《新能源工學(xué)基礎(chǔ)》1《新能源工學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)大綱課程的性質(zhì)和任務(wù)：新能源技術(shù)是自然科學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合，其理論基礎(chǔ)寬廣，工程實(shí)踐綜合性強(qiáng)。隨著新能源開發(fā)的飛躍發(fā)展，最新技術(shù)和基本原理越來越受到關(guān)注和重視。如何展示和講解科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明發(fā)現(xiàn)，

最新技術(shù)和基本原理，特別是理工學(xué)方面的基礎(chǔ)知識，是一個非常有意義的過程。本課程將以一種易懂的方式講述及普及新能源工學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，

為學(xué)生了解新能源設(shè)備在工學(xué)領(lǐng)域的特性、規(guī)律提供幫助及啟發(fā)。本課程分別介紹了多種類的新型能源在現(xiàn)今生活中的應(yīng)用和發(fā)展，太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿茸匀荒茉词窃鯓訋椭?/p>

我

們

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生

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的

。然后，帶著好奇、疑惑、不解和期待探究新能源

工學(xué)中的奧妙：光、風(fēng)、水、電、能量、運(yùn)動、能量交換及守恒、新能源發(fā)電及技術(shù)特點(diǎn)等。這樣有利于學(xué)生對自己將要從事的專業(yè)有全面認(rèn)識，以激

發(fā)他們對后續(xù)的基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需對以下方面有全面的了解和認(rèn)識：1.

了解新能源科學(xué)與工程學(xué)科的分類、應(yīng)用等，2.掌握新能源科學(xué)與工程涉及的原理及初步的工學(xué)基礎(chǔ)，3.

具備一定的描述新能源利用技術(shù)中物理現(xiàn)象與解決問題方法的能力。2序號教學(xué)內(nèi)容學(xué)時1第1章能量與新能源能量、新能源、如何利用新能源，教學(xué)大綱、

教學(xué)日歷解讀22第2章分布式能源系統(tǒng)及智能化分布式能源、智能電網(wǎng)、智能微電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)

基礎(chǔ)知識43第3章光與能量轉(zhuǎn)換光輻射描述及諸參數(shù)求解、太陽能發(fā)電、太陽

能光伏電站與投資方案設(shè)計84第4章風(fēng)與能量轉(zhuǎn)換風(fēng)能與風(fēng)功率、風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電數(shù)值仿真

與虛實(shí)結(jié)合技術(shù)85第5章水與能量轉(zhuǎn)換水電站與水輪機(jī)、水輪機(jī)理論與特性、水電站水輪機(jī)選型、水輪機(jī)組選型設(shè)計、水輪機(jī)的虛實(shí)結(jié)合與數(shù)值仿真86第6章熱與能量轉(zhuǎn)換生物質(zhì)利用、地源熱泵與地源能利用、溫差熱

電技術(shù)與溫差熱電制冷技術(shù)簡介、核能利用基

礎(chǔ)簡介67現(xiàn)場教學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn)：流體力學(xué)基礎(chǔ)、熱工學(xué)基礎(chǔ)、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、發(fā)電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)

及控制等4共計40教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排3能量是什么?能量是事物運(yùn)動的基礎(chǔ)。宇宙中的一切，包括你的身體，都蘊(yùn)藏著能量。能量存在的形式有許多種：光能、熱能、電能、聲能、動能

等，能量是表示物體做功能力大小的物理量，包括動能、勢能、熱能、電能、光能、化學(xué)能、核能等多種形式。這本書中將與你一起認(rèn)識這些能量、告訴我們是如何獲得能量的，能量是如何轉(zhuǎn)換的，轉(zhuǎn)換工程的實(shí)行，轉(zhuǎn)換能力的評價。能量無處不在，能量在世界各地不停地循環(huán)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，可以說能量是一切事情發(fā)生的必備條件?？茖W(xué)家們正在努力于所有研究范圍內(nèi)進(jìn)行追尋，爭取破譯能量產(chǎn)生、流動、交換、耗散的復(fù)雜過程。我們將探究不同種類的新能源具有的能量形態(tài)與能量轉(zhuǎn)換時的原理及特點(diǎn)、

數(shù)學(xué)表達(dá)與量化等，各種新能源在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時涉及到的工學(xué)領(lǐng)域方面的基礎(chǔ)知識。學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解能量及新能源的定義，理解為什么要發(fā)展新能源。第一章能量與新能源4任何能量都是從物質(zhì)中獲取任何能量都是從物質(zhì)中獲得。能源是各種能量形式的載體，那么能量當(dāng)然就儲存在能源中了。因此在我們所處的日常生活中的能

量范圍內(nèi)給出一個能量概念，是一件有意義的事情。理論上說，太陽所發(fā)出的輻射是地球上絕大多數(shù)能量的源頭，堪稱“能源之源”

。太陽給了地球上的植物以巨大的能量，植物將這些能量積聚在體

內(nèi)，長高長大，這些能量又成為地球上其它生物的能量基礎(chǔ)。2020/5/1

5能量評價能量與我們的生活息息相關(guān)，比如，

一瓶汽水含有837.36J,1升汽油含有約3.24×104kJ的能量，利用217個“巨無霸”大號漢堡中的能量，能夠駕車行駛35

km。

簡單地說，4.1868J的能量或熱量可將1g水在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下升高1℃,(4.1868J=1cal)。一般來說，成人每天至少需要6280.2

kJ的能量來維持身體機(jī)能，這是因?yàn)榧词固芍粍?，人的身體仍需能量來保持體溫，心肺功能和大腦運(yùn)作。我們知道的能量有動能和位能，熱是能量的一種形態(tài)，原子和分子的內(nèi)動能和內(nèi)位能是熱的根源，熱力系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，單位為焦耳，符號為J。2020/5/1

6新能源的由來能源在哪里?或者說，哪些物質(zhì)或物質(zhì)形式才是能源，它們是

什么樣子的?人類為了滿足自身的需要一直在孜孜不倦地尋找能源

,征服能源在人類社會的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用，隨著需求的不斷

增加及環(huán)境的要求，必須不斷開發(fā)新能源?，F(xiàn)在的能源面貌已經(jīng)或開始發(fā)生深刻的變化，可再生能源在其中占據(jù)了舉足輕重之地，今后可能會成為重要領(lǐng)地的持有者。如果自然界中的一種能源能再生或更新，它就可被視為可再生

能源，這樣的能源就有太陽能、風(fēng)能、水能、生物能和地?zé)崮堋ＶT

如太陽、地球、月亮這些天體便是這些能源的發(fā)源地。太陽是一臺

巨大無比的機(jī)器，它每秒能把幾百萬噸的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熱量，其中心

溫度高達(dá)幾千萬攝氏度。這個熱量通過輻射發(fā)送到太空。來自太陽

的輻射中只有非常小的一部分被地球截取到。太陽在一小時內(nèi)輸送

給地球的能量等于人類一年所消耗的能量。無論天氣如何，地球在

一年中接收到的能量是恒定的。這個能量可以轉(zhuǎn)化為熱量、機(jī)械能

,還可以變成電能。2020/5/1

7新能源的形成太陽輻射能夠讓植物通過光合作用得到生長，這個從光開始的神奇的物質(zhì)變化是所有植物生長的由來，它是所有生物能的來源。來自太陽的熱量維持了水的循環(huán)，這個熱量能使水蒸

發(fā)到空中變成水汽，水汽進(jìn)入大氣后，成云致雨，雨水流入江河湖海成為水能的源頭。地面和海洋面吸收的來自太陽的熱量

使得周圍氣團(tuán)溫度升高，對大氣壓帶來影響，兩個氣團(tuán)之間存

在壓力差會引起氣團(tuán)之間的空氣流動，即形成了風(fēng)，這便是風(fēng)

能的來源。地球中放射元素衰變釋放出熱量使得地球中心溫度

超過7000攝氏度，成為地?zé)崮艿膩碓础?020/5/1

8可再生能源按照是否可以再生，能源可以分為可再生及非再生能源。可再生能源是指在自然界中可以不斷得到補(bǔ)充或能在較短周期內(nèi)再

產(chǎn)生，取之不盡、用之不竭的能源，如太陽能、風(fēng)能、水能、生

物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等。煤炭、石油、天然氣、核能等，?/p>

們經(jīng)過億萬年形成而在短期內(nèi)無法恢復(fù)再生，用掉一點(diǎn)便少一點(diǎn)

,對于這些能源的清潔高效利用顯得十分重要，受到重視。2020/5/1

9新能源與常規(guī)能源根據(jù)開發(fā)利用的廣泛程度不同，能源可以分為常規(guī)能源和新能源。常規(guī)能源是指開發(fā)利用時間長、技術(shù)成熟，已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)并得到廣泛使用的能源，如煤炭、石油、天然氣、水能與核能等，目前這些能源幾乎支持著全世界的能源消費(fèi)。所說新能源，就是目前還沒有大規(guī)模利用、正在積極研究開發(fā)的能源，或者采用新技術(shù)和新材料，在新技術(shù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)地開發(fā)利用的能源。新能源是相對于常規(guī)能源而言的，在不同歷史時期和科技水平下，新能源的含義也不相同。當(dāng)今社會新能源主要指太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⑿∷艿?。其中核能利用技術(shù)十分復(fù)雜，核裂變技術(shù)已廣泛使用，而可控核聚變反應(yīng)至今未能實(shí)現(xiàn)，所以，目前主流觀點(diǎn)是將核裂變能看成常規(guī)能源，而將核聚變能視為新能源。2020/5/1

10新能源開發(fā)特點(diǎn)新能源除了其清潔、可持續(xù)循環(huán)利用的特點(diǎn)以外，開發(fā)這些新能源需要新理念、新高科技理論、新開發(fā)技術(shù)才能達(dá)到高品質(zhì)

開發(fā)，也是其重要特點(diǎn)。新的認(rèn)識與開發(fā)方法可以讓新能源獲得

新的利用途徑，發(fā)揮新的效能。2020/5/1

11如何利用這些新能源如何利用這些能源呢?按照國際能源署(IEA)的推薦，新能源和可再生能源可分為三類：第一類是大中型水電、第二類是傳統(tǒng)的生物質(zhì)能，這兩類稱為舊的可再生能源；第三類是新的可再生能源，包括太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮?、海洋能和小水電等。新能源是今后最具發(fā)展前景的能源。但是開發(fā)新能源也會遇到“瓶頸”,許多新能源在開發(fā)過程中遇到了各種困難，要想以新能源逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，需要長期探索，還有很長的路要走。下圖中分別表示了風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、抽水蓄能等新能源發(fā)電家族成員。2020/5/1

12s電刷集電環(huán)電流計核能：利用風(fēng)險系數(shù)較高，鈾礦生成周期

長且量少。煤炭、石油、天然氣

能：可再生周期以億年為單位。風(fēng)力發(fā)電太陽能發(fā)電

抽水蓄能電站超低落差水力發(fā)電新能源發(fā)電廠家族生物質(zhì)發(fā)電廠電磁感應(yīng)發(fā)電輸電線路2020/5/1

13風(fēng)力發(fā)電風(fēng)光2020/5/1

14分類投入商業(yè)運(yùn)營的程度光伏發(fā)電技術(shù)太陽能技術(shù)不太成熟，制約了太陽能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，與其他能源相比還不具有競爭力。但光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯的產(chǎn)業(yè)，隨著技術(shù)提升、市場擴(kuò)大，太陽能發(fā)電的成本不斷下降，經(jīng)濟(jì)性逐漸顯現(xiàn)。政府對太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的激勵政策驅(qū)動了市場發(fā)展，各種力量及資金

匯集，太陽能光伏發(fā)電即將進(jìn)入井噴時代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)技術(shù)較為成熟，應(yīng)用性較強(qiáng)，發(fā)電成本有一定的市場競爭力光熱發(fā)電技術(shù)處于技術(shù)研發(fā)與集成示范的產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)人時期，完善產(chǎn)業(yè)鏈暫未形成，市場潛力大電化學(xué)儲能技術(shù)處于技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)人階段，已經(jīng)初步形成從原材料、產(chǎn)品到產(chǎn)業(yè)的完善鏈條水力發(fā)電技術(shù)水力發(fā)電開發(fā)歷史悠久，技術(shù)成熟，產(chǎn)業(yè)化效果良好各類主要新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段2020/5/1

15第二章分布式能源系統(tǒng)及智能化學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)涵及特點(diǎn)，理解發(fā)展智能電網(wǎng)、智能微電網(wǎng)的重要性。2020/5/1

16電力系統(tǒng)及其構(gòu)成電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、變電站、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)和電力用戶等環(huán)節(jié)組成

的電能生產(chǎn)、傳輸與利用系統(tǒng)，見下圖所示。發(fā)電廠將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)換成電能由輸電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、將電能輸送到負(fù)荷中心

,再由變電站向客戶供配電。輸電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)稱為電力網(wǎng)絡(luò)

或簡稱電網(wǎng)，是電力系統(tǒng)重要的一部分。2020/5/1

17用戶群(充電樁)桿上變壓器輸電網(wǎng)變電站配電站發(fā)電廠電力系統(tǒng)成員及作用發(fā)電廠產(chǎn)生電能。發(fā)電有多種方式，如風(fēng)能、太陽能、化石燃料、水能、核能等。變電站的任務(wù)是匯集電源、變換電壓、分配電能。輸電網(wǎng)負(fù)責(zé)電能輸送，電流沿著高壓輸電線路流

動，將電能輸送至各個方向。配電站在電力系統(tǒng)中與用戶相連

并向用戶分配電能。桿上變壓器再次降低電壓以供用戶使用。用戶群，也可視為電力系統(tǒng)中廣大用戶使用的各種電氣設(shè)備。2020/5/1

18傳統(tǒng)電網(wǎng)變電調(diào)

度智能電網(wǎng)變電智能管理工業(yè)用電居民用電風(fēng)光儲能

電動汽車雙向信息流火電水電新能源可再生能源能量流信息流傳統(tǒng)電網(wǎng)與智能電網(wǎng)的區(qū)別輸電：輸電配電實(shí)時調(diào)度、

管

理2020/5/1

19工業(yè)用電居民用電配

電火

水電電智能電網(wǎng)的特點(diǎn)智能電網(wǎng)是一個完全自動化的電能傳輸網(wǎng)絡(luò)，它能夠監(jiān)視和控制每個用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶整個發(fā)電、輸電、配電過程中所有節(jié)點(diǎn)之間信息的雙向流動，向用戶有效的提供安全優(yōu)質(zhì)的電能。還有，智能電網(wǎng)中支持多種可再生新能源、儲能系統(tǒng)的接入，為新能源走進(jìn)能源大家族提供了可靠的技術(shù)保證，也將為挑戰(zhàn)新一代能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)做出重要貢獻(xiàn)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)體現(xiàn)出電力流、信息流和業(yè)務(wù)流的高度融合的顯著特點(diǎn)，能夠適應(yīng)大規(guī)模清潔能源和可再生能源的接入，可獲取電網(wǎng)的全景信息，運(yùn)行管理與控制靈活，能及時發(fā)現(xiàn)、預(yù)見故障，并能實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)，電網(wǎng)的堅強(qiáng)性得到鞏固和提升，雙向通信系統(tǒng)使得服務(wù)項(xiàng)目更加快速便捷。2020/5/1

20智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中心服務(wù)器

采集服務(wù)器SCADA服務(wù)器集群調(diào)度臺操作維護(hù)工作站核心網(wǎng)IP承載網(wǎng)魯基站

基站

基站發(fā)電

配電用電電力用戶集中器PLC采集器電量表用電信息采集器配電變電站配網(wǎng)自動化圣愉電線路指揮調(diào)度輸電變電站視頻監(jiān)控2020/5/1

21DTUFTU發(fā)電廠分布式發(fā)電與微電網(wǎng)·分布式發(fā)電是一種新興的能源利用方式，其定義可概括為：直接布置的配

電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電。分布式發(fā)電

系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)施稱為分布式電源，主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料

電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等。這些電源通常發(fā)電規(guī)模小且靠近用戶，一般可以直接向其附近的負(fù)荷供電或根據(jù)需要向電網(wǎng)輸出電能?！の㈦娋W(wǎng)是一種新型電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一組微電源、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)和控制

裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元。微電網(wǎng)是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治

系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。微電網(wǎng)是相對傳統(tǒng)大

電網(wǎng)的一個概念，是指多個分布式電源及其相關(guān)負(fù)載按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組

成的網(wǎng)絡(luò)，并通過靜態(tài)開關(guān)關(guān)聯(lián)至常規(guī)電網(wǎng)。由上圖可以看出微電網(wǎng)由分布

式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控及保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系

統(tǒng)

。2020/5/1

22智能微電網(wǎng)·

智能微電網(wǎng)就是微電網(wǎng)的智能化，它的原理、特點(diǎn)與智能電網(wǎng)相

似。它是將可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、

生物質(zhì)能、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等能源管理系統(tǒng)(EMS)

和輸配

電設(shè)施高度集成的新型電網(wǎng)。智能微電網(wǎng)可以看作是一個小型的

電力系統(tǒng)，它具備完整的發(fā)、輸、配電功能，可以實(shí)現(xiàn)局部的功

率平衡與能量的優(yōu)化，在大電網(wǎng)系統(tǒng)中微電網(wǎng)又可以看成為一個

電源或負(fù)荷?！?/p>

作為小型完整的電力系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)依靠自身的控制及管理功

能實(shí)現(xiàn)功率平衡控制、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、故障檢測與保護(hù)、電能質(zhì)

量治理等方面的功能。除了高可靠性供電，還具備高效率能量管

理功能，可以顯著提高能源利用率，并具備在線電能質(zhì)量監(jiān)測與

優(yōu)化功能，可通過計算機(jī)云服務(wù)與手機(jī)客戶終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測與

管理，可對多種能源發(fā)電進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及調(diào)度運(yùn)行。下圖中表示

了一例智能微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。2020/5/1

23智能微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖智能微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控及保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。調(diào)度中心

EMS監(jiān)控平臺

環(huán)境檢測儀

10kV/

電網(wǎng)35kVAC400V變壓器2020/5/1

24柴油機(jī)

光伏陣列

風(fēng)力發(fā)電機(jī)

蓄電池1鋰電池n

BMS

負(fù)荷端智能配電柜

風(fēng)力逆變器n儲能變流器n,

負(fù)荷配電柜光伏逆變器1儲能變流器1微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的關(guān)系大型電廠

升壓變樞紐變電站大電網(wǎng)

配電變壓器，

配電變壓器微網(wǎng)光伏電站商業(yè)建筑

光伏電站儲能

商業(yè)建筑燃?xì)廨啓C(jī)工廠企業(yè)光伏電池燃料

電

池

居民風(fēng)力

發(fā)電配電變壓器2020/5/1

25分布式電站能源管理系統(tǒng)通過能量管理控制可以充分利用分布式新能源發(fā)電、實(shí)現(xiàn)發(fā)電調(diào)峰及負(fù)荷不間斷優(yōu)質(zhì)供電、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化保護(hù)與運(yùn)行，實(shí)

現(xiàn)發(fā)電及用電效益最大化。微電網(wǎng)行業(yè)研究分析認(rèn)為，微電網(wǎng)是

大電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的重要組成部分，在工商業(yè)區(qū)域、城市片區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景。隨著微電網(wǎng)關(guān)鍵

技術(shù)研發(fā)進(jìn)度加快，預(yù)計智能微電網(wǎng)將進(jìn)入快速發(fā)展期。2020/5/1

26智能微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)下圖表示了多種分布式電站智能微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)

(EMS)

的整體架構(gòu)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多種能源最大化利用的目的。華南理工大學(xué)與科遠(yuǎn)公司合作開發(fā)了智能微電網(wǎng)分布式能源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由風(fēng)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、熱伏系統(tǒng)、火電系統(tǒng)、水電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)(蓄電池，儲能變流器)、負(fù)荷中心管理系統(tǒng)、配電開關(guān)柜系統(tǒng)等主要部分組成。能源管理系統(tǒng)同期并網(wǎng)柜

快速開關(guān)柜AC380V母線氣象單元風(fēng)機(jī)變頻器光伏逆變器熱伏逆變器汽輪發(fā)電機(jī)

水輪發(fā)電機(jī)儲能變流器模擬負(fù)載10kw20kw20kw50kw50kw4004H直驅(qū)風(fēng)機(jī)

光伏組件

熱伏組件

汽輪機(jī)

水輪機(jī)蓄電池組2020/5/1

27智能微網(wǎng)控制及能量管理系統(tǒng)界面智能微電網(wǎng)控制及能量管理畫面表示在下圖中，負(fù)荷管理系統(tǒng)具

備“智能感知、智能處理、智能判斷”的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)智能決策及運(yùn)

行管理及確保安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。2020/5/1

28綜合能源能量管理監(jiān)控主界面發(fā)電功率日發(fā)電累計發(fā)電并網(wǎng)次數(shù)累計并網(wǎng)時長0.00.0181.720

次67.3并網(wǎng)次數(shù)社會貢獻(xiàn)SocialContribution園區(qū)電量儲能系統(tǒng)減少標(biāo)準(zhǔn)煤133.9t監(jiān)控主畫面2020/5/129光伏發(fā)電能量控制管理界面光伏控制畫面實(shí)時光照強(qiáng)度100.0

0

W/a2MPT

模式MPPT

模

式MPPT

模

式2020/5/1

30風(fēng)力發(fā)電能量控制管理界面MPT

模式MPPT模

式MP

廣植式貼PT橫武總有功

48

k總無功

KVar311.22kw0.40

kVar10

c0

m/s2020/5/1MPPT

橫

式智能微電網(wǎng)核心是大量接入新能源與電網(wǎng)智能技術(shù)微電網(wǎng)把分布式電源、負(fù)荷、儲能設(shè)備及控制系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)成了小型電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)核心功能是大量接入風(fēng)力、太陽能等分布

式的發(fā)電方式，提高了分布式能源發(fā)電方式的滲透率及電網(wǎng)智能技術(shù)的快速發(fā)展。微電網(wǎng)支持并網(wǎng)(并入大電網(wǎng)系統(tǒng))運(yùn)行與孤網(wǎng)(微電

網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)行)運(yùn)行兩種模式：在并網(wǎng)工作模式下，與中、低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，互為支撐，實(shí)現(xiàn)能量的雙向交換。當(dāng)外部電網(wǎng)故障或調(diào)度條件發(fā)生變化時可轉(zhuǎn)換成孤網(wǎng)運(yùn)行模式，繼續(xù)為本地微電網(wǎng)內(nèi)的重要負(fù)荷提供電能。管理平臺通過采取先進(jìn)的控制策略和控制手段，可以保證微電網(wǎng)內(nèi)的高質(zhì)量電能供電特性，另外對應(yīng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)兩種運(yùn)行模式的無縫切換也能夠快捷實(shí)現(xiàn)。具體內(nèi)容專業(yè)課中將會進(jìn)行介紹。2020/5/132智能微電網(wǎng)前景從全球來看，智能微電網(wǎng)主要處于實(shí)驗(yàn)和示范階段，市場規(guī)模穩(wěn)步增長。當(dāng)下世界范圍的能源電力需求及新能源發(fā)電使用量增大，智能微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用前景看好。隨著新能源分布式電站及電網(wǎng)智能技術(shù)的不斷快速發(fā)展，各種分布式電站如雨后春筍出現(xiàn),太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光熱轉(zhuǎn)換發(fā)電等分布式電站的智能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行更加被期待，各國都在抓緊研究，仍需大踏步前進(jìn)O2020/5/133讓新能源設(shè)備和諧進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換實(shí)際上能源依據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理的不同其發(fā)電設(shè)備構(gòu)造也不同。我們的任務(wù)是，了解能源的能量轉(zhuǎn)

換原理、條件及特點(diǎn)，尋求使能量更加和諧的轉(zhuǎn)換

過程，讓新能源、清潔能源發(fā)電設(shè)備更好地融入電

力系統(tǒng)大家族，以更好的姿態(tài)服務(wù)于社會。2020/5/134○學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解太陽能的能量描述方法及重要參數(shù)的表達(dá)、太陽能轉(zhuǎn)換成電能時

能量參數(shù)與設(shè)備參數(shù)最佳方案的探討，會進(jìn)行一些基礎(chǔ)設(shè)計，有條件時參加有關(guān)實(shí)

驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)提高動手能力。第三章光與能量轉(zhuǎn)換2020/5/135光與能量轉(zhuǎn)換一太陽能利用94%,這是目前我國火電占裝機(jī)總?cè)萘康谋壤?。這樣的一種能源結(jié)構(gòu)，讓我們在取得經(jīng)濟(jì)高速增長的同時，也付出了環(huán)境代價。怎樣讓電力更清潔、更環(huán)保?俗話說得好，萬物生長靠太陽，所

以太陽也被稱作“能源之母”。太陽能是地球上許多能源的來源，

如風(fēng)能、化學(xué)能，水能等等。太陽能是最理想的能源，在可再生

能源的有效利用中，不管是從資源的數(shù)量、分布的普遍性，還是

從清潔性、技術(shù)的可靠性來看，太陽能都比其它可再生能源更具

優(yōu)越性。它是取之不盡、用之不竭、無污染、廉價，人類能夠自

由地利用的能源。2020/5/136太陽能利用形勢廣東省出臺的《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的實(shí)施意見》規(guī)劃到2015年，全省光伏發(fā)電總裝機(jī)容

量爭取達(dá)到1GW,2020年達(dá)到4GW。粗略按10元/瓦

計算，到2015年廣東省光伏發(fā)電市場規(guī)模將達(dá)到100

億元，2020年將達(dá)到400億元。依現(xiàn)在國家對光伏發(fā)

電產(chǎn)業(yè)的支持，估計發(fā)展增速會更快。2020/5/137太陽常數(shù)太陽常數(shù)是進(jìn)入地球大氣的太陽輻射在單位面積

內(nèi)的總量，要在地球大氣層之外，垂直于入射光的平

面上測量。·

1981年，世界氣象組織(WMO)

公布的太陽常數(shù)值是1368w/m2?！?/p>

到達(dá)地球大氣外圈的太陽光能量(太陽常數(shù))約13.7kW/m2。2020/5/138到達(dá)地球表面太陽光能密度·

照射在地球表面的太陽光，在穿過大氣層的時候，部分能

量被大氣層中存在的各種氣體分子吸收，使到達(dá)地球表面

的太陽光能密度比大氣層外的密度值小，到達(dá)地球表面的太陽光能密度大約為1kW/m2。·

如果太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是100%的話，光照射在1m2面積上就可以獲得1kW

的電能?？墒?，家庭中實(shí)際使用的太

陽能電池轉(zhuǎn)換效率是10%～20%,所以，

一塊邊長為1m2的

正方形太陽能電池板上可以獲得的太陽能是100W～200W。2020/5/139太陽高度角ah與

輻射強(qiáng)度的關(guān)系太陽高度角ah、

方位角Y

的關(guān)系熱面積大，光熱分散，獲得太陽輻射能量少，因此太陽

輻射強(qiáng)度小太陽高度角大，受熱面積小，光熱集中，獲得太陽輻射

能量多，因此太陽

輻射強(qiáng)度大太陽高度角ah、

天頂角θ天頂太陽天頂角θAna

地表太陽視位置(高度角)參數(shù)關(guān)系2020/5/1

40太陽高度角與太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系太陽視位置(太陽高度角)求解sinαh=sinδsinφ+太陽高度(角)

αn

定義見右上圖，可由上式計算得到。式

中

：太陽

時

角W:

@=15?×(ST-12)式

中ST

為真太陽時觀測地域緯度φ:地域緯度為已知條件，如觀測地廣州緯度φ為21.4°:定義見右下圖，計算式如下，式中參數(shù)的決定赤

尾

角

δ

+232020/5/1

41可參考第3章赤尾角計算四象限圖。北回歸線

赤道南回歸線春分

秋分冬至0°45°.45°夏至-23.8赤尾角計算四象限參考圖δ=23.45°Ⅱ

夏

至

I6月21日δ=0°春

分3月20日鄉(xiāng)從冬至開始計時至秋

分9

月

2

3日從秋

分NⅢ到

春

分.012從冬至到春分的天數(shù)IV到

秋

從春分=

2夏.97至5

的天數(shù)2020/5/1

42

夏δ=0

°δ=-23.45°

冬

至從秋分開始計時的天數(shù)Q的

天

數(shù)

α12月22日例：求夏至日太陽赤尾角由赤緯角計算四象限參考圖可知，夏至日即6月21日處在第

一

象限末日，公式中a1表示為從春分日開始至夏至經(jīng)過的天數(shù)，N1=92.975

為從春分日到夏至日的天數(shù)；可

以看出，此時：αl=92.975,N1=92975(,al=M),α2=0,α3=0,α4=0,即，夏至日太陽赤緯角δ=23.45°。*更多例題詳細(xì)請參考書第三章節(jié)。2020/5/1

43即有

：δ=23.45°太陽能發(fā)電形式·

太陽能的利用方式可以分為直接方式和間接方式，直接方式包括太

陽能熱水器、太陽能電池等，間接方式有通過水循環(huán)進(jìn)行水力發(fā)電，

風(fēng)循環(huán)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電、帆船行駛等，除此之外，還有利用受惠于太

陽光生長的植物進(jìn)行的生物質(zhì)能發(fā)電和生物酒精制造等?！?/p>

太陽能光伏板發(fā)電太陽能電池，是以電能的方式輸出太陽能，也可

以說，光伏太陽能在于直接將來自太陽的光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。這種方式

比直接利用太陽能熱更加方便，下頁圖中表示了太陽光伏板發(fā)電的

示意圖?！?/p>

另外，還有利用月球引力所引起的潮位變化來進(jìn)行的潮汐發(fā)電、利

用地球內(nèi)部巖漿產(chǎn)生的熱進(jìn)行的地?zé)岚l(fā)電等。2020/5/1

44太陽能光伏板發(fā)電2020/5/1

45太陽能屋頂光伏發(fā)電2020/5/1

46并網(wǎng)與離網(wǎng)運(yùn)行·

對于地處偏遠(yuǎn)，無法使用其它各種能源的地區(qū)來說，太陽能是一種

有用的能源。一些太陽能電池板不需與電網(wǎng)連接，它們被安裝在住宅屋頂或偏遠(yuǎn)農(nóng)場的屋頂，離開公共電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，稱離網(wǎng)運(yùn)行?！?/p>

光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接，共同承擔(dān)供電任務(wù)稱為并網(wǎng)運(yùn)行。

它是太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展階段，成為電力系統(tǒng)組成部分之一的重要方向，也是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的

主流趨勢?！?/p>

并網(wǎng)運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性：可以對電網(wǎng)調(diào)峰；所發(fā)電能回饋電網(wǎng)以電網(wǎng)為儲能裝置，省掉蓄電池，節(jié)省發(fā)電成本；光伏電池與建筑完美結(jié)合，即可發(fā)電又可作為建筑材料，資源充分利用；出入電網(wǎng)靈活，容易實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡。2020/5/1

47光熱發(fā)電·

光被聚集起來，溫度就會變得更高。溫度更高，熱量就會更有效

地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等能量。裝配一套叫“定日鏡”的鏡子，將反射

的光線射向一個黑色的表面，這個表面就會有效地吸收光線并將

之轉(zhuǎn)化為熱量。然后將熱量傳遞給一種流體，它可以是空氣、水

或油。以水為例，隨著溫度的升高，它將化為蒸汽，蒸汽在汽輪

機(jī)里膨脹提供了機(jī)械能給轉(zhuǎn)軸，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能是由一個交流

發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

聚集光線必須利用具有幾何形狀的鏡子，按集熱方式不同，太陽

能發(fā)電站存在三大類：2020/5/1

48碟式太陽能發(fā)電廠下圖為碟式太陽能發(fā)電廠。采用拋物線形的鏡子跟蹤太陽，在其焦點(diǎn)的位置放

置了一個斯特林機(jī)。這個拋物線形狀可以使來自太陽的光線聚集在一個焦點(diǎn)，即斯特林機(jī)發(fā)熱的那個部位，其溫度可達(dá)500～1000攝氏度。斯特林機(jī)靠循環(huán)氣體受熱膨脹產(chǎn)生的功來維持其運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電原理見下頁中圖斯特林發(fā)電原理實(shí)驗(yàn)2020/5/1

49斯特林機(jī)發(fā)電原理實(shí)驗(yàn)2020/5/150塔式太陽能熱發(fā)電廠下圖表示了塔式太陽能熱發(fā)電廠原理圖。塔式太陽能熱電站里安裝了

一系列定日鏡，全天跟蹤太陽。這些定日鏡把光線反射在一個焦點(diǎn)，即一

個敞開的倉位，在其底部有一組黑色管子收集光線。這些管子將熱量傳遞

給循環(huán)于其中的流體，溫度可以達(dá)到將近1000攝氏度。接收器蒸汽發(fā)生器

高溫儲熱器低溫儲熱器透平、發(fā)電機(jī)塔定日位場2020/5/151集熱器及熱交換聚集太陽光透明玻璃通回?zé)崞鞴軣釟飧孜鼰峁芙邮掌魍獗?020/5/152集熱器及熱交換U

形管熱氣缸鈉蒸汽吸熱面吸液芯液態(tài)鈉通回?zé)崞鞴芙邮芷魍鈿?020/5/153拋物面槽式太陽能發(fā)電廠下圖為拋物面槽式太陽能發(fā)電廠。其聚光集熱的實(shí)現(xiàn)靠一排橫截面為

拋物線的槽型鏡來實(shí)現(xiàn)，光線被聚集在一條線上。這樣，太陽能就被安

置在這些鏡子焦點(diǎn)上的一條管道所吸收。這些鏡子全天候跟蹤太陽，所

達(dá)溫度在200～400攝氏度之間。2020/5/154太陽能光伏發(fā)電利用·

太陽能利用已逐步深入我們的生活，如太陽能充電背包、燈、

充電樁、屋頂光伏電站等等，見下圖?！?/p>

本節(jié)將太陽能光伏發(fā)電作為重點(diǎn)敘述。太陽能充電背包

太陽能燈太陽能充電樁屋頂光伏電2020/5/155太陽光線太陽電池結(jié)構(gòu)原理上電極N型硅PN

結(jié)P型硅

下電極太陽能光伏電池及組件2020/5/156光伏發(fā)電板組件太陽能光伏發(fā)電原理日常生活中，我們對燈具通電后發(fā)出光的現(xiàn)象習(xí)以為常，可是有誰想到

過將光能轉(zhuǎn)變成電能呢?有PN結(jié)的半導(dǎo)體硅在太陽光照射下，相互之間竟然

產(chǎn)生了電流!稱作太陽能光伏發(fā)電機(jī)或稱其為太陽能光伏電池。太陽能光伏

電池是一種對光有反應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，這種發(fā)電稱之為太陽

能光伏發(fā)電。在自然能源中，最令人期待的就是太陽能光伏電池，太陽能光

伏發(fā)電的井噴時代來臨了!P型硅半導(dǎo)體涂層為硼，多帶正電荷；N型硅半導(dǎo)體涂層為磷，多帶電子負(fù)電荷。PN硅片疊在一起，成為PN結(jié)。PN節(jié)的作用是將正、負(fù)電荷分離，正

電荷向P型半導(dǎo)體集結(jié)，負(fù)電荷向N型半導(dǎo)體集結(jié)。實(shí)際上PN結(jié)是一個內(nèi)建電

場，當(dāng)光照射PN結(jié)時，因光生成的正、負(fù)電荷在內(nèi)建電場的作用下發(fā)生分離

,P側(cè)帶正電、N側(cè)帶負(fù)電。內(nèi)建電場會產(chǎn)生電位差也就是電壓，也就是光伏效應(yīng)。只要用電路連接，這種電位差就會形成電流，如下圖所示。2020/5/1

開路電壓

57如上圖，單個晶硅電池電壓只有0.8V,

將25個電池片串聯(lián)電壓可達(dá)到20V,再將這樣的11個組件串聯(lián)可得到的輸出電壓為220V,達(dá)到了一般照明所需的電壓。電池片串聯(lián)→電壓升高太陽能電池的串并聯(lián)單個太陽能電池片的輸出電壓很低，可以通過串聯(lián)方式提高電壓，通過并聯(lián)形式提高電流，從而增大發(fā)電量。實(shí)際使用的太陽能電池陣列是由多個太陽能電池組件串、并聯(lián)配線組成的。2020/5/158電池1

電池2下電極電池3如果想要增大電流，就需要將組件進(jìn)行并聯(lián)連接。例如上述220V的5

個組件并聯(lián)連接后的電流可以達(dá)到20V電壓。電池片并聯(lián)

→

電流增加這樣，將11個20V電池組件串聯(lián)可輸出