黄素逸-新能源发电技术

新能源发电技术华中科技大学能源与动力工程学院黄素逸2013-10-24于西安2013年发电企业节能减排技术论坛新能源•太阳能•风能•地热能•海洋能•生物质能太阳能概述•太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×l026W)的22亿分之一，但已高达1.73×1017W，换句话说，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤。•地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。•太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。•但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。•人们对太阳能利用有着悠久的历史。发展到现代，太阳能利用已日益广泛。在高科技的支持下，太阳能被期望成为21世纪的最主要辅助能源。太阳结构•太阳是太阳系的中心天体,是太阳系里唯一的一颗恒星,也是离地球最近的一颗恒星。•太阳是一个炽热的气态球体，没有固体的星体或核心。•它的直径约为1.39×106km，是地球的109倍，质量约为2.2×l027t，为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约71％）和氦（约27％）。•太阳内部有“里三层”。从中心向外，依次是核反应区，这里是太阳热能产生的基地。辐射区，太阳能先通过这里传播出去。对流区，太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。•由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。•由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.0072g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持500亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。•太阳外部有“外三层”。依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球层厚约500千米，温度为5762K，密度为10-6g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。太阳表面结构•光球层•光球并不完美，其表面布满了米粒般的粒状结构，科学家形象地称它们为“米粒组织”，光球上亮的区域叫光斑，暗的黑斑叫太阳黑子。•所谓太阳黑子是光球层上的黑暗区域，它的温度大约为4500K，而光球其余部分的温度约为6000K。在明亮的光球反衬下，就显得很黑。•色球层•从光球表面到8000千米高度为色球层，大部分由氢和氦组成。在色球层的边缘常常突然串升一片火舌般的气体，高度达到几万公里，这就是日珥，其温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。日珥可谓千姿百态，有的像脱兔，有的如飞鸟，有的如喷泉飞瀑，这里可以算得上是太阳最壮丽的景色了。•日冕层•在色球之上是极其稀薄的高温日冕层，只有在日全食中才能看到一片青白色的日冕光区。•在太阳活动极大年，日冕接近圆形；在太阳宁静年则呈椭圆形。日冕上有冕洞，而冕洞是太阳风的风源。1973年12月一个巨大的日珥跨越日面588000km色球层•当太阳上有强烈爆发和日冕物质抛射时，太阳风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。这时，在地球两极则可看见瑰丽无比的极光。•从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.3～3μm的黑体。太阳能利用•人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。•太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。•太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。太阳能热动力发电•太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向，根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组，然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。太阳能热发电原理聚光集热子系统热-功-电转换子系统蓄热子系统典型的太阳能光热发电系统碟式Dish槽式Trough塔式TowerSolarthermalpowersystem抛物槽式电站的原理图聚光集热器主要构成示例热流体为熔盐的塔式热发电系统工作原理图以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理西班牙CESA-1太阳能实验电站西班牙PS10太阳能实验电站西班牙Andasol槽式太阳能电站西班牙NevadaSolarOne电站外景碟式斯特林系统实验电站自由活塞式斯特林发动机碟式太阳能热发电系统的结构主动式直接蓄热系统SolarTwo电站的蓄热系统PS10电站安装中的蓄热水箱•另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为100kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。太阳能热气流发电系统太阳辐射加热集热棚内的储热层，棚内空气受热浮升；由于导流筒的抽吸作用，筒内形成稳定的上升热气流；在流动通道上布置风力机可稳定发电。在晚间，储热层蓄积的热量放出，继续稳定发电。蓄热层热惯性很大，滞后效应显著，外界环境及太阳辐射的短时、瞬时波动均可被平滑，故系统的出力相当稳定。导流筒底部沿圆周布置8台单机容量1MW风力发电机组。太阳辐射60m1000m地表蓄热层500m导流筒5MW太阳能热气流实验示范电站设计风力发电机组导流筒核心技术系统设计技术新型风力发电机组成套设计制造技术超高耸建筑结构设计与建造技术超大规模集热系统设计与建造技术储能系统吸热与保温技术热气流发电机组控制技术发电系统稳定并网技术•风道直径10m•轮毂直径3m•叶片数12或20太阳能热气流电站概念设计——导流筒透视图超大规模集热棚屋顶设计结论：当倾角31~35°时，全年获得的日照辐射量最大。屋面接受更多的阳光，使集热棚的温度上升快，温度高，提高其集热效率；同时也有利于屋面应对雨雪荷载；有利于屋面的自组织排水与自清洁等。超大规模集热棚屋顶轻型清扫机械：网状布置压缩空气吹扫装置，并按照一定的距离设置排沙尘通道。•太阳能光利用•太阳能光利用最成功的是用光—电转换原理制成的太阳电池（又称光电池）。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久，从而彻底取代了只能连续工作几天的化学电池，为航天事业的发展提供了一种新的能源动力。•太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“P—N结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。•常用太阳电池按其材料可以分为：晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。•太阳电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车，太阳能游艇，太阳能自行车，太阳能飞机都相继问世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。•太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况，人类都期待这一天的到来。单晶硅太阳电池生产过程天基太阳能发电系统天基太阳能发电系统太阳塔概念图天基太阳能发电系统太阳盘概念图太阳能光伏、光热集成发电系统系统特点：在集热棚内布置一部分光伏电池，利用光伏发电，而电池的热量仍留在棚内，可以作为热能进一步利用，提高了单位面积上的能量利用率；棚内可以种植农作物（蔬菜、水果或能源植物），既获得经济效益，又改善了生态环境；以此系统为中心可在沙漠或荒芜的地方建立生态城。发展旅游事业太阳能光伏、光热集成发电试验电站•在太阳能热气流发电系统的基础上，在集热棚内布置一部分光伏电池，同时利用太阳能的光能和热能。提高单位面积的能量利用率和取得更大的经济效益。目前世界上尚无此种系统。电站功能•发电功能系统兼有发电、储能、调峰三种功能，特别适合作为我国三北太阳能丰富地区的电源。•生态环保功能系统的集热棚相当于一个特大型的温室，可以有效地防止扬沙，对减少我国的沙尘暴十分有利。集热棚内还可种植农作物，发展生态农业，极大地改善当地的环境条件。•旅游功能系统可以和旅游事业结合起来，组织观光旅游。对建在东部地区的小型电站（10MW以下）导流筒上既可作为电视转播台又可建观光旅馆，开发生态旅游。旅游观光超过70%顶棚面积可布置光伏电池试验电站的主要参数•50kw太阳能热气流子系统•太阳能热气流尺寸：烟囱高度H=100m，直径Rc=20m，集热棚直径为D=320m，进口高度为hin=3m，出口高度为hout=5m。•在集热棚每个分区的出口处布置6KW的涡轮透平发电机组，共8个，总额定功率为48KW。热气流系统全年运行时间为1250h（东南沿海地区开阔地并网系统有效利用时数计算），不计夜间可能发电量，全年输出电力约为6万千瓦时。风的形成•地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。地球上风的运动方向白昼海陆风夜间陆海风白天“谷风”夜间“山风”风力等级表风级和符号名称风速（米）*陆地物象海面波浪浪高（米）0无风0.0-0.2烟直上平静01软风0.3-1.5烟示风向微波峰无飞沫0.12轻风1.6-3.3感觉有风小波峰未破碎0.23微风3.4-5.4旌旗展开小波峰顶破裂0.64和风5.5-7.9吹起尘土小浪白沫波峰15劲风8.0-10.7小树摇摆中浪折沫峰群26强风10.8-13.8电线有声大浪到个飞沫37疾风13.9-17.1步行困难破峰白沫成条48大风17.2-20.7折毁树枝浪长高有浪花5.59烈风20.8-24.4小损房屋浪峰倒卷710狂风24.5-28.4拔起树木海浪翻滚咆哮911暴风28.5-32.6损毁普遍波峰全呈飞沫11.512飓风32.7-摧毁巨大海浪滔天14注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值风力发电常用方式一、独立运行方式二、风力发电与其他发电方式相结合三、风力发电并入常规电网运行风力机•风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦以上的风车。18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。风力机的分类•以风轮作为风能接收装置的常规风力机为例，按风轮转轴相对于气流的方向可分为水平轴风轮式(转轴平行于气流方向)、侧风水平轴风轮式(转轴平行于地面、垂直于气流方向)和垂直轴风轮式(转轴同时垂直于地面和气流方向)。WTCTurbineLayout•SizeofWindTurbines风电机组的大型化WindTurbineInstallationMasnedøWindFarm3,75MW,5turbineslocatedatMasnedø,DenmarkLiftofnacelle-Tj