风能核能李辉精选文档.ppt
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1、风能核能李辉本讲稿第一页,共七十七页1 1 新能源新兴产业新能源新兴产业n金融海啸的风声渐缓,但是一场以新能源革命和低碳经济为主题的绿色浪潮正在席卷全球。新能源战略成为西方发达国家占领国际市场竞争新的制高点、主导全球价值链的新王牌。对于我国来讲,发展新能源更是实现经济复苏的重大举措和应对全球气候变化的客观需要。n新能源(又称非常规能源)是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究有待推广的能源。目前的新能源有太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。1.1 1.1 产业背景产业背景本讲稿第二页,共七十七页n新能源的分类新能源的分类太阳能:太阳能一般指太阳光的辐射能量
2、。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式,广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,化学能,水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。利用太阳能的方法主要有:太阳电能池,通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能;太阳能热水器,利用太阳光的热量加热水,并利用热水发电等。核能:核能是通过转化质量而从原子核释放的能量,符合阿尔伯特爱因斯坦的方程e=mc2,其中e=能量,m=质量,c=光速常量。1.1 1.1 产业背景产业背景本讲稿第三页,共七十七页n新能源的分类新能源的分类海洋能:海洋能指蕴藏于海水中的各种新能源,包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水
3、盐度差能等。这些新能源都具有可再生性和不污染环境等优点,是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。波浪发电,据科学家推算,地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。海上导航浮标和灯塔已经使用波浪发电机发出的电来照明。大型波浪发电机组也已问世。中国在也对波浪发电进行研究和试验,并制成了供航标灯使用的发电装置。1.1 1.1 产业背景产业背景本讲稿第四页,共七十七页n新能源的分类新能源的分类风能:风能是太阳辐射下流动所形成的新能源。风能与其他能源相比,具有明显的优势。它蕴藏量大,是水能的10倍。分布广泛,永不枯竭,对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。风力发电是当代人利用风能最常见的形式。自
4、19世纪末,丹麦研制成风力发电机以来,人们认识到石油等能源会枯竭,才重视风能的发展。生物质能:生物质能来源于生物质,也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种新能源,它直接或间接地来源于植物的光合作用。生物质能是贮存的太阳能,更是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态或气态的燃料。地球上的生物质能资源较为丰富,而且是一种无害的新能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍,但利用率不到3%。1.1 1.1 产业背景产业背景本讲稿第五页,共七十七页n新能源的分类新能源的分类地热能:地球内部热源可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射
5、性元素衰变释放的能量等。放射性热能是地球主要热源。中国地热资源丰富,分布广泛,已有5500处地热点,地热田45个,地热资源总量约320万兆瓦。氢能:氢能在众多新能源中,以其重量轻、无污染、热值高、应用面广等独特优点脱颖而出,将成为21世纪的理想新能源。氢能可以作飞机、汽车的燃料,可以用作推动火箭动力。1.1 1.1 产业背景产业背景本讲稿第六页,共七十七页n全球经济危机往往催生重大科技创新和革命。1857年的危机推动了以电气革命为标志的技术革命;1929年的危机引发了二次世界大战之后以电子、航空航天和核能技术突破为标志的第二次技术革命;当前的金融危机,也必将催生一场新的科技革命新能源革命。1.
6、2 1.2 产业前景产业前景本讲稿第七页,共七十七页n许多国家特别是发达国家,纷纷把发展新能源作为应对金融危机、扩大就业的重要投资领域。比如美国奥巴马政府明确推出“绿色能源计划”。该计划提出3年内,使可再生能源利用量增加1倍,到2012年,可再生能源发电比例提高到10%,到2025年增到25%,并准备建立上千亿美元的清洁能源发展基金以支持新能源技术的研发和推广。奥巴马此举旨在改变美国的生产和生活方式,以保证其在新一轮国际竞争中占据制高点。1.2 1.2 产业前景产业前景本讲稿第八页,共七十七页n从各方面反馈的信息看,积极发展新能源,既是着眼于应对当前金融危机,扩大投资和消费需求,增强市场信心,
7、更是为了从根本上解决能源和环境问题,从战略上抢占未来发展的制高点。作为全球最大的发展中国家,中国必须抓住这次历史性机遇,加大新能源和可再生能源发展步伐,推进能源战略发展的转型。1.2 1.2 产业前景产业前景本讲稿第九页,共七十七页n国际经验表明,每次大的经济危机都孕育着新的产业革命的萌芽。第一次工业革命中蒸汽机的广泛使用,推动了煤炭大规模使用,煤炭作为新能源代替了木材等传统生物质能源的地位。第二次工业革命中发电机、电动机、内燃机的出现,推动了石油的广泛使用,并很快成为最主要的能源。第三次工业革命主要是原子能、风能、计算机和航天技术,其中与能源相关的主要是核能技术的发展,但在相当长时间内核能没
8、有获得广泛的发展。1.3 1.3 机遇与挑战机遇与挑战本讲稿第十页,共七十七页n下一轮工业革命石油等传统能源是工业经济的血液,因而对传统能源的替代必将是革命性的,也只有出现替代石油等传统能源的新能源的广泛运用,才能彻底改变整个工业经济的生产方式,才能称为新的工业革命。下一轮工业革命将促使转变整个能源利用方式,以可再生能源重构人类使用能源的创新体系,继而催生一轮以能源为主导的全球新技术、新产业变革,最终实现全球分工体系的大“换血”和全球利益的大重组1.3 1.3 机遇与挑战机遇与挑战本讲稿第十一页,共七十七页n我国新能源技术与世界水平部分接近,与欧美发达国家处在同一起跑线上。我国在建和规划的核电
9、规模世界最大,核技术自主能力达到三代水平。2008 年底,风电装机容量达到了1221万kW,跻身于世界风电装机容量超千万kW的行列,成为亚洲第1、世界第4的风电大国,风电设备制造技术国产化达到了一定水平。在太阳能利用方面,太阳能热水器和地热采暖等技术已基本达到相当指标。技术已基本成熟并研制开发出了实用产品,具有一定的获利能力和一定的市场,形成了初步的产业基础。我国从“十五”开始布局实施国家“863”计划“电动汽车重大科技专项”和“新能源汽车”重大项目,重点开展新能源汽车核心技术研发,国产新一代燃料电池轿车的最高车速已达150km/h。1.3 1.3 机遇与挑战机遇与挑战本讲稿第十二页,共七十七
10、页2 2 风力发电风力发电n风能是一种可再生、无污染的绿色能源,储量十分丰富。据估计,全球可利用的风能总量在53000TWh/年。风能的大规模开发利用将会有效减少化石能源的使用,减少温室气体排放。保护环境、大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。n2007年,全球风力发电能力较2006年又增长24%,达到94112MW,比10年前的不足5000MW增长了12倍。风能是世界上增长最快的能源,过去10年间年平均增长率为29%,与之形成反差的是,同一期间每年煤电增长2.5%,核电增长1.8%,天然气发电增长2.5%,油发电增长117%2.1 2.1 世界风电发展状况世界风电发展状况本讲稿第十三页,共
11、七十七页2 2 风力发电风力发电n风能是一种可再生、无污染的绿色能源,储量十分丰富。据估计,全球可利用的风能总量在53000TWh/年。风能的大规模开发利用将会有效减少化石能源的使用,减少温室气体排放。保护环境、大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。n2007年,全球风力发电能力较2006年又增长24%,达到94112MW,比10年前的不足5000MW增长了12倍。风能是世界上增长最快的能源,过去10年间年平均增长率为29%,与之形成反差的是,同一期间每年煤电增长2.5%,核电增长1.8%,天然气发电增长2.5%,油发电增长117%2.1 2.1 世界风电发展状况世界风电发展状况本讲稿第十四
12、页,共七十七页n2007年全球新增风电装机容量及累计装机容量 表1 2007年全球新增风电装机容量(兆瓦)表2 2007年全球累计风电装机容量(兆瓦)本讲稿第十五页,共七十七页n世界风力发电场的发电成本自20世纪80年代以来下降了将近90%,现在已下降到4美分/(kWh),甚至更低。在有些市场,风力发电已经比传统能源发电便宜。欧洲风能协会预测,到2020年风力发电成本将下降到3美分/(kWh)。风力发电成本下降,主要原因是技术的进步,风电项目融资成本下降,以及涡轮机和零部件的制造和建设已形成经济规模。本讲稿第十六页,共七十七页2.2 2.2 风电基本原理及组成风电基本原理及组成n把风能转变为电
13、能是风能利用中机械能最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。n风力发电机的工作原理比较简单,风轮在风力的作用下旋转,把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。本讲稿第十七页,共七十七页p 风轮:把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中,已采用的发电机有3种,即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。p 调向器:使风力发电机的风轮随时都迎着风向,从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料
14、通常采用镀锌薄钢板。p 限速安全机构:保证风力发电机运行安全。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。n 几个部件作用说明本讲稿第十八页,共七十七页 图1 风力发电机组详细组成本讲稿第十九页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术叶片叶片n 叶片是风力发电机中的关键部件之一,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。因此,叶片的设计和制造质量水平十分重要,被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。n 风力发电机叶片的关键技术主要包括叶片的设计理论、结构形式、材料选择和翼型的选择等方面。其中,叶片的翼型设计和结构形式直接影响风
15、力发电装置的性能和功率,是其中最核心的部分。本讲稿第二十页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术叶片叶片n叶片涉及到的主要专业技术:p 空气动力学p 弹性力学p 复合材料结构p 自动控制p 电机学p 其他本讲稿第二十一页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术叶片叶片n 风机对叶片的要求:p高效的受风翼型(空气动力学)p重量轻、结构强度高(结构、材料力学)p叶片表面光滑降低阻力p制造成本低本讲稿第二十二页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术叶片叶片n 叶片现在状况:p 现在风能利用系数:0.47左右p 极限值:0.539p 材料:玻璃钢(疲劳强度高、耐腐蚀、易成形)p 材料:
16、碳纤维(高弹性、质量轻、价格贵)还有很大改进空间本讲稿第二十三页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术变速恒频变速恒频n变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知,风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比,从而使风力机的风能利用系数Cp保持最大值不变,风力发电机组输出最大功率,最大限度的利用风能,提高了风力机的运行效率。n上世纪90年代后国外大型风力发电系统均采用变速恒频技术。本讲稿第二十四页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术变速恒频变速恒频n变速恒频发电系统之交直交发电系统 该系统利用磁场定向矢量
17、控制技术可实现有功、无功功率的灵活控制,对电网而言可起到无功补偿的作用。优点:这种系统在并网时没有电流冲击,对系统几乎没有影响。缺点:频率变换装置采用静态自鼓励式逆变器,无功功率可调,但高频电流流向并影响电网。本讲稿第二十五页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术变速恒频变速恒频n变速恒频发电系统之开关磁阻发电机系统 优点:变换器及控制、驱动简洁,大容量、高功率密度,容错能力强。缺点:非线性,需控制参数多,控制复杂。以开关磁阻发电机为机电能量转换核心,电机定子上设有集中绕组,转子上既无绕组也无永磁体本讲稿第二十六页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术系统建模与仿真系统建模与仿真
18、风力发电机组建模和分析技术主要研究建立风力发电机组的非线性分析模型的方法,用建立的分析模型,分析其在各种工况下的性能和动力学特性,验证设计是否能够满足要求。本讲稿第二十七页,共七十七页2.3 2.3 关键技术关键技术系统建模与仿真系统建模与仿真系统模型主要包括:p 非线性功率传动链模型:主要研究风力发电机组将风能转化为电能的过程。p 结构动力学分析模型:主要研究风力发电机在运行过程中的结构振动变形情况。p 控制策略分析模型:主要研究风力发电机组最大功率获取的控制方法研究。本讲稿第二十八页,共七十七页3 3 核电及应用核电及应用n 名词:核反应堆p 核反应堆通常指裂变反应堆,即用于产生自身维持和
19、控制链式核裂变反应的装置,因最初这种装置由石墨砖及含核燃料的石墨块堆砌成而得名。p 核反应堆是核电站的关键设备,链式裂变反应就在其中进行,反应堆的种类很多,核电站中使用最多的是压水堆。p 压水堆中首先要有核燃料,把小手指头大小的烧结二氧化铀芯块装到锆合金管中,将2百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件。每个组件中有一束控制棒,控制着链式裂变反应的急缓程度和反应的开始和终止。本讲稿第二十九页,共七十七页3 3 核电及应用核电及应用n 核电站的安全性p核燃料在反应堆中裂变时,产生大量的放射性物质,因此,核电站是一个有很大潜在危险性的能源设施,对它必须处处设防,避免各种可能事故发生。p核电
20、站设计的安全标准很高,这是它建设投资成本的重要原因。压水堆核电站有4道安全屏障:二氧化铀陶瓷块可耐高温,燃料组件包壳有很好密封,整个堆芯密封在压力容器(厚20cm的钢)内,有坚固的安全壳。因此安全性能够保证。本讲稿第三十页,共七十七页3 3 核电及应用核电及应用n 两次严重人为核事故p 1979年美国三里岛核电站二回路故障,造成失水,无法导出余热,部分燃料棒熔化、破损,放射性泄漏,但对环境影响不大。p 1986年切尔诺贝利核电站严重事故,也是人为造成的。停堆进行电机性能试验,切断安全保护系统,将堆内大部分控制棒迅速拔出,剩下8根时,反应堆功率失控,被切断的安全保护系统无法动作,引起爆炸与燃烧,
21、堆芯熔化,放射性严重泄漏,大范围污染环境和大量人员死伤(31人死亡、203人放射病、400万人低剂量辐射)。本讲稿第三十一页,共七十七页3 3 核电及应用核电及应用3.1 3.1 世界核电发展状况世界核电发展状况n 自1954年苏联建成世界上第一座电功率5000KWe(千韦,磁通量单位)实验性核电厂以及1957年美国建成电功率9万KWe的希平港原型核电站以来,世界核电已取得了长足发展。据统计,2006年全世界正在运行的核电机组有441个(其中轻水堆核电机组约占80%,重水堆核电机组约占8%,轻水堆核电机组中压水堆机组占了76%,沸水堆机组约占34),分布在31个国家或地区,年发电量占世界总发电
22、量的16%。另外,正在建造的核电机组有25台。本讲稿第三十二页,共七十七页n 目前,世界核电主要分布在北美(美国、加拿大)、欧洲(法国、英国、俄罗斯、德国)和东亚(日本、韩国),这8个国家的核电机组数量占全世界总和的74%,其装机容量则占79.5%。核电装机容量排名前三位的美国、法国和日本的核电机组之和占全世界的49.4%,装机容量占56.9%。3.1 3.1 世界核电发展状况世界核电发展状况本讲稿第三十三页,共七十七页3.1 3.1 世界核电发展状况世界核电发展状况国家/地区运行机组数(台)总装机容量(MWe)占总发电量比例(%)美国10310452019.3加拿大181336014.6巴西
23、220072.5阿根廷210056.9墨西哥213645法国596613078.5英国231285219.9德国172136631瑞典10963546.7瑞士5337232.1西班牙9773319.6比利时7609255.6保加利亚4288044.1俄罗斯312324215.8乌克兰151383548.5各国2006年核电装机容量及发电量统计本讲稿第三十四页,共七十七页国家/地区运行机组数(台)总装机容量(MWe)占总发电量比例(%)斯洛伐克6264056.1捷克6358130.5芬兰4278032.9匈牙利4186637.2荷兰14813.9罗马尼亚17068.6斯洛文尼亚170742.4亚
24、美尼亚140842.7南非218885.5中国大陆1189582.1中国台湾64904韩国201771644.7日本554858029.3印度1533102.8巴基斯坦24622.8立陶宛1130069.6伊朗000全世界441387680各国2006年核电装机容量及发电量统计(续)本讲稿第三十五页,共七十七页n美国:第一座核电厂建成于1975年12月。近50年来美国总共建成商业核电机组132台,除去已经关闭的28台目前仍在运行的有103台,居世界之最,它们分布在美国的31个州。2006年美国核能发电量约为7804亿千瓦小时,占全国总发电量的19.3%。n美国核电发展的特点:开发阶段起步早,堆
25、型多,建设阶段大起大落。n由于美国资金雄厚,早期采用多种堆型进行试验,经大量试验后,较早地确定了轻水堆。3.1 3.1 世界核电发展状况世界核电发展状况美国美国本讲稿第三十六页,共七十七页n1975年美国核电发展达到顶峰,此前发展过猛,此后紧急刹车。美国现有的核电机组全是早期建成的。三十多年来,美国没有新建一台核电机组。n三里岛事故是促使美国核电发展急刹车的主要原因。这次事故虽然没有造成环境污染,但给电力公司造成巨大经济损失。n三里岛事故后,美国已经订货的核电机组停止制造,正在建造的下马,刚刚建成的机组不让运行。3.1 3.1 世界核电发展状况世界核电发展状况美国美国本讲稿第三十七页,共七十七
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