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人类将优先开发的六种新能源

来源:作者:吴乾环 点击:所属专题: 能源
20世纪人类使用的能源主要有三种:原油、天然气和煤炭。根据国际能源机构的统计,假使按目前的势头发展下去,不加节制,那么,地球上这三种能源能供人类开采的年限,分别只有40年、50年和240年了。 所以开发新能源,替代上述三种传统能源,迅速地逐年降低它们的消耗量

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20世纪人类使用的能源主要有三种:原油、天然气和煤炭。根据国际能源机构的统计,假使按目前的势头发展下去,不加节制,那么,地球上这三种能源能供人类开采的年限,分别只有40年、50年和240年了。

所以开发新能源,替代上述三种传统能源,迅速地逐年降低它们的消耗量,已经成为人类发展中的紧迫课题,核能在今后一段时期内还将有所发展,但是核电站的最大使用期只有25-30年,核电站的建造、拆除和安全防护费用也相对不低,过多地建设核电站是否明智可取,还有待今后实践和历史来检验。那么,人类将向何处寻找新能源呢?先进国家的能源专家认为,太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能和氢能这六种新能源,在今后将肯定会优先获得开发利用。  

太阳能

太阳能利用的形式很多,例如:太阳能集热为建筑供暖、供热水,用太阳能电池驱动交通工具和其它动力装置等等,这些都属于太阳能小型、分散的利用形式。太阳能大型、集中的利用形式,则是太空发电。在距离地面三万多公里高空的同步卫星上,太阳能电池每天24小时均可以发电,而且效率高达地面的10倍。太空电能可以通过对人体无害的微波向地面输送。

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×1026W)的22亿分之一,但已高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。

太阳能利用涉及的技术问题很多,但根据太阳能的特点,具有共性的技术主要有四项,即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输,将这些技术与其它相关技术结合在一起,便能进行太阳能的实际利用----光热利用、光电利用和光化学利用。

太阳能的热利用,是将太阳的辐射能转换为热能,实现这个目的的器件叫“集热器”。由于使用的目的不同,集热器和与之匹配的系统类型繁多,名称各不相同。例如太阳能用于炊事,就叫“太阳灶”;用于产生热水,就叫“太阳热水器”;为烘干用的设备,则称做“太阳能干燥器”等等。

太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,通常叫做“光生伏打效应″,太阳电池就是利用这种效应制成的。

中国太阳能年总辐射量大致在930--2330千瓦小时/平方米?年之间。以1630千瓦小时/平方米/年。年为等值线,则自大兴安岭西麓向西南至滇藏交界处,把中国分为两大部分,其西北地区高于1630千瓦小时/平方米?年,此线东南侧低于这个等值线。大体上说,我国约有三分之二以上的地区太阳能资源较好,特别是青藏高原和新疆、甘肃、内蒙古一带,利用太阳能的条件尤其有利。

风能

风能利用技术的不断革新,使这种丰富的无污染能源正重放异彩。据估计,二三十年内,风力发电量将要占欧共体电占全国总电力的30%左右。

风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能,但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前,但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。

地热能

目前世界上已有近二百座地热发电站投入了运行,装机容量数百万千瓦。研究表明,地热能的蕴藏量相当于地球煤炭储量热能的1.7亿倍,可供人类消耗几百亿年,真可谓取之不尽、用之不竭,今后将优先利用开发。地热能是来自地球深处的可再生热能。它来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表层。在有些地方,热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面,这种热能的储量相当大。据估计,每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW/H。

海洋能

地球表面积约为5.1×108KM,其中陆地表面积为1.49×108KM,占29%;海洋面积达3.61×108KM,占71%。以海平面计,全部陆地的平均海拔约为840m,而海洋的平均深度却为380m,整个海水的容积多达1.37×109KM3。一望无际的汪洋大海,不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏,而且还蕴藏着巨大的能量。通常海洋能是指依附在海水中的可再生能源,包括:

潮汐能:是一种利用水位变化所产生的位能及水流所产生的动能(潮流能)而获得的一有效能源。

波浪能:波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。

海洋温差能:即利用深部海水与表面海水的温度差产生有用的能源。

海洋盐差能:即利用两处含盐份高与含盐份低的海流,因混合产生渗透压作为动力,而可用以产生能源。

海流能:利用高速度的洋流或潮流带动结合水车、推进器、及降落伞状物的水中电厂而将其转换为有用的能源。

更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。全球海洋能的可再生量很大,上述五种海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。虽然海洋能的强度较常规能源为低,但在可再生能源中,海洋能仍具有可观的能流密度。  

氢能 

氢是宇宙中含量最丰富的元素之一,可以提取出无穷无尽的氢。氢运输方便,用作燃料不会污染环境,重量又轻,优点很多。俄罗斯试着用氢作为“图-155”型飞机的燃料已经初步获得成功,各国也正积极试验用氢作为汽车的燃料。氢无疑也是人类未来要优先利用的能源之一。氢是一种二次能源,一种理想的新的含能体能源,在人类生存的地球上,虽然氢是最丰富的元素,但自然氢的存在极少。因此必需将含氢物质加工后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水,其次就是各种矿物燃料(煤、石油、天然气)及各种生物质等。

二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是应用最广的“过程性能源”;柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。过程性能源和含能体能源是不能互相替代的,各有自己的应用范围。作为二次能源的电能,可从各种一次能源中生产出来,例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然,生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,终有一天这些资源将要枯竭,这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种理想的新的含能体能源。

氢不但是一种优质燃料,还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢,如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等;化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电,其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善,氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。

氢位于元素周期表之首,它的原子序数为1,在常温常压下为气态,在超低温高压下又可成为液态。作为能源,氢有以下特点:

(l)所有元素中,氢重量最轻。在标准状态下,它的密度为0.0899g/L;在-252.7°C时,可成为液体,若将压力增大到数百个大气压,液氢就可变为金属氢。

(2)所有气体中,氢气的导热性最好,比大多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

(3)氢是自然界存在最普遍的元素,据估计它构成了宇宙质量的75%,除空气中含有氢气外,它主要以化合物的形态贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

(4)除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,为142,351KJ/kg,是汽油发热值的3倍。

(5)氢燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度快。

(6)氢本身无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用。

(7)氢能利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。

(8)氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料,但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题:

1、 廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源,它的制取不但需要消耗大量的能量,而且目前制氢效率很低,因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。

2、安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气化、着火、爆炸,因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。

在自然界中,氢已和氧结合成水,必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。目前高效率的制氢的基本途径,是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢,那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了,其意义十分重大,但这却是一个十分困难的研究课题。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。多年来,我国已初步形成一支由高等院校、中国科学院及石油化工等部门为主的从事氢能研究、开发和利用的专业队伍。在国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科学院和中国石油天然气集团公司的支持下,这支队伍承担着氢能方面的国家自然科学基金基础研究项目、国家“863”高技术研究项目、国家重点科技攻关项目及中国科学院重大项目等。目前储氢合金材料已实现了批量生产,但在氢能系统技术的总体水平上,与发达国家有一定差距。

生物能

生物能是以生物为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量,它直接或间接地来源于植物的光合作用,其蕴藏量极大,仅地球上的植物,每年生产量就像当于目前人类消耗矿物能的20倍。在各种可再生能源中,生物质是贮存的太阳能,更是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态和气态燃料。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011T,含能量达3×1021J。

生物能是第四大能源,生物质遍布世界各地,世界上生物质资源数量庞大,形式繁多,它包括薪柴,农林作物,农业和林业残剩物,食品加工和林产品加工的下脚料,城市固体废弃物,生活污水和水生植物等等(中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面)。

生物能具备下列优点:

(1)提供低硫燃料

(2)提供廉价能源

(3)将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如,垃圾燃料)

(4)与其他非传统性能源相比较,技术上的难题较少。

至於其缺点有:

(1)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物,

(2)单位土地面的有机物能量偏低,

(3)缺乏适合栽种植物的土地,

(4)有机物的水分偏多(50%~95%)

由于生物质的存在很稀散,能量密度又比较低,而且不是湿的就是潮的,如果当作商业能利用,要收集起大量的生物质,其费用是十分高的。因此,目前生物质能的商业应用大多是利用那些因其他原因已被收集起来的现成材料,例如木材加工和食品加工的废弃物及城市的有机废物。目前生物质能的开发应用主要在三个方面:一是在一些农村建立以沼气为中心的能量,物质循环系统,使秸杆中的生物能以沼气的形式缓慢地释放出来,解决燃料问题;二是建立以植物为能源的发电厂。变“能源植物”为“能源作物”,如“石油树”,绿玉树,续随子;三是种植柑蔗,木薯,海草,玉米,甜菜,甜高粱等,既有利于食品工业的发展,植物残渣又可以制造酒精以代替石油。

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