第1章 能源概述

新能源發(fā)電技術(shù)第1講能源概述主講:趙楠§1能源概述本節(jié)要點(diǎn)什么是能源？能源有哪些類型？怎么評(píng)價(jià)能源的優(yōu)劣？人類面臨著什么樣的能源和環(huán)境問(wèn)題？新能源利用可以發(fā)展起來(lái)嗎？知識(shí)目標(biāo)了解能源的概念和評(píng)價(jià)方法，掌握能源的分類方法和常見(jiàn)類型，了解能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題；理解新能源發(fā)展的重要意義?！?.1

能源利用的歷史人類利用能源的歷史，也就是人類認(rèn)識(shí)和征服自然的歷史。幾個(gè)發(fā)展階段(1)天然能源的原始利用幾十萬(wàn)年以前人類學(xué)會(huì)了用火，在漫長(zhǎng)的歲月里，一直以柴草為生活能量的主要來(lái)源，燃火用于燒飯、取暖和照明。后來(lái)逐漸學(xué)會(huì)將畜力、風(fēng)力、水力等自然動(dòng)力用于生產(chǎn)和交通運(yùn)輸。這種初級(jí)形式的能源利用直到19世紀(jì)中期都沒(méi)有太大突破。在1860年的世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，薪柴和農(nóng)作物秸稈仍占能源消費(fèi)總量的73.8%?！?.1

能源利用的歷史(2)煤炭時(shí)期2000多年以前人類就知道煤炭可以作為燃料。14世紀(jì)的中國(guó)、17世紀(jì)的英國(guó)采煤業(yè)都已相當(dāng)發(fā)達(dá)，但煤炭長(zhǎng)期未能在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。18世紀(jì)70年代，英國(guó)的瓦特發(fā)明以煤炭作燃料的蒸汽機(jī)。蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用使煤炭迅速成為第二代主體能源。煤炭在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比重，從1860年的25％，上升到1920年的62％?！?.1

能源利用的歷史(3)石油時(shí)期人類很早就發(fā)現(xiàn)了石油，《漢書(shū)》、《夢(mèng)溪筆談》有描述。直到19世紀(jì)，石油工業(yè)才逐漸興起。1854年，美國(guó)賓夕法尼亞州打出了世界上第一口油井，是現(xiàn)代石油工業(yè)的開(kāi)端。1886年德國(guó)人本茨和戴姆勒研制出第一輛以汽油為燃料、由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車，進(jìn)入大規(guī)模使用石油的汽車時(shí)代。石油和天然氣逐漸取代煤炭，在世界能源消費(fèi)構(gòu)成中占據(jù)主要地位。1965年，在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油首次超過(guò)煤炭占居首位，成為第三代主體能源。到1979年，石油所占的比重達(dá)到54%，相當(dāng)于煤炭的三倍?！案吲h出脂水”，即此也。生于水際，沙石與泉水相雜，惘惘而出，土人以雉尾甃之，用采入缶中。頗似淳漆，然之如麻，但煙甚濃，所沾幄幕皆黑?！薄?.1

能源利用的歷史(4)核能和可再生能源1942年美國(guó)建立世界上第一座核反應(yīng)堆，1954年前蘇聯(lián)建成世界第一座發(fā)電的反應(yīng)堆并正式啟用，1956年美國(guó)的核電站投入運(yùn)行，核能利用迅速發(fā)展起來(lái)，在世界能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。到20世紀(jì)90年代，核能發(fā)電所提供的電力占全世界發(fā)電總量的17%左右。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等可再生新能源發(fā)展很快，并且逐漸走向成熟和規(guī)?；嫉谋戎匾灿型蠓忍岣?，為人類解決能源和環(huán)保問(wèn)題開(kāi)辟了新的天地。能源種類很多，通常按其形態(tài)特征或轉(zhuǎn)換與應(yīng)用的層次分類。(1)一次能源和二次能源（按形成條件）以天然形態(tài)存在于在自然界中，可直接取得而不需改變其基本形態(tài)的能源，稱為一次能源。簡(jiǎn)單說(shuō)，一次能源就是自然界中現(xiàn)成存在的天然能源。如煤炭、石油，及風(fēng)能、地?zé)崮艿?。為了滿足生產(chǎn)和生活的需要，有些能源通常需要經(jīng)過(guò)加工進(jìn)行直接或間接的轉(zhuǎn)換才能使用。由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而獲得的另一種形態(tài)的能源，稱為二次能源。如沼氣、酒精、汽油，以及蒸汽、氫能等。電能是最重要的二次能源?！?.2.2

能源的分類一次能源的來(lái)源自然界中一次能源的初始來(lái)源，大致有三種情況：①來(lái)自地球以外天體（主要是太陽(yáng)）的能量，例如能以光和熱的形式直接利用的太陽(yáng)能，以化石或生物體等物質(zhì)形式存儲(chǔ)的能量，以風(fēng)、水流、波浪等形式體現(xiàn)的能量；②來(lái)自地球內(nèi)部的能源，主要是核能和地?zé)崮?；③地球與其他天體相互作用產(chǎn)生的能量，例如月亮、太陽(yáng)引力變化形成的海洋潮汐能。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應(yīng)用狀況）【常規(guī)能源】是指在當(dāng)前的技術(shù)水平和利用條件下，已被人們廣泛應(yīng)用了較長(zhǎng)時(shí)間的能源，現(xiàn)階段主要是指煤炭、石油、天然氣、水能、核（裂變）能。這類能源，使用較普遍，技術(shù)較成熟?！拘履茉础渴侵赣捎诩夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)或能源品質(zhì)等因素而未能大規(guī)模使用的能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)?、生物質(zhì)、氫能等。這類能源，已經(jīng)開(kāi)始或即將被人們推廣利用，但目前還沒(méi)有被大規(guī)模使用，有的甚至還處于研發(fā)或試用階段。太陽(yáng)能發(fā)電站太陽(yáng)能汽車北京市大興區(qū)50千瓦大型屋頂光伏并網(wǎng)示范電站

在近地軌道直接組裝太陽(yáng)能電站烏江渡水電站風(fēng)力發(fā)電站新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)200臺(tái)風(fēng)車中國(guó)風(fēng)力資源分布狀況法國(guó)朗斯潮汐電站(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應(yīng)用狀況）常規(guī)能源和新能源的分類是相對(duì)的，不同歷史時(shí)期會(huì)變化，這取決于應(yīng)用歷史和使用規(guī)模。例如在1950年代，核(裂變)能屬于新能源，現(xiàn)在有些國(guó)家已把它被歸為常規(guī)能源。有些能源雖然應(yīng)用的歷史很長(zhǎng)，但正經(jīng)歷著利用方式的變革，而那些較有發(fā)展前途的新型應(yīng)用方式尚不成熟或規(guī)模還小，也被歸為新能源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能。在中國(guó)，新能源指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的一次能源。(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復(fù)能力）【非再生能源】，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)），總有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均為非再生能源。據(jù)估計(jì)，按照現(xiàn)有的探明儲(chǔ)量和開(kāi)采程度，地球上的化石燃料最多還可使用幾百年?！究稍偕茉础?，可以循環(huán)使用，能夠有規(guī)律地不斷得到補(bǔ)充，沒(méi)有使用期限，也不會(huì)因長(zhǎng)期使用而減少。如太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能，均為可再生能源。(4)含能體能源和過(guò)程性能源(按能源存在和轉(zhuǎn)移形式)【含能體能源】是指包含著能量的物質(zhì)或?qū)嶓w。例如化石燃料、核燃料、生物質(zhì)、地?zé)崴偷責(zé)嵴羝?，等等。這類能源可以直接儲(chǔ)存和運(yùn)輸。【過(guò)程性能源】是指隨著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生、并且僅以運(yùn)動(dòng)過(guò)程的形式存在的能源。如風(fēng)、水、海潮、波浪、地?zé)岬?。這類能源無(wú)法直接儲(chǔ)存和運(yùn)輸。(5)清潔能源和非清潔能源(按環(huán)境污染程度)【清潔能源】是指對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染或污染較小的能源，

有時(shí)也叫綠色能源。如太陽(yáng)能,風(fēng)能,海洋能；垃圾發(fā)電、沼氣等。狹義清潔能源僅指可再生能源廣義清潔能源：指能源在生產(chǎn)、消費(fèi)過(guò)程中，對(duì)生態(tài)環(huán)境盡可能低污染或無(wú)污染的能源。【非清潔能源】是指可能對(duì)環(huán)境造成較大污染的能源，例如煤炭等化石燃料。清潔與非清潔能源的劃分也是相對(duì)的。各種能源均有優(yōu)點(diǎn)，也各有不足。如何進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較？(1)能流密度即在單位空間或單位面積內(nèi)，能夠從某種能源獲得的功率?；剂吓c核燃料的能流密度大，各種可再生能源的能流密度一般都比較小。能量密度太小，則不利于開(kāi)發(fā)利用，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性太差?！?.2.3

能源的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)煤各種燃料的熱值是不同的，在統(tǒng)計(jì)能源的生產(chǎn)和消費(fèi)，特別在計(jì)算能耗指標(biāo)時(shí)，常定義一種假想的標(biāo)準(zhǔn)燃料，即標(biāo)準(zhǔn)煤。標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為2.9×104kJ/kg。各種燃料均可按平均發(fā)熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤。(2)開(kāi)發(fā)費(fèi)用和設(shè)備造價(jià)化石能源與核燃料，探、采、加工、運(yùn)輸，需投入大量人力、物力。發(fā)電設(shè)備單位容量的初期投資較小?？稍偕茉?，開(kāi)發(fā)費(fèi)用主要是開(kāi)發(fā)能源的一次性投資，設(shè)備造價(jià)比較高；而運(yùn)營(yíng)費(fèi)用很低。(3)存儲(chǔ)的可能性與供能的連續(xù)性化石燃料都比較容易存儲(chǔ)，也便于連續(xù)供應(yīng)。太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源則不易保存，

能量供應(yīng)也可能有波動(dòng)性和間斷性。(4)運(yùn)輸費(fèi)用與損耗運(yùn)輸過(guò)程本身也要投資并消耗能源，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)某杀竞蛽p耗會(huì)影響能源的使用。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮茈y以運(yùn)輸?；剂峡梢赃\(yùn)輸，但要考慮運(yùn)輸?shù)某杀竞秃哪堋?5)對(duì)環(huán)境的影響化石燃料燃燒過(guò)程中會(huì)排放CO2等溫室氣體，甚至還有一些有毒的或腐蝕性物質(zhì)，對(duì)環(huán)境影響較大。核燃料有放射性污染及廢料處理的問(wèn)題。可再生能源大多對(duì)環(huán)境的影響較小。(6)蘊(yùn)藏量化石燃料等非再生能源，蘊(yùn)藏量是有限的，總有用完的時(shí)候。太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，可以循環(huán)使用，不斷的得到補(bǔ)充，即使每年更新的數(shù)量有限，長(zhǎng)期來(lái)看，也是無(wú)窮無(wú)盡的。(7)能源品位能源品味反映的是能源利用的方便程度。一般來(lái)說(shuō)，二次能源要比一次能源品味高。能直接變成機(jī)械能和電能的能源（如水力和風(fēng)能），要比那些必須先經(jīng)過(guò)熱利用環(huán)節(jié)的能源（如化石燃料）的品位高。1.3中國(guó)能源現(xiàn)狀、問(wèn)題與對(duì)策1.3.1中國(guó)能源現(xiàn)狀能源生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)據(jù)單位：噸標(biāo)準(zhǔn)煤年度能源生產(chǎn)能源消費(fèi)備注1949年2374萬(wàn)生產(chǎn)世界第101953年5200萬(wàn)5400萬(wàn)1980年6.37億6.03億1998年12.4億13.6億2004年18.46億19.7億生產(chǎn)世界第22005年20.6億22.2億2007年25.4億原煤占世界40%原煤1.3.2中國(guó)能源存在的問(wèn)題人均消費(fèi)低人均能源資源不足能源資源4萬(wàn)億t,世界第3,但人均不到世界的一半能源效率低開(kāi)采效率、中間環(huán)節(jié)效率、終端利用效率，9％能源效率（中間和終端），29％，比世界低10％以煤為主的能源結(jié)構(gòu)需調(diào)整2004年一次能源中，煤炭生產(chǎn)占75％,消費(fèi)占68％污染環(huán)境能源效率低下交通運(yùn)輸壓力大能源供應(yīng)和安全問(wèn)題日益顯現(xiàn),石油進(jìn)口依存度30%多1.3.3中國(guó)能源發(fā)展對(duì)策堅(jiān)持實(shí)行能源節(jié)約戰(zhàn)略方針1998年1月實(shí)施《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)大力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)增加核能、水能、新能源比重改變過(guò)度依賴煤炭積極發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)大力開(kāi)發(fā)利用新能源與可再生能源采取多種措施保證能源供應(yīng)安全油氣產(chǎn)品進(jìn)口的多元化、多邊化和多途徑石油儲(chǔ)備石油替代產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合國(guó)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)完成調(diào)查報(bào)告《我們共同的未來(lái)》，提出了可持續(xù)發(fā)展概念。這一概念及其構(gòu)想在1992年聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)上得到世界一百多個(gè)國(guó)家的認(rèn)同?？沙掷m(xù)發(fā)展就是“滿足當(dāng)代人的需求，又不損害子孫后代滿足其需求能力的發(fā)展”。1.3.3中國(guó)新能源與可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

小水電：全國(guó)小水電的總裝機(jī)容量約3500萬(wàn)千瓦，占水電裝機(jī)總量的30%左右太陽(yáng)能：2004年太陽(yáng)電池50多MW，另外有熱水器、太陽(yáng)灶和太陽(yáng)房風(fēng)能：2004年764MW生物質(zhì)能:沼氣、秸稈氣化、發(fā)電地?zé)崮?2000年25.18MW海洋能:2000年16.65MW1.3.4中國(guó)新能源與可再生能源發(fā)展前景

豐富的新能源與可再生能源資源可再生能源一年可以獲得的資源兩相當(dāng)于46億t標(biāo)準(zhǔn)煤對(duì)新能源與可再生能源需求巨大中國(guó)人均能耗低，傳統(tǒng)能源又日益受環(huán)境等限制良好的市場(chǎng)機(jī)遇市場(chǎng)的未來(lái)前景促