新能源转换与控制技术讲义

新能源转换与控制技术绪论新能源利用包括可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。新能源转换与控制技术涉及：①利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源―电能；②对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。1.1能源储备与可持续发展战略1.2能源的分类与基本特征1.3新能源发电――能源转换的重要形式1.4新能源转换与控制技术的经济意义本章主要内容1.1能源储备与可持续发展战略1.1.1中国的能源结构与储备1、中国的能源结构中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人均水平的1/10。煤多油少是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后20年，甚至到本世纪中叶，我以煤为主的能源结构将不会改变。在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成环境污染严重、效率低下、浪费惊人。2、中国的资源和能源储备•我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用效率的低下。我国能源利用效率仅为30%左右。•中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结构矛盾的表现。•煤电油供需矛盾相当突出。•建立高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）（美国数据为2001年）中国能源产消现状年份占能源消费总量的比重/%煤炭石油天然气水电、核电、风电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中国一次能源消费结构“十五”以来中国能源消费增长情况1.1.2中国的可持续发展战略l980～2000年期间，中国能源发展成就巨大：•实现了GDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。•是能源利用效率大幅度提高。•是取得了相当大的环境效益。这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。在2006年初，我国正式颁布了《可再生能源法》，即将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热——电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。风力发电水力发电燃料电池汽车奥体中心光伏发电项目1.2能源的分类与基本特征1.2.1能源的分类1、能源能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星的运行。2、能源的分类“世界能源理事会(WorldEnergyCouncil–WEC)”推荐的能源分类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。1.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。一次能源可再生能源非再生能源可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等；是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初级资源。包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。二次能源:是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“合能体能源”。过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。如：电能如：柴油、汽油•终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。•常规能源又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。•商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5种。•非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的能源供应中占有很大比重。1.2.3新能源及主要特征新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。包含两方面：新能源体系：可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热能、氢能、核能新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术“新”与“旧”的区别“新”与传统的“旧”能源利用方式和能源系统相对立。“旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率；只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。“新”：①高效利用能源；②资源综合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤节能。1.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源国际分布式能源联盟（WADE）对“分布式能源”给出的定义是：发电系统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：①高效的利用发电产生的废能生产热和电；②现场端的可再生能源系统；③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主要形式；“燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。高效燃料电池微型燃气轮机2、分布式能源主要特征•(1)高效性•(2)环保性•(3)能源利用的多样性•(4)调峰作用•(5)安全性和可靠性•(6)减少国家输配电投资•(7)解决边远地区供电1.3新能源发电――能源转换的重要形式1.3.1新能源发电技术的应用风力发电风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为发达国家风电发展的主要形式。目前研发重点主要集中在大型风力发电场与现有电网联网；继续开发可靠的风力预报方法；开展与风能开发相配套的生态影响研究；发展海上风力发电等。太阳能发电美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界范围内已建成多个MW级的联网光伏电站。美国最大太阳能发电项目——“太阳能之星”燃料电池发电燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。燃料电池发电系统燃料电池汽车生物质发电全球每年植物所固定的生物质能相当于10.2万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（87亿吨标准煤）1172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的生物质能总量约合7亿吨标准煤，但目前开发极少。生物质发电示意图秸秆发电厂核能发电又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。俄罗斯悬浮核能发电厂核能发电厂水蒸气燃气发电根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。距尼日利亚拉各斯70余公里的帕帕兰多燃气电站一角。帕帕兰多燃气电站的8台燃气机组都是由中国制造。总装机容量为33.6万千瓦。其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。地热能发电海洋能—潮汐发电站1.3.2我国新能源发电的现状•太阳能发电——我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%～14%。已建成1座光伏电站，总容量约40MW。•风能发电——到2005年底，我国独立风电装置有10多万台，总容量20MW左右，80%以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的1.5MW风力发电机组已经投入运行。•地热能发电——地热能我国地热发电站总装机容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。•生物质能发电——生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约800MW。•燃料电池发电——燃料电池自上世纪90年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。•小水利发电——由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮。•核能发电——预计，中国计划2020年核能发电能力将由目前的约8kMW增加到40kMW，投资金额高达300亿美元。开发时序预期为：2000－2020年重点开发先进核反应堆技术；2020－2030年重点开发快中子堆技术；2030－2040年重点开发加速器驱动亚1临界系统；2040－2050年重点开发受控核聚变技术。1.3.3新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.3.3.1太阳能光伏发电及其电源变换系统光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。1、光伏发电系统结构典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成。太阳能电池阵列蓄电池组控制器电力电子负载－＋变换器（1）光伏阵列实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.图1-1光伏发电系统组成（2）蓄电池组作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳能电池阵列――蓄电池组的充电、蓄电池组――负载的放电）双向变换控制。（3）电力电子变换器电力电子变换器实现DC－AC或DC－DC电能变换，是光伏发电系统的关键部分。直流变换器——将直流电源变换为不同电压等级的直流电源交流变换器——将直流电源逆变成交流电源变换器（4）控制器光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。功能包括：太阳能最大功率点控制（MPPT）蓄电池充放电控制光伏直流输电升降压变换控制逆变器控制等（5）负载终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。负载直流负载——由直流电源供电交流负载——由交流电源供电2、光伏发电系统的分类按电力系统终端供电模式分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。（1）独立光伏发电系统——独立用户安装的为自身供电的小型光伏发电系统用户光伏发电系统独立光伏发电站。一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。太阳能电池阵列蓄电池组控制器DC/AC交流负载直流负载－＋逆变器图1-2户用光伏发电系统（2）光伏并网系统由太阳能