新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導論課件

1/842022/11/27第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導論1/842022/11/26第1章2/842022/11/272/842022/11/263/842022/11/273/842022/11/264/842022/11/27

1.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類與基本特征

1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.4電動汽車

1.5新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟意義

本章主要內(nèi)容4/842022/11/261.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展5/842022/11/271.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國的能源結(jié)構(gòu)與儲備1、中國的能源結(jié)構(gòu)

中國是一個能源大國，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭儲量最為豐富,僅次于俄羅斯、美國。但是，中國又是一個能源貧國，中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。

在能源結(jié)構(gòu)的組成中，75%以上是煤，在常規(guī)化石能源中，煤炭資源占90%以上，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。

5/842022/11/261.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略6/842022/11/276/842022/11/267/842022/11/27

煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的基本特點，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀中葉，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。

在能源生產(chǎn)與消費中，以煤炭為主要能源直接進行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴重、效率低下、浪費驚人。7/842022/11/26煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的8/842022/11/272、中國的資源和能源儲備

我國對能源的開發(fā)利用已達到相當高的強度，但能源利用效率低下。我國能源利用效率僅為30%左右。中國能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟體制，深入研究、大力開發(fā)和利用新能源，是中國實現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。8/842022/11/262、中國的資源和能源儲備9/842022/11/27中國與世界一次能源消費結(jié)構(gòu)比較（2004年）

（美國數(shù)據(jù)為2001年）9/842022/11/26中國與世界一次能源消費結(jié)構(gòu)比較（10/842022/11/27中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀10/842022/11/26中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀11/842022/11/27年份占能源消費總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風電198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中國一次能源消費結(jié)構(gòu)11/842022/11/26年份占能源消費總量的比重/%煤12/842022/11/27“十五”以來中國能源消費增長情況12/842022/11/26“十五”以來中國能源消費增長情13/842022/11/271.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，中國能源發(fā)展成就巨大：實現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費僅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相當大的環(huán)境效益。這些成就為我國的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻。但與世界發(fā)達國家相比，我國在新能源利用與開發(fā)方面還存在很大差距。13/842022/11/261.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)14/842022/11/27

在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，即將陸續(xù)出臺一系列鼓勵政策與配套措施。這標志著可再生能源的利用已進入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并將迸發(fā)超前的活力，為中國能源事業(yè)的發(fā)展、為國民經(jīng)濟與社會事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來，我國將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽能供熱等常規(guī)清潔能源轉(zhuǎn)換成熟技術(shù)和風電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)為重點。

14/842022/11/26在2006年初，我國正15/842022/11/27風力發(fā)電15/842022/11/26風力發(fā)電16/842022/11/27水力發(fā)電16/842022/11/26水力發(fā)電17/842022/11/27燃料電池汽車17/842022/11/26燃料電池汽車18/842022/11/27奧體中心光伏發(fā)電項目

18/842022/11/26奧體中心光伏發(fā)電項目19/842022/11/27生物質(zhì)能發(fā)電19/842022/11/26生物質(zhì)能發(fā)電20/842022/11/271.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1、能源能源是可以直接或通過轉(zhuǎn)換提供給人類所需的有用能的資源。世界上一切形式的能源的初始來源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽系行星的運行。2、能源的分類“世界能源理事會(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽能；生物質(zhì)能；風能；海洋能；地熱能；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

20/842022/11/261.2能源的分類與基本特征1.21/842022/11/271.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽能、水力、風力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點，便少一點。21/842022/11/261.2.2能源的基本特征一22/842022/11/27二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“合能體能源”。過程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油22/842022/11/26二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加23/842022/11/27隨著技術(shù)、經(jīng)濟過關(guān)，氫能有可能稱為替代柴油、汽油的理想新含能體能源。氫能是取之不盡用之不竭的高密度能源，氫最大的來源是水，氫燃料電池產(chǎn)生的排出物也是水，江河湖海就是最大的氫礦。氫能的儲運性能好，使用也方便，可轉(zhuǎn)化性優(yōu)于其他各類能源，安全性也與汽油相當。太陽能、風能、地熱、核能、電能等均可轉(zhuǎn)化成氫加以儲存、運輸或直接應(yīng)用，氫是一種理想的載能體。隨著科技進步，氫能的開發(fā)與利用很有發(fā)展前途。23/842022/11/26隨著技術(shù)、經(jīng)濟過關(guān)，氫能有可能24/842022/11/27終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費的各種能源。

常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。

商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。

24/842022/11/26終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)25/842022/11/27新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟上合理；環(huán)境和社會可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地熱能、氫能、核能新能源利用技術(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)1.2.3新能源及主要特征25/842022/11/26新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟上合理26/842022/11/27傳統(tǒng)規(guī)?；哪茉瓷a(chǎn)利用形態(tài)造成了一系列的問題：人類面臨嚴峻的化石能源短缺終端能源利用效率無法提高，轉(zhuǎn)換成本加大必須大規(guī)模利用資源，造成利用資源供應(yīng)瓶頸由于效率無法提高，導致環(huán)境污染加劇，使整個能源系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)同時陷入惡性循環(huán)26/842022/11/26傳統(tǒng)規(guī)?；哪茉瓷a(chǎn)利用形態(tài)造27/842022/11/27“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”能源利用方式和能源系統(tǒng)相對立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強調(diào)經(jīng)濟效益，不注重資源、環(huán)境代價的傳統(tǒng)能源利用理念?！靶隆保孩俑咝Ю媚茉?；②資源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

27/842022/11/26“新”與“舊”的區(qū)別28/842022/11/271.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源國際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費地點或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

28/842022/11/261.2.4分布式能源及主要特29/842022/11/27國際公認的兩個具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃氣機發(fā)電機組，這是實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池29/842022/11/26國際公認的兩個具有發(fā)展前途、最30/842022/11/27微型燃氣輪機30/842022/11/26微型燃氣輪機31/842022/11/27

分布式能源可使用天然氣、煤層氣等清潔燃料，也可以利用沼氣、焦爐煤氣等廢棄資源，甚至利用風能、太陽能、水能等可再生能源。由于目前的分布式能源項目多建在城市，所以大部分分布式能源系統(tǒng)的燃料多為天然氣或是柴油。分布式能源的主要特征有：(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國家輸配電投資(7)解決邊遠地區(qū)供電2、分布式能源主要特征31/842022/11/26 分布式能源可使用天然氣、煤32/842022/11/271.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

風力發(fā)電

風力發(fā)電經(jīng)歷了從獨立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達國家風電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點主要集中在大型風力發(fā)電場與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開發(fā)可靠的風力預(yù)報方法；開展與風能開發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風力發(fā)電等。

32/842022/11/261.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的33/842022/11/27太陽能發(fā)電美國是世界上太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)較早的國家，在太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成多個MW級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國最大太陽能發(fā)電項目——“太陽能之星”33/842022/11/26太陽能發(fā)電美國最大太陽能發(fā)電項34/842022/11/27燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無污染的能源，主要用途包括：固定地點發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國每年投資數(shù)億元開發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車34/842022/11/26燃料電池發(fā)電燃料電池發(fā)電系統(tǒng)35/842022/11/27生物質(zhì)發(fā)電 全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當于10.2萬億噸標準煤，相當于全世界每年耗能（87億噸標準煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標準煤，但目前開發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠35/842022/11/26生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈36/842022/11/27核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點：安全、無污染、高效，核能中聚變能是一種無限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣36/842022/11/26核能發(fā)電俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠37/842022/11/27燃氣發(fā)電根據(jù)用戶用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃氣管網(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達用戶。由小型燃機、微型燃機、內(nèi)燃機、外燃機等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃氣電站一角。帕帕蘭多燃氣電站的8臺燃氣機組都是由中國制造?？傃b機容量為33.6萬千瓦。

37/842022/11/26燃氣發(fā)電距尼日利亞拉各斯38/842022/11/27其他還有小水利發(fā)電、地熱能發(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地熱能發(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站38/842022/11/26其他還有小水利發(fā)電、地熱能發(fā)電39/842022/11/271.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電——2010年我國太陽能電池產(chǎn)量超過了全球總產(chǎn)量的50%，行業(yè)年產(chǎn)值超過3000億元。太陽能電池制造水平比較先進，實驗室效率已經(jīng)達到21%，一般商業(yè)電池效率是10%～14%，具有較強的國際競爭力。風能發(fā)電——2012年中國新增風電機組裝機容量13200MW(其中海上風電裝機容量127MW)，累計風電機組裝機容量75564MW，均位居世界第一。地熱能發(fā)電——我國地熱發(fā)電站總裝機容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個地熱電站規(guī)模較大。地源熱泵利用快速發(fā)展。生物質(zhì)能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用，總裝機容量約800MW。39/842022/11/261.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)40/842022/11/27燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀90年代中期以來，我國在燃料電池研究方面取得了較大的進展。燃料電池技術(shù)列入了國家應(yīng)用研究與發(fā)展重大項目，其研究目標直指國際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風險低、效益穩(wěn)、運營成本比較低，在國家各種優(yōu)惠政策的鼓勵下，全國掀起了一股投資建設(shè)小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預(yù)計，中國計劃2020年核能發(fā)電能力將由目前的約8kMW增加到40kMW，投資金額高達300億美元。開發(fā)時序預(yù)期為：2000－2020年重點開發(fā)先進核反應(yīng)堆技術(shù)；

2020－2030年重點開發(fā)快中子堆技術(shù)；

2030－2040年重點開發(fā)加速器驅(qū)動亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點開發(fā)受控核聚變技術(shù)。

40/842022/11/26燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世41/842022/11/271.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1.3.3.1太陽能光伏發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、儲能等環(huán)節(jié)組成，將太陽能轉(zhuǎn)換為可利用的電能。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負載等構(gòu)成。

41/842022/11/261.3.3新能源發(fā)電及其電源42/842022/11/27（1）光伏陣列實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，將若干個光伏電池組件經(jīng)串并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電流的需要。光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量；光伏電池的并聯(lián)，要求所并聯(lián)組件具有相同的電壓等級。

1個光伏電池額定輸出電壓大約為0.45V.圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成42/842022/11/26（1）光伏陣列圖1-1光伏43/842022/11/27（2）蓄電池組

作為電能存儲環(huán)節(jié)，通過充電控制器實現(xiàn)對蓄電池組的充放電（太陽能電池陣列――蓄電池組的充電、蓄電池組――負載的放電）雙向變換控制。（3）電力電子變換器

電力電子變換器實現(xiàn)DC－AC或DC－DC電能變換，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級的直流電源交流變換器——將直流電源逆變成交流電源變換器43/842022/11/26（2）蓄電池組直流變換器——44/842022/11/27（4）控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。功能包括：太陽能最大功率點控制（MPPT）蓄電池充放電控制光伏直流輸電升降壓變換控制

逆變器控制等（5）負載

終端電能消耗設(shè)備，通過消耗電能作功，將電能再次轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。負載直流負載——由直流電源供電

交流負載——由交流電源供電

44/842022/11/26（4）控制器負載直流負載45/842022/11/272、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按電力系統(tǒng)終端供電模式分為孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（1）獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

——獨立用戶安裝的為自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電站一般由光伏電池板、蓄電池、充放電變換器和控制器等組成。圖1-2戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)45/842022/11/262、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類用戶46/842022/11/27（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能電池陣列、變換器（斬波器、逆變器）和控制器組成。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖：圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)46/842022/11/26（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖1-347/842022/11/273、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變電路是所有新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的電能變換電路。主要作用是將直流電經(jīng)DC/AC逆變器變換成與電網(wǎng)同頻率的交流電，為實現(xiàn)并網(wǎng)供電奠定基礎(chǔ)。根據(jù)直流母線采用的儲能組件，將逆變電路分成兩大類：逆變電路電流源型電壓源型47/842022/11/263、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逆變48/842022/11/27（1）電流源逆變電路

——直流母線采用電感（L）儲能，逆變器輸出經(jīng)電容C濾波后與電網(wǎng)并網(wǎng)。圖1-4典型電流源逆變電路

48/842022/11/26（1）電流源逆變電路圖1-449/842022/11/27（2）電壓源逆變電路

——直流母線采用電容（C）儲能，輸出經(jīng)三相濾波電感并入電網(wǎng)系統(tǒng)。圖1-5典型電壓源逆變電路

49/842022/11/26（2）電壓源逆變電路圖1-550/842022/11/27（3）復(fù)雜逆變電路

優(yōu)點是輸出波形質(zhì)量高、諧波分量小，單只開關(guān)器件的電壓低；缺點是存在中點平衡問題，電路控制復(fù)雜，成本高。圖1-6二極管箝位的三電平電路

50/842022/11/26（3）復(fù)雜逆變電路優(yōu)點是輸出波51/842022/11/27（4）級聯(lián)式逆變器

多電平逆變器雖然可根據(jù)光伏陣列的組合，方便地組合成多電平光伏逆變器，但由于各級電平中對應(yīng)的光伏陣列可能存在不均衡，電平平衡控制仍然是一個難題，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖1-7級聯(lián)式多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

51/842022/11/26（4）級聯(lián)式逆變器多電平逆變52/842022/11/271.3.3.2風力發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，風力發(fā)電機組包括兩大部分：一部分是風力機，由它將風能轉(zhuǎn)換為機械能；另一部分是發(fā)電機，由它將機械能轉(zhuǎn)換為電能。風力機在結(jié)構(gòu)型式上分水平軸式與垂直軸式。垂直軸水平軸52/842022/11/261.3.3.2風力發(fā)電及其電53/842022/11/271．風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風力發(fā)電系統(tǒng)是將風能轉(zhuǎn)換為電能，由機械、電氣及控制３大系統(tǒng)組合構(gòu)成。包括風輪（風力機）、發(fā)電機、變速器及有關(guān)控制器和儲能裝置。典型的風力發(fā)電系統(tǒng)：風能資源風力發(fā)電機組控制裝置蓄能裝置備用電源電能用戶53/842022/11/261．風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)54/842022/11/27２．獨立運行的風力發(fā)電機組

又稱離網(wǎng)式風力發(fā)電機組，是把風力發(fā)電機組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應(yīng)用戶使用。圖1-8獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)框圖

54/842022/11/26２．獨立運行的風力發(fā)電機組圖55/842022/11/27儲能方式：蓄電池蓄能(主要）

——在風力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池作為存儲電能的裝置。抽水蓄能

——地形條件合適壓縮空氣儲能飛輪儲能電解水制氫儲能55/842022/11/26儲能方式：56/842022/11/27３、并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組（1）恒速恒頻方式

——風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速不隨風速的波動而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。采用籠形異步發(fā)電機。圖1-9恒速恒頻并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

56/842022/11/26３、并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組圖157/842022/11/27恒速發(fā)電的特點：電氣系統(tǒng)簡單，可適合于在野外缺少維護的環(huán)境下工作。轉(zhuǎn)速不變，輸出功率和轉(zhuǎn)速的控制全靠傾角控制完成，要求傾角控制響應(yīng)快，動作次數(shù)多，調(diào)節(jié)機構(gòu)易疲勞損壞；強陣風來時，轉(zhuǎn)速不變，機械承受應(yīng)力大，要求堅固，所以又稱“剛性”風力發(fā)電。適用于小功率風電系統(tǒng)，通常不大于600kW。57/842022/11/26恒速發(fā)電的特點：58/842022/11/27（2）變速恒頻方式

——風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速隨風速的波動作變速運行，但仍輸出恒定頻率的交流電。變速發(fā)電的特點：在不同風速下，渦輪機都工作在最高效率點，提高效率10%；減小發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩脈動和機械承受的應(yīng)力，減輕機械強度要求，又稱“彈性”風力發(fā)電；電磁轉(zhuǎn)矩脈動小，發(fā)出電力的波動小，提高發(fā)電質(zhì)量；在強風來時傾角控制器才工作，對傾角控制的響應(yīng)速度大大降低、動作次數(shù)顯著減少、機構(gòu)壽命得以延長。適用于大功率發(fā)電場合，通常大于1000kW

58/842022/11/26（2）變速恒頻方式59/842022/11/27a、同步發(fā)電機的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特點：①發(fā)電機發(fā)出的全部電功率都通過變頻器，發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩；②可以使用永磁發(fā)電機，發(fā)電機輕、效率高，變換器增加的投資可以從節(jié)省的機械結(jié)構(gòu)中得到補償；③變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，形式簡單。

圖1-10同步發(fā)電機的直接并網(wǎng)系統(tǒng)59/842022/11/26a、同步發(fā)電機的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特60/842022/11/27b、雙饋發(fā)電機(繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機)的并網(wǎng)系統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為：當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速時，雙饋電機工作于發(fā)電狀態(tài)；當轉(zhuǎn)速低于同步速時，雙饋電機工作于電動狀態(tài)。

圖1-11雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)系統(tǒng)60/842022/11/26b、雙饋發(fā)電機(繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)61/842022/11/27異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW61/842022/11/26異步交直交并網(wǎng)發(fā)電62/842022/11/27特點：①在變頻器中僅流過轉(zhuǎn)差功率，其容量小，投資和損耗小，發(fā)電效率提高，諧波吸收方便；②要求雙向功率流過變頻器，變頻器必須是四象限雙PWM變頻器，由兩套IGBT變換器構(gòu)成；③只能使用雙饋發(fā)電機，比永磁發(fā)電機重，效率低。兩種變速發(fā)電系統(tǒng)都有應(yīng)用。其中，由于雙饋發(fā)電系統(tǒng)可獲得較高的發(fā)電效率，屬于重點推廣技術(shù)。62/842022/11/26特點：63/842022/11/27４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制變速恒頻發(fā)電不是根據(jù)風速信號控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號控制?？刂埔螅孩俚惋L速段按輸出最大功率要求進行變速控制；②中風速段為過渡區(qū)段，傾角控制器投入工作，功率則隨風速增加上升；③高風速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段，功率靠變頻器限制。63/842022/11/26４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制64/842022/11/27（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制

圖1-12雙饋發(fā)電系統(tǒng)變頻器控制原理框圖64/842022/11/26（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制65/842022/11/27（2）風機漿葉節(jié)距控制

圖1-13槳葉節(jié)距傾角控制系統(tǒng)框圖65/842022/11/26（2）風機漿葉節(jié)距控制圖1-66/842022/11/271.3.3.3燃料電池發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)分類：固定式的燃料電池汽車專用移動式燃料電池特點：低噪聲；變換效率高，對環(huán)境的污染幾乎為零；體積小，使用方便；能使用多種燃料發(fā)電，可以代替火力發(fā)電。66/842022/11/261.3.3.3燃料電池發(fā)電及其67/842022/11/271．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

燃料重整系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)DC/AC變換系統(tǒng)剩氣循環(huán)系統(tǒng)排熱回收系統(tǒng)燃料空氣電力熱輸出（高溫燃料電池）圖1-14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖67/842022/11/261．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成燃料空68/842022/11/27燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池能使用的以氫為主要成分的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；空氣供應(yīng)系統(tǒng)――可以使用電動機驅(qū)動的送風機或空氣壓縮機；DC/AC變換系統(tǒng)――直流到交流的逆變裝置；排熱回收系統(tǒng)――用于回收燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的熱能；控制系統(tǒng)――燃料電池發(fā)電時的起動、停止、運行、外接負載等的控制裝置；剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)――在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機與燃氣輪機剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。

68/842022/11/26燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉(zhuǎn)69/842022/11/272．燃料電池發(fā)電――電源變換控制系統(tǒng)

燃料供給燃料處理器(汽油或甲烷)燃料電池堆DC/DC變換器DC/AC變換器220V/50Hz負載熱管理余熱回收蓄電池燃料電池控制器－空氣管理－燃料管理－傳感器電力控制器中央動力控制單元H2并網(wǎng)運行K燃料電池發(fā)電――電源變換系統(tǒng)的工作方式與內(nèi)燃機相似。

圖1-15燃料電池發(fā)電——電源變換控制系統(tǒng)框圖69/842022/11/262．燃料電池發(fā)電――電源變換控70/842022/11/27燃料電池的分類：按電解質(zhì)性質(zhì)分：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell－AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell－PEMFC）磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell－PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell－MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell－SOFC）按工作溫度分：低溫燃料電池（AFC、PEMFC、PAFC）高溫燃料電池（MCFC、SOFC）按開發(fā)早晚順序：把PAFC稱為第一代燃料電池；把MCFC稱為第二代燃料電池；把SOFC稱為第三代燃料電池。70/842022/11/26燃料電池的分類：71/842022/11/27711.4電動汽車

1.4.1發(fā)展背景資源問題：

全球化石能源（石油、煤炭和天然氣等）儲量有限，將要開采殆盡。

環(huán)保問題：

汽車尾氣含有大量有毒物質(zhì)，污染大氣，損害人類健康。

基數(shù)問題：

全球汽車數(shù)量龐大，消耗的化石燃料驚人，尾氣排放量驚人。

71/842022/11/26711.4電動汽車

1.72/842022/11/277272/842022/11/267273/842022/11/2773汽車尾氣成分危害固體懸浮顆粒呼吸系統(tǒng)疾病，皮膚炎，眼結(jié)炎，甚至造成角膜損傷一氧化碳造成人的理解、記憶力等機能障礙,危害血液循環(huán)系統(tǒng),導致生命危險氮氧化物致使呼吸系統(tǒng)失調(diào)碳氫化合物引發(fā)光化學煙霧，刺激眼睛和上呼吸道黏膜,引起眼睛紅腫和喉炎鉛引發(fā)心血管系統(tǒng)疾病,并影響肝、腎等重要器官的功能及神經(jīng)系統(tǒng)對人體健康的危害73/842022/11/2673汽車尾氣成分危害固體懸浮顆74/842022/11/2774對環(huán)境的危害

引發(fā)酸雨：對建筑物、農(nóng)作物、自然的危害

74/842022/11/2674對環(huán)境的危害引發(fā)75/842022/11/27我國電動汽車發(fā)展概況：我國政府為促進系能源汽車的發(fā)展出臺了許多相關(guān)扶持政策。2001年，新能源汽車研究項目被列入國家“十五”期間的“863”重大科技課題。2006年，國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“低能耗與新能源汽車”和“氫能及燃料電池技術(shù)”分別列入優(yōu)先主題和前沿技術(shù)。2009年，科技部、財政部、發(fā)改委、工業(yè)和信息化部共同啟動“十城千輛工程”。2012年，討論通過了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》。75/842022/11/26我國電動汽車發(fā)展概況：76/842022/11/27電動汽車主要類型：1.燃料電池汽車2.混合電動汽車3.純電動汽車4.電電混合電動汽車76/842022/11/26電動汽車主要類型：77燃料汽車的馬達由燃料電池直接驅(qū)動，其燃料一般為氫氣77燃料汽車的馬達由燃料電池直接驅(qū)動，其燃料一般為氫氣78燃料電池電動汽車（FCEV）78燃料電池電動汽車（FCEV）79指能夠至少從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車： 可消耗的燃料或可再充電能/能量儲存裝置?；旌蟿恿﹄妱悠?9指能夠至少從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車：混合80混合動力汽車（HEV）80混合動力汽車（HEV）

純電動汽車概述：純電動汽車不依賴于發(fā)動機動力，而由純電力驅(qū)動，可以真正的實現(xiàn)零排放及零污染，是未來電動汽車發(fā)展的必然趨勢。汽車組成包括：電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工業(yè)裝置等。其中電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是純電動汽車的核心，也是與內(nèi)燃機汽車的最大不同點。81驅(qū)動電動機電池組充電接口電驅(qū)動單元

純電動汽車概述：純電動汽車不依賴于發(fā)動機動力，而由純電力驅(qū)82常見車型：力帆320純電動車EV82常見車型：力帆320純電動車EV電池—電容電動汽車又稱電電混合電動車，為蓄電池和超級電容組合而成的動力電源系統(tǒng)作為車輛的動力源，是純電動車輛的另一種形式。對于電容器+蓄電池+發(fā)動機的混合電動車，主要利用好幾電容器的高功率輸入輸出特性，對電池的應(yīng)用電流進行“削峰”，是電池免受大電流沖擊，提高整車的功率特性，同時大大延長了電池的使用壽命，提高系統(tǒng)的綜合性能和能量效率。83電池—電容電動汽車8384/842022/11/2784/842022/11/26我校電電混合電動汽車原理圖：85/842022/11/27超級電容鋰電池雙向DC/DC變換器逆變器三相永磁同步電動機直流母線控制量控制量我校電電混合電動汽車原理圖：85/842022/11/26超發(fā)展新能源電動車的意義：1.混合電動汽車：在車體內(nèi)引入電池，能夠適應(yīng)不同工況下的功率消耗，大幅度的提高了能源的利用率，有利于節(jié)能減排。2.燃料電池汽車：以氫氣為燃料，生成物為水，能夠做到完全無污染。另外氫氣燃燒時能夠釋放很高的熱量，同等工況下消耗燃料較少。3.純電動汽車：不直接消耗化石能源，完全無排放，噪聲小，車體結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。另外，電動汽車屬于智能電網(wǎng)，未來有可能參與到電網(wǎng)的能量調(diào)度。4.電電混合電動汽車：隸屬于電動汽車，能夠解決瞬時大電流對電池的沖擊，能適應(yīng)更復(fù)雜的工況，極大限度的提高了電池的使用壽命。86/842022/11/27發(fā)展新能源電動車的意義：1.混合電動汽車：在車體內(nèi)引入電池，87/842022/11/271.5新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟意義1.5.1能源是經(jīng)濟發(fā)展的引擎1、世界能源消費現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

過去100多年世界能源消費變化87/842022/11/261.5新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的88/842022/11/27

2011年中美一次能源消費結(jié)構(gòu)對比88/842022/11/26

2011年中美一次能源消費結(jié)89/842022/11/2789/842022/11/2690/842022/11/272、中國能源消費現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

90/842022/11/262、中國能源消費現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢91/842022/11/2791/842022/11/2692/842022/11/273、中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用

實現(xiàn)未來15年的發(fā)展目標，能源、資源和環(huán)境是最大的制約因素。

新能源利用從廣義化概念講，應(yīng)包括以下3個方面：綜合利用能源

——以提高能源利用效率和節(jié)能為目標，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式。替代能源

——發(fā)展煤炭潔凈燃燒技術(shù)和煤制油產(chǎn)業(yè)為目標，降低對石油進口的依賴。新能源轉(zhuǎn)換

——大力發(fā)展以可再生能源為主的新能源利用體系，調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。92/842022/11/263、中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源93/842022/11/271.5.2新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟意義1、新能源轉(zhuǎn)換的資源保障（1）光伏發(fā)電——利用光伏電池將太陽產(chǎn)生的光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電形式太陽能的轉(zhuǎn)換利用方式有：光――熱轉(zhuǎn)換光――電轉(zhuǎn)換光――化學轉(zhuǎn)換但如何合理利用太陽能發(fā)電，提高光――電轉(zhuǎn)換效率，降低開發(fā)和轉(zhuǎn)化成本，是太陽能發(fā)電與控制技術(shù)面臨的重要課題。

93/842022/11/261.5.2新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟意94/842022/11/27（2）風能發(fā)電——利用風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。中國的風能總儲量估計為1.6×109kW，列世界第三位。風能發(fā)電的經(jīng)濟性和實用性由風車的安裝地點、方向、風速等多種因素綜合決定。（3）核能發(fā)電——利用核反應(yīng)堆釋放出的核能量進行的發(fā)電形式。新核能94/842022/11/26（2）風能發(fā)電——利用風力發(fā)95/842022/11/27人類利用核能的方式主要有兩種：核裂變能——重元素的原子核發(fā)生分裂反應(yīng)（又稱核裂變）放出的能量核聚變能——輕元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)（又稱核聚變）放出的能量核裂變的燃料是鈾、钚等核聚變的燃料是氘、氚等

95/842022/11/26人類利用核能的方式主要有兩種：96/842022/11/27（4）小水利發(fā)電——裝機容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱。優(yōu)勢：開發(fā)靈活，可以分散開發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；具有極強的適用性和輻射性；是國際上大力提倡的清潔可再生的綠色能源；在環(huán)境保護、扶貧及提供農(nóng)村能源等方面均具有顯著作用。小水利96/842022/11/26（4）小水利發(fā)電——裝機容量97/842022/11/27（5）生物質(zhì)能發(fā)電——利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程形成的生物質(zhì)氣、油通過燃燒發(fā)電的形式。全世界約25億人的生活能源的90%以上是生物質(zhì)能。優(yōu)點：燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點：熱值及熱效率低，能量密度低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，體積大而不易運輸。97/842022/11/26（5）生物質(zhì)能發(fā)電——利用生物98/842022/11/27（6）海洋能發(fā)電——利用海洋的各種能量，直接將其轉(zhuǎn)換為電能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽差能優(yōu)點：蘊藏豐富、分布廣、清潔無污染，但能量密度低、地域性強缺點：開發(fā)困難，并有一定的局限潮汐發(fā)電和小型波浪發(fā)電技術(shù)已經(jīng)實用化。98/842022/11/26（6）海洋能發(fā)電——利用海洋99/842022/11/27（7）地熱能發(fā)電——利用高溫地熱資源進行發(fā)電的形式。缺點：由于地熱田的分布一般遠離人口密集的城鎮(zhèn)，要利用這些資源就存在蒸汽或熱水長距離輸送的困難。氫能發(fā)電——用電解法、熱化學法、光電化學法、等離子體化學法等制備氫氣，再經(jīng)燃料或制成氫燃料電池發(fā)電的形式。

BMW氫能7系概念車時速300km/h以上99/842022/11/26（7）地熱能發(fā)電——利用高溫地100/842022/11/272、新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟意義目前除水電外，最有競爭潛力和增長速度最快的是風能。2004年德國的風力發(fā)電量已達245億kW·h，可滿足全國4%的用電量。太陽能設(shè)施建造成本太高，光伏發(fā)電系統(tǒng)平均為5000歐元／kW·h，太陽能供熱系統(tǒng)平均為2500歐元／kW·h，因此與化石能源相比，短期內(nèi)還缺乏競爭力。我國在地熱能發(fā)電、潮汐發(fā)電等方面已有規(guī)模化應(yīng)用由于《京都議定書》的生效，氫能作為有望替代石油的動力燃料，得到了各發(fā)達國家的普遍關(guān)注。作為替代石油的重要戰(zhàn)略選擇，生物質(zhì)燃料也成為世界最新關(guān)注的熱點。生物質(zhì)能可直接生產(chǎn)和提供動力液體燃料，這對于解決交通能源十分重要。核電是新能源體系中能量密度最大，運行成本較低的清潔能源。

100/842022/11/262、新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟意義101/842022/11/27

本課程參考書惠晶主編.新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù).機械工業(yè)出版社，2011.惠晶主編.新能源發(fā)電轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)（第2版）.機械工業(yè)出版社，2012.馮飛，張蕾.新能源技術(shù)與應(yīng)用概論.化學工業(yè)出版社,2011.陳全世主編.先進電動汽車技術(shù)（第2版）.化學工業(yè)出版社，2013.王震坡，孫逢春.電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2012.程明，張建忠等.可再生能源發(fā)電技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2012.101/842022/11/26本課程參考書惠晶主編.102/842022/11/27本課程主要內(nèi)容第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導論第2章風能、風力發(fā)電與控制技術(shù)第3章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)第4章儲能電池與應(yīng)用第5章電動汽車第6章生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)第7章其他新能源的發(fā)電與應(yīng)用102/842022/11/26本課程主要內(nèi)容2022/11/271032022/11/26103104/842022/11/27第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導論1/842022/11/26第1章105/842022/11/272/842022/11/26106/842022/11/273/842022/11/26107/842022/11/27

1.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類與基本特征

1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.4電動汽車

1.5新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟意義

本章主要內(nèi)容4/842022/11/261.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展108/842022/11/271.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國的能源結(jié)構(gòu)與儲備1、中國的能源結(jié)構(gòu)

中國是一個能源大國，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭儲量最為豐富,僅次于俄羅斯、美國。但是，中國又是一個能源貧國，中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。

在能源結(jié)構(gòu)的組成中，75%以上是煤，在常規(guī)化石能源中，煤炭資源占90%以上，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。

5/842022/11/261.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略109/842022/11/276/842022/11/26110/842022/11/27

煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的基本特點，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀中葉，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。

在能源生產(chǎn)與消費中，以煤炭為主要能源直接進行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴重、效率低下、浪費驚人。7/842022/11/26煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的111/842022/11/272、中國的資源和能源儲備

我國對能源的開發(fā)利用已達到相當高的強度，但能源利用效率低下。我國能源利用效率僅為30%左右。中國能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟體制，深入研究、大力開發(fā)和利用新能源，是中國實現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。8/842022/11/262、中國的資源和能源儲備112/842022/11/27中國與世界一次能源消費結(jié)構(gòu)比較（2004年）

（美國數(shù)據(jù)為2001年）9/842022/11/26中國與世界一次能源消費結(jié)構(gòu)比較（113/842022/11/27中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀10/842022/11/26中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀114/842022/11/27年份占能源消費總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風電198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中國一次能源消費結(jié)構(gòu)11/842022/11/26年份占能源消費總量的比重/%煤115/842022/11/27“十五”以來中國能源消費增長情況12/842022/11/26“十五”以來中國能源消費增長情116/842022/11/271.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，中國能源發(fā)展成就巨大：實現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費僅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相當大的環(huán)境效益。這些成就為我國的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻。但與世界發(fā)達國家相比，我國在新能源利用與開發(fā)方面還存在很大差距。13/842022/11/261.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)117/842022/11/27

在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，即將陸續(xù)出臺一系列鼓勵政策與配套措施。這標志著可再生能源的利用已進入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并將迸發(fā)超前的活力，為中國能源事業(yè)的發(fā)展、為國民經(jīng)濟與社會事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來，我國將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽能供熱等常規(guī)清潔能源轉(zhuǎn)換成熟技術(shù)和風電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)為重點。

14/842022/11/26在2006年初，我國正118/842022/11/27風力發(fā)電15/842022/11/26風力發(fā)電119/842022/11/27水力發(fā)電16/842022/11/26水力發(fā)電120/842022/11/27燃料電池汽車17/842022/11/26燃料電池汽車121/842022/11/27奧體中心光伏發(fā)電項目

18/842022/11/26奧體中心光伏發(fā)電項目122/842022/11/27生物質(zhì)能發(fā)電19/842022/11/26生物質(zhì)能發(fā)電123/842022/11/271.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1、能源能源是可以直接或通過轉(zhuǎn)換提供給人類所需的有用能的資源。世界上一切形式的能源的初始來源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽系行星的運行。2、能源的分類“世界能源理事會(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽能；生物質(zhì)能；風能；海洋能；地熱能；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

20/842022/11/261.2能源的分類與基本特征1.124/842022/11/271.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽能、水力、風力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點，便少一點。21/842022/11/261.2.2能源的基本特征一125/842022/11/27二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“合能體能源”。過程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油22/842022/11/26二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加126/842022/11/27隨著技術(shù)、經(jīng)濟過關(guān)，氫能有可能稱為替代柴油、汽油的理想新含能體能源。氫能是取之不盡用之不竭的高密度能源，氫最大的來源是水，氫燃料電池產(chǎn)生的排出物也是水，江河湖海就是最大的氫礦。氫能的儲運性能好，使用也方便，可轉(zhuǎn)化性優(yōu)于其他各類能源，安全性也與汽油相當。太陽能、風能、地熱、核能、電能等均可轉(zhuǎn)化成氫加以儲存、運輸或直接應(yīng)用，氫是一種理想的載能體。隨著科技進步，氫能的開發(fā)與利用很有發(fā)展前途。23/842022/11/26隨著技術(shù)、經(jīng)濟過關(guān)，氫能有可能127/842022/11/27終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費的各種能源。

常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。

商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。

24/842022/11/26終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)128/842022/11/27新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟上合理；環(huán)境和社會可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地熱能、氫能、核能新能源利用技術(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)1.2.3新能源及主要特征25/842022/11/26新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟上合理129/842022/11/27傳統(tǒng)規(guī)?；哪茉瓷a(chǎn)利用形態(tài)造成了一系列的問題：人類面臨嚴峻的化石能源短缺終端能源利用效率無法提高，轉(zhuǎn)換成本加大必須大規(guī)模利用資源，造成利用資源供應(yīng)瓶頸由于效率無法提高，導致環(huán)境污染加劇，使整個能源系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)同時陷入惡性循環(huán)26/842022/11/26傳統(tǒng)規(guī)模化的能源生產(chǎn)利用形態(tài)造130/842022/11/27“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”能源利用方式和能源系統(tǒng)相對立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強調(diào)經(jīng)濟效益，不注重資源、環(huán)境代價的傳統(tǒng)能源利用理念。“新”：①高效利用能源；②資源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

27/842022/11/26“新”與“舊”的區(qū)別131/842022/11/271.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源國際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費地點或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

28/842022/11/261.2.4分布式能源及主要特132/842022/11/27國際公認的兩個具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃氣機發(fā)電機組，這是實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池29/842022/11/26國際公認的兩個具有發(fā)展前途、最133/842022/11/27微型燃氣輪機30/842022/11/26微型燃氣輪機134/842022/11/27

分布式能源可使用天然氣、煤層氣等清潔燃料，也可以利用沼氣、焦爐煤氣等廢棄資源，甚至利用風能、太陽能、水能等可再生能源。由于目前的分布式能源項目多建在城市，所以大部分分布式能源系統(tǒng)的燃料多為天然氣或是柴油。分布式能源的主要特征有：(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國家輸配電投資(7)解決邊遠地區(qū)供電2、分布式能源主要特征31/842022/11/26 分布式能源可使用天然氣、煤135/842022/11/271.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

風力發(fā)電

風力發(fā)電經(jīng)歷了從獨立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達國家風電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點主要集中在大型風力發(fā)電場與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開發(fā)可靠的風力預(yù)報方法；開展與風能開發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風力發(fā)電等。

32/842022/11/261.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的136/842022/11/27太陽能發(fā)電美國是世界上太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)較早的國家，在太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成多個MW級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國最大太陽能發(fā)電項目——“太陽能之星”33/842022/11/26太陽能發(fā)電美國最大太陽能發(fā)電項137/842022/11/27燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無污染的能源，主要用途包括：固定地點發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國每年投資數(shù)億元開發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車34/842022/11/26燃料電池發(fā)電燃料電池發(fā)電系統(tǒng)138/842022/11/27生物質(zhì)發(fā)電 全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當于10.2萬億噸標準煤，相當于全世界每年耗能（87億噸標準煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標準煤，但目前開發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠35/842022/11/26生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈139/842022/11/27核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點：安全、無污染、高效，核能中聚變能是一種無限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣36/842022/11/26核能發(fā)電俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠140/842022/11/27燃氣發(fā)電根據(jù)用戶用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃氣管網(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達用戶。由小型燃機、微型燃機、內(nèi)燃機、外燃機等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃氣電站一角。帕帕蘭多燃氣電站的8臺燃氣機組都是由中國制造?？傃b機容量為33.6萬千瓦。

37/842022/11/26燃氣發(fā)電距尼日利亞拉各斯141/842022/11/27其他還有小水利發(fā)電、地熱能發(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地熱能發(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站38/842022/11/26其他還有小水利發(fā)電、地熱能發(fā)電142/842022/11/271.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電——2010年我國太陽能電池產(chǎn)量超過了全球總產(chǎn)量的50%，行業(yè)年產(chǎn)值超過3000億元。太陽能電池制造水平比較先進，實驗室效率已經(jīng)達到21%，一般商業(yè)電池效率是10%～14%，具有較強的國際競爭力。風能發(fā)電——2012年中國新增風電機組裝機容量13200MW(其中海上風電裝機容量127MW)，累計風電機組裝機容量75564MW，均位居世界第一。地熱能發(fā)電——我國地熱發(fā)電站總裝機容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個地熱電站規(guī)模較大。地源熱泵利用快速發(fā)展。生物質(zhì)能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用，總裝機容量約800MW。39/842022/11/261.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)143/842022/11/27燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀90年代中期以來，我國在燃料電池研究方面取得了較大的進展。燃料電池技術(shù)列入了國家應(yīng)用研究與發(fā)展重大項目，其研究目標直指國際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風險低、效益穩(wěn)、運營成本比較低，在國家各種優(yōu)惠政策的鼓勵下，全國掀起了一股投資建設(shè)小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預(yù)計，中國計劃2020年核能發(fā)電能力將由目前的約8kMW增加到40kMW，投資金額高達300億美元。開發(fā)時序預(yù)期為：2000－2020年重點開發(fā)先進核反應(yīng)堆技術(shù)；

2020－2030年重點開發(fā)快中子堆技術(shù)；

2030－2040年重點開發(fā)加速器驅(qū)動亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點開發(fā)受控核聚變技術(shù)。

40/842022/11/26燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世144/842022/11/271.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1.3.3.1太陽能光伏發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、儲能等環(huán)節(jié)組成，將太陽能轉(zhuǎn)換為可利用的電能。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負載等構(gòu)成。

41/842022/11/261.3.3新能源發(fā)電及其電源145/842022/11/27（1）光伏陣列實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，將若干個光伏電池組件經(jīng)串并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電流的需要。光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量；光伏電池的并聯(lián)，要求所并聯(lián)組件具有相同的電壓等級。

1個光伏電池額定輸出電壓大約為0.45V.圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成42/842022/11/26（1）光伏陣列圖1-1光伏146/842022/11/27（2）蓄電池組

作為電能存儲環(huán)節(jié)，通過充電控制器實現(xiàn)對蓄電池組的充放電（太陽能電池陣列――蓄電池組的充電、蓄電池組――負載的放電）雙向變換控制。（3）電力電子變換器

電力電子變換器實現(xiàn)DC－AC或DC－DC電能變換，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級的直流電源交流變換器——將直流電源逆變成交流電源變換器43/842022/11/26（2）蓄電池組直流變換器——147/842022/11/27（4）控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。功能包括：太陽能最大功率點控制（MPPT）蓄電池充放電控制光伏直流輸電升降壓變換控制

逆變器控制等（5）負載

終端電能消耗設(shè)備，通過消耗電能作功，將電能再次轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。負載直流負載——由直流電源供電

交流負載——由交流電源供電

44/842022/11/26（4）控制器負載直流負載148/842022/11/272、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按電力系統(tǒng)終端供電模式分為孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（1）獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

——獨立用戶安裝的為自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電站一般由光伏電池板、蓄電池、充放電變換器和控制器等組成。圖1-2戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)45/842022/11/262、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類用戶149/842022/11/27（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能電池陣列、變換器（斬波器、逆變器）和控制器組成。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖：圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)46/842022/11/26（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖1-3150/842022/11/273、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變電路是所有新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的電能變換電路。主要作用是將直流電經(jīng)DC/AC逆變器變換成與電網(wǎng)同頻率的交流電，為實現(xiàn)并網(wǎng)供電奠定基礎(chǔ)。根據(jù)直流母線采用的儲能組件，將逆變電路分成兩大類：逆變電路電流源型電壓源型47/842022/11/263、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逆變151/842022/11/27（1）電流源逆變電路

——直流母線采用電感（L）儲能，逆變器輸出經(jīng)電容C濾波后與電網(wǎng)并網(wǎng)。圖1-4