熱能與動力機械基礎(chǔ)第七章-新能源與可再生能源利用課件

1、第七章 新能源與可再生能源利用 7.1 太陽能 7.2 風(fēng)能 7.3 生物質(zhì)能 7.4 地?zé)崮?7.6 氫能與燃料電池 7.5 水能7.1 太陽能7.1.1 概述從廣義上說，地球上除了地?zé)崮堋⒑四芎统毕芤酝獾乃心茉炊紒碓从谔柲堋?（一）太陽能的特點 1數(shù)量巨大但卻非常分散 2時間長久但卻不連續(xù)不穩(wěn)定 3清潔安全、免費使用但初投資高 （二）太陽能利用的方式1太陽能轉(zhuǎn)換為熱能 2太陽能轉(zhuǎn)換為電能 3太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能7.1.2 太陽輻射能的基本特性與集熱器原理（一）太陽輻射能的基本特性 1太陽常數(shù)地球除自轉(zhuǎn)以外,還在一橢圓形軌道上繞太陽公轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)軸與其公轉(zhuǎn)軌道平面法線成2327的夾角。太

2、陽與地球間的距離，在一年中隨著季節(jié)的變化而變化。 所謂太陽常數(shù)，是指在日地平均距離時，地球大氣層外，垂直于太陽光線的單位面積上，在單位時間內(nèi)所接受到的太陽輻照度。世界氣象組織推薦太陽常數(shù)值Esc=(13677)W/m2，通常采用1367 W/m2。大氣層外太陽輻照度隨季節(jié)變化按下式計算：2太陽輻射光譜 太陽輻射，約有43的太陽輻射因反射和散射而折回宇宙空間；僅有57左右進入地表和大氣，而這57中又有14為大氣層所吸收；在剩下的43中，以直射輻射占27和漫射輻射占16的比例到達地面，而且它主要是波長0.292.5 m的太陽輻射能。 3 太陽高度角和日照時間 太陽高度角的定義為：太陽光線與地平面之

3、間的夾角，也簡稱為太陽高度。 日照時間就是從日出到日落的時間。不同緯度地區(qū)的日照時間不同。4地球表面的太陽輻射與大氣質(zhì)量 到達地面的太陽輻射實際上由兩部分組成：一部分是由太陽直接輻射而來的，叫做直射輻射；另一部分由分子、灰塵、水滴等散射而來的叫做漫射輻射。 太陽光線穿過大氣層的路程直接影響到達地面的太陽輻射。太陽輻射經(jīng)歷大氣的路程常用大氣質(zhì)量來表示。 所謂大氣質(zhì)量就是太陽光線穿過地球大氣的路程與垂直方向上經(jīng)歷的大氣路程之比，常用符號m表示。并設(shè)在海平面上空垂直方向的m為1，如圖71中OP所示。在任意高度角時相應(yīng)的大氣質(zhì)量m可近似用下列公式計算圖71 大氣質(zhì)量示意圖 （二）太陽能集熱器原理 典型

4、的集熱器的型式有：平板型、聚焦型和真空管型。 1平板集熱器的基本結(jié)構(gòu) 如圖72所示，平板集熱器通常由三部分組成：圖72 平板集熱器 1-透明蓋板 2-吸熱蓋板 3-絕熱框體 （1）透明蓋板 作用是讓太陽輻射透過而防止吸熱板熱能輻射的透過及對流損失。用低鐵玻璃作為蓋板，可以很好地完成這一功能。（2）吸熱板 作用是吸收透過蓋板的太陽輻射并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，傳給其中流過的工質(zhì)如水、空氣等。吸熱板應(yīng)是對太陽輻射吸收率高、對紅外線輻射發(fā)射率低的選擇性表面。 （3）絕熱框體 它的作用是支撐固定蓋板、吸熱板，并防止側(cè)面、底部散熱。插圖71 平板集熱器與連接水箱 2平板集熱器的基本能量平衡方程 對于采光面積為 的平

5、板集熱器，其能量平衡方程為： 集熱器效率 是衡量集熱器性能的一個重要參數(shù)，其定義為在任何一段時間內(nèi)，有用能量與投射在集熱器面積上的太陽輻射能之比，即： 3平板集熱器太陽輻照度的工程計算進行該項計算的方程為（1）入射角的計算 太陽入射角 i 是指被太陽照射的表面的法線和太陽射線間的夾角。為了計算入射角，必須知道太陽高度角（h，即地平面與太陽射線的夾角)、太陽方位角( ，即太陽射線和正南方之間的夾角)、傾斜面的方位角（，即傾斜面的法向平面與正南方之間的夾角）以及傾斜面的傾角（ ），如圖73所示。圖73 太陽入射角等示意圖 由此，任意取向的表面的太陽射線入射角 i 的普遍式 為 （2）太陽的直射輻照

6、度 的計算公式為： 式中， 為表觀太陽輻照度（Wm2)；B為大氣衰減系數(shù)，無因次。 和B的值與月份有關(guān)。4平板集熱器效率計算平板集熱器中工作流體的溫度范圍為3090，隨集熱器的形式和用途而異。對于具有雙層蓋板的平板集熱器，其集熱器效率按定義可以表達為 使用液體作載熱劑的集熱器，其FR值約為0.9。K值可由試驗確定，工程上估算：對于無蓋板的，最大約15 W(m2K)；單層蓋板，67 W(m2K) ；雙層蓋板，34 W(m2K) 。例7-1 太陽能供熱用的1m2m雙層蓋板平板式集熱器，每層蓋板的透射率是0.87，鋁吸熱板的 0.9, E 800Wm2，t2 10，t1 50。試求集熱器的效率。解

7、取K值為3.5 W(m2K) ，取 0.9，由效率計算式得 在設(shè)計時經(jīng)常使用如圖74所示的集熱器效率圖來選擇集熱器。圖74中的直線截距表示集熱器可能得到的最大的瞬時效率；直線的斜率表示集熱器在實際運行過程中的熱損程度。從圖74可以看出蓋板的作用。在Ti-Ta較小時，因為對流損失小，沒有或只有單層蓋板的集熱器的效率較高；在較大時，則以雙層蓋板集熱器的效率為高。圖74 典型平板式集熱器的效率 A無蓋板 B單層蓋板，無選擇性涂層 C雙層蓋板，無選擇性涂層 D雙層蓋板，選擇性涂層圖74中的直線截距表示集熱器可能得到的最大的瞬時效率；直線的斜率表示集熱器在實際運行過程中的熱損程度。使用有選擇性的吸熱板表

8、面，再加上雙層蓋板、可以大大提高集熱器的效能，如圖74中集熱器D的曲線所示。例72 1m2m的雙層平板式集熱器，其吸熱板無選擇性、用水作冷卻劑，水的比定壓熱容Cp為4186.8 J(kg)。如果冷卻劑流量qm為 0.03 kgs，入口溫度為50，太陽輻照度為 800Wm2。試求 1）集熱速率；2）當環(huán)境溫度為10時，水的出口溫度。解 1） (Ti-Ta)/E(50 - l0)800m2/W 0.05m2W 由圖7-4中曲線C得c 0.5，于是 集熱速率E Ac 80020.5W800W 2) = qm Cp (t0 - ti) 出口溫度 t0(50+8000.034186.8) =56.377

9、.1.3 太陽能熱發(fā)電（一）太陽能熱發(fā)電的基本原理太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由太陽能集熱器、熱機和冷卻器 組成，如圖75所示。太陽能熱電站的最高效率是卡諾熱機效率，即卡諾效率E T1 集熱器輸出的最高流體溫度; T2 冷卻器的最低放熱溫度T2 。圖75 太陽能熱電站熱力學(xué)原理 1集熱器 2熱機 3冷卻器 設(shè)集熱器中工作流體吸熱量為 ,則電站的最高效率為因此，定義一個太陽能熱電站的總效率S是必要的，即以發(fā)電站的總效率最高為目標函數(shù)，可以求得最佳的集熱溫度。（二）太陽能熱發(fā)電分類及系統(tǒng)組成 1）按集熱溫度分 低溫?zé)岚l(fā)電大多用平板集熱器或平板-圓柱拋物面集熱器，集熱溫度100-150； 中高溫?zé)岚l(fā)電用聚焦型集

10、熱器。2）對于高溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，按照接收太陽能的形式分 集中式如，塔式系統(tǒng)（如圖78），聚光比為3001500，運行溫度可達10001500oC. 又,蝶式系統(tǒng)（如圖79）,聚光點的溫度一般在5001000oC；兩者均可實現(xiàn)高溫太陽能熱發(fā)電。 分散式如，槽式系統(tǒng)（集熱器如圖77）和蝶式系統(tǒng)（集熱器如圖79）。槽式電站屬“線”聚焦，聚光倍數(shù)僅為幾十，可實現(xiàn)中溫太陽能熱發(fā)電。蝶式系統(tǒng)屬“點”聚焦,聚光點的溫度一般在5001000oC,可實現(xiàn)高溫太陽能熱發(fā)電。 典型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)一般由聚光集熱子系統(tǒng)、吸熱與輸送熱量子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)組成,圖76是一種原則性

11、的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。1集熱器 2換熱器 3汽輪機 4發(fā)電機 5冷凝器 6泵圖76 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖 圖77 槽形拋物面集熱器 1拋物面聚焦器 2接收器 1接收器 2定日鏡 (a) 塔式集熱器 (b) 塔式太陽能發(fā)電 圖7-8 塔式太陽能系統(tǒng)圖79 盤（或碟）式拋物面集熱器 1接收器 2拋物形陣列 插圖72 槽式太陽能聚光器 插圖73 塔式太陽能集熱器整體裝置 插圖74 定日鏡 插圖7-5 單蝶式太陽能聚光器 插圖7-6 多蝶式太陽能聚光器 表7-1 三種典型聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能比較 性能名稱 塔式 槽式 碟式 裝機容量/MW 10200 30320 525 工作溫度/oC 565

12、390 750 最高效率/% 23.0 20.0 29.4 年平均效率/% 720 1116 12257.1.4 太陽電池借助于光電效應(yīng)使太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其轉(zhuǎn)換器件稱為太陽電池。現(xiàn)以晶體硅電池應(yīng)用最廣，發(fā)展較為成熟。 1光電轉(zhuǎn)換基本原理太陽能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽的輻射能光子通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程,在物理學(xué)上叫 “光生伏打效應(yīng)”，所以也稱光伏電池。太陽電池都是由P型與N型半導(dǎo)體相接觸形成PN結(jié)而成的。這樣的半導(dǎo)體受到陽光照射時，會發(fā)生光電轉(zhuǎn)換。2太陽電池基本結(jié)構(gòu)和形式 硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖711所示，其底層（或稱基體）為P型半導(dǎo)體，不受光照，基體底下有一薄金屬涂層形成下電極（正

13、極）；上層為N型半導(dǎo)體，上部設(shè)有柵格形金屬網(wǎng)形成上電極（負極），N型半導(dǎo)體頂部鍍了一層透明的、極薄的減反射膜，它比裸硅有更好的光傳輸性能，能最大限度地減少光反射。目前主要的，也是效率最高的商業(yè)化太陽電池仍是由單晶硅制成，其光電轉(zhuǎn)換效率也在12%以上。圖710 太陽能電池基本結(jié)構(gòu) 3太陽電池的應(yīng)用以往太陽電池主要在航天上應(yīng)用較多，下面是幾個民用實例。（1）野外及邊遠無電地區(qū)農(nóng)牧民用太陽能發(fā)電簡易供電系統(tǒng)。 （2）野外及戶用太陽能供電小系統(tǒng)。如圖7-11。 圖7-11 太陽能電池供電系統(tǒng)（3）太陽電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（3kW） 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、并網(wǎng)逆 變器、戶內(nèi)配電箱和并網(wǎng)控制

14、計量器組成。如圖7-12 所示。 圖7-12 太陽電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（3kW） 插圖77 太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的部件連接 插圖78 青海共和縣4kW太陽能光伏電站 7.1.5 太陽能建筑太陽能建筑是指能用太陽能代替部分常規(guī)能源來提供采暖、熱水、空調(diào)、照明、通風(fēng)、動力等功能的建筑物。太陽能建筑的發(fā)展大體可分為三個階段：第一階段為被動式大陽房，第二階段為主動式太陽房，第三階段是再加上太陽電池應(yīng)用。（一）太陽能熱水系統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)由集熱器、蓄熱水箱及連接管道等組成。按照流體的流動方式，有：循環(huán)式、直流式、悶曬式。按照流體循環(huán)的動力，循環(huán)式又分為自然循環(huán)式和強迫循環(huán)式。1.自然循環(huán)熱水系統(tǒng)圖7-13(a)

15、和(b)是自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，不消耗其他資源。由于自然循環(huán)的動力完全取決于日照。使該熱水系統(tǒng)的使用具有一定的局限性，一般適用于小型熱水系統(tǒng)。圖713(a) 自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng) 圖713(b) 自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng) 2. 強迫循環(huán)熱水系統(tǒng)對于大型供熱水系統(tǒng)，應(yīng)采用強迫循環(huán)熱水系統(tǒng)。蓄熱水箱可以設(shè)置在任意地方，但需要消耗電力驅(qū)動水泵及控制系統(tǒng)，若停電系統(tǒng)不能工作。（二）太陽能供暖太陽能供暖系統(tǒng)可以分為被動式和主動式兩大類。被動式太陽能供暖，簡稱為太陽房。主動式太陽能供暖系統(tǒng)包括集熱設(shè)備、貯存熱量用的貯熱設(shè)備、供暖房間的配熱設(shè)備、 輔助熱源以及輸送熱媒的動

16、力設(shè)備和管道等。根據(jù)輸送熱量的熱媒載熱流體的不同，又可分為空氣式或熱水式兩種供暖系統(tǒng)。圖714 以空氣為介質(zhì)的主動式太陽能供暖系統(tǒng) 1集熱器 2蓄熱裝置 3輔助加熱裝置 4風(fēng)機 （三） 太陽能制冷明顯優(yōu)點是，供求比較一致，貯能的要求不象太陽能采暖那樣突出。太陽能制冷的方法有三種：“光-電-冷”使用光電池產(chǎn)生電流，通過溫差制冷器直接制冷?！肮?熱-電-冷”使用太陽能熱機帶動發(fā)電機再帶動制冷機制冷，或用太陽能熱機直接帶動壓縮式制冷機制冷。“光-熱-冷”用太陽能直接起動吸收式或噴射式制冷機制冷。7.2 風(fēng)能風(fēng)能是地球表面大量空氣運動的動能。太陽輻射能是風(fēng)能的源泉，屬于豐富且清潔的可再生能源之一。7.

17、2.1 概述1風(fēng)的產(chǎn)生 風(fēng)就是大氣的運動。一般把垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動稱為風(fēng)。大氣壓差是風(fēng)形成的主要因素。2.風(fēng)向 理論上風(fēng)從高壓吹向低壓區(qū)。在北半球，風(fēng)以逆時針方向環(huán)繞氣旋（低壓）區(qū)，而以順時針方向環(huán)繞反氣旋（高壓）區(qū)。風(fēng)向，可利用風(fēng)向標（一種圍繞立軸旋轉(zhuǎn)的金屬片），從風(fēng)向與固定主方位指示桿之間的相對位置來測定。利用各個地方每日的記錄，可畫出一幅極線圖，顯示出各種風(fēng)向發(fā)生時間的百分比（數(shù)字沿半徑線標注）。 3. 風(fēng)速 風(fēng)速表示空氣在單位時間內(nèi)通過的距離，以米/秒為單位。風(fēng)速常用瞬時風(fēng)速和平均風(fēng)速來描述。 工程上通常使用指數(shù)法計算風(fēng)速: 對于風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置而言，可利用的風(fēng)

18、能是在“啟動風(fēng)速”到“停機風(fēng)速”之間的風(fēng)速段，該風(fēng)速范圍內(nèi)的平均風(fēng)功率密度稱為“有效風(fēng)功率密度”。 風(fēng)速的變幅就是風(fēng)速變化的幅度。風(fēng)速變幅小，對于風(fēng)能的利用是有利的。4.風(fēng)級 風(fēng)級是根據(jù)風(fēng)對地而或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象。表7-2為風(fēng)級表現(xiàn)。 風(fēng)級名稱相應(yīng)風(fēng)速（m/s）表現(xiàn)0無風(fēng)00.2零級無風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.31.5一級軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.63.5二級輕風(fēng)樹葉響3微風(fēng)3.45.4三級微風(fēng)樹枝晃4和風(fēng)5.57.9四級和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)810.7五級輕風(fēng)水起波6強風(fēng)10.813.8六級強風(fēng)大樹搖7疾風(fēng)13.917.1七級疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.220.7八級大風(fēng)樹枝折9烈風(fēng)20.824.4九級

19、烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.528.4十級狂風(fēng)樹根拔11暴風(fēng)28.532.6十一級暴風(fēng)陸罕見12颶風(fēng) 32.736.9十二級颶風(fēng)浪滔天 13-17級分別對應(yīng)的是臺風(fēng)的風(fēng)級?？梢杂靡韵嘛L(fēng)速與風(fēng)級間的數(shù)字關(guān)系計算風(fēng)速： 5.風(fēng)速頻率與風(fēng)玫瑰圖 風(fēng)速頻率是指某地一年（或一個月）之內(nèi)具有相同風(fēng)速的總時數(shù)的百分比。 風(fēng)玫瑰圖(圖7-15)是以“玫瑰花”形式表示各方向上氣流狀況重復(fù)率的統(tǒng)計圖形.用各方向上平均風(fēng)速頻率和平均風(fēng)速立方值的乘積，繪制成風(fēng)玫瑰圖，可顯示風(fēng)能資源情況及能量集中的方向.風(fēng)玫瑰圖在風(fēng)電場建設(shè)初期設(shè)計中起到很大作用。北西東南圖715 風(fēng)能玫瑰圖 6. 風(fēng)能密度 它是指迎風(fēng)面上每平方米面積上把

20、運動著的空氣動能全部利用起來可以得到的最大功率。風(fēng)能實質(zhì)上就是流動著的空氣的動能，而每立方米以流速為v流動著的空氣動能為 因為與空氣流動方向相垂直的每一平方米面積上所流過的空氣流速為v，所以風(fēng)能密度為 可以對不同風(fēng)速情況的風(fēng)能資源有一個總體的評價。 用表73風(fēng)功率密度等級表(略)可以對不同風(fēng)速情況的風(fēng)能資源有一個總體的評價。7.2.2我國風(fēng)能資源的分布 我國一般都用有效風(fēng)能密度和年累積有效風(fēng)速小時數(shù)兩個指標來表示風(fēng)能資源的潛力和特征。我國風(fēng)能密度的分布有以下幾個特點：（1）東南沿海及其島嶼為我國最大風(fēng)能資源區(qū)。（2）內(nèi)蒙和甘肅北部為風(fēng)能資源次大區(qū)。（3）黑龍江和吉林東部及遼東半島沿海風(fēng)能也較

21、大。 （4）青藏高原北部、三北地區(qū)的北部和沿海是風(fēng) 能較大地區(qū)。（5）云貴川、甘肅、陜西南部，河南、湖南西部 以及福建、廣東、廣西的山區(qū)以及塔里木盆 地為我國最小風(fēng)能區(qū)。 我國的風(fēng)能資源總儲量約16億kW，其中近期可開發(fā)利用的約為1.6億kW。如西南地區(qū)一些山口風(fēng)口，風(fēng)速大，風(fēng)向穩(wěn)定，有著發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)良條件。 7.2.3 風(fēng)力發(fā)動機工作原理風(fēng)力發(fā)動機是實現(xiàn)風(fēng)能利用的主體設(shè)備。風(fēng)力發(fā)動機的主要部件是由兩個或多個葉片組成的。葉片呈機翼形，當空氣繞流過葉片時產(chǎn)生升力，這就是風(fēng)輪回轉(zhuǎn)的原動力。風(fēng)力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲（Betz）于1926年建立的。研究一個理想風(fēng)輪（沒有輪轂，無限多的葉

22、片，沒有阻力）在流動的大氣中的情況（如圖716），并規(guī)定：V1 -距離風(fēng)力機一定距離的上游風(fēng)速：V -通過風(fēng)輪時的實際風(fēng)速；V2 -離風(fēng)輪遠處的下游風(fēng)速。 圖716 理想風(fēng)輪在大氣中的情況 假設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風(fēng)輪所獲得的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而V2必然低于V1，所以通過風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。如果假定空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得：風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由歐拉理論寫出： 故風(fēng)輪吸收的功率為：此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為：上述兩式相等可以得到： 作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率可寫為：對于給定的上游

23、速度V1，可寫出以V2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將上式微分得：等式 有兩個解： ，沒有物理意義； ，對應(yīng)于最大功率。以 代入P的表達式，得到最大功率為將上式除以氣流通過掃風(fēng)面S時風(fēng)具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率： 上式即為有名的貝茲理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。 其能量損失一般約為最大輸出功率的1/3，也就是說，實際風(fēng)力機的功率利用系數(shù) 小于0.593。因此，風(fēng)力機實際能得到的有用功率輸出是：對于每 掃風(fēng)面積則有： 7.2.3 風(fēng)力發(fā)動機形式和構(gòu)造1) 分類 風(fēng)力發(fā)動機按結(jié)構(gòu)形式分類如圖7-17（a）所示。 垂直

24、軸風(fēng)力發(fā)動機，其轉(zhuǎn)動軸與風(fēng)向垂直。一種典型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機如圖718 所示，它的葉片被彎曲成類似正弦曲線的形狀，而葉片斷面為機翼形。圖719所示為垂直軸風(fēng)力發(fā)動機的各種形式。 圖7-17 風(fēng)力發(fā)電機的組成與分類 (a) 按結(jié)構(gòu)形式分類 （b）風(fēng)力發(fā)電機組成圖 718 戴瑞斯垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 1上軸承2葉片 3拉繩 4下軸承5聯(lián)軸器 6齒輪箱 7發(fā)電機插圖79 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 圖719 垂直軸風(fēng)力發(fā)動機 a）阻力型1S型 2多葉片型 3開裂式S型 4平板型b）升力型1型 2型 3旋翼型2) 構(gòu)造 如,水平軸風(fēng)力發(fā)動機，其轉(zhuǎn)動軸與風(fēng)向平行(圖7-22)。 按葉片數(shù)可分為單葉片型雙葉片型三葉片

25、型或多葉片型；按風(fēng)向，則有迎風(fēng)和背風(fēng)型，迎風(fēng)型轉(zhuǎn)子即葉片正對著風(fēng)向。大部分水平軸式風(fēng)力葉輪會隨風(fēng)向變化而調(diào)整位置。圖720所示為水平軸風(fēng)力發(fā)動機的各種形式。從經(jīng)濟上來看，目前水平軸式仍優(yōu)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，也是研究和發(fā)展的較為成熟的一種風(fēng)力發(fā)動機。 圖720 水平軸風(fēng)力發(fā)動機 a）單葉片b）雙葉片 c）三葉片 d）美國農(nóng)場式多葉片e）車輪式多葉片f ）迎風(fēng)式g）背風(fēng)式h）空心壓差式I ）帆翼式J）多轉(zhuǎn)子k）反轉(zhuǎn)葉片式 3) 組成見圖7-17。1.風(fēng)輪 捕捉和吸收風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，由風(fēng)輪軸將能量送至傳動裝置，如圖7-20所示。 2對風(fēng)裝置 大多數(shù)水平軸風(fēng)力機都有對風(fēng)裝置,如圖7-21中

26、有四種,為了獲得較高的效率，應(yīng)使它的風(fēng)輪經(jīng)常對準風(fēng)向。3.調(diào)速(限速)機構(gòu) 使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速維持在一個較穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，防止超速乃至飛車的發(fā)生。圖720 水平軸風(fēng)力發(fā)動機 1風(fēng)輪葉片2機頭3尾舵4回轉(zhuǎn)體5拉繩 圖7-21 幾種典型的風(fēng)車轉(zhuǎn)向機構(gòu) （a）尾舵轉(zhuǎn)向機構(gòu) （b）舵輪轉(zhuǎn)向機構(gòu) （c）電動機構(gòu) （d）自動對風(fēng)4傳動裝置 將風(fēng)輪軸的機械能送至作功裝置的機構(gòu)，稱為傳動裝置。對于風(fēng)力發(fā)電機，其傳動裝置為增速機構(gòu)。風(fēng)力機的傳動裝置為齒輪、皮帶、曲軸連桿等機械傳動。 5作功裝置 由傳動裝置送來的機械能，供給工作機械。與此相應(yīng)的機械，有發(fā)電機、水泵、粉碎機、鍘草機等。6蓄能裝置 如風(fēng)力發(fā)電機的蓄電池和風(fēng)力

27、提水機的蓄水罐。7塔架 將風(fēng)輪、控制系統(tǒng)和機艙（內(nèi)有傳動機構(gòu)）等組成的機頭支撐到高空。8附屬裝置 如機艙，它們配合主要部件工作，以保證風(fēng)力機的正常運行。 插圖710 水平軸風(fēng)力發(fā)動機 插圖711 水平軸6葉片風(fēng)力發(fā)動機 插圖712 內(nèi)蒙古商都風(fēng)電場 ,裝機容量為3875kW 4) 運行方式1.獨立運行 風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供用戶使用。2.并網(wǎng)運行 將發(fā)出的電送入電網(wǎng)，用電時再從電網(wǎng)把電取出來，這就解決了發(fā)電不連續(xù)及電壓和頻率不穩(wěn)定等問題。風(fēng)力發(fā)電機組一般采用兩種方式向網(wǎng)上送電.3.集群式風(fēng)力發(fā)電站 在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)按一定的排列方式成群安裝風(fēng)力發(fā)電機組，組成集群。4.風(fēng)力-柴

28、油互補發(fā)電 采用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)地供電。有兩種不同的運行方式：交替（切換）運行及并聯(lián)運行.7.2.4 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢1單機容量大 目前單機容量可達5MW以上。美國、英國和丹麥等國正在研制10MW的巨型風(fēng)力發(fā)電機。2風(fēng)發(fā)電機槳葉的變化 2MW風(fēng)機葉輪掃風(fēng)直徑已達72m。目前最長的葉片已做到50m。槳葉在向柔性方向發(fā)展。槳葉材料已發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維。對巨型風(fēng)電機而言，分段式葉片技術(shù)是很好的選擇.美國開發(fā)了一種新型葉片，比早期的槳葉捕捉風(fēng)能的能力要高20%。許多國家在致力于新葉型的開發(fā)研究。3.塔架高度上升 在中、小型風(fēng)電機的設(shè)計中，采用了更高的塔架，以捕獲更多的風(fēng)能。在50

29、m高度捕捉風(fēng)能要比30m高處多20%。4海上風(fēng)力發(fā)電 海上風(fēng)力發(fā)電比陸上風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢更為明顯.海上風(fēng)速較陸上大且穩(wěn)定，平均設(shè)備利用小時數(shù)在海上可達3000h以上。同容量裝機，海上比陸上成本增加60%，電量增加50%左右。5.新方案和新技術(shù)不斷采用 如,在功率調(diào)節(jié)方式上，變速恒頻技術(shù)和變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用.7.3生物質(zhì)能7.3.1 概述 生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，它直接或間接地來源于植物的光合作用。 生物質(zhì)能可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)能資源豐富，目前是僅次于煤炭、石油和天然氣的世界第四大能源消費品種。 生物質(zhì)能的優(yōu)點是燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點

30、是熱值及熱效率低，體積大而不易運輸。直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10一30。 1.生物質(zhì)的分類 從生物學(xué)的角度，生物質(zhì)可分為植物性和非植物性兩類。從生物質(zhì)能開發(fā)、利用的歷史出發(fā)，生物質(zhì)可分為傳統(tǒng)生物質(zhì)和現(xiàn)代生物質(zhì)兩類。2.生物質(zhì)資源的特點 與化石資源相比，主要具有以下幾個重要特點: 時空無限性; 可再生性與減少二氧化碳排放的特性;潔凈性;低能源品位性;分散性.3.生物質(zhì)資源與分布 地球上每年生長的生物質(zhì)能總量約14001800億噸（干重），相當于目前世界總能耗的10倍。我國每年可開發(fā)為能源的生物質(zhì)資源達3億多噸標準煤隨著速生炭薪林的開發(fā)推廣，我國的生物質(zhì)資源將越來越多.4.轉(zhuǎn)換的能源形式 現(xiàn)代意

31、義的生物質(zhì)能利用，主要是將其加工轉(zhuǎn)化為固體燃料、液體燃料、氣體燃料、電能以及熱能等能源形式。5.發(fā)展障礙與前景由于生物質(zhì)的多樣性和復(fù)雜性，其利用技術(shù)遠比化石燃料復(fù).，生物質(zhì)能今后的發(fā)展將不再像最近200多年來一樣日漸萎縮，而是會重新發(fā)揮重要作用，并在能源利用中占據(jù)越來越顯著的地位。7.3.2 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)可分為四大類，見圖723。 圖723 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)分類和子技術(shù)7.3.3 生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)分類1直接燃燒發(fā)電與混合燃燒發(fā)電 直接燃燒發(fā)電就是將生物質(zhì)直接送入鍋爐燃燒后，產(chǎn)生蒸汽帶動發(fā)電機發(fā)電。如，秸稈發(fā)電。混合燃燒發(fā)電是將生物質(zhì)與煤等化石燃料混合燃燒的發(fā)電方式，是目前生物質(zhì)

32、燃燒發(fā)電應(yīng)用比較多的方式。 2氣化發(fā)電技術(shù) 基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設(shè)備進行發(fā)電。它既能解決生物質(zhì)難于燃用而又分布分散的缺點，又可以充分發(fā)揮燃氣發(fā)電技術(shù)設(shè)備緊湊而污染小的優(yōu)點，所以是生物質(zhì)能最有效最潔凈的利用方法之一。氣化發(fā)電過程包括三個方面，一是生物質(zhì)氣化，把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化以保證燃氣發(fā)電設(shè)備的正常運行；三是燃氣發(fā)電，利用燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機進行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)具有： 充分的靈活性；較好的潔凈性；較經(jīng)濟，它是所有可再生能源技術(shù)中最經(jīng)濟的發(fā)電技術(shù)。綜合的發(fā)電成本已接

33、近小型常規(guī)能源的發(fā)電水平，典型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)流程如圖724所示。 圖724 生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)流程圖3生物質(zhì)IGCC技術(shù) IGCC即氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，適合于大規(guī)模處理農(nóng)業(yè)或森林生物質(zhì),其典型流程如圖7-25所示.該系統(tǒng)具有處理量大、自動化程度高、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點，較適合工業(yè)化生產(chǎn)。常壓的IGCC系統(tǒng)，系統(tǒng)效率可達35%45%。 圖725 生物質(zhì)IGCC發(fā)電系統(tǒng)流程圖7.4 地?zé)崮?地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部蘊藏的各類熱能之總稱。通常所說的地?zé)崮苁侵鸽x地表面5km以內(nèi)的熱能。地?zé)崮軘?shù)量相當巨大，我國的地?zé)豳Y源相當于2000多億噸標準煤。 根據(jù)溫度的不同我國將地?zé)釁^(qū)分為低溫（25-90oC）、中溫

34、（90-150oC）和高溫（150oC）三類。高溫地?zé)豳Y源通常用于地?zé)岚l(fā)電利用，而中、低溫地?zé)豳Y源供非發(fā)電利用.隨著地源熱泵技術(shù)的日趨完善，使得我國淺層地?zé)崮芾冒l(fā)展迅猛，成為最有希望實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的一種可再生能源。7.4.1 地?zé)豳Y源1地?zé)豳Y源的類型 （1）水熱型 包括地?zé)嵴羝偷責(zé)崴５責(zé)嵴羝麅α亢苌?，而地?zé)崴膬α枯^大，其溫度范圍從接近室溫到高達390。（2）地壓型 它是處于地層深處23公里沉積巖中的含有甲烷的高鹽分熱水，溫度為150260之間，其儲量約是已探明的地?zé)豳Y源總量的20。（3）干熱巖型 這是泛指地下深部普遍存在的幾乎沒有水和蒸汽的熱巖石，溫度范圍在150650之間。其儲量十分

35、豐富，約為已探明的地?zé)豳Y源總量的30。（4）熔巖型 它是埋藏部位最深的一種完全熔化的熱熔巖，其溫度高達6501200。熔巖儲藏的熱能比其它幾種都多，約占已探明的地?zé)豳Y源總量的40左右。到目前為止，對于地?zé)豳Y源的利用主要是水熱資源的開發(fā)。2地?zé)崃黧w 地?zé)崃黧w中除蒸汽和熱水外，一般都含有CO2、H2S等不凝性氣體，在液相中還有數(shù)量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO等物質(zhì)。 對于地?zé)岚l(fā)電來說，地?zé)崃黧w的品質(zhì)，在發(fā)電系統(tǒng)和設(shè)備的選擇和設(shè)計上都需要認真考慮。 插圖713 云南騰沖地?zé)峋坝^ 7.4.2 地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng) 利用地?zé)崮馨l(fā)電，具有許多的優(yōu)點：投資少，通常低于水電站；發(fā)電成本比水電、火電和

36、核電都低；發(fā)電設(shè)備的利用時數(shù)較長；減少污染環(huán)境；發(fā)電用過的蒸汽或熱水，還可以用于取暖或其它方面。 地?zé)岚l(fā)電的原理與一般火力發(fā)電相似。以高溫濕蒸汽為熱源的地?zé)犭娬?，大多采用汽水分離的閃蒸系統(tǒng)發(fā)電。對于以地下熱水為熱源的電站，一般是采用雙循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電。 圖726 地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng) （a）閃蒸系統(tǒng) （b）雙循環(huán)系統(tǒng)1汽水分離器； 2汽輪機； 3發(fā)電機； 4冷凝器； 5閃蒸器； 6回灌井； 7生產(chǎn)井； 8換熱器； 9泵。 1.干蒸汽系統(tǒng) 它是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽輪發(fā)電機組發(fā)電，有背壓式和凝汽式兩種發(fā)電系統(tǒng)。2閃蒸系統(tǒng)地?zé)岚l(fā)電 如圖726（a）所示為一種（可稱為兩級）閃蒸系統(tǒng)。3雙循環(huán)系統(tǒng) 也稱為低

37、沸點工質(zhì)地?zé)岚l(fā)電，如圖726（b）所示。常用的低沸點工質(zhì)有氯乙烷、正丁烷、異丁烷、R11、R12等。4.總流式 總流式地?zé)岚l(fā)電是將來自地?zé)峋诘膬上嗷旌衔?，不?jīng)分離和閃蒸，就直接全部引進汽輪膨脹機膨脹作功。5.增強型地?zé)嵯到y(tǒng) 增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（圖7-27）是國際上最為關(guān)注的地?zé)岚l(fā)電發(fā)展趨勢之一，主要是針對有高熱流卻沒有足夠的蒸汽或熱水，或孔隙率低、孔隙不連通的區(qū)域。全世界任何5-10km深度的巖石中都可以發(fā)現(xiàn)大量的熱，甚至在沒有水的地方，開發(fā)潛力也巨大. 地?zé)岚l(fā)電的工質(zhì)參數(shù)相當?shù)?，故熱效率也遠低于火電站，因此如何最大限度地利用地?zé)崮芰?，尤其是對于熱水型地?zé)崮芨峭怀龅膯栴}。 圖727 增強型地?zé)?/p>

38、系統(tǒng)插圖714 西藏羊八井地?zé)犭娬?表74 地?zé)岚l(fā)電類型 按載熱體類型 按技術(shù)類型 蒸汽型（干蒸汽） 干蒸汽式系統(tǒng) 熱水型（濕蒸汽） 閃蒸系統(tǒng) 雙循環(huán)系統(tǒng) 總流式 干熱巖型 增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）7.4.3 地?zé)崮艿闹苯永?儲量大、分布廣的熱水型地?zé)豳Y源，特別是中低溫（小于150）的地?zé)崃黧w的直接利用仍然是地?zé)崮芾玫囊粋€主要方面。地?zé)崮艿闹苯永脮r，熱源不宜離熱用戶過遠。 如圖728所示，典型的地?zé)崮苤苯永孟到y(tǒng)可由三部分組成：生產(chǎn)井及地?zé)崴墓?yīng)系統(tǒng)；熱交換及輸送給熱用戶的系統(tǒng)；回灌井或貯水池的廢水排放系統(tǒng)。 板式換熱器回灌井熱水井熱用戶泵圖728 地?zé)崮苤苯永孟到y(tǒng) 地?zé)崮芾玫姆绞?/p>

39、選擇 溫度較高（150）的地?zé)崴墒紫瓤紤]用于發(fā)電，并應(yīng)注意綜合利用； 100150的地?zé)崴梢杂糜诠媒ㄖ兔裼梅课莸牟膳L(fēng)、工業(yè)過程干燥等； 50100的地?zé)崴捎糜跍厥夜┡?、家庭用熱水、工業(yè)過程干燥等； 更低溫度的地?zé)崴捎糜谒a(chǎn)養(yǎng)殖、洗浴等。 7.4.4 地源熱泵技術(shù) 地源熱泵是一種利用地表以下百米范圍淺層地?zé)豳Y源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。1 地源熱泵的分類（1） 土壤源熱泵（GCHP）或稱土壤耦合熱泵(GCHP) 土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。（2）地下水熱泵（GWHP）系統(tǒng) 最常用的形式是采用水

40、水式板式換熱器，一側(cè)走地下水，一側(cè)走熱泵機組冷卻水。宜用雙井系統(tǒng)，一個井抽水，一個井回灌。（3） 地表水熱泵（SWHP）系統(tǒng) 地表水熱泵系統(tǒng)主要有開路和閉路系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，只能采用閉路系統(tǒng)。 2地源熱泵工作系統(tǒng) 如圖729所示，地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要可分三部分：室外地下?lián)Q熱系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機組主要有兩種形式：水水式或水空氣式。 圖729 地源熱泵工作系統(tǒng) 3地源熱泵應(yīng)用方式地源熱泵應(yīng)用方式主要有兩種：土壤空氣型地源熱泵技術(shù)和水-水型地源熱泵技術(shù)4.地源熱泵技術(shù)特點（1）符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求；（2）系統(tǒng)簡單，一機多用，節(jié)約設(shè)備用房，應(yīng)用范圍廣。（3）

41、環(huán)境效益高。 5.地源熱泵的應(yīng)用前景 目前在中國，地下水熱泵系統(tǒng)工程雖然仍在數(shù)量上占優(yōu)，而土壤源熱泵系統(tǒng)尤其在部分地區(qū)呈現(xiàn)著快速發(fā)展的勢頭。許多城市已經(jīng)制訂了具體的鼓勵政策，利用淺層地?zé)崮艿牡卦礋岜眉夹g(shù)必將具有很好的發(fā)展前景。 7.5水能 河川水流、海浪、潮汐等蘊藏著巨大的動能和勢能，稱之為水能，它是清潔、廉價能源。7.5.1 水能資源及概況 我國水能蘊藏量極為豐富，僅河川水能資源，估就為6.76億kW，居世界首位。 我國海洋能理論蘊藏量為6.3億kW，其中可開發(fā)約達3.85107kW，相當于年發(fā)電量870108kW。我國陸上水能資源具有以下特點：（1）資源豐富，但分布不均。分布不均的情況與其

42、他能源配合開發(fā)卻極為有利。（2）可建水電站中大中型的比較多，位置集中。但自然條件差，工程往往十分艱巨。（3）氣候受季風(fēng)影響，降水和徑流在年內(nèi)分配不均勻。（4）人口多，耕地少，建水庫往往受到淹沒損失的限制。（5）大部分河流，特別是河流中下游多有綜合利用要求。 在全世界電力生產(chǎn)中，約20%來自于水電。我國目前已開發(fā)的水力資源占可開發(fā)資源量不到10%。美國和加拿大的水電占世界水電總量的13%左右，我國占5%。我國水能資源概況可見表7-5(略).插圖715 富春江水電站 7.5.2 小型水電站 通常將裝機容量小于25MW的水電站稱為小水電站。大中型水電站對環(huán)境有很多負面影響。而小水電站作為同樣一種經(jīng)濟

43、而可再生的能源，對生態(tài)環(huán)境的影響則要小得多，因而日益受到人們的重視。1. 水力發(fā)電小型水電站資源 水工建筑物和機電設(shè)備的總和，稱為水力發(fā)電站。水電站的功率理論值為每秒鐘通過水輪機水的重量與水輪的工作水頭的乘積。實際功率還要考慮一系列的能量損失，一般小型水電站的效率為6080%。通常將裝機容量小于2.5kW的水電站稱為小水電站。我國水力資源中小水電資源占1/5。目前，全國已建成的小水電站有5萬多座，到2010年，總裝機容量已達到5840萬kW.其中有1/3以上的縣主要依靠小水電站供電。我國中小水電資源可分為南、北兩大資源帶。 2小型水電站類型小型水電站按落差集中的方式，分成三種類型，各適合于不同

44、的河道地形、地質(zhì)、水文等自然條件。（）堤壩式水電站在河道上修建攔河壩（或閘），抬高上游水位以集中落差，并形成水庫調(diào)節(jié)流量 根據(jù)水電站廠房的位置，又分為河床式與壩后式兩種。如圖730、731所示。河床式水電站一般修建在河流中、下游坡度平緩的河段上。其適用的水頭范圍約在8-10米以下，但其引用的流量一般較大。 壩后式水電站一般修建在河流的中、上游，適用于水頭較大。 圖730 河床式水電站 圖731 壩后式水電站 （）引水式水電站在山區(qū)河道上修建水電站時，在河道上建引水低壩或閘，采用引水渠道來集中落差，形成水頭，稱為引水式水電站，如圖732所示。 在小型水電站中，引水式水電站比堤壩式水電站更為普遍。

45、水頭可達到很高的數(shù)值，但發(fā)電引用的流量都比較小。 圖732引水式水電站 （）混合式水電站混合式水電站其落差是由攔河壩抬高水頭和引水集中落差兩方面獲得，因而具有堤壩式水電站和引水式水電站的特點。當上游河段地形平緩，下游河岸坡降較陡時，宜在上游筑壩，形成水庫，調(diào)節(jié)水量，在下游修建引水渠道，以集中較大落差。如圖733所示?；旌鲜剿娬竞鸵剿娬局g沒有明顯的界限。 733混合式水電站 3常見的幾種建站型式1）利用天然瀑布。2）利用灌溉渠道上下游水位的落差修建電站。3）利用河流急灘或天然跌水修建電站。4）利用河流的彎道修建電站。5）跨河引水發(fā)電。6）利用高山湖泊發(fā)電。 7.5.3 海洋能利用海洋占

46、地球表面積3/4左右，其可開發(fā)利用部分估計遠遠超出全球能源的總消耗量。海洋能包括：潮汐能、波浪能、海洋溫差能和海流能（潮流能）和海水鹽差能等。當前開發(fā)利用較有成效的是潮汐能和波浪能。 1潮汐能利用 海水潮汐是一種自然現(xiàn)象。它是在月球和太陽引潮力作用下所發(fā)生的海水周期性漲、落運動。一般情況下，每晝夜有兩次漲落，一次在白天，一次在晚上，人們把白天的海水漲落稱“潮”，晚上的海水漲落稱“汐”，合起來稱為“潮汐”。潮汐能主要源于地球與月球、太陽之間的相互作用，不像其他海洋能主要來源于太陽能，而且其開發(fā)技術(shù)相對比較成熟。所謂潮汐能就是指海水在漲落潮運動中包含著的大量的動能和勢能的總和。如以表示海水密度，A

47、表示潮差，d表示水深，b表示潮波通過的斷面寬度，v表示潮汐運動速度，則單位長度潮汐所具有的勢能和動能分別由下式表示：可以證明，勢能和動能是相等的，即 因此，單位長度潮波所具有的總能量為 潮汐能利用，既可以利用潮波動能，也可以利用潮汐的勢能。一般所說的潮汐能利用多指后者。 我國海岸線長達2萬千米，潮汐能至少約有1.9億多千瓦。我國已建設(shè)了數(shù)十座小型潮汐發(fā)電站。如浙江溫嶺縣江廈潮汐電站，其裝機總?cè)萘繛?200千瓦。 潮汐能是一種清潔、相對穩(wěn)定的可靠能源。建設(shè)潮汐電站不需大量構(gòu)筑水庫，運行費用低。 由于潮汐電站有其特殊性，所以，潮汐電站的布置形式也多種多樣。主要有以下三種：（1）單庫單向電站 這是最

48、早出現(xiàn)的一種類型，如圖734所示。該類型電站優(yōu)點是，建筑物和發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)均較簡單，投資也較少；其缺點是，由于只能在落潮（或在漲潮）時發(fā)電，發(fā)電時間較短，每天只能發(fā)電1012小時，發(fā)電量少而且不連續(xù)，不能充分利用潮汐能。 漲潮落潮機房水庫海域圖734 單庫單向潮汐電站平面示意圖 (2) 單庫雙向電站這種電站雖然也只有一個水庫，但漲、落潮時都可以發(fā)電，如圖735所示。由于這種電站使用了一種新型水輪發(fā)電機組（水輪機既可順轉(zhuǎn)，也可以倒轉(zhuǎn)，并配有可正反轉(zhuǎn)的發(fā)電機），所以它在正反向運行時都能發(fā)電。 水 閘水庫廠房及發(fā)電機組海域(a) 漲潮時發(fā)電水庫水閘海域(b) 落潮時發(fā)電廠房及發(fā)電機組 圖735 單庫

49、雙向電站示意圖 這種電站在海潮的一次漲落過程中可以發(fā)電兩次。它比單庫單向式潮汐電站的效益要高得多，每天可發(fā)電達1620小時。但其水工結(jié)構(gòu)比單庫單向復(fù)雜，投資也相應(yīng)大一些。 我國的江廈潮汐電站就是采用的單庫雙向式，其年發(fā)電量和裝機容量可采用如下經(jīng)驗公式進行估算： 平均潮差A(yù)取一個月以上的潮位資料，分別求高、低潮位的平均值，求其差。 （3）雙庫單向電站 圖736所示，它有兩個水庫，一個總是保持著較高的水位，稱為高庫；一個總是維持著較低的水位，稱為低庫。這電站發(fā)電量較小，而投資卻幾乎增加一倍。 使用何種發(fā)電方式最佳，則需根據(jù)當?shù)鼐唧w情況而定。 隔壩低 庫高 庫海 域閘閘圖736 雙庫單向潮汐電站平面

50、示意圖 2海洋溫差發(fā)電 這是利用海洋表層和深處的溫差來發(fā)電。如波斯灣和紅海海面水溫可達35，而在海洋深處5001000m處卻只有36。全世界海洋溫差能的儲量估計為200億kW，在各種海洋能中，其儲量是最大的。 海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)一般可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)及混合循環(huán)，目前接近實用的是閉式循環(huán)方式。 圖737所示為開式循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)簡單，還可兼制淡水；但設(shè)備和管道體積龐大，真空泵及抽水水泵耗功較多，影響發(fā)電效率。 閉式循環(huán)系統(tǒng)如圖738所示。通常采用低沸點工質(zhì)（如丙烷、異丁烷、氟里昂、氨等）作為工作物質(zhì)。這種系統(tǒng)因不需要真空泵是目前海洋溫差發(fā)電中常采用的循環(huán)，但它不能像開式循環(huán)那樣兼制淡水，經(jīng)

51、濟性比較低。 海洋溫差發(fā)電效率僅為3%左右；換熱面積大，建設(shè)費用高；海水腐蝕等不利因素都制約著海洋溫差發(fā)電的發(fā)展。但除了發(fā)電以外，還可以同時進行水產(chǎn)品及作物養(yǎng)殖、海水淡化等，這將大大提高海洋能綜合利用的經(jīng)濟效益。 圖737 開式循環(huán)系統(tǒng)圖738閉式循環(huán)系統(tǒng) 圖7-39是混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，它以閉式循環(huán)發(fā)電，但用溫海水閃蒸出來的低壓蒸汽來加熱低沸點工質(zhì)。這樣做的好處在于減小了蒸發(fā)器的體積，節(jié)省材料，便于維護并收集淡水. 海洋溫差發(fā)電效率僅為3%左右；換熱面積大，建設(shè)費用高；海水腐蝕等不利因素都制約著海洋溫差發(fā)電的發(fā)展。但除了發(fā)電以外，還可以同時進行水產(chǎn)

52、品及作物養(yǎng)殖、海水淡化等，這將大大提高海洋能綜合利用的經(jīng)濟效益。圖7-39 混合循環(huán)系統(tǒng) 3波浪能發(fā)電 波浪能是以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。波浪式由風(fēng)引起的海水起伏現(xiàn)象，它實質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的。通常一個典型的海洋中部在8s的周期內(nèi)會涌起1.5m高的波浪。波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算，即 P=0.5TH2 我國沿海有效波高約為23m，周期為9s的波列，波浪功率可達1739kW/m，渤海灣更高達42kW/m，利用前景誘人。 海洋波浪屬于低品位能源，在自然狀態(tài)下，由于大部分波浪運動沒有周期性，故很難經(jīng)濟地開發(fā)利用。 利用波浪能發(fā)電的裝置多種多樣。用得最廣泛的浮標式波浪發(fā)電，已廣泛

53、用于航標和燈塔的照明。固定式的波浪發(fā)電裝置不用浮標。對小島漁村和邊防哨所很有實用意義。 海洋能的利用除上述潮汐能、海水溫差、波浪能利用外，還有其他如海流能的利用，利用方式主要是發(fā)電。我國已經(jīng)有樣機進入中間試驗階段。 7.6 氫能與燃料電池 氫能是一種新的二次能源，常用的電能、汽油、柴油、酒精等都屬于傳統(tǒng)的二次能源。氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)和可再生利用?；旧蠜]有環(huán)境污染。7.6.1 氫能1概況 氫能是由氫氣燃燒或發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)時所釋放出的一種能量，主要以熱能或化學(xué)能形式出現(xiàn)。 氫氣燃燒有以下特點： （1）發(fā)熱值高，是化石燃料的3倍以上； （2）點燃快，燃點高，燃燒性能好。 （3）氫氣在

54、空氣中燃燒時，不產(chǎn)生其他對環(huán)境有害的物質(zhì)，是一種清潔燃料。 氫除了可以通過燃燒變成熱能以外，還可以在燃料電池反應(yīng)中直接由化學(xué)能變成電能。 2氫的制備 為了實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用，最關(guān)鍵的是要找到一種廉價低能耗的制氫方法。制備氫的基本方法： （1）化石燃料轉(zhuǎn)化制氫 該制氫的方法是：采用煤、石油或天然氣等化石燃料，在高溫與水蒸氣發(fā)生催化反應(yīng)，對于不同物料其反應(yīng)方程有：甲烷催化水蒸氣重整反應(yīng) 煤氣化制氫反應(yīng) 甲醇催化裂解反應(yīng) 由于制氫反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，所需要的熱量從部分燃料煤氣或天然氣獲得，可以利用外部熱源，如核能等。 （2）電解水制氫 水電解過程就是使直流電通過導(dǎo)電水溶液(通常加H2SO4或KOH)

55、使水分解成H2和O2,電解的反應(yīng)式為為了提高制氫效率，水的電解通常在3.05.0MPa的壓力下進行。近年來，采用煤輔助水電解的方法,可以使電解的能耗比常規(guī)方法下降100%。 （3）熱化學(xué)制氫 從水中制氫也可以通過高溫化學(xué)反應(yīng)的方法進行。按照反應(yīng)中所涉及的中間載體物料，可以分成氧化物體系，鹵化物體系、含硫體系和雜化體系四種反應(yīng)體系。如，氧化物體系：其中Me為金屬Mn、Fe、Co等。 對于四種體系的反應(yīng)過程都可以寫成一種通用形式總反應(yīng)為反應(yīng)式中X是反應(yīng)的中間媒體（如，氧化物，鹵化物），它在反應(yīng)中并不消耗，僅參與反應(yīng)。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量，熱化學(xué)反應(yīng)的溫度約為10731273K。 （4）生

56、物質(zhì)制氫 固態(tài)生物質(zhì)制氫的基本工藝為將生物質(zhì)生成合成氣。合成氣中的碳氫化合物再與水蒸氣發(fā)生催化重整反應(yīng)，生成H2和CO2。整個反應(yīng)式為： 3規(guī)?；茪浼夹g(shù)(1)核能熱利用制氫 (2)太陽能熱分解水制氫 (3)太陽能電解水制氫 (4)風(fēng)能電解水制氫(5)太陽能直接光解水制氫 (6)人工光合成作用制氫 （7)光合作用制氫(8)生物制氫 4氫的儲存氫的儲存難度很大，目前可以采用的儲氫方法有下列三種。1）高壓儲存 將氫氣壓縮成高壓（1520MPa），裝入鋼瓶中儲存和運輸。但由于氫氣密度很小，不能解決大量氫的儲存問題。目前正在研究一種微孔結(jié)構(gòu)的儲氫裝置.2）液態(tài)儲存 將氫氣冷卻到20K，氫氣將被液化，儲

57、存在絕熱的低溫容器中。 3）金屬氫化物儲存 當氫和金屬形成氫化物時，氫就以固態(tài)的形式存儲于氫化物中。當需要用氫時，通過加熱，氫化物就可以放出氫氣。金屬氫化物儲存使用方便，運輸簡單，是氫氣儲存中最方便且有發(fā)展前景的一種儲氫方法。4) 碳材料儲存 做儲氫介質(zhì)的碳材料主要有高比表面積的活性炭、石墨納米纖維和碳納米管。納米碳管儲氫已成為當前研究熱點。 5氫能的利用（1）航空航天 （2）交通運輸 （3）工業(yè) 目前正在研究以氫作為燃料的峰值負荷發(fā)電廠，其熱效率可達到4749%。而更有市場前景的還是直接以氫為原料的燃料電池。 7.6.2 燃料電池 燃料電池的化學(xué)燃料儲存在電池的外部，它可以按電池的需要，源源

58、不斷地提供化學(xué)燃料。 燃料電池所用的燃料來自氫及含氫量高又易分解的物質(zhì)如天然氣、煤化氣、石油、甲醇、乙醇、甲烷等。1燃料電池的工作原理 燃料電池的結(jié)構(gòu)與蓄電池相似，也是由正、負兩個電極（可分別稱為燃料極、空氣極）和電解質(zhì)組成；但燃料電池的反應(yīng)劑（燃料和氧化劑）并不儲存在電池中，而由外界不斷地輸入，生成物則不斷地引出。圖740為氫氧燃料電池的工作原理圖。 在 陽極電解液分界面，氫分子根據(jù)下面的表達式離解為氫離子和電子 2H2（g）4H+4e 這些電子通過外電路流動，并且在那里作電功，然后回到電池的陰極。其間，氫離子通過電解液擴散到電解液陰極分界面，并依照下述表達式，它們在分層面處與回來的電子和氧

59、氣結(jié)合形成液態(tài)水。 O2（g）4H+4e2H2O（l） 1多孔的碳極2電解液（氫氧化鉀） 圖740 氫氧燃料電池工作原理因此，全部的化學(xué)反應(yīng)是： 2H2（g）O2（g）2H2O(l)在這個反應(yīng)過程中，每個氧分子（或每兩個氫分子）有四個電子通過外電路。那么，每摩爾氧（或每兩摩爾氫）所輸出的電能是： We4NAeE 由熱力學(xué)第一、第二定律，每摩爾氧（或每兩摩爾氫）所發(fā)出的電能We為： WeG 由上式可以看出，實際過程，所得到的電能要小于工作過程中的自由焓的降低。 插圖716 氫氧燃料電池的工作原理圖 2燃料電池的分類 按工作溫度的不同燃料電池可分為：常溫（室溫100）、中溫（100300）和高溫（300以上）三種類型。 按照燃料來源，燃料電池也可分為三類:直接式、間接式、再生式燃料電池. 按所用電解質(zhì)的不同燃料電池分成五種類型，其特點見表76及