新能源发电技术(能源综合利用)

教学目标§9互补发电与综合利用关注的问题什么是互补发电？互补发电能否解决可再生新能源的间歇性和波动性问题？什么是综合利用？各种新能源怎样进行综合利用？了解互补发电的概念和特点；了解常见的互补发电技术；了解能源综合利用的概念和方式；理解互补发电与综合利用的意义和发展前景。新能源发电技术有多样性，而且其变化规律不同，多种电源联合运行，各种发电方式在一个系统内互为补充，通过其协调配合来提供稳定可靠的、质量合格的电力，这就是互补发电，既提高可再生能源的可靠性，也可提高能源的综合利用率。§9.1互补发电的概念和特点§9.1.1互补发电的概念§9.1.2互补发电的特点（1）可再生能源既可充分发挥优势，又能克服本身不足。取自天然、分布广泛、清洁环保等优点仍能体现，季节性、气候性变动造成的能量波动，可以改善。（2）对多种能源协调利用，可提高能源的综合利用率。（3）电源供电质量的提高，对补偿设备的要求降低。单一发电，波动和间歇明显，需大量储能或补偿装置；互补运行，会因相互抵消，降低储能或补偿要求。§9.1.2互补发电的特点（4）合理的布局和配置，可充分利用土地和空间。可在有限的面积和空间内最大限度地获取能源。获取相同能量，需占用的土地和空间可大大减少。（5）共用送变电设备和人员，可降低成本，提高运行效率。多个分散电源统一输配和集中管理，可共用设备和人员，减少建设和运行成本。总的发电能力增加，可降低平均运行维护成本。§9.2风能－太阳能互补发电§9.2.1风-光互补的基础我国属季风气候区，很多地区风能和太阳能有天然的季节互补性（分析具体情况），适合采用风-光互补发电系统。在一些边远农村地区，风能资源丰富，且太阳能资源充足，联合发电运行是解决供电问题的有效途径。应根据用电情况和资源条件进行容量的合理配置，可共用储能装置和供电线路等。§9.2.2风-光互补发电系统的结构和配置风－光互补发电系统，一般由风电机组、光伏电池组、储能装置、电力变换装置、直流母线及控制器等部分构成，向各种直流或交流用电负载供电。风－光互补发电系统的发电和储能配置，应考虑：—负荷的用电量及其变化规律；－蓄电池的能量损失和使用寿命；－太阳能和风能的资源情况。根据风力和阳光的变化情况，有三种可能的运行模式：风电机组单独向负载供电；光伏电池单独向负载供电；风电机组和光伏电池联合向负载供电。§9.2.3风－光互补发电系统的应用与单独风电或光伏相比，风光互补发电有以下优点：－利用资源的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；－保证同样供电时，可大大减少储能蓄电池的容量；－很少或基本不用启动备用电源（如柴油机发电机组）等，可获得较好的社会效益和经济效益。风－光互补是对二者的综合利用，对太阳能和风资源要求都低一些，受自然条件的限制较少，应用地域范围更广。典型实例（详见教材）中国之最：第一个并网的风－光互补发电系统实例2：叶贡多寄宿小学的风－光互补发电系统。实例3：西藏单机容量最大的风-光互补发电站。小容量的风－光互补式路灯§9.3其它互补发电系统§9.3.1风能－水力互补发电“三北”等内陆风区，多为冬春风大、夏秋风小，与夏秋丰水、冬春枯水的水资源正好互补。－可避免在枯水季节水力发电量不足的问题；－可通过共用输配电设备节省建设投资；－是比较经济有效的大规模利用方式。风-水互补发电特点§9.3.2风、光－柴油机互补应用目前，在很多边远或孤立地区，柴油发电机组是提供必要生活和生产用电的常用发电设备。柴油价格高，运输不便，有时还供应紧张，因而柴油机发电的成本很高，往往还不能保证电力供应的可靠性。在这些边远地区，尤其是高山和海岛，往往太阳能和风能资源比较丰富，可以因地制宜地实现与柴油机联合发电运行。风－柴互补系统的优点－投资回报率高，节油效果明显(30%以上)－规模小，见效快－稳定性好；§9.3.2.1风力－柴油机互补应用风－柴并联运行，是风电和柴油发电最简单的结合方式。可以降低柴油机的平均负载，从而节省燃料。用户负载耗能负载蓄能装置控制系统风力发电机组柴油发电机组一种改进方案，在柴油机和发电机之间加一个飞轮和电磁离合器，来控制柴油机是否投入，以有效提高节油率。在运行中不仅弥补了风力发电的不稳定性，而且能最大限度地节约柴油并减少对环境的污染。用户负载耗能负载风力机齿轮箱感应发电机柴油机离合器飞轮同步发电机§9.3.2.2光伏－柴油机互补应用光伏—柴油混合发电系统也有投资率高等优点，但对逆变电源要求较高：（1）要求具有较高的效率，以提高系统效率。（2）要求具有较高的可靠性。（3）要求逆变电源的输出应为良好的正弦波。（4）要求直流输入电压适应范围宽。§9.3.3微型燃气轮机－燃料电池互补发电燃气轮机发电技术已经比较完善，效率较高，且氮化物、CO等污染物的排放量很少。高温燃料电池与燃气轮机的工作温度相匹配，组成联合发电系统具有更高的效率。商用的已可高达60%～75%，是目前矿物燃料动力发电技术中效率最高的。燃料电池与微型燃气轮机联合发电，有非常好的发展前景。§9.4能源的综合开发利用§9.4.1冷热电联产热电联产（CHP）就是热和电两种形式的能量联合生产，一般是在发电的同时将剩余的热量回收，用于供热、供暖等，以提高能源的综合利用率。冷热电三联产（CCHP）是指热、电、冷三种不同形式能量的联合生产，是在热电联产基础上发展起来的。典型冷热电三联产系统一般包括：动力系统和发电机（供电）、余热回收装置（供热）、制冷系统（供冷）等。燃料燃烧产生的热能首先通过汽轮机或燃气轮机等热工转换设备发电，做功之后的余热，冬季直接向用户供热，夏季利用消耗热能的制冷机组向用户供冷。其能量利用效率比一般的热电联产更高。根据能源及热力原动机型式，热电联产可以分为：蒸汽轮机热电联产、燃气轮机热电联产、核电热电联产、内燃机热电联产。（1）蒸汽轮机热电联产用的是化石燃料，通过汽轮机产生电能并对外供热，这是联产集中供热的最主要形式。对外同时供热和发电的蒸汽轮机称为供热式汽轮机，装有供热式汽轮机的发电厂称为热电厂。（2）燃气轮机热电联产利用燃气轮机的排气提供热能，对外界供热或制冷。燃气轮机的排气在余热锅炉中加热水，产生的蒸汽直接作为生产用汽或居民生活供热。（3）核电热电联产核能安全、洁净又经济，基本上不排出SOx、NOx和COf及烟尘等，在热电联产方面已出现发展核能热电厂的新趋势。（4）内燃机热电联产往复式内燃机发电装置成本低，启动容易，适当的保养下可靠性高，负荷跟随性能良好。非常适合于作为备用、尖峰和中间负荷的电源。冷热电联产的主要应用领域（1）工业领域：主要是水泥、造纸、制药等本身的工艺过程就需要一定数量和参数的蒸汽的制造业中，能够实现节电和节能的目的。（2）城市：主要是建设规模较大的“城市能源心”，通过地下管道向市区重要建筑物供热、供冷和供电。（3）民用场合：如在高层住宅、宾馆、医院、体育场馆等各种建筑和场所。冷热电联产的应用•美国从1978年开始提倡发展小型热电联产(CHP)，正研究高效利用能源资源的小型冷热电联产(CCHP)。•1980s，日本对区域供热和制冷的需求增长了一倍，在东京等许多城市都出现了冷热电三联产系统。到2003年，中国热电联产情况，供热设备容量3万MW，年供热量20×108GJ；平均供热厂用电率7.1kWh/GJ。6000kW及以上供热机组占同容量火电装机总容量的10%。世界之最和中国之最世界最早的冷热电三联产系统1938年……世界最大的冷热电三联产系统韩国……欧洲最早的冷热电三联产系统1998年……中国最早的冷热电三联产系统1992年……§9.4.2太阳能房太阳能房是综合利用太阳能光热转换、光电转换等过程，实现主动的和被动的太阳能利用的节能建筑。－安装太阳能热水器，提供生活热水；－安装太阳能空调，调节室内温度；－安装太阳电池板，提供生活用电。潮汐电站综合利用的附加价值：•电站的建设，可以促淤围垦，增加农田；•电站的水库，可以用于蓄水灌溉，保障沿岸农业用水；•电站水库可创造或改善水产养殖条件；•电站工程可控制、调节咸淡水进出水量，有利于提高沿岸农田灌溉、排涝、防洪标准。•水库的水位控制，将低潮位提高，可增大库区航运能力；•堤坝可结合桥梁和道路修建，改善交通情况。•潮汐电站还有可能美化环境，有利于发展旅游事业。•电站坝、闸工程还可起挡潮、抗浪、保岸、防坍效用。§9.4.3综合型潮汐电站高温地热蒸汽应首先用于发电，并可实现综合利用，例如进行冷热电三联产。用于发电后温度有所降低的地热流体可用于采暖、供热或提供热水，都是很常见的地热应用方式。还可以从地热流体中提取有用的盐类等矿物质资源。§9.4.4地热能综合利用海洋温差发电方式中，有一种开式循环系统。•以表层的温海水作为工作介质。•先用真空泵将循环系统内抽成一定程度的真空，再用温水泵把温海水抽入蒸发器。由于系统内已保持有一定的真空度，温海水就在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸汽；•蒸汽经管道喷出推动蒸汽轮机运转，带动发电机发电。蒸汽通过汽轮机后，又被冷水泵抽上来的深海冷水所冷却，凝结成淡化水后排出。在发电的同时还可以产生大量淡水和化工产品。§9.4.5海洋温差能的综合开发多种能源互补发电，是多种能源联合发电运行，在协调配合中充分发挥其各自优势，提高整体能源利用率。小结能源的综合利用，可以是对同一种能源进行科学的梯级开发，在重复或循环中减少能量的损失，通过增加利用的环节和方式来增加能源的利用率；也可以综合利用同一种资源的多种特性，或者在建设利用时因地制宜地发挥其它方面的作用。