城市建筑能源规划模拟软件的介绍和电化学技术在新能源中的利用

PAGEPAGE6城市建筑能源规划模拟软件的介绍郑忠海，付林，江亿，狄洪发，陈杰（清华大学建筑技术科学系，北京，100084）摘要：为了满足城市中建筑的冷、热、电和燃气的用能需求，能源通过源、管网和能源转换设备到建筑用户之间进行转换和分配，而同样的终端需求可以通过不同类型能源和不同能源转换方式来实现。因此，从城市层面上进行城市建筑能源规划，不仅从宏观上分析城市能源配置的供需平衡、可替代性及其优化，也从微观技术上综合分析城市建筑能源系统的节能性、经济性和环境排放特性。目前，我国急需一个适合城市建筑能源规划的模拟软件平台，本文介绍了近年来课题组所开发的基于分层能源系统模型和能流结构的城市建筑能源规划模拟软件平台。最后以北京市为案例，对北京市建筑能源规划中的供热空调规划进行情景分析。关键词：城市能源规划，建筑能源规划模拟软件，节能，能流1.前言城市能源系统是城市基础设施的主要组成部分，它是为了满足城市建筑（主要为住宅和公共建筑）、工业生产以及交通等部门的用能需求，煤、油、气、电以及可再生能源等能源经过城市内的输配（城市电力网、燃气网、热力网等）、转换设备（电厂、锅炉、制冷机等）直至最终使用环节的末端设备组成的系统。因此，城市能源系统是城市的“血脉”和生命线，从城市层面上进行能源规划具有十分重要的意义。在城市中，建筑节能不仅与单体建筑的围护结构和能源设备性能改善等因素有关，而且与城市规划中所采取能源系统方案有关。从某种意义上讲，城市建筑能源规划决定了整个城市建筑的能源消耗、投资和运行的经济性以及所引起的环境排放影响，如果把建筑单体看成微观技术的“硬节能”，对建筑群体进行能源规划是一定意义上的宏观和微观结合的“软节能”。在我国能源规划体系中，从地域上可分为国家能源规划、区域能源规划、城市能源规划、农村能源规划和企业/行业/部门能源规划等，其综合能源规划（IEP，IntegratedEnergyPlanning）的涵义主要指能源、经济和环境（3E，Energy-Economic-Environment）三方面的综合[1]。而在我国城市规划体系中，所涉及能源基础设施规划（也有称作能源供给工程规划）的有供热专项规划、燃气专项规划和电力专项规划。在一定程度上，存在着两方面主要问题，一方面是宏观的能源规划和指导城市发展的城市规划之间存在脱节，城市规划体系中尚无进行能源规划，而能源规划体系中尚不能很好地从微观技术上解决城市中能源系统问题。本文所提及的城市能源规划应该属于城市规划和能源规划这两个学科的交叉学科，重点指的是城市建筑能源规划，它同样涉及到“3E”的综合；另一方面是城市规划中三个能源专项规划之间缺乏互相协调，对于相同的建筑冷、热、燃气和电力需求，可以选择不同能源及其转换方式，比如供热空调有集中式、分布式和分散式等多种方式，可以实现各种方式之间优势互补和多种能源之间的替代性，如图1所示。建筑供热空调可以通过煤、燃气、电力、油等能源及其转换设备来实现。其中燃煤/燃气热电联产、燃气锅炉、燃气直燃机、CCHP、电采暖空调和电力驱动的热泵等等能源转换方式对燃气规划和电力规划产生影响，例如北京61.8%的天然气用于供热空调。因此，供热规划需要和燃气规划、电力规划进行协调以优化能源配置。而燃气规划中工业和交通用气使得建筑能源与城市能源相关联起来。另外，建筑中生活热水负荷需求可以通过燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、热泵、CCHP或城市热网等方式供应，不能简单把生活热水负荷在各个规划中重复计算。再者，随着可再生能源政策推进和技术的进步，可再生能源和传统能源、清洁能源之间也存在着替代性和优化配置问题。图1建筑能源需求和能源供应配置的简图(不包含其它建筑燃气负荷需求)然而，城市能源系统是一个多元、复杂的能源系统工程，亦受城市化水平、城市经济、人口发展等因素影响，难以建立完整的能源系统模型来描述城市能源问题，更谈不上进行城市能源系统的优化。因此，首先应从逐步建立城市建筑供热、空调、燃气和电力需求的各能源系统模型出发，然后对城市能源系统的不同方案或专家方案之间进行模拟计算，通过比较和分析，并对规划期内的城市能源规划引入情景分析方法[2]，是一个适合我国城市能源规划的新思路。目前，我国城市能源规划还尚缺乏一个模拟软件平台，因此，本文主要对课题组近年来所研究的城市能源规划模拟软件平台及其模型进行了介绍。2.城市能源规划模拟软件介绍清华大学建筑技术科学系李年长、隋军、付林、江亿等人提出了三维分层城市能源系统模型[3][4]，利用VisualBasic6.0工具，开发了城市能源环境动态模拟工具(CEEDS，CityEnergyandEnvironmentDynamicSimulation)，主要面向于城市供热空调的能源和环境两方面。它基于城市能源系统的能流网络图的连接关系，输入末端所需负荷及其负荷指标，可进行全年8760小时的动态模拟，计算结果存在数据库里。在此研究基础上，陈杰利用VisualC++6.0编写了基于能源设备特性的能源系统仿真平台软件（CityEnergyV1.0）[5]，提出描述能源系统的多层有向无环能流结构，将涉及建筑能源系统分为若干种设备类，具有可移植性和可扩展性，实现和完善了CEEDS的功能，具有初步的后处理和模拟结果输出、图表显示功能。该软件搭建了一个能源系统的模拟仿真平台，可以作为一种计算工具来辅助城市建筑能源规划工作，其界面如图2所示。下面再简单介绍一下能源系统模型建立的思路、原理及其处理方法。图2CityEnergy的主界面三维分层城市能源系统模型和多层有向无环能流结构基本原理可用图3来简单说明，将能源按照源分类分层，共包括基础层、热力层（热水管网、蒸汽管网和生活热水管网）、煤层、燃气层、油层、电力层、环境排放层（NOx、SO2、PM10和CO2）和策略层。其中基础层显示所有层类别，其它层只显示与该层能源相关联的设备。而将涉及到能源系统的设备分类为源类（EnergySource，能源视为源，环境污染物视为汇）、输配管网类（Network）、能源转换设备类（EnergyEquipment），用户类（Building）以及策略类（Method），各种设备通过连接线发生关系，常见的能源转换设备可以通过对话框设置其属性，比如能源效率、容量、特性曲线和环境排放因子等，能源转换设备模型用“黑盒子”方法处理，主要关心的是该转换设备的能源输入与输出及环境排放之间的动态关系，根据能源规划中的能流网络图基本概念，连线上方的数据可表示为能流量，下方表示效率，从源端到建筑末端的能流一般有从能源能源转换设备管网建筑这一过程。电网网用户设备源燃气锅炉热电厂燃油锅炉热电厂火电厂燃气层热网壁挂炉燃气锅炉燃油锅炉基础层热电厂火电厂电力层油层煤层热力层电网网用户设备源燃气锅炉热电厂燃油锅炉热电厂火电厂燃气层热网壁挂炉燃气锅炉燃油锅炉基础层热电厂火电厂电力层油层煤层热力层图3三维分层的城市能源系统的能流网络图将图3的能流网络图转化成节点拓扑关系，则节点的能流平衡方程可用下式表达。式中：kij为关联矩阵的元素，节点相连时，流入为1，流出为-1，不相连时为0；x为能流量；η为效率。目前，软件中搭建了我国供热空调领域中常见的能源转换设备，包括集中式、区域式、分布式和分户式各种转换设备，比如管网、不同能源类型和规模的锅炉、水源/空气源热泵、燃气轮机或内燃机循环热电机组、燃气-蒸汽联合循环热电机组、背压或抽凝式CHP系统、CCHP系统、燃气直燃机、热水/蒸汽吸收式机组、冷水机组等。首先通过建立完善的城市能源系统能流图及其策略调度关系，然后导入不同负荷类型的全年8760h的负荷指标值及其相应用户的建筑面积可进行动态计算。下面通过北京市的模拟实例来进一步了解其功能。3.北京市供热空调能源系统的情景分析3.1城市供热空调能源系统模型的建立根据北京市（城八区，以下同）供热空调能源系统的能流网络图[4]建立北京市供热空调能源系统的设备类及其连接关系，共有25种采暖方式，13种空调方式，6种集中生活热水方式。涉及耗煤的能源转换设备有8类：高碑店、一热燃煤、石景山和高井热电机组，双井燃煤蒸汽厂、区域燃煤锅炉、燃煤小锅炉、小煤炉。耗气的有13类：左家庄、方庄和双榆树燃气供热厂，太阳宫、草桥、郑常庄和京丰燃气热电机组，区域燃气锅炉、区域燃气CCHP、楼宇燃气CCHP、燃气直燃机、燃气小锅炉、小型燃气炉。耗油的有8类：高碑店、一热和二热燃油调峰锅炉，二热燃油热电机组、区域燃油锅炉、燃油小锅炉、小型燃油炉、燃油直燃机。发电的有11类：高碑店、一热、石景山和高井燃煤热电机组，太阳宫、草桥、郑常庄和京丰燃气热电机组，二热燃油热电机组、区域燃气CCHP、楼宇燃气CCHP。耗电的有7类：区域电锅炉、直接电热器、小型电锅炉、风冷热泵、水源热泵、单冷空调器、水冷空调机组。负荷指标分成住宅和公共建筑2种共9类。根据《奥运行动规划能源专项规划》及其改进方案、《2010年城市热网集中供热设施远景发展规划》、《北京市民用建筑供热方式与发展研究》和《北京市统计年鉴》等资料进行负荷情景设定及修正，如图4~6所示。情景总体设定思路为：2001~2010年是城市快速化建设过程，2010~2020年是北京城区建设平稳时期（采用线性增长）。关于供热，充分利用并发展城市热网，鼓励以燃气为源的CCHP和电力驱动的水源热泵方式，适当发展风冷热泵供热方式，利用区域、小区燃气锅炉和户式燃气炉大量替代小型燃煤锅炉和分散小煤炉，发展合理，逐步替代，并保持一定量的直接电热采暖和小型燃油等用户。关于空调，合理发展城市热网吸收式机组、水冷机组和单冷空调器方式，鼓励发展风冷热泵、水源热泵、CCHP，适度发展燃气直燃机方式，并保持一定量蒸汽吸收式机组和燃油直燃机方式，逐步减少无空调用户。关于集中式生活热水，发展城市热网、CCHP和水源热泵用户，保持一定量的蒸汽管网用户。图4供热用户的情景设定图5空调用户的情景设定图6生活热水用户的情景设定在城市集中热网的多热源系统中，一般而言，在多热源联网运行的情况下，应先开能源效率高、经济性好的热源。热电厂由于综合能源利用率高、供热成本低，所以一般承担基本负荷。特别是燃煤热电厂，不宜频繁启停，一般都采用长时间连续运行的模式。燃气燃油锅炉作为调峰锅炉。因此，多热源系统运行时热源调节的基本原则如图7所示，在软件中体现为运行策略定义为调度顺序的先后。图7多热源负荷分配示意图3.2情景方案的模拟结果分析和方案对比该情景下各年的能耗结构和环境排放计算结果如图8所示，图中耗电量只包含能源转换设备耗电（电采暖、热泵、空调器和水冷机组等）和动力耗电（热网循环泵耗电等）。2001年模拟结果与北京市供热空调系统统计的年用煤量、耗油量、耗气量数据基本相符，现状数据可以作为模拟的起始条件或者模拟校验的依据。进而，我们可以分析该情景下能源需求与宏观能源规划的能源供应之间的关系，判断能源资源量的可供性，掌握城市建筑能源消耗的能源结构及该结构下的环境排放影响。进一步分析可知，集中式能源系统的一次能源消耗约占一次能耗消耗总量的50%，是规划中的重点。图8逐年的能源消耗结构和单位建筑面积的环境排放量情景方案分析的过程是对模拟结果的数据再加工，正确的分析方法才能正确评价一个方案的合理性。首先，从静态特性来分析该能源系统的效率。若将上述煤、气、油、电的能耗总量减去发电量认为是北京市供热空调所引起的总能耗，将单位建筑面积用户末端建筑需求量和方案系统总能耗分别称为末端建筑能耗指标和城市能耗指标。该情景下，供热空调和集中生活热水的总需求能耗指标约为120kWh/m2，而城市能耗指标约为200kWh/m2，若定义城市能源效率系数UEEC=城市能源消耗量/城市负荷需求量，这里指的是供热空调的UEEC=供热空调总能耗量/末端建筑需求量=城市能耗指标/末端建筑能耗指标=1.66，它的含义是指该能源系统中，满足1份能源的负荷需求，需要输入1.66份能源才能满足，该情景总体设定思路的设定使得2001年UEEC从2.13降低到1.66，同时清洁能源优化了能源消费结构，实现了城市规划层面上的“节能减排”。另一方面，也可以从动态特性来评价该能源系统和方案的优劣。可以分析各类能源消耗的最大值、冬夏季燃气和电力峰谷差等问题，这里引入不均匀变差系数C[4]，定义其为样本X的标准差和样本X均值之比。C值小表示样本离平均值近，峰谷差越小。情景分析的另一个目的是对不同能源系统方案进行对比，进而综合评价方案。如果不考虑生活热水负荷，上述2010年称为方案1，对比方案2的情景如下：减少区域和楼宇CCHP用户各2000万m2，减少燃气直燃机夏季用户1000万m2和冬季用户400万m2，减少城市热网热水吸收机用户2000万m2；夏季增加水冷机组2000万m2和单冷空调器5000万m2，冬季增加区域燃气热网用户2400万m2和直接电热采暖2000万m2；使得两方案末端负荷需求一致，其模拟结果如表1所示。分析可知，方案1多消耗13亿m3燃气，多发了42.4亿度电，并少耗了8.6亿度电，折合发电效率为39.5％，相当于一般的中小型燃气蒸汽联合循环机组的发电效率。从电力和燃气削峰填谷作用来看，虽然方案1增加了冬季的燃气耗量，但是冬季和夏季总耗气量比值从11.14减小为4.46，燃气不均匀变差系数C从1.38减少为1.12，耗电C值为从0.8减少为0.67，不均匀性皆比方案2有较大改善。表12010年方案的能耗和环境污染物排放比较一次能源消耗方案1方案2二次能源消耗方案1方案2污染物方案1方案2煤/万吨453.7453.7发电/亿度126.1283.75SO2/万吨3.163.14燃气/亿立米42.629.6耗电/亿度145.87154.49NOx/万吨2.572.31燃油/万吨25.725.7PM10/万吨0.570.554.结论我们可以总结以下几点结论和展望：1）虽然城市建筑能源是个多元复杂的系统，但是通过城市能源系统模型的建立和完善，利用模拟软件来对城市进行历史、现状和规划期进行情景模拟分析，亦是确实可行的。另外，对城市确定适当的模拟区域和界线，该平台可以实现从小区、城市分区到城市各层次的模拟；2）在城市能源规划层面上，从静态和动态特性两方面来分析城市能源系统的能耗、系统效率及其环境影响等是分析技术适宜性和评价规划方案优劣的一个重要依据；3）建筑节能和生活水平的发展影响末端建筑负荷指标的取值和特性，本文尚没考虑负荷指标的变化的影响，简单按照住宅、商建分类。因此，需要完善供热、空调、燃气、电力等负荷指标的研究工作，形成适宜城市建筑能源规划的指标数据库，是取得科学合理的模拟结果的基础数据，才能进一步利用历史和现状数据进行模拟结果的校验，避免“规划失控”，实现对模型准确性和情景合理性的验证；4）软件中尚需引入经济性分析模块，尚需引入更多能源转换设备和复杂能源系统及其策略和调度方法，比如城市热网热电联产本文只按照以热定电调度方案计算，并尚需引入可再生能源作为能源转换设备的一种，分析其在城市能源系统所起的作用和地位；5）应加强软件的后处理功能，完善方案分析和数据处理功能，并加强其通用性和友好性。郑忠海男1981年4月博士生清华大学建筑学院建筑科学与技术系zhengzh05@.cn付林男副教授清华大学建筑学院建筑科学与技术系江亿男教授中国工程院院士清华大学建筑学院建筑科学与技术系jiangyi@.cn狄洪发男教授博导清华大学建筑学院建筑科学与技术系陈杰男硕士清华大学建筑学院建筑科学与技术系chenjie99@参考文献邱大雄等．能源规划与系统分析．北京：清华大学出版社，1995周大地．2020中国可持续能源情景．北京：中国环境科学出版社，2003李年长．地理信息系统（GIS）在暖通行业中的应用研究．清华大学硕士学位论文，2003隋军．城市能源系统动态分析．清华大学博士后报告，2003陈杰．基于能源设备特性的城市能源系统动态模型．清华大学硕士学位论文，2007

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况1.能源的重要性1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.2.能源的种类2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样的,一般可分为常规能源和新能源两大类.常规能源包括煤炭,石油,天然气和水能,而新能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,天然气被成为化石能源,水能,生物质能,风能,太阳能和氢能等是可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,世界上煤,石油和天然气的储采比分别为204,40和60年,中国的情况更为严峻,据2002年统计,中国煤,石油和天然气的储采比只有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在2004,2020和2050年的石油消费量达3,4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,在10年内,世界的气候将产生不可逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排放量占世界总排放量的14%,在美国之后位居第二,估计到2025年,将位居第一.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在世界上十个环境污染最严重的城市中,七个在中国.它们是太原,北京,乌鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.我国在能源利用方面的效率很低,我国的能耗很高,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,在20世纪上半叶,化石燃料仍将是世界一次能源的主体,但到21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风能等新能源将占世界能源的50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化近年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,在21世纪末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常,人们对新能源的开发越来越重视.其中水力能,地热能,海洋能和风能的可利用资源有限,因此,太阳能,生物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点.(1)生物质来源丰富地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍,我国的生物质能也极为丰富,可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤.加上生物质能可再生.因此,生物质能的高效,规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术成熟,但效率低.(b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟,但生产成本较高.生物质制沼气技术相当成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池.(c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等技术,获得气,液体燃料来发电.(d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2,而对环境污染少.生物质能的利用还能降低污染.如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题2.生物质能利用的问题生物质能利用的缺点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,分散的生物质能利用系统.而小型转换系统的效率低,不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.因此,如何在小型,分散体系实现能量的高效,清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点太阳能的优点(1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸收的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的潜力很大.(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用.如太阳能热水器,太阳灶,太阳能蓄热池发电等.(b)太阳能发电.如太阳能电池和光电池.(c)光催化和光电催化制氢.主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已有300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用发展更快.特别在我国,太阳能热水器的年产值已达60多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素.(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"氢行星"为主题的第14届世界氢能源大会.2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5%.氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界的主要能源,进入氢能时代已成为近年来的热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议.今年一月,中国科学院院士局召开了关于"石油替代能源"的研讨会,主要讨论石油资源可持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题(2)廉价清洁的制氢技术问题目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗4.2-6度的电能,其能量转化率不到32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可储存,碳循环等优点,从中长期看是最有前途的制氢方式.目前生物质制氢效率低.(d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在由于储运技术不过关,因此浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油,炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气,只是由于储运技术的问题而不能被利用.我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上.因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题.目前氢的储运还有很大问题.(a)高压储氢:储氢量少,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有1%左右.(e)化合物储氢:放氢不容易.(4)燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因.近年来,由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各国对燃料电池的研究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛的氢都是电解水制得的,因该国70%的电是由地热和水电站产生的.(5)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国6%的用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州那么大.(6)布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.五.燃料电池加速氢能利用1.燃料电池的优点.(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统,可降低环境污染和气候异常.(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气,液物质和氢作燃料,因此,能促进氢能的利用.(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合于生物质分散性的特点.2.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度:60-80oC用途:航天器和潜艇的动力源优点:比能量和比功率高缺点:对CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池(PAFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:98%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:汽车和潜艇等的动力源优点:比能量和比功率高,寿命长,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,800美元/千瓦,而内燃机50美元/千瓦.氢源问题.(4)直接甲醇燃料电池(DMFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极:催化剂:Pt合金,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含硫酸的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:可移动的小型电子仪器设备动力源优点:比能量高,体积小问题:Pt对甲醇氧化电催化效率低,易被甲醇氧化中间产物毒化,甲醇会透过质子交换膜.(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阳极:催化剂:Ni,燃料:氢阴极:催化剂:NiO,氧化剂:氧电解液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3)工作温度:600oC用途:发电站优点:反应温度高,不需贵金属催化剂.可用含CO的燃料气.寿命长.能量转换率高,可达80%.问题:高温下,电解液会腐蚀电极材料.寿命2万小时,商业上要4万小时.(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极:催化剂:NiZrO2,燃料:甲烷,氢阴极:催化剂:NaCrO4等,氧化剂:氧电解液:ZrO2,CeO2等工作温度:900oC用途:发电站优点:不需贵金属催化剂.寿命长.可用各种燃料气.抗中毒能力强.能量转换率最高,可达80%以上.问题:高温下,密封困难,放大困难.价格高.5.PEMFC发展现状发展现状(1)世界各国对世界各国对PEMFC的重视世界各国对的重视近十年来,近十年来,PEMFC技术的研究开发受到技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,已出现许多PEMFC电动车样车.电动车样车.已出现许多电动车样车我国计划,年奥运会期间,我国计划,到2008年奥运会期间,将有我年奥运会期间国生产的燃料电池电动车会小批量,国生产的燃料电池电动车会小批量,示范性地行驶在街头.性地行驶在街头.年世博会期间,辆燃料电池公交到2010年世博会期间,20辆燃料电池公交年世博会期间辆燃料电池出租车,车,300辆燃料电池出租车,1000辆电动辆燃料电池出租车辆电动