(5.3)-新能源概論生活中的新能源

新能源概論參考書目《新能源概論》，楊天華主編，化學(xué)工業(yè)出版社《新能源概論》，王革華主編，化學(xué)工業(yè)出版社《新能源和可再生能源的利用》，吳治堅主編，機械工業(yè)出版社《新能源與可再生能源概論》，蘇亞欣等主編，化學(xué)工業(yè)出版社《可再生能源概論》，左然等主編，機械工業(yè)出版社《可再生能源在建筑中的應(yīng)用集成》，劉令湘編譯，中國建筑工業(yè)出版社《可持續(xù)能源系統(tǒng)工程》，王宏偉譯，中國電力出版社《新能源材料與應(yīng)用》，董忠良等編著，國防工業(yè)出版社2024/2/42目錄1、能源的概念及分類2、現(xiàn)階段的能源問題3、新能源和可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用2024/2/43能源是指自然界中能夠為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源，也稱為能量資源或能源資源。它是可產(chǎn)生各種能量（如熱能、電能、光能和機械能等）或可做功的物質(zhì)的統(tǒng)稱，或者是能夠直接取得以及通過加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各種資源。1.1能源的概念石油煤天然氣電2024/2/44按能源的形成方式劃分

一次能源——直接來自自然界的未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能源，如柴草、煤炭、原油、天然氣、核燃料、水力、風(fēng)力、太陽能、地熱能、海洋能等。二次能源——把一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化來的能源稱二次能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤氣、電力、汽、煤、柴、油、氫能等。1.2能源的分類2024/2/45按能源的使用性質(zhì)劃分含能體能源——指能夠提供能量的物質(zhì)能源，其特點是可以保存且可儲存運輸，如煤炭、石油等。過程性能源——指能夠提供能量的物質(zhì)運動形式，它不能保存、難于儲存運輸，如太陽能，電能等。

1.2能源的分類2024/2/461.2能源的分類按能源可否再生劃分

不可再生能源——指隨人類的使用而減少的能源，如煤炭、原油、天然氣等化石能源可再生能源——不隨著人類使用而逐漸減少的能源

，如水能、風(fēng)能、太陽能、地熱能、海洋能、生物質(zhì)能等非化石能源2024/2/47按現(xiàn)階段使用的成熟程度劃分

常規(guī)能源——指人類已長期使用，已在使用技術(shù)上比較成熟的能源。新能源——指雖已開發(fā)并少量使用，不過技術(shù)上還未成熟而沒有被普遍使用，但卻具有潛在應(yīng)用價值的能源。1.2能源的分類2024/2/48

隨著技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展以及人口的增長，人們對能源的需求越來越大，能源問題也越來越突出。

2能源問題正在開采的油井2024/2/49能源危機

——石油、天然氣和煤炭這三種人類使用的主要能源可開采年限，分別只有40年（2016年，全球探明石油儲量增加了150億桶（0.9%）至1.707萬億桶，按照2016年產(chǎn)量水平，這足夠滿足世界50.6年的產(chǎn)量。）、50年和240年。2007年我國已經(jīng)有超過31%的石油需要進口，到2010年，這一數(shù)字增長到45-55%。2017年石油進口與對外依存度也雙雙創(chuàng)下歷史新高，全年進口原油3.96億噸，增長10.8%;對外依存度達到67.4%，增速較上年提高3個百分點（中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟信息網(wǎng)2018-01-24）。環(huán)境污染

——化石燃料的使用帶來了嚴重的環(huán)境污染,導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生和酸雨的形成。2005年2月16日，旨在減排室溫氣體的《京都協(xié)議書》已經(jīng)正式生效。2024/2/4102.1能源危機

2010年世界一次能源消費總量為120.024億噸油當量（下同），與上年相比增長5.6%。其中：

石油：生產(chǎn)39.14億噸，增長2.2%；消費40.28億噸，增長3.1%；占總消費量的32.62%。

天然氣：生產(chǎn)28.81億噸，增長7.3%；消費28.58億噸，增長7.4%；占總消費量的24.01%。

煤炭：生產(chǎn)37.31億噸，增長6.3%；消費35.56億噸，增長7.6%；占總消費量的31.09%。

核電：消費6.26億噸，增長2.6%；占總消費量的5.21%。

水電：消費7.76億噸，增長5.3%；占總消費量的6.47%。

再生能源：消費1.59億噸，增15.5%；占消費總量1.32%。世界能源生產(chǎn)與消費現(xiàn)狀（BP-2011）2024/2/411全球能源需求情況：2016年全球的能源需求連續(xù)第三年保持疲軟態(tài)勢，僅增長1%，約為過去十年平均增長率的一半。2016年的增長仍基本來自于快速增長的發(fā)展中經(jīng)濟體，有一半的增長量來自中國和印度。（2017《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》）2024/2/4121.工業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，高耗能產(chǎn)業(yè)比例大，初級產(chǎn)品多（包括外商來料加工的外資型企業(yè)）。2.能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不合理，煤炭比例大；電力生產(chǎn)以煤電為主（80%以上）；能源分布與消費布局不合理。3.石油消費自給比例低（小于50%），進口依賴大，石油運輸安全存在不確定性，石油儲備低。。4.化石類能源消費比例高，尤其是相對清潔的能源消費比例低，二氧化碳等大氣污染嚴重，環(huán)境保護壓力大。5.能源利用效率低，浪費嚴重。中國能源生產(chǎn)與消費面臨的主要問題2024/2/413能源需求旺盛，能源消費強勁增長能源供需矛盾突出，石油對外依存度過大能源結(jié)構(gòu)不合理，環(huán)境污染嚴重2024/2/414我國二氧化硫排放變化2005年，我國二氧化硫排放總量為2549萬噸,居世界第一，比2000年增加了27%。約90％的二氧化硫排放來自燃煤。酸雨區(qū)約占全國面積三分之一2.2環(huán)境污染2024/2/415全球1861-2005年間氣溫變化世界近地表平均溫度北極冰蓋融化（1979-2003）24年內(nèi)減少了20%夏天的北極區(qū)域冰蓋美國國家航天局衛(wèi)星照片2.3氣候變化2024/2/416

能源是人類文明和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國家可持續(xù)發(fā)展、國家安全和環(huán)境質(zhì)量的根本保障，是每個國家都必須高度重視的戰(zhàn)略資源。能源的短缺，無論是數(shù)量上還是結(jié)構(gòu)性的，都直接和顯著地影響國家經(jīng)濟與社會發(fā)展。能源的消耗直接或間接反映出一個國家的發(fā)達程度和人民的生活水平。能源發(fā)展的戰(zhàn)略問題2024/2/417節(jié)能優(yōu)先總量控制保障需求優(yōu)化結(jié)構(gòu)綠色低碳創(chuàng)新引領(lǐng)經(jīng)濟高效中國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略2024/2/418可再生能源技術(shù)風(fēng)能利用技術(shù)太陽能利用技術(shù)生物質(zhì)能利用技術(shù)先進的核能技術(shù)潔凈煤技術(shù)節(jié)能技術(shù)應(yīng)對挑戰(zhàn)的中國能源技術(shù)2024/2/419中國可再生能源發(fā)展的總體戰(zhàn)略補充能源替代能源主流能源主導(dǎo)能源第一階段（2010年）：實行部分可再生能源技術(shù)的商業(yè)化，非水可再生能源定位為補充能源，占能源總需求的2%，總的可再生能源占一次能源需求的10%第二階段（2020-2030年）：大批可再生能源技術(shù)達到商業(yè)化水平，非水可再生能源定位為替代能源。到2020年，非水可再生能源占能源總需求的5-10%，總的可再生能源占一次能源需求的16-20%；到2030年，非水可再生能源占能源總需求的10-19%，總的可再生能源占一次能源需求的20-30%第三階段（2050年）：全面實行可再生能源的商業(yè)化，大規(guī)模替代化石能源，可再生能源定位為主流能源，非水可再生能源占能源總需求的17-34%，總的可再生能源占一次能源需求的26-43%第四階段（2100年）：可再生能源在能源消費中占50%以上，實現(xiàn)能源消費結(jié)構(gòu)的根本性改變，可再生能源定位為主導(dǎo)能源2024/2/420新能源開發(fā)與利用技術(shù)——新能源和可再生能源2024/2/421太陽能水電生物質(zhì)能地熱能海洋能天然氣水合物3新能源的幾種形式風(fēng)能氫能核能2024/2/4223.1太陽能

按目前太陽的質(zhì)量消耗速率計，可維持6×1010年。所以可以說它是“取之不盡，用之不竭”的能源。

太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，也是人類可利用的最豐富的能源。太陽每年投射到地面上的輻射能高達1.05×1018千瓦時（3.78×1024J），相當于1.3×106億噸標準煤。2024/2/4231)總量最大——取之不盡，用之不竭（應(yīng)對能源危機）2)分布最廣——遍布世界各地（應(yīng)對傳統(tǒng)能源的區(qū)域差異和貿(mào)易壁壘）3)最清潔——利用過程中不會產(chǎn)生任何污染，也不會產(chǎn)生廢棄物（應(yīng)對環(huán)境惡化）4)能源品位低——需要一定的面積保證（通常認為在不考慮地球大氣吸收的情況下，功率是1.39KW/m2

）5)不穩(wěn)定因素多——多數(shù)利用方式受天氣狀況影響3.1.1太陽能特點2024/2/4243.1.2全球太陽能資源分布情況2024/2/425

我國太陽能分布：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯22°-35°這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻射總量，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個自治區(qū)外，基本上是南部低于北部。3.1.3我國太陽能資源分布特點2024/2/426太陽能光伏發(fā)電“雖有近憂，遠景看俏”太陽能光伏具有最廣闊的發(fā)展前景，是各國最有力發(fā)展的可再生能源技術(shù)之一成本太高是目前制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要障礙，短期還不具有大規(guī)模推廣的價值權(quán)威機構(gòu)預(yù)測：2030年太陽能光伏發(fā)電成本可能接近現(xiàn)在風(fēng)電成本樂觀預(yù)測：2020年太陽能光伏發(fā)電成本可能接近常規(guī)能源發(fā)電成本太陽能光伏2024/2/427太陽能光伏2024/2/4282016年全球光伏累計裝機容量TOP10資料來源：歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會2024/2/4292024/2/430太陽能光伏2024/2/431太陽能光伏電池技術(shù)晶體硅電池單晶硅：光電轉(zhuǎn)換效率最高24.2%，應(yīng)用14-16%多晶硅：光電轉(zhuǎn)換效率最高20%，應(yīng)用12-14%非晶硅電池：光電轉(zhuǎn)換效率6-8%硅薄膜：光電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用13.6%砷化鎵電池：光電轉(zhuǎn)換效率最高25.7%,應(yīng)用18%硫化鎘/硫化銅電池：光電轉(zhuǎn)換效率最高12%碲化鎘電池（薄膜）：光電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用9-11%2024/2/432太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的未來高能耗、高污染、高成本與清潔能源國內(nèi)產(chǎn)量依賴出口與國內(nèi)市場消耗大規(guī)模并網(wǎng)電站與光伏建筑一體化多晶硅電池與非晶硅薄膜電池2024/2/433Biomass2024/2/4343.2生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是指綠色植物通過光合用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。據(jù)估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2x1011t，含能量達3x1021J，因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當于全世界每年耗能量的10倍。2024/2/4353.2.1生物質(zhì)能的特點優(yōu)點：燃燒容易，污染少，灰分較低。缺點：熱值及熱效率低，體積大而不易運輸，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10％一30％。2024/2/4363.2.2生物質(zhì)能種類生物質(zhì)能通常包括以下幾個方面：1）木材及森林工業(yè)廢棄物；2）農(nóng)業(yè)廢棄物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工業(yè)有機廢棄物；6）動物糞便。2024/2/4373.2.3生物質(zhì)轉(zhuǎn)化液體和氣體燃料生產(chǎn)過程2024/2/4383.2.3生物質(zhì)能的利用——直接燃燒

農(nóng)牧民學(xué)習(xí)使用節(jié)柴灶生物質(zhì)的直接燃燒在今后相當長的時期內(nèi)仍將是我國農(nóng)村生物質(zhì)能利用的主要方式。推廣熱效率可達20%～30%的節(jié)柴灶這種技術(shù)已被國家列為農(nóng)村能源建設(shè)的重點任務(wù)之一。2024/2/439

物化轉(zhuǎn)化主要包括干餾技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)及熱裂解技術(shù)等?？梢园焉镔|(zhì)轉(zhuǎn)變成熱值較高的可燃氣、固定碳、木焦油及木醋液等物質(zhì)?？扇細夂淄椤⒁彝?、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃氣或工業(yè)用氣。3.2.3生物質(zhì)能的利用——物化轉(zhuǎn)化秸桿發(fā)電2024/2/4403.2.3生物質(zhì)能的利用——生化轉(zhuǎn)化

生化轉(zhuǎn)化主要包括厭氧消化技術(shù)和酶技術(shù)。厭氧消化是利用厭氧微生物的生長代謝過程將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4

等可燃氣體，同時得到厭氧發(fā)酵液、渣等厭氧發(fā)酵殘留物，用作農(nóng)田肥料，效果很好。酶技術(shù)是利用微生物體內(nèi)的酶分解生物質(zhì)，生產(chǎn)液體燃料，如乙醇、甲醇等。2024/2/441生物質(zhì)制乙醇技術(shù)木質(zhì)纖維素乙醇生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)：木質(zhì)纖維素降解技術(shù)：木質(zhì)纖維素降解可以采用酸水解和酶水解兩條不同的技術(shù)路線來實現(xiàn)，將木質(zhì)纖維素大分子水解為可發(fā)酵性單糖，常用水解方法有：化學(xué)水解（濃酸水解、稀酸水解），酶水解發(fā)酵技術(shù)：由酵母或細菌將單糖發(fā)酵成乙醇精餾和脫水技術(shù)2024/2/4423.2.4生物質(zhì)能的發(fā)展前景2003年我國生物質(zhì)能開發(fā)利用量

從資源和技術(shù)（包括技術(shù)的經(jīng)濟性）兩方面看，利用生物質(zhì)能發(fā)電和生產(chǎn)生物燃油在我國有廣闊的發(fā)展前景，將為滿足我國的電力需求、石油需求起到重要作用，而且具有良好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

2024/2/4433.3風(fēng)能

風(fēng)能是太陽輻射造成地球各部分受熱不均，引起空氣運動而產(chǎn)生的能量。太陽能在地面上約2％轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能，全球風(fēng)力用于發(fā)電功率可達11.3萬億kW。2024/2/4443.3.1風(fēng)能的特點風(fēng)能的優(yōu)點：蘊藏量大、分布廣泛無污染、可再生適應(yīng)性強、發(fā)展?jié)摿Υ箫L(fēng)能的限制性：能量密度低，只有水力的l／8l6

不穩(wěn)定性，氣流瞬息萬變地區(qū)差異大2024/2/445最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉达L(fēng)電在中國擁有豐富的資源儲備，在新能源中開發(fā)成本最低，具備大規(guī)模發(fā)展條件加速風(fēng)電建設(shè)在現(xiàn)階段成為中國能源戰(zhàn)略的必然選擇，風(fēng)電正在上升至未來中國的主流能源之一的地位2024/2/446資源豐富區(qū)有山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內(nèi)蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達坂城、阿拉山口，河西走廊，松花江下游，張家口北部等地，以及分布各地的高山山口和山頂。3.3.2我國風(fēng)能的分布2024/2/447利用風(fēng)力可以發(fā)電、提水、助航、制冷、制熱等。3.3.3風(fēng)能的利用2024/2/448不同能源發(fā)電成本3.3.3風(fēng)能的利用2024/2/4493.3.3風(fēng)能的利用2001-2016年全球風(fēng)電新增裝機容量（MW）2024/2/450中國風(fēng)電發(fā)展的主要驅(qū)動力強制性市場配額：國家關(guān)于落實可再生能源發(fā)電配額義務(wù)明確規(guī)定，到2020年，權(quán)益發(fā)電裝機總?cè)萘砍^500萬千瓦的投資者，所擁有的非水電可再生能源發(fā)電權(quán)益裝機總?cè)萘繎?yīng)分布達到8%以上風(fēng)電投資商主要是國內(nèi)大型國有企業(yè)，他們擁有巨大裝機容量，風(fēng)電業(yè)務(wù)僅僅是很小的一部分，完全處于政治考慮，盈虧無關(guān)緊要外國公司搶灘中國風(fēng)電市場，帶動國內(nèi)風(fēng)機制造業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)國營、民營企業(yè)紛紛進入，到2008年，風(fēng)電整機制造企業(yè)超過70家，面臨產(chǎn)能過剩問題2024/2/4513.3.4風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢產(chǎn)能過剩、競爭激烈核心技術(shù)缺失設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定風(fēng)電場建設(shè)和電網(wǎng)建設(shè)不協(xié)調(diào)小型離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)（單機容量100kW以下），用于分布式供電系統(tǒng)風(fēng)電的并網(wǎng)與非并網(wǎng)：大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電與高耗能產(chǎn)業(yè)耦合；風(fēng)電制氫2024/2/4523.4水能---水電---小水電

所謂小水電，通常是指電站總?cè)萘吭?萬kW以下的小型水電站及與其相配套的小電網(wǎng)的統(tǒng)稱。小水電的開發(fā)方式，按照集中水頭的辦法，可分為引水式、堤壩式和混合式三類。

2024/2/453小水電的特點工程簡單、建設(shè)工期短，一次基建投資小，水庫的淹沒損失、移民、環(huán)境和生態(tài)等方面的綜合影響甚小。而且小水電接近用戶，輸變電設(shè)備簡單、線路輸電損耗小，水電發(fā)電的效率為同等規(guī)模的熱電站的兩倍以上。2024/2/4543.5地熱能

地熱能是指在當前技術(shù)經(jīng)濟和地質(zhì)環(huán)境條件下，地殼內(nèi)能夠科學(xué)、合理地開發(fā)出來的巖石中的熱能量和地熱流體中的熱能量。2024/2/4553.5.1地熱能的分類

地熱能按賦存形式可分為水熱型（又分為干蒸汽型、濕蒸汽型和熱水型）、地壓型、干熱巖型和巖漿型四大類；按溫度高低可分為高溫型（＞150℃）、中溫型（90～149℃）和低溫型（≤89℃）。阿里地區(qū)地熱田冰島地熱2024/2/4563.5.2地熱能的分布

就全球來說，地熱資源的分布是不平衡的。明顯的地溫梯度每公里深度大于30℃的地熱異常區(qū)，主要分布在板塊生長、開裂-大洋擴張脊和板塊碰撞，衰亡-消減帶部位。環(huán)球性的地熱帶主要有下列4個：1）環(huán)太平洋地熱帶2）地中海一喜馬拉雅地熱帶3）大西洋中脊地熱帶4）紅海一亞丁灣一東非裂谷地熱帶2024/2/457

從直接利用地熱的規(guī)模來說，最常用的是地熱水淋浴，占總利用量的1/3以上，其次是地熱水養(yǎng)殖和種植約占20%，地熱采暖約占13%，地熱能工業(yè)利用約占2%。據(jù)美國地熱資源委員會（GRC）1990年的調(diào)查，世界上18個國家有地熱發(fā)電，總裝機容量5827.55兆瓦，裝機容量在100兆瓦以上的國家有美國、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。3.5.3地熱能的開發(fā)2024/2/458西藏羊八井地熱電站

我國的地熱資源也很豐富，但開發(fā)利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省區(qū)。3.5.4我國地熱能的開發(fā)2024/2/4593.6海洋能

海洋能是指海水在運動過程中產(chǎn)生的能為人類利用的能量，理論能量總量約為766億千瓦，是名副其實的“藍色煤?！?。2024/2/4603.6.1海洋能的分類按其成因可分為：潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等。按其儲存形式可分為：機械能（潮汐能、波浪能和海流能）、熱能（海水溫差能）和化學(xué)能（海水鹽差能）2024/2/461浙江溫嶺江廈潮汐發(fā)電站，是世界第三大潮汐發(fā)電站。法國朗斯電站3.6.2海洋能的利用

海洋能最主要的利用方式就是發(fā)電。全球僅可利用的潮汐能就達30億千瓦，年發(fā)電量約為26萬億度，這比目前世界上全部的水力發(fā)電量大一倍。全世界潮汐電站的總裝機容量為265兆瓦，中國為5.64兆瓦。2024/2/4623.7核能技術(shù)核能：在核反應(yīng)過程中，發(fā)生了質(zhì)量虧損，而不像普通的物理化學(xué)反應(yīng)一樣遵循質(zhì)量守恒定律。正是這部分虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成了能量，遵循愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系核裂變能：將平均結(jié)合能比較小的重核分裂成兩個或多個平均結(jié)合能大的中等質(zhì)量的原子核，同時釋放出核能。核聚變能：將平均結(jié)合能比較小的輕核，在一定條件下聚合成一個較重的平均結(jié)合能較大的原子核，同時釋放出核能。2024/2/463第一代核電1954年前蘇聯(lián)建成5MW試驗性核電站1957年美國建成90MW原型核電站第二代核電從二十世紀六十年代開始建設(shè)300MW以上商業(yè)核電站第三代核電美國：SYST