第1講能源概述§1.1.1

資源和能源——資源——在一定時期和地點，在一定條件下具有開發(fā)價值、能夠滿足或提高人類當(dāng)前和未來生存和生活狀況的自然因素和條件，

稱為自然資源，有時簡稱資源?！茉础茉淳褪悄軌蛳蛉祟愄峁┠撤N形式能量的自然資源，通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段可使其為人類生產(chǎn)和生活提供所需的能量。§1.1

能源的概念各種能源均有優(yōu)點，也各有不足。如何進行評價和比較？(1)能流密度即在單位空間或單位面積內(nèi)，能夠從某種能源獲得的功率。§1.1.2

能源的評價(2)開發(fā)費用和設(shè)備造價(3)存儲的可能性與供能的連續(xù)性即能源可以連續(xù)供應(yīng)，需要能量時可以馬上提供，不用時能夠大量存儲。(4)運輸費用與損耗(5)對環(huán)境的影響(6)蘊藏量作為可以長期利用的能源，在地球上的蘊藏量要足夠豐富。此外，能源的地理分布對其開發(fā)利用也有影響。(7)能源品位反映的是能源利用的方便程度。(1)一次能源vs二次能源（按形成條件）§1.2

能源的分類一次能源的來源自然界中一次能源的初始來源，大致有三種情況：①來自地球以外天體（主要是太陽）的能量；②來自地球內(nèi)部的能源；③地球與其他天體相互作用產(chǎn)生的能量。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應(yīng)用狀況）常規(guī)能源是指在當(dāng)前的技術(shù)水平和利用條件下，已被人們廣泛應(yīng)用了較長時間的能源。新能源是指由于技術(shù)、經(jīng)濟或能源品質(zhì)等因素而未能大規(guī)模使用的能源。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應(yīng)用狀況）常規(guī)能源和新能源的分類是相對的，不同歷史時期會變化，這取決于應(yīng)用歷史和使用規(guī)模。(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復(fù)能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內(nèi)無法恢復(fù)），總有枯竭的一天。(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復(fù)能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內(nèi)無法恢復(fù)），總有枯竭的一天。可再生能源，可以循環(huán)使用，能夠有規(guī)律地不斷得到補充，沒有使用期限，也不會因長期使用而減少。(4)含能體能源和過程性能源(按能源存在和轉(zhuǎn)移形式)含能體能源是指包含著能量的物質(zhì)或?qū)嶓w。過程性能源是指隨著物質(zhì)運動而產(chǎn)生、并且僅以運動過程的形式存在的能源。這類能源無法直接儲存和運輸。(5)清潔能源和非清潔能源(按環(huán)境污染程度)清潔能源是指對環(huán)境沒有污染或污染較小的能源，有時也叫綠色能源。非清潔能源是指可能對環(huán)境造成較大污染的能源?！?.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響任何一種能源的開發(fā)利用都會給環(huán)境造成一定的影響。（1）大氣污染化石燃料的利用過程會產(chǎn)生CO、SO2、NOx等有害氣體，不僅能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞，還會直接損害人體健康。§1.3

能源與環(huán)境問題§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（2）溫室效應(yīng)§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（3）酸雨SO2、NOx等污染物，經(jīng)大氣傳輸，在一定條件下形成酸雨?！?.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（4）其它影響若再考慮能源開采、運輸和加工過程中的不良影響，則造成損失將更為嚴重。§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題世界人口從1900年的16億到目前的60多億，凈增加了2倍多，而能源消耗增加了16倍，說明人類對能源的依賴越來越強烈。另一方面，人類大量使用化石燃料，環(huán)境污染日益嚴重，生態(tài)平衡慘遭破壞，直接危及人類的生存和發(fā)展?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問題2019年，全球一次能源消費總量達到583.90EJ(1EJ=1018J)，同比增長1.3%，不到18年增速的一半(2.8%)。詳情參見書。§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題從一次能源消費結(jié)構(gòu)看，石油占全部能源消費總量的33.1%，天然氣占24.2%，煤炭占27.0%，水電占6.4%，核能占4.3%，可再生能源占5.0%。與上年相比，可再生能源比重提高了0.5個百分點，清潔能源比重提高了0.7個百分點至39.9%。詳情參見書?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問題從一次能源消費份額看，2019年，全球一次能源消費總量前三甲依次是中國大陸、美國和印度，分別占全球一次能源總消費量的24.3%、16.2%和5.8%。詳情參見書?？沙掷m(xù)發(fā)展挪威前首相布倫特蘭夫人主持的聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會完成調(diào)查報告《我們共同的未來》，提出了可持續(xù)發(fā)展概念。可持續(xù)發(fā)展就是“滿足當(dāng)代人的需求，又不損害子孫后代滿足其需求能力的發(fā)展”。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第2講太陽能及其利用26太陽是一個發(fā)光發(fā)熱的巨型氣態(tài)星體，直徑大約為139萬km(1.39×109m)，體積約為1.42×1027m3(是地球的130萬倍)，質(zhì)量為1.98×1030kg(大約是地球的33萬倍)，平均密度只有地球密度的1/4?！?.1.1太陽能概述太陽的能量，來自其內(nèi)部進行的熱核反應(yīng)(由4個氫核聚變成1個氦核)。太陽以光輻射的形式，每秒向太空發(fā)射約3.74×1026J的能量，即輻射功率約為3.74×1026W。熱核反應(yīng)方程式為411H→24He+210e§2.1太陽能資源及其分布27地球和太陽的平均距離約為1.5×108km，因距離遙遠，太陽釋放的能量只有22億分之一左右投射到地球上。到達大氣層上界的太陽輻射功率約為1.73×1017W，其中大約30%被大氣層反射回宇宙空間，大約23%被大氣層吸收。能夠投射到地面的太陽輻射功率只有47%左右，約為8.1×1016W。盡管如此，每年到達地球表面的太陽能仍高達1.05×1018kW·h，相當(dāng)于1.3×107億噸標(biāo)準煤，是當(dāng)代全球能耗的上萬倍?！?.1.1太陽能概述28太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候狀況等有關(guān)。全球太陽能平均輻射總量參見教材P9圖2.1。就全球而言，美國西南部、非洲、澳大利亞、中國西藏、中東等地區(qū)的全年太陽總輻射量或日照總時數(shù)最大，為世界太陽能資源最豐富地區(qū)。而且，其中有很多地區(qū)屬于發(fā)展中國家，在這些地方利用太陽能發(fā)電具有很多優(yōu)越性。§2.1.2世界太陽能資源分布29§2.2.2

世界太陽能資源分布太陽能資源的豐富程度一般以單位面積的全年總輻射量和全年日照總時數(shù)來表示。太陽能全年總輻射量難以計算，一般只能根據(jù)實際測量得到。太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候狀況有關(guān)。世界各地太陽能全年總輻射量分布§2.1.2世界太陽能資源分布30美國國家航空航天局(NASA)建有一個包含各地日照數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，其中部分城市的日照數(shù)據(jù)見表排

序地

點日照量/[kW·h/(m2·年)]排

序地

點日照量/[kW·h/(m2·年)]1馬德里17859北京14302悉尼167510紐約13003雅典166511巴黎12204舊金山158012慕尼黑10855曼谷156013阿姆斯特丹9756羅馬153514倫敦9507香港152515漢堡9208東京1460

§2.1.2世界太陽能資源分布31我國位于歐亞大陸東部，陸地占世界陸地面積的1/14，而且大部分處于北溫帶，因此，我國的太陽能資源十分豐富，每年陸地接收的太陽輻射總量約為1.9×1016kW·h，相當(dāng)于2.4萬億噸標(biāo)準煤。國家有關(guān)單位的測量資料表明，全國各地太陽年輻射總量基本都在3340～8400MJ/m2，平均值超過5000MJ/m2(相當(dāng)于170kg/m2標(biāo)準煤的熱量)。而且全國2/3的國土面積年日照時間都超過2200小時?！?.1.3我國太陽能資源分布32按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區(qū)。中，a表示每年（annual）。地區(qū)類型年日照時數(shù)(h/a)年輻射總量(MJ/m2·a)等量熱量所需標(biāo)準燃煤(kg)包括的主要地區(qū)備注

一類

3200-3300

6680-8400

225～285kg寧夏北部，甘肅北部，新疆南部，青海西部，西藏西部太陽能資源最豐富地區(qū)

二類

3000-3200

5852-6680

200～225kg河北西北部，山西北部，內(nèi)蒙南部，寧夏南部，甘肅中部，青海東部，西藏東南部，新疆南部較豐富地區(qū)

三類

2200-3000

5016-5852

170-200kg山東，河南，河北東南部，山西南部，新疆北部，吉林，遼寧，云南，陜西北部，甘肅東南部，廣東南部中等地區(qū)

四類

1400-2200

4180-5016

140-170kg湖南，廣西，江西，浙江，湖北，福建北部，廣東北部，陜西南部，安徽南部較差地區(qū)五類1000-14003344-4180115-140kg四川大部分地區(qū)，貴州最差地區(qū)§2.1.3我國太陽能資源分布33一、二、三類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2000h，輻射總量高于5000MJ/m2·a，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。四川盆地、兩湖地區(qū)、秦巴山地等是太陽能資源低值區(qū)。我國太陽能資源分布，西部高于東部，而且基本上南部低于北部(除西藏、新疆例外)，與通常隨緯度變化的規(guī)律并不一致，緯度小的地區(qū)反而低于緯度大的地區(qū)。這主要是由大氣云量及山脈分布的影響造成的?！?.1.3我國太陽能資源分布34與煤炭、石油、天然氣、核能等常規(guī)能源相比，太陽能具有如下優(yōu)點：（1）儲量豐富。（2）維持長久。（3）分布廣泛。（4）維護方便，運行成本低。（5）清潔，無污染?！?.1.4太陽能資源的特點35太陽的主要缺點表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）能量的分散性（能量密度低）。（2）能量的不穩(wěn)定性。（3）能量的間歇性，不連續(xù)。§2.1.4太陽能資源的特點36§2.2太陽能集熱與發(fā)電§2.2.1集熱器類型（1）平板集熱器吸熱部分主體是涂有黑色吸收涂層的平板。按結(jié)構(gòu)的差別，又分為直曬式平板集熱器和透明蓋板式集熱器。直曬式透明蓋板式37（1）平板集熱器直曬式平板集熱器，受熱面是一個或多個平板，涂有高吸收、低發(fā)射的選擇性涂層，直接讓陽光照射到涂有吸收涂層的平板上，水管等傳熱結(jié)構(gòu)放置在集熱平板的背光一面，通過水循環(huán)將熱量傳遞到水箱中。透明蓋板式集熱器，則是根據(jù)“熱箱原理”設(shè)計的?！盁嵯洹泵嫦蜿柟獾囊幻鏋橥该鞯纳w板，可用玻璃、玻璃鋼或塑料薄膜制作；其它幾面為不透氣的保溫層，并且內(nèi)壁涂黑。太陽光透過透明的蓋板進入箱內(nèi)，就被內(nèi)壁涂層吸收，轉(zhuǎn)換為熱能。熱箱內(nèi)的集熱介質(zhì)可以是空氣，也可以是水。§2.2.1集熱器類型38（2）真空管集熱器如果將透明蓋板式集熱器的集熱板與透明蓋板、側(cè)壁之間抽成真空，同時在結(jié)構(gòu)上做成圓管形狀，就變成了真空管集熱器，。其核心部件是真空管，按照材料來分，有全玻璃真空管和金屬真空管兩類?！?.2.1集熱器類型39（3）聚焦型集熱器聚焦型集熱器采用特定的聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計，將太陽輻射聚集到較小的集熱面上，從而可以獲得很高的能流密度和集熱溫度。點聚焦線聚焦§2.2.1集熱器類型40

太陽能熱水器利用太陽輻射的熱量提供熱水。可節(jié)省電能，是重要的節(jié)能措施之一。太陽能熱利用中，發(fā)展和應(yīng)用最完善?！?.2太陽能集熱與發(fā)電41太陽池若想實現(xiàn)太陽能的連續(xù)供應(yīng)，要在陽光充足時盡量多收集，并將用不完的部分設(shè)法儲存起來，以便在陽光不足的使用。太陽池就是一種集中儲存太陽能的方式，并可作為熱源使用。池水為天然咸水或加入氯化鈉或氯化鎂的鹽水，一般表層為清水，越往深處鹽度越大，底層甚至為飽和狀態(tài)。池底深而黑，光輻射被池底吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，除了池底的有限散熱，基本不會向水池表面散熱。這是因為穩(wěn)定的鹽溶液不能對流，而水本身的導(dǎo)熱性又差，上層水實際上成了厚厚的保溫層。太陽不斷輻射、底層水不斷儲熱，水溫就越來越高。將池底的熱取出，就可以進行各種應(yīng)用，而且這種熱源還比較穩(wěn)定?！?.2太陽能集熱與發(fā)電太陽池示意圖43太陽能發(fā)電是未來太陽能大規(guī)模利用的主要發(fā)展方向。主要方式有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種。太陽能光發(fā)電是指不通過熱過程而直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式?！?.2.2太陽能發(fā)電44§2.3太陽能熱發(fā)電（1）太陽能熱發(fā)電兩種類型：一類是蒸汽熱動力發(fā)電，一類是熱電直接轉(zhuǎn)換?！羝麩釀恿Πl(fā)電，先利用太陽能提供的熱量產(chǎn)生蒸汽，

再利用高溫高壓蒸汽的熱動力驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電?！獰犭娭苯愚D(zhuǎn)換，即利用太陽能提供的熱量直接發(fā)電?！?.3.1太陽能熱發(fā)電方式45通常所說的太陽能熱發(fā)電，就是指太陽能蒸汽熱動力發(fā)電。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理和傳統(tǒng)火力發(fā)電的原理類似，所采用的發(fā)電機組和動力循環(huán)都基本相同。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，由集熱部分、熱傳輸部分、蓄熱與熱交換部分和汽輪發(fā)電部分組成?！?.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成46§2.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成（1）集熱部分定日鏡（聚光系統(tǒng)）的作用是提高功率密度。大規(guī)模發(fā)電，會形成一個龐大的太陽能收集場。一般還配備太陽能跟蹤裝置，保證在有陽光的時段持續(xù)獲得高效的太陽能利用。集熱器的作用是將聚焦后的太陽能輻射吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能提供給工質(zhì)。（2）熱能傳輸部分把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱部分。對于分散型集熱系統(tǒng)，通常要把多個單元集熱器串聯(lián)或并聯(lián)起來組成集熱器方陣。47（3）蓄熱與熱交換部分為保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)定，需要設(shè)置蓄熱裝置。蓄熱分低溫(<100℃)、中溫(100℃~500℃)、高溫(500℃以上)，分別采用水化鹽、導(dǎo)熱油、熔化鹽等作為蓄熱材料。為了適應(yīng)汽輪發(fā)電的需要，傳輸和存儲的熱能還需通過熱交換裝置，轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽。（4）汽輪發(fā)電部分經(jīng)過熱交換形成的高壓高溫蒸汽，可以推動汽輪發(fā)電機工作。汽輪發(fā)電部分，是實現(xiàn)電能供應(yīng)的重要部件，其電能輸出可以是單機供電，也可以采用并網(wǎng)供電?！?.3.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成48較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個龐大的太陽能收集場，來實現(xiàn)聚光功能。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，多采用真空管集熱器。§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型49較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)，往往需要設(shè)計大面積的聚光系統(tǒng)，形成一個龐大的太陽能收集場，來實現(xiàn)聚光功能。也有一些不用聚焦結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，多采用真空管集熱器?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型50槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用槽形拋物面或柱面反射鏡把陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱，在換熱器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電，適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電應(yīng)用。整個槽式系統(tǒng)由多個呈拋物線形彎曲的槽型反射鏡構(gòu)成，有時為了制作方便，各槽式反射鏡采用拋物柱面結(jié)構(gòu)。每個槽式反射鏡都將其接收到的太陽光聚集到處于其截面焦點連線的一個管狀接收器上。示意圖參見教材P16圖2.11?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型51槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由于抗風(fēng)性能最差，目前多處于少風(fēng)或無風(fēng)地區(qū)。我國西北的陽光富足地區(qū)往往多風(fēng)、大風(fēng)甚至沙塵暴頻發(fā)。如果在我國開展示范，必須增強槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，因而成本必然要在國外已有示范基礎(chǔ)上大大增加。此外，太陽能-燃氣聯(lián)合循環(huán)槽式熱發(fā)電系統(tǒng)(簡稱ISCC，又叫一體化太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))

做為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種新興形式，已越來越多的受到國際社會關(guān)注。52線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)線性菲涅爾反射聚光技術(shù)的原理起源于拋物槽式反射聚光技術(shù)。菲涅爾系統(tǒng)用一組平板鏡來取代槽式系統(tǒng)里的拋物面型的曲面鏡聚焦，是簡化了的槽式系統(tǒng)。線性菲涅爾反射聚光器主要有主反射鏡場、接收器和跟蹤裝置三部分組成。示意圖參見教材P18圖2.15?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型53線性菲涅爾反射聚光技術(shù)較拋物槽式反射聚光技術(shù)的優(yōu)點：（1）拋物槽式系統(tǒng)的鏡面是曲面且面積很大，不易加工；線性菲涅爾式系統(tǒng)的鏡面是平面，鏡面相對較小，容易加工，成本較低。（2）線性菲涅爾式系統(tǒng)的每面鏡條都自動跟蹤太陽，相互之間可用聯(lián)動控制，控制成本較低。（3）線性菲涅爾式系統(tǒng)鏡場之間的光線遮擋較小，場地利用率高。（4）線性菲涅爾式系統(tǒng)的聚光比比相同場地的槽式系統(tǒng)要高。線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型54塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般是在空曠平地上建立高塔，高塔頂上安裝接收器；以高塔為中心，在周圍地面上布置大量的太陽能反射鏡群（能夠自動跟蹤陽光的定日鏡群）；定日鏡群把陽光積聚到接收器上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)聚光比高，易于實現(xiàn)較高的工作溫度，系統(tǒng)容量大、效率高，因而適用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。最早的和最大的太陽能熱電站，都是塔式太陽能熱電站。示意圖參見教材P19圖2.16?！?.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型55受聚光集熱裝置的尺寸限制，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的功率較小，更適用于分布式能源系統(tǒng)。其光學(xué)效率高，啟動損失小，效率高達29%，在三類系統(tǒng)中位居首位。今后的研究方向主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)發(fā)電成本兩個方面。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型56由許多反射鏡組成一個大型拋物面，類似大型的拋物面雷達天線，聚光比可達數(shù)百倍到數(shù)千倍；在該拋物面的焦點上安放熱能接收器，利用反射鏡把入射的太陽光聚集到熱能接收器所在的很小的面積上，收集的熱能將接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱到很高溫度驅(qū)動發(fā)動機進行發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)§2.3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本類型57§2.4.1光伏效應(yīng)與光伏材料當(dāng)光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合材料上，會在不同的部位之間產(chǎn)生電位差。1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾意外地發(fā)現(xiàn)：將兩片金屬浸入電解質(zhì)溶液所構(gòu)成的伏打電池，在受到陽光照射時電壓會突然升高。他在當(dāng)年發(fā)表的論文中稱為“光生伏打效應(yīng)”。1876年，亞當(dāng)斯等人又在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。1941年，奧爾在硅材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，奠定了半導(dǎo)體硅在太陽能光伏發(fā)電中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。除了硅以外，可用的光伏材料還有：砷化鎵、磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物，硫化鎘等Ⅱ-Ⅵ族化合物，銅銦硒等多元化合物，以及某些功能高分子材料和研制中的納米晶體材料。§2.4太陽能光伏發(fā)電58典型的單體硅光伏電池，結(jié)構(gòu)如圖所示1—上電極；2—減反射膜及蓋板；3—擴散頂區(qū)；4—基體或襯底；5—下電極或稱底電極§2.4.2光伏電池59光伏電池，是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由很多單體光伏電池構(gòu)成的。單體光伏電池是指具有正、負電極，并能把光能轉(zhuǎn)換成電能的最小光伏電池單元。(a)半導(dǎo)體晶片(b)空穴向P型半導(dǎo)體區(qū)移動，

電子向N型半導(dǎo)體區(qū)移動(c)電子從N區(qū)負電極流出負電，

空穴從P區(qū)正電極流出正電§2.4.2光伏電池60按電池的結(jié)構(gòu)（主要是P-N結(jié)的特點），有同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池、肖特基結(jié)光伏電池、薄膜光伏電池、疊層光伏電池和濕式光伏電池。薄膜電池指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體光電材料鋪在非半導(dǎo)體的襯底上而構(gòu)成的光伏電池。這種電池可大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以μm計），從而大大地降低了光伏電池的成本?！?.4.2光伏電池61一般由太陽能電池方陣、儲能蓄電池、保護和控制系統(tǒng)、逆變器等設(shè)備組成。（1）光伏電池方陣實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是單體光伏電池。在實際應(yīng)用時，常常要根據(jù)功率需要，串聯(lián)、并聯(lián)組織起來，并封裝在透明的外殼內(nèi)，組成一個可以單獨作為電源使用的最小單元，即光伏電池組件。光伏電池組件，一般由36個單體電池組成，可產(chǎn)生12～l6V的電壓，功率從零點幾瓦到幾百瓦。還可把多個電池組件再串、并聯(lián)起來并裝在支架上，組成光伏電池陣列。§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏電池單體輸出:0.45V，20~25mA/cm2，串、并聯(lián)封裝構(gòu)成光伏電池組件，排成光伏陣列§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)63（2）儲能蓄電池由于光伏發(fā)電功率的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，獨立工作時，常需要配備儲能裝置，以保證對用戶的可靠供電。（3）保護和控制系統(tǒng)光伏發(fā)電的保護和控制系統(tǒng)主要由電子元器件、測量儀表、繼電器、控制開關(guān)等組成。（4）逆變器是將直流電變換成交流電的電力電子設(shè)備，一般是把低壓直流電逆變成220V的交流電，是光伏電池普及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。光伏電池和蓄電池輸出的都是直流電。§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)64單級無變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)雙極無變壓器并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)單級工頻變壓器隔離的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)高頻變壓器隔離的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)§2.4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)65從太陽能資源的角度來看：太陽能是地球上最豐富、最廣泛的可再生能源。從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來看，很多優(yōu)點是其它能源無法比擬的，這主要是因為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件。（1）運輸、安裝容易（2）運行、維護簡單（3）安全，可靠，壽命長（4）清潔，環(huán)境污染少§2.4.4光伏發(fā)電的特點66太陽能光伏發(fā)電未能迅速地大面積推廣應(yīng)用，說明它也存在一些不足。這些不足主要是由太陽能資源本身的弱點造成的。（1）能量分散（能量密度低）。（2）能量不穩(wěn)定。（3）能量不連續(xù)?！?.4.4光伏發(fā)電的特點67§2.5.1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r自1950s出現(xiàn)第一塊實用的單晶硅光伏電池、50年代末光伏電池進入空間應(yīng)用、60年代末進入了地面應(yīng)用，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已歷經(jīng)了半個世紀。2004年，光伏電池在全世界能源市場開始蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)開始形成。目前，光伏電池的功率級別非常豐富，大到100kW～10MW的太陽能光伏電站，小到手表、計算器的電源?！?.5太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展68我國從20世紀50年代開始研制太陽能電池。到2003年底，中國成為最大的庭園燈等光伏消費品的生產(chǎn)國。2007年，一座205千瓦的太陽能聚光光伏示范電站在內(nèi)蒙古建成。崇明島的兆瓦級光伏電站發(fā)電示范工程正式并網(wǎng)發(fā)電。2008年，江西賽維LDK公司硅片產(chǎn)能達到1000兆瓦，太陽能多晶硅片產(chǎn)能世界第一，成為世界第一個實際產(chǎn)能進入吉瓦（GW）俱樂部的光伏企業(yè)。§2.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r69中國太陽能電池產(chǎn)量世界第一。2007年國內(nèi)太陽能電池的產(chǎn)量約為1100兆瓦，而歐洲、日本和美國產(chǎn)量分別是1062、920和266兆瓦。2010年我國光伏電池產(chǎn)量約8000MW，占全球光伏電池市場的50%，繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。在光伏電池制造技術(shù)方面，我國已達到世界先進水平?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r702019年全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量達12862萬千瓦，同比2018年增長33.9%。2020年9月全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量為1640.4萬千瓦，同比增長33.3%。2020年1-9月全國太陽能電池（光伏電池）產(chǎn)量為11381.8萬千瓦，同比增長24.6%?！?.5.2我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第3講風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電§3.1

風(fēng)和風(fēng)資源§3.1.1

風(fēng)的形成地球自傳、公轉(zhuǎn)運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使地面受熱不均。不同地區(qū)的溫差和空氣中水蒸汽含量不同，形成不同的氣壓區(qū)?？諝鈴母邭鈮簠^(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學(xué)上，一般把空氣的不規(guī)則運動稱為紊流，垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動就是風(fēng)?！?.1.1

風(fēng)的形成按照形成原因，風(fēng)有信風(fēng)、海陸風(fēng)和山谷風(fēng)(平原風(fēng))等。（1）信風(fēng)赤道附近氣溫高，熱氣上升；兩極氣溫低，冷氣下降，相互填補空缺，冷空氣在地面附近從兩極流向赤道(高空反之)。地球自西向東轉(zhuǎn)，北半球東北風(fēng)，南半球東南風(fēng)。（2）海陸風(fēng)海洋熱容量大。白天日照下陸地溫度比海面高，熱空氣上升，海面冷空氣在地表附近流向陸地，這就是海風(fēng)。夜間，陸地比海洋冷卻得快，形成流向海洋的陸風(fēng)。（3）山谷風(fēng)白天山坡朝陽面受熱較多，空氣上升；低凹處受熱少，冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風(fēng)。夜間，山坡降溫幅度大，冷空氣則沿山坡向下流動，形成山風(fēng)。對于平原地區(qū)感受此風(fēng)的人來說，也可以稱其為平原風(fēng)。§3.1.1

風(fēng)的形成一般，在晴朗而且晝夜溫差較大的沿海地區(qū)，白天吹來海風(fēng)，夜晚則有陸風(fēng)吹向海上。大型湖泊附近也有類似的情況。在山區(qū)，白天谷風(fēng)從谷底向山上吹，晚上山風(fēng)從山上向山下吹。大陸與海洋的熱容量差別，還會形成季節(jié)性的氣壓變化。以中國的華北地區(qū)為例，冬季內(nèi)陸氣溫低，多形成高氣壓區(qū)，空氣流向東南方向的海洋低氣壓區(qū)，所以在冬季多刮西北風(fēng)。而夏季正好相反，我國大部分地區(qū)常刮東南風(fēng)。?！?.1.2

風(fēng)的描述（1）風(fēng)向就是風(fēng)吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風(fēng)，就稱為南風(fēng)。（2）風(fēng)速就是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。

通常指一段時間內(nèi)的風(fēng)速的算術(shù)平均值。一般在幾千米高度范圍內(nèi)，隨著高度的增加，風(fēng)會逐漸增大。天氣預(yù)報中的幾級風(fēng)，是指離地面10米高度的風(fēng)速等級。（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度風(fēng)中流動的空氣所具有的能量，稱為風(fēng)能。

風(fēng)能密度，就是單位面積上流過的風(fēng)能。風(fēng)級的定義和描述風(fēng)

級名

稱相應(yīng)風(fēng)速/(m/s)表

現(xiàn)0無風(fēng)0～0.2零級無風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.3～1.5一級軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.6～3.5二級輕風(fēng)樹葉響3微風(fēng)3.4～5.4三級微風(fēng)樹枝晃4和風(fēng)5.5～7.9四級和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)8～10.7五級清風(fēng)水起波6強風(fēng)10.8～13.8六級強風(fēng)大樹搖7疾風(fēng)13.9～17.1七級疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.2～20.7八級大風(fēng)樹枝折9烈風(fēng)20.8～24.4九級烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.5～28.4十級狂風(fēng)樹根拔11暴風(fēng)28.5～32.6十一級暴風(fēng)陸罕見12颶風(fēng)＞32.6十二級颶風(fēng)浪滔天§3.1.3

世界風(fēng)資源有專家估計，地球上的風(fēng)能，大約是目前全世界能源總消耗量的100倍，相當(dāng)于1.08萬億噸煤蘊藏的能量。據(jù)世界氣象組織估計，全球大氣中蘊藏的總的風(fēng)能功率約為1014MW，其中可被開發(fā)利用的風(fēng)能約有35億MW。全球的風(fēng)能折算為電能，相當(dāng)于2.74萬億度，其中可利用的相當(dāng)于200億度電，比地球上可開發(fā)利用的水電總量還要大10倍。地球1.07億平方公里的陸地表面，平均風(fēng)速高于5m/s（距地面10m高處）的面積約占27%。據(jù)分析，其中只有4％左右的面積有可能安裝風(fēng)力發(fā)電機。以目前的技術(shù)水平，每平方公里的風(fēng)能發(fā)電量為330千瓦左右，平均每年發(fā)電量的合理估計為200萬度左右。顏色越深代表風(fēng)能資源越豐富

§3.1.4

我國風(fēng)資源研究表明，全國平均風(fēng)能密度約為100W/m2，全國風(fēng)能總儲量約48億兆瓦，陸上和近海區(qū)域10米高度可開發(fā)風(fēng)能資源儲量約為10億千瓦，其中有很好開發(fā)利用價值的陸上風(fēng)資源大約有2.53億千瓦，大體相當(dāng)于我國水電資源技術(shù)可開發(fā)量的51.32%。根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心公布，2019年我國各省地面10m高度年平均風(fēng)速距平百分率，我國各省陸地70m高度年平均風(fēng)速與風(fēng)功率密度?！?.1.4

我國風(fēng)資源風(fēng)能資源的利用，取決于風(fēng)能密度和可利用風(fēng)能年累積小時數(shù)。按照有效風(fēng)能密度的大小和3～20m/s風(fēng)速全年出現(xiàn)的累積小時數(shù)，我國風(fēng)能資源的分布可劃分為4類區(qū)域：豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)和貧乏區(qū)?！?.1.4

我國風(fēng)資源根據(jù)全國氣象臺風(fēng)能資料的統(tǒng)計和計算，中國各省份風(fēng)能資源折算為發(fā)電功率狀況見下表，其中內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江和甘肅四省區(qū)的風(fēng)力資源最為豐富。§3.2

風(fēng)力機的種類一般將用作原動機的風(fēng)車稱為風(fēng)力機。各種類型的風(fēng)力機，都至少包括葉片（有些稱為槳葉）、輪轂、轉(zhuǎn)軸、支架（有些稱為塔架）等部分。其中由葉片和輪轂等構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)部分又稱為風(fēng)輪。按轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的關(guān)系，風(fēng)力機大體上可分為兩類：－水平軸風(fēng)力機（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行）；－垂直軸風(fēng)力機（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向）?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(1)荷蘭式風(fēng)力機12世紀初荷蘭人發(fā)明，曾在歐洲(荷、比、西等國)廣泛使用，最大直徑超過20m。這可能是出現(xiàn)最早的水平軸風(fēng)力機?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(2)螺旋槳式風(fēng)力機螺旋槳式水平軸風(fēng)力機目前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最多。§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(3)多翼式風(fēng)力機也叫多葉式風(fēng)力機，一般裝有20枚左右的葉片，是典型的低轉(zhuǎn)速大扭矩風(fēng)力機?！?.2.1

水平軸風(fēng)力機(4)離心甩出式風(fēng)力機法國人安東略發(fā)明，也叫Andreau式。是一種不直接利用自然風(fēng)的獨特設(shè)計。采用空心葉片，當(dāng)風(fēng)輪在氣流的作用下旋轉(zhuǎn)時，葉片空腔內(nèi)的空氣因受離心力作用而從葉片尖端甩出，并“吸”來氣流從塔架底部流入?？諝鉁u輪機安裝在塔底內(nèi)部，利用塔底的氣流推動其驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(5)透平式風(fēng)力機也叫渦輪式風(fēng)力機，其結(jié)構(gòu)形式燃氣輪機和蒸汽輪機類似，由靜葉片和動葉片組成。§3.2.1

水平軸風(fēng)力機(5)壓縮風(fēng)能型風(fēng)力機是一種特殊設(shè)計的風(fēng)力機，根據(jù)設(shè)計特點，又可分為：－集風(fēng)式－擴散式－集風(fēng)擴散式§3.2.3

新型風(fēng)力機(1)旋風(fēng)型風(fēng)力機

由美國的格魯曼空間公司詹姆斯伊恩首創(chuàng)的，其原理就是利用特殊結(jié)構(gòu)的浮筒在浮筒內(nèi)產(chǎn)生類似龍卷風(fēng)的渦旋，形成低氣壓區(qū)，從而增加通過葉輪的空氣流量，提高風(fēng)機的效率，據(jù)稱這種旋風(fēng)型風(fēng)力機的效率比傳統(tǒng)風(fēng)力機要強大得多。

§3.2.3

新型風(fēng)力機(2)建筑物風(fēng)力機隨著現(xiàn)代化和城市化的發(fā)展，城市中的高層建筑越來越多，越來越高。這些高層建筑干擾了局部氣流，形成了特殊的聚風(fēng)效應(yīng)，這些高樓具有很大的能量，又在用能中心，充分利用這些風(fēng)能可以獲得很多能源。

最典型的就是雙塔結(jié)構(gòu)的建筑，它們之間狹窄通道處容易產(chǎn)生“文氏效應(yīng)”，形成風(fēng)口現(xiàn)象?！?.2.3

新型風(fēng)力機

(2)建筑物風(fēng)力機完工于2008年的巴林世貿(mào)中心主體結(jié)構(gòu)包括兩座50層的雙子塔，底部是一個三層的基座，其兩座三角形的大廈高度達240米。在兩座大廈之間安裝了3座直徑29米的水平風(fēng)力渦輪發(fā)電機。風(fēng)力渦輪預(yù)計能夠支持大廈所需用電的11%-15%，使巴林世貿(mào)中心成為世界上首先為自身持續(xù)提供可再生能源的摩天大樓。巴林世貿(mào)中心§3.3

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)和原理

§3.3.1

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用較多的是水平軸風(fēng)力機，且多用螺旋槳型葉片。水平軸風(fēng)力機主要包括風(fēng)輪、塔架、機艙等部分。§3.3.1

水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)－風(fēng)輪是由輪轂及安裝于輪轂上的若干葉片(槳葉)組成，是風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的部件；－塔架是風(fēng)力機的支撐結(jié)構(gòu)，保證風(fēng)輪能在地面上方具有較高風(fēng)速的位置運行；－機艙內(nèi)集中放置調(diào)向裝置、

控制裝置、傳動機構(gòu)、發(fā)電機等?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理翼型及其受力在與飛行器設(shè)計有關(guān)的空氣動力學(xué)中，升力是促使飛行器飛離地面的力，因而被稱為升力。在實際的應(yīng)用中，升力也有可能是側(cè)向力（帆船）或者是向下的力（賽車阻流板）。當(dāng)攻角為0o時，升力最小。當(dāng)氣流方向與物體表面垂直時，物體受到的阻力最大?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理伯努利效應(yīng)空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應(yīng)關(guān)系，流速越快，壓力越低，這種現(xiàn)象叫作伯努利效應(yīng)。翼型上表面凸起部分的氣流較快，上表面的空氣壓力比下表面明顯要低，對翼型物體產(chǎn)生向上的“吸入”作用，增大升力。設(shè)計者一般喜歡利用升力裝置，因為升力比阻力大得多?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理槳距（節(jié)距角）攻角與葉片的安裝角度有關(guān)。葉片的安裝角稱為節(jié)距角，有時也稱之為槳距，常用字母θ表示。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相對運動，因而實際的攻角α與葉片靜止時的攻角不一樣。若以旋轉(zhuǎn)的葉片為參考系，則氣流與葉片之間存在與y軸方向相反的相對運動，考慮到氣流沿著x軸方向的實際運動，于是氣流相對于運動葉片的作用方向為圖中Wr所示?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力機能夠從風(fēng)中吸取的能量，與風(fēng)輪掃過面積內(nèi)的全部風(fēng)能(未受風(fēng)輪干擾時)之比，稱為風(fēng)能利用系數(shù)。風(fēng)力機的效率，還要考慮風(fēng)力機本身的機械損耗，與風(fēng)能利用系數(shù)不是一個數(shù)值?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理葉尖速比葉片尖端旋轉(zhuǎn)速率與上游未受干擾的風(fēng)速之比，稱葉尖速比，常用字母λ來表示。Cp與λ的對應(yīng)關(guān)系如圖所示，其中β為槳距角?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理容積比（Solidity）也叫實度，表示“實體”在掃掠面積中所占的百分數(shù)。多葉片風(fēng)力機具有很高的容積比，被稱為高容積比風(fēng)力機；

具有少數(shù)幾個窄葉片的風(fēng)力機，則被稱為低容積比風(fēng)力機。多個葉片會互相干擾，因此總體上高容積比的風(fēng)力機效率低。不過，多葉片風(fēng)力機產(chǎn)生的空氣動力學(xué)噪聲一般較小。低容積比風(fēng)力機，如果葉尖速比太低，有些風(fēng)會直接吹過轉(zhuǎn)子的掃掠面積而不與葉片作用；如果葉尖速比太高，風(fēng)力機會對風(fēng)產(chǎn)生過大的阻力，一些氣流將繞開風(fēng)力機流過。在低容積比的風(fēng)力機中，三葉片的風(fēng)輪效率最高，其次是雙葉片和單葉片?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理力矩和轉(zhuǎn)速風(fēng)力機機械能等于葉片角速度與風(fēng)作用于風(fēng)輪的力矩的乘積。獲取風(fēng)能相同，角速度小，則力矩大；角速度大，則力矩小?！?.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理取自風(fēng)能的功率風(fēng)力機捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率：§3.3.2

水平軸風(fēng)力機的原理工作風(fēng)速風(fēng)力機并不是在所有風(fēng)速下都能正常工作。當(dāng)風(fēng)力機起動時，有最低扭矩要求，起動扭矩主要與槳距和風(fēng)速有關(guān)，因此風(fēng)力機就有一個起動風(fēng)速，稱為“切入風(fēng)速”。風(fēng)力機達到標(biāo)稱功率輸出時的風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。風(fēng)速提高時，可利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使風(fēng)力機的輸出功率保持恒定。風(fēng)速超過技術(shù)上規(guī)定的最高允許值時，風(fēng)力機就有損壞危險，基于安全方面的考慮，風(fēng)力機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。該停機風(fēng)速稱為“切出風(fēng)速”?！?.3.3

風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)方式定槳距風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片的槳距角固定不變，利用葉片的失速特性調(diào)節(jié)風(fēng)力機的輸出功率。在額定風(fēng)速以下，空氣沿葉片表面穩(wěn)定流動，吸收的能量隨流速上升而增加；當(dāng)超過額定風(fēng)速后，葉片翼型發(fā)生變化，葉片后側(cè)的氣流分離產(chǎn)生湍流，葉片效率急劇下降，輸出功率不隨風(fēng)速上升而增加。失速型葉片存在扭角，失速從葉片的局部開始，隨風(fēng)速的上升而逐步向葉片全長發(fā)展，起到功率調(diào)節(jié)作用?！?.3.3

風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)方式變槳距風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)槳距角改變?nèi)~片攻角，以改變?nèi)~片的風(fēng)能捕獲能力，保持葉輪的吸收功率在額定功率以下。啟動時，調(diào)節(jié)槳距角，限制風(fēng)能捕獲以維持風(fēng)力機轉(zhuǎn)速恒定。低于額定風(fēng)速時，保持槳距角恒定，通過調(diào)速控制使風(fēng)力機運行于最佳葉尖速，維持風(fēng)力機組在最佳風(fēng)能捕獲效率下運行。高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)風(fēng)力機槳距角，使風(fēng)輪葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。§3.4

風(fēng)力發(fā)電機組§3.4.1

風(fēng)電機組及其構(gòu)成實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的成套設(shè)備稱為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，或者風(fēng)力發(fā)電機組(簡稱風(fēng)力電機組)。風(fēng)力發(fā)電機組完成的是“風(fēng)能—機械能—電能”的二級轉(zhuǎn)換。風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。因此，從功能上說，風(fēng)力發(fā)電機組由兩個子系統(tǒng)組成，即風(fēng)力機及其控制系統(tǒng)、發(fā)電機及其控制系統(tǒng)?！?.4

風(fēng)力發(fā)電機組§3.4.1

風(fēng)電機組及其構(gòu)成1葉輪，2輪轂，3變槳距部分，4液壓系統(tǒng)，5齒輪箱，6剎車盤，7發(fā)電機，

8控制系統(tǒng)，9偏航系統(tǒng)，10測風(fēng)系統(tǒng)，11機艙蓋，12塔架圖為NORDEX公司生產(chǎn)的兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)。（具體圖片請參考《新能源發(fā)電技術(shù)》P51圖3.31）§3.4.2

風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電的核心設(shè)備，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象把由風(fēng)輪輸出的機械能轉(zhuǎn)換為電能。小功率風(fēng)力發(fā)電，過去普遍采用直流發(fā)電機，現(xiàn)在已逐步被交流發(fā)電機取代。大中型風(fēng)力發(fā)電機，大多數(shù)均采用交流發(fā)電機?！?.4.2

風(fēng)力發(fā)電機（1）恒速恒頻的籠式感應(yīng)發(fā)電機都是定槳距失速調(diào)節(jié)型，通過定槳距失速控制的風(fēng)力機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風(fēng)力機并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率，因而轉(zhuǎn)子、風(fēng)輪的速度變化范圍小，不能保持在最佳葉尖速比，捕獲風(fēng)能的效率低?！?.4.2

風(fēng)力發(fā)電機（2）變速恒頻的雙饋感應(yīng)式發(fā)電機一般都采用升速齒輪箱將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速增加若干倍，傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速明顯提高，因而可以采用高速發(fā)電機，體積小，質(zhì)量輕?！?.4.2

風(fēng)力發(fā)電機（3）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機組定子側(cè)產(chǎn)生的交流電能的頻率都是變化的。§3.4.3傳動和控制機構(gòu)（1）傳動機構(gòu)對于容量較大的風(fēng)電機組，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電的要求，因而可以通過齒輪箱的增速作用來實現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱也稱增速箱。在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組中，齒輪箱就是一個不可缺少的重要部件。也有一些采用永磁同步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在設(shè)計時由風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，而省去齒輪箱，以減輕質(zhì)量和噪聲。對于小型的風(fēng)電機組，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速比較接近，通?？梢詫l(fā)電機的軸直接連到風(fēng)輪的輪轂?！?.4.3傳動和控制機構(gòu)（2）對風(fēng)系統(tǒng)(偏航系統(tǒng))只有讓風(fēng)垂直地吹向風(fēng)輪轉(zhuǎn)動面，風(fēng)力機才能最大限度地獲得風(fēng)能。為此，常見的水平軸的風(fēng)力機需要配備調(diào)向系統(tǒng)，使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準風(fēng)向(簡稱對風(fēng))?！?.4.3傳動和控制機構(gòu)（3）限速和制動裝置風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率隨著風(fēng)速的提高而增加，風(fēng)速過高會導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過高和發(fā)電機超負荷，危及風(fēng)力發(fā)電機組的運行安全。限速安全機構(gòu)的作用是使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)基本保持不變。風(fēng)力發(fā)電機一般還設(shè)有專門的制動裝置，當(dāng)風(fēng)速過高時使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，保證強風(fēng)下風(fēng)力發(fā)電機組的安全。§3.4.4塔架和機艙機艙除了用于容納所有機械部件外，還承受所有外力。塔架是支撐風(fēng)輪和機艙的構(gòu)架，目的是把風(fēng)力發(fā)電裝置架設(shè)在不受周圍障礙物影響的高空中。塔架除了起支撐作用，還要承受吹向風(fēng)力機和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機運行中的動荷載。此外，塔架還能吸收風(fēng)中機組的震動。塔架的高度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定?，F(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組的塔架高度有的已達100m。§3.4.4塔架和機艙塔架的高度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定。現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組的塔架高度有的已達100m?！?.5

風(fēng)電場3.5.1風(fēng)電場的概念風(fēng)電場是在某一特定區(qū)域內(nèi)建設(shè)的所有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及配套設(shè)施的總稱。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，將數(shù)十臺至數(shù)千臺單機容量較大的風(fēng)力發(fā)電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成發(fā)電機群，產(chǎn)生數(shù)量較大的電力并送入電網(wǎng)，這種風(fēng)力發(fā)電的場所就是風(fēng)電場。風(fēng)電場具有單機容量小、機組數(shù)目多的特點?！?.5.2海上風(fēng)電

§3.5.2海上風(fēng)電海上風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）風(fēng)資源評估（2）基礎(chǔ)建造海上風(fēng)電基礎(chǔ)通常指的是水下結(jié)構(gòu)和地基。由于水下情況復(fù)雜、基礎(chǔ)建造要綜合考慮海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、離岸距離、風(fēng)浪等級、海流情況等多方面影響，這也是海上風(fēng)電施工難度高于陸地風(fēng)電的主要方面?！?.5.2海上風(fēng)電（3）機組設(shè)計由于海上環(huán)境氣候惡劣，海浪潮汐情況復(fù)雜，海上風(fēng)電場在運行中設(shè)備的故障率較高；而且，由于機組都位于海上，維修人員只能通過工作艇或直升機到達指定地點進行設(shè)備維修或更換，所以維護的成本很高。這就對海上機組設(shè)計及監(jiān)控水平提出了更高要求：抗臺風(fēng)抗鹽蝕風(fēng)電場監(jiān)控§3.5.2海上風(fēng)電（4）機組安裝海上風(fēng)力機安裝主要有兩種方式：海上分體安裝和海上整體安裝。海上分體安裝是在海上將風(fēng)力機的各個部件進行安裝。海上整體安裝包括陸地安裝和海上運輸兩部分工作。（5）電網(wǎng)接入隨著近海風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大，場址距離陸地的主電網(wǎng)越來越遠。輕型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)，以其在成本、維護、輸電質(zhì)量等方面的優(yōu)越性，越來越受到風(fēng)力發(fā)電輸電系統(tǒng)尤其是海上輸電的青睞?！?.5.3小風(fēng)電系統(tǒng)（1）小型風(fēng)力發(fā)電機的構(gòu)成結(jié)構(gòu)比較簡單，通常由葉片、輪轂、變速箱、發(fā)電機、主機架、偏航機構(gòu)、控制裝置、機罩和塔架等組成。發(fā)出交流電，經(jīng)整流后直接向蓄電池組充電或向直流負載供電；還可經(jīng)由變流器向交流負載（單相或三相）供電。在無風(fēng)、風(fēng)力發(fā)電機組不能運行發(fā)電時，為保持系統(tǒng)不間斷供電，離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還要配備蓄電池組?！?.5.3小風(fēng)電系統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用系統(tǒng)，由風(fēng)力發(fā)電機組、控制裝置、蓄能裝置和電能用戶的電氣負荷等組成。（具體圖片請參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P58圖3.34）§3.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－世界近20年來風(fēng)電技術(shù)取得了巨大的進步，風(fēng)力發(fā)電能力以平均每年20%以上的速度增長，已經(jīng)成為各種能源中增長速度最快的一種。近年來歐洲、北美的風(fēng)力發(fā)電裝機容量所提供的電力成為僅次于天然氣發(fā)電電力的第二大能源。歐洲的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)開始從“補充能源”向“戰(zhàn)略替代能源”的方向發(fā)展?！?.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－世界全球風(fēng)能理事會預(yù)測，這種增長將持續(xù)下去，在未來五年內(nèi)將增加355GW的風(fēng)電裝機容量。這意味著到2024年底，每年將增加71GW的風(fēng)電，屆時海上風(fēng)電將其在風(fēng)電總安裝量中的份額擴大到20％。（全球風(fēng)電累計裝機容量和全球風(fēng)電新增裝機容量的變化趨勢請參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P59圖3.35和圖3.36）§3.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－中國我國風(fēng)電技術(shù)發(fā)展始于20世紀80年代。1986年5月，我國第一個風(fēng)電場在山東榮成馬蘭灣建成。2010年8月，上海東海大橋100MW海上風(fēng)電示范項目風(fēng)電場全部34臺華銳風(fēng)電SL3000風(fēng)電機組，順利完成海上風(fēng)電場項目240小時預(yù)驗收考核。中國成為繼歐洲之后，最先擁有海上風(fēng)電的地區(qū)。2019年9月，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的我國首臺10MW海上風(fēng)力發(fā)電機組在中國三峽福建產(chǎn)業(yè)園——東方電氣風(fēng)電有限公司福建生產(chǎn)基地順利下線?！?.6

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展－中國截至2018年年底，全國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機容量達1.84億kW，占全部總裝機容量的9.7%，較2017年增長0.5個百分點，連續(xù)九年位居全球第一。2018年我國風(fēng)電新增裝機21.14GW，同比增加7.5%，扭轉(zhuǎn)了2015年以來的新增裝機量逐年下降的趨勢。（全國風(fēng)電裝機容量具體變化趨勢請參考教材《新能源發(fā)電技術(shù)》P60圖3.37和圖3.38）§3.7

風(fēng)力發(fā)電工程實例3.7.1大型陸上風(fēng)電基地（1）甘肅酒泉千萬千瓦級風(fēng)電場我國第一個千萬千瓦級風(fēng)電基地，是國家繼西氣東輸、西油東輸、西電東送和青藏鐵路之后，西部大開發(fā)的又一標(biāo)志性工程，被譽為“風(fēng)電三峽”?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實例3.7.1大型陸上風(fēng)電基地（2）塞罕壩風(fēng)電場塞罕壩位于河北省承德市境內(nèi)，是世界在役最大的風(fēng)電場。2012年3月，隨著巴拉奇如德風(fēng)電項目的投產(chǎn)運行，塞罕壩風(fēng)電場成為全國首個百萬千瓦級風(fēng)電基地。§3.7

風(fēng)力發(fā)電工程實例3.7.2海上風(fēng)電場工程實例（1）全球最大的海上風(fēng)電場DoggerBank項目是英國海上風(fēng)電樞紐項目，2015年由英國政府正式批準建設(shè)，將在2020年至2026年陸續(xù)開工，總投資102億歐元。該風(fēng)電場總裝機容量為3.6GW，約占英國總發(fā)電量的5%，是目前全球最大的海上風(fēng)電場?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實例3.7.2海上風(fēng)電場工程實例（2）全球首個浮動式風(fēng)電場HywindScotland風(fēng)電場，由挪威國家石油公司（Statoil）承建，位于蘇格蘭東北海岸，2017年已開始向蘇格蘭電網(wǎng)輸送電力。整個項目耗資超過2億英鎊，共由五臺風(fēng)力發(fā)電機組成，裝機容量為30MW，可以滿足兩萬戶普通家庭的用電需求?！?.7

風(fēng)力發(fā)電工程實例3.7.2海上風(fēng)電場工程實例（3）我國最大的海上風(fēng)力發(fā)電場上海東海大橋風(fēng)電場，位于上海東南的東海大橋附近海面，是歐洲以外全球第一個海上風(fēng)電場、我國第一個國家海上風(fēng)電示范工程。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第4講生物質(zhì)能及其利用134生物質(zhì)（biomass），是指有機物中除化石燃料外的所有來源于動物、植物和微生物的物質(zhì)?！?.1.1生物質(zhì)的概念§4.1

生物質(zhì)能概述135光合作用吸收二氧化碳，將太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能、生成氧氣并儲存有機物，是植物賴以生長的主要物質(zhì)來源和全部能量來源，也是其他直接或間接依靠植物生存的生物的有機物和能量來源。然后又經(jīng)過各種化學(xué)作用，生成二氧化碳和熱能，釋放到大氣中，形成了自然界的碳循環(huán)。動物、植物和微生物等生命體及其排泄或遺留物都含有大量的有機物，成為生物質(zhì)能的載體?？梢哉f，生物質(zhì)是太陽能的有機能量庫。生物質(zhì)是地球上存在最廣泛的物質(zhì)，而且可以隨著生物的繁衍生長不斷再生。§4.1.1生物質(zhì)的概念136光合作用綠色植物通過葉綠體利用太陽能，把二氧化碳和水合成儲存能量的有機物，并且釋放氧氣的過程。其化學(xué)表達式為§4.1.1生物質(zhì)的概念137獲取生物質(zhì)的途徑大體上有兩種情況：一有機廢棄物的回收利用，一專門培植作為生物質(zhì)來源的農(nóng)林作物。此外，某些光合成微生物也可以形成有用的生物質(zhì)?！?.1.2生物質(zhì)的來源及特點138（1）農(nóng)林作業(yè)和加工的廢棄物農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中，每年都會產(chǎn)生大量的植物殘體和加工廢棄物。森林作業(yè)和林業(yè)加工提供的生物質(zhì)也很多，許多國家都開始利用這些林業(yè)廢棄物?！?.1.2生物質(zhì)的來源及特點139（2）專門培植的農(nóng)林作物除了利用農(nóng)林作物的殘余物以外，為集中地獲取大量生物質(zhì)，很多國家還專門培植經(jīng)濟價值較高的特種樹木或農(nóng)作物。據(jù)報道，國外每公頃林地每年可收獲30噸以上的能源作物?！?.1.2生物質(zhì)的來源及特點140（2）專門培植的農(nóng)林作物常用作生物質(zhì)資源的農(nóng)作物，例如：可制造酒精的甜高粱、玉米、甘薯、木薯、芭蕉芋，能產(chǎn)生糖類的甘蔗、甜菜，以及向日葵、油菜、黃豆等油料作物。此外，海洋和湖泊也提供大量生物質(zhì)。例如：海洋生的馬尾藻、巨藻、石莼、海帶等；淡水生的布帶草、浮萍等；微藻類的螺旋藻、小球藻以及藍藻、綠藻等。§4.1.2生物質(zhì)的來源及特點141生產(chǎn)和生活中，還有很多其它形式的有機廢棄物也是生物質(zhì)的重要來源。（1）動物糞便動物糞便是從糧食、農(nóng)作物秸稈、牧草等植物體轉(zhuǎn)化而來的，數(shù)量也很大。2015年中國的畜禽糞便可獲得的干物質(zhì)資源就約有4.2億噸。動物糞便發(fā)酵所釋放的氣體也是溫室氣體的主要來源之一。如果不很好地處理這些排泄物，還會對水體造成污染?！?.1.2生物質(zhì)的來源及特點142（2）城市垃圾城市垃圾成分比較復(fù)雜，主要包括：居民生活垃圾，辦公、服務(wù)業(yè)垃圾，少量建筑業(yè)垃圾和工業(yè)有機廢棄物等?！?.1.2生物質(zhì)的來源及特點143（3）有機廢水包括工業(yè)有機廢水和生活污水，往往也含有豐富的有機物。工業(yè)有機廢水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水。生活污水主要由城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水組成，§4.1.2生物質(zhì)的來源及特點144作為一種能源資源，生物質(zhì)能具有如下特點：（1）可循環(huán)再生（2）可存儲和運輸（3）資源分散（4）大多來自廢物§4.1.2生物質(zhì)的來源及特點145生物質(zhì)能利用，主要是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯永玫臒崮?、電能和可存儲的燃料（常?guī)的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)）。生物質(zhì)的組成與化石燃料大體相同，利用方式也類似。常規(guī)能源的利用技術(shù)無需大改，即可應(yīng)用于生物質(zhì)能。但生物質(zhì)的種類繁多，各有不同的屬性和特點，應(yīng)用方式也趨于多樣，可能遠比化石燃料的利用更復(fù)雜。§4.1.3生物質(zhì)能的利用形式146§4.1.3生物質(zhì)能的利用形式147§4.1.4我國的生物質(zhì)資源我國是一個農(nóng)業(yè)大國。生物質(zhì)資源十分豐富，理論上生物質(zhì)能資源達到50億t左右，根據(jù)中國工程院的《可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略咨詢報告》，我國生物質(zhì)能源的資源量是水能的2倍和風(fēng)能的3.5倍。目前，每年可開發(fā)生物質(zhì)能源約合12億t標(biāo)準煤.我國生物質(zhì)資源分布情況148（1）秸稈等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)評估結(jié)果顯示，2019年全國主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億噸，可收集資源量為9.0億噸，利用量為7.2億噸，秸稈綜合利用率為80.1%。秸稈結(jié)構(gòu)稻草麥秸玉米秸棉稈油料作物豆類秸稈薯類秸稈其他秸稈比例/(%)25.118.332.53.14.43.32.710.5理論資源量(×104)/t261041903233800322445763432280810920§4.1.4我國的生物質(zhì)資源149（2）林木生物質(zhì)我國的薪材年合理開采量約1.6億噸，目前實際使用量超過了1.8億噸，存在過量砍伐等不合理現(xiàn)象。林木生物質(zhì)資源大多分布在我國的主要林區(qū)，其中西藏、四川、云南三省區(qū)的蘊藏量越占全國總量的一半，黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林三省區(qū)則占全國總量的27%左右，其余依次是陜西、福建、廣西等省區(qū)。薪炭林分布廣的省份多為能源不足、經(jīng)濟欠發(fā)達或者林業(yè)資源較豐富的地區(qū)?！?.1.4我國的生物質(zhì)資源150（3）禽畜糞便主要來源是大牲畜和大型畜禽養(yǎng)殖場，集約化養(yǎng)殖所產(chǎn)生的畜禽糞便就有11.2億噸左右。主要分布在河南、山東、四川、河北、湖南等養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)較為發(fā)達的地區(qū)，五省共占全國總量的40%左右。從構(gòu)成上看，牛糞和主要來自于養(yǎng)殖場的豬糞各占全部畜禽糞便總量的1/3左右。§4.1.4我國的生物質(zhì)資源151（4）城市垃圾和廢水全國工業(yè)有機廢水排放總量高達20多億噸，這還不包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)。每年城市垃圾產(chǎn)量也不少于1.5億噸，其中有機物的含量約為37.5％，垃圾的熱值為4.18MJ/kg左右。城市垃圾主要分布在廣東、山東、黑龍江、湖北、江蘇等省，共占全國總量的36%；廢水主要分布在廣東、江蘇、浙江、山東、河南等省區(qū)，共占國總量的37%。§4.1.4我國的生物質(zhì)資源152西南、東北、河南、山東等地是生物質(zhì)能的主要分布區(qū)。蘊藏量四川、云南、西藏最多，共占全國的1/3。理論可獲得量最大的依次為四川、黑龍江、云南、西藏和內(nèi)蒙古，接近全國總量的40%；最小的依次是上海、北京、天津、海南和寧夏，加在一起不到全國總量的2%。不論蘊藏量還是可獲得量，四川都位居全國第一；上海、北京、天津、寧夏和海南都處于全國后五位。同時，我國生物質(zhì)能的分布與常規(guī)一次能源有一定程度的互補，在一次能源蘊藏量較低的地區(qū)往往具有開發(fā)利用生物質(zhì)能的巨大潛力。§4.1.4我國的生物質(zhì)資源153§4.2.1固體生物質(zhì)燃料（1）生物質(zhì)直接燃燒直接燃燒是最古老、最廣泛的生物質(zhì)利用方式。小知識：農(nóng)作物秸稈的平均含硫量只有煤的1/10。過去，秸稈都被農(nóng)民在野外白白燒掉，產(chǎn)生的煙霧還污染環(huán)境。實際上，秸稈的熱值并不低，2噸秸稈燃燒產(chǎn)生的熱量與1噸標(biāo)準煤燃燒產(chǎn)生的熱量大致相當(dāng)。直接燃燒得到的熱量，可直接利用，也可進行后續(xù)轉(zhuǎn)換。§4.2生物質(zhì)燃料154（1）生物質(zhì)直接燃燒直接燃燒的轉(zhuǎn)換效率往往很低，通常不超過20%（特殊設(shè)計的節(jié)柴灶可能達到30%）。與煤炭相比，生物質(zhì)燃料的特點為：－多為碳氫化合物，受熱分解后揮發(fā)分多，包含的能量超過生物質(zhì)能量的一半（有時占3/4）；－含氧量多，易點燃，而不需太多氧氣供應(yīng)；－密度小，容易充分燒盡，灰渣中殘留的碳量?。唬剂可?，能量密度低，燃燒時間短；－松散，體積大，不便運輸。§4.2.1固體生物質(zhì)燃料155生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電示意圖§4.2.1固體生物質(zhì)燃料156生物質(zhì)失去揮發(fā)分后剩下的木炭，其成分基本上就是碳，能量密度是原始生物質(zhì)的兩倍左右。不過，獲得1噸木炭需要4~10噸木材，如果不能有效地收集揮發(fā)分，將有3/4的能量損失掉。而且制取木炭的過程也會排放大量污染物，是溫室氣體的主要來源之一?！?.2.1固體生物質(zhì)燃料最早用干餾法制取木炭的國家——中國157（2）固體成型燃料以木質(zhì)素為黏合劑，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林廢棄物擠壓成特定形狀的固體燃料，可提高其能源密度，改善燃燒性能。這種物理化學(xué)處理方式，稱為生物質(zhì)壓縮成型。壓縮成型可以解決天然生物質(zhì)分布散、密度低、松散蓬松造成的儲運困難、使用不便等問題。§4.2.1固體生物質(zhì)燃料158一般將松散的原料粉碎到一定細度后，在一定壓力、溫度和濕度條件下，擠壓成棒狀、球狀、顆粒狀的固體燃料。其能源密度相當(dāng)于中等煙煤，熱值顯著提高，便于儲存和運輸，并保持了生物質(zhì)揮發(fā)性高、易著火燃燒、灰分及含硫量低、燃燒產(chǎn)生污染物較少等優(yōu)點，是一種清潔商業(yè)燃料。（2）固體成型燃料§4.2.1固體生物質(zhì)燃料159氣體燃料的優(yōu)點包括：①既可直接燃燒，又能用來驅(qū)動發(fā)動機和渦輪機；②能量轉(zhuǎn)化效率比生物質(zhì)直接燃燒高；③便于運輸；等等。（1）木煤氣可燃的生物質(zhì)在高溫條件下經(jīng)過干燥、干餾熱解、氧化還原等過程后，能產(chǎn)生可燃性混合氣體，稱為生物質(zhì)燃氣。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的混合氣體成分與“煤氣”(煤經(jīng)過氣化后產(chǎn)生的可燃混合氣體）大致相同，俗稱“木煤氣”?！?.2.2氣體生物質(zhì)燃料160生物質(zhì)氣化所用的原料，主要是原木生產(chǎn)及木材加工的殘余物、薪柴、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物等。不同的生物質(zhì)氣化所產(chǎn)生的混合氣體成分可能稍有差異。（1）木煤氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料161目前常用的生物質(zhì)燃氣發(fā)生器，有熱裂解裝置和氣化爐。熱裂解是指在隔絕空氣或空氣不足的不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，將生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵切斷，使其分解為分子量較低的CO2、H2、CH4等可燃氣體。氣化爐的工作原理：將生物質(zhì)原料送入爐內(nèi)，加一定量燃料后點燃，同時通過進氣口向爐內(nèi)鼓風(fēng)，通過一系列氧化還原反應(yīng)形成煤氣。由于空氣中含有大量氮氣，因此生物煤氣中可燃氣體所占比例較低，熱值較低，一般為4000～5800kJ/m3。生物質(zhì)氣化的能量轉(zhuǎn)換效率，簡單裝置約為40%，設(shè)計良好的復(fù)雜氣化系統(tǒng)可達70%以上。（1）木煤氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料162人和動物的糞便、農(nóng)作物的秸稈、谷殼等農(nóng)林廢棄物、有機廢水等有機物質(zhì)，在密封裝置中利用特定的微生物分解代謝，能夠產(chǎn)生可燃的混合氣體。由于這種氣體最早是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱為沼氣。氣體生物質(zhì)燃料（2）沼氣163甲烷的發(fā)熱值很高，達36840kJ/m3，完全燃燒時僅生成CO2和H2O，并釋放熱能，是一種清潔燃料?；煊卸喾N氣體的沼氣，熱值約為20～25MJ/m3，1m3

沼氣的熱值相當(dāng)于0.8kg標(biāo)準煤。沼氣可以作為燃料，用于生活生產(chǎn)、照明、取暖、發(fā)電等，沼液、沼渣是優(yōu)質(zhì)的有機綠色肥料。利用微生物代謝作用來生產(chǎn)各種產(chǎn)品的工藝過程稱為發(fā)酵。（2）沼氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料164沼氣池必須符合多種條件（微生物生存、繁殖）：首先，沼氣池要密閉，因為有機物質(zhì)發(fā)酵是厭氧菌活動的結(jié)果，因此沼氣池要隔絕空氣，不透氣、不滲水。其次，沼氣池里要維持20～40℃，因為通常在這種溫度下產(chǎn)氣率最高。第三，沼氣池要有充足的養(yǎng)分，供給微生物用于生存和繁殖。在沼氣池的發(fā)酵原料中，人畜糞便能提供氮元素，農(nóng)作物的秸稈等纖維素能提供碳元素。第四，發(fā)酵原料要含適量水，一般要求發(fā)酵原料中含水80％左右，過多或過少都對產(chǎn)氣不利。第五，沼氣池的pH值一般控制在7～8.5。（2）沼氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料165中國在農(nóng)村推廣的沼氣池多為水壓式沼氣池，如圖所示，第三世界國家廣泛采用，稱為中國式沼氣池。一般情況下，在中國南方這樣一個池子每年可產(chǎn)出250～300m3沼氣。（2）沼氣§4.2.2氣體生物質(zhì)燃料據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，截至2006年年底，全國農(nóng)村大約有2200多萬戶農(nóng)村家庭已經(jīng)利用上了沼氣能源，尤其是在西部地區(qū)，發(fā)展更快。新疆塔城地區(qū)就有20960戶農(nóng)戶使用上了沼氣。截至2018年，農(nóng)村戶用沼氣池5310萬戶?！?.2.2氣體生物質(zhì)燃料167液體生物質(zhì)燃料主要包括燃料乙醇、植物油、生物柴油等，都屬于優(yōu)質(zhì)的清潔能源，可以直接代替柴油、汽油等由石油提取的常規(guī)液體燃料。生成途徑有熱裂解和直接液化法等。熱裂解是指在隔絕空氣或空氣不足的不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，將生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵切斷，使之分解為分子量較低的可燃物。固態(tài)的生物質(zhì)經(jīng)過一系列化學(xué)加工過程，轉(zhuǎn)化成液體燃料，稱為生物質(zhì)的直接液化?！?.2.2液體生物質(zhì)燃料168乙醇俗稱酒精，通常由淀粉質(zhì)原料、糖質(zhì)原料、纖維素原料等經(jīng)發(fā)醇、蒸餾后制成。乙醇進一步脫水（使其含量99.6%以上）再加上適量的變性劑即可制成燃料乙醇。主要原料：淀粉質(zhì)原料；糖質(zhì)原料；纖維素原料；工廠廢液。用糖質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇比較簡單而直接。用淀粉和纖維素需要水解糖化加工過程，纖維素的水解最難。（1）燃料乙醇§4.2.2液體生物質(zhì)燃料169每千克乙醇完全燃燒時能產(chǎn)生30MJ左右的熱量，是一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料。燃料乙醇的生產(chǎn)成本與汽油和柴油大致相當(dāng)，產(chǎn)生的環(huán)境污染卻少得多。生物燃料乙醇燃燒排放的CO2和含硫氣體均低于汽油燃料。排放的CO2和作為原料的生物質(zhì)生長所吸收的CO2基本持平，可減少大氣污染及抑制“溫室效應(yīng)”。經(jīng)過適當(dāng)加工，燃料乙醇可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇潤滑油等用途廣泛的工業(yè)燃料。（1）燃料乙醇§4.2.2液體生物質(zhì)燃料170俄國是利用植物原料生產(chǎn)乙醇產(chǎn)品最早的國家，水解乙醇產(chǎn)量己達35萬噸。巴西是乙醇燃料開發(fā)利用最有特色的國家，早在1931年就開始將乙醇混入汽油中作為發(fā)動機燃料試用，1991年巴西的980萬輛汽車中，有近400萬輛純用乙醇作燃料，還有很多用乙醇和汽油的混合燃料。目前大部分新產(chǎn)汽車均以乙醇為燃料，乙醇燃料已占巴西汽車燃料消費量的50%以上。美國汽車用油總量的70%左右也都添加乙醇。（1）燃料乙醇§4.2.2液體生物質(zhì)燃料171世界上最大的生物質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)系統(tǒng)巴西的PRO-ALCOOL項目，1975年建成，用糖渣來制取燃料乙醇。截止到2000年，25年內(nèi)因為減少石油進口而節(jié)省了400億美元。目前生物質(zhì)油的年產(chǎn)量已超過150億升，所用的汽油中一般都含有26%左右的乙醇。乙醇生產(chǎn)流程圖§4.2.2液體生物質(zhì)燃料172是利用