新能源管理科学与工程

第1章 新能源管理概论 人类的活动、经济的发展都离不开能源。人们对能源的需求远远超过以往任何时代，并且还在持续快速增长。物质、能源和信息是构成客观世界的基础，人类寻找可持续的能源，开发、利用新能源和可再生能源是完善能源系统的重点。在能源危机和环境问题并存的今天，研究和开发能够真正为人类社会所利用的新能源具有重要意义。我国已经是世界上*大的能源消费国。为了保持经济增长势头，我国必须降低工业的能源强度，减少单位产出的能源消耗。能源管理成为21世纪*重要的国家战略性问题之一。随着我国经济的快速发展，所带来的对能源资源需求的增长与资源稀缺之间的矛盾日趋尖锐。如何充分、有效、合理地管理和利用能源资源，加强节能减排已经成为社会经济发展过程中的一项重要议题。 1.1 新能源的定义及分类 宇宙间一切运动着的物体都有能量的传递和转化，人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。能量就是“产生某种效果(或变化)的能力”。反过来说，产生某种效果(或变化)的过程必然伴随着能量的消耗或转化。物质是某种既定的存在形式，既不能被创造也不能被消灭，作为物质属性的能量也一样不能被创造或消灭，这就是能量守恒定律。 对于能量的利用，从实质上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。例如，水力发电就是利用水能够自发地从高处流向低处的这一自发过程，使水的势能转化为动能，再推动水轮机转动，水轮机又带动发电机，通过发电机将机械能转换为电能供人类使用。 能源可以分为一次能源和二次能源两大类：一次能源是指自然形态存在的能源，包括风能、水能、太阳能、地热能和核能等；二次能源是指由一次能源加工或转换后得到的能源，包括电能、汽油、柴油、液化石油气、氢能等。二次能源又可以进一步分为过程式能源和含能体能源，电能是目前应用*广的过程式能源，而汽油和柴油等则是目前应用*广的含能体能源。 新能源又称非常规能源，一般指在新技术基础上可系统地开发利用的可再生能源，包括传统能源之外的各种能源形式。一般来说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源则通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。新能源主要包括太阳能、生物质能、风能、核能、地热能、海洋能和氢能等，是可循环利用的清洁能源。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的*终能源选择。新能源的各种形式都是直接或间接地来自于太阳或地球内部所产生的热能。 (1)太阳能：太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由氢聚变成氦的原子核反应不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持几十亿至上百亿年的时间。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换及光化学转换。广义的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等都是由太阳能导致或转化成的能量形式。利用太阳能的方法主要有：太阳能电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光的热辐射加热水；人工光合作用和光催化等过程，将太阳能转化为稳定的化学能进行存储和利用。 (2)生物质能：生物质是指通过光合作用或化能合成作用①而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而生物质能就是太阳能以化学能的形式存储在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态或气态燃料，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，因此从广义上讲，生物质能也是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。依据来源不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物、畜禽粪便等五大类。 (3)风能：风能是由空气流动所产生的动能。风能是一种可重复利用的能量，地球表面空气流动会产生大量的风能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源取决于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度又称风功率密度，是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能，与风速的三次方和空气密度成正比。风能是风的能量转换成可利用的能量形式，如使用风力涡轮机产生电力，风车产生机械动力，风泵抽水或排水，风帆助船，涡轮叶片将气流的机械能转为电能而成为风力发电机等。 (4)核能：核能通常指存在于原子核内部的能量，又称原子能，是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯坦质能方程 E=mc2，其中 E代表能量， m代表质量， c代表光速。核能可通过三种核反应释放：①核裂变，较重的原子核分裂释放核裂变能；②核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放核聚变能；③核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。 (5)地热能：地热能是指地壳中存在的天然热能。这种能量来自地球内部的熔岩，并以热能的形式存在，是火山爆发及地震产生的原因。地球内部的温度高达7000℃，而在距离地面80～100 km的深处，温度会降至650～1200℃。地热能通过地下水流动和熔岩喷涌的形式到达离地面1～5 km的地壳，热力被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水*终会渗出地面。地球地壳的地热能起源于地界无机物获得生长所需要的能量，这一过程就称为化能合成作用。 球行星的形成(20%)和矿物质放射性衰变①(80%)。据推算，离地球表面5000 m深、15℃以上的岩石和液体的总含热量约为1.45×1026 J，约相当于4948万亿 t标准煤②的热量。按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型五大类。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。但是，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。 (6)海洋能：海洋能是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、存储和释放能量，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。海洋面积约占地球表面积的71%，它接受来自太阳的辐射能比陆地大得多，因此全球海洋能的可再生量巨大，其开发利用的潜力很大。海洋受到太阳、月球等星球引力及地球自转、太阳辐射等因素的影响，其能量以热能和机械能的形式蓄存在海洋中，全世界海洋能的蕴藏量为750多亿 kW③，这些海洋能源都是取之不尽、用之不竭的可再生能源。海洋虽然蕴藏庞大的能量，但必须以高技术、高成本克服盐水的高腐蚀性，有时设备要承受深海的高压环境。 (7)氢能：氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的能量。氢能作为一种清洁、高效的二次含能体能源，具有可再生、零碳排等优点。目前，氢能源产业正处于将氢气从工业原料转向能源利用的初级水平，短期内氢能的发展还将持续处于探索阶段。氢能源产业不能被狭隘地定义为氢气本身，它是一个多领域互补的开放式能源经济体，包括制氢、储氢、加氢等基本环节。建设氢能源产业的过程中，氢气的制造设备、运输设备及加氢站等基础设施的建设是发展氢能的**步，这也是氢能发展面临的*大挑战。 1.2 新能源发展史 能源是人类社会发展的基石，是世界经济增长的动力。能源对人类物质文明的发展起着基础性的作用，能源发展的每一次飞跃，都引起了人类生产技术的变革，推动了生产力的发展。从木炭时代到煤炭时代，从煤炭时代到石油时代，从石油时代到电力时代，直至原子能开发和各种新能源登上舞台，都曾使几近停滞的文明开始新的发展。 1.2.1 太阳能 据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿 kW，其中可开发利用的为500～1000万 kW。但因其分布很分散，能利用的很少。据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史，但是将太阳能作为一种能源和动力加以利用只有300多年的历史。真正将太阳能视为“近期急需的补充能源”“未来能源结构的基础”，则是自20世纪才开始。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。 近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师考克斯发明世界上**台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。1615～1900年，人们又研制出了多台太阳能动力装置和其他太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸气，价格昂贵，实用价值不高，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。自20世纪初期至今，太阳能发展和利用的历史大体可分为八个阶段。 **阶段(1900～1920年)：在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，*大输出功率达73.64 kW，使用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加利福尼亚州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率为7.36 kW；1902～1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5 m、宽4 m，总采光面积达1250 m2。 第二阶段(1920～1945年)：在这一阶段，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与化石燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战(1939～1945年)有关，而太阳能无法解决当时战争对能源的急需状况，因此太阳能的研究工作逐渐受到冷落。 第三阶段(1945～1965年)：在第二次世界大战结束后的20年中，很多科学家已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的成果有：1945年，美国贝尔实验室研制出实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在**次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制出实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件。此外，在这一阶段还有其他一些重要成果：1952年，法国国家科学研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50 kW的太阳炉；1960年，在美国佛罗里达州建成世界上**套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨①；1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机②问世。在这一阶段，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了太阳能选择性涂层和硅基太阳能电池等技术的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 第四阶段(1965～1973年)：在这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，还不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而缺少公众、企业和政府的重视和支持。 第五阶段(1973～1980年)：石油自从在世界能源结构中担当主角之后，就成为决定一个国家的经济发展或衰退的关键因素。1973年爆发的石油危机在客观上促使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡，从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其他可再生能源技术发展的支持，世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级“阳光发电计划”，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电