天然气是除煤和石油之外的另一种重要的一次能源。它燃烧时有很高的发热值,对环境的污染也较小,而且还是一种重要的化工原料。天然气的生成过程同石油类似,但比石油更容易生成。
天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类组成,其中甲烷占80％—90％。天然气通常可以分为纯天然气、石油伴生气、凝析气和矿井气4种。天然气的勘探、开采同石油类似,但收采率较高,可达60％—95％。大型稳定的气源常用管道输送至消费区,每隔80—160千米需设一增压站,加上天然气压力高,故长距离管道输送投资很大。
天然气中主要的有害杂质是H2S、CO2、H2O和其他含硫化合物。因此,天然气在使用前需要净化,即脱硫、脱水、脱二氧化碳、脱杂质等。
天然气是蕴藏量丰富,清洁而便利的优质能源。地球上天然气资源丰富,据俄罗斯学者预测,世界常规天然气的总资源量达400×1012—600×1012立方米,此外还有大量非常规天然气资源。与石油一样,世界天然气资源分布也很不均匀,主要集中在中东、前苏联和东欧,三者之和约占世界天然气总储量的70％。
预计到2010年,世界剩余探明可采储量天然气将为165.8×1012立方米,石油为1441×108吨;以热量计算,天然气储量已超过石油储量。2015年世界天然气的产量将超过石油产量。2020年能源结构中天然气将占29％—30％,石油占27％,煤占24％,核电为8％,其他能源为4％。
我国天然气资源丰富,据2000年资料,全国天然气地质资源量为47.23×1012立方米,其中可采资源量为9.3×1012立方米。2001年全世界气体燃料的总消费量为1137百万吨标准油。其中工业消费占44.8％,交通运输占4.8％,其他行业和生活消费则为50.4％。
煤层气(俗称瓦斯)是一种与煤伴生,以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气,其中甲烷含量大于95％,热值33.44千焦/立方米以上,是一种优质洁净的能源。中国是世界上主要的煤炭生产大国之一,煤炭生产居世界首位,也是世界上煤炭资源和煤层气资源最丰富的国家之一。丰富的煤层气资源有望成为中国21世纪的接替性能源之一。
我国煤层气资源分布广泛,分布在不同的含煤盆地、不同的成煤时代,其埋藏深度和勘探程度也相差很大。据初步预测我国煤层气的资源量为31万亿立方米,高于我国陆上常规天然气的资源量,居世界第2位。
天然气水合物是一种新发现的能源,由水分子和燃气分子构成,其中燃气分子绝大多数是甲烷,所以甲烷分子含量超过99％的天然气水合物通常称为甲烷水合物。从化学结构来看,天然气水合物是这样构成的:由水分子搭成像笼子一样的多面体格架,以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温度和压力条件,具有不同的多面体格架。
从物理性质来看,天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度,剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物,中子孔隙度低于饱和水沉积物,这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外,天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。
组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种非化学计量的天然气水合物。天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下,由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质,外观像冰。由于天然气水合物中通常含有大量甲烷或其他碳氢化合物气体,因此极易燃烧,被称为“可燃冰”。燃烧产生的热量比同等条件下煤、石油、天然气产生的多得多,而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物,污染比煤、石油、天然气等要小得多。
天然气水合物的形成有三个基本条件,缺一不可。第一，温度不能太高。第二，压力要足够大,但不需太大。0℃时,30个大气压以上就可生成。第三,地底要有气源。天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制,只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。一般来说,除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外,在海底发现的天然气水合物通常存在水深300—500米以下(由温度决定),主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中,也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。从大地构造角度来讲,天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里,其资源量是陆地上的100倍以上。在标准状况下,一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,天然气水合物的热值估计为6.86×106千焦/立方米,而普通天然气的热值仅约为3.30×104千焦/立方米。
天然气水合物最早是20世纪30年代在永久冻土带的输水管线发生堵塞时发现的。目前,在俄罗斯、加拿大和北极地区的永久冻土带和全世界范围内的海洋区域均已探明大量天然气水合物矿藏。在地球上大约有27％的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区,而在世界大洋水域中约有90％的面积也属这样的潜在区域。已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同,不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。据潜在气体联合会(PGC,1981)估计,永久冻土区天然气水合物资源量为1.4×1013—3.4×1016立方米,包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6×1018立方米。据Kvenvolden1988年计算得到的结果,天然气水合物中的有机碳占全球有机碳的53.3％,而煤炭、石油和天然气的总和才占全球有机碳的26.6％。如果能证明这些预计属实的话,天然气水合物将成为一种潜在的重要能源。天然气水合物资源丰富,因此有专家乐观地估计,当全球化石能源枯竭殆尽,天然气水合物将成为新的替代能源。
到目前为止,世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美洲东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、日本海、苏拉威西海和新西兰北部海域等。陆上寒冷永冻土中的天然气水合物主要分布在西伯利亚、阿拉斯加和加拿大的北极圈内。我国多年冻土带的面积约占全国总面积的20％,我国海域辽阔,最有希望的天然气水合物储存区可能是南海和东海的深水海底。目前,已经相继在东海和南海探测到大量天然气水合物矿藏存在,从目前的预测显示,我国南海海底巨大的天然气水合物矿藏带的能源总量估计相当于我国石油储藏量的一半。
水能
水能是自然界广泛存在的一次能源。它可以通过水力发电站方便地转换为优质的二次能源——电能。所以通常所说的“水电”既是被广泛利用的常规能源,又是可再生能源。而且水力发电对环境无污染,因此水能是世界上众多能源中永不枯竭的优质能源。
水能利用是水资源综合利用的重要环节。水资源的利用(即通常所说的水利开发)就是要充分合理地利用江河水域的地上和地下水源,以获得最高的综合效益。
我国土地辽阔,河流众多,水量充沛,落差巨大,蕴藏着丰富的水能资源。据估计,我国河流水能资源的理论蕴藏量为6.76亿千瓦,年发电量为59200亿千瓦时,不论是水能资源的理论蕴藏量,还是可能开发的水能资源,中国在世界各国中均居第一位,但目前实际开发的尚不足1.3亿千瓦,远低于发达国家水电平均开发度达60％的水平。
水力发电就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动,将水能转换为机械能,如果在水轮机上接上另一种机械(发电机),随着水轮机转动便可发出电来,这时机械能又转换为电能。
水力资源的开发方式是按照集中落差而选定的,大致有三种基本方式,即堤坝式、引水式和混合式。但这三种开发方式还要各适用一定的河段自然条件。按不同的开发方式修建起来的水电站,其枢纽布置、建筑物组成等也截然不同,故水电站也随之而分为堤坝式、引水式和混合式三种基本类型。
水电开发必须正视生态环境问题。长期以来,相对于火电厂排放的粉尘、煤烟、二氧化碳以及硫化物对环境的污染而言,人们把水电称为清洁能源。大力发展水电,被看作是解决能源危机、减少二氧化碳排放的有效途径。但是大型水电工程会对生态系统造成难以逆转的负面影响,河流是一个开放的复杂的生态环境系统,对河流某一地点的任何形式与强度的扰动,都会波及整条河流。因此在评价某一水电站建设对河流生态系统的影响时,应当考察其对整条河流乃至整个流域生态环境的影响,考察包括河流地貌、河道物质输送、河流生态等各个方面的影响。而不是只进行库区影响范围的环境评价。事实上，当水电开发在生态环境方面出现严重失误时,其对河流乃至流域生态环境的破坏程度可能远大于同等发电量的火电生产对环境的影响程度,而且这种破坏往往是不可恢复的。因此,只有不对生态环境和可持续发展产生显著不利影响时,水电开发才是“清洁”的。
我国水力资源最富集的西南地区是世界公认的生物多样性最丰富和最脆弱的陆地生态区,梯级水库对生态最直接的影响是破坏了河流的连续性,对迴游鱼类造成严重的损害,并进而影响整个生态系统的结构和完整性。水库大坝修建以后,将使河道和水文要素发生巨大变化,如河水流速减慢,洪峰削弱,库区泥沙增加,水体污染自净能力减弱,坝下河道冲刷加剧,水温降低等都会对鱼类和水生生物的生存环境带来严重的不利影响。我国西南地区又是大型工程开发地质风险较高的地区,水库蓄水后引起地质状况的变化和地壳重量的重新分布,可能会引发崩塌、滑坡等严重的地质灾害,将严重威胁库区居民的生命安全。水电站建坝之后被淹没的土地还会排放出大量二氧化碳和甲烷等温室气体。水电造成的河流生态系统和生物多样性的破坏很难挽回,甚至需要付出比发电创造的价值更高的经济代价才能补救和恢复。水库大坝是有寿命的,一般为几十年至一百年不等,水库老化和泥沙於满后就要报废拆除,而拆坝及恢复河流生态的费用甚至高于建坝的费用。大型水电工程对生态系统的难以逆转的负面影响在经历了数十年甚至上百年的观察后已被证实,并逐渐被人们接受。因此严重破坏生态环境的水电站,即使是“清洁”的,也不是“绿色”的。正是需要从可持续发展的角度来考虑发展水电,2005年10月国家发布的“十一五”规划建议中关于水电开发的提法,从“积极发展水电”调整为“在保护生态基础上有序开发水电”。
3.3.3新能源
核能
“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力——核力。核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同,它是一种非常强大的短程作用力。当中子和质子形成原子核时,会放出能量,这种能量称为该原子核的结合能。
结合能的大小可以通过爱因斯坦的质能关系式求得:
不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。
根据这一原理,核能的实际利用有两种方法:一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法,这就是核裂变反应堆的原理;二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法,这就是核聚变反应的原理。
有些元素可以自发地放出射线,这些元素叫作放射性元素。放射性元素可以放出三种射线。一种是嵘湎 ,就是氦原子核;一种是馍湎 ,就是高速电子;还有一种是闵湎 ,就是高能光线。
核裂变的核燃料主要是铀。当中子撞击铀原子核时,一个铀核吸收了一个中子而分裂成两个较轻的原子核,同时发生质能转换,放出很大的能量,并产生2个或3个中子,这就是核裂变反应。在一定的条件下,新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变,这样一代代传下去,像链条一样环环相扣,所以科学家将其命名为链式裂变反应。
链式裂变反应可以释放出巨大的核能,1千克铀235裂变释放出的能量,相当于2500吨标准煤燃烧产生的能量。只有铀233、铀235和钚239这三种核素可以由能量为0.025电子伏的热中子引起核裂变。它们都是核燃料,其中只有铀235是天然存在的,铀235在天然铀中的含量仅为0.7％,而铀233、钚239是在反应堆中人工生产出来的。
最容易实现核聚变反应的是原子核中最轻的核,例如氢、氘、氚、锂等。其中最容易实现的核聚变反应是氘和氚聚合成氦的反应。作为核燃料之一的氘,地球上的储量特别丰富,每升海水中即含氘0.034克,地球上有15×1014亿吨海水,故海水中的氘含量即达450亿吨,因此几乎是取之不尽的。
反应堆是通过受控的链式裂变反应将核能缓慢地释放出来的装置,是和平利用核能的最主要的设施。核电站和火电站的主要区别是热源不同,而将热能转换为机械能,再转换成电能的装置则基本相同。火电站靠烧煤、石油或天然气来取得热量,核电站是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉,以核裂变能代替矿物燃料的化学能。核电站的系统和设备通常由两大部分组成:核的系统和设备,又称核岛;常规的系统和设备,又称常规岛。目前核电站中广泛采用的是轻水堆,即压水堆和沸水堆。
1942年12月2日,著名科学家费米领导几十位科学家,在美国芝加哥大学建立了世界上第一座核反应堆,标志着人类从此进入了核能时代。1954年,前苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。到1960年,有5个国家建成20座核电站,装机容量1279兆瓦。由于核浓缩技术的发展,到1966年,核能发电的成本已低于火力发电的成本,核能发电真正进入实用阶段。1978年全世界22个国家和地区运行的30兆瓦以上的核电站反应堆已达200多座,总装机容量已达107776兆瓦。80年代以后,由于化石能源短缺日益突出,核能发电的进展更快。截至2002年底,全世界共有29个国家的441座核电站在运行,2002年共生产电力2.574万亿千瓦时,约占当年世界总发电量的17％。为此每年可以减少23亿吨CO2的排放量,这意味着如果不使用核电,全世界CO2的排放量将增加10％。
核能发电的优点是:1.地球上有丰富的核资源,核燃料有铀、钍、氘、锂、硼等。世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源,可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能应用可以作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施。2.核能发电不会像化石燃料发电那样排放大量的污染物质到大气中,因此不会造成严重的空气污染。3.核能发电不会产生大量加重地球温室效应的CO2。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍,故核能电厂所使用的燃料体积小,运输与储存都很方便,一座100万千瓦的核能电厂一年只需30吨的铀燃料,一架飞机就可以完成运送。5.从第一座核电站建成以来,全世界投入运行的核电站达400多座,核电站基本上是安全的。虽然发生过由于人为因素造成的核电站事故,但随着压水堆的进一步改进,核电站有可能会变得更加安全。6.核能发电的成本中,燃料费用所占的比例较低,核能发电的成本比较稳定,不易受到国际市场影响。
我国的核电发展
我国是世界上少数几个拥有比较完整核工业体系的国家之一,早在上世纪七十年代就开始了核电的自主研发。1991年我国第一座核电站——秦山一期并网发电,目前我国共有6座核电站在运行,但发电量只占全国发电总量的2％,与世界先进国家存在明显差距。国务院《核电中长期发展规划(2005—2020年)》明确规定:到2020年我国核电将占全国发电总量的4％。
辽宁省大连市瓦房店西端渤海辽东湾东海岸边我国正在建设中的红沿河核电站一期共建设四台百万千瓦的压水堆核电站,与同等规模的燃煤电站相比,每年少消耗原煤约1200万吨,减少向大气排放二氧化碳约2400万吨,二氧化硫约10万吨,二氧化氮、一氧化氮等气体约6万吨,煤灰约120万吨。而一年减少排放的二氧化碳量,相当于1300万公顷面积的森林的吸收量。
核能发电的缺点是:1.核能电厂使用过的核燃料以及产生的放射性废料,虽然所占体积不大,但因具有放射性,必须慎重处理,且处理成本较高。2.核电厂的反应器内有大量的放射性物质,核电厂等核设施在建设、运营及退役全过程中都存在着潜在的放射性危害。核电厂在任何环节发生事故时,都会造成严重的放射性污染,产生严重的安全问题,威胁公众健康。1979年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故造成了严重的环境污染和人员伤亡。3.核能电厂投资成本太大,财务风险较高。4.核能发电厂热效率较低,因而会比一般化石燃料电厂排放出更多废热到环境中去,故核能电厂的热污染较严重。
核能比化学能大几百万倍。1000克铀释放的能量相当于2500吨标准煤释放的能量。一座100万千瓦的大型烧煤电站,每年需原煤300—400万吨,运送这些煤需要2760列火车,相当于每天8列火车,还要运走4000万吨灰渣。同功率的压水堆核电站,一年仅耗铀含量为3％的低浓缩铀燃料28吨。每一磅铀的成本,约为20美元,换算成1千瓦发电费用是0.001美元左右,这和目前的传统火力发电成本比较,要便宜许多。
美国三里岛压水堆核电厂事故美国宾夕法尼亚州三里岛压水堆核电站二号反应堆于1979年3月28日凌晨4时发生堆芯失水熔化和放射性物质外逸的重大事故。一系列的管理和操作上的失误与设备上的故障造成堆芯熔化的严重事故。由于主要的工程安全设施自动启动,同时由于反应堆的安全屏障发挥了作用,因而没有造成人员伤亡,在事故现场,只有3人受到了略高于半年的容许剂量的照射。6天以后,堆心温度才开始下降,蒸气泡消失——引起氢爆炸的威胁解除了。100吨铀燃料虽然没有熔化,但有60％的铀棒受到损坏,反应堆最终陷于瘫痪。核电厂附近80千米以内的公众,由于事故,平均每人受到照射的剂量不到一年内天然本底的百分之一,因此,三里岛事故对环境的影响极小。
事故发生后,全美国震惊,核电站附近的居民惊恐不安,约20万人撤出这一地区。美国各大城市的群众和正在修建核电站的地区的居民纷纷举行集会示威,要求停建或关闭核电站。美国和西欧一些国家政府不得不重新检查发展核动力的计划。
前苏联切尔诺贝利核电站事故1986年4月26日,前苏联境内乌克兰基辅市郊的切尔诺贝利核电站,由于管理不善和操作失误,4号核反应堆爆炸起火,大量放射性物质外泄,造成环境严重污染,当即造成31人死亡,二百多人受严重放射性伤害,数万人受到放射性影响,直接经济损失达120亿卢布,核污染飘尘扩散至周围国家,西欧各国乃至世界大部分地区都检测到了核电站泄漏的放射性物质。事故发生多年后,放射性污染带来的危害还在继续,不断有报道该地区受放射性伤害的人群死亡或患病、患癌症的消息,伤亡人数不断扩大,该地区的生态环境也遭到严重的破坏。类似的核事故据透露在前苏联曾发生不止一次。
核能是人类最具希望的未来能源。目前人们开发核能的途径有两条:一是重元素的裂变,如铀的裂变。重元素的裂变技术,经过半个世纪的发展,已得到实际性的应用;基于核裂变的核电技术已走向成熟并处于不断的更新换代之中。核裂变能不会释放导致温室效应和酸雨等危害环境的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和烟尘等。但是,放射性废物产生,特别是长寿命和高放射性废物的远期风险,仍然是人类需要继续解决的难题。二是轻元素的聚变,如氘、氚、锂等。人类对能源的理想是开发无污染、无核废物风险、储量又极为丰富的能源。从现在的认识水平来看,聚变能就是人类已经认识到的最接近这一理想的能源。核聚变比核裂变产生的能量效应要高600倍,比煤高1000万倍。聚变能不仅具有裂变能的一切优点,而且只产生少量寿命不长的放射性废物,因此,聚变能是理想的洁净能源,受到了极大关注。
但是,聚变能的开发难度极大,氘氚的核聚变反应,需要在上千万度乃至上亿度的高温条件下进行。参加反应的原子(氘原子、氚原子等)的核外电子都被剥离,成为裸露的原子核,这种由完全带正电的原子核(离子)和带负电的电子构成的高度电离的气体就称为等离子体。核聚变反应是在极高温度下发生的,在这种极高的温度下,辐射传热与温度的四次方成正比,在发生核聚变的超高温下,等离子体以辐射的形式损失的热量是非常巨大的。如果聚变反应释放的能量小于辐射损失,热核反应就会中止。因此存在一临界温度,当超过这一温度时,聚变反应就能持续进行，这一临界温度就被称作临界点火温度。对于氘—氚反应,临界点火温度约为4400万℃,纯氘反应,点火温度约为2亿℃。这样的反应,已经在氢弹上得以实现。要实现可控核聚变,除了需要极高温度外,还需要解决等离子体密度和约束时间问题。用于生产目的的受控热核聚变在技术上还有许多难题，但是随着科学技术的进步,这些难题正在逐步解决之中。数十年来,核聚变能的开发走过了极为艰难的路程,克服了一系列科学技术上的困难,取得了重大的进展。
1991年11月9日,由14个欧洲国家合资,在欧洲联合环型核裂变装置上,成功地进行了首次氘—氚受控核聚变试验,发出了1.8兆瓦电力的聚变能量,持续时间为2秒,温度高达3亿度,比太阳内部的温度还高20倍。科学家们认为,氘—氚受控核聚变的试验成功,是人类开发新能源的一个里程碑。在21世纪,核聚变技术和海洋氘、氚提取技术将会有重大突破。这两项技术的发展和不断的成熟,将对人类社会的进步产生重大的影响。
太阳能
太阳是一个巨大无比、取之不尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×l026瓦)的22亿分之一,但已高达1.73×1017瓦,太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤放出的能量。
太阳是一个炽热的气态球体,它的直径约为1.39×106千米,质量约为2.2×1019亿吨,为地球质量的3.32×105倍,体积则比地球大1.3×106倍,平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢(约80％)和氦(约19％)。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应,所以不断地释放出巨大的能量,并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量,温度也从中心向表面逐渐降低。
由核聚变可知,氢聚合成氦在释放巨大能量的同时,每1克质量将亏损0.0072克。根据目前太阳产生核能的速率估算,其氢的储量足够维持100亿年,因此太阳能可以说是用之不竭的。
地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳;地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。
太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可无偿使用,又不需运输,对环境没有任何污染。
但太阳能也有两个主要缺点:一是能量密度低;二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。
人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。太阳能热利用应用很广,如太阳能热水、供暖和制冷;太阳能干燥农副产品、药材和木材;太阳能淡化海水;太阳能热动力发电等。太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。
太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备,它是太阳能热利用中的关键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等,能利用太阳的直射和漫射辐射。为了更有效地利用太阳能必须提高入射阳光的能量密度,使之聚焦在较小的集热面上,以获得较高的集热温度,并减少散热损失,这就是聚光集热器的特点。聚光集热器通常由三部分组成:聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是:自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上,并加热吸收器内流动的集热介质;跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置,以保证聚光器的开口面与入射太阳辐射总是互相垂直的。
太阳能热水器于20年代流行于美国的西南部地区。随着石油和电力价格的上升,更有效率的“太阳能热水器”和“太阳能热暖器”亦随之产生。20世纪70年代在澳大利亚、日本、以色列和前苏联就已普遍地使用。在美国北部,每平方公尺的太阳能热接收器,每6个月可节省30.5升的加热用的汽油,或是215千瓦时的电力。
太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类,可将太阳能热水器分成三大类:闷晒式、直流式和循环式。太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水(或热风)采暖系统中的锅炉。而被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的,因此它又称为被动式太阳房。
近年来世界各国对太阳能干燥进行了许多研究。太阳能干燥不但可以节约燃料,缩短干燥时间,而且由于采用专门的干燥室,因此干净卫生,必要时还可采用杀虫灭菌措施,既可提高产品质量,又可延长产品贮存时间。太阳能干燥器按干燥器(或干燥室)获得能量的方式可分为:集热器型干燥器、温室型干燥器和集热器—温室型干燥器。
地球上的水资源中,含盐的海水占了97％,随着人口增加和大工业发展,使得城市用水日趋紧张。为了解决日益严重的缺水问题,海水淡化越来越受重视。
世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计于1872年在北智利建立的,面积为44504平方米,日产淡水17.7吨。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一直工作到1910年。
太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向,根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同,该系统可以分为分散型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组,然后把这些集热器串联和并联起来,以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统,它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列,这些定日镜始终对准太阳,把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。
太阳能光利用最成功的是用光—电转换原理制成的太阳电池(又称光电池)。太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室,随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。
太阳电池是利用半导体内部的光电效应,当太阳光照射到一种称为“PN结”的半导体上时,波长极短的光很容易被半导体内部吸收,并去碰撞硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格,从而产生电子流动。
常用太阳电池按其材料可以分为:晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。太阳电池重量轻,无活动部件,使用安全。单位质量输出功率大,既可作小型电源,又可组合成大型电站,目前其应用已从航天领域走向各行各业,走向千家万户。太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机都相继问世,然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳电站。太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况,人类都期待这一天的到来。
新疆太阳能资源十分丰富,全年日照时数为2550—3500小时,年辐射照度总量比我国同纬度地区高10％—15％,比长江中下游地区高15％—25％。居全国第二位,仅次于西藏。全年日照大于6小时的天数为250—325天,日照气温高于10℃的天数普遍在150天以上。仅新疆戈壁荒漠的土地面积每年接受的太阳辐射能相当于4×103亿吨标准煤,每年可节约160亿吨标煤。新疆对太阳能的开发和利用已有20年历史。占总能耗30％的建筑耗能将是太阳能利用的最大市场。太阳能与建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例,将根本改变太阳能利用在能源结构中的从属地位,前途十分光明。利用太阳能给建筑物供电、供热、供冷三联供技术尚处在示范阶段,但发展的势头很快,将成为太阳能利用的主流和发展方向。目前,新疆已经启动“丝绸之路光明工程”和“太阳能扬水与照明综合应用系统示范工程”。虽然具有非常好的自然条件,新疆新能源公司又是中国规模最大的从事太阳能开发和利用的高新技术企业之一,拥有多项太阳能国家专利,太阳能作为清洁能源也获得了人们的共识,但在实际应用上却举步维艰。新疆生产力中心主任朱瑞琪分析认为是领导干部的考评机制和风险承担能力出现了问题。目前我国领导干部只有五年或更长一个周期,但太阳能等高科技项目从应用到见到真正成效,周期都特别长,这使得一些部门不敢轻易上马这些项目。其次,科技项目本身就存在高风险,前期投入大,在应用过程中,因为种种原因可能会出现这样那样的问题,需要有人承担相应责任。第三,科技本身就是当代栽树,后代乘凉的事业。
光明日报，2009年4月1日风能由于风有一定的质量和速度,并且有一定温度,因此它具有能量。太阳辐射到地球的光能虽然只有2％转变为风能。尽管如此,风能的数量仍十分巨大。据世界气象组织估计,全球的风能约为2.74×109兆瓦,其中可利用的风能为2×107兆瓦,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。它相当于全球目前每年耗煤能量的1000倍以上。
风能利用历史悠久,我国是世界上最早利用风能的国家之一。风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量,用于发电、提水、助航、制冷和供热等。
风力泵水从古至今一直得到较普遍的应用。现代风力泵水机根据用途可以分为两类:一类是高扬程小流量的风力泵水机,它与活塞泵相配提取深井地下水,主要用于草原、牧区,为人畜提供饮水;另一类是低扬程大流量的风力泵水机,它与螺旋泵相配,提取河水、湖水或海水,主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法:一是风力机发电,再将电能通过电阻丝发热,变成热能;二是由风力机将风能转换成空气压缩能,再转换成热能;三是将风力机直接转换成热能，此方法致热效率最高。风力机又称风车,是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的类型很多,通常将其分为水平轴风力机、垂直轴风力机和特殊风力机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风力机。
风力发电通常有三种运行方式:一是独立运行方式,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;二是风力发电与其他发电方式相结合;三是风力发电并入常规电网运行。
近十年来,全球的风电发展迅速,目前全球装机容量为13932兆瓦,自20世纪90年代以来,全球风电的增长,每年为40％(和移动电话的成长可媲美)。
世界主要风力发电国家从各国风电的发展来看,目前德国、西班牙和美国的风电装机容量处于世界领先地位,而中国仅处于世界的第10位。
在欧洲国家中,德国的风力发电最为发达,到2003年年底,装机容量已达到875.4万千瓦,占全欧总装机容量的一半以上。风力发电目前占其电力生产的3.5％,政府的目标是在2025年之前将这一比重至少提高到25％。
西班牙从1978年开始发展风力发电,2002年风力发电装机容量达483.1万千瓦。预计到2010年,西班牙的风力发电装机容量将达到2000万千瓦。
美国风力资源十分丰富,由于环境保护和对未来能源的需要,十分重视风能的开发和利用,风力发电飞速发展。到2006年,计划装机容量420万千瓦。
从上世纪80年代起,印度就启动了风电项目。近三年,印度风电装机始终排名在世界前十名,在亚洲的装机容量名列第一,仅2005年,新增装机就达到143万千瓦。目前,印度非常规能源部已经认定208个风场为候选场址,建设了30处示范工程,单机容量为600千瓦、750千瓦和1250千瓦。
丹麦计划2005年前兴建5个海上风电场,每个规模约15万千瓦,加上现已建设的项目,累计装机将超过75万千瓦;到2030年全国风电装机容量达到550—650万千瓦,约占全国发电装机容量的一半。
中国风能储量很大、分布面广。中国是季风盛行的国家,风能资源量大面广。风能理论总储量约为16×1011瓦,可利用的风能资源约2.5×1011瓦,远远超过可利用的水能资源。我国全国约20％左右的国土面积具有比较丰富的风能资源,据气象部门多年观测资料,中国风能资源较丰富的地区为东部沿海及一些岛屿;西北、华北和东北“三北”地区,特别是新疆和内蒙古,风能资源极为丰富。平均风能密度150—300瓦/平方米,一年中有效风速超过3米/秒的时间为4000—8000小时。
1986年4月,我国第一个风电场在山东荣成并网发电;“八五”期间,完成了55—600千瓦风力发电机组的研制和消化吸收;“十五”期间,750千瓦机组投入运行,国产化率达到90％以上;同时,新型大容量(兆瓦级变速恒频)风电机组开始研制,并从国外引进了4台1.3兆瓦的机组,在辽宁安装完成,投入运行;目前,我国的风能利用无论在发展规模还是发展水平上都有很大提高,正以前所未有的速度向前发展。2004年,我国内地已建成并网风电场43个(不包括台湾的5个),发电装机容量为76.4万千瓦,全国在建项目的装机容量约150万千瓦,其中正在施工的约42万千瓦,2005年全国风电总装机达到126.6万千瓦,2006年达到259.9万千瓦,2007年达到605万千瓦,排名世界第五位。我国陆地可开发风力发电装机容量约2.5亿千瓦,海上可开发发电装机容量约7.5亿千瓦,总共可开发发电装机容量10亿千瓦。根据国家发改委《可再生能源中长期发展规划》中提出的目标,中国的风电装机到2015年为1000万千瓦,2020年将达到2000万千瓦,届时风电装机占全国电力装机的2％,至少需要兆瓦级风力发电机4000—20000台。
风能与其他能源相比,有其明显的优点:蕴藏量大、可以再生、分布广泛,风能和阳光一样,是取之不尽、用之不竭的再生能源;风力发电没有燃料问题,不会产生辐射或二氧化碳公害,也不会产生辐射或空气污染,是一种可就地利用而且干净的能源;从经济的角度讲,风力发电设备比太阳能发电设备要便宜得多。合理利用风能,既可减少环境污染,又可减轻越来越大的能源短缺的压力。
风能的缺点：一是风电的建设成本要高于常规火电,以30万千瓦的火电机组为例,每千瓦装机的平均成本是4000元,而风电每千瓦的平均成本是9000元至10000元。而且风电场多处于偏僻地区,远离负荷中心,电网企业要投入更多的资金建设电网接收风电；二是风能受地理环境、季节、昼夜等因素的影响,相对于火电的稳定和较强的可控性,风电具有较大的波动性,因为何时刮风,何时风大何时风小,是不受人为控制的。这对电网的调度是一个很大的挑战,如果不采取必要的技术措施,风电的容量只能占整个电网的5％—10％,否则电网将面临不稳定性的危险。如果不解决风电送出问题,要充分、有效地利用风能就比较困难。
风能是极为清洁高效的能源。每10兆瓦风电入网可节约3.73吨煤,同时减少大气排放0.498吨的粉尘、9.35吨的CO2、0.049吨的NOx和0.078吨的SO2。2000年我国风力发电9.65亿千瓦时,共节约了35万吨煤;2002年德国风力发电170亿千瓦时,节煤442万吨,减少CO2排放1428万吨。
尽管一般认为风能是一种清洁高效的能源,但风力发电特别是风力机对环境的影响还是必须考虑。除了风能利用中风力机所采用材料(如钢铁、水泥等)在生产过程中对环境的污染外,风力机运行中产生的噪声包括机械噪声和气动噪声,会对风力机设置处的居民产生一定的影响,特别是人口稠密地区,噪声问题更加突出,因此应采取各种技术措施予以减少。风力机的运行常常会对鸟类造成伤害,大型风力场会影响附近鸟类的繁殖和栖息,还会影响鸟类大规模迁徙的路线。风力机运行时会对电磁波产生反射、散射和衍射,从而对无线通信产生干扰。
我国风电产业发展形势很好。但与国外发达国家相比,中国风能源开发无论在技术、规模、水平,还是在发展速度上仍然存在较大差距。其中发电设备国产化水平低正在成为我国风电产业化的主要障碍。强大的制造业是风能产业发展的重要基础。德国、西班牙、荷兰、丹麦、美国等国的经验表明,风能产业发展无一例外,都以雄厚的技术实力和强大的制造业为支撑。而我国生产厂家由于长期投入不足,无专业化制造厂,生产规模小、过于分散、集约化程度低、工艺落后、产品质量不稳定、经济效益低。风能制造成本仍然偏高的原因之一是我国风源产业本地化制造比例较低,从而难以降低工程造价和及时提供备件;成本居高不下的另一个重要原因是生产规模小。高成本、高价格是制约风能技术商业化和推广应用的最大障碍。与同类技术相比,我国风能生产成本比化石燃料高得多,风力发电的成本是煤电的1.7倍,这就部分削弱了风能推广的经济竞争力。同时由于风能能量转化效率低,而要提高转化率,就需要增加系统的复杂性,导致成本上升。
地热能
地球外凉内热,越往里温度越高。通过火山爆发和温泉外溢等途径,地球将其内部蕴藏的热能源源不断地散发到地面上来。我们把蕴藏于地球内部的热能称为“地热能”。地热是一种洁净的可再生能源,具有热流密度大、容易采集和输送、热量稳定、使用方便等优点,因此是一种开发潜力很大的新型能源。地热不仅是能源资源,它还是一种矿产资源,同时也是宝贵的水资源和旅游资源。人类很早以前就知道利用地热能,人们常说的温泉,就是人类的祖先在很久以前就开始利用的一种地热能,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。地热水的直接用途非常广泛,人们利用取暖、建造农作物温室、水产养殖、工业烘干、干燥谷物和温泉疗养保健等等。不过,人类对地热能的大规模开发利用,可以说才刚刚起步。
地热能技术的应用前景广阔。主要应用的领域包括地热发电、建筑物釆暖、制冷空调、供热、地热种植、地热养殖、地热干燥以及地热温泉旅游、医疗保健、道路融雪等。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。我国地热直接利用已位居世界第二,仅次于美国。目前地热资源在供暖、供热、制冷、医疗、洗浴、温室、水产等方面的开发利用已相应形成一定规模的产业。
地热资源的类型有：
①热水型,是指以水为主体的对流水热系统。这种地热能分布较广,约占已探明的地热资源的10％;其温度范围也很广,从接近于室温到高达390℃。②蒸汽型,是指以蒸汽为主体的对流水热系统,以生产温度较高的过热蒸汽为主,其中夹杂有少量的不凝结气体和少量的水(有的不含水)。这类地热能比较容易开发利用,但储量不多,仅占已探明的地热资源总量的0.5％左右。③地压型,是指在高压下由深部地层提取含有可溶性甲烷(沼气)的高盐分热水。它的温度约为150℃—260℃;其储量较大,约占已探明地热资源的20％。地压型地热能的开发利用目前尚处于研究探索阶段。④干热岩型,是指地层深处广泛存在的不含水分(或含有少量蒸汽)的岩石。它的温度约为150℃—650℃;其储量更大,约占已探明的地热资源总量的30％。⑤熔岩型,是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩(即岩浆),其温度高达650℃—1200℃。熔岩储存的热能比其他几种都多,约占已探明的地热资源总量的40％。不过在开采这种地热能时,需要在火山地区打几千米深的钻孔,所冒的风险很大,因此这种地热能目前尚未得到实际开发利用。
目前世界上大约有120多个国家和地区,已经发现和开采的地热泉及地热井多达7500多处。对于地热能的开发利用,目前主要是在采暖、发电、育种、温室栽培和洗浴等方面。
在工业上,地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。在农业生产上,地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如,地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜、水果、花卉和香蕉,近年来又栽培了咖啡、橡胶等热带经济作物。在浴用医疗方面,人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等,不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。
地热发电系统主要有四种:①地热蒸汽发电系统，利用地热蒸汽推动汽轮机运转,产生电能。本系统技术成熟、运行安全可靠,是地热发电的主要形式。西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。②双循环发电系统，也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质,使工质在流动系统中从地热流体中获得热量,并产生有机质蒸汽,进而推动汽轮机旋转,带动发电机发电。③全流发电系统，该系统将地热井口的全部流体,包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等,不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功,其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量,但技术上有一定的难度,尚在攻关期间。④干热岩发电系统，利用地下干热岩体发电的设想,是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。1972年,他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井,从一口井中将冷水注入到干热岩体,从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽,功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯,但迄今尚无大规模应用。
利用地热能来进行发电其好处很多:建造电站的投资少,通常低于水电站;发电成本比火电、核电及水电都低;发电设备的利用时间较长;地热能比较干净,不会污染环境;发电用过的蒸汽和热水,还可以再加以利用,如取暖、洗浴、医疗、化工生产等。
据估计,全世界地热资源总量相当于4948万亿吨标准煤,据不完全统计,我国已查明地热资源相当于2000万亿吨标准煤。西藏、云南、四川、广东、福建等地的温泉多达1503处,占全国温泉总数的61.3％。在全国121个水温高于80℃的温泉中,云南、西藏占62％,广东、福建占18.2％。
我国地热资源的特点是类型较多,有近期火山和岩浆活动类型、山区断裂构造类型、中新生代自流水盆地类型。其形成主要受构造体系和地震活动的影响,与火山活动密切相关。根据其形成的地质作用和储存条件,可以划分为三种类型:(1)火山或岩浆型地热资源;(2)盆地型中低温地热资源;(3)断裂带型中低温地热资源。
地热能的未来将会有很大发展,地热电站将屹立在世界各地。地热带出的硫化氢被浓缩、提炼成为制造硫酸和其他化工产品的原料。地热水经过利用后,又可以成为清洁的水源供人们生产和生活使用。随着科学技术的发展和进步,活火山可能成为热电厂;而地震频发区,可能成为地热开采的中心;地热资源是地球奉献给人类的又一个能量宝库,有其不可估量的发展前途。
海洋能
海洋是一个巨大的能源宝库,仅大洋中的波浪、潮汐、海流等动能和海洋温度差、盐度差能等的存储量就高达天文数字。这些海洋能源都是取之不尽、用之不竭的可再生能源。
海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源,主要为潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其成因,潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化,其他均源于太阳辐射。
海洋能的特点是: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。它具有可再生性,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。
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。既不稳定又无规律的是波浪能。海洋能属于清洁能源,也就是说海洋能一旦开发后,其本身对环境污染影响很小。
1.潮汐能
因月球引力的变化引起潮汐现象,潮汐导致海平面周期性地升降,因海水涨落及潮水流动所产生的能量,称为潮汐能。潮汐能是以位能形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。
海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中,汹涌而来的海水具有很大的动能,而随着海水水位的升高,就把海水的巨大动能转换为势能,在落潮的过程中,海水奔腾而去,水位逐渐降低,势能又转换为动能。
潮差是潮起潮落所形成的水位差,即相邻**潮位与低潮潮位的高度差,称为潮位差或潮差。通常,海洋中的潮差不大,一般只有几十厘米至1米左右。而在喇叭状海岸或河口的地区,其潮差就比较大。
据专家们估计,全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿千瓦,若能把它充分利用起来,其每年的发电量可达33480万亿千瓦时。无怪乎人们把巨大的潮汐能誉为“蓝色的煤海”!
利用潮汐能的主要方式是发电,潮汐发电与水力发电的原理相似。通过贮水库,在涨潮时将海水贮存在贮水库内,以势能的形式保存,然后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。具体地说,潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建拦水堤坝,将海湾或河口与海洋隔开构成水库,再在坝内或坝房安装水轮发电机组,然后利用潮汐涨落时海水位的升降,使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同,可以分成单库单向型、单库双向型和双库单向型三种。
潮汐发电的主要优点是潮汐电站的水库都是利用河口或海湾来建造的,不像河川水电站或火电站那样要淹没或占用大量的良田;它也不像河川水电站那样受洪水和枯水季节的影响,更不像火电站那样污染环境,是一种既不受气候条件影响而又非常“干净”的发电站;潮汐电站的堤坝较低,建造容易。其投资也相对较少。
2.波浪能
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋中能量最不稳定的一种能源。
由于受风能分布的影响,波浪能资源最丰富的区域为太平洋、大西洋东岸南、北纬30°—60°一带。因此,位于太平洋东岸的加拿大、美国及智利以及位于大西洋东岸的爱尔兰、英国、法国、西班牙、葡萄牙、南非、澳大利亚及新西兰等国的波浪能密度较大,而中国、日本等位于太平洋西岸的国家波浪能密度较小。全世界波浪能的理论估算值为109千瓦量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到,中国沿海理论波浪能年平均功率约为1.3×107千瓦。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置,故实际的沿海波浪能功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波浪能丰富的地区。
波浪能利用的基本原理是利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动;利用波浪压力的变化;利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。
波浪发电是波浪能利用的主要方式,此外,波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用装置的种类繁多,有关波浪能装置的发明专利超过千项,获得专利证书的也达数百件。波浪能利用被称为“发明家的乐园”。
早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置。原理很简单,就是利用波浪上下起伏的力量,通过压缩空气,推动汲筒中的活塞往复运动而做功。
3.温差能
温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。另一方面,接近冰点的海水大面积地在不到1000米的深度从极地缓慢地流向赤道。这样,就在许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力循环并发电。
温差发电的基本原理就是借助一种工作介质,使表层海水中的热能向深层冷水中转移,从而做功发电。除了发电之外,海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水和深层海水。因此,基于温差能装置,可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂、海洋采矿、海上城市、海洋牧场的支持系统。总之,温差能的开发应以综合利用为主。
4.盐差能
盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。同时,淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。
盐差能的利用方式主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能,再利用水轮机发电,具体主要有渗透压式、蒸汽压式等,其中渗透压式方案最受重视。
5.海流能
海流能是指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。
海流能的利用方式主要是发电,其原理和风力发电相似,几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍,且装置必须放于水下,故海流发电存在一系列的关键技术问题,包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的负荷与安全性能等。
我国海洋能开发已有近40年的历史,迄今已建成潮汐电站8座,海洋发电技术已有较好的基础和丰富的经验,小型潮汐发电技术基本成熟,已具备开发中型潮汐电站的技术条件。
生物质能生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,一种以生物质为载体的能量,它直接或间接地来源于植物的光合作用,在各种可再生能源中,生物质能是独特的,它是贮存的太阳能,更是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态和气态燃料。
生物质是地球上仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,在整个能源系统中占有重要地位。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一,就其能源当量而言,是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源,在世界能源消耗中,生物质能占总能耗的14％,但在发展中国家占40％以上。
生物质是指由光合作用而产生的有机体。光合作用将太阳能转化为化学能,并储存于生物质中。光合作用是生命活动中的关键过程。在太阳能直接转换的各种过程中,光合作用是效率最低的,光合作用的转化率仅约为0.5％—5％。据估计,温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5％—1.3％,亚热带地区则为0.5％—2.5％。整个生物圈的平均转化率为0.25％。在最佳田间条件下,农作物的转化率可达3％—5％。据估计,地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011吨,含能量达3×1021焦,相当于世界能耗的10倍以上。
柴薪至今仍是许多发展中国家的重要能源。但由于柴薪的需求导致森林大量减少,应适当规划与广泛植林。牲畜的粪便,经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理,可产生甲烷和肥料。制糖作物可直接发酵,转变为乙醇。同柴薪一样,水生植物也可转化成燃料。城市固体废物(MSW)主要成分包括纸屑(占40％)、纺织废料(占20％)和废弃食物(占20％)等。将城市固体废物直接燃烧可产生热能,或是经过热分解处理可制成燃料使用。一般城市污水约含有0.02％—0.03％的固体与99％以上的水分,下水道污泥有望成为厌氧消化法的主要原料。
生物质能的利用技术大体上分为直接燃烧技术、物化转化技术、生化转化技术和植物油技术四大类,各类技术又包含了不同的子技术。直接燃烧大致可分四种情况:(1)炉灶燃烧;(2)锅炉燃烧;(3)垃圾焚烧;(4)固型燃料燃烧。物化转换技术包括三个方面:(1)干馏技术;(2)气化制生物质燃气;(3)热解制生物质油。生化转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。
生物质能的优点是提供低硫燃料;提供廉价能源(某些条件下);将有机物转化成燃料可减少环境公害(如垃圾燃烧);与其他非传统性能源相比较,技术上的难题较少。
生物质能的缺点是植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物;单位土地面积的有机物能量偏低;缺乏适合栽种植物的土地;有机物的水分偏多(50％—95％)。目前,除巴西以甘蔗为原料生产的燃料乙醇成本可以与汽油相竞争外,其他国家生物燃料的成本都还比较高。
从谷物和能源作物(通常是糖类作物)可以生产液体燃料如乙醇,一般在汽油中添加5％—10％的乙醇,可以减少不完全燃烧的碳氢化合物的排放;生物柴油可从油菜籽和大豆等作物种子中提取,但生物柴油成本较高,常以10％—15％的比例与汽车柴油混合使用。
发展和利用生物燃料的同时,必须坚持环保标准,以遏制生物燃料的无序开发。生物燃料使用的原料包括玉米、甜菜、油菜等农作物。它原本是一种清洁的可再生能源,但在其生产过程中,一些发展中国家大量种植或开采用于生产生物燃料的农作物等原料,造成大量耕地流失,大片热带雨林被毁,其环境破坏作用甚至可能超过生物燃料所能带来的好处。生物燃料产量增加,将使玉米、甜菜、油菜等农作物供应减少,并直接引发其价格上涨。此外,由于供应减少,畜牧业所需饲料的成本也会上涨,从而造成世界粮食与肉类产品价格上涨,对世界上许多国家特别是粮食净进口国和贫穷国家的经济发展带来负面影响。有些地方用木薯、红薯等替代玉米作为燃料乙醇的原料,然而用薯类生产乙醇副产品价值低,还存在着能耗高、污水处理等问题。为此有关科学家提出,全球生物燃料生产应该顺应国际发展趋势尽快由第一代以淀粉或糖原料为主向第二代以秸秆类木质纤维素为主的方向转型,从粮食向秸秆、甜高粱、菊芋等非粮原料转移,使用草、麦秸、木屑等原料,这些生物资源或是天然大量存在的农业生产废弃物,或是可以生长在盐碱地、荒地荒山上的植物,不会与人争粮争地,以此为人们提供宝贵的清洁能源。
目前,发展生物燃料已成为减少石油消耗、发展低碳经济的重要手段,被列入欧美等许多国家的能源发展战略,如美国法律规定到2022年生产和使用1.05亿吨燃料乙醇/年,占汽油消耗的20％;欧盟计划到2020年用10％的生物燃料替代运输燃油。
氢能
氢蕴藏于浩瀚的海洋之中。海洋的总体积约为13.7亿立方千米,若把其中的氢提炼出来,约有1.4×109亿吨,所产生的热量是地球上矿物燃料的9000倍。
氢能的优点是:1.燃烧热值高。每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量,约为汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍,除核燃料外,氢的燃烧热值是所有矿物燃料、生物燃料和化工燃料中最高的。2.清洁无污染。氢本身无毒,氢燃烧的产物是水,对环境无任何污染。3.资源丰富。氢是自然界存在最丰富的元素,据估计,整个宇宙质量的75％由氢构成,在地球上,氢主要以化合物的形态存在于水中,而水是地球上最为丰富的资源,氢气可以由水分解制取。4.燃烧性能好。氢点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度快。5.利用形式多。氢既可以通过燃烧产生热能,贮氢燃料电池又可用于汽车、飞机、宇宙飞船等供能。6.适用范围广。氢可以以气态、液态或固态形式、金属氢化物形式和吸附氢形式存在,因此能适应储运及应用于多种不同环境的要求。7.可反复使用。氢燃烧后生成了水,水又可以分解生成氢气,因此可以循环使用。
物质H2汽油木炭烟煤木材天然气酒精
燃烧值(千焦/克)142483432187040.5
氢能实用化所需要解决的技术难题是大量且低成本地制造氢的技术开发;开发安全地储藏、运送氢的技术;开发高效率地转换氢能的技术;开发将氢能用于社会各行各业的技术。
氢能是一种二次能源,在人类生存的地球上,虽然氢是最丰富的元素,但自然氢的存在极少。因此必须将含氢物质分解后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水,其次就是各种矿物燃料(煤、石油、天然气)及各种生物质等。因此要开发利用这种理想的清洁能源,必须首先开发氢源,即研究开发各种制氢的方法。
1.化石燃料制氢
从含烃的化石燃料中制氢,这是过去以及现在采用最多的方法,它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。这种方法技术成熟、效率高、成本低,目前世界上大部分氢气以化石燃料作原料来制取,其中天然气制氢占48％,石油制氢占30％,煤制氢占18％,只有4％的氢是由电解水制取的。
用蒸汽作催化剂以煤作原料来制取氢气的基本反应过程为:
C+H2OCO+H2用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化学反应为:
CH4+H2O800℃3H2+CO2.水制氢
这种方法是基于如下的氢氧可逆反应:
分解水所需要的能量Q是由外加能量提供的。
该方法制氢技术的主要问题是效率低,因此能量转化率低,成本很高,使该方法在大规模制氢方面受到了很大的限制,但由于地球上的氢大量存在于水中,因此,只要从水中制氢技术成熟能达到实用后,以氢为主要能源结构的来源便成为可能。
目前已有或正在研究的用水制氢的方法有:电解水制氢、水热裂解法制氢、太阳能光解水制氢、等离子体化学制氢、生物化学制氢等。
3.太阳能制氢
太阳能制氢是最理想,也最具有吸引力的制氢方法。太阳能制氢包括:太阳能热分解水制氢、太阳能电解水制氢、太阳能光化学分解水制氢、太阳能光电化学分解水制氢、模拟植物光合作用分解水制氢、光合微生物制氢等。但现在这些方法还处在基础研究阶段,离实际应用还有较远的距离。
4.风能制氢
用风能发电后来电解水产生氢,在技术上基本没有问题,但如何降低成本是一个主要问题,此外现在风能发电量还很少。
5.生物制氢
生物制氢是一种无污染的经济型制氢方法。该方法具有原料易得(可采用有机污染物为氢源)、制氢成本低并可与治理环境污染相结合等优点,但该研究才刚刚起步。
氢在一般条件下是以气态形式存在的,密度小、体积大、沸点低、不易液化,常温常压下,每升氢气还不到0.09克,而且它同空气接触容易发生爆炸,这就为贮存和运输带来很大的困难。目前氢的贮存主要有三种方法:高压气态贮存;低温液氢贮存;金属氢化物贮存。
高压气态贮存:使用压力容器在高压下贮存气态氢,是目前普遍采用的方法。优点是设备容易制造、压缩技术简单、成本较低；缺点是储氢密度低、有安全隐患。
低温液氢贮存:在低温下将气态氢液化后贮存,储氢密度增大,贮存容器体积减小,但由于有绝热的要求使贮存容器的体积增大,而且还有一定的蒸发损失。
金属氢化物贮存:使氢气与金属或合金生成固态或液态氢化物来贮存氢,在需要氢气时,加热氢化物使其分解释放出氢气。已经发现一些贵金属如铂、钌、铑、钯等具有吸氢功能,能形成过渡型氢化合物,如1体积钯在常温下能吸收700体积的氢气,而且这种吸收和释放是可逆的,但铂、钯等太过昂贵,目前已发现一些过渡金属的合金如LaNi5等也具有较高的吸氢能力,是很有希望的贮氢材料。
此外目前正在研究的储氢技术还有纳米碳和纳米碳管储氢、聚合物储氢等。
氢能所具有的清洁、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点,赢得了人们的青睐。利用氢能的途径和方法很多,如航天器燃料、氢能飞机、氢能汽车、氢能发电、氢介质储能与输送以及氢能空调、氢能冰箱等,有的已经实现,有的正在开发,有的尚在探索中。随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面进展,氢能应用范围必将不断扩大,氢能将深入到人类活动的各个方面,直至走进千家万户。
氢燃料电池的优点是无污染,只有水排放。用它制成的电动车,称为“零排放车”、“绿车”;无噪声,无传动部件,特别适合于潜艇中使用;起动快,8秒钟即可达全负荷;可以模块式组装,即可任意堆积成大功率电站;热效率高,它是目前各类发电设备中效率最高的一种;体积小,重量轻;成本低。氢燃料电池用途广泛,可与太阳能电站、风力电站等建成贮能站,也可建成夜间电能调峰电站,可望比抽水贮电站占地少,投资低。从环境保护的角度出发,更是一种值得推广的新能源。