完整word版新能源技术及其应用

1、7新能源技术及其应用生物质能、海洋能前言：能源、材料、信息、生物技术是现代文明的四大支柱，能源是人类生 存及发展的物质基础，也是人类从事各种经济活动的原动力。 新能源与常规能源 是一个相对的概念，新能源包括太阳能、氢能、核能、生物质能、化学电源、风 能、海洋能和地热能等。（一）生物质能 生物质能简介生物质（biomass）是指有机物中除了化石燃料以外的所有来源于动、植物 能再生的物质。生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定贮藏在生物体内的能量。生物质能源是人类用火以来，最早直接应用的能源。随着人类文明的进步， 生物质能源的应用研究开发几经波折， 在第二次世

2、界大战前后，欧洲的木质能源 应用研究达到高峰，然后随着石油化工和煤化工的发展，生物质能源的逐渐趋于 低谷。到20世纪70年代中期，由于中东战争引发大的全球性能源危机， 可再生 能源，包括木质能源在内的开发利用研究， 重新引起人们的重视。人类深刻认识 到石油、煤、天然气等化石能源的资源有限性和环境污染问题。日益严重的环境问题，已引起国际社会共同关注，环境问题与能源问题密切相关，成为当今社会 共同关注的焦点之一。化石燃料的使用是大气污染的主要原因。“酸雨”、“温室而使用大自然馈赠的产生的二氧被称之 预计40%以效应”等都已给人类赖以生存的地球带来了灾难性的后果。生物质能，几乎不产生污染，使用过程中

3、几乎没有二氧化硫的产生， 化碳气体与植物生长过程中需要吸收的大量二氧化碳在数量上保持平衡， 为二氧化碳中性的燃料。生物质能将成为未来可持续能源系统的组成部分， 到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总耗能的 上。生物质能开发利用在许多国家得到高度重视，联合国开发计划署、世界能源 委员会、美国能源部都把它当作可再生能源的首要选择。联合国粮农组织热门为，生物质能有可能成为未来可持续能系统的主要能源，扩大其利用是减排二氧化碳 的最主要的途径，应大规模植树造林和种植能源作物， 并是生物质能从“穷人的 燃料”变成高品位现代能源。生物质能的特点生物质由C、H、O N、S等元素组成，是空气

4、中二氧化碳、水、和太阳 光通过光合作用的产物。其挥发性高，碳活性高，硫、氮含量低（S:0.1%1.5%， N: 0.5% 3.0%），灰分低（0.1% 3.0%）。1）可再生性生物质能属可再生资源生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富，可保证能源的永续利用；据统计，全球可再生能源资源可以转换为二次能源约185.55亿tee,相当于全球、气和煤等化石燃料年消费量的 2倍，其中生物质能占35%位居首位。2）低污染性，节能、环保效果好用生物质能代替化石燃料，由于生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程 中生成的SO、NO较少，不仅可以永续使用，而且环保和生态效果突

5、出，对改善大气酸雨环境；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳 相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零， 可有效地减轻温室效应；3）广泛分布性，便于就地利用，利用形式多样缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；4）生物质燃料总量十分丰富生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家 估算,地球陆地每年生产 10001250亿吨生物质；海洋年生产500亿吨生物 质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展，特别是炭薪林的推广，生物质资源还将越来

6、越多。5）相关技术已成熟，可贮性好利用薪材和作物秸秆直燃历史悠久，通过发酵生产沼气用于炊事和照 明在农村也很普遍，利用甘蔗、玉米等制造燃料乙醇，用以代替车用汽油 的做法在美国、巴西已具规模。另一方面，与太阳能、风能相比生物质能 突出的优点是可贮存。生物质能的分类依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农 业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。1）林业资源林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包 括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木 屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等； 林业

7、副产品的废弃物，如果壳和果核等2）农业资源农业生物质能资源是指农业作物（包括能源作物）；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、 麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中 剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能 源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。3）生活污水和工业有机废水生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷 却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有 机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过 程中排出的废水等，其中都

8、富含有机物。4）城市固体废物城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量 建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等 因素影响。5）畜禽粪便畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、 农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草 的混合物。生物质燃料中可燃烧部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。按质量 计算，纤维素占生物质的 40% 50%,半纤维素占生物质的 20% 40%木质 素占生物质的10%- 25% 生物质利用的主要技术：化学转换、物理转换和生物转

9、换 生物质能开发利用前景生物质能是重要的可再生能源，预计在本世纪，世界能源消费的40%将会来自生物质能。但真正实际应用还取决于生物质的各种转化技术是否 能突破。目前生物质能利用技术的主要研究方向为：各种生物质能源转 换技术；生活垃圾能源的规模化利用与示范推广；生物质热解液化的 实用技术，这是最要研究方向，不但可以初级化工产品，而且可以减轻化 石能源枯竭带来的能源危机；沼气和热解气化的集中供气系统相关技术。 此外，利用热解气来合成甲醇、乙醇也是今后研究的主要方向之一。长期以来人们依赖化石能源，年消耗量不断增加，造成日益严重的环 境问题，而且预计到 2050年左右，化石燃料将濒临枯竭。生物质能源由

10、于 其可再生性和利用时不产生大量的二氧化碳而越来越引起重视，开发利用 生物质被称为第三次能源转变，20世纪80年代末至90年代初，许多国家尤其是西欧及北美的一些发达国家投入大量人力物力进行技术开发。据估 计世界范围内对可再生能源的技术开发投资已达315亿美元。综上，生物质作为可再生清洁能源其开发利用已势在必行，无论从废 弃资源回收或能源结构转换，还是从环境的改善和保护等各方面均具有重 大的意义。（二）海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在 于海洋之中。海洋能简介海洋能（ocean energy）是

11、海水运动过程中产生的可再生能，主要包括温差能、 潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等。潮汐能和潮流能源自月球、太阳 和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。海水温差能是一种热能。低纬度的海面水温较高，与深层水形成温度差，可 产生热交换。其能量与温差的大小和热交换水量成正比。潮汐能、潮流能、海流 能、波浪能都是机械能。潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比。波浪的能量与波 高的平方和波动水域面积成正比。 在河口水域还存在海水盐差能（又称海水化学能）,入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差，若隔以半透膜，淡水向海水一侧渗 透，可产生渗透压力，其能量与压力差和渗透能量成正比。地球表面积约为5.1 X 1

12、08km2,其中陆地表面积为1.49 X 108km2占29% 海洋面积达3.61 X 10A8km2,以海平面计，全部陆地的平均海拔约为840m而海洋的平均深度却为380m整个海水的容积多达1.37 X 10A9km3o 一望无际的 大海，不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量，它 将太阳能以及派生的风能等以热能、 机械能等形式蓄在海水里，不像在陆地和空 中那样容易散失。海洋能有显著特点1）海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单 位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海 水中获得。2）海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能

13、与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生， 就会取之不尽，用之不竭。3）海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差 能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定 但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律，编制出 各地逐日逐时的潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强 弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的 是波浪能。4）海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污 染影响很小。海洋能缺点：获取能量的最佳手段尚无共识，大型项目可能会破坏自然水流、潮汐和生态系统。海洋

14、能主要能量形式1）潮汐能因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水 涨落及潮水流动所产生的能量成为潮汐能。潮汐与潮流能来源于月球、太阳引力，其它海洋能均来源于太阳辐射，海洋 面积占地球总面积的71%太阳到达地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中， 部分转化成各种形式的海洋能。潮汐能的主要利用方式为发电，目前世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮 汐电站，我国的江夏潮汐实验电站为国内最大。2）波浪能波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是一种在风的作用下产生 的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量波高的平方、 波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪

15、能是海洋能源中能量最不稳定 的一种能源。波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、 海水淡化以及制氢等。3）海水温差能海水温差能是指涵养表层海水和深层海水之间水温差的热能， 是海洋能的一 种重要形式低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度差，而储存着温差热能， 其能量与温差的大小和水量成正比温差能的主要利用方式为发电，首次提出利用海水温差发电设想的是法国物 理学家阿松瓦尔，1926年，阿松瓦尔的学生克劳德试验成功海水温差发电。1930 年，克劳德在古巴海滨建造了世界上第一座海水温差发电站，获得了10kW勺功率。温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度低，其效率仅有3%左

16、右，而且换热面积大，建设费用高，目前各国仍在积极探索中。4）盐差能盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差 能，是以化学能形态出现的海洋能。主要存在与河海交接处。同时，淡水丰富地 区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。 盐差能是海洋能中能量密度最大的一种 可再生能源。据估计，世界各河口区的盐差能达30TVy可能利用的有2.6TW我国的盐差 能估计为1.1 Xl0A8kw，主要集中在各大江河的出海处，同时，我国青海省等地 还有不少内陆盐湖可以利用。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先，中国、 瑞典和日本等也开展了一些研究。 但总体上，对盐差能这种新能源的研究还处于 实验室实

17、验水平，离示范应用还有较长的距离。5）海流能海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以 及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量，是另一种以动能形态出现的海洋能。海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似。全世界海流能的理 论估算值约为108kW量级。利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析 资料，计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW属于世界上功率密度最大的地区之一，其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的 海流能较为丰富，不少水道的能量密度为 1530kWm2具有良好的开发值。 特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，

18、平均功率密度在20kW/ m2以上，开发环境和条件很好。利用现状上述不同形式的能量有的已被人类利用，有的已列入开发利用计划， 但人们对海洋能的开发利用程度至今仍十分低。尽管这些海洋能资源之间 存在着各种差异，但是也有着一些相同的特征。每种海洋能资源都具有相 当大的能量通量：潮汐能和盐度梯度能大约为2TW波浪能也在此量级上；而海洋热能至少要比此大两个数量级。但是这些能量分散在广阔的地理区 域，因此实际上它们的能流密度相当低，而且这些资源中的大部分均蕴藏 在远离用电中心区的海域。因此只能有一小部分海洋能资源能够得以开发 利用。前景展望全球海洋能的可再生量很大。根据联合国教科文组织1981年出版物的

19、估计数字，五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。其中温差能为400亿千瓦，盐差能为 300亿千瓦，潮汐和波浪能各为30亿千瓦，海流能64亿千瓦，其中海流能3亿千瓦,5001000米深较大潮差仅7 10为6亿千瓦。但如上所述是难以实现把上述全部能量取出，设想只能利用 较强的海流、潮汐和波浪；利用大降雨量地域的盐度差，而温差利用则受 热机卡诺效率的限制。因此，估计技术上允许利用功率为 盐差能30亿千瓦，温差能20亿千瓦，波浪能10亿千瓦， 潮汐能1亿千瓦（估计数字）。海洋能的强度较常规能源为低。海水温差小，海面与 层水之间的较大温差仅为 20r左右；潮汐、波浪水位差小，米，较大波高仅3米；潮流、海流速度小，较大流速仅47节。即使这样，在可再生能源中，海洋能仍具有可观的能流密