新能源应用技术

第一章绪论(1)太阳能太阳能是自然界赐给人类的巨大能源之一。地球上的风能、水能、海洋温差能、生物智能以及化石燃料（如煤、石油、天然气等）都源于太阳能。目前人类已经迈出了利用太阳能的步伐，太阳能热水器、太阳能电池等太阳能利用技术日臻成熟，对太阳能的进一步开发和利用技术已经越来越得到深入研究。（2）风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和制热等。风力发电是主要的开发利用方式。根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦。主要分布在两大风带：一是“三北地区”（东北、华北北部和西北地区）；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外，内陆地区还有一些局部风能资源丰富区，有广阔的开发前景。风能是一种自然资源，由于风的大小及方向都变换不定，因此其经济性和实用性由风机的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。（3）水能水能资源是我国重要的可再生能源资源，是清洁能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源，是常规能源，一次能源。水不仅可以直接人类直接利用，它还是能量的载体。太阳能驱动地球上的水循环，并使之持续进行，地表水的流动是重要的一环。在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。（4）氢能氢能是一种二次能源，一种理想的新的含能体能源。在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少，因此必须在含氢物质加工后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水，其次就是各种矿物质燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。氢不但是一种优质燃料，还有石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用还原铁矿石。用氢制成燃料电池壳直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和储氢手段的完善，氢能在21世纪的能源舞台上大展风采。（5）地热是指来自地下的热能资源。地球是一个巨大的地热库，仅地下10km厚的一层，储热量就达j261005.1，相当于t151095.9标准煤所释放的热量。地热能在世界很多地方都应用相当广泛。老的技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断的完善。在能源的开发和技术转让方面，未来的发展潜力相当大。地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可根据需要提供使用。据初步勘探，我国地热资源以中低温为主，适用于工业加热、建筑采暖、保健疗养和种植养殖等，资源遍布全国各地。初步估算，全国可采地热资源量约相当于33亿吨标准煤。（6）海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。开发利用的方式主要是发电，其中潮汐能和小型波浪发电技术已经实用化。波浪能发电利用的是海洋波浪上下运动的能量。1910年，法国的普莱西克发明了利用海水波浪垂直运动压缩空气，推动风力发电机组的装置，把1kW的电力送到岸上，开创了人类把海洋能转变为电能的先河。目前已开发出60～450kW的多种类型波浪发动装置。（7）生物质能是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。地区上每年植物光合作用固定的碳达t11102，含能量达j21103，因此每年通过光合作用储存在植物的根、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍，相当于全世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质。生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。我国生物质能资源主要有农作物秸秆、树木枝丫、畜禽粪便、能源作物（植物）、工业有机废水、城市生活废水和垃圾等。全国农作物秸秆年产量约6亿吨，除部分作为造纸原料和禽牧饲料外，大约3亿吨可作为燃料使用，折合约2亿吨标准煤。甜高粱、小桐子、黄连木、油桐等能源作物（植物）可种植面积达2000多万公顷，可满足年产量约5000万吨生物液体燃料的原料需求。畜禽养殖和工业有机废水理论上可年产沼气约800亿立方米。目前，我国生物质资源科转换成能源的潜力约5亿吨标准煤，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，生物质资源转换为能源的潜力可达10亿吨标准煤。第二章太阳能【学习目标】1．了解太阳能的概念和我国太阳能资源概况2．了解太阳能利用技术的应用原理、种类及在都是农业中的应用。【学习内容】1.太阳能集热器技术。2.太阳能热水器技术。3.太阳房的原理及应用。4.太阳能在都市农业中的应用。第一节太阳能概述人类利用太阳能的历史悠久，利用方式也多种多样，最古老而又最简单的利用方式是晒太阳取暖、晒衣服、晒粮食，即将太阳辐射能转变为其他形式的能加以利用，即采用某些装置或系统将太阳的辐射能收集、转换和储藏及利用。辐射能转换形式可分为三种：光化学转换、光热转换与光电转换。太阳能最常见的光化学转换就是植物的光合作用，即二氧化碳和水在阳光照射下，借助植物的叶绿素，吸收光能转化为碳水化合物，储存于植物或其果实中。光化反应是另一种光化学转换，它是指某些物质在阳光照射下吸热分解，当其在低温时可释放吸收的太阳能。地球陆地上的植物通过光合作用利用的太阳能，约为到达地球上太阳能的0.4%～0.5%,但其利用效率却仅为0.5%左右。太阳能的光热转换是指通过反射、吸收或其他方式吸收太阳辐射能，使之转换为热能并加以利用。太阳能热利用设备主要有太阳能热水器、太阳房、太阳能烹调器（如太阳灶）、太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能热泵与制冷装置、太阳能热机（提供动力）、太阳能炉（可冶炼金属）等。光电转换是把太阳辐射能转换为电能，可通过光电元件（太阳电池）将太阳能直接转换为电能，也可先把太阳能转换成热能，再通过热能发电设备转换为电能。太阳能是太阳内部连续的氢聚变的核反应过程产生的能量。太阳每天辐射到地球表面的能量大约相当于2.5亿桶石油，每秒辐射到地球上的能量相当于500万吨标准煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能、生物质能、部分潮汐能以及化石燃料（如煤、石油、天然气等）都源于太阳能。一、太阳能的特点1．太阳能的优点太阳能与常规能源（如煤、石油等）相比，具有三个主要特点。（1）太阳能具有能量的巨大性和使用寿命的长久性每年地球陆地上接收到的太阳能相当于全球一年一年内总能耗的3.5万倍，是当今世界可以开发的巨大能源，也是21世纪的主要能源。按照反应速率及质量亏损率计算，太阳上氢的储量足够维持600亿年,与地球上人类历史相比，可以说太阳是取之不尽、用之不竭的长久能源。（2）太阳能具有其广泛性因为阳光普照全球，无论在陆地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，部分国家与地区都可以就地开发利用，无需开采和运输。（3）太阳能是一种清洁的能源在开发和利用过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质，不会给环境造成污染和生态平衡的破坏，且无论如何利用，对人类都是安全的。2.太阳能的缺点首先，太阳辐射的能量密度较低。一般在北回归线附近夏季阳光较好时，正午时地面上接收的太阳福照度约为1000W/㎡左右；全年日平均约500W/㎡左右；而在冬季只有年日平均辐照度的一半。因此，在开发利用太阳能时，需要较大的采光面积。其次，由于夜晚得不到太阳的辐射，需要考虑配备储能设备，供夜晚使用，或增设辅助热源，才能全天候应用。最后，太阳能随天气的变化而变化，再加上季节的变异及其他因素，都会影响太阳能利用的稳定性。二、太阳能的储存太阳能储能技术主要包括机械能、电能和热能的储存。热能是最普通的能量形式。所谓热能储存，就是把一个时期内暂时不需要的多余热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取利用。1.按照热能储存的时间长短分类可以分为随时储存、短期储存和长期储存三大类。（1）随时储存以小时或更短的时间为周期，其目的是随时调整热能供需之间的不平衡。例如，利用太阳热水系统进行地板辐射采暖时，其储热水箱的作用在于储热和放热，使房屋采暖维持供需之间的平衡。（2）短期储存以天或周为储热周期，其目的就是为了维持一天（或一周）的热能供需平衡。例如，太阳能集热器只能在阳光好的天气吸收太阳的辐射热，因此集热器除了满足阳光好的天气供应热水的需要外，还能将部分热能储存起来，供夜晚或阴天使用。（3）长期储存以季节或年为储存周期，其目的就是为了调节季节（或年）的热量供需关系。例如把夏季的太阳能或工业余热长期储存下来，供冬季使用；或者冬季将天然冰储存起来，供来年夏季使用。三、太阳能利用1.太阳能热利用技术（1）太阳能热水器热水器是太阳能热利用中商业化程度最高应用最普通的技术。太阳能热水器在我国得到了快速发展和广泛应用，成为太阳能利用的主流产业。从20世纪80年代开始，我国先后研制成功全玻璃和热管式真空管集热器，并实现了产业化。控制技术已由简单地仪表控制发展到电脑控制。（2）太阳能建筑太阳房概念与建筑相结合，形成了太阳能建筑技术领域。实验表明，太阳能建筑节能率在75%左右，以成为最有发展前景的领域之一。我国太阳房开发利用自20世纪80年代初开始，至今已建成约1000万平方米的太阳房，主要分布在山东、河北、辽林、内蒙古、甘肃、青海和西藏的农村地区。目前，被动太阳房开始由群体建设向住宅小区发展，但我国在技术水平上与国外还有相当大的差距。2.太阳能光伏发电太阳能光伏发电的应用十分广泛。20世纪90年代以后，世界光伏迅速发展，最近几年平均年增长率超过30%。世界各国一直通过扩大规模、提高自动程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。商业化电池效率从10%～13%提高到13%～15%，生产规模从每年1～5MW发展到每年5～25MW，并正在向50MW甚至100MW扩大，光伏组件的生产成本降到3美元/W以下。到21世纪中叶，光伏发电有望成为人类的基础能源之一。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。预计，到21世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上。3太阳能的利用方式及发展趋势我国的光伏技术产业化及市场发展经过20多年的努力已形成了一定的基础，但总体水平与国外还有相当大的差距，主要表现为以下几点。①生产规模小，无法形成经济规模。②技术水平低。电池效率，封装水平同国外存在一定的差距。③专用原材料性能有待进一步改进。④成本高。目前我国电池组件成本约30元/W，平均售价42元/W。成本和售价都高于国外产品。第二节风能资源与风能利用概况一、我国的风能资源风能资源的主要参数是当地的年平均风速和年平均风能密度，当然，有效风能时间（h）也很重要。1981年，在为世界气象组织（WMO）所进行的一项研究中，太平洋西北实验室（PNL）绘制了一份世界范围的风能资源图，该图给出了不同区域的平均风速和平均风能密度。但由于风速会随季节、高度、地形等因素的不同而变化，因此风的资源量只是一个推算估评。根据世界范围的风能资源图估计，地球陆地表面27%的地方年平均风速高于5m/s（距地面10m处）。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。中国10m高度层的风能总储量为32.26亿千瓦，这个储量称作“理论可开发总量”。实际可开发的量按上述总量的1/10估计，并开率风能转换装置风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数0.785（即1m直径的圆面积是边长1m的正方形面积的0.785倍），得到中国陆地10m高度层实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦。二、风能资源的特点（一）风能资源的优点①风能是可再生能源，取之不尽，用之不竭。②一般来说，在偏远山区、海滨、居民分散的无电或少电地区，风能资源比较丰富，值得开发利用。③开发利用风能，不污染环境，不影响生态平衡。④把风能