第九章未来的能源供应

Nonrenewableresources（不可再生资源）:minerals,fossilfuelsetc.Renewable（可再生资源）:canbereplacedorreplenished(补充）:sunlight,wind,crops,soilIntangibleresources（无形资源）:openspace,beauty,knowledge第九章未来的能源供应1、控制人口，减少能源消耗必须控制人口的增长，同时也要控制个人的能量消耗，不能无节制地提高生活水平或追求个人舒适与方便，这样才能使能耗与环境年能提供的能量相协调。一、利用生态原理解决能源问题2、太阳能是重要的能源化石能源是一种过去储存下来的太阳能。太阳能是洁净的、用之不尽的可再生资源生态农场是利用太阳能解决能源需求的成功例子太阳能的缺点：能量分散，能量密度平均仅1KW/m2数值因地而异，变化辐射很大。太阳能投射到地表的过程中，还常受到不可预测的因素的干扰，具有不连续和不稳定的性质。3、多渠道解决能源供应的平衡

需要多种能源同时并用。直接利用太阳能间接利用诸如水电、风能、潮流能、海洋温差能，生物质能、矿物能（化石燃料和核能）、地热能和垃圾能等4、充分利用能源并减少浪费直接燃烧：效率只有15%热电转换效率平均只有33%将数量占全国固体废物80%以上的农、牧、渔、副业废弃物，直接燃烧或作垃圾沤肥，也是对能源的极大浪费应该尽可能饲养家禽以后，再进行沼气化并使有机、无机肥料还田。许多产品一次使用后即废弃掉，从而增加了能源的消耗。二、太阳能的利用太阳是以核聚变反应维持其巨大的能量释放。1.1＊1031KJ/年能量到达地球的只有其中的22亿分之一。太阳常数：每平方厘米，每分钟所接受的太阳光能量密度I0。

I0＝1.38w/m2

I随纬度高低和季节而变化。太阳辐射自然过程工艺过程生物质能海流波浪温差工艺技术热光电有用能植物大气水圈海洋风能水能太阳能利用形式概念图1、太阳能的直接利用与环境影响直接利用太阳能的主要设备有太阳能集热器、蓄热水箱、太阳灶、太阳能热电转换系统和光电转换系统等。

太阳能集热器一般由涂上黑色的金属板和金属管，加上玻璃盖，底层有绝缘材料保温而组成的。固定式活动式太阳能集热器固定式集热器能收集到的能量最高可达到150度。线性聚焦集热器经聚焦后可达300度。点聚焦后的集热器可达到600度以上。

集热器

蓄热水箱

太阳能热水器太阳能光电系统，其核心部件是光电池。

光电池硅、锗和硫化镉等半导体材料铝或银等金属＋当电池受到光的照射时，就会有电子在两层材料间流动而产生电能。太阳电池制造太阳电池的成本高，而且受到砷、硒、镓、锗和镉等材料供应的限制。因此发展不快。适用于过远和高山地区，可为航标灯、电视机等供电太阳能直接发电在离地球约500KM的高空同步轨道上，建造大型太阳电站，用微波将电力送回地球。一座500万KW的空间太阳能电站，其连接支撑结构为13.1KM＊4.93KM；天线直径210米，高5.92KM。我国地处纬度不高，太阳能资源十分丰富。西藏地区最为突出，能量密度在6.3～10×105焦耳/厘米2..年的范围内。其余地区也有4.6～5.9×105焦耳/厘米2..年。目前使用比较广泛的有：西藏的太阳能烤箱。太阳炉、太阳灶等。最简便的家用太阳能热水装置，只需花几元钱即可造成。太阳能利用系统对环境有好的影响，也有不好的影响

1、无有毒气体排出，也无可能影响地球气候的二氧化碳排出。

2、占地面积与化石燃烧及核能电站相当。

3、余热的排出低于其他电站优点：太阳能的定日镜场会影响反射率、能量平衡、湿度平衡，低空空气的流动方式等，进而影响小气候。太阳能集热系统吸收太阳能后，减少了地面、建筑物等反射回空间的能量，结果影响了大气中的温度梯度、大气组成、支层、风等。而且还有反馈效应，如云量增加，会影响集热器的效率。巨大的集热系统、聚光装置，严重影响景观，以致改变建筑风格和建筑设计规范。同时又与大城市发展屋顶花园，调节城区气候、维护生态平衡发生矛盾。2、太阳能的间接利用与环境影响⑴生物质能与沼气①

生物质能。生物体直接或间接吸收太阳能并不断进行转化，成为维持生命活动的能源，就是生物质能。利用生物质能的对策通常作能源消耗掉的生物质能，经过一定的加工而制成醇类、沼气等薪柴方面，着力培养速生物种。如此紫穗槐、泡桐等发展和培育能源树种，对解决石油的代用能源问题，具有重大的意义。丛粒藻亦蕴藏着丰富的碳氢化合物油类。人畜粪便不仅是重要的肥源，而且是一种重要的生物质能。国外的速生物种举例沼气的利用沼气的形成过程需要4～30天。好氧分解就是在生酸菌的作用下，反较复杂的大分子变成较简单的小分子物质，进而在甲烷菌的作用下经厌氧分解，而最后得到沼气。麦芽糖葡萄糖乙醛乳酸丙酸乙酸蚁酸甘油低级脂肪酸乙醛乙酸脂肪酸丙酸尿素氨基酸亚氨酸丙酮醋酸乙酸淀粉脂肪蛋白质有机废物甲烷二氧化碳水厌氧分解好氧分解好氧分解就是在生酸菌的作用下，把较复杂的大分子有机物变成较简单的小分子物质，进而在甲烷菌的作用下经厌氧分解，而最后得到沼气。由此可见，要使沼气产量高，就必须适时地从好氧分解转入厌氧分解。也就是说要控制好生酸菌与甲烷菌的比例。实验测定，当系统的氧化还原电位低于200～400毫伏时，最有利于甲烷菌进行厌氧分解。影响这个电位的参数有四个：温度：中温（30～45℃）；高温（45～60℃）温度波动不得超过2～5℃，否则甲烷菌便死亡。

密封、缺氧pH=6.7～7.0要有足够的营养素氮与磷碳：氮控制在C：N=30～35：1的范围内。

沼气的利用实质上是生物质能经某种工艺过程后的利用，它对环境的影响益多于害。它与农田、家畜饲养、人类居住、鱼塘、发电系统加工厂等组成的生态农场，其优点更为突出。生物质能与畜力，又称生物能。⑵风能它直接来自太阳能。据估计太阳传给地球的辐射能约有2%被转换成风能；有人认为每年有13～1500万亿千瓦小时（相当于电力）。E=0.00066Aυ3(千瓦）E（千瓦）－风力具有的能量A（㎡）－受风面积υ（米／秒）－风速2υ=υ0（h／h0）nυ－标高为ｈ处地面的风速；υ0－标高为h0（地面）的风速；n－也是一个随高度而变化的数

n=0.096㏒h+0.016（㏒h）2+0.24全世界可能提供的风能估计数

年份装机容量（千瓦）输出功率（千瓦小时/年）19855×1051.5×10919901×1073×101020002×1099×1011风能属洁净的，取之不尽的能源；但也存在①分散、间歇、能量密度不高，风力不均匀等弱点。②风能利用的环境影响，主要是噪声；③风车布置不当时，也会影响景观，甚至造成鸟类撞击伤亡而破坏生态平衡。④巨型风车会因桨叶强度不够，或受飓风袭击，部件外抛造成事故等等。我国的风能我国属季候风国家，风能时效不稳定，大小波动及空间分布差异大风能含量也低于美、英、苏诸国不排斥以风能高的局部地区开采利用风能⑶海洋能所谓海洋能是指来自海洋的波浪能、海洋温差能、潮流能以及盐浓度梯度中的能量，它们均属直接的太阳能。波泿能是由风能衍生而来其能量和动力是值得考虑。小装置供作浮标与导航设施的电源海洋温差能，主要分布在赤道两旁南北回归线之间2000KM宽的海域。深海水的温度低于海面温度（15-25度)，这个温差可以考虑用作能源。海洋能潮流能：由太阳能引起的海洋中的寒、暖流。渗透压能：各河流入海处因坡度梯度而造成的潮汐能：由地球－月亮－太阳系统的动能与位能衍生出来的。海洋能不是近期利用的重点三、未来的核能1、快中子增殖反应堆（Fast－BreederReactor)

及其环境影响热中子核反应堆所用U－235的储量很有限。它仅占天然铀的0.711%，增殖堆的目的就在于利用极为丰富的同位素U-238进行裂变反应，而使可用的铀数量增加约140倍，从而核燃料的供应可维持二万多年。另外增殖堆设计的温度比轻水堆高。（1）增殖堆的核反应过程

增殖堆的发电成本与燃料价格几乎无关。这是因为它所产生的燃料比所用的多。原因就是增殖堆能将不裂变的铀-238转变为可裂变的钚-239，并在以后参加燃烧，而且所产生的钚-239要比所燃用的铀-238多。转变率（Conversionratio)或增殖率(Breedingratio)：增殖过程中所产生的易裂变材料与所消耗材料的数量比（2）增殖堆的操作特点与安全问题

燃料堆芯需用不同的冷却剂水－氦或液态钠轻水堆在水冷却剂发生流失事故时，因缺少慢氧化剂，堆便自动停车。增殖堆没有冷却剂照样裂变，可能熔毁。增殖堆中裂变材料的浓度比轻水堆高的多。可以发生小规模核爆炸。生产和处理大量钚-239的操作特别危险。钚的生产是原子弹制造中最重要的一个步骤，大约7～10公斤钚即足够制造一颗原子弹。2、核聚变能及其环境影响

核聚变反应1、在一定的空间范围内要有足够多的轻原子核。2、必须使反应温度超过所谓“引燃温度”。氘－氚反应的引爆温度为109K。要发生核聚变反应，必须具备两个条件：利用磁场作用封装等离子核聚变反应61D2－2He4+2P+2n+43.1MeV每个氘核产生7.2MeV的能量。按些计算，1升海水提供的能量约与几百升的石油所提供的能量相当。（2）聚变能的环境问题首先，聚变反应不产生裂变碎片其次，聚变反应堆不象裂变反应堆那样存在着偏离额定值的所谓功率聚增（Micleavexcursion)事故，也不存在象钚那样转变为核武器材料的问题。再次，氘—氚聚变反应堆的热利用率为50%～60%，它的热污染问题较其它任何发电方法少。还可以不通过蒸汽回路直接利用聚变能发电。

聚变能对环境的影响大致如下：四、地热能1。地热的来源与分类干蒸汽150度属于高温地热田，可直接用来发电，量少湿蒸汽90-150度中温地热田，用前必须脱水，副产盐水热水90度以下，用于取暖或供水，含量丰富。地热发电利用蒸汽通过汽轮机－发电机组发电地热蒸汽是地下水在某种地质条件下受地热的作用而产生的。作为热源的岩浆侵入地壳某处并加热不透水的晶型岩层、使其上的地下水升温到270度左右；但由于岩浆封盖压力很高，所以水蒸汽伋处于流体状态，需要打井才能喷出地面地热发电站1977年底全世界地热发电站的容量约为146万KW。据1980年底统计，目前世界各国地热发电站的容量达到380万KW。全世界可用于地热发电的资源，2000年估计为50000万KW。美国地热发电的可能容量地热发电与环境地热蒸汽的温度和压力都不如火力发电站高，因此地热利用率低，以致冷却水用量多于普通电站，热污染也比较严重。地热电站也可利用冷却塔将余热释放到大气中，以避免热污染。从冷却塔排出的废蒸汽和废水中的可能含有硫化氢等有毒气体，应予重视并及时加处理地热属于再生比较慢的一种资源。由于取用的水多于回注的水，利用地热发电，最后可能会引起地面沉降。我国的地热资源比较丰富，据不完全统计，全国突露地面的地下热水点有2500多处，其中80度以上的有600多处，遍及全国各省、市、自治区。大部分属于低温热水（20－40度）全国分布不均，主要重点有京津地区，东南沿海地区。其中广东、福建、台湾最多，西藏地区的地热资源温度很高。我国的地热发电我国的利用地发电还刚刚开始近年来在一些地方利用地下热水建立小型发电站取得成功地热资源利用的难处蕴藏地区不易找到只有少数接近地面处蒸汽温度往往偏低本章总结人们不必为未来的能源供应而悲观失望，但化石燃料还可以供应几百年，而且能源供应渠道甚多，数量丰富，特别是太阳能，将永远为人类提供数量巨大的，洁净的，