(5.3)-新能源概论生活中的新能源

新能源概论参考书目《新能源概论》，杨天华主编，化学工业出版社《新能源概论》，王革华主编，化学工业出版社《新能源和可再生能源的利用》，吴治坚主编，机械工业出版社《新能源与可再生能源概论》，苏亚欣等主编，化学工业出版社《可再生能源概论》，左然等主编，机械工业出版社《可再生能源在建筑中的应用集成》，刘令湘编译，中国建筑工业出版社《可持续能源系统工程》，王宏伟译，中国电力出版社《新能源材料与应用》，董忠良等编著，国防工业出版社2024/2/42目录1、能源的概念及分类2、现阶段的能源问题3、新能源和可再生能源的开发与应用2024/2/43能源是指自然界中能够为人类提供某种形式能量的物质资源，也称为能量资源或能源资源。它是可产生各种能量（如热能、电能、光能和机械能等）或可做功的物质的统称，或者是能够直接取得以及通过加工、转换而取得有用能的各种资源。1.1能源的概念石油煤天然气电2024/2/44按能源的形成方式划分

一次能源——直接来自自然界的未经加工转换的能源，如柴草、煤炭、原油、天然气、核燃料、水力、风力、太阳能、地热能、海洋能等。二次能源——把一次能源直接或间接转化来的能源称二次能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤气、电力、汽、煤、柴、油、氢能等。1.2能源的分类2024/2/45按能源的使用性质划分含能体能源——指能够提供能量的物质能源，其特点是可以保存且可储存运输，如煤炭、石油等。过程性能源——指能够提供能量的物质运动形式，它不能保存、难于储存运输，如太阳能，电能等。

1.2能源的分类2024/2/461.2能源的分类按能源可否再生划分

不可再生能源——指随人类的使用而减少的能源，如煤炭、原油、天然气等化石能源可再生能源——不随着人类使用而逐渐减少的能源

，如水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等非化石能源2024/2/47按现阶段使用的成熟程度划分

常规能源——指人类已长期使用，已在使用技术上比较成熟的能源。新能源——指虽已开发并少量使用，不过技术上还未成熟而没有被普遍使用，但却具有潜在应用价值的能源。1.2能源的分类2024/2/48

随着技术和经济的发展以及人口的增长，人们对能源的需求越来越大，能源问题也越来越突出。

2能源问题正在开采的油井2024/2/49能源危机

——石油、天然气和煤炭这三种人类使用的主要能源可开采年限，分别只有40年（2016年，全球探明石油储量增加了150亿桶（0.9%）至1.707万亿桶，按照2016年产量水平，这足够满足世界50.6年的产量。）、50年和240年。2007年我国已经有超过31%的石油需要进口，到2010年，这一数字增长到45-55%。2017年石油进口与对外依存度也双双创下历史新高，全年进口原油3.96亿吨，增长10.8%;对外依存度达到67.4%，增速较上年提高3个百分点（中国产业经济信息网2018-01-24）。环境污染

——化石燃料的使用带来了严重的环境污染,导致了温室效应的产生和酸雨的形成。2005年2月16日，旨在减排室温气体的《京都协议书》已经正式生效。2024/2/4102.1能源危机

2010年世界一次能源消费总量为120.024亿吨油当量（下同），与上年相比增长5.6%。其中：

石油：生产39.14亿吨，增长2.2%；消费40.28亿吨，增长3.1%；占总消费量的32.62%。

天然气：生产28.81亿吨，增长7.3%；消费28.58亿吨，增长7.4%；占总消费量的24.01%。

煤炭：生产37.31亿吨，增长6.3%；消费35.56亿吨，增长7.6%；占总消费量的31.09%。

核电：消费6.26亿吨，增长2.6%；占总消费量的5.21%。

水电：消费7.76亿吨，增长5.3%；占总消费量的6.47%。

再生能源：消费1.59亿吨，增15.5%；占消费总量1.32%。世界能源生产与消费现状（BP-2011）2024/2/411全球能源需求情况：2016年全球的能源需求连续第三年保持疲软态势，仅增长1%，约为过去十年平均增长率的一半。2016年的增长仍基本来自于快速增长的发展中经济体，有一半的增长量来自中国和印度。（2017《BP世界能源统计年鉴》）2024/2/4121.工业结构不合理，高耗能产业比例大，初级产品多（包括外商来料加工的外资型企业）。2.能源生产结构不合理，煤炭比例大；电力生产以煤电为主（80%以上）；能源分布与消费布局不合理。3.石油消费自给比例低（小于50%），进口依赖大，石油运输安全存在不确定性，石油储备低。。4.化石类能源消费比例高，尤其是相对清洁的能源消费比例低，二氧化碳等大气污染严重，环境保护压力大。5.能源利用效率低，浪费严重。中国能源生产与消费面临的主要问题2024/2/413能源需求旺盛，能源消费强劲增长能源供需矛盾突出，石油对外依存度过大能源结构不合理，环境污染严重2024/2/414我国二氧化硫排放变化2005年，我国二氧化硫排放总量为2549万吨,居世界第一，比2000年增加了27%。约90％的二氧化硫排放来自燃煤。酸雨区约占全国面积三分之一2.2环境污染2024/2/415全球1861-2005年间气温变化世界近地表平均温度北极冰盖融化（1979-2003）24年内减少了20%夏天的北极区域冰盖美国国家航天局卫星照片2.3气候变化2024/2/416

能源是人类文明和社会经济发展的重要物质基础，是国家可持续发展、国家安全和环境质量的根本保障，是每个国家都必须高度重视的战略资源。能源的短缺，无论是数量上还是结构性的，都直接和显著地影响国家经济与社会发展。能源的消耗直接或间接反映出一个国家的发达程度和人民的生活水平。能源发展的战略问题2024/2/417节能优先总量控制保障需求优化结构绿色低碳创新引领经济高效中国可持续发展的能源战略2024/2/418可再生能源技术风能利用技术太阳能利用技术生物质能利用技术先进的核能技术洁净煤技术节能技术应对挑战的中国能源技术2024/2/419中国可再生能源发展的总体战略补充能源替代能源主流能源主导能源第一阶段（2010年）：实行部分可再生能源技术的商业化，非水可再生能源定位为补充能源，占能源总需求的2%，总的可再生能源占一次能源需求的10%第二阶段（2020-2030年）：大批可再生能源技术达到商业化水平，非水可再生能源定位为替代能源。到2020年，非水可再生能源占能源总需求的5-10%，总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总需求的10-19%，总的可再生能源占一次能源需求的20-30%第三阶段（2050年）：全面实行可再生能源的商业化，大规模替代化石能源，可再生能源定位为主流能源，非水可再生能源占能源总需求的17-34%，总的可再生能源占一次能源需求的26-43%第四阶段（2100年）：可再生能源在能源消费中占50%以上，实现能源消费结构的根本性改变，可再生能源定位为主导能源2024/2/420新能源开发与利用技术——新能源和可再生能源2024/2/421太阳能水电生物质能地热能海洋能天然气水合物3新能源的几种形式风能氢能核能2024/2/4223.1太阳能

按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6×1010年。所以可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时（3.78×1024J），相当于1.3×106亿吨标准煤。2024/2/4231)总量最大——取之不尽，用之不竭（应对能源危机）2)分布最广——遍布世界各地（应对传统能源的区域差异和贸易壁垒）3)最清洁——利用过程中不会产生任何污染，也不会产生废弃物（应对环境恶化）4)能源品位低——需要一定的面积保证（通常认为在不考虑地球大气吸收的情况下，功率是1.39KW/m2

）5)不稳定因素多——多数利用方式受天气状况影响3.1.1太阳能特点2024/2/4243.1.2全球太阳能资源分布情况2024/2/425

我国太阳能分布：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°-35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。3.1.3我国太阳能资源分布特点2024/2/426太阳能光伏发电“虽有近忧，远景看俏”太阳能光伏具有最广阔的发展前景，是各国最有力发展的可再生能源技术之一成本太高是目前制约产业发展的首要障碍，短期还不具有大规模推广的价值权威机构预测：2030年太阳能光伏发电成本可能接近现在风电成本乐观预测：2020年太阳能光伏发电成本可能接近常规能源发电成本太阳能光伏2024/2/427太阳能光伏2024/2/4282016年全球光伏累计装机容量TOP10资料来源：欧洲光伏产业协会2024/2/4292024/2/430太阳能光伏2024/2/431太阳能光伏电池技术晶体硅电池单晶硅：光电转换效率最高24.2%，应用14-16%多晶硅：光电转换效率最高20%，应用12-14%非晶硅电池：光电转换效率6-8%硅薄膜：光电转换效率应用13.6%砷化镓电池：光电转换效率最高25.7%,应用18%硫化镉/硫化铜电池：光电转换效率最高12%碲化镉电池（薄膜）：光电转换效率应用9-11%2024/2/432太阳能光伏产业的未来高能耗、高污染、高成本与清洁能源国内产量依赖出口与国内市场消耗大规模并网电站与光伏建筑一体化多晶硅电池与非晶硅薄膜电池2024/2/433Biomass2024/2/4343.2生物质能

生物质能是指绿色植物通过光合用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。2024/2/4353.2.1生物质能的特点优点：燃烧容易，污染少，灰分较低。缺点：热值及热效率低，体积大而不易运输，直接燃烧生物质的热效率仅为10％一30％。2024/2/4363.2.2生物质能种类生物质能通常包括以下几个方面：1）木材及森林工业废弃物；2）农业废弃物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工业有机废弃物；6）动物粪便。2024/2/4373.2.3生物质转化液体和气体燃料生产过程2024/2/4383.2.3生物质能的利用——直接燃烧

农牧民学习使用节柴灶生物质的直接燃烧在今后相当长的时期内仍将是我国农村生物质能利用的主要方式。推广热效率可达20%～30%的节柴灶这种技术已被国家列为农村能源建设的重点任务之一。2024/2/439

物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂解技术等。可以把生物质转变成热值较高的可燃气、固定碳、木焦油及木醋液等物质。可燃气含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃气或工业用气。3.2.3生物质能的利用——物化转化秸杆发电2024/2/4403.2.3生物质能的利用——生化转化

生化转化主要包括厌氧消化技术和酶技术。厌氧消化是利用厌氧微生物的生长代谢过程将生物质转化为CH4

等可燃气体，同时得到厌氧发酵液、渣等厌氧发酵残留物，用作农田肥料，效果很好。酶技术是利用微生物体内的酶分解生物质，生产液体燃料，如乙醇、甲醇等。2024/2/441生物质制乙醇技术木质纤维素乙醇生产关键技术：木质纤维素降解技术：木质纤维素降解可以采用酸水解和酶水解两条不同的技术路线来实现，将木质纤维素大分子水解为可发酵性单糖，常用水解方法有：化学水解（浓酸水解、稀酸水解），酶水解发酵技术：由酵母或细菌将单糖发酵成乙醇精馏和脱水技术2024/2/4423.2.4生物质能的发展前景2003年我国生物质能开发利用量

从资源和技术（包括技术的经济性）两方面看，利用生物质能发电和生产生物燃油在我国有广阔的发展前景，将为满足我国的电力需求、石油需求起到重要作用，而且具有良好的经济、环境和社会效益。

2024/2/4433.3风能

风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量。太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW。2024/2/4443.3.1风能的特点风能的优点：蕴藏量大、分布广泛无污染、可再生适应性强、发展潜力大风能的限制性：能量密度低，只有水力的l／8l6

不稳定性，气流瞬息万变地区差异大2024/2/445最具发展潜力的新能源风电在中国拥有丰富的资源储备，在新能源中开发成本最低，具备大规模发展条件加速风电建设在现阶段成为中国能源战略的必然选择，风电正在上升至未来中国的主流能源之一的地位2024/2/446资源丰富区有山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城、阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地，以及分布各地的高山山口和山顶。3.3.2我国风能的分布2024/2/447利用风力可以发电、提水、助航、制冷、制热等。3.3.3风能的利用2024/2/448不同能源发电成本3.3.3风能的利用2024/2/4493.3.3风能的利用2001-2016年全球风电新增装机容量（MW）2024/2/450中国风电发展的主要驱动力强制性市场配额：国家关于落实可再生能源发电配额义务明确规定，到2020年，权益发电装机总容量超过500万千瓦的投资者，所拥有的非水电可再生能源发电权益装机总容量应分布达到8%以上风电投资商主要是国内大型国有企业，他们拥有巨大装机容量，风电业务仅仅是很小的一部分，完全处于政治考虑，盈亏无关紧要外国公司抢滩中国风电市场，带动国内风机制造业的发展，国内国营、民营企业纷纷进入，到2008年，风电整机制造企业超过70家，面临产能过剩问题2024/2/4513.3.4风力发电现状与发展趋势产能过剩、竞争激烈核心技术缺失设备产品质量不稳定风电场建设和电网建设不协调小型离网型风电系统（单机容量100kW以下），用于分布式供电系统风电的并网与非并网：大规模非并网风电与高耗能产业耦合；风电制氢2024/2/4523.4水能---水电---小水电

所谓小水电，通常是指电站总容量在5万kW以下的小型水电站及与其相配套的小电网的统称。小水电的开发方式，按照集中水头的办法，可分为引水式、堤坝式和混合式三类。

2024/2/453小水电的特点工程简单、建设工期短，一次基建投资小，水库的淹没损失、移民、环境和生态等方面的综合影响甚小。而且小水电接近用户，输变电设备简单、线路输电损耗小，水电发电的效率为同等规模的热电站的两倍以上。2024/2/4543.5地热能

地热能是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量。2024/2/4553.5.1地热能的分类

地热能按赋存形式可分为水热型（又分为干蒸汽型、湿蒸汽型和热水型）、地压型、干热岩型和岩浆型四大类；按温度高低可分为高温型（＞150℃）、中温型（90～149℃）和低温型（≤89℃）。阿里地区地热田冰岛地热2024/2/4563.5.2地热能的分布

就全球来说，地热资源的分布是不平衡的。明显的地温梯度每公里深度大于30℃的地热异常区，主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞，衰亡-消减带部位。环球性的地热带主要有下列4个：1）环太平洋地热带2）地中海一喜马拉雅地热带3）大西洋中脊地热带4）红海一亚丁湾一东非裂谷地热带2024/2/457

从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%。据美国地热资源委员会（GRC）1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。3.5.3地热能的开发2024/2/458西藏羊八井地热电站

我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。3.5.4我国地热能的开发2024/2/4593.6海洋能

海洋能是指海水在运动过程中产生的能为人类利用的能量，理论能量总量约为766亿千瓦，是名副其实的“蓝色煤海”。2024/2/4603.6.1海洋能的分类按其成因可分为：潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。按其储存形式可分为：机械能（潮汐能、波浪能和海流能）、热能（海水温差能）和化学能（海水盐差能）2024/2/461浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。法国朗斯电站3.6.2海洋能的利用

海洋能最主要的利用方式就是发电。全球仅可利用的潮汐能就达30亿千瓦，年发电量约为26万亿度，这比目前世界上全部的水力发电量大一倍。全世界潮汐电站的总装机容量为265兆瓦，中国为5.64兆瓦。2024/2/4623.7核能技术核能：在核反应过程中，发生了质量亏损，而不像普通的物理化学反应一样遵循质量守恒定律。正是这部分亏损的质量转换成了能量，遵循爱因斯坦的质能关系核裂变能：将平均结合能比较小的重核分裂成两个或多个平均结合能大的中等质量的原子核，同时释放出核能。核聚变能：将平均结合能比较小的轻核，在一定条件下聚合成一个较重的平均结合能较大的原子核，同时释放出核能。2024/2/463第一代核电1954年前苏联建成5MW试验性核电站1957年美国建成90MW原型核电站第二代核电从二十世纪六十年代开始建设300MW以上商业核电站第三代核电美国：SYST