新能源概论（杨天华）（第二版）

前言

《新能源概论》一书自2013年10月次出版以来，深受广大读者喜爱，对我国新能源领域相关专业教育具有重要的贡献，并在2014年荣获中国石油和化学工业联合会颁发的中国石油和化学工业优秀出版物奖（教材奖）二等奖。

《新能源概论》问世已逾六载。无论在国际还是国内，新能源技术在此期间得到迅猛发展，人们对新能源的认识、解决相关技术问题的方法和能力上都有很大的变化，各种新能源的前沿技术也有不少更新。为此，我们决定对《新能源概论》版进行修订，在版的章节基础上，删除相对陈旧的材料，增补新的内容。

《新能源概论》第二版仍分为9章。第1章绪论主要阐述了新能源的重要意义、发展现状和宏观趋势。第2章主要讲述太阳能理论、技术及相关产业发展现状及趋势，着重介绍了新兴的光热发电技术及趋势。第3章对生物质能的转换、利用技术及趋势进行分析论述。第4章对风能利用技术及趋势进行阐述，着重介绍与风能匹配的储能技术。第5章重点分析水能利用原理、水能发电技术及趋势。第6章结合潮汐能、波浪能、温差能和盐差能四种新兴发电技术介绍海洋能利用技术及趋势。第7章讲解了地热能分布、利用技术、现状及趋势。第8章主要阐述核能利用的基础理论、原料、利用技术、安全性及发展趋势。第9章主要对氢能的制备、存储、运输、利用和安全性等环节进行系统论述，并特别介绍氢在燃料电池和内燃机中的应用。

参加本书各章节编写的人员包括：杨天华(第1章、第3章、第5章)；李延吉(第2章、第7章)；开兴平(第3章)；徐杰(第4章)；孙洋(第5章、第6章)；刘辉(第8章)；贺业光(第9章)。杨天华教授负责全书的统稿工作。

本书在编写过程中，得到化学工业出版社为本书再版给予的大力帮助，在此致以谢意。

由于编者时间和水平所限，疏漏之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

编者

2019年11月

版前言

能源是国民经济发展的重要支柱，也是人类赖以生存的基本条件。长期以来，我国能源构成以化石能源为主，大量消耗化石能源使我国面临严重的资源环境问题，寻求新的可替代、无污染、可再生能源是我国现阶段亟待解决的问题。从能源格局演变来看，新型能源取代传统能源是大势所趋，其在我国能源结构中所占比例也逐步提高。能源发展轨迹和规律是从高碳走向低碳，从低效走向高效，从污染走向清洁，逐步实现可持续发展。开发利用风能、太阳能、核能、生物质能等新能源符合能源发展的轨迹，对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护发挥着重大作用。发展新能源可以逐步改变传统能源消费结构，减小对能源进口的依赖度，提高能源安全性，减少温室气体排放，有效保护生态环境，促进社会经济又好又快发展。因此，大力开发和利用新能源已成为我国的基本国策。

本书面向广泛的读者对各种新能源技术进行了完整的介绍和分析。全书共分为9章，第1章绪论从能源的发展现状和存在的问题着手，进而引入新能源的重要意义、分类、发展现状以及宏观趋势。第2章着重介绍太阳能理论、技术及相关产业发展现状及趋势，特别介绍了新兴的光热发电技术及趋势。第3章对生物质能的转换、利用技术及趋势进行分析论述。第4章对风能利用技术及趋势进行阐述，特别介绍与风能匹配的储能技术。第5章重点分析水能利用原理、水能发电技术及趋势。第6章结合潮汐能、波浪能、温差能和盐差能四种新兴发电技术介绍海洋能利用技术及趋势。第7章讲解了地热能分布、利用技术、现状及趋势。第8章主要阐述核能利用的基础理论、原料、利用技术、安全性及发展趋势。第9章主要对氢能的制备、存储、运输、利用和安全性等环节进行系统论述，并特别介绍氢在燃料电池、内燃机和喷气发动机中的应用。本书取材上力求资料新颖、涉猎面广、内容细致、叙述简洁，为读者提供新能源领域更多的知识信息。

本书的编者都是长期从事新能源教学与科研的高校教师，根据自身科研经历总结经验和收集大量资料，共同编写完成本书。参加本书各章节编写的人员包括：杨天华(第1章，第3章，第5章)；李延吉(第2章，第7章)；开兴平(第3章)；徐杰(第4章)；孙洋(第5章，第6章)；刘辉(第8章)；贺业光(第9章)。杨天华教授负责全书的统稿工作。

由于本书涉及的内容广泛，编写时参考了国内外相关领域资料和成果，在此谨向有关文献作者表示谢意。

由于编者时间和水平有限，疏漏之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

编者

2013年8月

《新能源概论》（第二版）共分为9章，对各种新能源技术的理论、技术、产业现状及发展趋势进行了完整的介绍和分析，主要包括绪论、太阳能、生物质能、风能、水能、海洋能、地热能、核能、氢能等。

本书可作为高等院校能源、环境等专业师生的教材，也可供相关领域的技术人员、管理人员阅读参考。

杨天华，沈阳航空航天大学能源与环境学院，教授。2010年获中国环境学会青年科技奖，2011年入选辽宁省优 秀人才支持计划，2007年入选辽宁省“百千万人才工程”千人层次，2009年指导学生获得第二届全国大学生节能减排竞赛三等奖，2006年指导学生获得“挑战杯”辽宁省大学生创业计划大赛铜奖，2012年被评为沈阳航空航天大学优   秀教师，2010年被评为沈阳航空航天大学优  秀毕业设计指导教师，2010年被评为沈阳航空航天大学优  秀硕士学位论文指导教师。主持10余项国  家  级、省部级重点课题。

 

第1章绪论

1.1能源含义、分类及发展现状1

1.1.1能源的含义2

1.1.2能源的分类2

1.1.3能源危机3

1.1.4世界及中国能源发展现状4

1.2新能源的分类及其发展5

1.2.1新能源的特征5

1.2.2太阳能6

1.2.3风能6

1.2.4生物质能7

1.2.5水能7

1.2.6地热能9

1.2.7海洋能9

1.2.8氢能10

1.2.9核能10

1.3新能源利用发展现状和趋势11

思考题12

参考文献12

第2章太阳能

2.1概述13

2.1.1太阳能简介13

2.1.2太阳能的特点15

2.1.3太阳能利用形式16

2.2太阳能传热理论18

2.2.1经典黑体辐射基本定律18

2.2.2太阳能传输到达地面接收器的照射辐射强度理论18

2.2.3辐射接收器的辐射性质20

2.2.4太阳能利用中的其他基础理论知识20

2.3太阳能供暖技术21

2.3.1太阳能供暖利用研究22

2.3.2太阳能供暖的分类23

2.3.3太阳能供暖的原理24

2.3.4太阳能集热系统关键设计基础25

2.3.5太阳能集热器与供暖方式的搭配分析27

2.4太阳能光伏发电技术28

2.4.1太阳能光伏发电利用研究28

2.4.2太阳能光伏发电系统分类30

2.4.3太阳能电池光伏发电原理31

2.4.4太阳能光伏发电系统设计原则33

2.4.5太阳能光伏发电系统设计程序33

2.5太阳能热发电技术37

2.5.1太阳能热发电利用研究37

2.5.2太阳能热发电系统分类37

2.5.3太阳能热发电系统原理38

2.5.4太阳能热发电系统技术38

2.5.5三种太阳能热发电系统技术比较43

2.5.6提高太阳能热发电系统效率的主要措施43

2.5.7规模化太阳能热发电的发展障碍与方向45

2.6太阳能利用发展现状和趋势46

2.6.1太阳能产业发展背景46

2.6.2太阳能利用技术的发展战略与趋势46

2.6.3太阳能发电利用“十三五”发展目标48

思考题48

参考文献49

第3章生物质能

3.1概述50

3.1.1生物质及生物质能50

3.1.2生物质能分类51

3.1.3生物质能的特点52

3.2生物质能开发和能量转化技术52

3.2.1物理转换53

3.2.2化学转换53

3.2.3生物转换54

3.3生物质能热化学转化技术54

3.3.1生物质直接燃烧55

3.3.2生物质热解57

3.3.3生物质气化技术62

3.4生物质能生物转化技术67

3.4.1沼气技术67

3.4.2生物燃料乙醇技术75

3.4.3生物乙醇的制备方法78

3.5生物质能发电技术80

3.5.1直接燃烧发电技术80

3.5.2生物质气化发电技术83

3.5.3沼气发电技术87

3.6生物质能利用发展现状和趋势88

3.6.1生物质能利用的发展现状88

3.6.2生物质能利用的发展趋势91

思考题92

参考文献93

第4章风能

4.1概述95

4.1.1风能的特点95

4.1.2风能的基本特征96

4.1.3风能资源概况97

4.2风能利用原理99

4.2.1风力机简介99

4.2.2风力机工作原理101

4.3风力发电技术105

4.3.1风力发电技术简介105

4.3.2海上风力发电105

4.3.3高空风力发电106

4.3.4低风速风力发电技术107

4.3.5涡轮风力发电技术107

4.4风能存储技术108

4.4.1电池储能108

4.4.2水力蓄能108

4.4.3飞轮蓄能109

4.4.4压缩空气蓄能110

4.4.5热能存储111

4.4.6氢能存储113

4.5风能利用发展现状和趋势114

4.5.1风能利用现状114

4.5.2主要国家的支持政策和措施118

4.5.3风力发电的发展趋势119

思考题120

参考文献120

第5章水能

5.1概述121

5.1.1我国水能资源概况121

5.1.2水能的地位与作用122

5.1.3中国水能资源的特点122

5.2水能开发利用原理123

5.2.1水能利用的原理123

5.2.2水资源综合利用的原则126

5.3径流调节与水能计算126

5.3.1径流调节126

5.3.2水能计算131

5.4水力发电技术133

5.4.1水力发电基本知识133

5.4.2水能开发方式与水电站基本类型135

5.4.3水电站的水工建筑物142

5.4.4水电站的机电设备150

5.5水能利用发展现状和趋势157

5.5.1我国水电建设成就157

5.5.2我国水电建设技术成就158

5.5.3我国水能资源的应用发展前景160

思考题161

参考文献161

第6章海洋能

6.1概述162

6.1.1海洋资源及海洋能162

6.1.2海洋能分类163

6.1.3海洋能资源的特点164

6.1.4海洋能开发利用及其意义165

6.2海洋能的开发技术165

6.2.1潮汐能发电技术165

6.2.2波浪能发电技术173

6.2.3温差能发电技术179

6.2.4盐差能发电技术181

6.3海洋能利用发展现状和趋势182

6.3.1国外发展现状和趋势182

6.3.2我国发展现状和趋势184

思考题185

参考文献185

第7章地热能

7.1概述186

7.1.1地球内部的结构186

7.1.2地球内部的能源187

7.2地热能的分类及分布188

7.2.1地热能的分类188

7.2.2地热能的分布190

7.3地热能的开发及应用193

7.3.1地热发电193

7.3.2地热直接利用195

7.4地热能利用发展现状和趋势198

7.4.1地热能利用发展现状198

7.4.2地热能利用发展趋势201

思考题205

参考文献205

第8章核能

8.1概述206

8.1.1核能的应用历史206

8.1.2核能发电207

8.1.3核能发电的原理208

8.1.4核能应用的优劣208

8.1.5海洋的核资源209

8.1.6月球的核应用210

8.2原子核物理基础210

8.2.1原子核物理发展介绍210

8.2.2原子核物理基础理论211

8.2.3核衰变215

8.3核反应堆及核燃料215

8.3.1核反应堆215

8.3.2核燃料218

8.4核能利用技术222

8.4.1核能发电222

8.4.2核武器及核动力222

8.4.3核技术的广泛应用223

8.4.4核能的发展前景223

8.5核废物处理与核安全223

8.5.1核废物处理223

8.5.2核安全225

8.6核能利用发展现状和趋势227

8.6.1能源危机与发展核能的必然性227

8.6.2核能的发展历程与开发利用现状227

8.6.3核能的利用对环境造成的影响228

8.6.4核能发展的前景228

思考题228

参考文献229

第9章氢能

9.1概述230

9.1.1氢的分布230

9.1.2氢气的性质230

9.1.3氢能的特点233

9.2氢的制备方法和储运234

9.2.1氢的制备234

9.2.2氢气的纯化242

9.2.3氢的储存和运输242

9.3氢能应用技术244

9.3.1燃料电池技术245

9.3.2氢在内燃机中的应用251

9.4氢能安全253

9.4.1氢的安全性253

9.4.2氢的安全排放技术254

9.5氢能利用发展现状和趋势255

9.5.1氢能燃料电池利用现状255

9.5.2氢能利用的发展趋势256

思考题260

参考文献260

《新能源概论》（第二版）共分为9章，对各种新能源技术的理论、技术、产业现状及发展趋势进行了完整的介绍和分析，主要包括绪论、太阳能、生物质能、风能、水能、海洋能、地热能、核能、氢能等。

本书可作为高等院校能源、环境等专业师生的教材，也可供相关领域的技术人员、管理人员阅读参考。

杨天华，沈阳航空航天大学能源与环境学院，教授。2010年获中国环境学会青年科技奖，2011年入选辽宁省优 秀人才支持计划，2007年入选辽宁省“百千万人才工程”千人层次，2009年指导学生获得第二届全国大学生节能减排竞赛三等奖，2006年指导学生获得“挑战杯”辽宁省大学生创业计划大赛铜奖，2012年被评为沈阳航空航天大学优   秀教师，2010年被评为沈阳航空航天大学优  秀毕业设计指导教师，2010年被评为沈阳航空航天大学优  秀硕士学位论文指导教师。主持10余项国  家  级、省部级重点课题。

 

《新能源概论》一书自2013年10月次印刷以来，深受广大读者所喜爱。该书版对我国新能源领域相关专业教育具有重要的贡献，并在2014年荣获中国石油和化学工业联合会颁发的中国石油和化学工业优秀出版物奖（教材奖）二等奖。

《新能源概论》问世已逾五载。无论在国际还是国内，新能源技术在期间得到迅猛发展，人们对新能源的认识、解决相关技术问题的方法和能力上都有很大的变化，各种新能源的前沿技术已有不少更新。为此，我们决定对《新能源概论》版进行修订，由主编在版的章节基础上，删除相对陈旧的材料，增补了新的内容。

《新能源概论》修订版仍分为9章，第1章绪论主要阐述了新能源的重要意义、发展现状和宏观趋势。第2章主要讲述太阳能理论、技术及相关产业发展现状及趋势，着重介绍了新兴的光热发电技术及趋势。第3章对生物质能的转换、利用技术及趋势进行分析论述。第4章对风能利用技术及趋势进行阐述，着重介绍与风能匹配的储能技术。第5章重点分析水能利用原理、水能发电技术及趋势。第6章结合潮汐能、波浪能、温差能和盐差能等四种新兴发电技术介绍海洋能利用技术及趋势。第7章讲解了地热能分布、利用技术、现状及趋势。第8章主要阐述核能利用的基础理论、原料、利用技术、安全性及发展趋势。第9章主要对氢能的制备、存储、运输、利用和安全性等环节进行系统论述，并特别介绍氢在燃料电池和内燃机中的应用。

参加本书各章节编写的人员包括：杨天华(第1章，第3章，第5章)；李延吉(第2章，第7章)；开兴平(第3章)；徐杰(第4章)；孙洋(第5章，第6章)；刘辉(第8章)；贺业光(第9章)。杨天华教授负责全书的统稿工作。