本书以碳达峰、碳中和为背景, 从能源助力碳中和角度入手, 首先阐述了碳中和概念与愿景, 再分别论述了光伏与光热、风电、氢能、生物质能、地热能、潮汐能等各类新能源的产业链, 最后从储能技术与智能微电网应用技术出发, 通过储能与智能微电网将各类新能源串联起来。全书融合了当今新能源产业的新政策、新技术、新动态, 让读者对各类新能源的发展历史、原理、应用等知识及新能源行业有个全新的认识与了解。

本书适合作为普通高等院校能源动力类新能源科学与工程、能源与动力工程等专业教材, 同时可作为高等职业院校光伏工程技术等相关专业的教学参考书及企业员工的岗位培训教材, 也可以作为相关专业的工程技术人员参考书。

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党的二十大报告在推动绿色发展, 促进人与自然和谐共生方面指出: “ 必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念, 站在人与自然和谐共生的高度谋划发展。” “立足我国能源资源禀赋, 坚持先立后破, 有计划分步骤实施碳达峰行动。”

2021 年, 国务院关于印发《2030 年前碳达峰行动方案》的通知指出: “将碳达峰贯穿于经济社会发展全过程和各方面, 重点实施能源绿色低碳转型行动。”“能源是经济社会发展的重要物质基础, 也是碳排放的最主要来源。要坚持安全降碳, 在保障能源安全的前提下, 大力实施可再生能源替代, 加快构建清洁低碳安全高效的能源体系。”

在能源绿色低碳转型行动中, 最值得人们关注的是太阳能、风能、水电、氢能及构建新型电力系统等。如何促进新能源产业可持续发展, 人才培养是关键。人才培养的基础是课程, 而教材对课程质量支撑举足轻重。新能源产业新技术、新动态迭代更新较快, 教材也需根据新能源产业的新技术、新动态进行实时更新, 才能培养出满足产业发展需要的专业人才。

本书以碳达峰、碳中和为背景, 从能源角度助力碳中和入手, 融合了当今各类新能源的新政策、新技术、新动态、新标准、新规范、新应用。首先阐述了碳中和的概念与愿景; 然后讲解了光伏发电技术与光热利用技术, 又从风能、氢能、生物质能等入手, 阐述了各类新能源的基本概况、原理、应用技术; 最后讲解了储能的相关概念及各类储能技术, 并从智能微电网角度入手, 将各类分布式能源综合运用起来, 通过信息流控制能源流, 发挥各自能源优势。各章辅以拓展阅读, 将思政元素贯穿始终。

本书适合作为普通高等院校能源动力类新能源科学与工程、能源与动力工程等专业教材, 同时可作为高等职业院校光伏工程技术等相关专业的教学参考书及企业员工的岗位培训教材, 也可作为相关专业工程技术人员的参考书。

本书由新余学院张玉清、王发辉、傅欣欣、黄淑萍任主编。第1 章由张玉清编写, 第2 章由王发辉、黄建华共同编写, 第3 章由黄淑萍编写, 第4 章由罗胤祺编写, 第5 章由黄雪雯编写, 第6 章由罗鹏编写, 第7 章由傅欣欣编写, 第8 章由黄平编写。

本书是江西省普通本科高校现代产业学院———新余学院新能源产业学院的建设成果, 本书在编写过程中得到了晶科能源有限公司、江西赛维LDK 太阳能高科技有限公司、新余市银龙光伏工程有限公司等企业的大力支持, 在此表示衷心感谢。

编者在编写本书的过程中, 查阅了大量的文献资料, 并引用了部分网上的资料, 网上部分资料与文档无法查找原作者, 因此未能在参考文献中列出, 在此对参考文献中列出的作者及未能找到部分资料与文档的作者一并表示衷心的感谢。

教材的开发是一个循序渐进的过程, 限于编者水平有限, 经验不足, 在编写过程中难免会有疏漏之处, 竭诚欢迎广大师生和读者提出宝贵意见, 以使本书不断改进、不断完善。

编？者

2023 年9 月

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第1 章 碳中和概述  1
1. 1？ 碳中和概念  1
1. 1. 1？ 碳中和基本含义 2
1. 1. 2？ 碳中和政策内涵 3
1. 1. 3？ 碳中和内在逻辑 3
1. 1. 4？ 碳中和战略意义 4
1. 2？ 碳中和愿景  5
1. 2. 1？ 碳中和愿景概述 5
1. 2. 2？ 碳中和基本要求 6
1. 2. 3？ 碳中和推进路径 7
1. 2. 4？ 碳中和愿景根本影响  8
1. 2. 5？ 碳中和愿景机遇挑战  11
1. 2. 6？ 碳交易  13
拓展阅读？ 稳中求进———如期实现 “双碳” 目标愿景  15
思考与练习  17
第2 章 太阳能 18
2. 1 太阳能应用简介  18
2. 2？ 光伏发电技术 20
2. 2. 1？ 太阳电池材料分类与现状  20
2. 2. 2？ 硅材料的基本性质  22
2. 2. 3？ 硅材料冶炼与提纯  23
2. 2. 4？ 单晶硅棒与多晶硅锭  25
2. 2. 5？ 硅片、 硅基电池及组件制备  29
2. 2. 6？ 光伏发电系统  38
2. 3？ 光热利用技术 40
2. 3. 1？ 太阳能热水系统  40
2. 3. 2？ 太阳能供暖系统  41
2. 3. 3？ 太阳能制冷系统  43
2. 3. 4？ 太阳能光热发电系统  45
2. 4？ 太阳能产业发展趋势 49
2. 4. 1？ 光伏产业的发展趋势  49
2. 4. 2？ 光热产业的发展趋势  51
拓展阅读？ 产业化高效光伏电池  52
思考与练习  55
第3 章 风能 56
3. 1？ 风能概况  56
3. 1. 1？ 风的形成  56
3. 1. 2？ 风能的基本概念  61
3. 1. 3？ 风能的资源分布  62
3. 1. 4？ 风能开发与利用的发展史  65
3. 2？ 风力发电原理与设备 67
3. 2. 1？ 风力发电特点及优势  67
3. 2. 2？ 风力发电原理  67
3. 2. 3？ 风力发电机组设备  73
3. 2. 4？ 风力发电场选址  83
3. 3？ 风能与低碳经济 84
3. 3. 1？ 低碳经济的概念  85
3. 3. 2？ 低碳经济与新能源关联性  85
3. 3. 3？ 低碳经济环境下风能发展  86
3. 4？ 风能产业与政策 86
3. 4. 1？ 风电产业链  86
3. 4. 2？ 风能产业相关政策  87
拓展阅读？ 我国首个超高海拔风电项目———西藏措美哲古风电场  88
思考与练习  89
第4 章 氢能 90
4. 1？ 氢能概况  90
4. 1. 1？ 氢的燃烧性能  91
4. 1. 2？ 电能  92
4. 2？ 氢燃料电池及其应用 92
4. 2. 1？ 氢燃料电池的分类  92
4. 2. 2？ 氢燃料电池的原理与结构  93
4. 3？ 制氢技术  98
4. 3. 1？ 煤制氢  98
4. 3. 2？ 天然气制氢 102
4. 3. 3？ 工业副产氢 104
4. 3. 4？ 甲醇制氢 104
4. 3. 5？ 电解水制氢 106
4. 4？ 氢能与低碳经济  111
4. 5？ 氢能产业与政策  111
4. 5. 1？ 双碳下的氢能政策  112
4. 5. 2？ 氢能产业 113
拓展阅读？ “氢装” 上阵———助力实现 “双碳” 目标  113
思考与练习  114
第5 章 生物质能  115
5. 1 生物质能概况  115
5. 1. 1？ 生物质能的特点及分类  116
5. 1. 2？ 生物质能发展状况及目标  117
5. 2？ 生物质资源  118
5. 2. 1？ 生物质的组成 118
5. 2. 2？ 生物质资源的分布  120
5. 3？ 生物质能的转化利用技术  121
5. 3. 1？ 物理法 121
5. 3. 2？ 热化学法 122
5. 3. 3？ 生物化学法 122
5. 3. 4？ 化学法 123
5. 4？ 生物质能源的应用  123
5. 4. 1？ 生物天然气 123
5. 4. 2？ 生物柴油 125
5. 4. 3？ 生物燃料乙醇 127
5. 4. 4？ 生物质固体成型  130
5. 4. 5？ 生物质氢能源 131
5. 4. 6？ 生物航空燃料 133
5. 4. 7？ 能源微藻 134
5. 4. 8？ 生物质发电 136
5. 5？ 生物质能与低碳经济  138
5. 6？ 生物质能产业与政策  139
拓展阅读？ 生物能源与碳捕获和储存技术 (BECCS)  141
思考与练习  142
第6 章 其他能源  143
6. 1？ 地热能  143
6. 1. 1？ 地热能的来源 143
6. 1. 2？ 地热能发展状况及目标  144
6. 1. 3？ 地热能的分布 144
6. 1. 4？ 地热能源的应用  145
6. 1. 5？ 地热能的低碳经济与政策  148
6. 2？ 潮汐能  149
6. 2. 1？ 潮汐能的来源 149
6. 2. 2？ 潮汐能发展状况及目标  149
6. 2. 3？ 潮汐能源的应用  152
6. 2. 4？ 潮汐能的低碳经济与政策  155
拓展阅读？ 海洋能源 155
思考与练习  156
第7 章 储能技术  157
7. 1？ 储能技术概述  157
7. 1. 1？ 储能的概念 158
7. 1. 2？ 储能的目的 159
7. 1. 3？ 储能技术的类型  160
7. 1. 4？ 储能技术的现状与发展趋势  161
7. 2？ 储热技术  163
7. 2. 1？ 储热技术概述 163
7. 2. 2？ 显热储能 165
7. 2. 3？ 相变储能 166
7. 2. 4？ 热化学储能 171
7. 3？ 机械储能  173
7. 3. 1？ 机械储能概述 173
7. 3. 2？ 抽水蓄能 174
7. 3. 3？ 压缩空气储能 179
7. 3. 4？ 飞轮储能 183
7. 4？ 电化学储能  188
7. 4. 1？ 电化学储能概述  188
7. 4. 2？ 铅蓄电池 194
7. 4. 3？ 锂离子电池 199
7. 4. 4？ 液流电池 207
7. 4. 5？ 其他电池技术 213
7. 4. 6？ 电化学储能技术总结  221
7. 5？ 电磁储能  222
7. 5. 1？ 超级电容器储能  223
7. 5. 2？ 超导储能 227
7. 6？ 化学储能  228
7. 6. 1？ 氢储能 229
7. 6. 2？ 其他化学储能 231
拓展阅读？ 能源系统未来趋势———综合智慧能源  233
思考与练习  234
第8 章 智能微电网应用技术  235
8. 1？ 智能微电网的历史背景和现实意义 235
8. 1. 1？ 智能微电网产生的历史背景  236
8. 1. 2？ 智能微电网发展的现实意义  237
8. 2？ 智能微电网的定义  238
8. 3？ 智能微电网的分类和结构  241
8. 3. 1？ 直流和交流智能微电网  241
8. 3. 2？ 并网和孤岛智能微电网  242
8. 3. 3？ 单相并网和三相并网型智能微电网  245
8. 3. 4？ 智能微电网系统的典型结构与控制体系  246
8. 4？ 智能微电网的特点  247
8. 4. 1？ 智能微电网的显著特点  247
8. 4. 2？ 智能微电网的优缺点  248
8. 5？ 智能微电网的运行模式  249
8. 5. 1？ 智能微电网的启动  249
8. 5. 2？ 智能微电网的孤岛运行与并网运行  249
8. 6？ 智能微电网的控制方法  250
8. 6. 1？ 智能微电网内分布式电源的控制方法  250
8. 6. 2？ 智能微电网系统的控制方法  252
8. 7？ 智能微电网的稳定性控制方法  255
拓展阅读？ 新型能源体系的发展脉络与内涵、 挑战及意义  256
思考与练习  258
参考文献  259
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    张玉清，新余学院

    王发辉，新余学院

    傅欣欣，新余学院

    黄淑萍，新余学院

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本书以碳达峰、碳中和为背景, 从能源助力碳中和角度入手, 首先阐述了碳中和概念与愿景, 再分别论述了光伏与光热、风电、氢能、生物质能、地热能、潮汐能等各类新能源的产业链, 最后从储能技术与智能微电网应用技术出发, 通过储能与智能微电网将各类新能源串联起来。全书融合了当今新能源产业的新政策、新技术、新动态, 让读者对各类新能源的发展历史、原理、应用等知识及新能源行业有个全新的认识与了解。

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