《碳中和导论》课件 第1-4章 绪论、绿色能源-储能技术与绿色燃料

绪

论——《碳中和导论》第一章“3060双碳目标”

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”（简称：“3060双碳目标”）。碳达峰碳中和碳达峰：即碳排放峰值，是指一个经济体或地区二氧化碳的最大排放值；是指碳排放量在某个时点达到峰值后不再增长。碳中和：是指在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳（温室气体）排放总量，通过自然或人为技术手段加以抵消，实现碳排放与碳吸收的平衡，达到二氧化碳“净零排放”。国家政策教育部相关政策文件基本概念光合作用温室气体温室效应二氧化碳当量固碳净零排放光和作用绿色植物利用太阳的光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并释放氧气的过程，称为光合作用。光合作用所产生的有机物主要是碳水化合物，并释放出能量。光合作用过程主要包括光反应、暗反应两个阶段。温室气体温室气体指的是大气中能吸收地面反射的长波辐射，并重新发射辐射的一些气体，如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得更暖，类似于给地球增加了一个“保温罩”。这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”。温室气体有哪些？温室气体主要包含以下七种：二氧化碳（CO2）（占温室气体的74.4%）、甲烷（CH4）（占温室气体的17.3%）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCS）（例如氟利昂）、全氟化碳（PFCS）（主要成分为四氟化碳（CF4）和六氟乙烷（C2F6）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮（NF3）。温室气体温室效应地球上的能源最主要的是来自太阳的短波辐射，地球大气对来自于太阳的短波辐射几乎是不吸收的，地表在接收了太阳短波辐射后会被加热，然后向宇宙空间释放长波辐射，使地球表面冷却。如果地球表面接收的太阳短波辐射和外射的长波辐射保持平衡，地球气候就可保持不变。温室效应工业革命以来，由于人类大量使用化石能源向大气中排放二氧化碳等温室气体，增加的温室气体吸收了更多向宇宙空间放射的长波辐射，使入射的太阳短波辐射和外射的长波辐射发生变化。像温室大棚一样，释放的长波辐射被大棚的玻璃墙所截获。使地球表面温度升高，从而造成全球的气候变暖。因此，温室效应，又称“花房效应”。二氧化碳当量为统一度量整体温室效应的结果，需要一种能够比较不同温室气体排放的量度单位，由于CO2增温效益的贡献最大，因此，规定二氧化碳当量为度量温室效应的基本单位。一种气体的二氧化碳当量为这种气体的吨数乘以其全球变暖潜能值（GWP）。CO2的GWP为1，其他温室气体的GWP值一般大于二氧化碳的，但由于它们在空气中的含量少，仍然认为CO2是造成温室效应的主要气体。固碳所谓固碳(Carbonsequestration)，也叫负碳、碳封存。指的是以捕获碳并安全封存的方式来取代直接向大气中排放CO2的过程。包括物理固碳和生物固碳。净零排放“净零排放”不是说“不排放”（完全“不排放”是不可能的，每个人的呼吸都会吸入氧气、排放二氧化碳），而是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“净零排放”。内容要点

——本章重点物质与能量之间是如何转化的？请举例说出人类发展历史上几个阶段性的能源利用技术，并说明它对人类社会展所起的作用。说出几个“绿色”在日常生活中的含义；在碳中和中的“绿色”又是什么含义？在碳中和的实现过程中，有哪些具体的技术和策略可以帮助减少温室气体排放？为什么我们要先实现碳达峰，再实现碳中和？目录太阳光

能源与碳循环第一节碳达峰·碳中和概述第二节碳达峰·碳中和的发展现状第三节碳中和的实现路径和发展方向第四节本书内容提要第五节PART01碳达峰·碳中和概述万物生长靠太阳太阳是能源的源泉能源与碳循环（碳基生命）能源利用技术进步是人类文明和社会进步的阶梯1.1.1万物生长靠太阳太阳光太阳给地球带来无限生机。太阳光是由数不清的光子构成的。光束本身是电磁波，光子是光线中携带能量的基本粒子。一个光子能量的多少与波长相关，波长越短，能量越高。到达地球的太阳光主要由可见光、波长大于可见光的红外线，以及波长小于可见光的紫外线共同组成。在地面上观测的太阳辐射波段范围大约为0.295～2.5微米。短于0.295微米和大于2.5微米波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面。1.1.2太阳——能源之源太阳——能源之源什么是能源？

能源是可以转化为提供人类所需能量的资源，是能量的物质载体，能源是国民经济和社会发展的命脉。物质、能量、信息是构成客观世界的三大基本要素。太阳是距离地球最近的恒星，太阳以日光的形式照射地球，我们的能源绝大部分直接或间接来自太阳的能量。从碳中和的角度，按能源释放能量的过程中碳排放状况分类，能源可分为化石能源、绿色能源和中性能源。化石能源化石能源是高碳排放能源。煤炭、石油、天然气等化石燃料蕴含的能量是远古生物固定和积累的太阳能，是生物质的化石。煤是由古代植物死亡后被埋于地下，由于厌氧菌和地壳运动的作用，氢、氧、氮的含量慢慢减少，碳的含量相对增加，逐渐行成了泥炭、褐煤、烟煤等。石油和天然气则是大量的海洋生物的遗骸随着泥沙一起沉入海底，长年累月地层层堆积起来，与外界空气隔绝，经过细菌的分解，及地层内的高温、高压作用，慢慢形成了石油和天然气。绿色能源什么是绿色能源？绿色能源是在释放能量的过程中不排放温室气体的能源。12什么是太阳能？太阳能是太阳内部不停的核聚变反应释放的核能，太阳为地球带来光能，并且通过各种渠道形成了绿色能源。太阳光是光伏、风能、水能、潮汐能等绿色能源的产生源泉。绿色能源太阳能是太阳内部不停的核聚变反应释放的核能，太阳为地球带来光能，并且通过各种渠道形成了绿色能源。通过光电效应、相应设备等将光能直接转化为电能的过程为光伏发电；通过太阳辐射造成地面受热不均，大气压分布不均，空气沿水平方向运动成风从而产生风能；通过太阳辐射蒸发水成为水蒸气形成雨云，再通过大气流动转移到海拔较高处并以降水形式回到地面，再向海拔相对较低处流动，因水位差形成水力势能（水能）；通过太阳辐射造成海洋表层与深层温差产生温差能及潮汐能、波浪能等海洋能；太阳能通过分解水、热化学循环或其他途径可以转换成氢能；通过核反应从原子核释放的能量形成核能，核能是通过原子结构改变而释放出来的能量，在核能发电过程中不产生温室气体，故核能是绿色能源。中性能源利用太阳光进行植物的光合作用，将太阳能以化学能形式贮存在生物质中，即以生物质为载体的能量，称为生物质能；生物质能是可再生能源，但生物质作为燃料在燃烧时排放二氧化碳，因此生物质能不是绿色能源；植物在生长过程中吸收二氧化碳，在利用生物质能得过程中会释放二氧化碳，生物质能对二氧化碳的利用为“净零排放”。生物质能使碳中性的，因此，我们称生物质能为中性能源。1.1.3能源与碳循环能源与碳循环碳循环是碳元素以与化合物形式在大气、土壤层以及生物圈之间储存、相互转换以及转移的复杂的动态循环过程。大气、土壤、水体和岩石之间的碳循环大气与土壤之间的碳交换主要通过土壤生物、化学和物理等自然过程实现。例如在土壤中微生物能够分解土壤中的有机碳，土壤中的碳化合物在化学作用下产生的CO2释放到大气中。大气与水体之间的碳交换从原理上可分为物理、化学和生物三种方式。大气中的CO2浓度通常高于水体中CO2的浓度，因此浓度差促使CO2从大气中不断扩散至水体中，并以碳酸盐的形式储存在水体中；水中的浮游植物通过光合作用将大气中的CO2转化为有机碳，同时水体中的生物的通过呼吸作用也会将产生CO2释放到大气中。大气、土壤、水体和岩石之间的碳循环大气与岩石的碳交换分为表层交换和深层交换。大气与岩层表层之间的碳交换主要发生在地表或直接暴露于地面的岩石中，通过风化作用实现。岩石有机碳氧化和碳酸盐矿物的氧化风化会释放CO2到大气中。此外，地表的硅酸盐和碳酸盐在降雨条件下吸收大气中的CO2，发生矿化作用，形成新的岩层。而岩层深层与大气的碳交换这是通过板块运动将岩层中的碳化物在地层深处经过高温分解，以火山爆发的形式释放到大气中。土壤与水体的碳交换，主要通过地表径流将土壤孔隙中的一部分CO2吸收形成碳酸盐，同时土壤中的一些颗粒有机碳或无机碳也会随着地表流经作用进入水体。在水体中，溶解的有机碳和无机碳会通过物理化学作用形成沉淀物进入土壤。生物圈与大气、土壤、水体和岩石之间的碳循环生物圈与大气、土壤、水体和岩石之间的碳交换主要通过动植物的生命活动实现。生物圈与大气中的碳交换通过自养生物的光合作用以及动植物的呼吸作用实现。光合作用是植物的第一条碳通道，绝大部分植物通过光合作用把空气中的CO2转化为碳水化合物，主要存在形式为葡萄糖、淀粉、蛋白质等，用于植物细胞的呼吸作用、能量储存、细胞结构形成等生命活动。光合作用是自然界中实现碳循环关键环节，对维持生物圈的稳定性起着非常重要的作用，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义：①将无机物转变为有机物；②将光能转化为化学能并贮存；③调节了自然中二氧化碳和氧气的水平，稳定了生物圈的温度和物质循环。生物圈与大气、土壤、水体和岩石之间的碳循环人、动物与植物的碳-氧互补转换是自然界生存发展和生态平衡的基石。整个生物圈满足能量守恒定律，植物在同化无机碳化物的同时，把太阳能转变为化学能，储存在所形成的有机化合物中。有机物中所存储的化学能，除了供植物本身和全部异养生物之用外，更重要的是可供人类营养和活动的能量来源。在水体中，浮游动植物体的呼吸作用产生的CO2会溶解水体中，水体中溶解的CO2也会通过钙化作用形成甲壳类动物的躯壳。在土壤中，通过根系的生长将土壤中的碳固定在根系中，而动植物死亡后残体中的有机碳会埋入土壤，然后被土壤中的微生物分解后以CO2的形式返回到大气中，另一部分则以有机碳和无机碳的形式存储在土壤中。1.1.4能源利用技术进步是人类文明和社会进步的梯级第一次能源革命钻木取火标志着人类从利用自然火到利用人工火的转变，是能量转化方面的第一次技术创新。人类以树枝、杂草等当燃料，用于熟食和取暖；靠人力、畜力，并利用简单的水力与风力机械作动力，从事自给自足式的生产生活方式。柴薪燃烧释放的二氧化碳通过植物光合作用进行吸收，实现了自然生态平衡。第二次能源革命随着社会逐步发展，人类需求进一步增加，为提高生产力，人类社会迎来了第一次科技革命即工业革命。第二次能源革命开始于18世纪的英国，以蒸汽机的发明为主要标志，开辟了工业、交通运输业的新局面，进一步提高了人类利用能源的能力，能源的使用以煤炭为主。人类社会进入了利用机械力的工业文明时代。这一时代也被称为煤炭时代。随着电磁学的发展，人类先后发明了电动机和发电机，以电力技术、内燃机为标志的第三次科技革命和第二次工业革命的到来。电能的使用极大改变了人类的生产生活方式，人类社会进入了“电气时代”。两次工业革命带来了技术上极大的创新与突破，经济迅速增长，生产效率逐步提升。第三次能源革命持续使用了200多年的化石能源不仅面临战略性资源枯竭，而且给地球的生态环境造成极大的破坏。新能源革命是利用绿色能源满足人类不断增长的能源需求，并逐步替代化石能源。第四次能源革命能源革命是推动人类文明的源泉，技术创新是能源革命的内在动力。人类能源演进史PART02碳达峰·碳中和概述气候变化及应对策略碳中和的本质与绿色思维碳中和工程与绿色能源1.2.1气候变化及应对策略思考说一说我们身边最直观感受到全球气候变暖的例子。1你了解到近几年全国的重大自然灾害有哪些？2根据《2021年全球气候状况》报告：自19世纪以来，人类通过燃烧化石燃料获取能源，导致全球温度比工业革命前的水平高出了1.1℃，气温上升的速度远远超出了预期，而在未来二十年会继续升温。全球气候变化主要是指温室气体增加导致的全球变暖，而全球变暖是由于工业革命之后，化石能源——煤炭、石油和天然气等燃烧量不断增加，排放大量二氧化碳、甲烷等温室气体；另一方面大规模的森林被砍伐，自然固碳能力减弱，导致大气中的二氧化碳无法被吸收，碳循环的平衡被打破。全球气候变暖及成因全球气候变暖及成因影响最大的温室气体是什么？二氧化碳是对环境威胁最大的温室气体，它在大气中存在数百年以上，从而导致大气中的二氧化碳浓度不断增加，工业化时代的二氧化碳浓度为280ppm，然而2021年二氧化碳浓度达到了创纪录的417ppm（ppm为“百万分之一”，这里指二氧化碳在大气中的体积分数）。温室气体造成的温室效应使大气的保温作用增强，从而使全球温度升高。全球气候变暖及成因工业革命以来人类能源消耗的增长1850～2020年全球平均气温（相对于1951～1980年平均值）表明1750年以来人类对化石能源的消耗导致二氧化碳排放量呈上升趋势、全球平均温度升高，二者呈现正相关性。国际社会应对气候变化的政策方案和平与发展是人类社会发展的两大主题。气候问题、能源问题、粮食问题、人口问题都是人类社会发展过程中不可忽视的问题。现阶段，气候问题已经从一个自然问题演变成了全球性问题，任何一个国家、企业和个人都无法逃脱全球变暖的负面影响。减少碳排放以应对气候变化逐步成为全球共识，国际社会为应对气候变化提出相应政策措施，一方面，我们要通过绿色能源取代化石能源、提升能效等方式降低碳排放；另一方面，我们要通过植树造林、碳捕集、利用与封存技术等提升碳去除水平。国际社会应对气候变化的政策方案全球应对气候变化的政策方案1.2.2碳中和的本质与绿色思维碳中和的本质（1）应对气候变化，全球减少大气温室气体排放的过程和目标。（2）全人类去碳化的能源革命、生态化的技术革命、绿色化的工业革命，将从根本上改变每个人的生产、生活、消费和思维方式，对人类社会和经济发展带来深刻变革。（3）人类社会能源利用从太阳远古演化的非绿色能源（薪柴、煤、石油、天然气）逐步转化为太阳光直接或间接转化的绿色能源的过程，也是回归自然界本源的过程；是人与自然和谐共生永续发展的过程。从内在根源上看，碳中和主要包含以下三层含义：节能提效是碳减排最现实、最可行的路径。社会需求是科技发展的源泉，创新是社会发展的原动力。技术和模式创新是碳中和的内生动力。坚持节约优先，树立“节能是第一能源”的理念。首先是尽最大可能减少能源使用，杜绝能源浪费。其次，通过技术创新提高绿色能源发电和提高能量使用效率。节约能源是长期渐进复杂的过程，节能提效技术创新是构建碳中和的内在发展动力。节能提效碳中和的本质绿色思维绿色思维即碳中和思维，是以碳中和为中心构建的思维模式。绿色生态系统的构建是保障人类永续发展的能源革命，也是一项全球各国都要积极参与的、多维、立体、长期、复杂的系统工程。广义上来讲，绿色是植物的颜色。

绿色寓意：环保、生机、健康、生态、无污染、节能、可持续性、一切万物的根源等等，也代表着一种精神、一种理念，是人类一直所追求的永续发展之路、人与自然和谐共生的象征。绿色思维狭义上来讲：以遏制全球气候变化，促进人与自然和谐共生为目标，发展绿色关键技术，推动能源结构和产业结构转型升级，降低二氧化碳排放量，逐渐实现“低碳、净零碳、脱碳”的过程。“绿色”是一种趋势，是人类认识世界、尊重科学、敬畏自然、以人为本、实现科学发展的过程；是实现“绿水青山”、构建环境优美的“绿色”中国的过程。1狭义上来讲：2以绿色技术创新为目标，节能增效、降低碳排放强度、实现能源转型；用智能电力系统代替传统电力系统，逐步构建绿色电力系统。通过植树造林等提高自然固碳能力；优化升级负碳技术，提升固碳效率，实现绿色低碳发展。绿色思维狭义上来讲：3以经济手段实现“绿色”发展。通过碳交易、碳汇市场、碳税激励绿色能源产业及相关技术发展，以最低成本、最高效率改变能源结构，以市场经济促使绿色低碳发展，还原大自然该有的颜色——绿色。绿色思维1.2.3碳中和工程与绿色能源碳中和工程碳中和工程是为应对全球气候变暖，以大气温室气体浓度不再增加的目标（即碳达峰碳中和）为依据，综合应用相关科技创新知识和经济手段，进行顶层规划、综合设计、系统优化，制定技术方案、技术路径、实施细则，通过科学管理、整体协调、总体实施、科学评价等工作的开展，最终实现碳中和的过程。碳中和工程是全球有史以来涉及生态与能源问题的规模最大、时间最长、最复杂的系统工程。中国碳中和工程是全球碳中和工程中最重要的组成部分。绿色能源将推动人类发展与社会进步以绿色技术构建的绿色生态系统是人类文明社会进步的新开端。生态环境是人类赖以生存的空间，环境条件的优劣直接影响人类的生活质量。绿色能源的利用可以大大减轻人类对化石能源的消耗和依赖，为国民经济提供能源供应。绿色能源是经济实现绿色低碳发展目标的基础和保障。绿色能源的开发和利用也将拉动制造业等行业的经济增长，带动农业生态建设，巩固封山育林和退耕还林成果，同时也将促进就业和西部边远地区脱贫致富。PART03碳达峰·碳中和的发展现状全球碳中和进展中国碳中和的发展现状1.3.1全球碳中和进展全球碳中和进展世界资源研究所（WRI）的统计显示，全球已经有54个国家碳排放实现达峰。2020年，全球碳排放排名前15位的国家中，美国、俄罗斯、日本、巴西、印度尼西亚、德国、加拿大、韩国、英国和法国已经实现碳排放达峰，其中，欧盟已于20世纪90年代实现碳达峰，峰值为45亿吨；美国则在2007年实现了这一目标，峰值为59亿吨。全球碳中和进展欧盟颁布“绿色新政”希望主导碳中和规则制定，2020年7月承诺到2050年成为首个实现碳中和的大陆。2020年9月中国宣布碳中和，随后日本、韩国宣布碳中和。12021年4月22日，美国总统正式宣布了美国2050年碳中和的目标。将气候变化视为国家安全的核心优先事项，对内以2050年碳中和为目标推进国内低碳经济转型，对外以气候外交为抓手强化全球领导力和影响力。22021年11月1日印度总理莫迪宣布2070年实现碳中和，并声明“实现净零排放，印度工业需要在深度脱碳技术方面进行巨额投资、技术转让和创新”。3全球碳中和进展截止2022年3月，已经有137个国家和地区承诺实现碳中和，这就意味着占全球经济总量75%以上的国家，碳中和已经成为全球发展转型的主流和方向。已承诺实现碳中和的国家和地区占据全球的比重1.3.2中国碳中和发展现状思考你家乡所在的城市近年来有哪些响应“3060双碳目标”的措施？1说一说家乡近几年环境、气候的变化？2碳排放现状及能源消费国际能源署的相关数据显示，2022年全球二氧化碳排放总量为360.7亿吨，我国二氧化碳排放总量占全球二氧化碳排放的31.8%，居全球首位，但我国的人均二氧化碳排放量仅为7.84吨，远远低于发达国家。全球碳中和进展2022年主要国家GDP二氧化碳排放情况国家GDP（亿美元）人口（万）CO2排放（百万吨）人均排放（吨/人）单位GDP排放（kg/美元）人均GDP（美元）中国18100014125511067.87.840.61148112814俄罗斯22153143441865.3130.84200815444美国254645333534983.114.940.19568876348日本42335125171071.38.560.25305333822德国407548379661.87.900.16238948636碳排放现状及能源消费中国被誉为“世界工厂”，拥有着世界上最庞大的工业制造业体系，也必然会带来最大的能源消耗和温室气体排放；我国的能源消费总量和能源消费结构也影响着我国的碳排放量。我国碳排放来源主要是由于传统能源的使用，2021年我国煤炭消费量为54.4亿吨，占终端能源消费的56.0％，是我国主要终端能源消费。碳排放现状及能源消费中国碳达峰·碳中和目标中国碳达峰·碳中和目标到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现，生态文明建设取得丰硕成果，开创人与自然和谐共生新境界。预计从2020-2030年，我国能源消费总量将增长20%；非化石能源占一次能源比重将从16.4%上升到26.0%；化石能源占比将从83.6%下降至74.0%，其中煤炭、石油和天然气消耗总量分别于2025年、2030年和2040年达峰。12中国碳达峰·碳中和目标中国碳中和进展我国“双碳”政策是经历了长期研究和论证，党中央经过深思熟虑做出的重大决策部署，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，是倒逼我国坚持走高质量发展和高水平保护的内在要求，也是保护人类地球家园的最低限度的行动。严格控制化石能源消费。加快煤炭消费减量步伐，加快壮大新能源产业，深化能源体制机制改革，全面推进绿色转型发展是我国实现碳达峰碳中和的重要一步。中国碳中和进展近年来，我国煤炭消费量占能源消费总量的比重持续下降，比2020年下降0.9个百分点。绿色能源消费量占比逐渐提高。2021年，全口径非化石能源发电量2.9万亿千瓦时；占全口径总发电量的比重为34.6%。其中，水电发电量13401亿千瓦时；核电发电量4075亿千瓦时；风电、太阳能发电、生物质发电创历史新高，发电量分别达6556亿千瓦时、3270亿千瓦时、1637亿千瓦时。中国碳中和进展PART04碳中和实现路径和发展方向中国的碳中和策略实现“双碳”目标的技术路径绿色理念与公众生活碳中和未来发展方向1.4.1中国的碳中和策略国家发展战略：逐步进入碳排放强度和总量双控《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》提出，加快推动绿色低碳发展，强化绿色发展的法律和政策保障，发展绿色金融，支持绿色技术创新，推进清洁生产，发展环保产业，推进重点行业和重要领域绿色化改造，推动能源清洁低碳安全高效利用，发展绿色建筑，降低排放强度，支持有条件的地方率先达到碳排放峰值；制订2030年前碳排放达峰行动方案，积极参与引领气候变化等生态环保国际合作。政策规划：驱动经济社会系统性变革2021年10月，中共中央、国务院正式发布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，对碳达峰、碳中和工作作出顶层设计和系统谋划。国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，对碳达峰行动作出具体部署，加紧制定碳达峰行动方案和相关政策，碳达峰·碳中和被提到了前所未有的高度，各项工作全面铺开。近年来中国针对“双碳”工作的发展进程顶层设计：“1+N政策体系”“N”：则包括国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》，以及其他重点领域和行业政策措施和行动，后续将继续完善包括能源、工业、交通运输、城乡建设等分领域分行业碳达峰实施方案，以及财政金融价格政策、标准计量体系、督查考核等保障方案，共同确保碳达峰碳中和工作的顺利进行。“1”：中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。主要通过在以下几点来实现双碳目标：优化能源结构，控制和减少煤炭等化石能源

推动产业和工业优化升级推进节能低碳建筑和低碳设施

构建绿色低碳交通运输体系

1234顶层设计：“1+N政策体系”主要通过在以下几点来实现双碳目标：发展循环经济，提高资源利用效率推动绿色低碳技术创新出台配套经济政策和改革措施

发展绿色金融5678建立完善碳市场和碳定价机制实施基于自然的解决方案910顶层设计：“1+N政策体系”1.4.2实现“双碳”目标的技术路径“三端共同发力体系”电力/热力供应端的以煤为主应该改造发展为以风、光、水、核、地热等可再生能源和非碳能源为主，构建起以新能源为主的新型电力系统，应包括发电、储能和输电三大部分。1“能源消费端”主要表现在电力替代、氢能替代以及工艺重构，电力替代、氢能替代以及工艺重构的推广需要在工程层面进行突破，大力推广创建绿色企业、绿色园区（生活和产业）、绿色行业、绿色区域（城市和国家）。2“三端共同发力体系”“固碳端”包括自然固碳和技术固碳。自然固碳是通过海洋和陆地表面把大气中的二氧化碳吸收固定。人类活动每年都大气中排放二氧化碳，其中一部分可以被自然过程所吸收，余下部分如不通过技术手段予以固定，则大气中的二氧化碳浓度还会逐年增高。3“三端共同发力体系”实现碳中和的四个阶段:控碳阶段“控碳阶段”，争取到2030年把二氧化碳排放总量控制在较低峰值。在这第一个十年中，交通领域争取大幅度增加电动汽车和氢能运输占比，建筑领域的低碳化改造争取完成半数左右，工业领域利用煤＋氢＋电取代煤炭的工艺过程完成大部分研发和示范。这十年间增长的电力需求应尽量少用火电满足，而应以风、光为主，内陆核电完成应用示范，制氢和用氢的体系完成示范并有所推广。“减碳阶段”，争取到2040年把二氧化碳排放总量控制在峰值的85%之内。在这个阶段，争取基本完成交通领域和建筑领域的低碳化改造，工业领域全面推广用煤/石油/天然气＋氢＋电取代煤炭的工艺过程，并在技术成熟领域推广无碳新工艺。这十年，火电装机总量争取淘汰15%的落后产能，用风、光资源制氢和用氢的体系完备并大幅度扩大产能。实现碳中和的四个阶段:减碳阶段“低碳阶段”，争取到2050年把二氧化碳排放总量控制在峰值的60%之内。在此阶段，建筑领域和交通领域达到近无碳化，工业领域的低碳化改造基本完成。这十年，火电装机总量再削减25%，风、光发电及制氢作为能源主力，经济适用的储能技术基本成熟。据估计，我国对核废料的再生资源化利用技术在这个阶段将基本成熟，核电上网电价将有所下降，故用核电代替火电作为“稳定电源”的条件将基本具备。实现碳中和的四个阶段:低碳阶段“中和阶段”，力争到2060年把二氧化碳排放总量控制在峰值的25%-30%。在此阶段，智能化、低碳化的电力供应系统得以建立，火电装机只占目前总量的30%左右，并且一部分火电用天然气替代煤炭，火电排放二氧化碳力争控制在每年10亿吨，火电只作为应急电力和承担一部分地区的“基础负荷”，电力供应主力为光、风、核、水。除交通和建筑领域外，工业领域也全面实现低碳化。尚有15亿吨的二氧化碳排放空间主要分配给水泥生产、化工、某些原材料生产和工业过程、边远地区的生活用能等“不得不排放”领域。其余5亿吨的二氧化碳排放空间机动分配。实现碳中和的四个阶段:中和阶段1.4.3绿色理念与公众生活培养公众绿色意识2021年2月，生态环境部等六部门联合印发了《“美丽中国，我是行动者”提升公民生态文明意识行动计划（2021-2025）》，提出提升公民生态文明意识，把建设美丽中国化为全社会的自觉行动。因此，要培养全民绿色意识，从自身做起，从现在做起，杜绝浪费、毁绿行为，让家园更绿色、空气更清新、生活更美好。全民践行绿色生活方式培养践行绿色低碳理念、适应绿色低碳社会、引领绿色低碳发展，充分发挥教育在人才培养、科学研究、社会服务、文化传承的功能，为培养绿色低碳发展的一代新人作出贡献。生活方式绿色化是一个社会转变过程，需要从完善保障措施，营造良好的低碳生活氛围，推广全民绿色低碳生活方式等多方面协调推进。1.4.4碳中和未来发展方向实现碳中和的挑战一是我国使用的能源大量依靠于进口。二是我国的能源禀赋以煤为主。我国的发电长期以煤为主，这同石油、天然气在火电中占比很高的那些欧美发达国家比，是资源性劣势。三是我国制造业的规模十分庞大，拥有全球最为完整的工业体系，小到螺丝钉生产，大到航天领域，中国的制造业已经包含了所有工业种类。四是我国经济社会还处于压缩式快速发展阶段，城镇化、基础设施建设、人民生活水平提升等方面的需求空间巨大。五是我国的能源需求在增长，意味着我国能源的使用无论是总量还是人均都会继续增长。实现碳中和的机遇一是我国光伏发电技术在世界上已是“一骑绝尘”，风力发电技术处在国际第一方阵，核电技术也跨入世界先进行列，建水电站的水平更是无出其右者。二是我国西部有大量的风、光资源，尤其是西部的荒漠、戈壁地区，是建设光伏电站的理想场所，光伏电站建设还可带来生态效益；东部我们有大面积平缓的大陆架，可以为海上风电建设提供大量场所。三是我国的特高压输电技术，从技术方面来说，我国的电力系统在全国范围内实现智能自动化，效率高，成本低，并且我国的输电设备上也是较领先的，我国的特高压输电技术的成熟，让跨国跨州电力网成为可能。实现碳中和的机遇四是我国储能技术的发展优势，我国主流储能技术总体达到世界先进水平，储能用锂离子电池具备规模化发展的基础、液流电池、压缩空气储能技术已进入商业化示范阶段，基本实现了关键材料和设备的国产化。五是我国的森林大都处在幼年期，还有不少可造林面积，加之草地、湿地、农田土壤的碳大都处在不饱和状态，因此生态系统的固碳潜力非常大。六是我国的新型举国体制优势将在碳中和历程中发挥重大作用，因为碳中和涉及大量的国家规划、产业政策、金融税收政策等内容，需要真正下好全国一盘棋。PART05本书内容提要本书内容提要思考题“近零排放”是完全不排放吗？请举例说明。1为什么目前不允许燃烧秸秆了？2如何理解“万物生长靠太阳”？3作为当代大学生，我们能为实现碳中和做出哪些贡献？4THANKS!——《碳中和导论》第一章2026年11月3日

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源——《碳中和导论》第二章内容要点理解能源分类及绿色能源的内涵；理解太阳能光伏发电技术的基本原理与各类太阳电池的分类及其特点；理解风力发电的基本原理及其关键技术；理解水能相关技术的基本原理；了解核能相关的基本原理及其关键技术；理解太阳热能、海洋能、地热能的基本原理与相关技术；了解绿色能源互补利用技术。本章重点内容要点能源按品质分类的原理；核能中核聚变和核裂变基本原理及其应用；绿色能源综合利用体系的关键技术与作用。本章难点目录Contents风能技术第三节水利发电技术第四节核能技术第五节其他绿色能源技术第六节第二节第一节第七节概述太阳能光伏技术绿色能源互补利用PART01绿色能源概述能源利用与分类能源的品质及其分类能源利用与生态文明绿色能源的发展概述能源利用技术的发展始终伴随着人类文明的发展，每一次能源的开发利用技术的突破，都极大地促进了生产力的提高和文明的进步。顺应能源发展规律，发展绿色能源对保障国家能源安全具有重要意义。概述地球上的能源主要来自太阳，并以不同的能量形式存在，如：热能、电能、机械能、化学能、辐射能等。工业化以来，能源利用与环境协调发展之间的矛盾日益严重，一方面支撑人类社会发展的化石能源面临枯竭，另一方面由于能源消耗增加，二氧化碳等温室气体的排放量大幅上升，温室效应导致地球环境恶化，气候灾害频繁发生。因此，加速发展绿色能源，尽快实现从常规能源向绿色能源过渡，是解决能源危机与生态环境协调发展问题的必由之路。2.1.1能源利用与分类能源利用与分类热力学原理与能源利用热是能量的一种形态，可以转化成其它形态的能量，大多数能源的利用表现为热能的转化和传递。人类文明就是利用热能转化为其他形态的能量而发展起来的。热可以通过传导和辐射的方式向外释放。根据热力学原理，热能总是从高温之处向低温之处传递，并最终趋于平衡；在这个过程中，能量并不损失，只是在物质之间传递或者在不同形态之间转换。科学利用能源的关键，在于提高能源的高效利用与转化。能源的利用效率一般是以热能转化中可利用的能量来衡量的。由于电能是目前应用最广泛、最方便的能源，所以对能源利用效率问题总是折算成发电效率来进行衡量。能源利用与分类能源分类按能量来源分类：第一类是来自地球本身的能量，第二类是来自太阳的能量，第三类是地球与太阳、月球等天体相互作用产生的能量。按能源的产生方式分类：可以将能源分为一次能源和二次能源。一次能源是指在自然界直接存在的能源，包括石化能源、核能、太阳能、风能等。二次能源是指经过加工或转换而成的能源产品，如电能、氢能、煤气、蒸汽以及各种石油制品等。按能源使用性质分类：能源按照使用性质分类，可以分为燃料性能源和非燃料性能源。燃料性能源指通过直接燃烧而产生能量的能源，非燃料性能源指不需通过燃烧就可获得能量的能源。按温室气体排放分类：可分为绿色能源、非绿色能源和中性能源，其中太阳能、风能、水能、核能、氢能、地热能、潮汐能等是绿色能源，生物质能是中性能源。2.1.2能源的品质及其分类能源的品质及其分类能源的来源

宇宙中存在四大基本力，即：万有引力（重力）、弱力、电磁力、强力。其中万有引力最弱，强力最强。能源利用就是通过技术手段，探索并释放宇宙中的四大基本力的作用，从而获得能量。

万有引力是任何物体之间存的相互吸引力，是四个基本相互作用中最弱的，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵销）。

弱力，又称弱核力，是指弱相互作用力，简称弱力。弱力的作用距离比强力更短，作用力的强度也比强力小得多，是四种基本力中第二弱的、作用距离第一短的一种力。

电磁力是两个带电粒子或物体之间的相互作用力，两个相互运动的电荷之间存磁力。世上大部分物质都具有电磁力，而磁与电是电磁力的其中一种表现模式。

强力，又称为强核力，一般指强相互作用力。所有存在宇宙中的物体都是由原子构成，而原子核是由中子和质子组成。能源的品质及其分类能源的品质与能效

能源的品质主要是从人类利用的出发点来评价的，可以根据其所释放能量的大小和能量转换效率来衡量，即能效越高，能源品质也就越高。这一概念就是热㶲分析所讨论的问题，其核心是热力学第二定律。所谓㶲就是指与周围环境处于非平衡状态下的某一体系，在与周围环境接触并达到与之相平衡的状态时所可能产生的最大功，或者理论最大功。从高温热源获得同样的热量（能量），所得的㶲越大，能量的转换效率就越高，相应的能源的品质就越高。

㶲是热力系统内部完全为可逆过程时所能获得的最大可用能量，根据热力学第二定律，因热产生的㶲为其中，

为从高温热源可释放的热量

为高温热源的温度

为以环境温度作为低温热源的温度能源的品质及其分类按品质分类

按能源释放、转换或传递的能量的品质来划分，能源可分别为三个层级，分别为宏观物理级、化学反应级、微观粒子级三个层级。如果通过能量密度、能量传递或者转化的效率、能量使用的方便性等因素来进行衡量能量的品质，那么一般情况下，第一层级能源的品质较差，第二层级能源的品质较高，第三层级能源的品质最高。

按能源品质分类能源的品质及其分类按品质分类宏观物理级能源宏观物理级（第一层级）的能源其能量形式通过直接或者经过简单转换就可加以利用，能量释放或传递的载体一般为可见或者可感知的物质。宏观物理级的能源一般通过机械能转换、或者热传递的方式获取能量，其特点为能量密度低、波动大、获取方便，但不便于储运和转化，品质较差。

能源按品质分类的物理内涵能源的品质及其分类按品质分类化学反应级能源

化学反应级（第二层级）的能源其能量是在化学反应中所释放的能量（即化学能），通常表现为物质分子的分解或者合成所产生的能量，其特点为能量密度较高、储存和使用方便等，品质较好。这种能源一般通过燃烧或者其他化学反应来获取能量，品质较高的燃料一般经过加工提炼，获取较复杂。此类能源主要是二次能源，其能量释放方式主要是以燃烧的形式释放热能，热能再转换成动能或者电能。

化学反应级能源的能量是通过化学反应释放出来的，是指物质进行化学反应时，化学键形成和断裂时所释放的能量。

能源的品质及其分类按品质分类微观粒子级能源

微观粒子级（第三层级）能源一般通过辐射、电磁波或者核反应等微观粒子的分裂、结合、释放等形式进行传播或者获取能量，一般需要高科技手段获得，其特点为能量密度高、传播远、传播速度快、使用方便等特点，品质高。通常这种能量获取过程复杂，不便于储存，相关技术和设备的难度大、精度高。

微观粒子级的能源的能量释放与转换主要是通过光子、轻子、介子、重子等四类基本微观粒子间的作用来实现，遵循质能守恒定律，其实质是基本粒子的聚合或分裂时，由强力作用而产生的能量。

能源的品质及其分类按品质分类热㶲与能效的关系

热力系统的热效率最大值（也称为卡诺效率

）为

根据方程，可以看出即使热效率在产生最大功率的情况下也是小于1的。换句话说，目前为止热效率计算式中的分母

在本质上包含了无法转换为功的那部分能量。把只考虑能量大小的热效率称为第一定律效率

，对于热力系统来说其值有下面的上限和下限

能源的品质及其分类按品质分类热㶲与能效的关系

与之相对，把系统的㶲作为分母，用实际获得的功与之相比得到下面的另一个效率的定义为

其中为利用了的那部分㶲（即可获得功），为全部㶲。把称为㶲效率、第二定律效率或者可用能效率，最大值为1。第一定律效率与第二定律效率之间的关系为

能源的品质及其分类按品质分类热㶲与能效的关系右图从直观上表示了第一定律效率与第二定律效率之间的关系，第二定律效率是对于热力机器的效率低下的定量化、多级发电等形式的能量级联利用的有效性的表示有帮助。第一定律效率

表示从热源中获得的有用功的效率，第二定律效率

表示从热㶲中获得的有用功的效率，

表示从热源中可获得的最大有用功的效率。能源的品质及其分类按品质分类能源品质与技术发展能源的利用与科学技术的进步相辅相成，一方面，能源的利用促进了科技的发展，另一方面，科技的发展会促进人类对高品质能源的追求与开发。因此，人类科技从极其原始的粗放式能源利用技术，到目前高科技精细化能源利用技术的发展过程，充分体现了人类从自然界直接获取宏观能量，到开发释放微观粒子间强力的发展进程。由于核聚变的原料就是海水，取之不尽用之不竭，所以未来可控核聚变技术的突破，将使核能有可能成为人类可利用的重要能源。核能的高效利用具有彻底地解决人类的资源危机和环境问题的发展潜力。

2.1.3能源利用与生态文明能源利用与生态文明推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，是我国生态文明建设的主旨，加快发展方式绿色转型，深入推进环境污染防治，提升生态系统多样性、稳定性、持续性，积极稳妥推进碳达峰碳中和是推动我国绿色发展的四大重点任务。我国将推进以创生和再生为主导的第六次科技革命，引领能源进入低碳无碳化转型时代，以数字化为核心的第四次工业革命，引领能源进入智慧节能时代，促进生态文明建设。能源利用与生态文明纵观人类文明史，人类文明大致经历了原始文明、农业文明和工业文明三个阶段。生态文明是人类发展迄今为止最先进的文明形态，也是人类历史发展不可逆转的潮流。从薪柴、煤碳到石油、天然气、电力，再到目前的太阳能、氢能、核能的利用，可以看出随着科技的进步，能源利用形式从一次能源、二次能源到绿色能源逐步发展，能量产出效率逐步提高，即能源到能量的转化效率逐步提升。另外，随着科技成果的推陈出新，能量在工业、交通、农业、航空航天等领域的再利用效率也逐步提高。能源利用与生态文明目前，人类文明正处于从工业文明向生态文明过渡的阶段。伴随着人类文明的进步，人类能源利用经历了薪柴、煤炭与蒸汽机、石油与内燃机三大转变。目前，世界正处于以第六次科技革命和第四次工业革命为核心的新一轮科技革命的“拂晓”。新的科技革命和工业革命将推动第三次世界能源转型，即绿色能源转型。第三次能源转型是解决能源短缺和环境恶化的一条重要途径，将促进人与自然和谐发展，进一步推动生态文明的建设。2.1.4绿色能源的发展绿色能源的发展绿色能源利用技术是碳中和工程的重要组成部分，是实现碳达峰、碳中和的物质基础，未来绿色能源将主要体现在绿色环保、高效率、低耗能等方面的发展。大规模开发利用绿色能源已成为世界各国能源战略的重要组成部分。近年来，我国制定了碳达峰碳中和战略的五个主要目标：构建绿色低碳循环发展经济体系、提升能源利用效率、提高非化石能源消费比重、降低二氧化碳排放水平、提升生态系统碳汇能力。绿色能源的发展必将大大缓解经济发展与能源及环境之间的矛盾，可以减少污染物的排放，保护生态环境，构建可持续发展社会，对实现碳达峰、碳中和战略目标具有深远的意义。PART02太阳能光伏技术太阳能电池原理与分类太阳能电池制造关键技术太阳能光伏发电系统光伏技术的机遇与挑战太阳能光伏技术太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源，相比于其他能源，太阳能的利用洁净、无污染。目前，太阳能的利用方式主要有两种，一种是太阳能光伏利用，另一种是太阳能光热利用。在产销量、发展速度、前景方面，光伏利用优势明显，尤其是光伏发电技术。光伏发电是实现能源转型和“双碳”目标的重要支撑。我国太阳能资源丰富，对应水平面辐射总量大于1000千瓦时/平方米的区域，太阳能可开发总量约为1361.7亿千瓦。太阳能光伏技术据国家能源局统计，2021年，我国光伏新增装机量约5300万千瓦，连续九年稳居世界首位。截至2021年底，我国光伏并网装机容量累计达3.06亿千瓦。作为清洁能源的一个重要发展方向，光伏发电技术近年来取得了持续快速发展，光伏发电并网利用或存储已经成为太阳能资源的主要利用形式。现代文明是建立在电能的基础上，光电科技的发展则使人类能够摆脱化石能源的掣肘，拥有更洁净、更明媚的未来。光伏发电作为一种绿色能源，比核电更安全，比氢能、风电技术更成熟，成本更低，也更具有发展的潜质。因此，光伏发电是目前实现双碳目标中成本低、技术成熟的一个重要的路径。2.2.1太阳能电池原理与分类太阳能电池原理与分类太阳能光伏利用是指利用光电效应将太阳能转化为电能。太阳能电池是光伏发电技术的重要载体。目前，市场占有率最高的是晶硅太阳能电池，市场占比超过90%。此外，由于硅材料出色的稳定性，以及柔性硅的发现，新型硅基太阳能电池近年来也备受关注。太阳能电池原理与分类太阳能电池原理

太阳能电池是利用太阳光直接发电的装置，其工作原理为光生伏特效应，所以又简称光伏。太阳能电池是以半导体PN结在太阳光照射条件下产生光伏效应的原理，直接将太阳能转换为电能。PN结是半导体器件的核心，如图所示，无光条件下，当N型半导体和P型半导体相接触时，两种半导体间载流子浓度梯度导致空穴由P型半导体向N型半导体扩散，电子由N型半导体向P型半导体扩散，形成扩散电流。失去了空穴和电子，P型半导体和N型半导体在PN结附近分别带负电和正电，产生内建电场。电场的作用又使载流子运动产生漂移电流，其方向与扩散电流相反，载流子运动产生的扩散电流和漂移电流最终相互抵消达到平衡，这就形成了平衡PN结。

太阳能电池原理与分类太阳能电池原理

有光条件下，携带能量的太阳光子入射到半导体表面，并可一直穿透至PN结附近被电子吸收。N型半导体停电子光子具有能量，如果入射光子的能量大于使电子脱离原子核的电离能，则电子被光子从原子中打出，变成自由电子，同时产生一个带正电的空穴。这种非平衡的电子和空穴从产生处向势场区运动，并在内建电场作用下分离，向相反方向运动而形成正、负两极。当PN结处于开路时，光生载流子只能积累于PN结两端，产生光生电动势。此时，在PN结两端测得的电位差即太阳能电池的开路电压。当外接电路时，即PN结从外部通过用电器形成回路，则N端积累的光生载流子（电子）就可以经外外电路回到P端，从而对用电器供电，这是太阳能电池的基本原理。

太阳能电池原理与分类典型的太阳能电池分类目前，太阳能光伏技术发展大致为三个阶段：第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池；第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池；第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池,如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池等。如图所示，太阳能电池主要有晶体硅太阳电池、薄膜太阳能电池、新型太阳能电池。

太阳能电池原理与分类晶硅太阳能电池：

单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率会随温度的升高而增加，有显著的半导体特性。超纯的单晶硅是本征半导体。单晶硅太阳能电池是目前光电转换效率最高、技术最成熟的一种太阳能电池。

多晶硅也是制造单晶硅的原料，以前必须先把多晶硅制成单晶硅，才能用于制造光伏电池。科学家发明多晶硅电池后，可直接用于多晶硅制造光伏电池。其性价比较高，但近两年，由于具有效率优势的单晶硅太阳能电池的价格下降，明显，目前单晶硅太阳能电池已占据市场绝对优势。

非晶硅太阳能电池是一种新型光伏器件，制备非晶硅太阳能电池的工艺和设备简单，能耗较少。但其光电转换效率较低，受制于材料引发的光电效率衰退效应，其稳定性不高，直接影响了实际应用。太阳能电池原理与分类薄膜太阳能电池：

薄膜太阳能电池当中很有前途的一类，当属柔性太阳能电池。这种太阳能电池具有质量轻、柔韧性好、收纳比高等优点，用途十分广泛，应用领域涵盖太阳能帆船、太阳能飞机、太阳能背包、太阳能帐篷、太阳能手电筒、太阳能汽车等。由于薄膜太阳能电池能满足非平面构造，因此可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上，跟建筑材料做整合性运用，甚至可以做成建筑的一部分，这也使光伏建筑一体化有机会成为这种电池的一个重要拓展方向。

薄膜太阳能电池因其衰减率低、弱光响应好、同等装机量情况下发电量更高且可轻质化、弯曲以及折叠等优势，具有广阔的市场前景，可以说是代表了太阳能电池未来发展的新趋势。能太阳能电池原理与分类新型太阳能电池：

新型太阳能电池主要包括光电化学太阳电池、有机聚合物太阳能电池、钙钛矿太阳电池等。光电化学电池也称为染料敏化太阳能电池，它采用一种与单晶硅电池完全不同的光化学方法，用来把阳光转化为电流。

有机聚合物电池以有机聚合物代替无机材料，是最近几年新兴的一个制造太阳能电池的研究方向。由于有机材料具有柔性好、制作容易、材料来源广泛、成本低等优势，从而对大规模利用太阳能、提供廉价电能具有重要意义，有机薄膜太阳能电池就是其应用之一。

钙钛矿太阳能电池（PSC)的核心是钙钛矿材料。该电池从2009年出现到现在，光电转换效率有很大的提升，钙钛矿太阳能电池引起了国内外研究机构的广泛关注。2.2.2太阳能电池制造关键技术太阳能电池制造关键技术目前，绝大多数太阳电池都是由晶体硅制备，包括单晶硅和多晶硅，晶硅太阳能电池技术最成熟，应用最广，占据主要市场份额。开发太阳能电池的两个关键问题是提高转换效率和降低成本。太阳能电池制造关键技术晶体硅太阳电池的制造

光伏产业链大致可分为上游多晶硅、硅片，中游电池片、组件，以及下游光伏发电系统三大环节。图2-7描绘了光伏产业链从太阳能电池制作到光伏发电系统的主要工艺流程。上述工艺流程大致可以划分为上游、中游、下游三个环节。

太阳电池制造的主要工艺流程太阳能电池制造关键技术非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜层、非晶硅薄膜P-I-N层、背电极金属薄膜层组成，基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等，制作方法也完全不同。最常见的非晶硅太阳能电池的制造是用高频辉光放电法使得硅烷（SiH4）气体分解沉积而成。制备非晶硅薄膜时所需要的能量较低，因而成本也较低，且单片电池面积可以做得很大，适用于大规模生产。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，可一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。但其光电转换效率偏低，国际先进水平仅为13%左右。

太阳能电池制造关键技术多元化合物太阳能电池

化合物可构成同质结太阳能电池、异质结太阳能电池和肖特基结太阳能电池。它既可制成高效或超高效太阳能电池，又可制成低成本、大面积薄膜太阳能电池，从而拓宽了光电材料的研究范围，也极大地丰富了太阳能电池家族。目前研究应用较多的有Ca3As2、InP、CuInSe2和CdTe太阳电池。

硫化镉（Cds）、碲化镉（CdTe）多晶硅薄膜电池的效率比非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本比单晶硅电池低，并且易于大规模生产。硫化镉太阳能电池虽然光电转换效率已提高到10%，但是仍然无法与多晶硅太阳能电池竞争。并且镉有剧毒，会对环境造成严重的污染。因此，硫化镉、碲化镉多晶硅薄膜电池并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

太阳能电池制造关键技术染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化的半导体材料、对电极和电解质等。其阳极为染料敏化半导体薄膜（TiO2膜），阴极为镀铂的导电玻璃。纳米晶体TiO2太阳能电池具有成本低廉、工艺简单及性能稳定等特点。染料敏化太阳能电池的制备方法主要是对光阳极上半导体薄膜的制备。可以先通过液相水解法、气相火焰法、溶胶-凝胶法等合成TiO2纳米粒子，再将制得的TiO2纳米粒子微粒均匀地涂在导电玻璃上后加热干燥，得到纳米多孔TiO2膜。

太阳能电池制造关键技术钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池的应用具有巨大潜力，但是，钙钛矿太阳能电池要实现商业化，还需要解决一系列问题。目前，有机卤化铅沉积工艺有一步沉积法、两步沉积法、双源蒸镀沉积法和蒸镀辅助溶液沉积法等，而且钙钛矿太阳能电池生产采用的工艺条件要求控制湿度，甚至是在惰性气体保护条件下完成装配，这是钙钛矿太阳能电池实现工业化生产的一大难题。另外，目前生产钙钛矿层制备的方法工序还比较复杂，成本较高，不适合工业化大规模生产。

2.2.3太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统由太阳能电池阵列、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。太阳能光伏发电分为独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电系统。太阳能光伏发电系统独立光伏发电系统

独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统，可分为有辅助电源和无辅助电源的光伏发电系统。有辅助电源的离网型光伏发电系统主要由光伏阵列、汇流箱、充放电控制器、逆变器、蓄电池、辅助电源和负载7部分组成。光伏阵列将太阳辐射能转换为电能送至汇流箱，再经过逆变器将直流电能逆变为交流电能给负载供电。其中，充放电控制器的功能是在太阳光照射充足、负载用电有剩余时，将发出的多余电能存储在蓄电池中；反之，当光照较差，发电量不能满足负载时，控制器释放蓄电池中存储的电能供给负载使用。

离网型光伏发电系统结构简单，系统功率较小，且安装更加灵活；辅助电源的使用大大提高了光伏发电系统的供电可靠性，并且节省了化石燃料的使用，故其应用范围较广，在电网无法连接到的山区、居民分散的牧区等地就可以使用这种发电系统来解决居民的生活用电问题。

太阳能光伏发电系统并网光伏发电系统

并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，如图所示。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站和分布式小型并网光伏系统。

太阳能光伏发电系统并网光伏发电系统

集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。集中式大型并网电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度相对较大。

分布式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。目前，国家鼓励推动集中式与分布式并举的并网型光伏发电系统。

太阳能光伏发电系统分布式光伏发电系统

分布式光伏发电系统是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过连接电网来调节。

2.2.4光伏技术的机遇与挑战光伏技术的机遇与挑战未来太阳电池将向着更安全、更高效、更低成本发展。在产业化晶硅和薄膜太阳能电池之外，将继续进行大量新型电池的研究工作，满足太阳能光伏发电的需求。高质量界面及体材料钝化技术、低复合和低电阻电极接触技术、钙钛矿快速大面积低成本膜以及洁净工艺、叠层电池器件结构设计技术、光伏电池新型结构和新材料的研发等技术将成为主要攻关方向。光伏技术的机遇与挑战光伏系统及集成技术应用将朝着多样化、规模化、高效率方向发展。未来光伏技术应用将是大基地、分布式等多种形式并举，向着村级电站、渔光互补、农光互补、海上光伏、分布式光伏+储能、光电建筑一体化等多种“光伏+”模式发展。此外，光伏组件的绿色回收利用技术将成为发展趋势。对晶硅光伏材料及组分（硅、铜、铝、玻璃、塑料等）进行无害化处理乃至回收利用，可一定程度上缓解光伏组件原材料短缺问题，并降低资源浪费与生态环境污染。PART03风能技术风力发电技术和设备风力发电的运维与回收技术其他风能技术风能技术的机遇与挑战风能技术风能是空气流动时所产生的动能，属于重要的绿色能源。其本质上是太阳能的一种转化形式，总储量非常巨大，是碳达峰碳中和远景目标下可优先利用的能源之一。我国风资源丰富，风能已成为我国第三大能源，发展前景广阔。风能利用设施多为立体化设施，占地面积小。但风能有能量密度低、不稳定、地区差异大、广域分散性、随机性大等缺点。本节主要围绕风力发电技术展开介绍，介绍风力发电的技术和设备，运维与回收，机遇与挑战等。2.3.1风力发电技术和设备风力发电技术和设备风力发电设备风力发电的核心设备是风力发电机组，其中用来捕获风能并转化为机械能的结构称为风力机。依据风力机的结构及其在气流中的相对位置，可将风力机分为两大类：垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机，由此风力发电机组也可分为垂直轴风力发电机组和水平轴风力发电机组。此外，还有一些比较特殊的风力机类型，如扩压型和旋风型，都还处于探索性研究阶段，尚未被规模性地推广应用。风力发电技术和设备一、垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机能量驱动装置呈垂直方向，叶片转动不需要考虑风向，因此风车无需加装调向装置。垂直轴的能量驱动装置可以装在近地面的位置，所以安装和维护都比水平轴的要容易。风力发电技术和设备一、垂直轴风力发电机优点：具有不需要偏航（不用对风向）、微风启动（1米/秒即可启动发电）、低噪声等优点。应用场合：用于别墅、多层及高层建筑、通信基站、城市公共照明、高速公路、海上油田、海岛、边疆等离网的小型用电场所。风力发电技术和设备垂直轴风力发电机——达里厄型风力发电机达里厄型风力发电机，从叶片来区分主要有S型、H型、Φ型。风力发电技术和设备一、垂直轴风力发电机

缺点：垂直轴风力发电机具有难以大型化、转化效率低、叶片的结构和形状复杂等缺点。

从力学方面分析，垂直轴风力发电机功率越大、H型叶片越长、平行杆的中心点与发电机轴的中心点距离越长，抗风能力就越差。

虽然垂直轴风力发电机在微风（1米/秒）即可启动发电，且不需要偏航，但是由于叶片迎风面积非常有限，风能转化效率比较低。

由于并网型垂直轴风机的固有属性是高度较低，使得暂时无法利用高处的高风速，这也使得并网型的垂直轴风力发电机发电能力较差。风力发电技术和设备二、水平轴风力发电机水平轴风力发电机的旋转轴与地面平行且与叶片垂直。绝大多数水平轴风力机拥有三个空间均匀分布的叶片，少数拥有更少或更多的叶片。多叶片结构被称为高风轮密实度装置，多用于农场泵水。拥有三个及以下叶片的风力机风轮的扫掠面积大部分是空的，只有很小的面积被充填，属于低风轮密实度装置。在低风轮密实度的风力机中，配置三叶片的风力机的效率最高。风力发电技术和设备三叶片的水平轴风力发电机组的结构及组成图三种主流水平轴风电机组结构类型1、双馈型风力发电系统

由风力机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈发电机、变流器、变压器等构成。

三种主流水平轴风电机组结构类型

其工作过程为：当风吹动风力机转动时，风力机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈发电机，双馈发电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将电能并入电网。1、双馈型风力发电系统三种主流水平轴风电机组结构类型

通过主控系统、变桨控制系统及变流器对桨叶、双馈发电机进行合理的控制使整个统实现风能最大捕获，同时，通过变桨机构、变流器及Crowbar保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。1、双馈型风力发电系统三种主流水平轴风电机组结构类型1、双馈型风力发电系统优点：转子采用交流励磁，可以方便地实现变速恒频发电；可以灵活地进行有功功率和无功功率的调节。其中，有功功率的调节以风力机的特性曲线为依据；无功功率可以根据电网的无功需求进行调节；由变流器控制同步并网，电流冲击小；发电机转速可随时根据风速进行调整，使机组运行于最佳叶尖速比。三种主流水平轴风电机组结构类型1、双馈型风力发电系统缺点：用齿轮箱提高发电机转子的转速，齿轮箱内齿轮和传动轴众多，使得机械效率低下，维护成本高；电网故障穿越能力相对较差。

三种主流水平轴风电机组结构类型2、直驱型风力发电系统

直驱型永磁同步风力发电系统主要由风力机、永磁同步发电机、变流器、偏航系统以及基础塔架等部分组成，并附有一些测量、控制、诊断系统，信息交互系统以及其他辅助系统，确保系统的高效、可靠、经济运行。

与双馈型风力发电机组相比，在硬件结构上没有齿轮箱，且发电机类型不同，也导致了在控制策略上的些许不同。

三种主流水平轴风电机组结构类型2、直驱型风力发电系统优点：没有齿轮箱，减少了传动损耗，降低了维护成本，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著；配套的全功率变流器对电网较为友好。缺点：风叶转速就是发电机转子的转速，若要把功率做大，必须增大发电机的体积，所需的稀土永磁材料随之增加。

三种主流水平轴风电机组结构类型3、半直驱型风力发电系统

半直驱型风力发电系统在风力机与永磁同步电机之间增加小增速比的齿轮箱，相比直驱型风力发电系统的体积重量有了大幅减小，且低速齿轮箱的寿命和可靠性大幅度提高。

所以半直驱型风力发电系统既具有直驱型风力发电系统的优势，又具有双馈型风力发电系统的特点，在大型变桨距变速风力发电机组中具有广阔的发展和应用前景。

三种主流水平轴风电机组结构类型3、半直驱型风力发电系统优点：兼顾双馈型与直驱型风电机组的特点，半直驱型风力发电机组从结构上与双馈型风力发电机组是类似的，中速齿轮箱和发电机集成为一个整体，配置的中速齿轮箱，避免了高速齿轮箱故障率高的弊端；发电机采用中速永磁同步发电机，与同功率直驱型比较，体积和重量小了许多，同时保留了永磁同步发电机系统优良的低电压穿越（LVRT）能力和电网适应性；中速永磁同步发电机效率高。缺点：布局空间大，前、后底盘较大，传动链长，对连接部件的要求高。