1、 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束第七章第七章 新能源与可再生能源利用新能源与可再生能源利用 7.1 太阳能 7.2 风能 7.3 生物质能 7.4 地热能 7.6 氢能与燃料电池 7.5 水能 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.1 太阳能太阳能7.1.1 概述概述从广义上说，地球上除了地热能、核能和潮汐能以外的所有能源都来源于太阳能。（一）太阳能的特点 1数量巨大但却非常分散 2时间长久但却不连续不稳定 3清洁安全、免费使用但初投资高 （二）太阳能利用的方式1太阳能转换为热能 2太阳能转换为电能 3太阳能转换为化学能 总目录总目录 返回本章返回本章下一页
2、上一页结束结束7.1.2 太阳辐射能的基本特性与集热器原理太阳辐射能的基本特性与集热器原理（一）太阳辐射能的基本特性 1太阳常数地球除自转以外,还在一椭圆形轨道上绕太阳公转。地球自转轴与其公转轨道平面法线成2327的夹角。太阳与地球间的距离，在一年中随着季节的变化而变化。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束所谓太阳常数，是指在日地平均距离时，地球大气层外，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接受到的太阳辐照度。太阳常数的标准值是1353 W/m2，用Esc表示。大气层外太阳辐照度随季节变化按下式计算：)365/360cos(033.01 nEEscon 总目录总目录 返回本
3、章返回本章下一页上一页结束结束2太阳辐射光谱 太阳辐射，约有43的太阳辐射因反射和散射而折回宇宙空间；仅有57左右进入地表和大气，而这57中又有14为大气层所吸收；在剩下的43中，以直射辐射占27和漫射辐射占16的比例到达地面，而且它主要是波长0.292.5 m的太阳辐射能。3 太阳高度角和日照时间 太阳高度角的定义为：太阳光线与地平面之间的夹角，也简称为太阳高度。日照时间就是从日出到日落的时间。不同纬度地区的日照时间不同。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束4地球表面的太阳辐射与大气质量 到达地面的太阳辐射实际上由两部分组成：一部分是由太阳直接辐射而来的，叫做直射辐射；另一部分
4、由分子、灰尘、水滴等散射而来的叫做漫射辐射。太阳光线穿过大气层的路程直接影响到达地面的太阳辐射。太阳辐射经历大气的路程常用大气质量来表示。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束所谓大气质量就是太阳光线穿过地球大气的路程与垂直方向上经历的大气路程之比，常用符号m表示。并设在海平面上空垂直方向的m为1，如图71中OP所示。在任意高度角时相应的大气质量m可近似用下列公式计算sin/1m 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图71 大气质量示意图 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（二）太阳能集热器原理 典型的集热器的型式有：平板型、聚焦型和真空管型。1平板集
5、热器的基本结构 如图72所示，平板集热器通常由三部分组成：总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图72 平板集热器 1-透明盖板 2-吸热盖板 3-绝热框体 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（1）透明盖板 作用是让太阳辐射透过而防止吸热板热能辐射的透过及对流损失。用低铁玻璃作为盖板，可以很好地完成这一功能。（2）吸热板 作用是吸收透过盖板的太阳辐射并转变为热能，传给其中流过的工质如水、空气等。吸热板应是对太阳辐射吸收率高、对红外线辐射发射率低的选择性表面。（3）绝热框体 它的作用是支撑固定盖板、吸热板，并防止侧面、底部散热。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一
6、页结束结束插图71 平板集热器与连接水箱 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2平板集热器的基本能量平衡方程 对于采光面积为 的平板集热器，其能量平衡方程为：集热器效率 是衡量集热器性能的一个重要参数，其定义为在任何一段时间内，有用能量与投射在集热器面积上的太阳辐射能之比，即：sLucEA)()/(cucEAc 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束3平板集热器太阳辐照度的工程计算进行该项计算的方程为（1）入射角的计算 太阳入射角 i 是指被太阳照射的表面的法线和太阳射线间的夹角。为了计算入射角，必须知道太阳高度角（h，即地平面与太阳射线的夹角)、太阳方位角(，即太阳
7、射线和正南方之间的夹角)、倾斜面的方位角（，即倾斜面的法向平面与正南方之间的夹角）以及倾斜面的倾角（），如图73所示。sEEiEEdbcos 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图73 太阳入射角等示意图 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束由此，任意取向的表面的太阳射线入射角 i 的普遍式 为)cos(coshsinsinhcoscossi 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（2）太阳的直射辐照度 的计算公式为：式中，为表观太阳辐照度（Wm2)；B为大气衰减系数，无因次。和B的值与月份有关。bEbEbEAEsinh)/exp(/BEEAb 总目录总
8、目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束4平板集热器效率计算平板集热器中工作流体的温度范围为3090，随集热器的形式和用途而异。对于具有双层盖板的平板集热器，其集热器效率按定义可以表达为 使用液体作载热剂的集热器，其FR值约为0.9。K值可由试验确定，工程上估算：对于无盖板的，最大约15 W(m2K)；单层盖板，67 W(m2K)；双层盖板，34 W(m2K)。/)(21EttKFaiRc 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束例7-1 太阳能供热用的1m2m双层盖板平板式集热器，每层盖板的透射率是0.87，铝吸热板的 0.9,E 800Wm2，t2 10，t1 50。试求集热器
9、的效率。解 取K值为3.5 W(m2K)，取 0.9，由效率计算式得 RF456.0800/)1050(5.39.087.087.09.0c 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束在设计时经常使用如图74所示的集热器效率图来选择集热器。图74中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。从图74可以看出盖板的作用。在Ti-Ta较小时，因为对流损失小，没有或只有单层盖板的集热器的效率较高；在较大时，则以双层盖板集热器的效率为高。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图74 典型平板式集热器的效率 A无盖板 B单层盖板，无选
10、择性涂层 C双层盖板，无选择性涂层 D双层盖板，选择性涂层 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图74中的直线截距表示集热器可能得到的最大的瞬时效率；直线的斜率表示集热器在实际运行过程中的热损程度。使用有选择性的吸热板表面，再加上双层盖板、可以大大提高集热器的效能，如图74中集热器D的曲线所示。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束例72 1m2m的双层平板式集热器，其吸热板无选择性、用水作冷却剂，水的比定压热容Cp为4186.8 J(kg)。如果冷却剂流量qm为 0.03 kgs，入口温度为50，太阳辐照度为 800Wm2。试求 1）集热速率；2）当环境温度为10时
11、，水的出口温度。解 1）(Ti-Ta)/E(50-l0)800m2/W 0.05m2W 由图7-4中曲线C得c 0.5，于是 集热速率E Ac 80020.5W800W 2)=qm Cp(t0-ti)出口温度 t0(50+8000.034186.8)=56.37 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.1.3 太阳能热发电太阳能热发电（一）太阳能热发电的基本原理太阳能热发电系统由太阳能集热器、热机和冷却器 组成，如图75所示。太阳能热电站的最高效率是卡诺热机效率，即卡诺效率E T1 集热器输出的最高流体温度;T2 冷却器的最低放热温度T2。1211/)(/TTTQWE 总目录总目
12、录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图75 太阳能热电站热力学原理 1集热器 2热机 3冷却器 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束设集热器中工作流体吸热量为,则电站的最高效率为因此，定义一个太阳能热电站的总效率S是必要的，即以发电站的总效率最高为目标函数，可以求得最佳的集热温度。/EuuW QPCECsEAP)/(总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（二）太阳能热发电分类及系统组成 1）按集热温度分低温热发电大多用平板集热器或平板-圆柱抛物面集热器，集热温度100-150；中高温热发电用聚焦型集热器。2）对于高温太阳能热发电系统，按照接收太阳能的形式分集中式如
13、，塔式系统（集热器如图78），属“点”聚焦，聚光倍数高达500以上，可实现高温太阳能热发电。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束分散式如，槽式系统（集热器如图77）和盘式系统（集热器如图79）。槽式电站属“线”聚焦，聚光倍数仅为几十，可实现中温太阳能热发电。盘式系统属“点”聚焦。典型的太阳能发电系统一般由聚光集热子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统和汽轮机发电子系统组成，如图76所示。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束1集热器集热器 2换热器换热器 3汽轮机汽轮机 4发电机发电机 5冷凝器冷凝器 6泵泵图76 太阳能热发电系统示意图 总目录总目录 返回本章返回本章下
14、一页上一页结束结束图77 槽形抛物面集热器 1抛物面聚焦器抛物面聚焦器 2接收器接收器 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束1接收器接收器 2定日镜定日镜 图78 塔式集热器 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图79 盘（或碟）式抛物面集热器 1接收器接收器 2抛物形阵列抛物形阵列 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图72 槽式太阳能聚光器 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图73 塔式太阳能集热器整体装置 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图74 定日镜 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图
15、7-5 单蝶式太阳能聚光器 插图7-6 多蝶式太阳能聚光器 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.1.4 太阳电池太阳电池借助于光电效应使太阳能直接转变为电能，其转换器件称为太阳电池。现以晶体硅电池应用最广，发展较为成熟。1光电转换基本原理太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,在物理学上叫“光生伏打效应”，所以也称光伏电池。太阳电池都是由P型与N型半导体相接触形成PN结而成的。这样的半导体受到阳光照射时，会发生光电转换。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2太阳电池基本结构和形式 硅太阳能电池的基本结构如图711所示，其底层（或称基体
16、）为P型半导体，不受光照，基体底下有一薄金属涂层形成下电极（正极）；上层为N型半导体，上部设有栅格形金属网形成上电极（负极），N型半导体顶部镀了一层透明的、极薄的减反射膜，它比裸硅有更好的光传输性能，能最大限度地减少光反射。目前主要的，也是效率最高的商业化太阳电池仍是由单晶硅制成，其光电转换效率也在12%以上。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图710 太阳能电池基本结构 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束3太阳电池的应用以往太阳电池主要在航天上应用较多，下面是几个民用实例。（1）野外及边远无电地区农牧民用太阳能发电简易供电系统。（2）野外及户用太阳能供电小系统
17、。如图7-11。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图7-11 太阳电池交流供电系统图 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（3）太阳电池并网发电系统（3kW）太阳能并网发电系统一般是由太阳能电池板、并网逆 变器、户内配电箱和并网控制计量器组成。如图7-12 所示。图7-12 太阳电池并网发电系统（3kW）总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图77 太阳电池发电系统的部件连接 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图78 青海共和县4kW太阳能光伏电站 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.1.5 太阳能建筑太阳能建筑太
18、阳能建筑是指能用太阳能代替部分常规能源来提供采暖、热水、空调、照明、通风、动力等功能的建筑物。太阳能建筑的发展大体可分为三个阶段：第一阶段为被动式大阳房，第二阶段为主动式太阳房，第三阶段是再加上太阳电池应用。（一）太阳能热水系统太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱及连接管道等组成。按照流体的流动方式，有：循环式、直流式、闷晒式。按照流体循环的动力，循环式又分为自然循环式和强迫循环式。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束1.自然循环热水系统图7-13(a)和(b)是自然循环式太阳能热水系统。这种系统结构简单，运行可靠，不消耗其他资源。由于自然循环的动力完全取决于日照。使该热水系统的使用
19、具有一定的局限性，一般适用于小型热水系统。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束自来水补水箱供热水下循环管上循环管集热器换气管循环水箱图713(a)自然循环式太阳能热水系统 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束供热水供冷水循环水箱集热器上循环管下循环管溢水管图713(b)自然循环式太阳能热水系统 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2.强迫循环热水系统对于大型供热水系统，应采用强迫循环热水系统。蓄热水箱可以设置在任意地方，但需要消耗电力驱动水泵及控制系统，若停电系统不能工作。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（二）太阳能供暖太阳能供暖系统
20、可以分为被动式和主动式两大类。被动式太阳能供暖，简称为太阳房。主动式太阳能供暖系统包括集热设备、贮存热量用的贮热设备、供暖房间的配热设备、辅助热源以及输送热媒的动力设备和管道等。根据输送热量的热媒载热流体的不同，又可分为空气式或热水式两种供暖系统。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图714 以空气为介质的主动式太阳能供暖系统 1集热器集热器 2蓄热装置蓄热装置 3辅助加热装置辅助加热装置 4风机风机 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（三）太阳能制冷明显优点是，供求比较一致，贮能的要求不象太阳能采暖那样突出。太阳能制冷的方法有三种：“光-电-冷”使用光电池产生电
21、流，通过温差制冷器直接制冷。“光-热-电-冷”使用太阳能热机带动发电机再带动制冷机制冷，或用太阳能热机直接带动压缩式制冷机制冷。“光-热-冷”用太阳能直接起动吸收式或喷射式制冷机制冷。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.2 风能风能风能是地球表面大量空气运动的动能。太阳辐射能是风能的源泉，属于丰富且清洁的可再生能源之一。7.2.1 概述概述1风的产生 风就是大气的运动。一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风。大气压差是风形成的主要因素。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2.风向 理论上风从高压吹向低压区。在北半球，风以逆时针方向环绕气旋（低
22、压）区，而以顺时针方向环绕反气旋（高压）区。风向，可利用风向标（一种围绕立轴旋转的金属片），从风向与固定主方位指示杆之间的相对位置来测定。利用各个地方每日的记录，可画出一幅极线图，显示出各种风向发生时间的百分比（数字沿半径线标注）。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束3.风速 风速表示空气在单位时间内通过的距离，以米/秒为单位。风速常用瞬时风速和平均风速来描述。瞬时风速是指在极短时间内的风速，它是实际发生作用的风速。平均风速是指在一段时间内各瞬时风速的平均值。通常测风高度为10m。对于风能转换装置而言，可利用的风能是在“启动风速”到“停机风速”之间的风速段，该风速范围内的平均风功
23、率密度称为“有效风功率密度”。风速的变幅就是风速变化的幅度。4.风级 风级是根据风对地而或海面物体影响而引起的各种现象。表7-1为风级表现。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束风级名称相应风速（m/s）表现0无风00.2零级无风炊烟上1软风0.31.5一级软风烟稍斜2轻风1.63.5二级轻风树叶响3微风3.45.4三级微风树枝晃4和风5.57.9四级和风灰尘起5清劲风810.7五级轻风水起波6强风10.813.8六级强风大树摇7疾风13.917.1七级疾风步难行8大风17.220.7八级大风树枝折9烈风20.824.4九级烈风烟囱毁10狂风24.528.4十级狂风树根拔11暴风2
24、8.532.6十一级暴风陆罕见12飓风 32.736.9十二级飓风浪滔天 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束5.风速频率与风玫瑰图 风速频率是指某地一年（或一个月）之内具有相同风速的总时数的百分比。用各方向上平均风速频率和平均风速立方值的乘积，绘制成风玫瑰图，可显示风能资源情况及能量集中的方向，如图715所示。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束北西东南图715 风能玫瑰图 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束 6.风能密度 它是指迎风面上每平方米面积上把运动着的空气动能全部利用起来可以得到的最大功率。风能实质上就是流动着的空气的动能，而每立方米以流
25、速为v流动着的空气动能为 因为与空气流动方向相垂直的每一平方米面积上所流过的空气流速为v，所以风能密度为 可以对不同风速情况的风能资源有一个总体的评价。22/1vE3(/)J m32/1vEv2(/)W m 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束 风能资 源评价在30米高度内的风能密度（W/m2）在10米高度内的平均风速（m/s）在30米高度内的平均风速（m/s）可利用2403205.15.66.06.5较丰富3204005.66.06.57.0丰富4006.07.0表72 风能资源评价表 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束我国风能资源的分布我国一般都用有效风能密度
26、和年累积有效风速小时数两个指标来表示风能资源的潜力和特征。我国风能密度的分布有以下几个特点：（1）东南沿海及其岛屿为我国最大风能资源区。（2）内蒙和甘肃北部为风能资源次大区。（3）黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海风能也较 大。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束（4）青藏高原北部、三北地区的北部和沿海是风 能较大地区。（5）云贵川、甘肃、陕西南部，河南、湖南西部 以及福建、广东、广西的山区以及塔里木盆 地为我国最小风能区。我国的风能资源总储量约16亿kW，其中近期可开发利用的约为1.6亿kW。如西南地区一些山口风口，风速大，风向稳定，有着发展风力发电的优良条件。总目录总目录 返回本
27、章返回本章下一页上一页结束结束7.2.2 风力发动机工作原理风力发动机工作原理风力发动机是实现风能利用的主体设备。风力发动机的主要部件是由两个或多个叶片组成的。叶片呈机翼形，当空气绕流过叶片时产生升力，这就是风轮回转的原动力。风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年建立的。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束研究一个理想风轮（没有轮毂，无限多的叶片，没有阻力）在流动的大气中的情况（如图716），并规定：V1-距离风力机一定距离的上游风速：V -通过风轮时的实际风速；V2-离风轮远处的下游风速。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图716 理想风轮
28、在大气中的情况 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束假设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮所获得的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而V2必然低于V1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：风作用在风轮上的力可由欧拉理论写出：2211vssvvs)(21vvSvF 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束故风轮吸收的功率为：此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为：上述两式相等可以得到：)(212vvSvFVP)(212221vvSV221vvv 总目录总目录 返回本章返回
29、本章下一页上一页结束结束作用在风轮上的力和提供的功率可写为：对于给定的上游速度V1，可写出以V2为函数的功率变化关系，将上式微分得：)(212221vvSF)(41212221vvvvSP)32(412221212vvvvSdvdP 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束等式 有两个解：，没有物理意义；，对应于最大功率。以 代入P的表达式，得到最大功率为20dPdv12vv312vv 312vv 31max278vSP 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束将上式除以气流通过扫风面S时风具有的动能，可推得风力机的理论最大效率：上式即为有名的贝兹理论的极限值。它说明，风力
30、机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。593.027162131maxmaxSvP 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束其能量损失一般约为最大输出功率的1/3，也就是说，实际风力机的功率利用系数 小于0.593。因此，风力机实际能得到的有用功率输出是：对于每 扫风面积则有：pCpsSCvP3121pCvP31212m 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.2.3 风力发动机形式和构造风力发动机形式和构造风力发动机主要可以分为两种形式。（1）垂直轴，其转动轴与风向垂直。此型的优点为设计较简单，因为其不必随风向改变而调整方向
31、，但此系统无法大量利用风能。按叶轮受力主要可分成升力和阻力型。一种典型的垂直轴风力发电机如图717 所示，它的叶片被弯曲成类似正弦曲线的形状，而叶片断面为机翼形。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图 717戴瑞斯垂直轴风力发电机 1上轴承2叶片 3拉绳 4下轴承5联轴器 6齿轮箱 7发电机 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图79 型垂直轴风力发电机 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图718 垂直轴风力发动机 a）阻力型1S型 2多叶片型 3开裂式S型 4平板型b）升力型1型 2型 3旋翼型 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束
32、（2）水平轴，其转动轴与风向平行。按叶片数可分为单叶片型双叶片型三叶片型或多叶片型；按风向，则有迎风和背风型，迎风型转子即叶片正对着风向。大部分水平轴式风力叶轮会随风向变化而调整位置。图719所示为水平轴风力发动机的各种形式。从经济上来看，目前水平轴式仍优于垂直轴风力发电机，也是研究和发展的较为成熟的一种风力发动机。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图719 水平轴风力发动机 a）单叶片）单叶片b）双叶片）双叶片 c）三叶片）三叶片 d）美国农场式多）美国农场式多叶片叶片e）车轮式多叶片）车轮式多叶片f）迎风式迎风式g）背风式）背风式h）空心压差式）空心压差式I）帆翼式）帆翼式
33、J）多转子）多转子k）反转叶片式）反转叶片式 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束构造构造 以水平轴风力发动机为例。1风轮 捕捉和吸收风能，并将风能转变为机械能，由风轮轴将能量送至传动装置，如图7-20所示。2控制系统（1）调速（限速）机构 使风轮转速维持在一个较稳定的范围之内，防止超速乃至飞车的发生。（2）调向机构 水平轴风力机为了获得较高的效率，应使它的风轮经常对准风向。图7-20中的尾舵便是调向机构常见的一种。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图720 水平轴风力发动机 1风轮叶片2机头3尾舵4回转体5拉绳 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束
34、3传动装置 将风轮轴的机械能送至作功装置的机构，称为传动装置。对于风力发电机，其传动装置为增速机构。风力机的传动装置为齿轮、皮带、曲轴连杆等机械传动。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束4作功装置 由传动装置送来的机械能，供给工作机械。与此相应的机械，有发电机、水泵、粉碎机、铡草机等。5蓄能装置 如风力发电机的蓄电池和风力提水机的蓄水罐。6塔架 将风轮、控制系统和机舱（内有传动机构）等组成的机头支撑到高空。附属装置 如机舱，它们配合主要部件工作，以保证风力机的正常运行。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图710 水平轴风力发动机 总目录总目录 返回本章返回本章下
35、一页上一页结束结束 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图711 水平轴6叶片风力发动机 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图712 内蒙古商都风电场,装机容量为3875kW 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.2.4 风力发电技术的发展趋势风力发电技术的发展趋势1单机容量大涡轮风机的典型装机容量已到750W。由于现已开发出1000-2000kW级别的涡轮风机。2风发电机桨叶的变化2MW风机叶轮扫风直径已达72m。目前最长的叶片已做到50m。桨叶在向柔性方向发展。美国开发了一种新型叶片，比早期的桨叶捕捉风能的能力要高20%。总目录总目录 返回
36、本章返回本章下一页上一页结束结束3.塔架高度上升在中、小型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在50m高度捕捉风能要比30m高处多20%。4.控制技术的发展变速风电机可大大提高捕捉风能的效率。在平均风速6.7m/s时，变速风电机要比恒速风电机多捕获15%的风能。5海上风力发电海上风速较陆上大且稳定，平均设备利用小时数在海上可达3000h以上。同容量装机，海上比陆上成本增加60%，电量增加50%左右。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.3生物质能生物质能7.3.1 概述概述生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用
37、。生物质能可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质能资源丰富，目前是仅次于煤炭、石油和天然气的世界第四大能源消费品种。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10一30。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束1生物质能资源地球上每年生长的生物质能总量约14001800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。从生物质能的资源总体构成来看，目前我国农村中生物质能约占全部生物质能的70以上，其他主要是城镇生活垃圾、污水和林业废弃物。今后我国将向薪炭林利用方面扩展。生物质的种类很多，植物类是最主要也是我们经常见到的
38、。非植物类中主要有动物粪便、垃圾中的有机成分等 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2转换的能源形式现代意义的生物质能利用，主要是将其加工转化为固体燃料、液体燃料、气体燃料、电能以及热能等能源形式。3发展障碍与前景总的来说，生物质能今后的发展将不再像最近200多年来一样日渐萎缩，而是会重新发挥重要作用，并在能源利用中占据越来越显著的地位。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.3.2 生物质能转化技术生物质能转化技术生物质转化技术可分为四大类，见图721。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图721 生物质转化技术分类和子技术 总目录总目录 返回本章返
39、回本章下一页上一页结束结束7.3.3 生物质能发电技术分类生物质能发电技术分类1直接燃烧发电与混合燃烧发电直接燃烧发电就是将生物质直接送入锅炉燃烧后，产生蒸汽带动发电机发电。如，秸秆发电。混合燃烧发电是将生物质与煤等化石燃料混合燃烧的发电方式，是目前生物质燃烧发电应用比较多的方式。2气化发电技术基本原理是把生物质转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。它既能解决生物质难于燃用而又分布分散的缺点，又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑而污染小的优点，所以是生物质能最有效最洁净的利用方法之一。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束气化发电过程包括三个方面，一是生物质气化，把固体
40、生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电。生物质气化发电技术具有：充分的灵活性；较好的洁净性；较经济，它是所有可再生能源技术中最经济的发电技术。综合的发电成本已接近小型常规能源的发电水平，典型的生物质气化发电系统流程如图722所示。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束图722 生物质气化发电系统流程图 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.4 地热能地热能地热能是地球内部蕴藏的各类热能之总称。通常所说的地热能是指能量集中，而且埋
41、藏比较浅的地下热储。地热能数量相当巨大，我国的地热资源相当于2000多亿吨标准煤。我国一般把高于 150的地热资源称为高温地热，低于此温度的称为中低温地热。我国中低温地热资源相对丰富且应用范围广，现已成为最有希望实现大规模应用的一种可再生能源。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.4.1 地热资源地热资源1地热资源的类型（1）水热型 包括地热蒸汽和地热水。地热蒸汽储量很少，而地热水的储量较大，其温度范围从接近室温到高达390。（2）地压型 它是处于地层深处23公里沉积岩中的含有甲烷的高盐分热水，温度为150260之间，其储量约是已探明的地热资源总量的20。总目录总目录 返回本章
42、返回本章下一页上一页结束结束（3）干热岩型 这是泛指地下深部普遍存在的几乎没有水和蒸汽的热岩石，温度范围在150650之间。其储量十分丰富，约为已探明的地热资源总量的30。（4）熔岩型它是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩，其温度高达6501200。熔岩储藏的热能比其它几种都多，约占已探明的地热资源总量的40左右。到目前为止，对于地热资源的利用主要是水热资源的开发。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2地热流体地热流体中除蒸汽和热水外，一般都含有CO2、H2S等不凝性气体，在液相中还有数量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO等物质。对于地热发电来说，地热流体的品质，在发
43、电系统和设备的选择和设计上都需要认真考虑。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图713 云南腾冲地热景观 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.4.2 地热发电系统地热发电系统利用地热能发电，具有许多的优点：投资少，通常低于水电站；发电成本比水电、火电和核电都低；发电设备的利用时数较长；不污染环境；发电用过的蒸汽或热水，还可以用于取暖或其它方面。地热发电的原理与一般火力发电相似，即利用地热能产生蒸汽，推动汽轮机组发电。以高温湿蒸汽为热源的地热电站，大多采用汽水分离的闪蒸系统发电。对于以地下热水为热源的电站，一般是采用双循环系统发电。总目录总目录 返回本章返回本章
44、下一页上一页结束结束图723 地热发电系统（a）闪蒸系统 （b）双循环系统1汽水分离器；2汽轮机；3发电机；4冷凝器；5闪蒸器；6回灌井；7生产井；8换热器；9泵。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束1闪蒸系统地热发电 如图723（a）所示为一种（可称为两级）闪蒸系统。2双循环系统 也称为低沸点工质地热发电，如图723（b）所示。常用的低沸点工质有氯乙烷、正丁烷、异丁烷、R11、R12等。此外，还有一种“全流系统的地热发电”方式。效率较高，造价低廉和系统十分简单。难点是研制高效率的全流膨胀机。地热发电的工质参数相当低，故热效率也远低于火电站，因此如何最大限度地利用地热能量，尤其是
45、对于热水型地热能更是突出的问题。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图714 西藏羊八井地热电站 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.4.3 地热能的直接利用地热能的直接利用储量大、分布广的热水型地热资源，特别是中低温（小于150）的地热流体的直接利用仍然是地热能利用的一个主要方面。地热能的直接利用时，热源不宜离热用户过远。如图724所示，典型的地热能直接利用系统可由三部分组成：生产井及地热水的供应系统；热交换及输送给热用户的系统；回灌井或贮水池的废水排放系统。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束板 式 换 热器回灌井热水井热用户泵图724 地热
46、能直接利用系统 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束地热能利用的方式选择温度较高（150）的地热水可首先考虑用于发电，并应注意综合利用；100150的地热水可以用于公用建筑和民用房屋的采暖通风、工业过程干燥等；50100的地热水可用于温室供暖、家庭用热水、工业过程干燥等；更低温度的地热水可用于水产养殖、洗浴等。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.4.4 地源热泵技术地源热泵技术地源热泵是一种利用地表以下百米范围浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束1 地源热泵的分类（1）
47、土壤源热泵（GCHP）土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。（2）地下水热泵（GWHP）系统最常用的形式是采用水水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。宜用双井系统，一个井抽水，一个井回灌。（3）地表水热泵（SWHP）系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，只能采用闭路系统。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束2地源热泵工作系统 如图725所示，地源热泵供暖空调系统主要可分三部分：室外地下换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机组主要有两种形式：水水式或水空气式。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上
48、一页结束结束 图725 地源热泵工作系统 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束3地源热泵应用方式地源热泵应用方式主要有两种：土壤空气型地源热泵技术和水-水型地源热泵技术4.地源热泵技术特点（1）符合可持续发展的战略要求；（2）系统简单，一机多用，节约设备用房，应用范围广。（3）环境效益高。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束5.地源热泵的应用前景目前在中国，地下水热泵系统工程虽然仍在数量上占优，而土壤源热泵系统尤其在部分地区呈现着快速发展的势头。许多城市已经制订了具体的鼓励政策，利用浅层地热能的地源热泵技术必将具有很好的发展前景。总目录总目录 返回本章返回本章下一页
49、上一页结束结束7.5水能水能河川水流、海浪、潮汐等蕴藏着巨大的动能和势能，称之为水能，它是清洁、廉价能源。7.5.1 水能资源及概况水能资源及概况我国水能蕴藏量极为丰富，仅河川水能资源，估算就为6.76亿kW，居世界首位。我国海洋能理论蕴藏量为6.3亿kW，其中可开发的约达3.85107kW，相当于年发电量870108kW。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束我国陆上水能资源具有以下特点：（1）资源丰富，但分布不均。分布不均的情况与其他能源配合开发却极为有利。（2）可建水电站中大中型的比较多，位置集中。但自然条件差，工程往往十分艰巨。（3）气候受季风影响，降水和径流在年内分配不均
50、匀。（4）人口多，耕地少，建水库往往受到淹没损失的限制。（5）大部分河流，特别是河流中下游多有综合利用要求。在全世界电力生产中，约20%来自于水电。我国目前已开发的水力资源占可开发资源量不到10%。美国和加拿大的水电占世界水电总量的13%左右，我国占5%。总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束插图715 富春江水电站 总目录总目录 返回本章返回本章下一页上一页结束结束7.5.2 小型水电站小型水电站大中型水电站对环境有很多负面影响。而小水电站作为同样一种经济而可再生的能源，对生态环境的影响则要小得多，因而日益受到人们的重视。1.水力发电小型水电站资源水工建筑物和机电设备的总和，称为
