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****************新能源類專業(yè)能量轉(zhuǎn)化與存儲原理能量轉(zhuǎn)化與存儲原理第1章緒論能源的分類與特征1.21.1新能源利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.能源的分類與特征1.1能源的分類與特征太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、核能等共同組成了龐大的新能源家族。新能源普遍具有儲量大、分布范圍廣、環(huán)境污染小、可持續(xù)利用等優(yōu)點。熱能、電能和機械能是目前人類使用最多、最普遍的能量形式，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化，也可由其他形式的能量轉(zhuǎn)換而來。能量轉(zhuǎn)換效率高、速度快、具備可調(diào)節(jié)性以及經(jīng)濟(jì)性是對新能源利用技術(shù)的基本要求。新能源開發(fā)利用過程中各種能量形式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系1.1.1光能

光能主要是指太陽光的輻射能量，是最主要的可再生能源。太陽輻射到地球表面的能量做功能力約為8.5×1010MW，相當(dāng)于每年往地球上投放了1.8×1016噸標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)大于目前人類每年所需的能量總和，是取之不盡、用之不竭的清潔能源。①光-電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換是指利用光生伏特效應(yīng)直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)光伏發(fā)電或者光電探測。太陽電池是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光伏發(fā)電的重要載體，目前單晶硅太陽電池技術(shù)最為成熟。②光-熱轉(zhuǎn)換太陽能光熱利用形式是指通過與物質(zhì)的相互作用將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能加以利用，如太陽能熱水器、太陽灶、太陽能高溫發(fā)電、太陽能冶金等。太陽能電池板太陽能集熱器光能的轉(zhuǎn)換形式：③光-化學(xué)轉(zhuǎn)換光化學(xué)轉(zhuǎn)換是在催化材料的作用下，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。常見的人工光合成反應(yīng)有光解水制氫、二氧化碳還原等。④光-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換光能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換即綠色植物或其他光合生物通過光合作用吸收空氣中的CO2，將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能儲存下來，同時將水分子裂解并釋放出氧氣的過程。光解水制氫光合作用1.1.2機械能能量類型可利用蘊藏量特征能量轉(zhuǎn)換形式風(fēng)能2×107MW資源豐富、清潔無污染、分布范圍廣、能量密度低、不穩(wěn)定風(fēng)能→機械能→電能水能5.5×106MW資源豐富、相對穩(wěn)定、成本低廉、清潔無污染水能→機械能水能→機械能→電能潮汐能3×106MW蘊藏量大、清潔無污染、不穩(wěn)定但變化有規(guī)律、利用難度大潮汐能→機械能→電能海流能5×106MW蘊藏量大、清潔無污染、不穩(wěn)定但變化有規(guī)律、利用難度大海流能→機械能→電能波浪能2.5×106MW蘊藏量大、清潔無污染、不穩(wěn)定、利用難度大波浪能→機械能→電能機械能是與物體機械運動或空間狀態(tài)相關(guān)的物理量。宏觀機械能包括固體或流體（水、空氣等）的動能與勢能，是人類認(rèn)識最早的能量。可再生能源中的風(fēng)能、常規(guī)水能、潮汐能、海流能、波浪能等即屬于這種能量形式。機械能的類型多樣，其特征和轉(zhuǎn)換方式也各有不同。1.1.3熱能在新能源領(lǐng)域，熱能的來源主要為太陽熱能、地?zé)崮堋夭钅?、生物質(zhì)能燃燒等。地?zé)崮苁翘N藏于地球內(nèi)部巖土體、流體和巖漿體中，能夠為人類開發(fā)和利用的熱能，具有儲量大、分布廣和開發(fā)利用安全、穩(wěn)定、清潔、高效的特點。地?zé)崮艿拈_發(fā)利用主要包括地?zé)岚l(fā)電和直接利用兩個方面。溫差能主要指海洋溫差能，即海洋中淺層溫海水（溫度為25～28℃）和深層冷海水（溫度為4～6℃）之間水溫差的熱能，它本質(zhì)上是儲存的太陽能。能量類型可利用蘊藏量特征能量轉(zhuǎn)換形式地?zé)崮芗s1.45×1026J儲量巨大、分布廣泛、來源穩(wěn)定、熱流密度大熱能→電能熱能→機械能→電能海洋溫差能2×106MW蘊藏量大、清潔無污染、能量輸出波動小熱能→電能1.1.4生物質(zhì)能生物質(zhì)直接燃燒熱能、電力氣化電力液體生物燃料燃料沼氣燃料、電力生物制氫燃料生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)電力原電池電力林業(yè)資源農(nóng)業(yè)資源城市固體廢物生活污水、工業(yè)有機廢水畜禽糞便能源作物林業(yè)資源農(nóng)業(yè)資源城市固體廢物生活污水、工業(yè)有機廢水畜禽糞便能源作物生物質(zhì)能的分類及轉(zhuǎn)換形式1.1.5核能核能是指原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時所釋放出的能量。核能的釋放方式分為三種：①核裂變能，是指通過一些重原子（如鈾、钚等）發(fā)生裂變反應(yīng)所釋放出的能量；②核聚變能，指由兩個輕元素（主要是指氘和氚）原子核結(jié)合在一起釋放出的能量；③放射性衰變，指不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的過程，是一種緩慢的裂變形式。目前全球商業(yè)運行中的核電站都是利用核裂變反應(yīng)發(fā)電，可控核聚變發(fā)電尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.新能源利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢據(jù)2023版《BP世界能源展望》預(yù)測，化石燃料在全球能源中的占比將從2019年的80%下降至2050年的55%到22%之間，可再生能源占比將從大約10%提升至35%~65%，新型清潔能源的快速發(fā)展和擴(kuò)張是全球能源的未來趨勢。1.2全球能源未來發(fā)展趨勢全球能源未來發(fā)展趨勢：油氣作用下降，可再生能源快速擴(kuò)張1.2.1光能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)全面進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，全球太陽能光伏裝機總量在過去十年中持續(xù)增長2013，年我國首次超越德國成為全球第一大新增裝機市場以來，到2024年底，我國光伏新增裝機量已連續(xù)12年保持全球第一，累計裝機量連續(xù)10年居全球首位。（1）光電轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研發(fā)更高效率、更低成本的晶硅太陽電池及其他新型太陽電池是光伏技術(shù)發(fā)展的重要方向。由于太陽光能具有不連續(xù)性，在以光伏為基礎(chǔ)的多能互動模式中，光伏+儲能是被廣泛看好的能源解決方案，儲能系統(tǒng)在未來幾年在光伏電力系統(tǒng)中的市場占比將越來越高。1.2.1光能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（2）光熱轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢太陽能聚光、分光、熱電聯(lián)用集成技術(shù)是光-熱利用的重要發(fā)展方向。2022年，全球太陽能集熱器共提供了約440太瓦時（1584千兆焦耳）的熱量，相當(dāng)于2.58億桶石油的能量含量，為節(jié)能減排做出了突出貢獻(xiàn)。平板型太陽能集熱器聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）技術(shù)正朝著規(guī)?；较虬l(fā)展。我國于2012年突破光熱發(fā)電技術(shù)，2013年實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。1.2.1光能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（2）光熱轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢德令哈50MW塔式光熱電站1.2.1光能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（3）光化學(xué)轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（4）光生物質(zhì)轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢目前，光化學(xué)轉(zhuǎn)換能量利用效率較低，相關(guān)能源應(yīng)用技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段。未來需開發(fā)新型的納米催化材料來提高太陽能利用率。此外，太陽能驅(qū)動催化還原CO2合成小分子碳?xì)淙剂弦彩呛苤匾难芯糠较颉９馕阵w太陽能燃料催化劑光合作用是一個異常復(fù)雜的生物化學(xué)過程，提高光合作用效率是提高光生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率的前提。未來光能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換研究的主要發(fā)展趨勢是通過多學(xué)科交叉，揭示光合作用的分子機理及其調(diào)控方式。1.2.2機械能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（1）風(fēng)電轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢截至2020年年底，我國風(fēng)電裝機量占國內(nèi)電力裝機總量的12.8%，是僅次于水電的可再生能源，風(fēng)電已成為我國的重要能源之一。全球風(fēng)電裝機容量從2013年的300GW躍升到了2022年的899GW，其中，中國的風(fēng)電裝機量在2022年達(dá)到了367GW。風(fēng)電的發(fā)展趨勢：①風(fēng)電原理、新型材料等基礎(chǔ)研究的進(jìn)一步深入；②更大型風(fēng)電裝備的研發(fā)及性能的改善；③陸上及海上風(fēng)電場設(shè)計建設(shè)與運行維護(hù)水平的持續(xù)提升，更加高效、低成本地實現(xiàn)風(fēng)能的規(guī)?；_發(fā)利用；④公共研究試驗?zāi)芰Φ某掷m(xù)完善，支撐大型及新型技術(shù)和裝備的研發(fā)驗證。1.2.2機械能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（2）水電轉(zhuǎn)換發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2020年全國電力裝機容量占比情況2020年，水力發(fā)電裝機容量占我國電力總裝機容量的16.82%，是占比最高的可再生能源。水電開發(fā)技術(shù)在世界范圍內(nèi)也已成熟，已從大規(guī)模集中發(fā)展進(jìn)入適度有序的階段。抽水蓄能技術(shù)在未來水電領(lǐng)域具有巨大潛力。1.2.2機械能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（3）潮汐能、波浪能發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢潮汐能發(fā)電技術(shù)已趨于成熟，到2020年底，潮汐能總發(fā)電量超過60GWh（高于前一年的45GWh)。波浪能發(fā)電設(shè)備仍處于研發(fā)階段。由于從各種波況中提取波能的技術(shù)較為復(fù)雜以及不同技術(shù)的工作原理差異較大，設(shè)計上還沒有趨同。波浪能開發(fā)利用途徑主要有兩種：100kW以上的設(shè)備主要面向公共事業(yè)規(guī)模的電力市場，而較小的設(shè)備（通常低于50kW）主要應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域（水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋監(jiān)測和防御等）。法國LaRance潮汐電站浙江溫嶺江夏潮汐電站1.2.3熱能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢地?zé)崮苁菬崮苜Y源最重要的組成部分。目前，世界已有24個國家進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電商業(yè)開發(fā)，地?zé)犭娬?50多座，但是地?zé)崮馨l(fā)電規(guī)模整體增長緩慢。截至2020年年底，世界地?zé)岚l(fā)電總裝機容量已經(jīng)超過14GW，地?zé)崮艿奈磥戆l(fā)展依賴于技術(shù)進(jìn)步和國家政策支持。海洋溫差能發(fā)電裝置的裝機容量較小，其開發(fā)利用發(fā)展方向主要包括裝置的大型化、更高效的熱力循環(huán)和溫差能綜合利用。海洋溫差能技術(shù)除了用于發(fā)電外，在海水淡化、制氫、空調(diào)制冷、深水養(yǎng)殖等方面有著廣泛的綜合應(yīng)用前景。地?zé)崮馨l(fā)電裝置國內(nèi)首套50kW海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)1.2.4化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

部分可再生能源具有不連續(xù)性與不穩(wěn)定性，例如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有穩(wěn)定的能源輸入和固有的儲能能力，在能源轉(zhuǎn)換和利用過程中供求之間存在時間與空間上不匹配的矛盾。因此，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開儲能技術(shù)的支撐。電化學(xué)儲能中的氫能、燃料電池、鋰電池、液流電池等是具有極大應(yīng)用潛力的新型能量存儲方式。1.2.4化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（1）氫能技術(shù)氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，是未來構(gòu)建以清潔能源為主的多元能源供給系統(tǒng)的重要載體。氫能既是能源，也是靈活的能源載體，正被應(yīng)用于各個終端領(lǐng)域，包括交通運輸，供電供熱，化工冶金等，“氫經(jīng)濟(jì)”已經(jīng)成為21世紀(jì)新的競爭領(lǐng)域。但氫能大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還面臨著亟待解決的問題，包括廉價的制氫技術(shù)的開發(fā)、安全可靠的儲氫和輸氫方法的發(fā)展。1.2.4化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（2）燃料電池技術(shù)燃料電池是一種化學(xué)電池，它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋放出的能量變化成電能，工作時需要連續(xù)地向其供給活性物質(zhì)——燃料和氧化劑。燃料電池能量密度極高，接近于汽油和柴油的能量密度，幾乎是零污染，號稱“終結(jié)電池”，是各國重點研發(fā)的領(lǐng)域之一。但是其成本太高，目前高成本瓶頸表現(xiàn)在：燃料電池反應(yīng)中需要使用貴金屬鉑作為催化劑，使得成本居高不下；燃料種類單一，且對其安全性要求很高；要求高質(zhì)量的密封，制造工藝復(fù)雜，并給使用和維護(hù)帶來很多困難。（3）鋰離子電池技術(shù)鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點，已成為電動汽車較為理想的動力電源。目前，全球鋰電池生產(chǎn)主要集中在日本、韓國和中國，主要用于消費電子、運載工具的動力、電力電網(wǎng)的儲能等領(lǐng)域。從現(xiàn)階段發(fā)展趨勢來看，隨著電極材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的深入，在分子水平上設(shè)計出來的各種規(guī)整結(jié)構(gòu)或摻雜復(fù)合結(jié)構(gòu)的正負(fù)極材料將有力地推動鋰電池的研究與應(yīng)用。1.2.4化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（4）液流電池技術(shù)液流電池是通過正、負(fù)極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，具有儲能系統(tǒng)運行安全可靠、環(huán)境友好、能量效率高、易于系統(tǒng)集成和規(guī)模放大等特點。適用于對體積、重量要求不高的固定大規(guī)模儲能電站，不適用于移動電源和動力電池。想要推進(jìn)液流電池儲能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要不斷創(chuàng)新、完善技術(shù)，大幅度降低液流電池的制造成本，滿足實用化和商業(yè)化的要求。1.2.4化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.2.5生物質(zhì)能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢生物質(zhì)能占2019年全球能源消耗總量的11.6%以及可再生能源消耗的一半左右。目前我國主要生物質(zhì)資源年產(chǎn)生量約為34.94億噸，具有能源利用的開發(fā)潛力為4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，生物質(zhì)發(fā)電容量2020-2022年的年均增長率20%以上。2015-2022年我國累計生物質(zhì)發(fā)電裝機容量根據(jù)《3060零碳生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿λ{(lán)皮書》預(yù)測，我國秸稈、畜禽糞、林業(yè)剩余物、生活垃圾、廢棄油脂等生物質(zhì)能源的產(chǎn)量將逐步上升，為生物質(zhì)技術(shù)的發(fā)展提供充足的原料。未來生物能源與碳捕獲和儲存（BECCS）技術(shù)與生物質(zhì)能技術(shù)相結(jié)合能夠為全球溫室氣體減排貢獻(xiàn)巨大的力量。1.2.6核能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2012-2022年我國核能發(fā)電量變化核能能在軍事、醫(yī)療、民生等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前的規(guī)模最大的利用方式是發(fā)展核電。一些國家和地區(qū)的核電成本已經(jīng)低于燃煤及天然氣的發(fā)電成本。我國核電運行裝機規(guī)模持續(xù)增長，核能發(fā)電量持續(xù)提高，在“十三五”規(guī)劃的