云电力可再生能源主导未来电网的变革课件.ppt
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1、1,-可再生能源主导未来电网的变革,讲座者:时 斌 博 士 副教授,2,2,什么是化石能源(传统能源)什么是清洁能源什么是绿色环保能源什么是可再生能源什么是可持续发展能源什么能源是来自太阳什么能源是来自宇宙大爆炸时物质,能源与电能A.谈谈对能源的认识,3,3,什么是化石能源,煤,燃煤电厂,石油,4,电机,左手定律,转动,汽轮发电机,水轮发电机,B. 从电磁力发展出了电机,左手定律,转动,汽轮发电机,左手定律,转动,水轮发电机,汽轮发电机,左手定律,转动,5,电机,异步电机,直流无刷电机,伺服电机,直线电机,步进电机,磁悬浮列车,6,6,最大直径10.6米、高5.06米,三峡水电站发电机组70万
2、kW*26台=1820万kW,7,什么是绿色环保能源,风能,燃料电池,垃圾发电,秸秆发电,天然气,太阳能,8,8,核电反应堆类型:压水堆,9,新能源,风力发电;太阳热发电;光伏发电;生物质能发电;海洋能发电。,风力发电,太阳热发电(塔式),光伏发电,10,风力发电,风电场,11,太阳能发电,太阳能电池板电厂,太阳能聚光式电厂,太阳能分布式聚光式电厂,太阳能通过矿物介质储热能发电,12,垃圾发电,垃圾发电,杭州绿能垃圾发电厂,13,潮汐发电,潮汐发电1,潮汐发电2,潮汐发电3,14,电池,太阳能电池、燃料电池,电池,太阳能电池背包,氢燃料电池,15,电动汽车,16,太阳能汽车、飞机、太阳能航天器
3、,太阳能汽车,太阳能飞机,太阳能供电航天器,17,大力开发利用可再生能源资源,可再生能源主要指水能、风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等,具有取之不尽、清洁环保、可永续利用的特点。 目前大部分可再生能源技术不够成熟,开发利用成本高,需要采取措施支持其发展。 世界各国日益重视可再生能源发展,欧盟提出的目标是:到2020年,可再生能源在总能源消费中达到20%,到2050年达到50%。 以风电、太阳能发电为代表的新能源产业快速发展。全球风电装机容量年均增长30%,太阳能光伏发电年均增长40%以上。,18,1. 光伏发电发展概况,19,太阳能,太阳能的转换和利用方式有光热转换、光电转换和光化学转换
4、等。光热转换:接收或聚集太阳能使之转换为热能,然后用于生产和生活的一些方面,是光一热转换即太阳能光热利用的基本方式。光电转换:利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池,可将太阳的光能直接转换成为电能,称为光一电转换,即太阳能光电利用。光化学转换:光一化学转换目前尚处于研究开发阶段,这种转换技术包括半导体电极产生电面电解水产生包、利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等内容。,20,太阳能电池光伏效应 光生伏特效应简称光伏效应,指光照使pn结产生电位差的现象。,21,光伏发电市场开始起步,到2011年底,太阳能发电量达到1.1G瓦,占全球太阳发电总量的27.5%。太阳能热水器集热面积居世界第一位。,22
5、,太阳能发电系统,23,光伏建筑一体化将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术,即通过建筑物,主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来,使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。解决方案示意图:,24,美国对光伏发电成本的预测,2015年前后光伏发电成本与常规发电成本相交,25,光伏发电成本: 自2011年底起,多个机构的研究结果表明,德国、意大利等国家将在2012年实现用户端光伏发电的平价上网。而在去年之前,对于用户端光伏发电的平价上网何时能够来临,仍然存在着分歧。 光伏发电补贴模式: 欧洲:补贴上网电价,如德国最初为每度0.40.6欧元。 美国:补贴电价 中国:补贴投资发展方向为补贴电价
6、。,26,太阳能发电规划目标,2020年2000万kW,2009年26万kW,2010年80万kW,2010年80万kW,27,2. 风能发电发展概况,28,风能,风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀,引起各地温差和气压不同,导致空气运动而产生的能量。利用风力机可将风能转换成电能、机械能和热能等。 风能利用的主要形式: 1.风力发电 2.风力提水 3.风力致热 4.风帆助航,29,风力发电,2011年底,全国风 电并网装机容量已达到4500多万千万。 海上风电建设起步,上海东海大桥10万千瓦海上风电场已经投运。,30,世界和中国风电发展速度 The pace of the developm
7、ent of wind electricity in China and the world,31,现代风力发电正朝着大型化、规模化的方向发展,32,33,34,风电规划目标,35,3. 地热能发电发展概况,36,地热能,地热资源:是指在当前技术经济和地质环境条件下,地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。地热资源,按赋存形式可分为水热型(又分为干蒸汽型、湿蒸汽型和热水型)、地压型、干热岩型和岩浆型4大类;按温度高低可分为高温型(150)、中温型(90149)和低温型(89)。地热能的利用方式主要有地热发电和地热直接利用两大类。,37,地热能的利用
8、,1)2O0-400直接发电及综合利用; 2)150-200双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工; 3)10O-15O双循环发电,供暖、制冷、工业干燥、脱 水加工、回收盐类、罐头食品; 4)50-100供暖,温室、家庭用热水、工业干燥; 5)20-50沐浴,水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工。,38,地热发电,地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似,也是根据能量转换原理,首先把地热能转换为机械能,再把机械能转换为电能。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能,然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。,39,地热能发展趋势国内,据统
9、计,截至2011年,我国应用浅层地温能供暖制冷的建筑项目2236个,地源热泵供暖面积达1.4亿平方米,80%的项目集中在北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等地区。在北京,利用浅层地温能供暖制冷的建筑约有3000万平方米,沈阳则已超过6000万平方米。 “预计到2015年全国地热能利用总量相当于6880万吨标准煤,届时占我国能源消耗总量的1.7%。”国土资源部地质环境司司长关凤峻说。,40,国外,2011年,美国地热产业继续加快发展,地热能源协会(GEA)2011年4月发布的信息表明,在未来几年内,美国德克萨斯州地热能源生产可望翻二番,地热发电也将从9个州扩展到15个州。加州是美国利用地热发电最
10、多的州。而爱达荷州则紧随其后。预计到2015年,爱达荷的地热发电量将达到855兆瓦,2025年前将达到1670兆瓦。,41,4. 生物质能发电发展概况,42,生物质能多元化发展,第一代生物燃料的生产主要来自于玉米、水稻、甘蔗、大豆等粮食作物。 第二代生物燃料技术是指以麦秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料,使用纤维素酶或其他发酵手段将其转化为生物乙醇或生物柴油的模式。,43,生物质能利用目标,到2015年,生物质发电装机容量达到1300万千瓦,生物质成型燃料年利用量达到1000万吨,沼气年利用量达到300亿立方米,生物燃料乙醇年利用量达到500万吨,生物柴油年利用量达到100万
11、吨,生物质能年替代化石燃料合计超过4000万吨标准煤。,44,电力主导未来中国新能源行业,国内新能源行业主要是新能源电力行业和新能源汽车两个大类 新能源发展规化:总投约9000亿,风电新增装机约1亿千瓦可再生能源中长期发展规划:火力发电降至70%,取而代之的是风电、太阳能发电和核电,其中,我国新增风电装机容量就达到624.6万千瓦,增长速度89%,仅次于美国,位列全球第二,45,能源结构的这一重大变革,将对以交流为主导运行模式的电网带来严峻的挑战,主要体现在以下几个方面:第一,由于未来终端能源将以电力为主。由于可再生能源资源和负荷资源分布不匹配的格局仍将存在(例如,人烟稀少的地区往往有更多的太
12、阳能和风能),这就决定了远距离输送和大电网互联在相当长时间内仍将存在。 第二,由于可再生能源资源具有间歇性和不稳定性的特点,其发电功率也将出现间歇性和不稳定性。此外,光伏发电系统不具有传统水轮机组或汽轮机组的机械惯性,风力发电机组的单机容量及惯性与传统发电机组相比也有很大的差别且发电方式也不相同。因此,在满足这些新型电源规模化接入的约束条件下,如何保障交流电网的实时动态功率平衡和稳定性,就成为未来电网面临的另一重大挑战。,46,第三,由于可再生能源具有分散性的特点,靠近负荷侧就地利用的分布式发电也将是一种重要的方式。分布式电网采用什么样的运行模式,它如何有效地实现与大电网的协调运行,也将是未来
13、电网面临的新的挑战。第四,随着可再生能源逐步替代化石能源,目前以化石能源为基础的能源消费系统特别是燃油交通系统(如汽车、轨道交通用机车等)将采用电力,这意味着,大范围之内广泛分布的用于电动汽车的电池将成为电网中的主要负荷之一,这就使得未来电网的负荷特性将与目前电网有很大的不同。,47,综上所述,能源结构的重大变革,将对未来电网带来一系列重大挑战。如何从改变电网的运行模式等方面入手,并解决未来电网发展中的关键技术问题,就成为一个值得深入研究和探讨的问题?鉴于电能在任何时候发电量与用电量相等,即所发的电与所用的电要密切配合,应对这些多种来源的电源可能是智能电网的真正考验。 在变化的各种电力负荷需求
14、条件下及风电、太阳能发电或其它可再生能源等自然间断性供电发电机组上升的情况下,要保持电灯均能稳定点亮仅仅是未来电网需要达成的一个目标。它对于降低公用事业成本及提高可靠性方面具有很大的价值。,48,在下面的内容中,我们从发电、输电、配电和分布式电网四个阶段,分别说明未来电网运行模式的改变,对于应对上述挑战具有重大作用。,49,原动机: 电网的核心还旋转着许多同样的发电机,它们和第一套工作超过100年发电机核心是一样的。无论是从煤燃烧或核材料中子裂变来提供热能,它们的目的是一样推动涡轮旋转并带动绕有铜的转子旋转。那些转动的绕组产生电一般来说是电压为1000020000伏。,水轮发电机,汽轮发电机,
15、50,升压: 从发电厂发出来的电是不能够直接送到你家或其它地方。首先,必须将其升压到765000伏,从而减少电能输送时的电能损失安培值在一定的数值内。高的电压值能减少输电带来的损失。,51,输电塔:目前典型的电力传输主要是以三相电的形式输送几百公里。未来电网可以升级到高压直流的形式输送电能,目的是用来减少输送过程中的电能损失(来源于美国能源部的数据损失电量大约为7%)。电流传感器每4秒钟传递一次信息,但现在有一种新的设备,名称为:相量测量装置(synchrophasors),能够在一秒内多次取样,从而能够更多的提供输电传输设备的信息,用于防止发生类似于2003年的大停电发事故。,52,控制室:
16、 调度员(如上图中爱迪生曼哈顿联合电力(Consolidated Edisons Manhattan)调度中心的轮班经理Kostantinos Pitsoulis)在控制室通过电网的状态监控设备来控制全国电网所有的事情,如使电力线上生产的电量在任何时候与使用的电量保持一致。另一些调度员必须确保所有的发电机都在60Hz的频率“嗡嗡”的工作,他们的工作有些像是指挥乐队。,53,变电站: 一旦电流经过从电厂到用电负荷点几乎是瞬间完成的传输后,如从电厂到用户所在地,一个变压器将电能从输电电压转换成城市或地区的电压,如典型的110000伏。变压器是由大量相互绝缘铜线绕圈组成,这些线圈将改变它们之间的电场
17、。,54,断路器(开关): 开关是能控电流通与断的元件,同时能够监控配电网。断路器能监控一条线路两边,并能与调度员通过无线通信交流或是在遇到问题时能够自动断开以阻止电能损失。,55,配电: 当电能在配电网中接近它的目的地时,另一个变压器再次降低它的电压到更利于使用的范围。在纽约,大概为10000伏。在配电网中的传感器会改进电能质量使得传输更稳定和可靠。然后是送到你的房子里,简单的说,当它到达你的插座时,再次被降压到220伏。,56,稳压器: 稳压器是用来确保配电线路上的电压整天都保持在一个相同的值上,即使在电力负荷上下波动的时候。,57,黑启动: 电网将会确保在断电事件发生的情况下,电力能够尽
18、可能的自动恢复。系统会立即隔离任何失败并提示调度员问题的根源,而不是依赖于来自某个气愤的用户的电话。,58,未来电网革命从交流回归直流的螺旋式上升 最初的输电方式是直流输电。 1874年,在俄国彼得堡第一次实现了直流输电,当时输电电压仅100V。由于不能直接给直流电升压,输电距离受到极大的限制,不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。 1880年代末,人类发明了三相交流发电机和变压器,并确立了交流输电的主体地位,并构建了当今传统的交流电网。 然而,随着电力系统的迅速扩大,输电功率和输电距离的进一步增加,交流输电遇到了一系列问题,特别是所谓的大系统的安全稳定性问题。为了解决上述问题,直流输电又
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