效应使太阳能直接转变为电能，其转换器件称为太阳电池。现以晶体硅电池应用最广，发展较为成熟。 1光电转换基本原理太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,在物理学上叫 “光生伏打效应”，所以也称光伏电池。太阳电池都是由P型与N型半导体相接触形成PN结而成的。这样的半导体受到阳光照射时，会发生光电转换。2太阳电池基本结构和形式 硅太阳能电池的基本结构如图711所示，其底层（或称基体）为P型半导体，不受光照，基体底下有一薄金属涂层形成下电极（正

13、极）；上层为N型半导体，上部设有栅格形金属网形成上电极（负极），N型半导体顶部镀了一层透明的、极薄的减反射膜，它比裸硅有更好的光传输性能，能最大限度地减少光反射。目前主要的，也是效率最高的商业化太阳电池仍是由单晶硅制成，其光电转换效率也在12%以上。图710 太阳能电池基本结构 3太阳电池的应用以往太阳电池主要在航天上应用较多，下面是几个民用实例。（1）野外及边远无电地区农牧民用太阳能发电简易供电系统。 （2）野外及户用太阳能供电小系统。如图7-11。 图7-11 太阳能电池供电系统（3）太阳电池并网发电系统（3kW） 太阳能并网发电系统一般是由太阳能电池板、并网逆 变器、户内配电箱和并网控制

14、计量器组成。如图7-12 所示。 图7-12 太阳电池并网发电系统（3kW） 插图77 太阳电池发电系统的部件连接 插图78 青海共和县4kW太阳能光伏电站 7.1.5 太阳能建筑太阳能建筑是指能用太阳能代替部分常规能源来提供采暖、热水、空调、照明、通风、动力等功能的建筑物。太阳能建筑的发展大体可分为三个阶段：第一阶段为被动式大阳房，第二阶段为主动式太阳房，第三阶段是再加上太阳电池应用。（一）太阳能热水系统太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱及连接管道等组成。按照流体的流动方式，有：循环式、直流式、闷晒式。按照流体循环的动力，循环式又分为自然循环式和强迫循环式。1.自然循环热水系统图7-13(a)

15、和(b)是自然循环式太阳能热水系统。这种系统结构简单，运行可靠，不消耗其他资源。由于自然循环的动力完全取决于日照。使该热水系统的使用具有一定的局限性，一般适用于小型热水系统。图713(a) 自然循环式太阳能热水系统 图713(b) 自然循环式太阳能热水系统 2. 强迫循环热水系统对于大型供热水系统，应采用强迫循环热水系统。蓄热水箱可以设置在任意地方，但需要消耗电力驱动水泵及控制系统，若停电系统不能工作。（二）太阳能供暖太阳能供暖系统可以分为被动式和主动式两大类。被动式太阳能供暖，简称为太阳房。主动式太阳能供暖系统包括集热设备、贮存热量用的贮热设备、供暖房间的配热设备、 辅助热源以及输送热媒的动

16、力设备和管道等。根据输送热量的热媒载热流体的不同，又可分为空气式或热水式两种供暖系统。图714 以空气为介质的主动式太阳能供暖系统 1集热器 2蓄热装置 3辅助加热装置 4风机 （三） 太阳能制冷明显优点是，供求比较一致，贮能的要求不象太阳能采暖那样突出。太阳能制冷的方法有三种：“光-电-冷”使用光电池产生电流，通过温差制冷器直接制冷。“光-热-电-冷”使用太阳能热机带动发电机再带动制冷机制冷，或用太阳能热机直接带动压缩式制冷机制冷。“光-热-冷”用太阳能直接起动吸收式或喷射式制冷机制冷。7.2 风能风能是地球表面大量空气运动的动能。太阳辐射能是风能的源泉，属于丰富且清洁的可再生能源之一。7.

17、2.1 概述1风的产生 风就是大气的运动。一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风。大气压差是风形成的主要因素。2.风向 理论上风从高压吹向低压区。在北半球，风以逆时针方向环绕气旋（低压）区，而以顺时针方向环绕反气旋（高压）区。风向，可利用风向标（一种围绕立轴旋转的金属片），从风向与固定主方位指示杆之间的相对位置来测定。利用各个地方每日的记录，可画出一幅极线图，显示出各种风向发生时间的百分比（数字沿半径线标注）。 3. 风速 风速表示空气在单位时间内通过的距离，以米/秒为单位。风速常用瞬时风速和平均风速来描述。 工程上通常使用指数法计算风速: 对于风能转换装置而言，可利用的风

18、能是在“启动风速”到“停机风速”之间的风速段，该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。 风速的变幅就是风速变化的幅度。风速变幅小，对于风能的利用是有利的。4.风级 风级是根据风对地而或海面物体影响而引起的各种现象。表7-2为风级表现。 风级名称相应风速（m/s）表现0无风00.2零级无风炊烟上1软风0.31.5一级软风烟稍斜2轻风1.63.5二级轻风树叶响3微风3.45.4三级微风树枝晃4和风5.57.9四级和风灰尘起5清劲风810.7五级轻风水起波6强风10.813.8六级强风大树摇7疾风13.917.1七级疾风步难行8大风17.220.7八级大风树枝折9烈风20.824.4九级

19、烈风烟囱毁10狂风24.528.4十级狂风树根拔11暴风28.532.6十一级暴风陆罕见12飓风 32.736.9十二级飓风浪滔天 13-17级分别对应的是台风的风级。可以用以下风速与风级间的数字关系计算风速： 5.风速频率与风玫瑰图 风速频率是指某地一年（或一个月）之内具有相同风速的总时数的百分比。 风玫瑰图(图7-15)是以“玫瑰花”形式表示各方向上气流状况重复率的统计图形.用各方向上平均风速频率和平均风速立方值的乘积，绘制成风玫瑰图，可显示风能资源情况及能量集中的方向.风玫瑰图在风电场建设初期设计中起到很大作用。北西东南图715 风能玫瑰图 6. 风能密度 它是指迎风面上每平方米面积上把

20、运动着的空气动能全部利用起来可以得到的最大功率。风能实质上就是流动着的空气的动能，而每立方米以流速为v流动着的空气动能为 因为与空气流动方向相垂直的每一平方米面积上所流过的空气流速为v，所以风能密度为 可以对不同风速情况的风能资源有一个总体的评价。 用表73风功率密度等级表(略)可以对不同风速情况的风能资源有一个总体的评价。7.2.2我国风能资源的分布 我国一般都用有效风能密度和年累积有效风速小时数两个指标来表示风能资源的潜力和特征。我国风能密度的分布有以下几个特点：（1）东南沿海及其岛屿为我国最大风能资源区。（2）内蒙和甘肃北部为风能资源次大区。（3）黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海风能也较

21、大。 （4）青藏高原北部、三北地区的北部和沿海是风 能较大地区。（5）云贵川、甘肃、陕西南部，河南、湖南西部 以及福建、广东、广西的山区以及塔里木盆 地为我国最小风能区。 我国的风能资源总储量约16亿kW，其中近期可开发利用的约为1.6亿kW。如西南地区一些山口风口，风速大，风向稳定，有着发展风力发电的优良条件。 7.2.3 风力发动机工作原理风力发动机是实现风能利用的主体设备。风力发动机的主要部件是由两个或多个叶片组成的。叶片呈机翼形，当空气绕流过叶片时产生升力，这就是风轮回转的原动力。风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年建立的。研究一个理想风轮（没有轮毂，无限多的叶

22、片，没有阻力）在流动的大气中的情况（如图716），并规定：V1 -距离风力机一定距离的上游风速：V -通过风轮时的实际风速；V2 -离风轮远处的下游风速。 图716 理想风轮在大气中的情况 假设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮所获得的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而V2必然低于V1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：风作用在风轮上的力可由欧拉理论写出： 故风轮吸收的功率为：此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为：上述两式相等可以得到： 作用在风轮上的力和提供的功率可写为：对于给定的上游

23、速度V1，可写出以V2为函数的功率变化关系，将上式微分得：等式 有两个解： ，没有物理意义； ，对应于最大功率。以 代入P的表达式，得到最大功率为将上式除以气流通过扫风面S时风具有的动能，可推得风力机的理论最大效率： 上式即为有名的贝兹理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。 其能量损失一般约为最大输出功率的1/3，也就是说，实际风力机的功率利用系数 小于0.593。因此，风力机实际能得到的有用功率输出是：对于每 扫风面积则有： 7.2.3 风力发动机形式和构造1) 分类 风力发动机按结构形式分类如图7-17（a）所示。 垂直

24、轴风力发动机，其转动轴与风向垂直。一种典型的垂直轴风力发电机如图718 所示，它的叶片被弯曲成类似正弦曲线的形状，而叶片断面为机翼形。图719所示为垂直轴风力发动机的各种形式。 图7-17 风力发电机的组成与分类 (a) 按结构形式分类 （b）风力发电机组成图 718 戴瑞斯垂直轴风力发电机 1上轴承2叶片 3拉绳 4下轴承5联轴器 6齿轮箱 7发电机插图79 型垂直轴风力发电机 图719 垂直轴风力发动机 a）阻力型1S型 2多叶片型 3开裂式S型 4平板型b）升力型1型 2型 3旋翼型2) 构造 如,水平轴风力发动机，其转动轴与风向平行(图7-22)。 按叶片数可分为单叶片型双叶片型三叶片

25、型或多叶片型；按风向，则有迎风和背风型，迎风型转子即叶片正对着风向。大部分水平轴式风力叶轮会随风向变化而调整位置。图720所示为水平轴风力发动机的各种形式。从经济上来看，目前水平轴式仍优于垂直轴风力发电机，也是研究和发展的较为成熟的一种风力发动机。 图720 水平轴风力发动机 a）单叶片b）双叶片 c）三叶片 d）美国农场式多叶片e）车轮式多叶片f ）迎风式g）背风式h）空心压差式I ）帆翼式J）多转子k）反转叶片式 3) 组成见图7-17。1.风轮 捕捉和吸收风能，并将风能转变为机械能，由风轮轴将能量送至传动装置，如图7-20所示。 2对风装置 大多数水平轴风力机都有对风装置,如图7-21中

26、有四种,为了获得较高的效率，应使它的风轮经常对准风向。3.调速(限速)机构 使风轮转速维持在一个较稳定的范围之内，防止超速乃至飞车的发生。图720 水平轴风力发动机 1风轮叶片2机头3尾舵4回转体5拉绳 图7-21 几种典型的风车转向机构 （a）尾舵转向机构 （b）舵轮转向机构 （c）电动机构 （d）自动对风4传动装置 将风轮轴的机械能送至作功装置的机构，称为传动装置。对于风力发电机，其传动装置为增速机构。风力机的传动装置为齿轮、皮带、曲轴连杆等机械传动。 5作功装置 由传动装置送来的机械能，供给工作机械。与此相应的机械，有发电机、水泵、粉碎机、铡草机等。6蓄能装置 如风力发电机的蓄电池和风力

27、提水机的蓄水罐。7塔架 将风轮、控制系统和机舱（内有传动机构）等组成的机头支撑到高空。8附属装置 如机舱，它们配合主要部件工作，以保证风力机的正常运行。 插图710 水平轴风力发动机 插图711 水平轴6叶片风力发动机 插图712 内蒙古商都风电场 ,装机容量为3875kW 4) 运行方式1.独立运行 风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供用户使用。2.并网运行 将发出的电送入电网，用电时再从电网把电取出来，这就解决了发电不连续及电压和频率不稳定等问题。风力发电机组一般采用两种方式向网上送电.3.集群式风力发电站 在风能资源丰富的地区按一定的排列方式成群安装风力发电机组，组成集群。4.风力-柴

28、油互补发电 采用该系统可以实现稳定持续地供电。有两种不同的运行方式：交替（切换）运行及并联运行.7.2.4 风力发电技术的发展趋势1单机容量大 目前单机容量可达5MW以上。美国、英国和丹麦等国正在研制10MW的巨型风力发电机。2风发电机桨叶的变化 2MW风机叶轮扫风直径已达72m。目前最长的叶片已做到50m。桨叶在向柔性方向发展。桨叶材料已发展为强度高、质量轻的碳纤维。对巨型风电机而言，分段式叶片技术是很好的选择.美国开发了一种新型叶片，比早期的桨叶捕捉风能的能力要高20%。许多国家在致力于新叶型的开发研究。3.塔架高度上升 在中、小型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在50

29、m高度捕捉风能要比30m高处多20%。4海上风力发电 海上风力发电比陆上风力发电优势更为明显.海上风速较陆上大且稳定，平均设备利用小时数在海上可达3000h以上。同容量装机，海上比陆上成本增加60%，电量增加50%左右。5.新方案和新技术不断采用 如,在功率调节方式上，变速恒频技术和变桨距调节技术的应用.7.3生物质能7.3.1 概述 生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用。 生物质能可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质能资源丰富，目前是仅次于煤炭、石油和天然气的世界第四大能源消费品种。 生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点

30、是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10一30。 1.生物质的分类 从生物学的角度，生物质可分为植物性和非植物性两类。从生物质能开发、利用的历史出发，生物质可分为传统生物质和现代生物质两类。2.生物质资源的特点 与化石资源相比，主要具有以下几个重要特点: 时空无限性; 可再生性与减少二氧化碳排放的特性;洁净性;低能源品位性;分散性.3.生物质资源与分布 地球上每年生长的生物质能总量约14001800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。我国每年可开发为能源的生物质资源达3亿多吨标准煤随着速生炭薪林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多.4.转换的能源形式 现代意

31、义的生物质能利用，主要是将其加工转化为固体燃料、液体燃料、气体燃料、电能以及热能等能源形式。5.发展障碍与前景由于生物质的多样性和复杂性，其利用技术远比化石燃料复.，生物质能今后的发展将不再像最近200多年来一样日渐萎缩，而是会重新发挥重要作用，并在能源利用中占据越来越显著的地位。7.3.2 生物质能转化技术生物质转化技术可分为四大类，见图723。 图723 生物质转化技术分类和子技术7.3.3 生物质能发电技术分类1直接燃烧发电与混合燃烧发电 直接燃烧发电就是将生物质直接送入锅炉燃烧后，产生蒸汽带动发电机发电。如，秸秆发电。混合燃烧发电是将生物质与煤等化石燃料混合燃烧的发电方式，是目前生物质

32、燃烧发电应用比较多的方式。 2气化发电技术 基本原理是把生物质转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。它既能解决生物质难于燃用而又分布分散的缺点，又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑而污染小的优点，所以是生物质能最有效最洁净的利用方法之一。气化发电过程包括三个方面，一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电。生物质气化发电技术具有： 充分的灵活性；较好的洁净性；较经济，它是所有可再生能源技术中最经济的发电技术。综合的发电成本已接

33、近小型常规能源的发电水平，典型的生物质气化发电系统流程如图724所示。 图724 生物质气化发电系统流程图3生物质IGCC技术 IGCC即气化联合循环发电系统，适合于大规模处理农业或森林生物质,其典型流程如图7-25所示.该系统具有处理量大、自动化程度高、系统效率高等优点，较适合工业化生产。常压的IGCC系统，系统效率可达35%45%。 图725 生物质IGCC发电系统流程图7.4 地热能 地热能是地球内部蕴藏的各类热能之总称。通常所说的地热能是指离地表面5km以内的热能。地热能数量相当巨大，我国的地热资源相当于2000多亿吨标准煤。 根据温度的不同我国将地热区分为低温（25-90oC）、中温

34、（90-150oC）和高温（150oC）三类。高温地热资源通常用于地热发电利用，而中、低温地热资源供非发电利用.随着地源热泵技术的日趋完善，使得我国浅层地热能利用发展迅猛，成为最有希望实现大规模应用的一种可再生能源。7.4.1 地热资源1地热资源的类型 （1）水热型 包括地热蒸汽和地热水。地热蒸汽储量很少，而地热水的储量较大，其温度范围从接近室温到高达390。（2）地压型 它是处于地层深处23公里沉积岩中的含有甲烷的高盐分热水，温度为150260之间，其储量约是已探明的地热资源总量的20。（3）干热岩型 这是泛指地下深部普遍存在的几乎没有水和蒸汽的热岩石，温度范围在150650之间。其储量十分

35、丰富，约为已探明的地热资源总量的30。（4）熔岩型 它是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩，其温度高达6501200。熔岩储藏的热能比其它几种都多，约占已探明的地热资源总量的40左右。到目前为止，对于地热资源的利用主要是水热资源的开发。2地热流体 地热流体中除蒸汽和热水外，一般都含有CO2、H2S等不凝性气体，在液相中还有数量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO等物质。 对于地热发电来说，地热流体的品质，在发电系统和设备的选择和设计上都需要认真考虑。 插图713 云南腾冲地热景观 7.4.2 地热发电系统 利用地热能发电，具有许多的优点：投资少，通常低于水电站；发电成本比水电、火电和

36、核电都低；发电设备的利用时数较长；减少污染环境；发电用过的蒸汽或热水，还可以用于取暖或其它方面。 地热发电的原理与一般火力发电相似。以高温湿蒸汽为热源的地热电站，大多采用汽水分离的闪蒸系统发电。对于以地下热水为热源的电站，一般是采用双循环系统发电。 图726 地热发电系统 （a）闪蒸系统 （b）双循环系统1汽水分离器； 2汽轮机； 3发电机； 4冷凝器； 5闪蒸器； 6回灌井； 7生产井； 8换热器； 9泵。 1.干蒸汽系统 它是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，有背压式和凝汽式两种发电系统。2闪蒸系统地热发电 如图726（a）所示为一种（可称为两级）闪蒸系统。3双循环系统 也称为低

37、沸点工质地热发电，如图726（b）所示。常用的低沸点工质有氯乙烷、正丁烷、异丁烷、R11、R12等。4.总流式 总流式地热发电是将来自地热井口的两相混合物，不经分离和闪蒸，就直接全部引进汽轮膨胀机膨胀作功。5.增强型地热系统 增强型地热系统（图7-27）是国际上最为关注的地热发电发展趋势之一，主要是针对有高热流却没有足够的蒸汽或热水，或孔隙率低、孔隙不连通的区域。全世界任何5-10km深度的岩石中都可以发现大量的热，甚至在没有水的地方，开发潜力也巨大. 地热发电的工质参数相当低，故热效率也远低于火电站，因此如何最大限度地利用地热能量，尤其是对于热水型地热能更是突出的问题。 图727 增强型地热

38、系统插图714 西藏羊八井地热电站 表74 地热发电类型 按载热体类型 按技术类型 蒸汽型（干蒸汽） 干蒸汽式系统 热水型（湿蒸汽） 闪蒸系统 双循环系统 总流式 干热岩型 增强型地热系统（EGS）7.4.3 地热能的直接利用 储量大、分布广的热水型地热资源，特别是中低温（小于150）的地热流体的直接利用仍然是地热能利用的一个主要方面。地热能的直接利用时，热源不宜离热用户过远。 如图728所示，典型的地热能直接利用系统可由三部分组成：生产井及地热水的供应系统；热交换及输送给热用户的系统；回灌井或贮水池的废水排放系统。 板式换热器回灌井热水井热用户泵图728 地热能直接利用系统 地热能利用的方式

39、选择 温度较高（150）的地热水可首先考虑用于发电，并应注意综合利用； 100150的地热水可以用于公用建筑和民用房屋的采暖通风、工业过程干燥等； 50100的地热水可用于温室供暖、家庭用热水、工业过程干燥等； 更低温度的地热水可用于水产养殖、洗浴等。 7.4.4 地源热泵技术 地源热泵是一种利用地表以下百米范围浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。1 地源热泵的分类（1） 土壤源热泵（GCHP）或称土壤耦合热泵(GCHP) 土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。（2）地下水热泵（GWHP）系统 最常用的形式是采用水

40、水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。宜用双井系统，一个井抽水，一个井回灌。（3） 地表水热泵（SWHP）系统 地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，只能采用闭路系统。 2地源热泵工作系统 如图729所示，地源热泵供暖空调系统主要可分三部分：室外地下换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机组主要有两种形式：水水式或水空气式。 图729 地源热泵工作系统 3地源热泵应用方式地源热泵应用方式主要有两种：土壤空气型地源热泵技术和水-水型地源热泵技术4.地源热泵技术特点（1）符合可持续发展的战略要求；（2）系统简单，一机多用，节约设备用房，应用范围广。（3）

41、环境效益高。 5.地源热泵的应用前景 目前在中国，地下水热泵系统工程虽然仍在数量上占优，而土壤源热泵系统尤其在部分地区呈现着快速发展的势头。许多城市已经制订了具体的鼓励政策，利用浅层地热能的地源热泵技术必将具有很好的发展前景。 7.5水能 河川水流、海浪、潮汐等蕴藏着巨大的动能和势能，称之为水能，它是清洁、廉价能源。7.5.1 水能资源及概况 我国水能蕴藏量极为丰富，仅河川水能资源，估就为6.76亿kW，居世界首位。 我国海洋能理论蕴藏量为6.3亿kW，其中可开发约达3.85107kW，相当于年发电量870108kW。我国陆上水能资源具有以下特点：（1）资源丰富，但分布不均。分布不均的情况与其

42、他能源配合开发却极为有利。（2）可建水电站中大中型的比较多，位置集中。但自然条件差，工程往往十分艰巨。（3）气候受季风影响，降水和径流在年内分配不均匀。（4）人口多，耕地少，建水库往往受到淹没损失的限制。（5）大部分河流，特别是河流中下游多有综合利用要求。 在全世界电力生产中，约20%来自于水电。我国目前已开发的水力资源占可开发资源量不到10%。美国和加拿大的水电占世界水电总量的13%左右，我国占5%。我国水能资源概况可见表7-5(略).插图715 富春江水电站 7.5.2 小型水电站 通常将装机容量小于25MW的水电站称为小水电站。大中型水电站对环境有很多负面影响。而小水电站作为同样一种经济

43、而可再生的能源，对生态环境的影响则要小得多，因而日益受到人们的重视。1. 水力发电小型水电站资源 水工建筑物和机电设备的总和，称为水力发电站。水电站的功率理论值为每秒钟通过水轮机水的重量与水轮的工作水头的乘积。实际功率还要考虑一系列的能量损失，一般小型水电站的效率为6080%。通常将装机容量小于2.5kW的水电站称为小水电站。我国水力资源中小水电资源占1/5。目前，全国已建成的小水电站有5万多座，到2010年，总装机容量已达到5840万kW.其中有1/3以上的县主要依靠小水电站供电。我国中小水电资源可分为南、北两大资源带。 2小型水电站类型小型水电站按落差集中的方式，分成三种类型，各适合于不同

44、的河道地形、地质、水文等自然条件。（）堤坝式水电站在河道上修建拦河坝（或闸），抬高上游水位以集中落差，并形成水库调节流量 根据水电站厂房的位置，又分为河床式与坝后式两种。如图730、731所示。河床式水电站一般修建在河流中、下游坡度平缓的河段上。其适用的水头范围约在8-10米以下，但其引用的流量一般较大。 坝后式水电站一般修建在河流的中、上游，适用于水头较大。 图730 河床式水电站 图731 坝后式水电站 （）引水式水电站在山区河道上修建水电站时，在河道上建引水低坝或闸，采用引水渠道来集中落差，形成水头，称为引水式水电站，如图732所示。 在小型水电站中，引水式水电站比堤坝式水电站更为普遍。

45、水头可达到很高的数值，但发电引用的流量都比较小。 图732引水式水电站 （）混合式水电站混合式水电站其落差是由拦河坝抬高水头和引水集中落差两方面获得，因而具有堤坝式水电站和引水式水电站的特点。当上游河段地形平缓，下游河岸坡降较陡时，宜在上游筑坝，形成水库，调节水量，在下游修建引水渠道，以集中较大落差。如图733所示。混合式水电站和引水式水电站之间没有明显的界限。 733混合式水电站 3常见的几种建站型式1）利用天然瀑布。2）利用灌溉渠道上下游水位的落差修建电站。3）利用河流急滩或天然跌水修建电站。4）利用河流的弯道修建电站。5）跨河引水发电。6）利用高山湖泊发电。 7.5.3 海洋能利用海洋占

46、地球表面积3/4左右，其可开发利用部分估计远远超出全球能源的总消耗量。海洋能包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能和海流能（潮流能）和海水盐差能等。当前开发利用较有成效的是潮汐能和波浪能。 1潮汐能利用 海水潮汐是一种自然现象。它是在月球和太阳引潮力作用下所发生的海水周期性涨、落运动。一般情况下，每昼夜有两次涨落，一次在白天，一次在晚上，人们把白天的海水涨落称“潮”，晚上的海水涨落称“汐”，合起来称为“潮汐”。潮汐能主要源于地球与月球、太阳之间的相互作用，不像其他海洋能主要来源于太阳能，而且其开发技术相对比较成熟。所谓潮汐能就是指海水在涨落潮运动中包含着的大量的动能和势能的总和。如以表示海水密度，A

47、表示潮差，d表示水深，b表示潮波通过的断面宽度，v表示潮汐运动速度，则单位长度潮汐所具有的势能和动能分别由下式表示：可以证明，势能和动能是相等的，即 因此，单位长度潮波所具有的总能量为 潮汐能利用，既可以利用潮波动能，也可以利用潮汐的势能。一般所说的潮汐能利用多指后者。 我国海岸线长达2万千米，潮汐能至少约有1.9亿多千瓦。我国已建设了数十座小型潮汐发电站。如浙江温岭县江厦潮汐电站，其装机总容量为3200千瓦。 潮汐能是一种清洁、相对稳定的可靠能源。建设潮汐电站不需大量构筑水库，运行费用低。 由于潮汐电站有其特殊性，所以，潮汐电站的布置形式也多种多样。主要有以下三种：（1）单库单向电站 这是最

48、早出现的一种类型，如图734所示。该类型电站优点是，建筑物和发电设备的结构均较简单，投资也较少；其缺点是，由于只能在落潮（或在涨潮）时发电，发电时间较短，每天只能发电1012小时，发电量少而且不连续，不能充分利用潮汐能。 涨潮落潮机房水库海域图734 单库单向潮汐电站平面示意图 (2) 单库双向电站这种电站虽然也只有一个水库，但涨、落潮时都可以发电，如图735所示。由于这种电站使用了一种新型水轮发电机组（水轮机既可顺转，也可以倒转，并配有可正反转的发电机），所以它在正反向运行时都能发电。 水 闸水库厂房及发电机组海域(a) 涨潮时发电水库水闸海域(b) 落潮时发电厂房及发电机组 图735 单库

49、双向电站示意图 这种电站在海潮的一次涨落过程中可以发电两次。它比单库单向式潮汐电站的效益要高得多，每天可发电达1620小时。但其水工结构比单库单向复杂，投资也相应大一些。 我国的江厦潮汐电站就是采用的单库双向式，其年发电量和装机容量可采用如下经验公式进行估算： 平均潮差A取一个月以上的潮位资料，分别求高、低潮位的平均值，求其差。 （3）双库单向电站 图736所示，它有两个水库，一个总是保持着较高的水位，称为高库；一个总是维持着较低的水位，称为低库。这电站发电量较小，而投资却几乎增加一倍。 使用何种发电方式最佳，则需根据当地具体情况而定。 隔坝低 库高 库海 域闸闸图736 双库单向潮汐电站平面

50、示意图 2海洋温差发电 这是利用海洋表层和深处的温差来发电。如波斯湾和红海海面水温可达35，而在海洋深处5001000m处却只有36。全世界海洋温差能的储量估计为200亿kW，在各种海洋能中，其储量是最大的。 海洋温差发电系统一般可分为开式循环、闭式循环及混合循环，目前接近实用的是闭式循环方式。 图737所示为开式循环系统。这种系统简单，还可兼制淡水；但设备和管道体积庞大，真空泵及抽水水泵耗功较多，影响发电效率。 闭式循环系统如图738所示。通常采用低沸点工质（如丙烷、异丁烷、氟里昂、氨等）作为工作物质。这种系统因不需要真空泵是目前海洋温差发电中常采用的循环，但它不能像开式循环那样兼制淡水，经

51、济性比较低。 海洋温差发电效率仅为3%左右；换热面积大，建设费用高；海水腐蚀等不利因素都制约着海洋温差发电的发展。但除了发电以外，还可以同时进行水产品及作物养殖、海水淡化等，这将大大提高海洋能综合利用的经济效益。 图737 开式循环系统图738闭式循环系统 图7-39是混合式海洋温差发电系统图，该系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以闭式循环发电，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减小了蒸发器的体积，节省材料，便于维护并收集淡水. 海洋温差发电效率仅为3%左右；换热面积大，建设费用高；海水腐蚀等不利因素都制约着海洋温差发电的发展。但除了发电以外，还可以同时进行水产

52、品及作物养殖、海水淡化等，这将大大提高海洋能综合利用的经济效益。图7-39 混合循环系统 3波浪能发电 波浪能是以动能形态出现的海洋能。波浪式由风引起的海水起伏现象，它实质上是吸收了风能而形成的。通常一个典型的海洋中部在8s的周期内会涌起1.5m高的波浪。波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算，即 P=0.5TH2 我国沿海有效波高约为23m，周期为9s的波列，波浪功率可达1739kW/m，渤海湾更高达42kW/m，利用前景诱人。 海洋波浪属于低品位能源，在自然状态下，由于大部分波浪运动没有周期性，故很难经济地开发利用。 利用波浪能发电的装置多种多样。用得最广泛的浮标式波浪发电，已广泛

53、用于航标和灯塔的照明。固定式的波浪发电装置不用浮标。对小岛渔村和边防哨所很有实用意义。 海洋能的利用除上述潮汐能、海水温差、波浪能利用外，还有其他如海流能的利用，利用方式主要是发电。我国已经有样机进入中间试验阶段。 7.6 氢能与燃料电池 氢能是一种新的二次能源，常用的电能、汽油、柴油、酒精等都属于传统的二次能源。氢能可以输送、储存、大规模生产和可再生利用。基本上没有环境污染。7.6.1 氢能1概况 氢能是由氢气燃烧或发生其他化学反应时所释放出的一种能量，主要以热能或化学能形式出现。 氢气燃烧有以下特点： （1）发热值高，是化石燃料的3倍以上； （2）点燃快，燃点高，燃烧性能好。 （3）氢气在

54、空气中燃烧时，不产生其他对环境有害的物质，是一种清洁燃料。 氢除了可以通过燃烧变成热能以外，还可以在燃料电池反应中直接由化学能变成电能。 2氢的制备 为了实现氢能的大规模应用，最关键的是要找到一种廉价低能耗的制氢方法。制备氢的基本方法： （1）化石燃料转化制氢 该制氢的方法是：采用煤、石油或天然气等化石燃料，在高温与水蒸气发生催化反应，对于不同物料其反应方程有：甲烷催化水蒸气重整反应 煤气化制氢反应 甲醇催化裂解反应 由于制氢反应都是吸热反应，所需要的热量从部分燃料煤气或天然气获得，可以利用外部热源，如核能等。 （2）电解水制氢 水电解过程就是使直流电通过导电水溶液(通常加H2SO4或KOH)

55、使水分解成H2和O2,电解的反应式为为了提高制氢效率，水的电解通常在3.05.0MPa的压力下进行。近年来，采用煤辅助水电解的方法,可以使电解的能耗比常规方法下降100%。 （3）热化学制氢 从水中制氢也可以通过高温化学反应的方法进行。按照反应中所涉及的中间载体物料，可以分成氧化物体系，卤化物体系、含硫体系和杂化体系四种反应体系。如，氧化物体系：其中Me为金属Mn、Fe、Co等。 对于四种体系的反应过程都可以写成一种通用形式总反应为反应式中X是反应的中间媒体（如，氧化物，卤化物），它在反应中并不消耗，仅参与反应。整个过程仅仅消耗水和一定的热量，热化学反应的温度约为10731273K。 （4）生

56、物质制氢 固态生物质制氢的基本工艺为将生物质生成合成气。合成气中的碳氢化合物再与水蒸气发生催化重整反应，生成H2和CO2。整个反应式为： 3规模化制氢技术(1)核能热利用制氢 (2)太阳能热分解水制氢 (3)太阳能电解水制氢 (4)风能电解水制氢(5)太阳能直接光解水制氢 (6)人工光合成作用制氢 （7)光合作用制氢(8)生物制氢 4氢的储存氢的储存难度很大，目前可以采用的储氢方法有下列三种。1）高压储存 将氢气压缩成高压（1520MPa），装入钢瓶中储存和运输。但由于氢气密度很小，不能解决大量氢的储存问题。目前正在研究一种微孔结构的储氢装置.2）液态储存 将氢气冷却到20K，氢气将被液化，储

57、存在绝热的低温容器中。 3）金属氢化物储存 当氢和金属形成氢化物时，氢就以固态的形式存储于氢化物中。当需要用氢时，通过加热，氢化物就可以放出氢气。金属氢化物储存使用方便，运输简单，是氢气储存中最方便且有发展前景的一种储氢方法。4) 碳材料储存 做储氢介质的碳材料主要有高比表面积的活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管。纳米碳管储氢已成为当前研究热点。 5氢能的利用（1）航空航天 （2）交通运输 （3）工业 目前正在研究以氢作为燃料的峰值负荷发电厂，其热效率可达到4749%。而更有市场前景的还是直接以氢为原料的燃料电池。 7.6.2 燃料电池 燃料电池的化学燃料储存在电池的外部，它可以按电池的需要，源源

58、不断地提供化学燃料。 燃料电池所用的燃料来自氢及含氢量高又易分解的物质如天然气、煤化气、石油、甲醇、乙醇、甲烷等。1燃料电池的工作原理 燃料电池的结构与蓄电池相似，也是由正、负两个电极（可分别称为燃料极、空气极）和电解质组成；但燃料电池的反应剂（燃料和氧化剂）并不储存在电池中，而由外界不断地输入，生成物则不断地引出。图740为氢氧燃料电池的工作原理图。 在 阳极电解液分界面，氢分子根据下面的表达式离解为氢离子和电子 2H2（g）4H+4e 这些电子通过外电路流动，并且在那里作电功，然后回到电池的阴极。其间，氢离子通过电解液扩散到电解液阴极分界面，并依照下述表达式，它们在分层面处与回来的电子和氧

59、气结合形成液态水。 O2（g）4H+4e2H2O（l） 1多孔的碳极2电解液（氢氧化钾） 图740 氢氧燃料电池工作原理因此，全部的化学反应是： 2H2（g）O2（g）2H2O(l)在这个反应过程中，每个氧分子（或每两个氢分子）有四个电子通过外电路。那么，每摩尔氧（或每两摩尔氢）所输出的电能是： We4NAeE 由热力学第一、第二定律，每摩尔氧（或每两摩尔氢）所发出的电能We为： WeG 由上式可以看出，实际过程，所得到的电能要小于工作过程中的自由焓的降低。 插图716 氢氧燃料电池的工作原理图 2燃料电池的分类 按工作温度的不同燃料电池可分为：常温（室温100）、中温（100300）和高温（300以上）三种类型。 按照燃料来源，燃料电池也可分为三类:直接式、间接式、再生式燃料电池. 按所用电解质的不同燃料电池分成五种类型，其特点见表76及