新能源发电与控制技术

新能源发电与控制技术第一章导论第二章光伏发电及其最大功率点跟踪技术第三章光伏蓄电池与光伏控制器第四章风力发电技术第五章风力发电机组的控制技术第六章生物质能发电与控制第七章海洋能发电与控制第八章地热能发电与应用技术第九章储能技术第1章新能源发电与控制技术导论1.1能源结构与能源储备1.2能源的分类与新能源特点1.3新能源发电技术1.4发展新能源的意义1.1能源结构与能源储备1.1.1我国能源结构现状随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,我国能源消费总量也迅速增加,主要表现在两方面:首先,我国年人均能源消费量逐年增加,导致一次能源消费总量的快速增加;其次,石油、天然气等在所有一次能源消费中所占比重将越来越大。然而由于我国人均常规能源资源的相对不足,尤其是石油和天然气等一次能源的对外依赖性过大,以及电力供应的全年性缺乏,已经成为我国经济、社会可持续发展的一个限制性因素。如果无法妥善解决这些问题,我国将面临着相当严峻的能源形势。煤炭是我国最主要的能源形式,近几年来我国煤炭生产和消费都有了明显的上升。2013年底,我国仅排在全球煤炭储量的第三位。与我国煤炭的生产量全球第一及储量全球第三的地位形成鲜明对比的是我国煤炭的储采比,2013年底我国煤炭的储采比只有31，我国的已探明煤炭储量只能持续生产31年。综上所述,虽然我国煤炭的产量目前居世界第一,储量居世界第三,但是我国煤炭产业存在严重的过度开采,相对于发达国家,我国煤炭产业不具备可持续发展的能力。因此,我国未来必须寻找适当的能源形式来代替煤炭作为我国第一能源的地位和作用,以保证我国能源经济的可持续发展。石油消费量占全国能源消费总量的20.0%。虽然石油产量和消费量都远远低于煤炭,但石油仍然是我国第二大能源形式,对于我国经济发展是至关重要的。从储量上看,我国石油储量远远低于我国煤炭的储量。2013年底,我国石油储量为181亿桶,仅占全球石油总储量的1.1%,石油储量非常缺乏。然而在我国石油储量相对贫乏的情况下,我国的石油生产量是很大的,在我国石油过度开发的情况下,我国石油未来的开发潜力极其有限,未来面临石油资源枯竭的可能性。天然气是我国第三大化石能源,但是储量同样贫乏。2013年底,我国天然气储量为33000亿立方米,占全球天然气总储量的1.8%,居全球第13位。而我国天然气开发还处于早期阶段,这说明如果未来不断探明新的天然气储量,则我国天然气的开采年限还会不断延长。1.1.2我国的能源资源消费现状能源是一个国家经济增长和社会发展的基础资源。我国改革开放以来,经济增长迅速,随着经济的快速增长,能源消费量也有了显著的增长。一个国家的能源消费量受到该国能源供给量和环境保护两个方面的约束。首先,从能源供给方面看,能源消费量取决于能源供给量。我国能源供给量虽然持续增长,但能源供给量的增长已经无法满足经济增长对于能源的需求,能源进口量持续增长,能源对外依存度逐年增长。其次,能源消费量增加必然对环境造成负面影响。随着我国能源消费量的不断增加,我国的二氧化碳排放量已经于2003年超过欧盟并于2006年超过美国成为目前全球最大的二氧化碳排放国。我国目前正处在工业化和城镇化的中期阶段,面临经济增长的压力,而经济增长必然增加我国能源消费量,从而造成能源消费量过大,消费增长速度过快,而这已经在一定程度上超出了我国的资源负载能力和环境承受能力。控制我国能源消费量增长速度,提高我国能源消费效率已经成为我国未来经济发展和解决环境保护问题的当务之急。1.1.3我国可持续发展战略当前,全球气候变暖和能源供应安全已成为世界各国共同关注的重大战略问题,成为国际经济、社会、政治、外交、安全等领域的重要话题。随着我国经济的快速持续增长,能源资源环境也已成为影响未来发展的严重制约因素。在这一新形势下,大力开发利用可再生能源不仅是世界能源发展的必然趋势,也是我国能源战略和可持续发展战略的必然选择。在我国应对全球气候变化的国家行动方案中,以及实施节能减排的工作方案中,都已把加快可再生能源发展列为一项重大举措，前不久,我国公布了《可再生能源中长期发展规划》。新能源技术及其产业将成为带动我国未来产业结构调整和经济结构调整的非常重要的新兴产业。中央和各级地方财政根据《可再生能源法》的要求,设立可再生能源发展专项资金。国家运用税收政策对可再生能源发展予以支持。增加国家财政对可再生能源领域的研发投入,鼓励科技创新,加强人才培养,支持产学研合作,开展可再生能源的科学研究、技术开发和产业化,完善保护知识产权的法制环境,全面提高可再生能源技术创新能力和服务水平。1.2能源的分类与新能源特点1.2.1能源的分类能源也称能量资源或能源资源,是指可产生各种能量(如热量、电能、光能和机械能等)或可做功的物质的统称。按其来源可分为:(1)来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)(2)地球本身蕴藏的能量。(3)地球和其他天体相互作用而产生的能量,如潮汐能。1.2.2新能源特点新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源,新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。同时,由于很多新能源分布均匀,对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。新能源技术的关键是针对传统能源利用方式的先进性和替代性,主要包含: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。1.3新能源发电技术1.3.1新能源发电技术的应用1.风力发电地球风能约为2.74×109MW,可利用风能为,是地球2×107MW水能的10倍。只要利用上地球1%的风能就能满足全球能源的需要。风力发电是目前新能源开发技术最成熟,最有规模化商业开发前景的发电方式,也是世界上增长最快的新能源,在新能源发电装机容量中位居第一。2.太阳能发电太阳能发电系统(也称光伏发电系统)由光伏电池组、光伏控制器、蓄电池(组)组成。太阳能发电的基本原理是利用光电效应,在阳光照到太阳能板上时直接产生光生电流。光伏电池是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。电池的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。3.燃料电池发电燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。其单体电池是由正负2个电极(负极即燃料电极,正极即氧化剂电极)及电解质组成。燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护及成本低的特点。随着燃料电池的商业化推广,市场前景十分广阔。人们预测,燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第4代发电方式,它将引发21世纪新能源与环境保护的绿色革命。4.生物质能发电生物质能是指所有可以作为能源使用的源于植物的物质。其在本质上是来源于太阳能,即为太阳能的有机储存。5.潮汐发电潮汐发电是利用潮水涨、落产生的水位差具有的势能发电,也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能,再把机械能转变为电能发电的过程。6.地热发电地球是一个巨大的热仓库,其内部的热能通过热水、蒸汽、干热等形式,源源不断地涌出地表,为人类提供丰富而廉价的能源。地热发电是利用超过沸点的中、高温地热(蒸汽)直接进入并推动汽轮机,带动发电机发电,或者通过热交换利用地热来加热某种低沸点的工作流体,使之变成蒸气,然后进入并推动汽轮机,带动发电机发电。7.核能发电核能的利用在世界的能源结构中占有重要地位,而铀又有着比可再生能源高得多的利用价值。1.3.2储能技术的应用1.蓄电池蓄电池组来提高容量,优点是成本低,缺点是电池寿命较短。2.抽水储能电站3.超导储能4.飞轮储能5.超级电容器储能6.氢储能1.3.3我国新能源的发展我国是全球风电发展速度最快的国家。2007年,新增风电机组3155台,新增装机容量330万kW,占全球总装机容量的16.8%,仅次于美国和西班牙。我国的光伏电池制造水平比较先进,实验室效率已经达到21%,一般商业电池效率为10%~14%。生物质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,总装机容量约为800MW。我国沿海已建成9座小型潮汐电站,1980年建成的江厦潮汐电站是我国第一座双向潮汐电站,也是目前世界上较大的一座双向潮汐电站,其总装机容量为3200kW,年发电量为1070万kWh。我国地热发电研究在新中国成立后开始,于1970年,中国科学院在广东省丰顺县汤坑镇邓屋村建起了发电量为60kW的地热发电站。这是我国第一座地热试验发电站。1.4发展新能源的意义大力发展新能源,不管是从节能减排,还是从发展低碳经济改善我国现有能源结构及保护生态环境,促进经济社会可持续发展等方面,都具有重要的战略意义。发展新能源可促进国内碳排放交易市场发展,改善碳排放交易市场机制,为节能减排提供良好平台。发展新能源能进一步完善我国清洁能源,能够促进低碳技术发展,为发展低碳经济打下坚实基础。发展新能源能改变我国单一的能源构成形式,对于构建新的能源体系,摆脱传统化石能源的束缚具有重要意义。我国具有发展新能源丰富的资源条件和工业基础。在国家大力支持下,新能源产业呈现良好的发展势头,但是,由于技术、体制、政策等方面原因,新能源还有很长的路要走,未来新能源的发展将是一条充满机遇和挑战之路。因此,要在优化能源结构,吸收消化国外先进技术,制定一系列利好新能源发展政策等方面加大力度,促进新能源产业又好又快发展。第2章光伏发电及其最大功率点跟踪技术2.1太阳的辐射及太阳能利用2.2光伏电池基础知识2.3光伏电池发电原理2.4最大功率点跟踪技术2.5基于采样数据的直接MPPT控制法2.6MPPT控制方法的实际应用2.7基于物理跟踪的光伏发电系统MPPT2.1太阳的辐射及太阳能利用1.太阳的活动及辐射实际到达地面的太阳辐射通常由直接辐射和漫射辐射两部分组成。直接辐射是指直接来自太阳,其辐射方向不发生改变的辐射。漫射辐射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射,它由三部分组成:太阳周围的散射、地平圈散射及其他的天空散射辐射。非水平面接收来自地面的辐射称为反射辐射。直接辐射、漫射辐射和反射辐射的总和称为总辐射。太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角,它有日变化和年变化。“大气质量”m=O'A/OA=1/sinh太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关,如图所示。其中h为太阳的高度角。地球上的能流(单位为×106MW)2.1.2太阳能的转换与利用1.太阳能的采集集热器按是否聚光,可以划分为聚光集热器和非聚光集热器两大类。非聚光集热器(平板集热器、真空管集热器)能够利用太阳辐射中的直射辐射和散射辐射,集热温度较低;聚光集热器能将阳光汇聚在面积较小的吸热面上,可获得较高温度,但只能利用直射辐射,且需要跟踪太阳。2.太阳能的转换原则上,太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量,但转换次数越多,最终太阳能转换的效率便越低。太阳能的转换主要有：(1)太阳能—热能转换。(2)太阳能—电能转换。(3)太阳能—氢能转换。(4)太阳能—生物质能转换(5)太阳能—机械能转换。3.太阳能的储存太阳能无法直接储存,必须转换成其他形式的能量储存。(1)热能储存。利用材料的显热储能，材料相变时放出和吸入的潜热储能以及化学反应储热。(2)电能储存。(3)氢能储存。(4)机械能储存。目前最受人关注的是飞轮储能。4.太阳能的传输应用光学原理,通过光的反射和折射将太阳能直接传输,或者将太阳能转换成其他形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离,基本上有三种方法:采用反射镜及其他光学元件组合;通过光导纤维,可以将入射在其一端的阳光传输到另一端;采用表面镀有高反射涂层的光导管。间接传输适用于各种不同距离,是将太阳能转换成其他能量后进行传输，如热能、氢能、电能等。5.太阳能的利用(1)太阳辐射的热能利用。太阳能热水器是光热利用最成功的领域。(2)太阳能光热利用。如太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消