新能源与未来发展趋势研究概况.doc

新能源与未来发展趋势研究概况摘要：通过简单介绍能源的概念与内涵，引出了新能源的内涵及其在国内外的应用。然后又介绍了未来几种新能源的发展和应用趋势，并且对新能源的现状及发展趋势进行了分析，论述了新能源在减少二氧化碳中的地位和作用，最后对新能源提出了未来展望。关键词：能源；新能源；未来的新能源；新能源发展愿景一 能源概念及内涵能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量(如热量、电能、光能和机械能等)或可作功的物质的统称；是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。能源是整个世界发展和经济增长最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国均制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在此后的二十多年里，在能源稳定供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到了一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题正在威胁着人类的生存与发展。能源种类繁多，而且经过人类不断的开发与研究，更多的新型能源已开始能够满足人类的需求。根据不同的划分方式，能源可分为不同的类型。1 按能源来源分类（1）来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换而来。（2）地球本身蕴藏的能量。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70km不等。地壳下面是地幔，其大部分为熔融状的岩浆，厚度为2900km，火山爆发一般就是由这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为2000。可见，地球上的地热资源贮量也很大。（3）地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。2 按能源的基本形态分类一次能源和二次能源。前者即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。后者系指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。一次能源又分为可再生能源(水能、风能及生物质能)和非再生能源(煤炭、石油、天然气、油页岩等)。根据其产生的方式可分为一次能源(天然能源)和二次能源(人工能源)。一次能源是指自然界中以天然形式存在并没有经过加工或转换的能量资源，一次能源包括可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气资源，其中包括水、石油和天然气在内的三种能源是一次能源的核心，它们构成了全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内；二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源均属于二次能源。3 根据能源使用的类型分类常规能源和新型能源。利用技术上成熟、使用比较普遍的能源称为常规能源。包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。新近利用或正在着手开发的能源被称为新型能源。新型能源是相对于常规能源而言的，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能、氢能以及用于核能发电的核燃料等能源。由于新能源的能量密度较小，或品位较低，或有间歇性，按已有的技术条件转换利用的经济性尚差，尚处于研究、发展阶段，只能因地制宜地开发和利用；但新能源大多数是再生能源，资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。4 再生能源和非再生能源。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源；反之，称为非再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是非再生能源。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量看，其又具有再生的性质。核能的新发展将使核燃料循环具有增殖的性质。核聚变的能比核裂变的能可高出510倍，核聚变最合适的燃料重氢(氘)又大量地存在于海水中，可谓“取之不尽，用之不竭”。核能是未来能源系统的支柱之一。二 新能源概况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；是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所产生的热能。包括太阳能、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具有重要意义。1 新能源资源概况据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿KW，其中可开发利用5001000亿KW。但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地热能资源系指陆地下5000m深度内的岩石和水体的总含热量。其中全球陆地部分3km深度内、150以上的高温地热能资源相当于140万t标准煤。世界风能的潜力约为3500亿kw，但因风力断续分散，难以经济地利用，今后输能储能技术如有重大改进，风力利用将会大幅度增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水温差能等，理论储量十分可观，但限于技术水平，现尚处于小规模研究阶段。当前，由于新能源的利用技术尚不成熟，故对新能源的使用只占世界所需总能量的很小部分，今后有很大的发展前途。2 新能源形式 (1) 太阳能太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式为太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等均来自太阳能。太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。太阳能包括以下三类：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。由于其没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。太阳热能。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手段收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，其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。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，从而提高太阳能的利用效率。 (2) 核能核能是20世纪人类的一项伟大发现，并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日，著名科学家费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学启动成功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。在这之前，人类利用的能源只涉及到物理变化和化学变化，当核能进入人们的生产和生活后，一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生。核能的利用存在的主要问题：第一，资源利用率低。第二，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。第三，反应堆的安全问题尚需不断监控及改进。第四，核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚一239受控制。第五，核电建设的投资费用仍比常规能源发电高，投资风险较大。(3) 海洋能海洋能系指依附在海水中的可再生能源。海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐与潮流能来源于月球、太阳引力，其他海洋能均来源于太阳辐射。海洋面积占地球总面积的7l，太阳到达地球的能量大部分落在了海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的海洋能。(4) 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。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，其实质是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离(即风区)有关。当水团相对于海平面发生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动则使波浪具有动能。所贮存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的复杂性，使其常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。(5) 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。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。当太阳、月球和地球在一条直线上时即产生大潮；当它们成直角时就产生小潮。除了半日周期潮和月周期潮的变化外，地球和月球的旋转运动还产生了许多其他的周期性循环，其周期可以从几天到数年。同时，地表的海水又受到地球运动离心力的作用，月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力。世界上潮差的较大值约为13一15m，但一般来说，平均潮差在3 m以上就具有实际应用价值。(6) 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lO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。风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式。通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，使用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向，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。(7) 地热能地热能是来自地球深处的可再生热能。起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近地表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。这种热能的储量相当大。严格地说，地热能不是一种“可再生的”资源，而是一种像石油一样可开采的能源，最终的可回采量将依赖于所采用的技术。将水(传热介质)重新注回到含水层中可以提高其再生的性能，因为这样做可以使含水层不枯竭。然而，在这个问题上没有明确的结论，因为有相当一部分地热点可采用某种方式进行开发，让提取的热量等于自然不断补充的热量。实事求是地讲，任何情况下，既使从技术上来说，地热能也不是可再生能源。但全球地热资源潜量十分巨大，因此问题不在于资源规模的大小，而在于是否有适合的技术将这些资源经济地开发出来。(8) 氢能氢能是以氢及其同位素为主导的反应中或氢在状态变化过程中所释放的能量。它可以产生于氢的热核反应，也可来自氢与氧化剂发生的化学反应。前者称为热核能或聚变能，能量非常巨大，通常属核能范畴；后者称燃料反应的化学能，习称氢能。氢能是一种重要的能源，可用于运输方面取代石油，也可用作能高效发电的燃料电池。氢能的环境效益好，是理想的清洁能源。但是氢极少单独存在于地球上，常以化合物的形式出现，必须通过其他能源转换，如太阳能制氢、生物质能制氢、电解水制氢和烃类燃料制氢等。廉价和大量制氢的技术是开发利用氢能的关键。在众多新能源中，氢能以其重量轻、无污染、热值高、应用面广等独特优点脱颖而出，将成为2l世纪最理想的新能源。氢能可应用于航天航空、汽车的燃料等高热行业。(9) 水能水能是一种可再生能源，是清洁能源，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。其为常规能源，一次能源。水不仅可以直接被人类利用，它还是能量的载体。太阳能驱动地球上的水循环，使之持续进行。地表水的流动是重要的一环，在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。目前世界上的广义水能资源发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水运动均可用来发电。而常规水力发电技术已十分成熟，我国已建成三峡等电站，拥有多项世界领先技术。三 未来的几种新能源1 波能海洋波浪能。这是一种取之不尽，用之不竭的无污染、可再生能源。据推测，地球上海洋波浪蕴藏的电能高达9104TW。近年来，在各国的新能源开发计划中，波能的利用已占有一席之地。尽管波能发电成本较高，需要进一步完善，但目前的进展已表明了这种新能源潜在的商业价值。日本的一座海洋波能发电厂已运行8年，电厂的发电成本虽高于其它发电方式，但对于边远岛屿来说，可节省电力传输等投资费用。目前，美、英、印度等国家已建成了几十座波能发电站，且均运行良好。2 可燃冰一种甲烷与水结合在一起的固体化合物，它的外型与冰相似，故称“可燃冰”。可燃冰在低温高压下呈稳定状态，冰融化所释放的可燃气体相当于原来固体化合物体积的100倍。据测算，可燃冰的蕴藏量比地球上的煤、石油和天然气的总和还多。可燃冰是水和天然气在高压、低温条件下混合而成的一种固态物质，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的地球上尚未开发的最大新型能源。中国国土资源部总工程师张洪涛先生在2009年9月25日的新闻发布会上说：中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为继加拿大、美国之后在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。粗略估算，远景资源量至少有350亿t油当量。3 煤层气煤在形成过程中由于温度及压力增加，在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。从泥炭到褐煤，每t煤产生68 m3煤层气；从泥炭到褐煤，每t煤产生130 m3煤层气；从泥炭到无烟煤，每t煤产生400 m3煤层气。科学家估计，地球上的煤层气可达2 179亿m3。4 微生物世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等，利用微生物发酵，可制成酒精。酒精具有燃烧完全、效率高、无污染等特点，用其稀释汽油可得到“乙醇汽油”，而且制作酒精的原料丰富，成本低廉。据报道，巴谣已改装“乙醇汽油”或酒精为燃料的汽车达几十万辆，从而减轻了大气污染。此外，利用微生物可制取氢气，以开辟能源的新途径。5 第四代核能源当今，世界科学家已研制出利用正反物质的核聚变制造出无任何污染的新型核能源。正反物质的原子在相遇的瞬间，灰飞烟灭，此时，会产生高当量的冲击波以及光辐射能。这种强大的光辐射能可转化为热能，如果能够控制正反物质的核反应强度，将其作为人类的新型能源，那将是人类能源史上的一场伟大的能源革命。四 新能源的发展现状和趋势现在，部分可再生能源利用技术已经取得了长足的发展，并在世界各地形成了一定的规模。目前，太阳能、风能以及水力发电、地热能等的利用技术已经得到了应用。在未来30年内，非水力的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快。目前可再生能源在一次能源中的比例总体上偏低，一方面是与不同国家的重视程度与政策有关，另一方面与可再生能源技术的成本偏高有关，尤其是技术含量较高的太阳能、风能等。在未来30年，可再生能源发电的成本将大幅度下降，从而增加了它的竞争力。可再生能源利用的成本与多种因素有关，因而成本预测的结果具有一定的不确定性，但这些预测结果表明了可再生能源利用技术成本将呈不断下降的趋势。近年来，在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已取得了很大的进展。太阳能发电具有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5一8，但是太阳能发电的时间局限性导致了其对电网的冲击，如何解决这一问题已成为能源界的一大困惑。风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台，在100多年的发展中，一直是新能源领域的独孤求败，由于其造价相对低廉而成为各个国家争相发展的新能源首选；然而，随着大型风电场的不断增多，占用的土地也日益扩大，产生的社会矛盾日益突出，如何解决这一难题成为我们又一困惑。早在2001年风光互补系统(MUCE)为了开拓稳定的海岛通信电源而开展了一项研究，经过6年多时间的研究和实践，终于将一种成熟的新型应用方式MuCE风光互补系统向社会推广。该系统采用了我国自主研制的新型垂直轴风力发电机(H型)和太阳能发电进行10：3的结合，形成了相对稳定的电力输出。在建筑物上、野外、通信基站、路灯、海岛均进行了实际应用，获得了大量可靠的使用数据。这一系统的研究成果将为我国乃至世界的新能源发展带来新的动力。新型垂直轴风力发电机(H型)突破了传统的水平轴风力发电机启动风速高、噪音大、抗风能力差、受风向影响大等缺点，采取了完全不同的设计理论，采用了新型结构和材料，具有了微风启动、无噪音、抗12级以上台风、不受风向影响等性能，可大量用于别墅、多层及高层建筑、路灯等中小型应用场合。以它为主建立的风光互补发电系统具有电力输出稳定、经济性高、对环境影响小等优点，也解决了太阳能发展中对电网冲击等影响。五 新能源与减排新能源和可再生能源(包括水能)在二氧化碳减排中充当了排头兵的作用，实现新能源减碳无疑是实现二氧化碳减排的主力军，但是它和任何事物一样都具有两面性，因此，发展新能源必须坚持辩证统一观。如太阳能利用使用的高纯度多晶硅，lkw的太阳能电池约需10kg的多晶硅，需要消耗电能58006000 kW.h，耗电量十分巨大，且电池仅能够稳定使用20年。生产多晶硅所产生的副产品四氯化硅是一种剧毒物质，回收成本极为高昂，倾倒或掩埋四氯化硅有可能对耕地造成严重污染而使其无法使用。另外需要注意的是，太阳能发电必须配套使用铅酸蓄电池作为电能存