新能源技术的发展与应用

新能源技术的发展与应用

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关键词„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

正文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

太阳能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

风能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

水能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

氢能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

核能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

生物质能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

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摘 要：

你认为21世纪中期的主要能源是什么？人类如何最终解决能源问题？

温室效应，厄尔尼诺现象，臭氧层空洞，冰山融化海平面上升，水土流失，

空气污染，水污染„„人来在生产生活中获取消耗能源的同时破坏了自然环境的行为和方式；同时，随着人类工业化的不断推进，人们对于能源的需要求将会继续增加：在过去15年时间里，人类对能源的消费需求每年都在以1.5%的速度递增。在今后的20年时间里，这种能源需求每年会以2%的速度递增，在31年后其能源消耗量将会增加一倍。尽管石油以及煤炭等化石能源在21世纪仍然能够满足人类的需求，但这些能源最终将会在某一天消耗殆尽，人类将可能会面临严重的能源危机。因此，我们必须大力推动洁净能源的开发应用，减少污染，提高能源使用效率。

关 键 字 ：新能源 前景 发展 应用

概 述：

能源是人类藉以克服困难，维持生存的原动力，譬如太阳给我们光热，风吹动风车可以发电，燃烧汽油可用以推动汽车，使用瓦斯可以烹调、取暖，凡此种种如太阳、风、汽油、瓦斯等都是能源。而20世纪以来世界能源消费大幅增长，人均消费能源的多少，往往被看作一个国家贫富的标志。进五十年来世界经济的迅猛发展有赖于能源的大规模开发和利用。21世纪,随着可持续性发展理念的日益深入人心,以及煤炭等常规能源直接燃烧所带来的负面效应如大气污染、酸雨和温室效应等的加剧,新能源越来越成为人们关注和研究的焦点。

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。指刚开始开发

利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。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伸出所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水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。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。

正文：

1.太阳能：太阳能以其清洁环保、取之不竭在全球范围受到了追捧，被认为

是二十一世纪的新能源之首，发展前景极为被看好。只有太阳能才能满足人们更进一步的需求，这种更加清洁的能源将会取之不尽，用之不竭。太阳能具有普遍，无害，利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。太阳能储量巨大可再生。

但同时太阳能具有分散性和不稳定性，开发成本高效率低等缺点。太阳能具

有巨大的利用潜力，但成本目前大大高于风能，数倍于化石燃料，利用也是断断续续的。太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。

在新实际中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要

内容。太阳能发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、布置简便以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电，在德国甚至接近全国发电总量的5%-8%，随之而来的问题令我们意想不到，太阳能发电的时间局限性导致了对电网的冲击，如何解决这一问题成为能源界的一大困惑。

尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个

世纪都大。太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力，保证太阳能事业的长期发展，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，太阳能在人类的未来能源结构中必将占据着主导地位。

太阳能发展的主要方向是光伏发电、热发电和热利用。

光伏发电系统根据其与电网的连接方式可分为独立光伏系统和并网光

伏系统两大类。经过多年的发展，光伏发电目前是一种较为成熟、可靠的技术，并已经逐渐从过去用于独立的系统，朝大规模并网方向发展。

太阳能热发电目前的主要技术类型有碟式、塔式和槽式，发电效率在

20-30%之间。太阳能热发电装置一般都有转动部件和高温部件，需消耗水，不适合在边远和干旱地区大规模发展。而且目前的成本较高，应用场合受限，目前主要在美国和南欧有部分的商业化项目，其它地区主要处于技术试验和示范阶段。

太阳能热利用技术已规模化应用，2008年底全球太阳能供热面积2.3

亿平方米。太阳能热利用的发展方向是太阳能一体化建筑，未来的重点是在提高太阳能供热可靠性的基础上进一步向供暖和制冷方向发展。

2.风能：风能未来将会取得非常迅速的发展，全球风能产业的前景相当乐观，各国政府不断出台的可再生能源鼓励政策，将为该产业未来几年的迅速发展提供巨大动力。风能具有可再生、永不枯竭、无污染等特点，综合社会效益高。但尽

管在理想条件下，虽然风能利用的成本比较低，但仍高于化石燃料，风能受地形、气候、风力的变化影响较大，连续性较差，转换效率较低，技术还不够成熟。

风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为

主，以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是：投资少、工效高、经济耐用。目前，世界上约有一百多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场，都设有这种风力提水机。

利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电

机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电技术从1980年开始逐渐发展起来,90年代中期欧盟进入风电规模

化阶段，尔后美国，以及中国、印度都先后进入了规模发展阶段。当前，并网型风机正朝着大型化的方向发展，单机容量1兆瓦以上的风机已经成为主导产品，5兆瓦的风机已经投产，更大容量的也在研发之中。

2000年以来，特别是可再生能源法实施以来，我国风电产业率先加速发展，目前已经开始规模化发展，具有了初步的产业体系轮廓，表现出了竞争力不断增强的可喜发展势头。主要表现在：

2.1.进入快速规模化发展阶段。进入新世纪以来，我国风电产业有了突飞猛

进的发展，最近三年，我国风电新增装机连续翻番，令世界瞩目。特别是，2008年以来，我国开始在内蒙古、新疆、甘肃、河北和江苏沿海地区规划筹建七个千万千瓦风电基地，将形成一批“风电三峡”。

2.2.风电整机制造能力有了很大的提高。目前我国已经有20多家批量化、

规模化的风电整机制造企业，国产机组的新增市场份额逐年提高。

2.3.风机关键零部件配套能力大大加强。

2.4.风电产业品牌显现，总体研发能力和水平不断提升。

3.水能：水能是一种可再生能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资

源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。

水能资源最显著的特点是可再生、无污染，它是常规能源。开发水能对江河的综合治理和综合利用具有积极作用，对促进国民经济发展，改善能源消费结构，

缓解由于消耗煤炭、石油资源所带来的环境污染有重要意义，因此世界各国都把开发水能放在能源发展战略的优先地位。人们目前最易开发和利用的比较成熟的水能也是河流能源。水能主要用于水力发电，其优点是成本低、可连续再生、无污染。缺点是分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。

水电能源是随自然界的水文循环而重复再生的，可周而复始供人类持续利

用。人们常用“取之不尽、用之不竭”来生动描述水电能源的可再生性水电能源；在生产运行中，不消耗燃料，不排泄有害物质，其管理运行费与发电成本以及对环境的影响远比火力发电低的多，是成本低廉的绿色能源；水电能源调节性能好、启动快，在电网运行中担任调峰作用，快捷有效，在非常情况和事故情况下减少电网的供电损失，可确保供电安全。

水电能源与矿物质能源同属资源性一次能源，转换为电能后称为二次能源，

水电能开发是一次能源开发和二次能源生产同时完成的能源，兼有一次能源建设与二次能源建设的双重功能；不需要一次能源矿产开采，运输、储存过程的费用，大大降低了燃料成本。

水电开发修建水库，会改变局部地区的生态环境，一方面需要淹没部分土地，

造成移民搬迁；另一方面，它可修复该地区的小气候，形成新的水域生态环境，有利于生物生存，有利于人类进行防洪、灌溉、旅游和发展航运。因此，在水电工程规划中，统筹考虑，把对生态环境的不利影响减少到最低程度，水电开发是利大于弊。

4.氢能：氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，越来越多的国家开

始将开发氢能列为重要的新能源项目，开发高效率、低成本生产氢的工艺。

氢能被认为具有长期利用的潜力，具有高温高能，热能集中，可再生，来源

广泛，应用范围广的刚有点，但也存在几个问题。首先，氢不是一种能源来源，在自然界不能自由存在；氢必须从石油、天然气或水等其它物质中分离出来，成本比较昂贵；氢的分离也要消耗能量，从水中分离氢则能耗更高；与等量的石油相比，氢的热值也较低。而且，氢既不容易储存，也没有相关设施来生产、运输和销售氢燃料。氢燃料利用各环节的安全性也值得关注。

在《石油的色彩》一书中作者预见，在未来的两个世纪里，氢将会作为从碳

氢化合物中衍生出来的烯料进入到世界经济领域中来，而它最终将会从碳氢化合 物中产生出来，并且主要将来源于水。

现在，氢能利用方面很多，有的已经实现，有的人们正在努力追求。为了达

到清洁新能源的目标，氢的利用将充满人类生活的方方面面。例如：

4.1.氢能汽车：以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料，已经过日本、美国、

德国等许多汽世公司的试验，技术是可行的，目前主要是廉价氢的来源问题。氢是一种高效燃料，每公斤氢燃烧所产生的能量为33.6千瓦小时，几乎等于汽车燃烧的2.8倍。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低（容易

点着），所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%。

当然，氢的燃烧主要生成物是水，只有极少的氮氢化物，绝对没有汽油燃烧

时产生的一氧化碳、二氧化硫等污染环境的有害成分。氢能汽车是最清洁的理想交通工具。

4.2.氢能发电：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。在电网低负荷时，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。

4.3.氢能燃料电池：这是利用氢和氧（成空气）直接经过电化学反应而产生

电能的装置。换言之，也是水电解槽产生氢和氧的逆反应。70年代以来，日美等国加紧研究各种燃料电池，现已进入商业性开发，日本已建立万千瓦级燃料电池发电站，美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究，这种新型的发电方式已引起世界的关注。

5.核能：在新能源开发中比较现实的是核能，它将逐渐发展成为新世纪的一

种重要能源。我们可以预测在不久的将来，核聚变能可能成为核能新秀。利用核裂变，人们已经通过反应堆加以人工控制，实现了原子能发电。要使核聚变释放出的巨大的能量转变为电能，即实现核聚变发电。也必须对核聚变实行人工控制，使其按照人们的需要有的序地进行，这就是受控核聚变。

核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放

的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。

据估计，在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275

万吨。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂，1升海水能提取30毫克氘，在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量，即1升海水约等于300升汽油，地球上海水中有40多万亿吨氘，足够人类使用百亿年。

地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。况且以目前世界能源消费的水平来计算，地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量，可供人类使用上千亿年。因此，有关能源专家认为，如果解决了核聚变技术，那么人类将能从根本上解决能源问题。

利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其

相似。只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。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的过饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。

核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高

压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%－4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。

核能发电具有很多优点：不会造成空气污染，不会加重温室效应，核能发电

所需要的原料铀储量丰富提炼成本低。但同时也存在问题：资源利用率低，核废料成为危害生物圈的潜在因素，处理技术不完善，核电建设投资费用大，风险较高。

6.生物质能：生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动

植物和微生物。而所谓生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。

生物质能的优点：

6.1.生物质属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与

风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用；

6.2.低污染性生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的氮氧化合物 较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧

化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应；

6.3.生物质燃料总量十分丰富。生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、

石油和天然气。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。

生物质能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。目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源，现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。

中国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

结论

开发利用水能、风能、生物质能等可再生的清洁能源资源符合能源发展的轨迹，对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护发挥着重大作用。大力发展清洁能源可以逐步改变传统能源消费结构，减小对能源进口的依赖度，提高能源安全性，减少温室气体排放，有效保护生态环境，促进社会经济又好又快地发展。

科技发展与技术进步，逐渐提高了新能源应用技术水平，推动新能源取得新发展，新能源的开发方案和商业应用都是建立在依靠技术进步的基础之上。在新能源的开发过程中，新技术的综合应用将会降低生产成本，使消费市场得到较经济实惠的能源，推进新市场的开发。