新能源的开发与利用.docx

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新能源的开发与利用

绿色能源国内外发展现状

新能源的开发与利用现状

摘要：

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础，世界能源结构正由煤、石油为主要能源，现在逐渐向以天然气为主转变，同时太阳能、氢能、生物质能、核能、风能、地热能、海洋能等可再生能源也正得到广泛的利用，了解新能源的开发和利用现状与前景,对我国的能源开发与建设是很有意义的。

Abstract：

Energyisthedrivingforceofthedevelopmentoftheworldandeconomicgrowth,whichalsoisthefoundationofhumansurvival.Now-daystheworldenergystructureisfromcoalandoilasthemainenergy,isnowgraduallytransformingtogiveprioritytowithnaturalgas,meanwhilesolarenergy,hydrogenenergy,biomassenergy,nuclearenergy,windenergy,geothermalenergy,oceanenergyandsoon,whichiscallednewenergy,hasbeenwidelyexploitedanddeveloped.Soitisprofoundtoknowtheapplicationofnewenergy.

关键词：

太阳能氢能生物质能核能风能地热能海洋能

Keywords：

solarenergyhydrogenenergybiomassenergynuclearenergywindenergygeothermalenergyoceanenergy

随着世界经济的发展，各国对能源的需求量也越来越大.在当前的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气、煤炭等化石能源.但是化石燃料的使用给人类带来了环境污染和能源短缺的现实压力，这使得全世界开始关注新能源，而且希望新能源能够克服化石燃料燃烧带来的污染和可能出现的能源枯竭问题。

太阳能、风能、生物质能等作为新新能源，已经是当前国际能源开发利用领域中的新热点。

一、新能源

新能源是指以新技术为基础,系统开发和利用的能源，包括风电、太阳能、生物质能等新能源。

新能源具有资源消耗低、清洁程度高、潜在市场大、带动能力强、综合效益好等优势。

[1]

1.1太阳能

太阳能一般指太阳光的辐射能量，它是一种巨大且对环境无污染的能源，地球每秒钟获得的太阳能量相当于燃烧500万吨优质煤发出的能量。

太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。

利用太阳能可以建成温室大棚、太阳房等节能建筑；太阳集热器作为热源可代替传统锅炉；使用太阳能热水器和太阳灶等，可节约生活燃料；太阳能还可用来淡化水、致冷、发电；太阳能电池在人造地球卫星上已被成功使用，现在开始转向地面应用。

利用光电池直接把太阳能转换为电能，是利用太阳能的最有前途方式。

利用太阳能发电，可省去费用庞大的输电设备，随着太阳能电池转换效率的提高及太阳能电力成本的降低，其发电成本将大大低于目前各种发电成本，前景非常诱人。

可以预见，太阳能将成为21世纪人类的一种主要能源。

[2]

1.1.1太阳能光伏

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。

由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。

简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。

长期以来，太阳能电池的能量转换效率较低，约10%左右，成本昂贵，未能普及使用。

我国自80年代起也开始了太阳能电池的研究,已有小批量的生产,受到西藏无电地区牧民们的欢迎.[3]目前国内太阳能光伏发电投资约50000元/kW，而火电约为5000元/kW。

太阳能光伏发电投资的高成本，意味着采用当前技术大规模开发太阳能光伏发电是不经济的，虽然随着太阳能光伏发电设备生产技术的改进、生产规模的扩大以及生产链的完善，成本降低是可以预期的。

[4]近年来，各先进国家大力投入人力财力开发，光电转换效率已有很大提高。

美国已研制成新一代光电池，由于采用新材料，可利用阳光中能量的百分之二十，效率比过去提高一倍，使得太阳能电站每度电的成本可以接近和低于现有火力发电的成本。

可以预见，太阳能电站取代火力发电站的日子不会远了。

目前，欧美日本等国在太阳能电池研制方面都取得了实质性的不同进展；但由于现有理论的局限，要取得技术突破，还要走一段摸索的道路。

现在的技术关键就是应用新原理研究新材料继续提高光电池的转换效率和降低光电池的成本。

1.1.2太阳能光热

现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。

除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。

1.1.3太阳光合能

植物利用太阳光进行光合作用，合成有机物。

因此，可以人为模拟植物光合作用，大量合成人类需要的有机物，提高太阳能利用效率。

1.2、核能

核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc^2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。

核能的释放主要有三种形式：

A.核裂变能

谓核裂变能是通过一些重原子核（如铀-235、铀-238、钚-239等）的裂变释放出的能量

B.核聚变能

由两个或两个以上氢原子核（如氢的同位素—氘和氚）结合成一个较重的原子核，同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应，其释放出的能量称为核聚变能。

C.核衰变

核衰变是一种自然的慢得多的裂变形式，因其能量释放缓慢而难以加以利用。

核能作为清洁、高效的新能源，在近几十年间得到了快速的发展。

但是，发生在日本的一场核电风暴，给人们的头上泼了一盆冷水。

核电安全问题迅速成为人们最为关注的热点，全世界都在进行着一场轰轰烈烈的关于核能去留问题的大讨论。

连传统的核电大国——法国也开始讨论核电要不要发展的问题。

[5]核电发展潜力巨大。

核电属于国家政策支持的重点项目,2008年我国核电年发电量约683.94亿千瓦时,占全国总发电量的2%左右。

目前核电已建成运行11个反应堆,总装机容量910万千瓦;2010年起,国家还将陆续开工建设浙江三门、山东海阳和广东台山等核电站,已核准在建核电机组24台,总装机容量2540万千瓦,中国已成为世界上核电在建规模最大的国家[6]

核能的缺陷

（1）资源利用率低

（2）反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决

（3）反应堆的安全问题尚需不断监控及改进

（4）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制

（5）核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大

1.3、海洋能

海洋面积占地球总面积的７０．８％，一望无际的汪洋大海不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。

海洋新能源是指依附在海水中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。

据估计，全球海洋能的蕴藏量大约是776亿kw。

[7]这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点，是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。

海洋能具有以下特点：

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。

1.3.1波浪发电

波浪能发电是利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量发电。

波浪发电装置的原理、结构均较简单，因而不仅经济且效果显著。

[7]据科学家推算，地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。

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。

我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。

波能将会为我国的电业作出很大贡献。

１９１０年，法国人波拉岁奎第一次成功地进行了海洋波浪能的发电试验，并获得了１千万电力。

从国际上看，波力发电技术已日趋成熟，正向实用化、商业化发展。

从经济性方面看，将海洋波浪能发电用于岛屿上、航标灯上或结合防波堤工程，效益是肯定的。

1.3.2潮汐发电

潮汐能发电是利用海水涨、落潮的能量转变为电能。

潮汐能发电是在海洋能中发展最早、规模最大和技术最成熟的一种[7]。

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。

1.3.3海水温差能

海洋温差能,就是不同深度海水水温之差的热能。

由于太阳辐射,海水温度随水深的增加而降低,由此产生了温度差异,这一温差中包含着巨大的能量。

赤道地区的热海水由于重力作用下沉,流向两极地区,由此产生大尺度的海洋环流,从而也常年保持着海水不同层面的温度差,形成海水温差能[8]据测量,如把赤道附近的海水作为热源,2000m以上的深层海水作为冷源,上、下层温度差可达26℃以上,只要把赤道海域宽10kg厚10m的表层海水,冷却到冷源的温度,其发出的电力就够全世界用一年,可见其能量之巨大。

[9]海洋温差能的主要用途是发电,即利用海水表层与深层的温差进行发电。

我国从20世纪80年代初开始在广州、青岛和天津等开展温差发电研究,1986年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置,1989年又完成了雾滴提升循环试验研究。

[10]总体来说,对于温差能发电的利用目前仍处于研究阶段。

[11]

1.4风能

风能是太阳辐射下流动所形成的。

风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。

风能最常见的利用形式为风力发电。

风力发电有两种思路，水平轴风机和垂直轴风机。

水平轴风机应用广泛，为风力发电的主流机型。

1.4.1风力发电

是当代人利用风能最常见的形式，自19世纪末，丹麦研制成风力发电机以来，人们认识到石油等能源会枯竭，才重视风能的发展，利用风来做其它的事情。

1977年，联邦德国在著名的风谷--石勒苏益格-荷尔斯泰因州的布隆坡特尔建造了一个世界上最大的发电风车。

该风车高150米，每个浆叶长40米，重18吨，用玻璃钢制成。

截止2009年底，全球累计装机容量已经达到了1.59亿千瓦，2009年全年新增装机容量超过3千万千瓦，涨幅31.9%。

从累计装机容量看，美国已累计装机3516万千瓦，稳居榜首；中国为2610万千瓦，位列全球第二。

1.5生物质能

生物质能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和贮藏在生物体内的能量。

生物质能原料包括农作物秸秆、动物粪便、农林产品加工中的副产品等。

生物质能的资源丰富并且是资源节约型和环境友好型的能源。

[12]

地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。

地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但利用率不到3%。

与矿物质能源相比,生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位。

生物质能有以下优点

1、可再生性,每年都可再生,且产量大

2、可储藏性和可替代性

3、资源丰富。

4、二氧化碳零排放。

在使用过程中几乎没有SO2产生,生物质能源燃料燃烧所释放出的CO2大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2,所以应用生物质能源时CO2的排放可以认为是零[13]生物质能源的原料虽多种多样,但主要仍为两大类,即工农业生产的废弃物和有目的种植的能源林。

[14]生物质能利用技术主要有四个方面:

生物质能直燃发电;生物质固化成型;生物质液化;生物质气化。

1.5.1生物质能直燃发电

自1990年至今,生物质发电在欧美许多国家开始大发展,特别是2002年约翰内斯堡可持续发

展世界峰会以来,生物质能的开发利用开始在全球加快推进。

截至2004年,世界生物质发电装机已达3900万kw,年发电量约2000亿kw·h,可替代7000万吨标准煤,是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。

[12]

1.5.2生物质固化成型

生物质固化成型技术是将分散的的各类生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度,在一定的温度、湿度和压力条件下,使原料颗粒位置重新排列并发生机械变形和塑性变形,成为规则形状的密度较大的固体燃料.固化成型燃料既可以提高原料的密度、减少运输和储运成本,又可以改善原料的燃烧性能、提高燃烧效率,是解决生物质资源规模化利用的有效方法.[15]

1.5.3生物质液化

生物质液化技术主要是指生物质的热裂解液化.生物质的热裂解液化是指在中温（500℃）高加

热速率（可达1000℃/s）和极短的气体停留时间（约2s）的条件下生物质发生的热降解反应,生成的气体经快速冷却后可获得液体生物油,所得的油品基本上不含硫、氮和金属成分,是一种绿色燃料.生产过程在常压和中温下进行,工艺简单、成本低、装置容易小型化、产品便于运输、存储,因此生物质热解液化技术受到国际上的广泛重视.[15]

1.5.4生物质气化

生物质气化是在不完全燃烧条件下,利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂,将生物质转化为含CO,H2,CH4等可燃气体的过程.目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具实用性的一种.沼气技术是生物质气化技术利用最广泛的。

据统计,截至2008年底我国户用沼气池已达2800多万口,大中型沼气设施达到了8000多处,沼气年利用量已达120亿立方米。

在此基础上,各地方政府和企业又纷纷宣布投资数10亿元甚至上百亿元进军生物质能市场。

预计到2020年农村新增沼气用户将达到6200万户。

[6]我国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。

2006年用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处，年生产生物质燃气2,000万立方米。

1.6地热能

地球内部热源可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。

放射性热能是地球主要热源。

地热包括深部地热资源和浅层地热能,属于可再生洁净能源和资源,也称地质新能源。

与煤炭、石油、天然气等传统不可再生能源相比,地热能具有清洁、环保、分布广泛、可再生、不受外界条件影响的优势。

[16]地热是一种清洁的可再生资源,广泛用于供暖、洗浴、养殖、种植和发电。

到2005年,世界地热直接利用设备容量为2.8×1010W,总产量7.42×1013W·h;地热发电总装机容量8.9×109W,发电量5.68×1013W·h[17]冰岛是世界上地热利用率最高的国家，冰岛地热田全国有800多处，利用地热能，冰岛人发电、家庭取暖、温室种植和养鱼等，已被普遍开发。

冰岛政府提供的数据显示，地热已保证了冰岛55%的能源供应。

我国地热资源丰富，分布广泛，已有5500处地热点，地热田45个，地热资源总量约320万兆瓦。

1.7氢能

氢的原子序数为1，常温常压下呈气态，在超低温、高压下又可成为液态。

作为能源，氢能具备其它能源所没有的特点：

一是可再生性的清洁能源。

氢的燃烧产物是水，无二氧化碳和氮氧化物的排放，基本实现温室气体和污染物的零排放，无污染。

同时水又可以通过多种方式重新转化为氢，实现能源的循环利用，永无止尽。

二是化学活性高，燃烧性好，发热值高。

在3％～97％范围内均可燃，发热值是汽油的3倍。

三是资源丰富，来源多样。

氢在宇宙中是最丰富的物质,他在构成宇宙的物质中约占75%。

[18]可见氢能是可以同时满足资源、环境和持续发展要求的能源，这是其它能源所不能比拟的，其应用前景看好。

遗憾的是，目前条件下以氢能全面替代化石燃料仍为时过早。

首先，因为氢能的利用主要是通过燃料电池转化为电能，而氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难，因氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。

其次更致命的问题是，由于目前氢气的提取主要是通过电解水或者利用天然气，如此则同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低二氧化碳的排放。

[19]

二、新能源开发与利用的意义

随着全球性的能源短缺、国际油价不断创出新高、燃煤火电对环境的污染和气候变暖问题的日益突出，积极推进能源革命，大力发展可再生能源，加快新能源推广应用，已成为各国各地区培育新的经济增长点的重大战略选择。

与常规能源相比，新能源有无污染、清洁、可再生的特性且实用性强等特点。

新能源的开发利用难度大,经济效益偏低,必须创新理论,应用新技术、新设备进行规模生产。

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