第三节 新能源的开发利用

能源利用与环境保护第三节新能源的开发利用

矿业与环境工程学院luole第三节

新能源的开发利用

目前，新能源的开发利用在满足广大农村和偏僻的草原、海岛、高山、沙漠等地少量分散的需要上起了一定作用。新能源在开发和利用过程中都要比化石燃料对环境污染少得多，清洁得多。对保护环境减少污染起到积极的作用。

新能源的利用还可以满足一些特殊需要。如太阳能电池在空间科学上的应用，自60年代开始，太阳能电池在各式各样的人造卫星、宇宙飞船和星际电站中作为主电源大量应用。一、太阳能二、生物质能三、风能四、潮汐能五、地热能六、核聚变能利用技术的研究主要内容一、太阳能热利用光电利用1.太阳能的直接利用有两种途径太阳能的热利用

太阳能的热利用是通过反射、吸收或其他方式收集太阳辐射能，使太阳辐射能转换为热能并加以利用。热利用是当前太阳能利用工作中的主要方面。我国现已逐步推广应用的太阳能热利用项目主要有太阳能灶、太阳能热水器、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能采暖等。

太阳能的热利用太阳能的光电利用

太阳能光电系统核心部件是光电池。光电池是一种直接将太阳幅射能转换成电能的半导体器件。我国在1971年成功地首次将光电池应用于我国发射的第二颗卫星工程上。通过卫星空间多年运行的考验，这一太阳能电池电源系统性能良好，保证了卫星高质量、高可靠地完成了航天任务。

太阳能的光电利用2.太阳能利用系统对环境的影响

太阳能在利用过程中既无有毒有害气体的排出，也无废弃物排出，总的来讲，太阳能是清洁无害的。但是，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，其结果会影响大气中温度的梯度、云层、风等，进而影响小气候。巨大的集热系统、聚光装置会影响景观。

太阳能电站太阳能电站

生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l%。这些未加以利用的生物质，绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中。二、生物质能源

我国基本上是一个农业国家，农村人口数量大，生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构成中也占有主要地位。中国的生物质能源（1）生物质能资源

我国现有森林、草原和耕地面积41.4亿公顷，理论上生物质资源可达650亿吨/年以上。以平均热值为15000千焦/公斤计算，折合理论资源为33亿吨标准煤，相当于我国目前年总能耗的1倍以上。（2）生物质能源和利用

我国生物质的能源利用绝大部分用于农村生活能源，极少部分用于乡镇企业的工业生产。利用方式长期来一直以直接燃烧为主，只是近年来才开始采用新技术利用生物质能源，但规模较小、普及程度较低，在国家的能源结构中占有极小的比例。

生物质直接燃烧方式不仅热效率低下，而且大量的烟尘和余灰的排放使人们的居住和生活环境日益恶化，严重损害了妇女、儿童的身心健康。此外，还对生态、社会和经济造成极其不利的影响。

事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料，生产电力，以减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。

生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，如：日本的阳光计划印度的绿色能源工程美国的能源农场巴西的酒精能源计划

其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。

80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料，如印度和中国的家用沼气池；而发达国家则主要发展厌氧技术，处理禽畜粪便和高浓度有机废水。（1）沼气技术

美国、英国、意大利等发达国家将沼气技术主要用于处理垃圾。美国纽约斯塔藤垃圾处理站投资2000万美元，采用湿法处理垃圾，日产26万m3沼气，用于发电、回收肥料，效益可观，预计10年可收回全部投资。英国以垃圾为原料实现沼气发电18MW，今后10年内还将投资1.5亿英镑，建造更多的垃圾沼气发电厂。

沼气的热值视其中甲烷的含量而定，一般为4800～6200千卡／m3。沼气具有较高的热值，可用作炊事、照明，也可以驱动内燃机和发电机。据测算，1立方米沼气相当于1.2公斤煤或0.7公斤汽油的热值。1公斤作物秸秆可产生0.22立方米沼气。作物秸秆直接燃烧热能利用率只有10％，沼气热能利用率可高达60％。每公斤秸秆含热量3400千卡，直接燃烧的有效热值为340千卡，制成沼气燃烧的有效热值726千卡，提高了114％。

修建沼气池沼气照明沼气做饭沼气是一种比较干净的再生能源，燃烧后的产物是二氧化碳和水，对空气的污染要小；垃圾、粪便等有机废弃物及作物秸秆是产生沼气的原料，投入沼气池后，既改善了环境卫生，又使蚊蝇失去了挛生的条件，减少了疾病的传播；生产沼气后的废液是很好的肥料，能减少化肥和农药的施用量，降低了对土壤的污染，起到了间接保护环境的作用。发展沼气有利于环境保护：

早在70年代，一些发达国家，如美国、日本、加拿大、欧共体诸国，就开始了以生物质热裂解气化技术研究与开发，到80年代，美国就有19家公司和研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究与开发；加拿大12个大学的实验室在开展生物质热裂解气化技术的研究；此外，菲律宾、马来西亚、印度、印尼等国家也先后开展了这方面的研究。芬兰坦佩雷电力公司开始在瑞典建立一座废木材气化发电厂，装机容量为60MW、产热65MW：瑞典能源中心取得世界银行贷款，计划在巴西建一座装机容量为20-30MW的发电厂，利用生物质气化、联合循环发电等先进技术处理当地丰富的蔗渣资源。

（2）生物质热裂解气化

生物质液体燃料，包括乙醇、植物油等，可以作为清洁燃料直接代替汽油等石油燃料。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，70年代中期，为了摆脱对进口石油的过度依赖，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，到1991年，乙醇产量达到130亿升，在980万辆汽车中，近400万辆为纯乙醇汽车，其余大部分燃用20%的乙醇-汽油混合燃料，也就是说乙醇燃料已占汽车燃料消费量的50%以上。

1996年，美国可再生资源实验室已研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集团公司建立了一个1MW稻壳发电示范工程：年处理稻壳12000吨，年发电量800万度，年产酒精2500吨，具有明显的经济效益。

（3）生物质液体燃料

生物质压缩技术可使固体农林废弃物压缩成型，制成可代替煤炭的压块燃料。如美国曾开发了生物质颗粒成型燃料；泰国、菲律宾和马来西亚等第三世界国家发展了棒状成型燃料。

（4）其它技术三、风能

风能就是空气流动所产生的动能。大风所具有的能量是很大的。风速9~10米/秒的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积上约有10公斤；风速20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积可达50公斤左右。台风的风速可达50-60米/秒，它对每平方米物体表面上的压力，竟可高达200公斤以上。

风力发电站

达坂城风力发电站位于乌鲁木齐附近，是亚洲最大的风力发电站，在这里风车林立，绵延数里，非常壮观！

“达坂城老风口、大风小风天天有，小风刮歪树，大风飞石头”。这里每年大风日平均有151天之多，平均风速6.1米/秒，瞬间最大风速为40米/秒，最高风力12级。

四、潮汐能

潮汐是一种自然现象，它是在月球和太阳引潮力作用下所发生的海水周期性涨落运动。一般情况下，每昼夜有两次涨落，一次在白天，一次在晚上，人们把白天的海水涨落称潮，晚上的海水涨落称夕，合起来称为潮汐。潮汐使海水每天都在不停地运动，涨潮时把海水推送向海岸，落潮时又使海水退回海中。潮汐往复不停而有规律的运动，携带着巨大的能量。潮汐电站原理五、地热能

地热能利用分为两类：第一类是高温地热利用（温度一般在150℃以上），主要用于发电，根据温度的高低有两种发电方法，即闪蒸法地热电站和双循环地热电站。第二类是地热直接利用。当地热温度较低时利用（温度一般100℃以下），直接热利用效益较好，且利用范围广。原则上凡是需要热的地方都可以用，目前应用范围主要包括：生活用热水、冬季取暖、工业用热、干燥产品、农业养殖、温室种植、温泉休闲、医疗康复等。

地热能源1.高温地热利用

目前，世界上多数国家以高温发电为主。地热电站发展较好的国家如日本、美国、新西兰、墨西哥、菲律宾、印尼、意大利等，根据“世界能源导报”的数据，各主要国家地热电站的装机容量见表。

各主要国家电力生产装机容量（Huttrer2001）比较国家装机容量MWe产量GWh占国家装机容量％中国29.17100

哥斯达黎加142.55927.77埃尔·萨尔瓦多16180015.39危地马拉33.4215.93.68冰岛170113813.04印度尼西亚589.545753.04意大利78544031.03日本546.935320.23肯尼亚45366.475.29墨西哥75556812.11新西兰43722685.11尼加拉瓜7058316.99菲律宾19099181

俄罗斯23850.01美国2228154700.25羊八井地热站高温地热利用

位于拉萨西北110公里的当雄县境内的山谷盆地中，海拔4300米，面积约100多平方公里。羊八井北临海拔5000米～6000米高的念青唐古拉山，四面山顶终年白雪皑皑。

进入盆地后，整个大地被热气弥漫，蒸气灼人，到处都有地热露头点，沸泉、热泉、温泉、热水湖、水热爆炸穴等等。有的白色气柱带着刺耳的啸声直上云霄。有时热水和热气散发出巨大的声音，使人感到一种恐惧。

这里的热气和高原的寒冷相遇，构成了美妙的自然奇观。盆地东北端热水湖，面积达7300多平方米，自然水温高达50℃左右，是我国最大的热水湖。云谈风轻的时候，巨大的气柱飘然升起，可以直喷到100米的高空。在清澈的湖水深处，还可以看见翻涌的热水潜流。背景材料2.地热直接利用

地热直接利用牵涉面较广,有工业、农业、生活等各方面。地热能对环境的影响在利用过程中提取热流会引起地面下沉开发和利用过程中排放的废气主要有硫化氢、二氧化碳和氨大多数地热水都相对含有溶解物质，使水体汞和砷含量增高由于地热电站的热利用率较低，以致冷却水用量多于火电站，因此，热污染较重

六、核聚变能利用技术的研究

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。

如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。

相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。1公斤海水中含有0.034克氘，通过热核反应产生的热量相当于300升汽油燃烧时释放的能量。地球上的汪洋大海里的氘，足够人类使用几十亿年，是一项无穷无尽的持久能源。

目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。

核聚变需要的条件非常苛刻。比如：发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。

尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。

目前主要的几种可控核聚变方式：超声波核聚变激光约束（惯性约束）核聚变磁约束核聚变（托卡马克）磁场约束法（托卡马克）

：

是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述条件。这种方法在实验室条件下已成功，但要达到工业应用还差得远。惯性约束法：

是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收