新能源的开发与应用

新能源的开发与应用新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。也指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。新能源也叫清洁能源，包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。自人类大规模利用矿物能源、特别是石油资源被开发之后，人类生产和生活面貌发生了巨大变化，与此同时，经济增长造成全球大气、土壤、水源等诸多方面环境质量严重下降，暴露出世界上许多国家以煤炭等为主的能源结构的弊病。特别是自20世纪70年代石油出现危机后，使人们逐步觉醒，矿物能源终有耗尽之时，人类要维持自己的生产生活持续发展，必须开发新的能源，特别是可再生能源。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。风能20年来风力发电从试验研究迅速发展为一项成熟技术，发电成本从每千瓦时20美分降到5美分，接近常规能源发电，形成一个新兴的产业。我国从80年代初把风力发电作为农村电气化的措施，主要研究、开发和示范应用小型充电用风电机，供牧民和渔民一家一户使用。我国政府在1992年就环境和发展问题提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等新能源”。并陆续出台了“乘风计划”、“双加工程”等。风力发电的利用方式主要有两类，一类是独立运行（离网型）供电系统，即电网未通达的偏远地区，如高山、草原和海岛等，用小型风力发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般在100W-10KW；或者采用中型风电机与柴油发电机或光伏太阳电池组成混合供电系统，目前系统的容量约10KW-200KW，解决小社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，并网运行，商业化的机组单机容量150KW-1650KW，既可单独并网，也可以由多台，甚至成百上千台组成风力发电场（简称风电场，国外亦称风力田）。我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。一般认为，可将风电场风况分为3类：年平均风速6米/秒以上时为较好；7米/秒以上为好；8米/秒以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。太阳辐射的能量到地球表面约有20％转化为风能。我国风能潜力的估算如下：风能理论可开发总量（R），全国为32.26亿千瓦，实际可开发利用量（R’），按总量的1/10估计，并考虑到风轮实际扫掠面积为计算气流正方形面积的0.785倍[1米直径风轮面积为0.52×π＝0.785（平方米）]，故实际可开发量为：R’＝0.785R/10=2.53（亿千瓦）。即：风能总储量为32.26亿千瓦，估计实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦，风能的利用有很大的潜力。中国风电发展状况及展望风力提水机在我国东南沿海地区低扬程风力提水装置用于农田灌溉、水产养殖和盐场制盐等低扬程大流量提水作业；我国内陆如内蒙古北部、甘肃和青海等地风能资源较好的区域，则利用深井风力提水机组为牧民和牲畜提供饮水或进行小面积草场灌溉；此外，甘肃、新疆北部及松花江下游也属于风能丰富区，适合发展风力提水。从风力提水机组分类上讲，主要产品和技术的发展趋势：①低扬程大流量风力提水机多采用旋转式水泵，用于提取地表水和浅层地下水；②高扬程小流量风力提水机多采用往复式水泵，用于提取深层地下水；③风力提水机—微滴灌系统；④风力机—空气泵提水机组；⑤风力发展机—电泵提水系统。小型风力发电机我国从20世纪80年代初就把小型风力发电作为实现农村电气化的措施之一，主要研制、开发和示范应用小型充电用风力发电机，供农民一家一户使用。目前，1kW以下的机组技术已经成熟并进行大量的推广。在电网不能通达的偏远地区，约60万居民利用风能实现电气化。截至1999年，我国累计生产小型风力发电机组18.57万台，居世界第一。我国是一个发展中国家，一些边远地区的农牧民还未用上电。实践表明：在一个较长的时期，小型风力发电机组在解决有风无电地区农牧民生活用电仍然是一条重要的途径。就是在有风有电地区，从长远考虑，发展小型风力机组对改善能源结构，保护生态平衡和充分利用资源等方面亦有积极的意义。国家计委提出的“光明工程”就为我国小型风力发电机组的发展创造了条件。因此继续发展小型发电机组仍有很大的潜力大型风力发电机组及国外机组国产化大型风力发电机组的制造。目前我国大型风力发电机组的研究制造商主要有：中国一拖—美德（MADE）风电设备有限公司、西安维德风电设备有限公司、上海申新风力发电设备公司、北京万电有限责任公司及新疆金风科技股份有限公司。在我国风电场建设的投资中，机组设备约占70%，实现设备国产化、降低工程造价是风电场大规模发展的需要。大型风电机的主要部件在国内制造，其成本可比进口机组降低20%～30%。太阳能太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。一提起太阳能发电，人们首先想到的是太阳能电池，即PV牗光伏牘技术。据欧洲能源研究中心预测，到2050年，太阳能电池将为人类提供总电能需求的20％—30％。但是目前PV技术的成本仍然高于传统电网能源的成本。虽然太阳的能量是免费的，将其能量转换成电能却不是免费的。高成本依然是太阳能开发利用的最大问题。太阳能电池有两种实现方式：晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。前者的转换效率高，最高能达到15％，但成本高，价格也相对较高。目前对这种技术的改进主要集中在提高转换效率上，包括汇聚光线、增加光在玻璃中的折射次数等等。后者的转换效率相对较低，一般不超过10％，但成本低、价格低。薄膜太阳能电池弱光性好，在早晚光线弱的情况下，发电效果优于晶硅电池，与建筑外墙相结合，未来的发展不可限量。业界一致认为，由于硅材料的限制，薄膜是发展方向。因此越来越多的企业聚集到薄膜太阳能电池的旗下。其实利用太阳能电池发电只是太阳能发电的一种方法。通过汇集太阳辐射的能量加热水或空气从而产生动力推动叶轮机发电，这类技术虽然占地面积大、电力运输成本高，但技术含量较低、使用寿命长，转化率也能够令人满意，很适合在辐射强烈而人烟稀少的地方开展。而染料敏化电池，模拟植物叶绿体的光合作用，利用新型材料替代硅，其光电转化率最高达到11％，而成本仅为硅电池板的十分之一。由于政府的大力扶持，太阳能发电技术突飞猛进，市场茁壮成长。在不久的将来，太阳能将作为重要的工业能源为人类所使用。生物质能生物质能仅次于煤炭、石油和天然气，居于世界能源消费总量第4位。据专家预测，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总燃料消耗的40％以上。由于生物质替代燃料具有无染污、可再生等显著特点，因此日益受到各国的重视。随着我国经济的不断发展，能源短缺问题显得日益严重，为了解决能源危机、减轻环境污染、保护生态环境，开发利用生物质能显得尤为重要。生物质能的概念及存在形式

：木材及森林工业废弃物；；农业废弃物；水生植物；油料植物；城市和工业有机废弃物；动物粪便。生物质能的开发方法与产品形式热化学转换法，可获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品。该方法按其热加工的方法不同分为高温干馏、热解、生物质液化等方法。生物化学转换法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品。生物油法，利用油料植物所产生的生物油。固化成型法，把生物质固化成成型燃料(如颗粒型、块型、棒型等)，以便集中利用和提高热效率。开发固化成型生物质燃料的意义：应用便利，易于贮运；替代煤炭，保护生态环境；提高能源利用率。目前，我国采用的生物质固化成型燃料的形状主要有棒状、块状和颗粒状。这几种形状燃料的加工方法均为传统生产方法，普遍存在着设备能耗过高、磨损严重和使用寿命短等问题。地热能地热资源是我国蕴涵比较丰富的一种无污染的清洁能源，随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。目前国际上有一百多个国家在开发利用地热资源，并以12%的速度递增，能源专家普遍预计到2100年地热利用将在世界能源总值中占30%—80%。地热能划分：

离地球表面5000米深，15℃以上的岩石和液体的总含热量，据推算约为14.5×1025焦耳（J），约相当于4948万亿吨（t）标准煤的热量。地热来源主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。

地热资源按温度的划分。中国一般把高于150℃的称为高温地热，主要用于发电。低于此温度的叫中低温地热，通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。截止1990年底，世界地热资源开发利用于发电的总装机容量为588万千瓦，地热水的中低温直接利用约相当于1137万千瓦。地热发电

地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。我国高温地热资源（温度高于150℃）主要集中在西藏南部、云南西部和台湾东部。目前已有5500个地热点，45个地热田，热储温度均超过200℃。如果能将其全部转化为电能，将会对我国能源结构产生巨大影响。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。地热水的直接利用

地热能直接利用于烹饪、沐浴及暖房，已有悠久的历史。至今，天然温泉与人工开采的地下热水，仍被人类广泛使用。据联合国统计，世界地热水的直接利用远远超过地热发电。中国的地热水直接利用居世界首位，其次是日本。地热水是理想的天然热水资源，社会和经济效益十分可观。地热水的直接用途非常广泛，主要有采暖空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅温泉疗养保健等。地热直接供暖。

我国北方城市冬季取暖仍以煤为主要能源，其燃烧产生的二氧化碳、粉尘等对空气环境造成的污染日趋严重，成为困扰城市居民的一大问题。使用地热采暖系统则可直接传递热量，绝不会对空气造成污染。尤其是在改造传统设备的基础上，通过热交换器，地热水无须直接进入通暖管道，只留干净的水在管道中循环，基本解决了腐蚀、结垢的问题。不仅如此，其经济效益也十分明显。采用地热供暖，其费用只是采用燃油气锅炉的10%，燃煤锅炉的20%。因此，大力提倡与推广地热供暖，将对环保事业做出重要的贡献。浴疗保健。地热水富含硼、硅、锶、氟、锂、碘等多种矿物质，有一定的医疗、保健、养生作用，适应于循环机能不全疾病。经常用热矿水进行洗浴，对心血管硬化、坐骨神经痛、慢性风湿性关节炎、湿疹、牛皮癣、慢性胃炎及慢性支气管炎等病有一定疗效。长期洗浴，可改善人体环境、增强体质、延缓衰老、有益健康。热矿水入室，无疑会大大提高居民的生活质量。娱乐、旅游

。依托温泉浴疗，可以开发游泳馆、嬉水乐园、康乐中心、会议中心、疗养中心、温泉饭店、温泉度假村、高级宾馆等一系列娱乐旅游项目。种植、养殖。依托地热井，可以建造温泉温室，种植名优花卉、特种蔬菜（供给大的饭店、宾馆、酒楼之需）等，也可以用来发展旅游农业。热水养殖，可以大大缩短多种水生物的孵化期和生长周期。可以依托地热资源发展高产鱼类养殖业等养殖产业。余热供暖

。用于洗浴、娱乐等方面的地热水在使用后，热水温度依然很高，仍含有大量的热能，如果能有效的加以利用，就会带来巨大的经济效益和社会效益。比如北京市地质勘察技术院与清华同方合作实验成功了环保型地温热泵供暖系统，它可以从热水，甚至冷水中提取热能供暖，使地热能的综合利用率提高到了80%左右，其运行成本低于燃气和燃油。这套系统的实验成功为地热水的余热供暖开辟了广阔的天地。核能核能的利用分两大类即核裂变和核聚变。它们都能放出巨大能量。一个铀235核分裂变能为２亿电子伏特；一个氘核和一个氘核聚合成一个氨核释放出的核聚变能为1760万电子伏特；而一个碳原子燃烧生成一个二氧化碳分子释放出的化学能仅为4.1电子伏特。以相同质量的反应物的释能大小作比较，核裂变能和核聚变能分别是化学能的250万倍和1000万倍，1千克铀235相当于2500吨煤，1千克氘相当于1万吨煤。核裂变能指较重的原子核如铀核、钚核在分裂成较轻原子核的过程。核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。核电站的关键设备是核反应堆，它相当于火电站的锅炉，受控的链式反应就在这里进行。核反应堆有多种类型，按引起裂变的中子能量可分为：热中子堆和快中子堆。热中子的能量在0.1eV（电子伏特）左右，快中子能量平均在2ｅV左右。目前大量运行的是热中子堆，其中需要有慢化剂，通过它的原子与中子碰撞，将快中子慢化为热中子。慢化剂目前用的是水、重水或石墨。堆内还有载出热量的冷却剂，目前冷却剂有水、重水和氦等。根据慢化剂和冷却剂和燃料不同，热中子堆可分为轻水堆（用轻水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料）、重水堆（用重水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料）和石墨水冷堆（石墨慢化，轻水冷却，稍加浓铀），轻水堆又分压水堆和沸水堆。原子能发电的能量密度大，燃料用量少，发电综合成本低，正常运行时对环境的污染远比火力发电对环境的污染小，是一种较成熟的强大的新能源，由于采取多重保护、多道屏障、纵深设防的设计原则，核电站一般不会发生事故，特别是发生严重事故的可能性极小。由于核动力的燃料是核燃料（铀或钚），相比于煤或石油的优点是无空气污染，无漏油等问题。它的缺点是存在放射性污染，因此为了保证安全，要求由反应堆所产生的放射性废物应与环境隔离，不让它进入生态环境。目前国内外公认比较好的处理技术是深部地层埋藏，即将燃烧完的放射性废物进行玻璃固化后，将其埋藏于数百米深的岩层中。首先在深部岩层中开挖洞室，将玻璃固化体装入不锈钢容器内，然后把容器放入洞室中，周围填充膨润土材料进行密闭，阻止万一情况下发生的放射性物质向周围的扩散和转移。到目前为止，中国大陆正在运行和建设的共有11台核电机组，其中7台核电机组在运行，总装机容量为540万千瓦，核电占全国总供电量的1%以上。正在建设的还有4台机组的总装机容量为330万千瓦。但也存在一些重要的问题，主要表现为：由于缺乏长远发展规划的指导，核电技术与设备国产化进展缓慢；核能和平利用的产业规模与水平落后于发达国家；基础研究和技术开发的资金匮乏，设施装备落后，人才流失严重，关键技术上与国外存在较大的差距。海洋能海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，主要包括海洋风能、波浪能、潮汐能、海洋生物能等。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点，是亟待开发利用并具有战略意义的新能源。我国有18000公里的海岸线、300多万平方公里的管辖海域，海洋能源十分丰富，利用价值极高。其中，近海域波浪能的蕴藏量约为1.5亿千瓦，可开发利用量约3000万千瓦～3500万千瓦，海洋风能约有7亿千瓦左右。同时，我国又是世界能源消费大国，大力发展海洋新能源，对于优化我国能源消费结构，支撑经济社会可持续发展意义重大。海底石油与天然气石油与天然气是人类当前主要的能资源，当前世界的纠纷、冲突和战争，大都与油气资源利益的争夺有关。海底油气资源约占世界油气总资源量的45％，主要分布在大陆边缘(大陆架、部分大陆坡，甚至坡脚处的陆隆)，它对当前世界海洋经济的迅速发展至关重要。据上世纪八十年代的初步估计，世界石油可采资源量大约3000x10t，其中海底石油可采资源量1350x10t(1350亿吨)；世界天然气总量为255x10一280x10m3，其中海洋天然气为140x10m3(140万亿立方米)。近年来，海底石油和天然气勘探正向深水区发展，据技术发展趋势预计，2000年可在1000m水深海域开发油气资源，2020年开发水深可达1600m左右，未来海底石油、天然气的资源量肯定会超过前述估测数字。天然气水合物天然气水合物是21世纪的新型能源。天然气水合物乃是一种白色的冰状固体矿，外形像固体酒精，有极强的燃烧力。水合物由水分子和燃气分子，主要是甲烷分子组成，有人称它为甲烷水合物，也有称之为可燃冰。这种固体水合物只保存在一定的温度和压力条件下，要求温度低于0℃—10℃，压力高于10MPa（兆帕)。海洋里天然气水合物的资源量是陆地上的100多倍，世界上绝大部分的天然气水合物都埋藏在深海的沉积物中，它要求水深大于300m至500m，赖巨厚水层的压力来维持其固体状态。据最保守的估计，全世界海底天然气水合物中贮存的总量约为18000x10m3，约合IIx10t。全球水合物的含碳总量大约是地球上全部化石燃料(煤、石油、天然气)含碳总量的两倍，它是人类未来动力能源的希望。海底热能地球内部释放的热能约为42亿千瓦(每秒可释放热能量42亿千焦耳)。海洋释放的地热能占全球总量的81％(陆地仅占19％)，巨大的海洋地热能是陆地的四倍。人类利用海洋地热能的技术尚待开发。海洋再生能资源海洋再生能广泛存在于海洋中，蕴藏量巨大。联合国估计全球海洋再生能的理论总功率达766x10kW，技术可实现的功率约64x10kW，是目前世界总发电容量的两倍。海洋再生能是海水运动所产生的能，包括潮汐能、潮流能、海流能、波浪能。海水温差和盐差能等。海洋再生能中以温差能和盐差能最大(约100x10kW)，波浪能和潮汐能居中(约10x10kW)，海流能最小(1x10kW左右)。波浪发电据科学家推算，地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。目前，海上导航浮标和灯塔已经用上了波浪发电机发出的电来照明。大型波浪发电机组也已问世。中国在也对波浪发电进行研究和试验，并制成了供航标灯使用的发电装置。将来的世界，每一个海洋里都会有属于我们中国的波能发电厂。波能将会为中国的电业作出很大贡献。潮汐发电据世界动力会议估计，到2020年，全世界潮汐发电量将达到1000-3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站，发电能力24万千瓦，已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站，总容量达到3000千瓦氢能氢作为能源有许多优越性。水通过光分解可制得氢，水是取之不尽，用之不竭的原料，又十分低廉，地球的表面有3/4是水，储量很大。氢燃料燃烧后又生成水，是一种燃烧无害、十分清洁的能源。氢在储存、输送上比电力损失小，而且氢燃烧热值高，1kg氢燃烧产生的热量相当于3kg汽油或4.5

kg焦炭的发热量。但是在实际的应用中氢的存储与运输，以及利用太阳能分解水制取氢，一直是制约氢能发展的问题。

时至今日，氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合抢演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷的，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。另外，氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷却发电装置，进而提高机组功率等。更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧（成