新能源发电技术.pdf

“十三五”国家重点出版物出版规划项目能源革命与绿色发展丛书普通高等教育“十三五”规划教材新能源发电技术于立军 周耀东 张峰源 编著机 械 工 业 出 版 社本书为“十三五”国家重点出版物出版规划项目。本书采用逻辑清晰的层次结构，全面系统地讲述了新能源发电利用的主流技术手段及其相关专业基础知识，其主要内容包括能源、环境、温室气体核算，核能利用，风力发电，太阳能发电，生物质能利用，地热发电，海洋能发电以及燃料电池技术，并对其基础知识、工作原理、系统构成以及关键设备等进行了细致的描述。本书知识结构完整，语言简明，基础难点及知识点把握得当，为读者提供了良好的学习体验。本书为能源动力类相关专业本科生和研究生教材，也可为从事新能源和节能环保工作的相关人士提供参考。图书在版编目（CIP）数据新能源发电技术/于立军等编著.北京：机械工业出版社，2018.6（能源革命与绿色发展丛书）“十三五”国家重点出版物出版规划项目 普通高等教育“十三五”规划教材ISBN 978-7-111-60061-9.新.于.新能源-发电-高等学校-教材.TM61中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 112173 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：蔡开颖 责任编辑：蔡开颖 陈文龙 王小东责任校对：王明欣 封面设计：张 静责任印制：张 博三河市宏达印刷有限公司印刷2018 年 9 月第 1 版第 1 次印刷184mm260mm15.75 印张385 千字标准书号：ISBN 978-7-111-60061-9定价：42.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务服务咨询热线：010-88379833读者购书热线：010-88379649封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网：机 工 官 博： 言 长期以来，人类社会一直依赖煤炭、石油以及天然气等化石能源，但由此引发的环境问题不仅影响到人类的生存与健康，而且长期大量排放的二氧化碳等温室气体还会加剧温室效应。我国既是人口第一大国，又是一个工业大国，其对能源的需求远高于其他国家。虽然我国总的能源储量在世界上位于前列，但由于人口众多，人均能源占有量不及世界人均的50%，能源与环境问题更加突出。2016 年我国全年的能源消费总量已超过 43 亿 t 标准煤，可以说能源是我国发展的重要瓶颈之一，利用新能源进行补充或部分替代化石能源变得尤为重要。在我国，新能源发电技术已经受到了广泛关注。经过近 20 年的发展，风力发电和太阳能光伏发电等新能源利用技术已具备相当的规模效应，其发电成本也可以向常规能源发起挑战。相信在不远的将来，新能源发电技术将凭借它特有的优势，在发电市场占据举足轻重的地位，成为国家经济发展不可或缺的助推器。因此面对庞大的市场需求，相关人才的培养就变得十分迫切，这方面人才不仅包括能源动力类相关专业的在校大学生，还包括从事新能源和节能环保工作的相关人士。本书由于立军、周耀东、张峰源编著，具体分工为：第 1、3、7、8 章于立军，第 2、6章周耀东，第 4、5 章张峰源，全书由于立军统稿。编写过程中得到了郑培、吴元旦、王春平、游盛水、张嘉琁、曹晟和侯胜亚的大力帮助。另外，本书在近些年的试用过程中，先后收到上海交通大学赵晨、王博源、于一笑、刘厚志、陈宇文、张和坤、朱泽煜、马昭、蒋志远、吴一飞、于浩、吕钊、张曜和欧政熠等 300 多位本科生的完善建议或试用反馈，这里向他们表示感谢！由于编者水平所限，书中不当之处敬请读者批评指正！于立军目 录 前言第 1 章 绪 论1 1.1 能源问题1 1.2 环境问题9 1.3 温室气体的排放和核算13 1.4 新能源发电技术20 思考题与习题25第 2 章 核能利用26 2.1 核反应堆的物理基础26 2.2 核反应堆的热工分析38 2.3 核反应堆的动力回路41 2.4 核电站的安全基础51 2.5 可控核聚变及其未来的利用方式60 思考题与习题66第 3 章 风力发电68 3.1 风资源与风能利用基础68 3.2 风力发电机组的构成80 3.3 储能电池86 3.4 智能电网96 思考题与习题104第 4 章 太阳能发电105 4.1 太阳能的利用基础与利用方式105 4.2 太阳能集热器115 4.3 太阳能光热发电技术119 4.4 太阳能光伏发电技术125 思考题与习题132第 5 章 生物质能利用133 5.1 生物质能的利用基础133 5.2 生物质气化技术137 5.3 生物质液化技术147 5.4 生物质能发电技术152 思考题与习题156第 6 章 地热发电157 6.1 地热资源的种类157 6.2 地热资源的获取方式162 6.3 蒸汽型地热发电技术166 6.4 闪蒸型地热发电技术170 6.5 双循环地热发电技术174 思考题与习题181第 7 章 海洋能发电182 7.1 潮汐能蓄能发电技术182 7.2 波浪能发电技术191 7.3 海流能发电技术204 7.4 海洋温差能发电技术210 思考题与习题218第 8 章 燃料电池技术219 8.1 燃料电池的工作原理及输出性能219 8.2 燃料电池的技术分类226 8.3 燃料电池发电系统233 8.4 燃料电池联合循环发电240 思考题与习题242参考文献244第 1 章绪 论1 能源及能源所引发的环境问题已经受到全世界的广泛重视，很多国家都在努力尝试重新构筑能源安全与环境保护之间的新型平衡关系。随着能源利用技术的不断进步和居民对生态环境的日趋重视，人们更有信心建立一个广泛依靠新能源的电力生产方式，在满足社会用电需求的同时，还能解决当前遇到的环境问题。1.1 能源问题 能源是能量物质或能量资源的统称，它是自然界中可为人类提供某种能量（如电能、热能、光能等）的各类能量物质，或者是可以做功的各种能量资源。举例来说，煤炭、石油、天然气这些能源都能够为人类的活动提供能量，所以它们都属于能源。这三种能源是由埋在地下的动植物经过千百万年的地质演变而成的，和化石的形成一样，所以都被称为化石能源。化石能源常以固态、液态或气态的形式存在于地球内部，可以通过一些技术手段进行开采和利用。能源是人类活动的物质基础，人们常常通过某种特定的技术，使化石能源转变为人类所需要的电能、机械能或冷热能量，应用在人类活动的方方面面，以满足人类对能源的需求。能源在现代工业生产中占有重要地位，任何生产环节都直接或间接依赖能源；现代化的交通运输更离不了能源，火车、汽车、飞机和轮船都是以强大的能源工业作为基础的。人类社会的发展离不开品质优良的能源和先进的能源技术。能源是人类赖以生存的基本保障，是奠定人类社会的重要基础，同时也是推动世界发展和社会进步的驱动力，其重要意义不言而喻。另外，能源问题也一直是全球的热点话题。在当今世界，能源安全、能源与环境是全世界、全人类共同关心的热点问题，如何解决能源问题是一个国家社会经济发展的重要课题。1.1.1 能源分类能源的种类有很多，例如煤炭、石油、天然气、生物质能以及核能等，这些都是人们所2 熟知的能源。此外，大自然中的风、太阳辐射、潮汐、地震等也蕴含着巨大的能量。能源有多种分类方法，根据不同的划定方式，可以从多角度对能源进行分类。1.一次能源和二次能源最常用的是按其形成和来源进行分类，我们可以将能源分成一次能源和二次能源。所谓一次能源，是指以现存形式存在于自然界，而不改变其基本形态的天然能源，例如柴草、煤炭、原油、天然气、核燃料、水能、风能、太阳能、地热能以及海洋能等。一次能源又可以分为地球以外的、地球内部的、地球与其他天体相互作用的三类。二次能源是指需要经过加工转换过程，从一次能源直接或间接转化来的能源，例如蒸汽、焦炭、洗精煤、煤气、电力、汽油、煤油、柴油、氢能等。二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，使用时更方便、更清洁。2.常规能源和新能源按能源的开发及利用状况进行分类，能源可以分成常规能源和新能源。常规能源又称作传统能源，是指已经大规模生产和广泛利用的能源，如煤炭、石油、天然气等。新能源是相对于常规能源而言的，要比常规能源所受关注度更高。所谓新能源，是指在新技术基础上，能够开发与利用的能源。与常规能源相比较，新能源使用量较小，尚未形成较大的应用规模，一般还处在研究或小型应用阶段，例如核能、太阳能、风能、海洋能、地热能、氢能、水能等。这里需要指出的是，常规能源与新能源的划分并无严格界限，会随着时间推移或地区不同而发生一定的变化。例如核能，在 20 世纪 50 年代核能刚开始应用时，它被认为是一种新能源；而到了 20 世纪 80 年代，一些发达国家已经把它列为常规能源了。3.可再生能源与不可再生能源按照能源是否能再生又可以将能源分为可再生能源和不可再生能源，这是对一次能源的再一次分类。可再生能源就是指在生态循环中能不断再生的能源，它不会随着本身的转化或人类的利用而减少，具有天然的自我恢复功能，例如风能、水能、海洋能、地热能、太阳能以及生物质能等。矿物燃料和核燃料则难以再生，它们会随着人类的使用而越来越少，因而被称为不可再生能源。4.其他分类方法能源还可以分为商品能源和非商品能源。商品能源是指能够进入能源市场作为商品销售的能源，例如煤炭、石油、天然气和电能等（国际上的能源统计均限于商品能源）。非商品能源主要指柴薪和农作物残余。另外，能源还可以分为燃料能源和非燃料能源。燃料能源是指可用于直接燃烧发出能量的物质，例如煤、石油、天然气、柴草等。非燃料能源是指不可用于直接燃烧的能源，例如水能、风能、电能等。1.1.2 能源发展过程1.能源发展过程综述能源作为人类社会与经济持续发展的重要物质基础，它的发展与人类社会的发展密切相关。因此，能源技术发展的过程，也是人类文明和社会进步的发展历程。人类利用能源大致经历了以柴薪、煤炭、石油作为主要能源的三个阶段。3 在远古时代，早期人类发现了火，掌握了火的使用技术，开始了以柴薪作为主要能源的时代，这一阶段一直持续到了 18 世纪。生活在这一阶段的人类主要把柴薪作为主要燃料。随后在 18 世纪，由于第一次工业革命的爆发，英国发明了蒸汽机、纺织机等工业机器，并开始大规模代替人力，柴薪已经不能满足人们对能源的巨大需求，煤炭作为柴薪的替代品开始崭露头角，逐渐成为世界第一大主导能源。19 世纪 70 年代以来，科学技术突飞猛进，各种新技术迅速应用于工业生产中，尤其是电力的广泛应用和内燃机的发明，使人类由蒸汽时代迈入电气时代，被称为第二次工业革命。伴随着一系列新技术的出现，汽车工业、电力工业、化学工业、通信技术得以迅速发展，石油和天然气工业也在这一时期迅速崛起，并以其更高热值、更易运输、更低污染的特点，于 20 世纪 60 年代取代了煤炭的主导能源地位，世界能源结构又一次发生改变。此外，随着科学技术的进步，各类新能源开始投入运用。随着能源效率的不断提高，全球能源消费增速变缓。根据 2017 年 BP 世界能源统计，2016 年一次能源消费仅增长 1%，几乎只有过去十年平均增长率的一半。化石燃料所释放的能量在一次能源供应中约占 85.5%，其中石油占 33.3%，煤炭占 28.1%，天然气占 24.1%。非化石能源中，核能占 4.5%，水能占 6.8%，太阳能、风能、地热能等可再生能源仅占 3.2%。12.常规能源常规能源主要有煤炭、石油及天然气等，是人类历史上应用最多的能源。下面简要介绍煤炭、石油及天然气的发展历程。（1）煤炭的发展 煤炭利用有着悠久的历史，我国是世界上最早利用煤炭作为能源的国家，早在汉代就将煤炭作为燃料，要比欧洲早 1000 多年。但是，煤炭作为主要能源却花了很长时间。在第一次工业革命之前，由于人类的生产技术比较落后（主要集中在手工业上），所以对能源的需求不是很强烈，仅仅使用柴薪这样的低热值能源就可以满足人类生产生活的需求。但是，第一次工业革命的出现改变了能源的结构。由于蒸汽机的出现，人类对工业能源的需求剧增，需要具备高热值的煤炭提供所需热能，因此煤炭取代之前的柴薪作为人类的第一大