《新能源技术》课件

新能源技术欢迎来到《新能源技术》课程本课程将带您深入了解各种新能源技术的原理、应用及发展趋势，从太阳能、风能到生物质能、氢能等前沿领域我们将探讨这些技术如何应对全球能源危机与环境挑战，以及它们在推动可持续发展中的关键作用随着传统能源资源日益枯竭，新能源技术正迅速发展成为全球能源结构转型的核心力量通过本课程，您将获得全面的新能源技术知识体系，为参与未来能源革命做好准备课程内容与目标掌握新能源基础理论深入理解各类新能源的物理、化学原理及工作机制，建立系统的理论知识框架了解关键技术与设备掌握各种新能源技术的核心设备、系统组成及运行原理，能够分析技术特点及应用场景分析产业发展趋势了解全球新能源技术的最新研究动态与市场发展趋势，把握行业未来发展方向培养实践应用能力通过案例分析与项目实践，培养新能源系统设计、评估与优化的实际工作能力新能源的定义与分类可再生能源新型能源自然界中可以循环再生的能源，通过新技术开发利用的能源形式，取之不尽，用之不竭主要包括如氢能、燃料电池等这些能源太阳能、风能、水能、生物质能、往往需要通过特定技术手段转化海洋能和地热能等这类能源具获得，具有高效、清洁的特点，有环保、可持续利用的特点，是代表了能源技术的创新方向新能源的主要组成部分清洁能源使用过程中环境污染小、排放低的能源形式，包括核能以及传统能源的清洁利用技术清洁能源注重环境友好性，强调减少碳排放和污染物产生发展新能源的必要性实现可持续发展构建人类与自然和谐共生的未来促进能源转型推动低碳经济与工业革命应对环境污染减少大气、水和土壤污染缓解气候变化控制温室气体排放应对资源短缺化石能源日益枯竭发展新能源已成为全球共识，不仅关系到能源安全战略，更是解决资源枯竭、环境污染和气候变化等全人类面临的共同挑战的必然选择全球能源消耗现状环境问题与新能源传统能源带来的环境问题新能源的环境效益•温室气体排放导致全球变暖•大幅减少二氧化碳排放•大气污染物引发雾霾天气•几乎零污染物排放•酸雨破坏生态系统•减少对自然生态系统的破坏•资源开采导致生态破坏•降低对水资源的消耗与污染•水体污染威胁水资源安全•改善区域环境质量数据显示，替代1兆瓦时煤电发电量的太阳能发电可减少约

0.9吨二氧化碳排放，同时避免氮氧化物、二氧化硫等多种有害气体的产生新能源的大规模应用是实现碳中和目标的关键路径新能源发展的政策支持11997年《京都议定书》首次设定具有法律约束力的温室气体减排目标，为新能源发展提供了国际政策框架22015年《巴黎协定》全球196个国家达成共识，承诺将全球温升控制在2℃以内，推动新能源产业加速发展32016-2020年各国五年计划中国、欧盟、美国等主要经济体纷纷出台新能源发展规划，设定可再生能源装机容量目标42020年起碳中和承诺全球超过130个国家宣布碳中和目标时间表，中国承诺2030年前碳达峰、2060年前碳中和各国政府通过税收优惠、补贴、绿色电价等多种政策工具，有力推动了新能源技术的研发与应用，创造了良好的产业发展环境太阳能技术概述太阳能热发电太阳能热利用通过聚光系统将太阳能转化为高温热能，再驱动汽轮机发电包括塔直接利用太阳辐射能转化为热能，式、槽式和碟式等不同系统类型，用于生活热水、供暖、工业加热等光伏发电技术光伏建筑一体化适用于大规模集中式发电领域技术成熟、投资小、见效快，利用光电效应直接将太阳光转换为将太阳能光伏组件与建筑物外墙、在全球广泛应用电能，是目前应用最广泛的太阳能屋顶等结构融为一体，实现建筑节利用方式主要包括晶体硅电池、能与发电的双重功能代表了未来薄膜电池和新型高效电池等技术路建筑与能源系统的融合方向线2太阳能资源分布丰富带年辐射量1750千瓦时/平方米较丰富带年辐射量1400-1750千瓦时/平方米一般带年辐射量1050-1400千瓦时/平方米较低带年辐射量1050千瓦时/平方米中国太阳能资源总体较为丰富，其中青藏高原、西北地区属于丰富带，年辐射量可达1800-2300千瓦时/平方米，具有大规模开发的潜力华北、东北和西南部分地区属于较丰富带，适合分布式光伏系统华东、华中和华南地区虽然辐射量相对较低，但人口密集，市场潜力大光伏发电原理光照射太阳光照射到半导体材料上激发电子光子能量使价带电子跃迁到导带电荷分离内建电场使电子-空穴对分离产生电流电荷定向移动形成电势差和电流光伏发电的核心是光电效应，即当光照射到适当的半导体材料上时，会激发电子从价带跃迁到导带，在PN结内建电场的作用下，电子和空穴分别向两极移动，形成电压和电流这种直接将光能转换为电能的方式具有无噪音、无污染、无机械运动部件的优点太阳能电池类型电池类型转换效率技术成熟度成本主要特点单晶硅电池18-24%成熟中等效率高，寿命长多晶硅电池15-20%成熟较低成本低，市场占比高非晶硅薄膜电8-10%较成熟低柔性，弱光性池能好CIGS薄膜电15-20%发展中中等材料利用率高池CdTe薄膜电16-18%较成熟低生产工艺简单池钙钛矿电池20-25%研发阶段较低效率提升快，稳定性差单晶硅太阳能电池硅料提纯将冶金级硅通过化学方法提纯至

99.999999%以上的电子级多晶硅单晶硅拉制使用直拉法（柴可拉尔斯基法）将多晶硅熔化后拉制成圆柱形单晶硅棒切片加工将单晶硅棒切割成厚度约150-180μm的硅片，并进行表面处理扩散制结通过扩散工艺在硅片表面形成PN结，建立内建电场电极制备在硅片两面制备金属电极，用于收集和输出电荷单晶硅太阳能电池因其高效率和长寿命（通常25年以上）而广受欢迎，是目前市场上性能最稳定的光伏产品其缺点是生产能耗高、成本相对较高，制造过程中硅材料利用率低，约有40-50%的材料在切片过程中变成了废料多晶硅太阳能电池15-20%转换效率较单晶硅电池低3-4个百分点70%市场份额全球光伏市场的主导产品年20-25使用寿命实际应用中的平均使用期限30%成本优势比单晶硅电池生产成本低约30%多晶硅太阳能电池采用铸锭法生产，将熔融的硅材料浇铸到方形坩埚中冷却结晶，形成多晶硅锭，再切割成方形硅片由于结晶过程中形成了大量晶界，电子迁移受到阻碍，因此效率低于单晶硅电池但其生产工艺简单，能耗低，成本优势明显，特别适合大规模商业化应用薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池铜铟镓硒CIGS薄膜电池碲化镉CdTe薄膜电池采用等离子增强化学气相沉积法PECVD以铜、铟、镓、硒为主要材料，通过共蒸由碲化镉半导体材料制成，生产工艺简单，将硅烷气体分解，在基板上沉积非晶硅薄发或溅射法制备的化合物薄膜电池转换成本低，效率可达16-18%但含有有毒的膜具有材料消耗少、生产工艺简单、可效率可达15-20%，接近多晶硅电池，且具镉元素，存在环境安全问题，回收处理是大面积制备的优点，但转换效率较低，约有良好的弱光性能和温度特性，是最有前其面临的挑战目前在美国市场占有率较为8-10%，且存在光致衰减问题景的薄膜电池之一高薄膜太阳能电池的厚度通常仅为1-5微米，比传统晶体硅电池薄100-200倍，材料消耗大幅减少其柔性特点使其可应用于各种曲面和特殊环境，如建筑外墙、可折叠太阳能充电器等光伏系统组成光伏组件逆变器储能装置系统的核心部分，将光伏组件产生的用于储存多余电能，负责将太阳能转换直流电转换为交流确保用电稳定性为电能多块太阳电，是系统效率的常用锂离子电池、能电池通过串并联关键环节根据系铅酸电池等，大型方式组成光伏组件，统规模可选择集中系统可采用抽水蓄标准组件功率通常式、组串式或微型能等方式为250-450瓦逆变器控制系统管理系统运行，包括充放电控制器、最大功率点跟踪器MPPT等，确保系统高效安全运行除核心组件外，光伏系统还包括支架、汇流箱、配电装置、监控系统等辅助设备系统设计需综合考虑当地气候条件、安装环境、负载特性等因素，以实现最佳性能和经济性独立光伏系统光伏组件发电控制器调节将太阳能转换为直流电能管理系统电流与电压逆变器转换电池储能3将直流电转换为交流电储存多余电能供夜间使用独立光伏系统不与公共电网相连，适用于偏远地区、海岛、通信基站等无电网覆盖的场所系统需配备足够容量的蓄电池，以确保连续阴雨天或夜间的用电需求系统规模从小型家用系统几百瓦到村级微电网几十千瓦不等设计独立系统时，需特别注意当地气候特点、负载特性和用电规律，合理配置光伏阵列与电池容量的比例，以平衡系统性能与成本并网光伏系统分布式屋顶光伏地面集中式电站漂浮式光伏电站安装在建筑屋顶，发电就近消纳，余电上网大规模地面安装，直接并入电网的光伏发电安装在水面上的光伏系统，充分利用水库、典型容量为3-50千瓦，适合家庭、商业建筑站容量通常在兆瓦级以上，最大可达吉瓦湖泊等水面资源水体的冷却效应可提高发使用具有占地少、投资小、见效快的特点，级适合在荒漠、戈壁等不适宜耕种的土地电效率2-5%，同时减少水面蒸发，实现一是城市光伏应用的主要形式上大规模开发，是光伏发电的主力军举多得近年来发展迅速，已成为光伏应用的新方向光伏发电效率提升技术太阳跟踪系统多结电池技术通过机械装置使光伏组件始终朝向太阳，最大化接收太阳辐射采用多种带隙不同的半导体材料叠加，利用不同波长的太阳光，单轴跟踪可提高发电量15-25%，双轴跟踪可提高30-40%，但增加大幅提高光电转换效率实验室效率已超过47%，但成本较高，了系统复杂性和维护成本主要用于航天等特殊领域温度管理技术智能优化器通过散热设计降低组件工作温度，每降低1℃可提高效率约

0.4-组件级功率优化器可使每块组件独立工作在最佳点，大幅减轻阴

0.5%常用方法包括增加背面通风、水冷系统和新型散热材料等影、不匹配等问题的影响，通常可提高系统发电量5-25%太阳能热发电技术太阳能热发电CSP通过聚光系统将太阳能转化为高温热能，再通过热力循环发电主要技术包括槽式系统温度约400℃、塔式系统温度可达800℃以上、碟式系统温度可达750℃和菲涅尔线性聚焦系统温度约350℃太阳能热发电最大优势是可配合熔盐等储热系统，实现24小时连续发电，克服光伏发电的间歇性问题目前全球装机容量约

6.5吉瓦，西班牙和美国是主要应用国家太阳能热水系统太阳能集热集热器吸收太阳辐射能并转化为热能热量传递传热工质水或防冻液将热量传递到储水箱热水储存保温水箱储存热水供用户使用热水使用热水通过管道输送到卫生间、厨房等用水点太阳能热水系统分为自然循环虹吸型和强制循环型中国是全球最大的太阳能热水器市场，累计安装超过5亿平方米集热面积，约占全球总量的70%，每年可替代3000万吨标准煤，减少二氧化碳排放约7500万吨风能技术概述资源特性基本原理发展历程风能是太阳能的派生形风力发电机通过风轮捕现代风力发电技术起源式，地球表面约2%的太获空气流动的动能，转于20世纪70年代能源危阳能转化为风能风能化为机械能带动发电机机后，经过50年发展，密度与风速的三次方成旋转，最终输出电能单机容量从几十千瓦增正比，风速每增加1m/s，根据贝兹定律，风能的长到如今的10兆瓦以上，风能密度增加约30%，理论最大转换效率为度电成本已低于煤电，因此风速是评价风能资

59.3%，实际转换效率成为最具竞争力的可再源的关键因素通常为30-45%生能源风能资源评估风力发电机原理能量转换过程主要部件功能•风能转化为风轮的机械能•叶片捕获风能并转化为旋转力•机械能通过传动系统传递•轮毂连接叶片和主轴的中心枢纽•发电机将机械能转化为电能•变桨系统调节叶片角度以控制功率•电能通过变流器转换为电网需要的电能•主轴传递旋转力矩•齿轮箱增速旋转，匹配发电机转速风轮转速与风速的关系通常为线性，但出于效率和安全考虑，当风速超过额定值后，需通过变桨距角等方式调节保持恒定转速•发电机产生电能•偏航系统调整风轮朝向顺风方向•塔筒支撑整个机组并提高捕风高度风力发电机类型按转轴方向分类按工作原理分类•水平轴风力发电机HAWT转轴平•升力型利用翼型产生的升力推动行于地面，叶片垂直于风向转动，效率高•垂直轴风力发电机VAWT转轴垂•阻力型利用风吹物体产生的推力，直于地面，可接受任何方向的风效率较低•混合型同时利用升力和阻力按容量分类•小型100千瓦，适用于家庭、农场•中型100千瓦-1兆瓦，适用于社区、小型风电场•大型1兆瓦，适用于大型风电场•超大型5兆瓦，主要用于海上风电目前市场上主流的风力发电机是水平轴三叶片升力型风机，这种设计在效率、可靠性和经济性方面取得了良好平衡垂直轴风机虽然在城市环境和小型应用中有一定优势，但在大规模发电领域尚未广泛应用水平轴风力发电机高效率转换效率可达45%以上技术成熟产业链完善，规模化生产大型化趋势单机容量不断增加，已达10MW以上广泛应用全球风电装机的主导技术水平轴风力发电机主要优势在于高效率和成熟的技术路线，经过几十年发展，其可靠性和经济性已经得到充分验证现代大型风机采用变速变桨距技术，能够在不同风速下保持高效率，同时确保在极端风况下的安全性随着技术进步，水平轴风机的单机容量不断增长，叶片长度已超过100米，塔筒高度达150米以上，使其能够捕获更高空的稳定风能海上风电对大型化的需求尤为强烈，目前最大风机已达16MW垂直轴风力发电机达里厄型H型萨伏纽斯型螺旋型使用直翼型叶片，外形如英文字母H，工使用半圆形叶片形成S形结构，主要利用叶片呈螺旋状排列，结合升力和阻力原理，作原理与水平轴风机类似，利用升力驱动阻力原理工作起动转矩大，可在低风速具有较好的视觉美感和较低噪音运行平效率较高，可达30-40%，是垂直轴风机中下启动，但效率较低，通常不超过20%稳，对风向不敏感，适合城市环境应用，性能最接近水平轴风机的类型适合小型应用和作为其他类型风机的启动但效率一般，制造复杂度高辅助装置垂直轴风力发电机的主要优势在于对风向不敏感，无需偏航系统；发电机和控制设备可置于地面，便于维护；在复杂地形和紊流条件下表现较好它们特别适合于建筑物集成和分布式应用，但在大型风电场领域尚未形成规模化应用风力发电场选址风能资源因素年平均风速应在6m/s以上，风功率密度200W/m²风速分布、主导风向、湍流强度、极端风速等都需详细调查理想的风电场年等效满负荷发电小时数应超过2000小时地形地貌条件地形开阔平坦为佳，避免大起伏地形导致的湍流山顶、山脊、沿海岸线等位置通常风速较高场地坡度一般不应超过15度，以便于施工和运输电网接入条件距离电网接入点不宜过远，否则输电线路投资过大接入点电网容量应能消纳风电场全部出力，且电网稳定性要满足要求交通运输条件考虑大型设备叶片长度可达60米以上的运输通道，道路转弯半径、桥梁承载能力、隧道尺寸等都是制约因素此外，还需考虑土地利用、环境影响、社会接受度等因素鸟类迁徙路线、军事设施、机场、居民区等需避开风机之间的间距通常为主风向5-9倍风轮直径，垂直于主风向3-5倍风轮直径，以减少尾流影响海上风电技术基础类型技术特点•单桩基础水深30米，单根大直径钢管打入海床•大型化单机容量普遍8-14MW，未来将达20MW•重力式基础水深30米，混凝土结构依靠自重稳定•防腐蚀采用特殊涂层和阴极保护系统•导管架基础水深30-50米，类似石油平台结构•远程监控实时监测系统状态和海洋环境•漂浮式基础水深50米，通过锚链系泊在海床•高压直流输电长距离海底电缆传输技术•专用安装船能够在复杂海况下作业的特种船舶海上风电具有资源质量好风速高且稳定、可大规模开发、不占用陆地空间等优势，但投资成本高、施工维护难度大目前全球海上风电装机容量突破35GW，中国成为最大市场近岸浅水区域技术已相对成熟，深远海漂浮式技术正处于示范阶段，未来发展潜力巨大风电并网技术波动性管理电能质量控制预测技术与调度策略配合电压、频率与谐波管理系统协调故障穿越与其他电源和负荷协同运行电网故障期间保持连接风电大规模并网面临的主要挑战是其随机性、波动性和间歇性特点先进的风电功率预测系统可将预测误差控制在10-20%，为电网调度提供依据现代风电场已具备主动调频、调压能力，可参与电网运行控制，提供基本辅助服务中国三北地区风电消纳问题曾经突出，通过特高压输电技术、风火打捆、风光互补、风电制氢等多种方式，消纳能力不断提高近年来弃风率已从最高时的17%降至5%以下，风电已成为电力系统重要组成部分生物质能概述林业生物质农业生物质包括林木采伐和加工剩余物、速生丰产林等，包括农作物秸秆、农产品加工剩余物等，分散热值较高，是最主要的生物质能源中国林业性强，收集成本较高中国农作物秸秆年产量生物质理论资源量约8亿吨标准煤/年约9亿吨，可作能源利用的约4亿吨城市垃圾畜禽粪便包括生活垃圾和污水处理厂污泥等，既能产生主要通过厌氧发酵产生沼气利用，处理过程还能源，又能减少环境负担中国城市生活垃圾可减少环境污染中国畜禽粪便理论资源量约年产量约4亿吨，能源利用率不断提高7亿吨/年，是重要的农村能源生物质能是唯一可同时生产电力、热能和液体燃料的可再生能源，在能源系统中具有独特价值生物质能源技术路线多样，包括直接燃烧发电、气化发电、厌氧发酵和生物液体燃料生产等，适应不同资源特点和使用需求生物质能源类型固态生物质能直接燃烧的薪柴、压缩成型燃料等液态生物质能生物乙醇、生物柴油、生物航空燃油等气态生物质能沼气、生物质气化气、生物合成天然气等固态生物质能是最传统的能源利用形式，包括直接燃烧的薪柴、农作物秸秆以及经过加工的压缩成型燃料颗粒燃料、压块等这些燃料可直接用于发电、供热或者作为工业燃料液态生物质能主要指生物液体燃料，包括以粮食作物、薯类、甜菜等为原料的第一代生物乙醇；以木质纤维素为原料的第二代生物乙醇；以及以废弃油脂或油料作物为原料的生物柴油等气态生物质能包括通过厌氧发酵产生的沼气、通过热化学转化产生的生物质气化气等，可用于发电、供热或作为车用燃料生物质直接燃烧发电生物质收集处理收集、运输、破碎、干燥锅炉燃烧产生高温高压蒸汽汽轮机转动蒸汽推动汽轮机旋转发电机发电机械能转化为电能生物质直接燃烧发电是目前应用最广泛的生物质发电技术，原理与传统火力发电相似，但燃料从化石燃料替换为生物质根据燃烧方式不同，主要分为层燃炉炉排炉和流化床两种技术路线中小型生物质电厂25MW以下多采用层燃技术，投资少、运行简单；大型电厂25MW多采用流化床技术，燃料适应性强、效率高生物质发电系统的热效率通常为20-35%，采用热电联产可将综合能源利用效率提高到80%以上生物质气化技术技术原理气化炉类型生物质气化是在高温800-1200℃条件下，通过控制氧气供应量，•固定床结构简单，适合小规模应用，分上吹、下吹和横吹使生物质发生部分氧化和热解反应，生成以CO、H₂和CH₄为主要成分的可燃气体的过程根据反应所需氧气来源，可分为直接•流化床燃料适应性强，热效率高，适合大规模应用气化使用空气或氧气和间接气化利用热媒体加热•气流床温度高，焦油含量低，对燃料要求高•等离子体气化温度极高5000℃，可处理各类废弃物生物质气化相比直接燃烧具有更高的能源转化效率和更低的污染物排放气化产生的燃气可用于燃气轮机或内燃机发电，也可用作合成化学品和液体燃料的原料通过多联产技术路线，能源利用效率可达60-80%世界各国已建成多个生物质气化示范工程，但多数仍处于示范或小规模应用阶段面临的主要挑战包括焦油处理、气体净化以及系统长期稳定运行等问题生物质厌氧发酵水解阶段大分子有机物在水解菌分泌的酶的作用下分解为小分子物质，如糖类、氨基酸、脂肪酸等酸化阶段小分子物质在发酵菌作用下进一步转化为有机酸、醇类、H₂和CO₂等产乙酸阶段酸化产物在产乙酸菌作用下转化为乙酸、H₂和CO₂产甲烷阶段乙酸、H₂和CO₂在甲烷菌作用下最终转化为CH₄和CO₂厌氧发酵是在厌氧条件下，微生物分解有机物产生沼气的过程沼气成分主要为甲烷50-70%和二氧化碳30-50%，热值约为20-25MJ/m³适合厌氧发酵的原料包括畜禽粪便、农业废弃物、食品加工废水等含水率高的生物质沼气发酵过程对温度敏感，通常分为常温发酵10-30℃、中温发酵30-40℃和高温发酵50-60℃中温发酵技术最为成熟，应用最广泛沼气可用于发电、供热或净化后作为车用燃料，发酵后的沼渣沼液是优质有机肥料生物燃料技术生物燃料是指由生物质资源经过物理、化学或生物等转化过程制得的液体或气体燃料根据原料和工艺不同，可分为第一代、第二代和第三代生物燃料第一代生物燃料主要以粮食作物如玉米、甘蔗、油菜籽等为原料，包括生物乙醇和生物柴油，技术成熟但面临与粮争地问题第二代生物燃料以非粮原料如秸秆、木质纤维素等为原料，减轻了对粮食的竞争，但成本较高第三代生物燃料主要指藻类燃料，生产效率高但尚处于研发阶段生物乙醇生产63%理论转化率每100kg淀粉理论上可产乙醇63kg95%汽油混配比E95表示95%汽油与5%乙醇混合30%能量减少纯乙醇热值约为汽油的70%85%碳减排玉米乙醇全生命周期减排85%生物乙醇主要有两种生产路线一是以含糖、淀粉类作物为原料的糖化-发酵工艺；二是以木质纤维素为原料的纤维素乙醇工艺前者技术成熟，已实现大规模商业化；后者可充分利用非粮生物质资源，是未来发展方向，但酶解效率和成本仍是技术瓶颈生物乙醇主要用于汽油添加剂汽油中添加10-15%乙醇或作为燃料乙醇E85直接使用全球生物乙醇产量超过1亿吨，美国和巴西是最大生产国，中国正在逐步扩大燃料乙醇使用规模生物柴油生产工艺路线反应条件原料要求转化率优缺点酯交换法50-60℃，催化剂油脂酸值2mgKOH/g96-98%工艺成熟，能耗低，但原料要求高酯化-酯交换法两步反应适应高酸值油脂94-96%适应性强，但工艺复杂超临界法350-400℃，高压适应各类油脂98-99%反应迅速，无催化剂，但能耗高生物酶法30-40℃，常压适应各类油脂90-95%条件温和，环保，但成本高生物柴油是由植物油、动物油脂或废弃油脂与醇通常是甲醇在催化剂作用下发生酯交换反应生成的脂肪酸甲酯其理化性质与石化柴油相近，可直接用于柴油发动机或与石化柴油混合使用B5-B20水力发电技术资源特点技术原理分布情况水力发电利用水位落差水力发电的基本原理是中国水电资源主要分布的势能转化为电能，是利用水从高处流向低处在西南地区，四川、云最成熟的可再生能源技的势能，推动水轮机旋南、西藏三省区占全国术全球水力资源理论转，带动发电机发电水电资源的60%以上蕴藏量约42亿千瓦，技根据泽布利科夫定律，金沙江、雅砻江、大渡术可开发量约15亿千瓦，水轮机的功率与水流量河、澜沧江等河流水电经济可开发量约8亿千瓦和水头的乘积成正比开发潜力巨大目前中中国水电资源丰富，技现代水电站的能量转换国水电装机容量超过

3.7术可开发量约

6.4亿千瓦，效率可达90%以上，是亿千瓦，居世界首位，居世界首位效率最高的发电方式但开发率仅为50%左右小型水电站分类与特点主要类型根据装机容量，水电站通常分为大型300MW、中型50-•径流式不设调节水库，发电量随河流流量变化300MW、小型

0.5-50MW和微型

0.5MW小型水电具有投资•引水式通过引水渠或管道引水发电，可获得较大落差少、建设周期短、对环境影响小等优点，特别适合山区分散式供•水库式建设水库调节水量，发电稳定可靠电•堰坝式在河道建低坝抬高水位，形成水头发电按水头高度，小水电又可分为高水头50m、中水头15-50m和不同类型适用于不同地形条件和开发目标，需根据具体情况选择低水头15m三类，不同水头条件采用不同类型的水轮机最适宜的开发方式小水电是中国农村电气化的重要支柱，特别是在西南山区发挥了重要作用中国拥有近5万座小水电站，总装机容量超过8000万千瓦，年发电量约2800亿千瓦时，在全球小水电发展中处于领先地位抽水蓄能技术抽水过程能量储存利用电网低谷电力将水抽至上水库水以势能形式储存在上水库循环使用发电过程水在上下水库间循环利用高峰时段水流回下水库发电抽水蓄能电站是目前最成熟、最大规模的能量储存技术，具有容量大、寿命长、响应速度快等优点其往返效率通常为70-80%，虽然有一定能量损失，但通过峰谷电价差可实现经济效益随着风电、光伏等波动性新能源比例不断提高，抽水蓄能在电网调峰、填谷、调频、调相等方面的作用日益突出中国已建成超过3600万千瓦抽水蓄能装机，规划到2030年达到

1.2亿千瓦，为新能源大规模并网提供支撑地热能利用发电应用高温地热发电工业利用2工业烘干、杀菌、制冷建筑采暖地热供暖、温室种植温泉疗养4医疗康复、旅游休闲浅层地热利用地源热泵系统地热能是地球内部的热能，具有清洁、稳定、可持续等优点按温度高低可分为高温地热150℃、中温地热90-150℃、低温地热25-90℃和浅层地热25℃高温地热主要用于发电，中低温地热主要用于直接热利用，浅层地热则通过热泵技术提升温度后利用中国地热资源丰富，理论储量相当于35000亿吨标准煤，但目前开发利用率不足2%十四五期间，中国将大力发展地热能，预计到2025年地热能年利用量将达7000万吨标准煤地热发电技术干蒸汽发电闪蒸发电直接利用天然干蒸汽驱动汽轮机发电，将高温高压地热水引至地面后减压闪蒸结构简单、效率高，但资源分布极为有成蒸汽发电根据闪蒸次数分为单闪发限全球仅有意大利拉德雷洛、美国间电、双闪发电和多闪发电，闪蒸次数越歇泉等少数几处干蒸汽田此类电站规多，能量利用率越高，但系统复杂度也模通常在20-120MW之间，单井产能可随之增加这是目前应用最广泛的地热达5-10MW发电技术二元循环发电利用中低温地热水加热低沸点工质如异丁烷、戊烷等，工质气化后驱动透平机发电此技术可利用温度较低90-150℃的地热资源发电，大大扩展了地热发电的资源基础，是地热发电技术的重要发展方向全球地热发电装机容量约16000MW，主要分布在美国、印度尼西亚、菲律宾、土耳其、新西兰、墨西哥等国家中国地热发电装机容量约30MW，主要位于西藏羊八井和云南腾冲等地，开发潜力巨大地源热泵系统冬季供热从地下提取热量向室内供热夏季制冷将室内热量排放到地下实现制冷过渡季节提供生活热水和部分空调需求全年运行实现能量循环平衡利用地源热泵是利用浅层地热资源地下10-200米恒温层作为冷热源，通过热泵技术实现供热、制冷和生活热水的系统相比传统空调，地源热泵能效比高40-60%，可节能30-50%，使用寿命长25-50年，是绿色建筑首选的空调系统地源热泵按照换热方式可分为土壤源热泵垂直埋管和水平埋管、地下水源热泵和地表水源热泵系统设计需考虑建筑负荷特性、地质条件、气候特点等因素，合理匹配各部分容量，以实现最优的系统性能和经济性海洋能技术概述资源特点海洋能是蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋温差能和盐差能等海洋能资源丰富，全球理论储量超过750亿千瓦，是陆地可再生能源的3-4倍，但分布分散、能量密度低，开发难度大全球发展现状目前海洋能商业化程度较低，全球装机容量约530MW，主要是潮汐能发电英国、法国、加拿大、韩国等国家在海洋能开发方面处于领先地位，建立了多个海洋能示范项目近年来，波浪能和潮流能技术发展迅速，向商业化迈进中国发展情况中国海洋能资源丰富，理论储量约

1.9亿千瓦，其中潮汐能约1100万千瓦，波浪能约1280万千瓦，海流能约1400万千瓦，温差能约

1.7亿千瓦目前已建成数个潮汐电站和波浪能、潮流能示范装置，但总装机规模较小，约4万千瓦技术挑战海洋能开发面临海洋环境恶劣、设备腐蚀严重、维护困难等挑战同时，发电成本高、并网技术复杂也限制了其大规模应用未来发展需要突破关键材料、高效转换装置、智能控制系统等核心技术潮汐能发电技术原理全球典型工程潮汐发电利用海水涨落的位能差发电海水涨潮时通过水闸进入•法国朗斯电站装机240MW，1966年建成，全球最早大型潮水库，潮位下降后，水库中的水通过水轮机流回海中发电根据汐电站发电方式不同，可分为单向发电、双向发电和混合发电三种模式•韩国始华湖电站装机254MW，2011年建成，目前全球最大潮汐发电的优点是技术成熟、可靠性高、发电规律性强，可进行•加拿大安纳波利斯电站装机20MW，1984年建成准确预测缺点是选址条件严格，要求潮差大通常5米且有适合•中国江厦电站装机

3.9MW，1980年建成，亚洲最早潮汐电建坝的海湾或河口，建设投资高，对局部生态环境有一定影响站潮汐发电虽受到地理条件限制，但在适合的地区可提供稳定可靠的电力近年来，不依赖筑坝的潮流发电技术发展迅速，利用潮汐引起的海水流动驱动水下涡轮机发电，对环境影响更小，开发潜力巨大波浪能发电振荡水柱式浮体式越浪式利用波浪使密闭腔体内水面上下振荡，压缩利用浮体在波浪作用下的相对运动发电根利用波浪越过斜坡汇集到高于平均海平面的空气推动空气轮机发电结构简单，适应性据工作原理可分为点吸收式、衰减器和终端水库，然后通过低水头水轮机流回海中发电强，是目前研究最多的波浪能转换装置代器等类型结构紧凑，适合分散部署代表类似于小型水电站，技术成熟但结构庞大表项目有英国LIMPET500kW和葡萄牙项目有美国OPT公司的PowerBuoy和瑞典代表项目有丹麦Wave Dragon7MW示范装Pico400kW装置Seabased公司的线性发电机组置海洋温差能发电循环泵送深层海水换热液态工质被泵回蒸发器继续循环膨胀做功4-6℃的深层冷海水使工质冷凝表层海水换热工质蒸汽推动涡轮机转动25-30℃的表层暖海水使工质蒸发海洋温差能发电OTEC利用海洋表层水与深层水通常800-1000米深之间的温度差发电根据热力学原理，温差发电至少需要20℃的温差才具有经济性，因此主要适用于热带和亚热带海域OTEC系统按工质循环方式可分为闭式循环使用氨等低沸点工质、开式循环直接使用海水作为工质和混合循环三种除发电外，OTEC系统还可提供淡水、空调冷却和深层海水养殖等多种产品，通过多联产提高经济性目前全球最大的OTEC装置是日本冲绳的100kW示范电站，美国、法国等国也建立了多个试验装置由于需要抽取深层海水，系统复杂且投资大，OTEC技术尚未实现大规模商业化氢能技术氢气制备方法制备方法能源来源效率成本元/kg碳排放技术成熟度天然气重整天然气70-85%15-20高成熟煤气化煤炭60-75%12-18很高成熟碱性电解水电力65-75%30-45依电源而定成熟PEM电解水电力65-80%35-50依电源而定商业化固体氧化物电力+热85-95%40-60依电源而定示范阶段电解光催化分解太阳能5-15%未商业化极低研发阶段水可再生能源制氢是未来发展方向，特别是将弃风弃光电力用于电解水制氢，既可提高可再生能源利用率，又可生产零碳氢气，实现能源的大规模存储和跨季节调节燃料电池原理阳极反应氢气分解为氢离子和电子电子传输电子通过外电路形成电流离子迁移氢离子通过电解质膜迁移至阴极阴极反应氢离子与氧气和电子结合生成水燃料电池是一种电化学装置，直接将燃料的化学能转换为电能，不经过燃烧过程，因此效率高、污染少不同于电池，燃料电池只要持续供应燃料和氧化剂就能持续发电，不需要充电以氢氧燃料电池为例，阳极反应为H₂→2H⁺+2e⁻，阴极反应为½O₂+2H⁺+2e⁻→H₂O，总反应为H₂+½O₂→H₂O理论效率可达83%，实际系统效率通常为40-60%，远高于内燃机的30-35%燃料电池类型质子交换膜燃料电池PEMFC碱性燃料电池AFC工作温度60-80℃，启动快，功率密度高，工作温度60-90℃，效率高，但对CO₂敏主要用于交通工具和便携设备电解质为感电解质为氢氧化钾溶液，主要用于航1固态聚合物膜，需要高纯氢气和贵金属催天领域阿波罗计划使用的就是这种燃料化剂电池熔融碳酸盐燃料电池MCFC固体氧化物燃料电池SOFC工作温度650℃左右，效率高，适合大型工作温度600-1000℃，燃料适应性强，43发电站电解质为碳酸锂钾熔体，具有内可直接使用天然气等烃类燃料，但启动慢部重整能力，可直接使用天然气、煤气等电解质为氧化锆等陶瓷材料，主要用于分燃料布式发电燃料电池应用燃料电池应用领域广泛，主要包括交通运输、分布式发电、便携式电源和特种应用等在交通领域，燃料电池汽车具有加氢快3-5分钟、续航里程长500-700公里等优点，是纯电动汽车的有力补充丰田Mirai、现代NEXO等燃料电池乘用车已实现小规模商业化，而在公交车、物流车等商用车领域，燃料电池更具经济性，正加速推广在分布式发电领域，燃料电池热电联产系统效率可达80%以上，适合医院、数据中心等对电力质量要求高的场所在特种应用方面，燃料电池因能量密度高、静音环保等特点，广泛应用于潜艇、航天器等领域新能源汽车技术纯电动汽车BEV插电式混合动力PHEV完全依靠电池储存的电能驱动电机行同时配备内燃机和电动机，可外接电驶，零排放优点是结构简单、能效源充电，电池容量介于HEV和BEV之高70-80%、维护成本低；缺点是续间可在短途纯电行驶，长途依靠内航里程有限、充电时间长技术发展燃机，解决了里程焦虑问题，但系重点是提高电池能量密度、延长寿命统复杂、成本高和缩短充电时间燃料电池汽车FCEV利用车载氢气和空气中的氧气在燃料电池中发生电化学反应产生电能驱动汽车，排放物仅为水具有加注快、续航长的优点，但基础设施不足、成本高，适合长途商用车辆新能源汽车是全球汽车产业转型的主要方向，2022年全球新能源汽车销量超过1000万辆，中国市场占比超过50%随着电池技术进步和充电基础设施完善，新能源汽车经济性不断提高，预计2025年左右将在总拥有成本上与传统燃油车持平电动汽车动力电池系统电机驱动系统电控系统电动汽车的心脏，储存电能并提将电能转化为机械能驱动车轮主电动汽车的大脑，整合管理各子供动力主流技术为锂离子电池，要使用永磁同步电机PMSM和交系统包括整车控制器VCU、电能量密度150-300Wh/kg三元锂流感应电机IM两种永磁电机效池管理系统BMS、电机控制器电池能量密度高但安全性较低，磷率高但成本高，感应电机成本低但MCU等随着智能化趋势，电控酸铁锂电池安全性好但能量密度较效率稍低电机控制器通过精确控系统复杂度不断提高，集成了自动低电池管理系统BMS对保障电制电流实现扭矩精确调节驾驶、车联网等高级功能池安全和延长寿命至关重要充电系统实现电网电能向车载电池的能量传输包括车载充电机OBC和直流快充接口充电方式分为交流慢充7-22kW和直流快充50-350kW新兴技术包括无线充电和换电技术，提供更便捷的充电方式混合动力汽车混合动力汽车HEV结合了内燃机和电动机两套动力系统，通过优化两者工况提高能源利用效率，一般可比同级别燃油车节油30-50%根据动力耦合方式不同，主要分为三种架构串联式混合动力内燃机只驱动发电机发电，不直接驱动车轮，电机负责驱动系统控制简单，内燃机可始终工作在高效区间，但传动链效率损失较大适合城市频繁启停工况并联式混合动力内燃机和电机都可直接驱动车轮，通过离合器控制两者工作状态结构相对简单，传动效率高，但内燃机工作点不易优化混联式混合动力结合串联和并联的特点，通过行星齿轮等复杂机构实现动力分流结构复杂但灵活性高，能更好地优化能量流向丰田普锐斯采用的THS系统是典型代表智能电网技术分布式发电与微网双向互动1支持屋顶光伏、小型风电等分布式能源接入，实现电力公司与用户的双向信息流和能量流，形成局部平衡的微电网系统，提高系统弹性和支持需求侧响应和分时电价等灵活机制可靠性智能化管理能源存储集成利用人工智能、大数据等技术实现电网自感知、整合各类储能技术，平滑新能源波动，提供调自决策和自愈能力峰、调频和备用服务智能电网是支撑新能源大规模接入的关键基础设施，通过先进的信息通信技术与传统电网深度融合，实现电力系统的智能化管理和优化运行相比传统电网，智能电网具有更高的灵活性、可靠性和经济性，能够适应能源结构低碳化、分散化的发展趋势中国正在建设全球规模最大的智能电网，已形成特高压骨干网架，实现了大范围能源优化配置下一阶段将重点发展源网荷储协调互动、多元化交易机制和能源互联网等方向，支撑能源革命深入推进能源存储技术机械储能1包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能抽水蓄能是目前最成熟的大规模储能技术，全球装机超过170GW，占储能总容量的90%以上电化学储能2包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池等响应速度快、效率高，是增长最快的储能技术锂电池成本近十年下降超过90%，已在电网侧和用户侧广泛应用电磁储能3包括超导磁储能和超级电容器储能功率密度高，响应时间短毫秒级，但能量密度低，主要用于电能质量改善和瞬时功率支持热储能4包括显热储能和潜热储能结构简单、成本低，主要用于太阳能热发电系统和工业余热利用熔盐储热可实现24小时连续供能化学储能5包括氢储能和合成燃料能量密度高，适合季节性储能和跨区域能源运输氢能被视为实现大规模长时储能的关键技术新能源产业发展趋势60%可再生能源电力占比2050年全球电力中可再生能源比例100+储能规模增长倍数2050年全球储能装机将比现在增长85%成本下降幅度2030年前太阳能和风能度电成本将下降万亿10投资规模元中国十四五期间清洁能源投资全球新能源产业正进入加速发展期，大规模替代化石能源成为确定性趋势技术进步和规模效应推动新能源成本持续下降，在全球大部分地区，新建太阳能和风电已经成为最经济的发电方式未来发展主要呈现六大趋势一是发电侧大型化与分布式并行发展；二是能源存储与新能源深度融合；三是能源与信息技术加速融合；四是多能互补系统集成水平提高；五是电气化深入各行业领域；六是国际能源合作与竞争并存中国在光伏、风电、储能等多个新能源领域已处于全球领先地位新能源技术面临的挑战经济性挑战尽管成本已大幅下降，但新能源的全系统成本包括储能和电网改造仍高于传统能源许多新兴技术如海洋能、氢能等尚未实现经济性，需要持续的技术创新和成本降低同时，新能源的间歇性带来的系统成本尚未完全体现在现有电价机制中技术瓶颈各类新能源技术仍面临不同的技术瓶颈如光伏领域的高效率电池技术、风电领域的海上风电与极端环境适应性、生物质能的高效转化、氢能的经济制取与安全储运等，都需要突破关键材料与核心工艺技术系统集成与调度新能源的波动性、间歇性与传统电力系统的调度模式不匹配，随着新能源渗透率提高，电网稳定性面临挑战需要发展先进的预测技术、灵活调度机制和多元化储能技术，实现源网荷储协调互动产业链安全全球新能源产业链存在资源集中、技术垄断等问题如稀土永磁材料、光伏级多晶硅、燃料电池催化剂等关键材料供应链风险需要加强资源多元化布局和技术创新，提高产业链韧性总结与展望技术创新驱动突破关键技术，引领产业变革多方协同推进政府、企业、社会共同参与国际合作深化共享技术，共建绿色未来绿色低碳转型建设清洁、高效、安全的能源体系新能源技术作为应对气候变化和实现可持续发展的关键支撑，已进入快速发展期通过本课程的学习，我们系统掌握了太阳能、风能、生物质能、海洋能、氢能等各类新能源的基本原理、关键技术和应用现状，了解了新能源汽车、智能电网和能源储存等相关技术领域展望未来，新能源技术将继续深度融合信息技术、材料技术和智能制造技术，朝着高效率、低成本、规模化、智能化方向发展作为新时代的工程技术人员，我们应当把握历史机遇，积极投身新能源领域的技术创新和产业发展，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系贡献力量。