新能源發(fā)電新能源之水力發(fā)電

水能是蘊藏于河川和海洋水體中的勢能和動能，是潔凈的一次能源，用之不竭的可再生能源。我國水力資源豐富，根據最新的勘測資料，我國水能資源理論蘊藏量達6．89億kW，其巾技術可開發(fā)裝機容量4．93億kW，經濟可開發(fā)裝機容量3．95億kW，居世界首位。截至2012年底，全國總裝機容量為11．4億kw，其中水電裝機容量突破2．49億kW，占全國總裝機容量的21．83%。

水電站是將水能轉變成電能的工廠，其能量轉換的基本過程是：水能一機械能一電能。圖1—1所示是水電站的示意圖。

在河川的上游筑壩集中河水流量和分散的河段落差，使水庫1中的水具有較高的勢能，當水由壓力水管2流過安裝在水電站廠房3內的水輪機4排至下游時，帶動水輪機旋轉，水能轉換成水輪機旋轉的機械能；水輪機轉軸帶動發(fā)電機5的轉子旋轉，將機械能轉換成電能。這就是水力發(fā)電的基本過程。

水的流量和水頭(上下游水位差，也叫落差)是構成水能的兩大因素。按利用能源的方式，水電站可分為：將河川中水能轉換成電能的常規(guī)水電站，也是通常所說的水電站，按集中落差的方法它又有三種基本形式，即壩式、引水式和混合式；調節(jié)電力系統(tǒng)峰谷負荷的抽水蓄能式水電站；利用海洋能中的水流的機械能進行發(fā)電的水電站，即潮汐電站、波浪能電站、海流能電站。

水力發(fā)電主要有以下特點：

(1)水能是可再生能源，并且發(fā)過電的天然水流本身并沒有損耗，一般也不會造成水體污染，仍可為下游用水部門利用。

(2)水力發(fā)電是清潔的電力生產，不排放有害氣體、煙塵和灰渣，沒有核廢料。

(3)水力發(fā)電的效率高，常規(guī)水電站的發(fā)電效率在80%以上。

(4)水力發(fā)電可同時完成一次能源開發(fā)和二次能源轉換。

(5)水力發(fā)電的生產成本低廉，無需燃料，所需運行人員較少、勞動生產率較高，管理和運行簡便，運行可靠性較高。

(6)水力發(fā)電機組起停靈活，輸出功率增減快，可變幅度大，是電力系統(tǒng)理想的調峰、調頻和事故備用電源。

(7)水力發(fā)電開發(fā)一次性投資大，工期長。如三峽工程，1994年12月開工，2003年7月第一臺機組并網發(fā)電。

(8)受河川天然徑流豐枯變化的影響，無水庫調節(jié)或水庫調節(jié)能力較差的水電站，其可發(fā)電力在年內和年際問變化較大，與用戶用電需要不相適應。因此，一般水電站需建設水庫調節(jié)徑流，以適應電力系統(tǒng)負荷的需要?，F在電力系統(tǒng)一般采用水、火、核電站聯合供電方式，既可彌補水力發(fā)電天然徑流豐枯不均的缺點，又能充分利用豐水期水電電量，節(jié)省火電站消耗的燃料。潮汐能和波浪能也隨時間變化，所發(fā)電能也應與其他類型能源所發(fā)電能配合供電。

(9)水電站的水庫可以綜合利用，承擔防洪、灌溉、航運、城鄉(xiāng)生活和工礦生產用水、養(yǎng)殖、旅游等任務。如安排得當，可以做到一庫多用、一水多用，獲得最優(yōu)的綜合經濟效益和社會效益。

(10)建有較大水庫的水電站，有的水庫淹沒損失較大，移民較多，并改變了人們的生產、生活條件；水庫淹沒影響野生動植物的生存環(huán)境；水庫調節(jié)徑流，改變了原有水文情況，對生態(tài)環(huán)境有一定影響。

(11)水能資源在地理上分布不均，建壩條件較好和水庫淹沒損失較少的大型水電站站址往往位于遠離用電負荷中心的偏僻地區(qū)，施工條件較困難并需要建設較長的輸電線路，增加了造價和輸電損失。

我國河川l水力資源居世界首位，不過裝機容量僅占可開發(fā)資源的25%左右，作為清潔的可再生能源，水能的開發(fā)利用對改變我國以煤炭為主的能源構成具有現實意義。但是，我國的河川水能資源的70%左右集中在西南地區(qū)，經濟發(fā)達的東部沿海地區(qū)的水能資源極少，并且大規(guī)模的水電建設給生態(tài)環(huán)境造成的災難性影響越來越受到人類的重視；而我國西南地區(qū)有著極其豐富的生物資源、壯觀的自然景觀資源和悠久的民族文化資源，相信在不久的將來，大規(guī)模的水電開發(fā)會慎重決策。

1、能源資源

能源資源包括煤、石油、天然氣、水能等，也包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能、核能等新能源?？v觀社會發(fā)展史，人類經歷了柴草能源時期、煤炭能源時期和石油、天然氣能源時期，正向新能源時期過渡，并且無數學者仍在不懈地為社會進步尋找開發(fā)更新更安全的能源。但是，人們能利用的能源仍以煤炭、石油、天然氣為主，在世界一次能源消費結構中，這三者的總和約占93%。

能源按其來源可以分為下面四類：

第一類是來自太陽能。除了直接的太陽輻射能之外，煤、石油、天然氣等石化燃料以及生物質能、水能、風能、海洋能等資源都是間接來自太陽能。

第二類是以熱能形式儲藏于地球內部的地熱能，如地下熱水、地下蒸汽、干熱巖體等。

第三類是地球上的鈾、釷等核裂變能源和氘、氚、鋰等核聚變能源。

第四類是月球、太陽等星體對地球的引力，而以月球引力為主所產生的能量，如潮汐能。

能源按使用情況進行分類，凡從自然界可直接取得而不改變其基本形態(tài)的能源稱為一次能源。

在一定歷史時期和科學技術水平下，已被人們廣泛應用的能源稱為常規(guī)能源。那些雖古老但需采用新的先進的科學技術才能加以廣泛應用的能源稱為新能源。凡在自然界中可以不斷再生并有規(guī)律地得到補充的能源，稱為可再生能源。經過億萬年形成的，在短期內無法恢復的能源稱為非可再生能源。

2、資源的有效利用

在能源資源中，煤炭、石油、天然氣等非再生能源，在許多工業(yè)、農業(yè)部門和人民生活中既能做原料，又能做燃料，資源相當緊缺。因此，如何優(yōu)化資源配置，提高能源的有效利用率，對人類的生存繁衍、對國家的經濟發(fā)展都具有十分重要的意義。人類生產和生活始終面臨著一個無法避免的和不可改變的事實，即資源稀缺。即使人類需要的無限性和物質資料的有限性，將伴隨人類社會發(fā)展的始終。

電能是由一次能源轉換的二次能源。電能既適宜于大量生產、集中管理、自動化控制和遠距離輸送，又使用方便、潔凈、經濟。用電能替代其他能源，可以提高能源的利用效率。隨著國民經濟的發(fā)展，最終消費中的一次能源直接消費的比重日趨減少，二次能源的消費比重越來越大，電能在一次能源消費中所占比重逐年增加。我國電力的供給仍不能滿足同家經濟的發(fā)展、科技的進步和人民生產、生活水平的提高對用電H益增長的需求。

我國的現代化建設，面臨著能源供應的大挑戰(zhàn)。為了緩解能源供應的緊張局面，我們要在全社會倡導節(jié)約，建設節(jié)約型社會。節(jié)約用電，不僅是節(jié)約一次能源，而且是解決當前突出的電力供需矛盾所必需的。節(jié)電是要以一定的電能取得最大的經濟效益，即合理使用電能，提高電能利用率。即使電力豐富不缺電，也應合理有效地使用，不容隨意揮霍。根據同情我國制定了開源節(jié)流的能源政策，堅持能源開發(fā)與節(jié)約并重，并在當前把節(jié)能、節(jié)電放在首位。在開源方面要大力開發(fā)煤炭、石油、天然氣，并加快電力建設的步伐，特別是開發(fā)水電。能源工業(yè)的開發(fā)要以電能為中心，積極發(fā)展火電，大力開發(fā)水電，有重點、有步驟地建設核電，并積極發(fā)展新能源發(fā)電。在節(jié)能方面則是大力開展節(jié)煤、節(jié)油、節(jié)電等節(jié)能工作。節(jié)電的出路在于堅持科學管理，依靠技術進步，走合理用電、節(jié)約用電、提高電能利用率的道路，大幅度地降低單位產品電耗，以最少的電能創(chuàng)造最大的財富。

太陽能發(fā)電根據利用太陽能的方式主要有通過熱過程的太陽能熱發(fā)電（塔式發(fā)電、拋物面聚光發(fā)電、太陽能煙囪發(fā)電、熱離子發(fā)電、熱光伏發(fā)電及溫差發(fā)電等）和不通過熱過程的光伏發(fā)電、光感應發(fā)電、光化學發(fā)電及光生物發(fā)電等。主要應用的是直接利用太陽能的光伏發(fā)電(PV，Photovoltaic)和間接利用太陽能的太陽能熱發(fā)電(CSP，Concentrating Solar Power)兩種方式。其中直接利用光能進行發(fā)電的光伏發(fā)電由光伏(PV)電池、平衡系統(tǒng)組成；間接利用光能是將太陽能轉換成熱能，由儲熱進行發(fā)電的太陽能熱發(fā)電（光=熱-電），CSP根據收集太陽能設備的布置方式可分為槽式( Linear CSP)、塔式(Power Tower CSP)和盤式(Dish/EngineCSP)三種類型。

(1)光伏發(fā)電。

光伏發(fā)電站[photovoltaic (PV) power station]是將太陽輻射能通過光伏電池組件直接轉換成直流電能，并通過功率變換裝置與電網連接在一起，向電網輸送有功功率和無功功率的發(fā)電系統(tǒng)，一般包括光伏陣列（將若干個光伏電池組件根據負載容量大小要求，串、并聯組成的較大供電裝置）、控制器、逆變器、儲能控制器、儲能裝置等。

并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將光伏電池輸出的直流電力，經過并網光伏逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波交流電流，接入電網以實現并網發(fā)電功能。光伏發(fā)電的發(fā)電原理是由組成光伏方陣的光伏電池決定。光伏電池工作原理是利用光伏電池的光生伏特效應（又稱光伏效應）進行的能量轉換，其中光伏效應是利用半導體p-n結的光生伏特效應，當光照射到半導體上時，太陽光的光子將能量提供給電子，電子跳躍到更高的能帶，激發(fā)出電子空穴對，電 ，子和空穴分別向電池的兩端移動，此時光生電場除了抵消勢壘電場外，還使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電，在n區(qū)和p區(qū)間形成電動勢，既光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生了電位差。這樣，如果外部構成通路，就會產生電流，形成電能。

光伏電池根據其使用的材料可分為：硅系光伏電池、化合物系光伏電池、有機半導體系光伏電池。硅系光伏電池可分為結晶硅系和非晶硅系光伏電池。其中結晶硅系光伏電池又可分為單晶硅和多晶硅光伏電池。

比較成熟且廣泛應用的是晶硅類電池。晶硅材料光伏電池優(yōu)點是原材料非常豐富，可靠性較高，特性比較穩(wěn)定，一般可使用20年以上。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，晶硅光伏電池的單晶硅光伏電池在硅材料光伏電池中轉換效率最高，轉換效率的理論值為24%～26%，多晶硅的轉換效率略低，轉換效率的理論值為20%，但價格更便宜；同時單晶硅和多晶硅電池又優(yōu)于非晶硅電池。大規(guī)模工業(yè)化生產條件下，單晶硅電池的轉換效率已達到了16%～18%，多晶硅電池的轉換效率為12%～14%。采用多薄層、多p—n結的結構形式的薄膜電池可實現40%～50%以上的光電轉換效率，基本原理是在非硅材料襯底上鋪上很薄的一層光電材料，大大減少了光電材料的硅半導體消耗，降低了光伏電池的成本。硅薄膜光伏電池由于原材料儲量豐富，且無毒，無污染，因此更具持續(xù)發(fā)展的前景。

(2)太陽能熱發(fā)電。

太陽能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power，簡稱CSP)，與傳統(tǒng)發(fā)電站不一樣的是，它們是通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽能光直射聚集起來，加熱工質，產生高溫高壓的蒸汽，將熱能轉化成高溫蒸汽驅動汽輪機來發(fā)電。當前太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式可劃分為：槽式太陽能熱發(fā)電、塔式太陽能熱發(fā)電和碟式太陽能熱發(fā)電。

地熱發(fā)電是把地下熱能轉換成為機械能，然后再把機械能轉換為電能的生產過程。根據地熱能的儲存形式，地熱能可分為蒸汽型、熱水型、干熱巖型、地壓型和巖漿型五大類。從地熱能的開發(fā)和能量轉換的角度來說，上述五類地熱資源都可以用來發(fā)電，但開發(fā)利用得較多的是蒸汽型及熱水型兩類資源。

地熱發(fā)電的優(yōu)點是：一般不需燃料，發(fā)電成本在多數情況下比水電、火電、核電都要低，設備的利用時間長，建廠投資一般都低于水電站，且不受降雨及季節(jié)變化的影響，發(fā)電穩(wěn)定，可以極大地減少環(huán)境污染。

利用地下熱水發(fā)電主要有降壓擴容法和中間介質法兩種。

(1)降壓擴容法。降壓擴容法是根據熱水的汽化溫度與壓力有關的原理而設計的，如在0.3絕對大氣壓下水的汽化溫度是68.7℃。通過降低壓力而使熱水沸騰變成蒸汽，以推動汽輪發(fā)電機轉動而發(fā)電。

(2)中間介質法。中間介質法是采用雙循環(huán)系統(tǒng)，即利用地下熱水間接加熱某些“低沸點物質”來推動汽輪機做功的發(fā)電方式。如在常壓下水沸點溫度為100℃，而有些物質如氯乙烷和氟里昂在常壓下的沸點溫度分別為12.4℃及-29.8℃，這些物質被稱為“低沸點物質”。根據這些物質在低溫下沸騰的特性，可將它們作為中間介質進行地下熱水發(fā)電。利用“中間介質”發(fā)電方既可以用100℃以上的地下熱水（汽），也可以用100℃以下的地下熱水。對于溫度較低的地下熱水來說，采用“降壓擴容法”效率較低，而且在技術上存在一定困難，而利用“中間介質法”則較為合適。

海洋能主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能和海水鹽差能等。潮汐能是指海水漲潮和落潮形成的水的動能和勢能；波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能；海流能（潮流能）是指海水流動的動能，主要指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的水流，以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水水流；海水溫差能指海洋表面海水和深層海水之間的溫差所產生的熱能；海水鹽差能是指海水和淡水之間或者兩種含鹽濃度不同的海水之間的電位差。

海洋能發(fā)電具有以下幾大特點。

(1)能量蘊藏大且可以再生。地球上海水溫差能的理論蘊藏量約500億kW，可開發(fā)利用的約20億kW;波浪能的蘊藏量約700億kW，可開發(fā)利用的約30億kW；潮汐能的理論蘊藏量約30億kW；海流能（潮流能）的總功率約50億kW，其中可開發(fā)利用的約0.5億kW;海水溫差能蘊藏量約300億kW，可開發(fā)利用的在26億kW以上。

(2)能量密度低。海水溫差能是低熱頭的，較大溫差為20～25℃；潮汐能是低水頭的，較大潮差為7～10m;海流能和潮流能是低速度的，最大流速一般僅2m/s左右；波浪能，即使是浪高3m的海面，其能量密度也比常規(guī)煤電的低1個數量級。

(3)穩(wěn)定性比其他自然能源好。海水溫差能和海流能比較穩(wěn)定，潮汐能與潮流能的變化有規(guī)律可循。

(4)開發(fā)難度大，對材料和設備的技術要求高。

生物質能資源是可用于轉化為能源的有機資源，主要包括薪柴、農作物秸稈、人畜糞便、食品制造工業(yè)廢料和廢水及有機垃圾等。利用生物質能發(fā)電的最有效的途徑是將其轉化為可驅動發(fā)電機的能量形式，如燃氣、燃油及酒精等，然后再按照通用的發(fā)電技術發(fā)電。

生物質能發(fā)電技術的主要特點如下：

(1)要有配套的生物質能轉換技術，且轉換設備必須安全可靠，維修保養(yǎng)方便；

(2)利用當地生物質能資源發(fā)電的原料必須具有足夠數量的儲存，以保證持續(xù)供應；

(3)所用發(fā)電設備的裝機容量一般較小，且多為獨立運行方式；

(4)利用當地生物質能資源發(fā)電，就地供電，適用于居住分散、人口稀少、用電負荷較小的農牧業(yè)區(qū)及山區(qū)；

風能、太陽能等新能源發(fā)電具有的間歇性、波動性等特點，使得大規(guī)模接入電網后需要進行協調配合，要求電網不斷提高適應性和安全穩(wěn)定控制能力，降低風能、太陽能并網帶來的安全穩(wěn)定風險，并最終保證電網的安全穩(wěn)定運行。據統(tǒng)計，2009年國家電網公司系統(tǒng)風電裝機容量達到1700萬kW，其中三北電網的風電裝機為1517萬kW，同比增長率93.6%；風電裝機占到了公司系統(tǒng)總裝機容量的2.70%。由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，匆忙上馬，導致在風電基地外送方面遇到了較多問題，在并網技術方面急需開展大量深入的試驗研究工作。包括：

(1)建立完善的風電和光伏發(fā)電并網技術標準體系。

由于我國風電和光伏發(fā)電起步較晚，在風電和光伏發(fā)電運行控制技術方面，還存在較大差距，因此需要借鑒國際先進經驗，一方面是要對風電機組/風電場和光伏發(fā)電的調控性能提出明確的技術要求，另一方面要加快制定國家層面的并網技術導則，促進設備制造技術和運行性能的提高。

(2)建立風電和光伏發(fā)電預測系統(tǒng)和入網認證體系。

我國的風電和光伏發(fā)電實驗室和認證體系建設還處于起步階段，需要開展大量基礎性工作，包括：風電和光伏發(fā)電預測理論和方法的深入研究，完善開發(fā)預測系統(tǒng)，并研究該系統(tǒng)的應用原則和方法；測試技術研究、測試標準制訂和測試設備研制等等，同時要加快風電和光伏發(fā)電研究檢測中心和試驗基地的建設，并在此基礎上盡快建立入網認證體系。

(3)加強風電場和光伏電站接入電網的系統(tǒng)技術研究。

1)新能源發(fā)電仿真技術。①進一步完善開發(fā)包括各類風電機組/風電場和光伏發(fā)電仿真模型的電力系統(tǒng)計算分析軟件；②實現各種類型新能源發(fā)電過程的仿真建模；③仿真功能從離線向在線、實時模擬功能跨越。

2)新能源發(fā)電的分析技術。①對大規(guī)模風電、光伏發(fā)電和其他常規(guī)電源打捆遠距離輸送方案、風光儲一體化運行和系統(tǒng)調峰電源建設等問題進行技術經濟分析；②對大規(guī)模風電場和光伏電站集中接入電網后的調控性能、系統(tǒng)有功備用、無功備用、頻率控制、電壓控制、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性等問題進行全面研究，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；③突破新能源發(fā)電分布式接入運行特性的在線實時、遞歸、智能分析技術。

3)新能源發(fā)電接入電網的儲能技術。①對多種儲能技術開展深入研究和比較分析：抽水蓄能、化學電池儲能、壓縮空氣儲能等。提高能量轉換效率和降低成本是今后儲能技術研究的重要方向；②正在建設的國家電網公司張北風光儲聯合示范項目，這是國內在大規(guī)模儲能用于新能源接入電網的試驗工程。

4)新能源發(fā)電調度支撐技術。①實現并完善適合大規(guī)模集中接入的風電、光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)，以及分布式風電、光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)；②建立適應間歇式電源大規(guī)模集中接入的智能調度體系，掌握各種能源電力的優(yōu)化調度技術；③建立適應分布式新能源電力的優(yōu)化調度體系，實現含多能源的配電網能量優(yōu)化管理系統(tǒng)，掌握微網經濟運行理論與技術。

5)新能源發(fā)電接入的運行控制技術。①掌握應對大規(guī)模間歇式電源送電功率大幅頻繁波動下的大系統(tǒng)調頻調峰廣域自協調技術；大系統(tǒng)備用容量優(yōu)化配置和輔助決策技術；②掌握大規(guī)模間歇式電源接入大電網的有功控制策略和無功電壓控制技術；③掌握儲能系統(tǒng)以及控制裝置的優(yōu)化控制技術；④掌握適應于新能源發(fā)電分布式接入的安全控制技術，包括通過調控將并網發(fā)電模式轉變?yōu)楠毩l(fā)電模式的反“孤島”技術。

6)新能源發(fā)電的電能質量評估與控制技術。①研究新能源發(fā)電接入的電能質量評價體系和指標，提出相應的控制要求；②研究新能源發(fā)電接入對電網電能質量影響的分析方法及檢測方法和治理技術；③掌握利用多種新型元器件，綜合治理新能源發(fā)電接入的電能質量污染的關鍵技術。

7)大規(guī)模新能源的電力輸送技術。①掌握大規(guī)模新能源電力輸送采用超/特高壓交流、常規(guī)直流和柔性直流( VSC)的技術/經濟比較分析技術；②掌握柔性直流(VSC)輸電裝備自主化研發(fā)、生產、工程集成與運行控制技術；提出適于大規(guī)模間歇電源的直流送出方案及控制策略；③提出大型海上風力發(fā)電接入方式及控制策略。 2100433B

《間歇式新能源發(fā)電及并網運行控制》主要論述間歇式新能源發(fā)電技術，包括風力發(fā)電技術和太陽能發(fā)電技術，間歇式新能源發(fā)電的接入技術，間歇式新能源發(fā)電功率的預測預報技術，間歇式新能源發(fā)電控制及“場/站”內監(jiān)控技術和大規(guī)模新能源發(fā)電的電網調度及安全穩(wěn)定控制技術。并詳細論述了風光儲聯合發(fā)電系統(tǒng)及并網運行控制運行技術。

由于當今經濟社會可持續(xù)發(fā)展的需要，人們迫切呼吁建立以清潔、可再生能源為主的新能源結構逐漸取代以污染嚴重、資源有限的化石能源為主的傳統(tǒng)能源結構。大規(guī)模開發(fā)和利用以太陽能、風能為代表的新能源對于我國能源結構調整和綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，而新能源發(fā)電變流技術則是新能源發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的核心關鍵技術。本書面向具有一定電力電子技術基礎的高年級本科生或研究生，以典型新能源發(fā)電技術為切入點，深入淺出地闡述和討論新能源發(fā)電概述、并網逆變器及其控制、并網光伏發(fā)電及逆變器技術、風電變流器及其控制、微網逆變器及其控制、儲能功率變換系統(tǒng)及其控制、新能源發(fā)電中的孤島效應、新能源發(fā)電并網導則及故障穿越等內容。

《家庭新能源發(fā)電系統(tǒng)設計實例》結合我國能源規(guī)劃的方針政策和國內新能源發(fā)電技術的發(fā)展現狀，以家庭新能源發(fā)電實用技術為核心內容，全面、系統(tǒng)地闡述了新能源發(fā)電新應用技術。全書共6章，包括：新能源發(fā)電基礎知識、風力發(fā)電機組與太陽能電池、新能源發(fā)電蓄能技術及工程設計、家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程設計實例、家庭風力發(fā)電系統(tǒng)工程設計實例、家庭風光互補發(fā)電系統(tǒng)配置方案與安裝調試。