第2章 新能源发电技术（电科院0210）.docx

新能源发电技术 能源是国民经济和社会发展的重要基础，而在众多能源中，电能是目前人类广泛使用的能源形式之一。人们发明了很多办法将其他能源转化为电能，目前使用最广泛的仍然是火力发电、水力发电等常规发电形式。新能源发电的技术主要是指利用风能、太阳能、生物质能、海洋能和地热能等各种新型可再生能源进行发电的技术形式。与常规的火力发电相比，新能源发电不消耗煤、石油、天然气等化石能源，不会产生额外的二氧化碳等温室气体排放，具有清洁、无污染的特点。本章主要介绍风电、光伏发电、光热发电等主流的新能源发电技术的基本类型、工作原理等方面的内容。 风力发电技术 风能资源（移至：第4章 新能源资源监测与发电预测） 全球风能资源非常丰富，全球风能资源分布如图2-20所示。世界风能资源理论蕴藏量为2000万亿千瓦·时/年。受大气环流、地形、海陆和水体等因素影响，全球风能资源分布很不均衡。从各大洲风能资源分布来看，非洲、亚洲、北美洲、南美洲、欧洲、大洋洲分别占全球风能理论蕴藏量的32%、25%、20%、10%、8%、5%。世界各大洲风能资源如表2-11 所示。 图2-2 全球风能资源分布示意图 资料来源：美国3TIER风能与太阳能资源评估公司 表2-1 世界各大洲风能资源 地区 理论蕴藏量（万亿千瓦·时/年） 占全球总量比重（%） 亚洲 500 25 欧洲 150 8 北美洲 400 20 南美洲 200 10 非洲 650 32 大洋洲 100 5 表2-2 各大洲陆上风能资源较为丰富的国家 单位：万亿千瓦·时 地区 国家 风电技术可开发量 亚洲 俄罗斯 68 中国 20 哈萨克斯坦 3 欧洲 丹麦（含格陵兰岛） 65 挪威 2 西班牙 1 北美洲 美国 33 加拿大 25 墨西哥 4 南美洲 巴西 10 阿根廷 6 智利 3 非洲 苏丹 46 索马里 44 埃及 37 大洋洲 澳大利亚 21 新西兰 1 我国风能资源主要集中在下述地区： 东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200W/m2的等值线平行于海岸线。沿海岛屿风能密度在300W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的小时数为7000~8000h，大于或等于6m/s的小时数为4000h。 新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200~300W/m2，全年中风速大于或等于3m/s的小时数为5000h以上，大于或等于6m/s的小时数为3000h以上。 黑龙江、吉林西部、河北北部及辽宁半岛的风能资源也较好，有效风能密度在200W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的小时数为5000h以上，大于或等于6m/s的小时数为3000h以上。 青藏高原有效风能密度在150~200W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的小时数为4000~5000h，大于或等于6m/s的小时数为3000h。 云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江，除局部地区有较好风资源外，基本为风能资源贫乏区，有效风能密度在50W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的小时数在2000h以下，大于或等于6m/s的小时数在1500h以下，风能潜力很低。 风力发电基本原理 风能捕获原理 （1）空气动力学原理 风力机是一种从风中吸取动能的装置。由流体力学可知，空气流动产生的动能为： E= （2-1） 式中，m为空气质量，v为空气流动的速度。 设单位时间内气流流过截面积为A的气体体积为V，则有： V=Av （2-2） 如果以r表示空气密度，该体积的空气质量为： m=ρV=ρAv （2-3） 这时气流所具有的动能，即风能的表达式为： E= （2-4） 在国际单位制中，r的单位是kg/m3；V的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位是W。 从风能表达式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中，r和v随地理位置、海拔、地形等因素而变。 通过动能的转移，风速会下降，通过风轮圆盘的空气流动会受到影响。假设将受影响的空气与那些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，形成一个横截面为圆形的空气流管。如果没有空气横穿边界面，那么对于所有的沿气流管流向位置的空气质量流量都相等。但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。图2-1给出了空气流管的示意图。 图2-3 空气流管示意图 图2-3中，单位时间内通过特定截面的空气流量是rAv；r为空气密度，A为横截面积，v为流体速度；下角符号￥代表上游无穷远处的情况，d代表截面处的情况，w代表在尾流远端的情况；通常认为致动盘导