新能源技术-第一章--概述)

本书主要内容第1章能源概论第2章风力发电第3章太阳能发电第4章核电第5章小水力发电第6章氢能和燃料电池发电第7章生物质能发电第8章地热能发电第1章能源概论1.1能源的分类与基本特征1.2能源储备与可持续发展战略1.3新能源发电的意义1.4新能源发电――能源转换的重要形式本章主要内容1.1能源的分类与基本特征能：物体做功的本领，力与力方向上的位移;能量：能的数量，1焦耳=1牛顿米;能源：自然界中能够提供能量的资源。作为能源的三个要素：有效性,能提供大量的能量;技术上可行，经济上合理;对环境影响小1.1.1能源的分类按来源分：1）来自太阳的能量包括直接辐射和间接辐射间接辐射包括风能、水能、生物质能和化石燃料能等2）地热能地球内部的热能其总量是全部煤炭能量的1.7×108倍3）核能包括核裂变和核聚变能核材料包括铀、钍、氢的同位素等可控核聚变的实现将彻底解决人类的能源问题4）太阳、月球引力产生的能潮汐能按能源的利用层次分：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，如煤炭、原油、天然气、油页岩、太阳能、水力、风力、海洋能、生物质能等。二次能源：指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品，如电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、酒精、沼气、氢气和焦炭等。二次能源含能体能源过程性能源包含着能量的物质或实体，如汽油、柴油、酒精、沼气、地热水等。随着物质运动而产生、并且仅以运动过程的形式而存在的能源，如电能。两种能源不能互相替代，各有自己的应用范围。电能可从各种一次能源中生产出来，而柴油、汽油的生产几乎完全依靠化石燃料能源。随着化石燃料的消耗，终有一天将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。按人类利用能源的成熟度分：常规能源:已经大规模开采和广泛利用的能源，有煤炭、石油、天然气、水力等能源。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。按可再生与否分：可再生能源:是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初级资源，如太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等。不可再生能源：不能再生的，用掉一点，便少一点，总有一天会枯竭，如原煤、原油、天然气、油页岩、核能等。按环保角度分：清洁能源:对环境污染小，如太阳能、水能、海洋能、氢能等。非清洁能源：对环境有较大污染，如化石燃料、核燃料等。按是否作为商品分：商品能源：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。燃料的计量单位标准煤热值23.9MJ/kg（7000kcal/kg）原煤平均热值5000kcal/kg，换算系数0.714原油平均热值10000kcal/kg，换算系数1.429天然气平均热值9310kcal/kg，换算系数1.33石油计量：吨，桶一桶原油约140-150kg1吨=7桶1.1.2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；1.1.3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。分布式发电是相对于集中发电的。分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低于30MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式发电装置（DistributedGeneration），指功率为数千瓦至50MW的小型模块式的，与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和用户的特定要求，如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等。分布式发电主要利用可再生能源但不一定。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1.2能源储备与可持续发展战略1.2.1地球上能源储存情况石油2011年底全球探明储量为2343亿吨，年消费量40.59亿吨，储产比54.2。21世纪后，石油时代结束。天然气2011年底全球探明储量2.084×1014立方米，年消费量3.223×1012立方米，储产比63.6。煤炭2011年底全球探明储量8.6×1011吨，年消费量7.45×109吨，储产比112年。铀2006年国际原子能机构在公布的一份报告中指出，全球铀的总储藏量约为3500万吨，预计可用85年。水电储量44亿kW，可开发22.6亿kW。太阳能能量密度800～1350W/m2，每秒钟辐射到地球上的总能量相当于550万吨标准煤。1.2.2中国的能源结构与储备煤炭2011年底探明储量1.145×1011亿吨，世界第三，占全球探明储量的13.3%，储产比33；年消费量3.68×109吨，占全球总消费量的49.4%，但人均煤消费量以2006年为例，仅为美国的47.9%。石油2011年底探明储量20亿吨，占全球探明储量的0.9%，储产比9.9；年消费量4.618×108吨，占全球总消费量的11.4%。自1993年我国成为石油净进口国之后，我国石油对外依存度从1995年的7.6%增加到2005年的42.9%，2010年已超过55%，预计到2020年石油对外依存度将达到60%。天然气2011年底探明储量3.1×1012立方米，占全球探明储量的1.5%，储产比29.8；年消费量1.307×1011立方米，占全球总消费量的4%。水电据2001～2004年普查结果，中国水能资源理论蕴藏量6.89亿KW，技术可开发量4.93kW，经济可开发量3.95亿kW，世界第一，占世界总量16.7%，但人均只有0.29kW。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，我国以煤为主的能源结构将不会改变。名次国家和地区石油探明储量/万吨国家和地区天然气探明储量/亿立米国家和地区石油产量/万吨1沙特阿拉伯3538216俄罗斯475440俄罗斯447502加拿大2438832伊朗266020沙特阿拉伯437503伊朗1715912卡塔尔257530美国270004伊拉克1568600沙特阿拉伯66364伊朗197005科威特1350360阿联酋60024中国174706阿联酋1333992美国534997委内瑞拉1053363尼日利亚498088俄罗斯818400阿尔及利亚454229利比亚531960委内瑞拉4273310尼日利亚480878伊拉克3113011美国298593印度尼西亚2555512中国248930马来西亚2122513挪威2083614土库曼斯坦2009315乌兹别克斯坦1873516哈萨克斯坦1839517荷兰1754618埃及1656019加拿大160182021科威特中国1556515091中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）（美国数据为2001年）在我国能源生产与消费中，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。世界中国日本德国法国美国2001年94341041.4512.8338.8258.42259.72006年11048.41831.9527.6324.4259.22332.72011年12274.62613.2477.6306.4242.92269.3各国一次能源消费量（百万吨油当量）世界人口6915100000人（2011年美国人口普查局）1.78吨油当量美国人口311253000人（2011年美国人口普查局）7.29吨油当量中国人口1339724852人（中国国家统计局2010年数据）1.95吨油当量日本人口126000000人（日本总务省人口动态调查结果2013）3.79吨油当量国家GDP总量/亿美元总耗能/万吨标准煤每吨标煤产出值/美元1亿美元GDP耗能/万吨标煤能耗强度(中国100)中外能耗强度比中国1158713491485911.64100德国185514795836682.59224.49印度47964488710689.36801.24日本414697354456631.77156.58俄罗斯31009124534029.432520.40美国10082232156431353.19273.65澳大利亚35811608632264.49392.59巴西50402492920224.95432.352001年主要国家单位GDP能耗比较中国能源产消现状煤炭资源主要储存在华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要储存在东、中、西部地区和海域。而我国主要能源消费区集中在东南沿海经济发达地区，资源储存与能源消费地域存在明显差别。1.3新能源的意义支撑20世纪人类文明高速发展的以石油、煤炭和天然气为主的石化能源出现了前所未有的危机，除其储藏量不断减少外，更严重的是化石能源在使用后产生的二氧化碳气体作为温室效应气体排放到大气中后，人为地导致了全球变暖，引发了人们对未来社会发展动力来源的广泛关注和思考。不少国家的能源战略都有一个明显的政策导向—鼓励开发新能源，这既是国际市场上石油等传统能源产品价格高昂压力所致,也是人类可持续发展的客观需要。因此，新能源开发有可能成为未来最重要的经济增长引擎，成为最有创造就业和财富能力的新经济支柱。1.3新能源的意义我国是能源消费大国，常规能源储备相对不足，对进口依赖度大，国际能源市场的波动对国内生产和人民生活影响很大，发展新能源可以实现能源的多元化减轻进口的压力。此外新能源最直接的好处是可以大大减轻对环境的污染，实现可持续发展。。不同能源的CO2排放量不同能源的氮氧化物排放量不同能源的SO2排放量纪录片《格陵兰的警告》1.4新能源发电――能源转换的重要形式1.4.1新能源发电形式风力发电利用风力发电机将风能转换为电能的发电形式。目前，风力发电建设投资已低于核电投资，建设周期短，其成本与煤电成本接近，具有很大的竞争潜力。太阳能发电光伏发电:利用太阳能电池将光能转化为电能，效率约25%，一般10%左右，难以大规模发电，在少量的电量需求、独立式光电系统以及建筑一体的光电组成系统上具有优势。热发电:光能—热能—机械能—电能，热效率0.5%～30%，更适合运行在南方大型的系统工程上实现大规模发电。太阳能设施建造成本太高，光伏发电系统平均为5000欧元／kW，太阳能供热系统平均为2500欧元／kW，因此与化石能源相比，短期内还缺乏竞争力。核能发电核能—热能—机械能—电能，效率低于常规火电厂。核能又称原子能，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。燃料电池发电化学能—电能，效率70%-80%。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。氢能作为有望替代石