新能源转换与控制技术

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第9章其他新能源的发电与应用技术机械工业出版社1 机械工业出版社2 主要内容氢能及氢燃料电池发电与应用技术9.1空气能发电与应用技术9.2地热能发电与应用技术9.3核能发电与应用技术9.4机械工业出版社3 9.1氢能及氢燃料电池发电与应用技术9.1.1氢能简介作为二次能源的电能，可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。机械工业出版社4 9.1.1氢能简介氢的特点.l）所有元素中，氢重量最轻。2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。3）氢是自然界存在最普遍的元素4）除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。5）氢燃烧性能好、点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。机械工业出版社5 9.1.1氢能简介1廉价的制氢技术，因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低。2安全可靠的贮氢和输氢方法，由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。氢能利用关键问题.机械工业出版社6 9.1.2氢燃料电池发电与应用技术1、燃料电池的基本工作原理机械工业出版社7 9.1.2氢燃料电池发电与应用技术2、燃料电池的分类按电解质性质不同来区分按工作温度范围不同.碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）固态氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）低温型燃料电池中温型燃料电池高温型燃料电池碱性燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固态氧化物燃料电池机械工业出版社8 9.1.2氢燃料电池发电与应用技术3、燃料电池发电与控制技术燃料重整系统空气供应系统控制系统DC/AC变换系统剩气循环系统排热回收系统燃料燃料空气电力热输出（高温燃料电池）燃料电池发电系统构成框图机械工业出版社9 9.1.2氢燃料电池发电与应用技术3、燃料电池发电与控制技术燃料供给燃料处理器(汽油或甲烷)燃料电池堆DC/DC变换器DC/AC变换器220V/50Hz负载热管理余热回收蓄电池燃料电池控制器-空气管理-燃料管理-传感器电力控制器中央动力控制单元H2图9-2燃料电池发电系统框图机械工业出版社10 9.1.2氢燃料电池发电与应用技术4、燃料电池的发展与应用近年来，许多国家和地区都将燃料电池技术与相关设施产业的开发紧紧联系起来作为国家重点研发项目，例如美国的“展望21世纪（Vision21）”、“自由车（FreedomCAR）”、“自由燃料（FreedomFuel）”，日本的“新日光计划（NewSunshinePrograme）”，以及欧洲的“焦耳计划（JOULE）”等。燃料电池在电动汽车上也得到了很大的发展。PAFC利用余热提供暖气和热水，可大幅增加能源综合利用效率。PEMFC的发电效率在输出端只有35%-45%，但同时能获得热水。综合效率能达到60%-70%，可以在低温下工作，功率输出密度高，可以小型化，操作容易。MCFC工作温度高，余热温度也变得非常高，可以和燃气机、蒸汽机、等组合构成联合发电系统。SOFC是工作温度最高的燃料电池，可以在没有催化剂的条件下，在电池内部进行天然气的改质反应，可望用于不需要改质器的电源。机械工业出版社11 9.2空气能发电与应用技术空气能发电是一种利用太阳能产生动力的发电方法。它是在大地表面竖设一座由地面至高空的管道系统，以大地表面空气为工作介质，利用地球引力将空气压缩，利用太阳的光和热加热空气，使管内空气获得能量，产生热压膨胀力，与管外空气柱压力产生的浮举力共同作用到管道系统内部，克服管内空气重力和驱动管内空气轮发电机组旋转发电。空气能发电方式空气能发电与水力发电方法类似，它们都是利用中间媒体克服工作介质重力而升至高空，利用工作介质自重压力产生的势能推动工作轮机发电。不同之处是工作介质不同：一个是液态、一个是气态。另一种空气能利用的方法就是空气源热泵技术。空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气源热泵系统通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖或供应热水，整个系统集热效率甚高。机械工业出版社12 9.3地热能发电与应用技术9.3.1地热能概述所谓地热能(geothermalenergy)，简单地说就是来自地下的热能，即地球内部的热能。它有两种不同的来源，一种来自地球外部，一种来自地球内部。地热能是来自地球深处的可再生热能。其储量比目前人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。机械工业出版社13 9.3.1地热能概述不同温度的地热流体可利用的范围如下：(1)200～400℃，直接发电及综合利用；(2)150～200℃，可用于双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工等；(3)100～150℃，可用于双循环发电、供暖、制冷、工业干燥、脱水加工、回收盐类、制作罐头食品等；(4)50～100℃，可用于供暖、温室、家庭用热水、工业干燥；(5)20～50℃，可用于沐浴、水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工等。机械工业出版社14 9.3.1地热能发电地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，它涉及地质学、地球物理、地球化学、钻探技术、材料科学和发电工程等多种现代科学技术。地热发电和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能，地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。地热能发电是利用高温地热资源进行发电的方式。机械工业出版社15 9.3.1地热能发电地热电站类型利用地热蒸汽发电：系统最简单，经济性也高，主要分布在几个地热带上，如美国的盖塞尔斯、意大利的拉德瑞罗、日本的松川、墨西哥的塞罗普利托等。利用地下热水发电其余地热发电系统：正在研究的全流系统和干热岩发电系统闪蒸地热发电系统(又称减压扩容法)双循环地热发电系统(又称中间介质法)机械工业出版社16 9.3.1地热能发电地热能发电方式：蒸汽型地热发电G123456789图9-7蒸汽型地热发电1-地热井2-湿蒸汽3-热水4-蒸汽5-汽水分离器6-抽气7-汽轮发电机组8-凝汽器9-循环水泵机械工业出版社17 9.3.1地热能发电地热能发电方式：热水型地热发电G21345678910111213图9-8热水型闪蒸地热发电1-热水井2-地下热水3-除气器4-闪蒸器5-排水泵6-旁通阀7-汽轮发电机组8-凝汽器9-凝结泵10-循环水泵11-抽气器12-射水泵13-冷却水源机械工业出版社18 9.3.1地热能发电地热能发电的发展及现状1904年意大利在拉德瑞罗地热田建立了世界上第一套地热发电机组，利用地热蒸汽发电，1913年拉德瑞罗的250kw地热电站正式运行，开创了地热发电的历史。以后，又有一些国家相继投资开发地热资源，各种类型的地热电站也不断出现。但从总体上看，发展速度不快。美国的地热发电装机容量居世界首位，菲律宾居第二位，墨西哥居第三垃，下面依次是意大利、新西兰、日本、印度尼西亚。目前地热发电单机容量最大的机组为150Mw。机械工业出版社19 9.3.1地热能发电中国的地热资源高温地热资源主要集中在环太平洋地热带通过的台湾省，地中海－喜马拉雅地热带通过的西藏南部和云南、四川西部。中国400万平方公里的沉积盆地的地热资源也比较丰富，但差别十分明显，除青藏高原外，总的来说盆地的地温梯度是由东向西逐渐变小。目前中国高温地热电站主要集中在西藏地区，总装机容量为27.18MW，其中羊八井地热电站装机容量为25.18MW，羊八井地热电站是中国自行设计建设的第1座用于商业应用的、装机容量最大的高温地热电站，年发电量约达l亿kWh，占拉萨电网总电量的40％以上，对缓和拉萨地区电力紧缺的状况起了重要作用。朗久地热电站装机容量为1MW，那曲地热电站装机容量为1MW。中国的地热发电在技术上和产业建设上均取得了很大的进步和发展，为未来更大地发展奠定了坚实的基础。在技术上，已建立起了一套比较完整的地热勘探技术方法和评价方法；地热开发利用工程的勘探、设计和施工，已有资质实体；地热开发利用设备基本配套，可以国产化生产，并有专业生产制造工厂；地热监测仪器基本完备，并可进行国产化生产。机械工业出版社20 9.4核能发电与应用技术9.4.1核能概述核能是指在原子核裂变反应或聚变反应中释放的巨大能量，又称原子能。原子弹和氢弹爆炸时释放的能量是非受控的核裂变和核聚变反应的结果，目前人类尚未掌握受控的核聚变。因此，通常所说的核能(或原于能)是指在核反应堆中由受控核裂变链式反应产生的能量。核能的发现和利用，使人类获得对日益枯竭的化石燃料的一种补充和替代能源，这是人类驾驭自然能力的一大飞跃。机械工业出版社21 9.4.1核能概述核能发电的优点1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其它的用途。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。机械工业出版社22 9.4.1核能概述核能发电的缺点1.核能电厂会产生高放射性废料，或者是使用过的核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理。2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。3.核能电厂投资成本较大。机械工业出版社23 9.4.2核能发电核电站是怎样发电的呢？简而言之，它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。反应堆示意图大亚湾核电站机械工业出版社24 9.4.2核能发电核电站系统机械工业出版社25 9.4.2核能发电核反应堆第一回路：在第一回路中，先用泵把水或其他液体压入核反应堆，在那里获得铀核裂变释放的核能，被加热，然后进入热交换器，在那里把热量传递给第二回路中的水，再被泵压回反应堆重新被加热.第二回路：在热交换器内，第二回路中的水被加热成高温高压蒸汽后，进入汽轮发电机推动汽轮机做功，把内能转化成电能.做功后的蒸汽温度和压强都降低了，它将进入冷凝器冷却成水，再由泵压回热交换器重新加热成高温高压蒸汽.机械工业出版社26 9.4.2核能发电我国核电的发展我国第一座实验性反应堆是在1954年6月建成投入运行的，我国自行设计研制、建造的秦山核电站已经运行发电了；广东大亚湾电站第一期工程也已建成，并运行发电了，全部建成后年发电量可达100亿度.因为铀核裂变有放射性污染，因而建设核电站时必须采用可靠的防护措施，防止放射性物质泄漏，避免造成放射性污染，以保证核电站的安全运行.我国对核电站的安全非常重视，有专门负责安全监督的核安全局，保证核能的安全应用.机械工业出版社27 9.4.2核能发电我国核电的发展机械工业出版社28 9.4.2核能发电我国核电的发展机械工业出版社29 9.4.2核能发电我国核电的发展机械工业出版社30 9.4.2核能发电我国核电的发展机械工业出版社31 9.4.2核能发电我国核电的发展机械工业出版社32