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1、新能源转换与控制技术新能源转换与控制技术绪绪 论论 新能源利用包括可再生能源新能源利用包括可再生能源(风能、太阳能、生物质能、风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能水能、海洋能)和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。术）。新能源转换与控制技术涉及：新能源转换与控制技术涉及：利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源洁能源电能；电能；对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需对电能通过变换与
2、控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。求和电力的高效管理。1.1 1.1 能源储备与可持续发展战略能源储备与可持续发展战略 1.2 1.2 能源的分类与基本特征能源的分类与基本特征 1.3 1.3 新能源发电新能源发电能源转换的重要形式能源转换的重要形式 1.4 1.4 新能源转换与控制技术的经济意义新能源转换与控制技术的经济意义 本章主要内容本章主要内容1.11.1能源储备与可持续发展战略能源储备与可持续发展战略 1.1.11.1.1中国的能源结构与储备中国的能源结构与储备 1 1、中国的能源结构、中国的能源结构 中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富中国是一个能源大
3、国，在能源结构中煤炭储量最为丰富 ，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/21/2，仅为美国，仅为美国人均水平的人均水平的1/101/10。煤多油少煤多油少是中国能源储存是中国能源储存结构的基本特点，这种结结构的基本特点，这种结构到今后构到今后2020年，甚至到本年，甚至到本世纪中叶，我以煤为主的世纪中叶，我以煤为主的能源结构将不会改变。能源结构将不会改变。在能源生产与消费中，以煤在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，炭为主要能源直接进
4、行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成分，造成环境污染严重、环境污染严重、效率低下、浪费惊人。效率低下、浪费惊人。2 2、中国的资源和能源储备、中国的资源和能源储备 我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用效率的低下。我国能源利用效率仅为效率的低下。我国能源利用效率仅为30%30%左右。左右。中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结构矛盾的表现。构矛盾的表现。煤电油供需矛盾相当突出。煤电油供需矛盾相当突出。建立建立高度节约型的循环经济体制，高度节约型
5、的循环经济体制，深入研究、大力开发和深入研究、大力开发和利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。中国与世界一次能源消中国与世界一次能源消费结构比构比较（20042004年）年）（美国数据（美国数据为20012001年）年）中国能源产消现状年份年份占能源消费总量的比重占能源消费总量的比重/%煤炭煤炭石油石油天然气天然气水电、核电、风电水电、核电、风电198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.6
6、7.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中国一次能源消费结构中国一次能源消费结构“十五十五”以来中国能源消以来中国能源消费增增长情况情况1.1.2 1.1.2 中国的可持续发展战略中国的可持续发展战略l980l98020002000年期间，中国能源发展成就巨大：年期间，中国能源发展成就巨大：实现了实现了GDPGDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。翻两番而能源消费仅翻一番的成就。是能源利用效率大幅度提高。是能源利用效率大幅度提高。是取得了相当大的环境效益。是取得了
7、相当大的环境效益。这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。在在20062006年初，我国正式颁布了年初，我国正式颁布了可再生能源法可再生能源法，即，即将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生能源的利用已进入生能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展法制化、规范化和可持续发展的新的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、阶段，并将迸发超前的活
8、力，为中国能源事业的发展、为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。未来，我国将以未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热燃料电池、微燃机组热电联产分布供电等具有大规电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。模发展潜力的新技术为重点。风力力发电水力水力发电燃料燃料电池汽池汽车奥体中心光伏奥体中心光伏发电项目目 1.21.2能源的分类与基本特征能源的分类与基本特征1.2.1 1.2.1 能源的分类能源的分类
9、1 1、能源、能源 能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星的运行。星的运行。2 2、能源的分类、能源的分类 “世界能源理事会世界能源理事会(World Energy Council WEC)”(World Energy Council WEC)”推荐的能源分推荐的能源分类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太
10、阳能；生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。1.2.2 1.2.2 能源的基本特征能源的基本特征一次能源一次能源:指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。一一 次次 能能 源源可再生能源可再生能源可再生能源非再生能源非再生能源非再生能源 可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它
11、包括：太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等；是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初级资源。包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。二次能源二次能源:是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。氢气和焦炭等等。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。二次能源又可分为二次能源又可分为“过
12、程性能源过程性能源”和和“合能体能源合能体能源”。过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。如：如：电能能如：柴油、汽油如：柴油、汽油终端能源终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。费的各种能源。常规能源常规能源又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。商品能源商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，是作为商品经流通环节大
13、量消费的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5 5种。种。非商品能源非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的能源供应中占有很大比重。能源供应中占有很大比重。1.2.3 1.2.3 新能源及主要特征新能源及主要特征新能源：新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。能确保供应和替代常规化石能源
14、的可持续发展能源体系。包含两方面：包含两方面：新能源体系新能源体系：可再生能源：可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热和地热 能、氢能、核能能、氢能、核能新能源利用技术新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术“新新”与与“旧旧”的区别的区别“新新”与传统的与传统的“旧旧”能源利用方式和能源系统相对立能源利用方式和能源系统相对立 。“旧旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；以化石燃料为主的传统能源利用形态；只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率只强调转换
15、端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率 ；只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。“新新”：高效利用能源；高效利用能源；资源综合利用；资源综合利用；可再生能源；可再生能源；替代能源；替代能源；节能。节能。1.2.4 1.2.4 分布式能源及主要特征分布式能源及主要特征1 1、分布式能源、分布式能源 国际分布式能源联盟（国际分布式能源联盟（WADEWADE）对）对“分布式能源分布式能源”给出的定义是：发电系给出的定义是：发电系统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：高效的利
16、用发电产生的废能生产热和电；高效的利用发电产生的废能生产热和电；现场端的可再生能源系统；现场端的可再生能源系统；包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。术，及该系统是否联接电网等条件。国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：l微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主微型
17、燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主要形式；要形式；l“燃料电池燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。高效燃料高效燃料电池池微型燃气微型燃气轮机机2 2、分布式能源主要特征、分布式能源主要特征 (1)(1)高效性高效性 (2)(2)环保性环保性(3)(3)能源利用的多样性能源利用的多样性(4)(4)调峰作用调峰作用(5)(5)安全性和可靠性安全性和可靠性(6)(6)减少国家输配电投资减少国家输配电投资(7)(7)解决边远地区供电解决边远地区供电1.31.3新能源发电新能源发电能源转换的重要形式能源
18、转换的重要形式 1.3.1 1.3.1 新能源发电技术的应用新能源发电技术的应用 风力发电风力发电 风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的 发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为 发达国家风电发展的主要形式。发达国家风电发展的主要形式。目前研发重点主要集中在目前研发重点主要集中在 大型风力发电场与现有电网联网；大型风力发电场与现有电网联网；继续开发可靠的风力预报方法；继续开发可靠的风力预报方法；开展与风能开发相配套的生态影响研究；开展与风能开发相配套的生态影响研究；发展海上风力发电等发展海上风力发电等。太阳能发
19、电太阳能发电 美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界范围内已建成式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界范围内已建成多个多个MWMW级的联网光伏电站。级的联网光伏电站。美国最大太阳能美国最大太阳能发电项目目“太阳能之星太阳能之星”燃料电池发电燃料电池发电 燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾
20、与污水处理。美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。燃料燃料电池池发电系系统 燃料燃料电池汽池汽车生物质发电生物质发电 全球每年植物所固定的生物质能相当于全球每年植物所固定的生物质能相当于10.210.2万亿吨标准煤，相当于全万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（世界每年耗能（8787亿吨标准煤）亿吨标准煤）11721172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的生物质能总量约合生物质能总量约
21、合7 7亿吨标准煤，但目前开发极少。亿吨标准煤，但目前开发极少。生物质发电示意图生物质发电示意图秸秆发电厂秸秆发电厂核能发电核能发电 又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。俄俄罗斯斯悬浮核能浮核能发电厂厂 核能核能发电厂水蒸气厂水蒸气燃气发电燃气发电 根据用户用能性质、资源配置等不同情况，
22、由燃气管网将天然气、根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。置组成热电联产或分布式能源供给系统。距尼日利亚拉各斯距尼日利亚拉各斯7070余余公里的帕帕兰多燃气电公里的帕帕兰多燃气电站一角。站一角。帕帕兰多燃气电站的帕帕兰多燃气电站的8 8台台燃气机组都是由中国制燃气机组都是由中国制造。总装机容量为造。
23、总装机容量为33.633.6万千瓦。万千瓦。其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。地热能发电地热能发电 海洋能海洋能潮汐发电站潮汐发电站 1.3.2 1.3.2 我国新能源发电的现状我国新能源发电的现状 太阳能发电太阳能发电我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到到21%21%，一般商业电池效率是，一般商业电池效率是10%10%14%14%。已建成。已建成1 1座光伏电站，总容量约座光伏电站，总容量约40MW40MW。风能发电风能发电到到20052005年
24、底，我国独立风电装置有年底，我国独立风电装置有1010多万台，总容量多万台，总容量20MW20MW左右，左右，80%80%以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的场，我国自行研制的1.5MW1.5MW风力发电机组已经投入运行。风力发电机组已经投入运行。地热能发电地热能发电地热能我国地热发电站总装机容量地热能我国地热发电站总装机容量30MW30MW左右，其中西藏左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。生物质能发电生物质能发电生物能发电在我国尚处于起步阶段
25、，蔗渣生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/稻壳燃烧稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约800MW800MW。燃料电池发电燃料电池发电燃料电池自上世纪燃料电池自上世纪9090年代中期以来，我国在燃料年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。发展重大项目，其研究目标直指国际水平。小水利发电小水利发电由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比由于小水电站投资小、风险
26、低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮。站的热潮。核能发电核能发电预计，中国计划预计，中国计划20202020年核能发电能力将由目前的约年核能发电能力将由目前的约8kMW8kMW增加到增加到40kMW40kMW，投资金额高达，投资金额高达300300亿美元。亿美元。开发时序预期为：开发时序预期为：2000200020202020年重点开发先进核反应堆技术；年重点开发先进核反应堆技术；2020 202020302030年重点开发快中子堆技术；年重点开发快中子堆技术；2030 203
27、020402040年重点开发加速器驱动亚年重点开发加速器驱动亚1 1临界系统；临界系统；2040 204020502050年重点开发受控核聚变技术。年重点开发受控核聚变技术。1.3.3 1.3.3 新能源发电及其电源变换系统的典型结构新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.3.3.1 1.3.3.1 太阳能光伏发电及其电源变换系统太阳能光伏发电及其电源变换系统 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式，光伏发电系统由接发电形式，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能光伏电池板、控制器、储能光伏电池板、控制器、储能
28、光伏电池板、控制器、储能等环节组成，等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。将太阳能转换为可利用的电能。1 1、光伏发电系统结构、光伏发电系统结构 典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成。子变换器、负载等构成。（1 1）光伏阵列）光伏阵列 实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。光伏电池组件的串联，要求所串联组件
29、具有相同的电流容量；光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1 1个光伏电池额定输出电压大约为个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.0.45V.图图1-1 1-1 光伏发电系统组成光伏发电系统组成（2 2）蓄电池组）蓄电池组 作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳能电池阵列能电池阵列蓄电池组的充电、蓄电池组蓄电池组的充电、蓄电池组负载的放电）双向变负载的放电）双向变换控制。换控制。（3 3）电力电子
30、变换器）电力电子变换器 电力电子变换器实现电力电子变换器实现DCDCACAC或或DCDCDCDC电能变换，是光伏发电系统的关电能变换，是光伏发电系统的关键部分。键部分。直流变换器直流变换器将直流电源变换为不同电压等级的直流电源将直流电源变换为不同电压等级的直流电源交流变换器交流变换器将直流电源逆变成交流电源将直流电源逆变成交流电源变变 换换 器器（4 4）控制器）控制器 光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。功能包括：太阳能最大功率点控制（功能包括：太阳能最大功率点控制（MPPTMPPT）蓄电池充放电控制蓄电池充放电控制 光伏直流输电升降压变换控制
31、光伏直流输电升降压变换控制 逆变器控制等逆变器控制等（5 5）负载）负载 终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。量。负负 载载直流负载直流负载 由直流电源供电由直流电源供电 交流负载交流负载 由交流电源供电由交流电源供电 2 2、光伏发电系统的分类、光伏发电系统的分类 按电力系统终端供电模式分为按电力系统终端供电模式分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。（1 1）独立光伏发电系统）独立光伏发电系统 独立用户安装的为自身供电的小型光伏发电系统独立用户安装的为自身供电
32、的小型光伏发电系统 用户光伏发电系统用户光伏发电系统 独立光伏发电站独立光伏发电站。一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。图图1-2 1-2 户用光伏发电系统户用光伏发电系统（2 2）光伏并网系统）光伏并网系统 由太阳能电池阵列、变换器（斩波器、逆变器）和控制器组成。由太阳能电池阵列、变换器（斩波器、逆变器）和控制器组成。典型的光伏并网系统如图：典型的光伏并网系统如图：图图1-3 1-3 典型并网光伏发电系统典型并网光伏发电系统3 3、电源变换系统结构、电源变换系统结构 逆变电路逆变电路是所有新能源转换系统中最重要的电能变换
33、电路。是所有新能源转换系统中最重要的电能变换电路。主要作用是将直流电经主要作用是将直流电经DC/ACDC/AC逆变器变换成与电网同频率的交流电，逆变器变换成与电网同频率的交流电，为实现并网供电奠定基础。为实现并网供电奠定基础。根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：逆逆 变变 电电 路路电流源型电流源型电压源型电压源型（1 1）电流源逆变电路）电流源逆变电路 直流母线采用电感（直流母线采用电感（L L）储能）储能图1-4 典型典型电流源逆流源逆变电路路（2 2）电压源逆变电路）电压源逆变电路 直流母线采用电容（直流母线采用电容（C C
34、）储能）储能图图1-5 1-5 典型典型电压电压源逆源逆变电变电路路（3 3）复杂逆变电路）复杂逆变电路 优点优点是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；缺点缺点是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。图1-6 1-6 二极管箝位的三二极管箝位的三电平平电路路（4 4）级联式逆变器）级联式逆变器 多电平逆变器虽然可根据光伏多电平逆变器虽然可根据光伏阵列的组合，方便地组合成多阵列的组合，方便地组合成多电平光伏逆变器，但由于各级电平光伏逆变器，但由于各级电平中对应的光伏阵列可能存电平中对应的
35、光伏阵列可能存在不均衡，电平平衡控制仍然在不均衡，电平平衡控制仍然是一个难题，限制了其广泛应是一个难题，限制了其广泛应用。用。图1-7 级联式多式多电平逆平逆变器拓扑器拓扑结构构 1.4 1.4 新能源转换与控制技术的经济意义新能源转换与控制技术的经济意义1.4.1 1.4.1 能源是经济发展的引擎能源是经济发展的引擎1 1、世界能源消费现状和发展趋势、世界能源消费现状和发展趋势 过去100多年世界能源消费变化2 2、中国能源消费现状与发展趋势、中国能源消费现状与发展趋势 3 3、中国可持续发展战略与新能源利用、中国可持续发展战略与新能源利用 实现未来实现未来1515年的发展目标，年的发展目标
36、，能源、资源和环境能源、资源和环境是最大的制约因素。是最大的制约因素。新能源利用新能源利用从广义化概念讲，应包括以下从广义化概念讲，应包括以下3 3个方面：个方面：综合利用能源综合利用能源 以提高能源利用效率和节能为目标，加快转变经济增长方式。以提高能源利用效率和节能为目标，加快转变经济增长方式。替代能源替代能源 发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油进发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油进口的依赖。口的依赖。新能源转换新能源转换 大力发展以可再生能源为主的新能源利用体系，调整、优化大力发展以可再生能源为主的新能源利用体系，调整、优化能源结构。能源结构。1.4.2 1
37、.4.2 新能源转换的经济意义新能源转换的经济意义1 1、新能源转换的资源保障新能源转换的资源保障（1 1）光伏发电）光伏发电 利用光伏电池将太阳产生的光能直接转换成电能的发电形式利用光伏电池将太阳产生的光能直接转换成电能的发电形式 太阳能的转换利用方式有：太阳能的转换利用方式有：光光热转换热转换 光光电转换电转换 光光化学转换化学转换 但如何合理利用太阳能发电，提高光但如何合理利用太阳能发电，提高光电转换效率，降低开发电转换效率，降低开发和转化成本，是太阳能发电与控制技术面临的重要课题。和转化成本，是太阳能发电与控制技术面临的重要课题。（2 2）风能发电）风能发电 利用风力发电机将风能转换为
38、电能的发电形式。利用风力发电机将风能转换为电能的发电形式。中国的风能总储量估计为中国的风能总储量估计为1.6101.6109 9kWkW，列世界第三位。，列世界第三位。风能发电的经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多风能发电的经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。种因素综合决定。（3 3）核能发电）核能发电 利用核反应堆释放出的核能量进行的发电形式。利用核反应堆释放出的核能量进行的发电形式。新核能（4 4）小水利发电）小水利发电 装机容量装机容量50000kW50000kW以下水电站及其配套电网的统称。以下水电站及其配套电网的统称。优势：优势：开发灵活，可以分散
39、开发、就地成网、分布供电；开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；具有极强的适用性和辐射性；具有极强的适用性和辐射性；是国际上大力提倡的清洁可再生的绿色能源；是国际上大力提倡的清洁可再生的绿色能源；在环境保护、扶贫及提供农村能源等方面均具有显著作用。在环境保护、扶贫及提供农村能源等方面均具有显著作用。小水利（5 5）生物质能发电）生物质能发电利用生物质转换过程形成的生物质气、油通过燃利用生物质转换过程形成的生物质气、油通过燃烧发电的形式。烧发电的形式。全世界约全世界约2525亿人的生活能源的亿人的生活能源的90%90%以上是生物质能。以上是生物质能。优点：燃烧容易，污染少，灰分较低；优点：
40、燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点：热值及热效率低，能量密度低，直接燃烧生物质的热效率仅为缺点：热值及热效率低，能量密度低，直接燃烧生物质的热效率仅为10%10%30%30%，体积大而不易运输。，体积大而不易运输。（6 6）海洋能发电）海洋能发电 利用海洋的各种能量，直接将其转换为电能的形式。利用海洋的各种能量，直接将其转换为电能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能 优点：优点：蕴藏丰富、分布广、清洁无污染，但能量密度低、地域性强蕴藏丰富、分布广、清洁无污染，但能量密度低、地域性强 缺点：开发困难，并有一定的局限缺点：开
41、发困难，并有一定的局限 潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。（7 7）地热能发电）地热能发电利用高温地热资源进行发电的形式。利用高温地热资源进行发电的形式。缺点：由于地热田的分布一般远离人口密集的城镇，要利用这些缺点：由于地热田的分布一般远离人口密集的城镇，要利用这些资源就存在蒸汽或热水长距离输送的困难。资源就存在蒸汽或热水长距离输送的困难。氢能发电氢能发电用用电解法、热化学法、光电化学法、等离子体化学法电解法、热化学法、光电化学法、等离子体化学法等制等制备氢气，再经燃料或制成氢燃料电池发电的形式。备氢气，再经燃料或制成氢燃料电池发电的形式。BMW氢能7系
42、概念车 时速300km/h以上2 2、新能源转换的经济意义、新能源转换的经济意义 目前除水电外，最有竞争潜力和增长速度最快的是风能。目前除水电外，最有竞争潜力和增长速度最快的是风能。20042004年德国年德国的风力发电量已达的风力发电量已达245245亿亿kWhkWh，可满足全国，可满足全国4%4%的用电量。的用电量。太阳能设施建造成本太高，光伏发电系统平均为太阳能设施建造成本太高，光伏发电系统平均为50005000欧元欧元kWhkWh，太阳能供热系统平均为太阳能供热系统平均为25002500欧元欧元kWhkWh，因此与化石能源相比，短，因此与化石能源相比，短期内还缺乏竞争力。期内还缺乏竞争
43、力。我国在地热能发电、潮汐发电等方面已有规模化应用我国在地热能发电、潮汐发电等方面已有规模化应用 由于京都议定书的生效，氢能作为有望替代石油的动力燃料，得由于京都议定书的生效，氢能作为有望替代石油的动力燃料，得到了各发达国家的普遍关注。到了各发达国家的普遍关注。作为替代石油的重要战略选择，生物质燃料也成为世界最新关注的热作为替代石油的重要战略选择，生物质燃料也成为世界最新关注的热点。生物质能可直接生产和提供动力液体燃料，这对于解决交通能源点。生物质能可直接生产和提供动力液体燃料，这对于解决交通能源十分重要。十分重要。核电是新能源体系中能量密度最大，运行成本较低的清洁能源。核电是新能源体系中能量
44、密度最大，运行成本较低的清洁能源。太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社61第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.1 太阳的辐射及太阳能简介太阳的辐射及太阳能简介 4.2 太阳能的转换与应用太阳能的转换与应用4.3 太阳能太阳能电池与光伏发电原理电池与光伏发电原理4.4 MPPT光伏变换与控制技术光伏变换与控制技术4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价光伏发电的制约因素与经济技术评价本章主要内容
45、本章主要内容机械工业出版社62 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术634.1太阳的辐射及太阳能简介太阳的辐射及太阳能简介 4.1.1太阳简介太阳简介图图4-1 4-1 太阳的结构太阳的结构机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术64图图4-2 4-2 地球绕太阳运行示意图地球绕太阳运行示意图 太阳活动太阳活动机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术65 地地面面辐辐射射的的时时空空变变化化特特点点是是：全全年年以以赤赤道道获获得得的的辐辐射射最最多多，极极地地最最少少。这这种种热热量量不不均均匀匀分分
46、布布，必必然然导导致致地地表表各各纬纬度度的的气气温温产产生生差差异异，在在地地球球表表面面出出现现热热带带、温温带带和和寒寒带带气气候候；太太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。4.1.2 太阳辐射太阳辐射地区太阳平均辐射强度kWh/(m2d)W/m2 热带、沙漠56210250温带35130210阳光较少地区（北欧）23 80130 不同地区太阳平均辐射强度不同地区太阳平均辐射强度机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术66地球上的能流地球上的能流机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与
47、控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-4 4-4 地球上的能流地球上的能流674.2 4.2 太阳能的转换与应用太阳能的转换与应用机械工业出版社 太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种：和利用，转换的方式主要有以下几种：（1）太阳能）太阳能热能转换，并以热能形式贮存热能转换，并以热能形式贮存（2）太阳能）太阳能电能转换，并以电能形式贮存电能转换，并以电能形式贮存（3）太阳能）太阳能氢能转换，并以氢能形式贮存氢能转换，并以氢能形式贮存（4）太阳能）太阳能生物质能转换，并贮存于生物生物质能转换，并贮存于生物 质质（5）太
48、阳能机械能转换，并以机械）太阳能机械能转换，并以机械 能形式贮存能形式贮存第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.2.1 4.2.1 太阳能应用的发展史太阳能应用的发展史机械工业出版社68第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术第一阶段（第一阶段（19001920年）年）第二阶段（第二阶段（19201945年）年）第三阶段（第三阶段（19451965年）年）第四阶段（第四阶段（19651973年）年）第五阶段（第五阶段（19731980年）年）第六阶段（第六阶段（19801992年）年）第七阶段（第七阶段（19922005年）年）694.2.
49、2 4.2.2 太阳能的技术应用太阳能的技术应用机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术1太阳能采集太阳能采集（1）平板集热器）平板集热器（2）真空管集热器）真空管集热器（3）聚光集热器）聚光集热器70机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术2太阳能的转换太阳能的转换（1）太阳能）太阳能热能转换热能转换（2）太阳能）太阳能电能转换电能转换（3）太阳能）太阳能氢能转换氢能转换（4）太阳能）太阳能生物质能转换生物质能转换 （5）太阳能机械能转换）太阳能机械能转换 2太阳能的转换太阳能的转换71机械工业出版社第第4章章 太阳
50、能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术3太阳能贮存太阳能贮存（1）热能贮热）热能贮热 （2）电能贮存）电能贮存（3）氢能贮存）氢能贮存（4）机械能贮存）机械能贮存72机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4太阳能传输太阳能传输（1）直接传输）直接传输（2）间接传输）间接传输73机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术5.5.太阳能的利用太阳能的利用（1）太阳辐射的热能利用）太阳辐射的热能利用（2）太阳能光热利用）太阳能光热利用 （3）太阳能热发电）太阳能热发电（4）太阳能综合利用）太阳能综合利用 （5）太阳