TypeⅠ太阳能发电

1.基本信息

（表Ⅰ：海南省太阳辐射量与辐照度）

（表Ⅱ：海南省最佳光伏板安装角度）

2.两种太阳能发电方式的占比分析

光伏发电40%，光热发电60%。

光伏发电相比于传统发电方式，具有无污染、无噪声的特点，其发电过程不需要消耗化石燃料也不需要进行机械操作，不会对大气产生污染，是一种可持续的能源利用方式。该种发电方式有以下几个主要优点：(1)不受地理位置的影响，有光照就可以利用光伏发电，而且太阳能理论上讲是取之不尽、用之不竭的；(2)光伏发电电能可以就近消纳，不需长距离输电，这样就节约了输电成本；(3)光伏发电不消耗燃料，不污染空气、不产生噪声，不受能源危机的限制，是绿色可再生能源；(4)光伏发电方式过程简单，不需要中间介质，对水的需求少，可以在荒漠上使用，另外若和建筑物结合，则可以节省土地资源；(5)光伏发电组件结构简单，方便运输及建设安装，组件使用寿
 命较长，维护成本较低。

但光伏发电方式本身也有不少缺点：(1) 光伏发电受太阳光的影响，发电功率波动较大，当出现阴天或者晚上时，则没有发电功率输出；(2)光伏发电现阶段光伏发电存储成本较高，若要光伏发电大规模应用到电网中，必须要能大规模存储，这样就限制了光伏发电的电网接入规模；(3) 光伏发电是直接把光能转换成电能，虽然减少了中间环节，但是却因为缺少中间环节而减少了光伏发电的应用领域，如不能像传统燃煤发电可以提供热能等。

太阳能光热发电首先是利用聚光太阳能集热器把太阳辐射能聚集起来，然后利用能量将某种工质加热到数百摄氏度，并以此工质来驱动发电机发电的一项太阳能利用技术。

3.两种太阳能发电方式对比

3.1 应用的地域不同

光伏发电和光热发电对太阳能辐照的要求不同，光热发电对太阳辐照的要求更高，尤其是高温光热发电，一般采用DNI(直接辐照强度)来衡量某地区是否适宜建设光热电站，而光伏发电一般则采用 GHI(地表总辐射值)来衡量即可，同样一个地方，DNI 的总量一般为 GHI 总量的 65%～85%。这是因为光伏发电对光照的要求低，即便是散射光也可用来发电，而光热发电由于对工作温度要求较高，只有直射光照才可以满足运行要求。所以这也就决定了两者的应用地域有所不同，在太阳能辐照不高的地方，可以建设光伏电站，未必就适合建设光热电站。

3.2 应用的领域不同

从能量转化的过程看，光伏发电仅需要经过光电一次转换即可，而光热发电则需要经过光导热再到电的二次转换。这虽增加了系统集成的难度，但热量发生作为光热电站运行的一个中间环节，也扩大了光热发电技术的应用领域。比如可以利用其产生的过热蒸汽与传统的燃煤电厂、燃气电厂或生物质能电厂进行混合发电。另外，其产生的热也可作为副产品进行海水淡化、工业用热等领域。

3.3 能量存储方式不同

在能量的存储方面，光热发电优势明显，光伏发电一般只能采用蓄电池存储的方式，光热发电有热量的转换过程，可以采用热量的存储方式。热量的存储要比电能的存储方便得多，热量的存储技术也比电能的存储技术成熟且廉价得多。

3.4 应用的前景不同

由于光伏电池自身的特性，光伏发电具有较大的不稳定性，目前储能技术不能保证大规模地存储电能，无法平滑地输送给电网，这就造成电网不可能无限制地接纳光伏发电。而光热发电，由于热量存储的方便性，就像常规火力发电机组一样，在电网需求的前提下，可以无限制地接纳。从这一层面上考虑，光热发电比光伏发电有更广阔的应用前景。

3.5 发电的可调度性不同

3.5.1 对电网负荷波动的响应不同

由于光伏发电受光照的影响较大，夜晚以及阴天时发电受限，另外，现阶段光伏电站普遍还未配有大规模存储设备，这就造成光伏发电的不稳定性，无法正常满足电网不断波动的负荷，这会对电网的运行造成很大的挑战。太阳落山时，日照较少，发电量肯定较小，若仅靠光伏发电来提供负荷，肯定无法满足要求。光热发电则可以利用热量的存储技术，能平滑地输出其功率，可以像火电一样并入电网，满足电网负荷不断波动的需求，不会对电网的运行产生不利的影响。

3.5.2 旋转备用问题

在电网方面，当光伏大规模接入，占有全网发电负荷一定比例后，为了保障电网的安全稳定运行，电网方面必须考虑全网的旋转备用问题，以防止光伏发电功率的波动对电网造成影响。备用的必须成一定的比例，30%备用或 50%备用等，这就造成很大的浪费情况，现阶段电网备用一般为火电机组，光伏发电虽然为清洁能源，但旋转备用机组却需要同时燃烧大量相当的煤来维持旋转备用以保证光伏发电大规模接入后电网的安全稳定运行。这样一方面会对电网安全稳定运行造成影响，另一方面也并没有达到节能减排的目的，还造成了巨大的浪费。

3.5.3 削峰填谷的作用

光伏发电由于其储存难度较大，并不能实现削峰填谷的作用。而光热发电不同，热量发生作为光热电站运行的一个中间环节，可以方便地实现存储以及重复利用，使其可以像抽水蓄能电站一样充当电网的调度电力来源。利用峰谷电价的差异，在谷电价时加热储能，在峰电价时放热发电，从而达到削峰填谷的作用，有利于电网的稳定运行，并且也节能环保。

4.发电装置

光伏发电采用聚光三结化合物太阳能电池，光热发电采用碟式太阳能热发电。

聚光三结化合物太阳能电池能量转换效率可达43.9%，碟式太阳能热发电转换效率可达29%。

年有效日照时数1395.61h，按光伏发电可利用1300h，光热发电可利用950h计算。（光伏发电可利用全辐射，光热发电只可利用直接辐射，按60-70%计算）。

光伏发电：

太阳发电系统装机容量=162140m^2*180W/m^2*43.9%= 12812302.8W

太阳能系统发电量=12812302.8W*1300h*0.5=8327996kWh

光热发电：以熔盐塔式光热电站按比例放缩，占地面积0.111km^2的熔盐塔式光热电站发电量为5,552,004kWh。

参考文献：

[1]高博,卢卫青,罗亚桥,等.光伏与光热发电发展前景对比分析[J].电源技术,2017,41(07):1104-1106.

[2]陈颖.光伏光热互补发电系统特性研究[D].华北电力大学(北京),2018.

[3]周科,杨寿华.建筑光伏发电中的电气系统设计[J].电子技术,2024,53(04):354-356.

TypeⅡ风力发电

1.区位条件

海南属于热带季风海洋性气候，西部、北部地区以及一些岛屿如西沙群岛风速常年可达6.5米/秒，年平均风功率密度超过350瓦/平方米。《海南省风能资源评价报告》表明，海南岛西部沿海的东方感城镇沿海岸线至昌江海尾镇，为风能资源极其丰富区，面积约300平方千米。与陆上风电相比，海上风电资源更加丰富，并且不占用陆地资源，不会对周边居民造成噪声污染。 海上没有山丘或建筑物的阻挡，风速快，风速随高度变化小，从而可以形成海上风能密集区，所以风力明显大于陆地，风能比陆地高出约50％。同时由于海上很少有静风期，所以海上风力机的发电时间也更长。考虑到以上原因，我们决定采用海上风力发电。

2.发电装置

考虑到海南易受到台风的影响，我们选择的发电装置应具有较强的抗台风性能。所以我们选择明阳智慧能源集团股份公司的MySE8-10MW（额定功率8.5-11MW），适用于中低风速资源。还有MySE5.5-155（额定功率5.5MW），漂浮式风电平台，它可以抵御风速79.8m/s（17级以上）的超强台风，并且将海上施工作业变成岸边生产，极大减少海上作业时间和建设成本。在风速高、选址灵活的深远海域，漂浮式海上风机将迎来更广阔的发展前景。

3.风光互补

风力发电拥有种种好处，但它也有一个致命的缺点：不稳定。太阳能发电与风力发电分别受限于太阳光照强度和风速，其次受天气变化、季节交替等因素影响，故造成了新能源出力的随机性、波动性和间歇性，制约了出力并网消纳率，导致弃风、弃光问题的频发。目前，储能系统的运用可以解决上述问题，使得电力系统建设逐步走向智能化、自适应化，实现从传统的“发电-输电-配电-用电”模式向“清洁能源-储能-调峰-应急”的模式转换。我们主要的储能方式是蓄电池，但蓄电池寿命较短，对环境也有一定的危害，所以我们应使用一些其他清洁的储能方式，比如热储能，机械储能。建立光热-风力联合发电系统与储热系统配套，经过分析，光热电站储热系统的最优储热容量为906 MW·h，通过不同情形的结果对比，该配置方法下系统的弃电量相比之下降低了69.615 MW，系统净收益提高了7.7%。

数据计算：参考海南省2021年的数据，海南省风电装机容量为29万千瓦，风电发电量为5亿千瓦时，平均1万千瓦的装机容量一年可以发电1724.13万千瓦时的电量。所以我们只需2500千瓦（即2MW）的装机容量，一年可以产生431.0万千瓦时的电量，足够提供我们世界20%的能量需求，同时能多出一些能量备用。

参考文献及链接：

2021年各地区装机容量

2021年各地区发电量

[1]王惠平,邱坤凤.海南：大力发展海上风力发电促进清洁能源岛建设[J].南海学刊,2023,9(01):34-39.

[2]祁延明,马山刚,金福宝,等.光热-风力联合发电系统储热容量双层优化配置研究[J].热力发电,2024,53(10):41-49.DOI:10.19666/j.rlfd.202406141.

[3]吴亚飞.浅析储能技术在风力发电系统中的应用[C]//中国农业机械工业协会风能装备分会.第十一届中国风电后市场交流合作大会论文集.中节能港能风力发电(张北)有限公司;,2024:4.DOI:10.26914/c.cnkihy.2024.019232.

TypeⅢ生物质能发电

根据2022年的相关报道，2022 年德国有 9770 座沼气厂，装机容量为 5860 兆瓦。沼气的总发电量约为 33.47 太瓦时，可提供的电力能满足 150 万家庭的需求，同时可抵消2120万吨的二氧化碳排放量。

以上为发电装置的原型。

上图是某精英的发酵罐（

1.沼气发酵罐

沼气发酵罐为地上立式圆形发酵罐。 罐体材料为搪瓷材料。罐体内部侧面或顶部中央安装有搅拌器。发酵罐容积为1000m3左右。产气、贮气一体化，发酵罐顶部一般为双层沼气贮气膜结构。采用新型的干湿同步发酵工艺。干湿同步发酵工艺由两个主要部分组成：一是用钢筋混凝土建造的干式发酵柜，二是大体积的循环水储存池。发酵原料经过好氧预处理后温度上升，然后进入干式发酵柜中，利用渗滤液回流原理，在发酵罐顶部增加一排喷头，为干物质含量 高的发酵原料增加水分，为微生物提供一个较为潮湿的生长环境。干式发酵柜有很好的隔热设施，不需要外部加热设施提供热量。从干式发酵柜中流出的渗滤液中含有丰富的有机酸，这些渗滤液经过集中收集后储存在循环水储存池中，有机酸在储存池中分解生成甲烷气体。采用干湿同步发酵工艺能有效解决秸秆等有机物干物质含量高的问题，提高厌氧分解效果。该工艺产气稳定，保证了沼气发电的持续稳定性。厌氧发酵结束时，通过换气系统向干式发酵柜中通入空气，避免沼渣产生异味污染空气环境。

2.原料

可利用的发酵原料分为有机垃圾、 再生原料、工农业废弃物、动物粪便等。沼气工程普遍采用混合原料进行发酵，进料中干物含量为 10%～15%。能源作物作为发酵原料广泛使用。会以动物粪便 作为主要的发酵原料。 使用动物粪便不会产生原料成本问题，但原料收益可能不会太大。相比之下，选择有机垃圾和食品垃圾作为发酵原料，会获得较大的原料收益。

所以，在上图的基础上减少动物粪便的比例。

3.沼气发电原料收集

畜禽粪便：定期收集牛、猪、鸡等畜禽的粪便。如，对于养猪场，可以在每天清理猪舍时收集粪便，确保粪便的新鲜度和含水量适中。

农作物秸秆：在农作物收获时，组织人员收集秸秆。对于不同的农作物秸秆，如玉米秸秆、小麦秸秆等，要根据其特点进行分类收集和储存。

食品加工废水：收集食品加工厂、酿酒厂产生的有机废水。这些废水通常含有较高的有机物含量，适合作为沼气发电的原料。在收集过程中，要确保废水的来源可靠，不含有对沼气发酵过程有害的物质。

造纸废水：造纸厂产生的废水也是一种潜在的沼气发电原料来源。建立废水收集管道或运输系统，将废水输送到沼气发酵设施中。

厨余垃圾：与城市环卫部门或垃圾处理公司合作，收集厨余垃圾。可以采用专门的厨余垃圾收集车，将垃圾运输到沼气发酵场地。在收集过程中垃圾分类，避免混入其他不可发酵的垃圾。

污水处理厂污泥：污水处理厂的污泥中含有丰富的有机物，建立污泥运输渠道，将污泥输送到沼气发酵设施中进行处理。

对于畜禽粪便和农作物秸秆，可以使用专用的粪便收集车、秸秆打捆机等设备。粪便收集车要具备密封性好、运输方便等特点，以防止粪便泄漏和污染环境。秸秆打捆机可以将秸秆压缩成捆，便于储存和运输。

对于工业有机废水和城市有机垃圾，需要建立相应的管道、泵和储存设施。例如，对于食品加工废水，可以安装废水管道和提升泵，将废水输送到储存罐中；对于厨余垃圾，可以使用垃圾压缩车和垃圾桶等设备进行收集和运输。

建立专门的原料储存设施，以确保原料的稳定供应。对于畜禽粪便和农作物秸秆，可以建造堆肥场或青贮窖等储存设施；对于工业有机废水和有机垃圾，可以建造储存罐或沼气池等设施。

对收集到的原料进行检测，确保其符合沼气发酵的要求。检测项目包括原料的含水量、有机物含量、酸碱度、重金属含量等。对于不符合要求的原料，可以进行预处理或与其他原料进行混合，以提高其质量。

4.沼气发电与热能利用

沼气的主要利用方式为发电并网。为了有效利用沼气发电产生的热能， 沼气工程大多采用热电联产模式，将沼气脱水脱硫和纯化后并入天然气网络，增加发电余热的利用率。根据总装机容量估算沼气年发电量达到五十万kWh。1 立方米沼气可以发电2.5度左右。这个世界每天的粪便产生的沼气量大约为40立方米。农作物每千克干物质的产气量通常在300升沼气左右，配合能源作物和垃圾。可以达到每天发电1140kWh。沼气工程采用燃气发电机进行沼气发电，功率一般高于114.514kW（1003142.64kwh/y），在用电量较小时可以改变进料来改变功率，或者暂停以减少自身能耗。发电机达到最大功率时的发电效率为38%。11.4%的沼气发电量用于工程自身运行的需要。扣除沼气工程自身运行的热能需求外，还有51.4%的发电余热可被外部有效利用。发电余热的能量还是值得一提的，甚至比发电能量更多。主要用于公共建筑、房屋的供暖，农舍供热、农作物干燥和沼渣烘干，也有少部分用于制冷和园艺需求。

5.沼气净化

沼气工程采用一定的净化设备和工艺，将沼气净化后并入天然气网络进行集中供气。沼气作为天然气使用时，其甲烷含量要高于96%，沼气中的其他杂质气体成分必须被清除。 沼气净化工艺主要分为压力水 洗法、压力交替吸附法和氨洗法以及膜净化工艺。沼气工程应安装气体燃烧火炬，控制未利用的多余沼气排放到大气中造成二次污染，产生爆炸、火灾隐患以及异味污染。

6.沼渣、沼液的利用

沼气工程建有沼渣、沼液储存池，储存的沼渣、沼液经过6个月的存放后作为农作物肥 料利用。根据发酵原料的种类不同，要求对沼渣、沼液进行消毒杀菌。沼渣、沼液储存池必须加盖。敞开式储存池会导致沼渣、沼液中的氮素通过好氧分解而流失。储存池加盖后还能改善卫生环境，防止由于长期堆放产生的异味逸出。

参考文献： 

[1] 邓良伟，陈子爱.沼气工程比较. 可再生能源， 

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[5] EDER B,SCHULY H. Biogas Praxis [M].Staufen bei 

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TypeⅣ储能

见创新设计一栏项目 - 百万立方 (zju.edu.cn)