新能源技术能源概述

新能源与分布式发电技术第1讲能源概述§1能源概述关注的问题什么是能源？能源有哪些类型？怎么评价能源的优劣？人类面临着什么样的能源和环境问题？新能源利用可以发展起来吗？教学目标了解能源的概念和评价方法，掌握能源的分类方法和常见类型，了解能源危机与环境问题；理解新能源发展的重要意义。§1.1

能源利用的历史人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。几个发展阶段(1)天然能源的原始利用几十万年以前人类学会了用火，在漫长的岁月里，一直以柴草为生活能量的主要来源，燃火用于烧饭、取暖和照明。后来逐渐学会将畜力、风力、水力等自然动力用于生产和交通运输。这种初级形式的能源利用直到19世纪中期都没有太大突破。在1860年的世界能源消费结构中，薪柴和农作物秸秆仍占能源消费总量的73.8%。§1.1

能源利用的历史人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。几个发展阶段(2)煤炭2000多年以前人类就知道煤炭可以作为燃料。14世纪的中国、17世纪的英国采煤业都已相当发达，但煤炭长期未能在世界能源消费结构中占据主导地位。18世纪70年代，英国的瓦特发明以煤炭作燃料的蒸汽机。蒸汽机的广泛应用使煤炭迅速成为第二代主体能源。煤炭在世界一次能源消费结构中所占的比重，从1860年的25％，上升到1920年的62％。§1.1

能源利用的历史(3)石油人类很早就发现了石油，《汉书》、《梦溪笔谈》有描述。直到19世纪，石油工业才逐渐兴起。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，是现代石油工业的开端。1886年德国人本茨和戴姆勒研制出第一辆以汽油为燃料、由内燃机驱动的汽车，进入大规模使用石油的汽车时代。石油和天然气逐渐取代煤炭，在世界能源消费构成中占据主要地位。1965年，在世界能源消费结构中，石油首次超过煤炭占居首位，成为第三代主体能源。到1979年，石油所占的比重达到54%，相当于煤炭的三倍。§1.1

能源利用的历史(4)电力1881年，美国建成世界上第一个发电站，同时还研制出电灯等实用的用电设备。从此以后，电力的应用领域越来越广，发展规模也越来越大，人类社会逐步进入电气化时代。石油、煤炭、天然气等化石燃料被转换成更加便于输送和利用的电能，进一步推动工业革命，带来了巨大的技术进步。§1.1

能源利用的历史(5)核能和可再生能源1942年美国建立世界上第一座核反应堆，1954年前苏联建成世界第一座发电的反应堆并正式启用，1956年美国的核电站投入运行，核能利用迅速发展起来，在世界能源结构中占据重要位置。到20世纪90年代，核能发电所提供的电力占全世界发电总量的17%左右。进入21世纪以来，太阳能、风能、海洋能、生物质能等可再生新能源发展很快，并且逐渐走向成熟和规模化，所占的比重也有望大幅度提高，为人类解决能源和环保问题开辟了新的天地。§1.1

能源利用的历史最广泛的利用方式电能最成熟的利用方式热能§1.2.1

资源和能源——资源——在一定时期和地点，在一定条件下具有开发价值、能够满足或提高人类当前和未来生存和生活状况的自然因素和条件，

称为自然资源，有时简称资源。包括气候资源、水资源、矿物资源、生物资源、能源，等等。——能源——能源就是能够向人类提供某种形式能量的自然资源，包括所有的燃料、流水、阳光、地热、风等，通过适当的转换手段可使其为人类生产和生活提供所需的能量。例如煤和石油等化石能源燃烧时提供热能，流水和风力可以提供机械能，太阳的辐射可转化为热能或电能。§1.2

能源的概念能源种类很多，通常按其形态特征或转换与应用的层次分类。(1)一次能源和二次能源（按形成条件）以天然形态存在于在自然界中，可直接取得而不需改变其基本形态的能源，称为一次能源。简单说，一次能源就是自然界中现成存在的天然能源。如煤炭、石油，及风能、地热能等。为了满足生产和生活的需要，有些能源通常需要经过加工进行直接或间接的转换才能使用。由一次能源经加工转换而获得的另一种形态的能源，称为二次能源。如沼气、酒精、汽油，以及蒸汽、氢能等。电能是最重要的二次能源。§1.2.2

能源的分类一次能源源的来源源自然界中中一次能能源的初初始来源源，大致致有三种种情况：：①来自地球球以外天天体（主主要是太太阳）的的能量，例如能能以光和和热的形形式直接接利用的的太阳能能，以化化石或生生物体等等物质形形式存储储的能量量，以风风、水流流、波浪浪等形式式体现的的能量；；②来自地球球内部的的能源，主要是是核能和和地热能能；③地球与其其他天体体相互作作用产生生的能量量，例如月月亮、太太阳引力力变化形形成的海海洋潮汐汐能。(2)常规能源源与新能能源（按发展应用用状况）常规能源源是指在当当前的技技术水平平和利用用条件下下，已被被人们广广泛应用用了较长长时间的的能源，现阶段主主要是指指煤炭、石油、天然气、水能、核（裂变变）能。这类能源源，使用用较普遍遍，技术术较成熟熟。新能源是指由于于技术、、经济或或能源品品质等因因素而未未能大规规模使用用的能源源，如太阳能、风能、海洋能、地热、生物质、氢能等。这类能源源，已经经开始或或即将被被人们推推广利用用，但目目前还没没有被大大规模使使用，有有的甚至至还处于于研发或或试用阶阶段。(2)常规能源源与新能能源（按发展应用用状况）常规能源源和新能能源的分类是相相对的，不同历史史时期会会变化，这取决决于应用用历史和和使用规规模。例如在1950年代，核核(裂变)能属于新新能源，，现在有有些国家家已把它它被归为为常规能能源。有些能源源虽然应应用的历历史很长长，但正正经历着着利用方方式的变变革，而而那些较较有发展展前途的的新型应应用方式式尚不成成熟或规规模还小小，也被被归为新新能源，，例如太太阳能、、风能。。在中国，，新能源源指除常规化石石能源和大中型水水力发电电、核裂变发发电之外的一一次能源源。(3)非再生能能源和可可再生能能源（按循环恢复复能力）非再生能能源，也叫不可再生生能源，用完后后不可重重新生成成（至少少在短期期内无法法恢复）），总有有枯竭的的一天。。如化石燃料料和核燃料均为非再再生能源源。据估估计，按按照现有有的探明明储量和和开采程程度，地地球上的的化石燃燃料最多还可可使用几几百年。可再生能能源，可以循循环使用用，能够够有规律律地不断断得到补补充，没没有使用用期限，，也不会会因长期期使用而而减少。。如太阳能能、水能能、风能能、海洋洋能、地地热能和和生物质质能，均均为可再再生能源源。(4)含能体能源和和过程性能源源(按能源存在和转转移形式)含能体能源是指包含着能能量的物质或或实体。例如化石燃料料、核燃料、、生物质、地地热水和地热热蒸汽，等等等。这类能源可以直接储存存和运输。过程性能源是指随着物质质运动而产生生、并且仅以以运动过程的的形式存在的的能源。如风、水、海海潮、波浪、、地热等。这类能源无法直接储存存和运输。(5)清洁能源和非非清洁能源(按环境污染程度度)清洁能源是指对环境没没有污染或污污染较小的能能源，有有时也叫绿色能源。如太阳能,风能,海洋能；垃圾发电、沼气等。非清洁能源是指可能对环环境造成较大大污染的能源源，例如煤炭等等化石燃料。。清洁与非清洁洁能源的划分分也是相对的的。各种能源均有有优点，也各各有不足。如如何进行评价价和比较？(1)能流密度即在单位空间间或单位面积积内，能够从从某种能源获获得的功率。。化石燃料与核核燃料的能流流密度大，各各种可再生能能源的能流密密度一般都比比较小。能量密度太小小，则不利于于开发利用，，因为经济性性太差。§1.2.3能源的品质标准煤各种燃料的热热值是不同的的，在统计能能源的生产和和消费，特别别在计算能耗耗指标时，常常定义一种假想的标标准燃料，即标准煤。。标准煤的热值值为2.9×104kJ/kg。各种燃料均可可按平均发热热量折算成标标准煤。(2)开发费用和设设备造价化石能源与核核燃料，探、、采、加工、、运输，需投投入大量人力力、物力。发发电设备单位位容量的初期期投资较小。。可再生能源，，开发费用主主要是开发能能源的一次性性投资，设备备造价比较高高；而运营费费用很低。(3)存储的可能性性与供能的连连续性化石燃料都比比较容易存储储，也便于连连续供应。太阳能、风能能等可再生能能源则不易保保存，

能量量供应也可能能有波动性和和间断性。(4)运输费用与损损耗运输过程本身身也要投资并并消耗能源，，远距离运输输的成本和损损耗会影响能能源的使用。。太阳能、风能能、地热能难难以运输。化化石燃料可以以运输，但要要考虑运输的的成本和耗能能。(5)对环境的影响响化石燃料燃烧烧过程中会排排放CO2等温室气体，，甚至还有一一些有毒的或或腐蚀性物质质，对环境影影响较大。核燃料有放射射性污染及废废料处理的问问题。可再生能源大大多对环境的的影响较小。。(6)蕴藏量化石燃料等非非再生能源，，蕴藏量是有有限的，总有有用完的时候候。太阳能、、风能等可再再生能源，可可以循环使用用，不断的得得到补充，即即使每年更新新的数量有限限，长期来看看，也是无穷穷无尽的。(7)能源品位能源品味反映映的是能源利利用的方便程程度。一般来说，二次能源要比一次能源源品味高。能直接变成机机械能和电能能的能源（如水力和风风能），要比比那些必须先先经过热利用用环节的能源源（如化石燃燃料）的品位高。§1.3.1常规能源的环环境影响（1）大气污染化石燃料的利利用过程会产产生CO、SO2、NOx等有害气体，，不仅能导致生态系统的破破坏，还会直接损害人体体健康。在很多国家和和地区，因大大气污染造成成的直接和间间接损失已经经相当严重。。§1.3能源与环境问问题§1.3.1常规能源的环环境影响（2）酸雨SO2、NOx等污染物，经经大气传输，在一定条件件下形成酸雨，危害农作物和和森林生态系系统，破坏水水生生态系统统，腐蚀材料料，造成重大大经济损失。。酸雨还导致致地区气候改改变。§1.3.1常规能源的环环境影响（3）温室效应大气中CO2的浓度增加，地表平均温度度将上升，尤其在极地地，结果可能导致致海平面上升，将给许多国国家造成严重重的经济和社社会影响。由于大量化石石能源的燃烧烧，大气中CO2浓度不断增加加。§1.3.1常规能源的环环境影响（4）其它影响若再考虑能源源开采、运输输和加工过程程中的不良影影响，则则造成损失将将更为严重。。如煤炭开采会会有人员伤亡和土地塌陷。核能的利用虽虽然不会产生生上述污染物物，但存在核废料问题。世界范围内的的核能利用，，将产生成千上万吨的的核废料。如果不能妥妥善处理，放射性的危害害或风险将持持续几百年。§1.3.2世界能源与环环境问题世界人口从1900年到目前，净增加了2倍多，而能源消耗增加加了16倍，说明人类对对能源的依赖赖越来越强烈烈。目前化石能源在世界能源消消费结构中所所占的比重仍然很高高。如果没有新的的替代能源充分发展，按按目前的消耗耗情况估算，，21世纪人类又将面临着新的的能源危机。另一方面，人人类大量使用用化石燃料，，环境污染日益益严重，生态平衡惨惨遭破坏，直直接危及人类类的生存和发发展。可持续发展联合国世界环境与发发展委员会完成调查报告告《我们共同的未未来》，提出了可持续发展概念。这一概念及其其构想在1992年联合国环境与与发展大会上得到世界一一百多个国家家的认同。可持续发展就是“满足当代人的的需求，又不不损害子孙后后代满足其需需求能力的发发展”。§1.4.1欧美新能源发发展战略美国：2007年，布什总统签署新的的能源法案，，资助可再生生能源的研研究和开发发。2009年，奥巴马政府提出能源源新政，大力力发展清洁能能源，每每年拨款……，鼓励可再生生能源利用。。§1.4新能源发展战战略欧洲：1997年可再生能源发发展白皮书。2000年能源安全绿皮皮书。2003生物液体燃料料发展规划，2005年生物质能发展展行动计划。2006建立欧洲可持持续、可竞争争、安全的能源战略绿皮皮书。§1.4.2我国新能源发发展战略1995年《电力法》明确宣布，国国家鼓励和支支持利用可再生能能源和清洁能源来发电。强调指出，，农村利用太阳阳能、风能、、地热能、生生