第三節(jié) 新能源的開發(fā)利用

能源利用與環(huán)境保護(hù)第三節(jié)新能源的開發(fā)利用

礦業(yè)與環(huán)境工程學(xué)院luole第三節(jié)

新能源的開發(fā)利用

目前，新能源的開發(fā)利用在滿足廣大農(nóng)村和偏僻的草原、海島、高山、沙漠等地少量分散的需要上起了一定作用。新能源在開發(fā)和利用過(guò)程中都要比化石燃料對(duì)環(huán)境污染少得多，清潔得多。對(duì)保護(hù)環(huán)境減少污染起到積極的作用。

新能源的利用還可以滿足一些特殊需要。如太陽(yáng)能電池在空間科學(xué)上的應(yīng)用，自60年代開始，太陽(yáng)能電池在各式各樣的人造衛(wèi)星、宇宙飛船和星際電站中作為主電源大量應(yīng)用。一、太陽(yáng)能二、生物質(zhì)能三、風(fēng)能四、潮汐能五、地?zé)崮芰?、核聚變能利用技術(shù)的研究主要內(nèi)容一、太陽(yáng)能熱利用光電利用1.太陽(yáng)能的直接利用有兩種途徑太陽(yáng)能的熱利用

太陽(yáng)能的熱利用是通過(guò)反射、吸收或其他方式收集太陽(yáng)輻射能，使太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能并加以利用。熱利用是當(dāng)前太陽(yáng)能利用工作中的主要方面。我國(guó)現(xiàn)已逐步推廣應(yīng)用的太陽(yáng)能熱利用項(xiàng)目主要有太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)能采暖等。

太陽(yáng)能的熱利用太陽(yáng)能的光電利用

太陽(yáng)能光電系統(tǒng)核心部件是光電池。光電池是一種直接將太陽(yáng)幅射能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。我國(guó)在1971年成功地首次將光電池應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的第二顆衛(wèi)星工程上。通過(guò)衛(wèi)星空間多年運(yùn)行的考驗(yàn)，這一太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)性能良好，保證了衛(wèi)星高質(zhì)量、高可靠地完成了航天任務(wù)。

太陽(yáng)能的光電利用2.太陽(yáng)能利用系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響

太陽(yáng)能在利用過(guò)程中既無(wú)有毒有害氣體的排出，也無(wú)廢棄物排出，總的來(lái)講，太陽(yáng)能是清潔無(wú)害的。但是，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)吸收太陽(yáng)能后，減少了地面、建筑物等反射回空間的能量，其結(jié)果會(huì)影響大氣中溫度的梯度、云層、風(fēng)等，進(jìn)而影響小氣候。巨大的集熱系統(tǒng)、聚光裝置會(huì)影響景觀。

太陽(yáng)能電站太陽(yáng)能電站

生物質(zhì)能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽(yáng)能，最有可能成為主要的新能源之一。據(jù)估計(jì)，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的l%。這些未加以利用的生物質(zhì)，絕大部分由自然腐解將能量和碳素釋放，回到自然界中。二、生物質(zhì)能源

我國(guó)基本上是一個(gè)農(nóng)業(yè)國(guó)家，農(nóng)村人口數(shù)量大，生物質(zhì)一直是農(nóng)村的主要能源之一，在國(guó)家能源構(gòu)成中也占有主要地位。中國(guó)的生物質(zhì)能源（1）生物質(zhì)能資源

我國(guó)現(xiàn)有森林、草原和耕地面積41.4億公頃，理論上生物質(zhì)資源可達(dá)650億噸/年以上。以平均熱值為15000千焦/公斤計(jì)算，折合理論資源為33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于我國(guó)目前年總能耗的1倍以上。（2）生物質(zhì)能源和利用

我國(guó)生物質(zhì)的能源利用絕大部分用于農(nóng)村生活能源，極少部分用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)。利用方式長(zhǎng)期來(lái)一直以直接燃燒為主，只是近年來(lái)才開始采用新技術(shù)利用生物質(zhì)能源，但規(guī)模較小、普及程度較低，在國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)中占有極小的比例。

生物質(zhì)直接燃燒方式不僅熱效率低下，而且大量的煙塵和余灰的排放使人們的居住和生活環(huán)境日益惡化，嚴(yán)重?fù)p害了婦女、兒童的身心健康。此外，還對(duì)生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成極其不利的影響。

事實(shí)上，生物質(zhì)能源是人類利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15億以上的人口以生物質(zhì)作為生活能源。生物質(zhì)燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低下，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重。通過(guò)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可以高效地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔燃料，替代煤炭、石油和天然氣等燃料，生產(chǎn)電力，以減少對(duì)礦物能源的依賴，保護(hù)國(guó)家能源資源，減輕能源消費(fèi)給環(huán)境造成的污染。專家認(rèn)為，生物質(zhì)能源將成為未來(lái)持續(xù)能源重要部分，到2015年，全球總能耗將有40%來(lái)自生物質(zhì)能源。

生物質(zhì)能源的開發(fā)利用早已引起世界各國(guó)政府和科學(xué)家的關(guān)注。有許多國(guó)家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計(jì)劃，如：日本的陽(yáng)光計(jì)劃印度的綠色能源工程美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)巴西的酒精能源計(jì)劃

其它諸如丹麥、荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、芬蘭等國(guó)，多年來(lái)一直在進(jìn)行各自的研究與開發(fā)，并形成了各具特色的生物質(zhì)能源研究與開發(fā)體系，擁有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

80年代以前，發(fā)展中國(guó)家主要發(fā)展沼氣池技術(shù)，以農(nóng)作物秸稈和禽畜糞便為原料生產(chǎn)沼氣作為生活炊事燃料，如印度和中國(guó)的家用沼氣池；而發(fā)達(dá)國(guó)家則主要發(fā)展厭氧技術(shù)，處理禽畜糞便和高濃度有機(jī)廢水。（1）沼氣技術(shù)

美國(guó)、英國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家將沼氣技術(shù)主要用于處理垃圾。美國(guó)紐約斯塔藤垃圾處理站投資2000萬(wàn)美元，采用濕法處理垃圾，日產(chǎn)26萬(wàn)m3沼氣，用于發(fā)電、回收肥料，效益可觀，預(yù)計(jì)10年可收回全部投資。英國(guó)以垃圾為原料實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電18MW，今后10年內(nèi)還將投資1.5億英鎊，建造更多的垃圾沼氣發(fā)電廠。

沼氣的熱值視其中甲烷的含量而定，一般為4800～6200千卡／m3。沼氣具有較高的熱值，可用作炊事、照明，也可以驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)。據(jù)測(cè)算，1立方米沼氣相當(dāng)于1.2公斤煤或0.7公斤汽油的熱值。1公斤作物秸稈可產(chǎn)生0.22立方米沼氣。作物秸稈直接燃燒熱能利用率只有10％，沼氣熱能利用率可高達(dá)60％。每公斤秸稈含熱量3400千卡，直接燃燒的有效熱值為340千卡，制成沼氣燃燒的有效熱值726千卡，提高了114％。

修建沼氣池沼氣照明沼氣做飯沼氣是一種比較干凈的再生能源，燃燒后的產(chǎn)物是二氧化碳和水，對(duì)空氣的污染要??；垃圾、糞便等有機(jī)廢棄物及作物秸稈是產(chǎn)生沼氣的原料，投入沼氣池后，既改善了環(huán)境衛(wèi)生，又使蚊蠅失去了攣生的條件，減少了疾病的傳播；生產(chǎn)沼氣后的廢液是很好的肥料，能減少化肥和農(nóng)藥的施用量，降低了對(duì)土壤的污染，起到了間接保護(hù)環(huán)境的作用。發(fā)展沼氣有利于環(huán)境保護(hù)：

早在70年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、加拿大、歐共體諸國(guó)，就開始了以生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)研究與開發(fā)，到80年代，美國(guó)就有19家公司和研究機(jī)構(gòu)從事生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)的研究與開發(fā)；加拿大12個(gè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室在開展生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)的研究；此外，菲律賓、馬來(lái)西亞、印度、印尼等國(guó)家也先后開展了這方面的研究。芬蘭坦佩雷電力公司開始在瑞典建立一座廢木材氣化發(fā)電廠，裝機(jī)容量為60MW、產(chǎn)熱65MW：瑞典能源中心取得世界銀行貸款，計(jì)劃在巴西建一座裝機(jī)容量為20-30MW的發(fā)電廠，利用生物質(zhì)氣化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等先進(jìn)技術(shù)處理當(dāng)?shù)刎S富的蔗渣資源。

（2）生物質(zhì)熱裂解氣化

生物質(zhì)液體燃料，包括乙醇、植物油等，可以作為清潔燃料直接代替汽油等石油燃料。巴西是乙醇燃料開發(fā)應(yīng)用最有特色的國(guó)家，70年代中期，為了擺脫對(duì)進(jìn)口石油的過(guò)度依賴，實(shí)施了世界上規(guī)模最大的乙醇開發(fā)計(jì)劃，到1991年，乙醇產(chǎn)量達(dá)到130億升，在980萬(wàn)輛汽車中，近400萬(wàn)輛為純乙醇汽車，其余大部分燃用20%的乙醇-汽油混合燃料，也就是說(shuō)乙醇燃料已占汽車燃料消費(fèi)量的50%以上。

1996年，美國(guó)可再生資源實(shí)驗(yàn)室已研究開發(fā)出利用纖維素廢料生產(chǎn)酒精的技術(shù)，由美國(guó)哈斯科爾工業(yè)集團(tuán)公司建立了一個(gè)1MW稻殼發(fā)電示范工程：年處理稻殼12000噸，年發(fā)電量800萬(wàn)度，年產(chǎn)酒精2500噸，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）生物質(zhì)液體燃料

生物質(zhì)壓縮技術(shù)可使固體農(nóng)林廢棄物壓縮成型，制成可代替煤炭的壓塊燃料。如美國(guó)曾開發(fā)了生物質(zhì)顆粒成型燃料；泰國(guó)、菲律賓和馬來(lái)西亞等第三世界國(guó)家發(fā)展了棒狀成型燃料。

（4）其它技術(shù)三、風(fēng)能

風(fēng)能就是空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速9~10米/秒的5級(jí)風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積上約有10公斤；風(fēng)速20米/秒的9級(jí)風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積可達(dá)50公斤左右。臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速可達(dá)50-60米/秒，它對(duì)每平方米物體表面上的壓力，竟可高達(dá)200公斤以上。

風(fēng)力發(fā)電站

達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電站位于烏魯木齊附近，是亞洲最大的風(fēng)力發(fā)電站，在這里風(fēng)車林立，綿延數(shù)里，非常壯觀！

“達(dá)坂城老風(fēng)口、大風(fēng)小風(fēng)天天有，小風(fēng)刮歪樹，大風(fēng)飛石頭”。這里每年大風(fēng)日平均有151天之多，平均風(fēng)速6.1米/秒，瞬間最大風(fēng)速為40米/秒，最高風(fēng)力12級(jí)。

四、潮汐能

潮汐是一種自然現(xiàn)象，它是在月球和太陽(yáng)引潮力作用下所發(fā)生的海水周期性漲落運(yùn)動(dòng)。一般情況下，每晝夜有兩次漲落，一次在白天，一次在晚上，人們把白天的海水漲落稱潮，晚上的海水漲落稱夕，合起來(lái)稱為潮汐。潮汐使海水每天都在不停地運(yùn)動(dòng)，漲潮時(shí)把海水推送向海岸，落潮時(shí)又使海水退回海中。潮汐往復(fù)不停而有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，攜帶著巨大的能量。潮汐電站原理五、地?zé)崮?/p>

地?zé)崮芾梅譃閮深悾旱谝活愂歉邷氐責(zé)崂茫囟纫话阍?50℃以上），主要用于發(fā)電，根據(jù)溫度的高低有兩種發(fā)電方法，即閃蒸法地?zé)犭娬竞碗p循環(huán)地?zé)犭娬?。第二類是地?zé)嶂苯永?。?dāng)?shù)責(zé)釡囟容^低時(shí)利用（溫度一般100℃以下），直接熱利用效益較好，且利用范圍廣。原則上凡是需要熱的地方都可以用，目前應(yīng)用范圍主要包括：生活用熱水、冬季取暖、工業(yè)用熱、干燥產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、溫室種植、溫泉休閑、醫(yī)療康復(fù)等。

地?zé)崮茉?.高溫地?zé)崂?/p>

目前，世界上多數(shù)國(guó)家以高溫發(fā)電為主。地?zé)犭娬景l(fā)展較好的國(guó)家如日本、美國(guó)、新西蘭、墨西哥、菲律賓、印尼、意大利等，根據(jù)“世界能源導(dǎo)報(bào)”的數(shù)據(jù)，各主要國(guó)家地?zé)犭娬镜难b機(jī)容量見表。

各主要國(guó)家電力生產(chǎn)裝機(jī)容量（Huttrer2001）比較國(guó)家裝機(jī)容量MWe產(chǎn)量GWh占國(guó)家裝機(jī)容量％中國(guó)29.17100

哥斯達(dá)黎加142.55927.77埃爾·薩爾瓦多16180015.39危地馬拉33.4215.93.68冰島170113813.04印度尼西亞589.545753.04意大利78544031.03日本546.935320.23肯尼亞45366.475.29墨西哥75556812.11新西蘭43722685.11尼加拉瓜7058316.99菲律賓19099181

俄羅斯23850.01美國(guó)2228154700.25羊八井地?zé)嵴靖邷氐責(zé)崂?/p>

位于拉薩西北110公里的當(dāng)雄縣境內(nèi)的山谷盆地中，海拔4300米，面積約100多平方公里。羊八井北臨海拔5000米～6000米高的念青唐古拉山，四面山頂終年白雪皚皚。

進(jìn)入盆地后，整個(gè)大地被熱氣彌漫，蒸氣灼人，到處都有地?zé)崧额^點(diǎn)，沸泉、熱泉、溫泉、熱水湖、水熱爆炸穴等等。有的白色氣柱帶著刺耳的嘯聲直上云霄。有時(shí)熱水和熱氣散發(fā)出巨大的聲音，使人感到一種恐懼。

這里的熱氣和高原的寒冷相遇，構(gòu)成了美妙的自然奇觀。盆地東北端熱水湖，面積達(dá)7300多平方米，自然水溫高達(dá)50℃左右，是我國(guó)最大的熱水湖。云談風(fēng)輕的時(shí)候，巨大的氣柱飄然升起，可以直噴到100米的高空。在清澈的湖水深處，還可以看見翻涌的熱水潛流。背景材料2.地?zé)嶂苯永?/p>

地?zé)嶂苯永脿可婷孑^廣,有工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等各方面。地?zé)崮軐?duì)環(huán)境的影響在利用過(guò)程中提取熱流會(huì)引起地面下沉開發(fā)和利用過(guò)程中排放的廢氣主要有硫化氫、二氧化碳和氨大多數(shù)地?zé)崴枷鄬?duì)含有溶解物質(zhì)，使水體汞和砷含量增高由于地?zé)犭娬镜臒崂寐瘦^低，以致冷卻水用量多于火電站，因此，熱污染較重

六、核聚變能利用技術(shù)的研究

核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。

如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量來(lái)源。

相比核裂變，核聚變幾乎不會(huì)帶來(lái)放射性污染等環(huán)境問(wèn)題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來(lái)源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。1公斤海水中含有0.034克氘，通過(guò)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于300升汽油燃燒時(shí)釋放的能量。地球上的汪洋大海里的氘，足夠人類使用幾十億年，是一項(xiàng)無(wú)窮無(wú)盡的持久能源。

目前人類已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。

核聚變需要的條件非?？量獭１热纾喊l(fā)生核聚變需要在1億度的高溫下才能進(jìn)行，因此又叫熱核反應(yīng)?？梢韵胂?，沒有什么材料能經(jīng)受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想象的困難需要去克服。

盡管存在著許多困難，人們經(jīng)過(guò)不斷研究已取得了可喜的進(jìn)展。科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了許多巧妙的方法，如用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束反應(yīng)，用強(qiáng)大的激光來(lái)加熱原子等?？梢灶A(yù)計(jì)，人們最終將掌握控制核聚變的方法，讓核聚變?yōu)槿祟惙?wù)。

目前主要的幾種可控核聚變方式：超聲波核聚變激光約束（慣性約束）核聚變磁約束核聚變（托卡馬克）磁場(chǎng)約束法（托卡馬克）

：

是利用通過(guò)強(qiáng)大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)上述條件。這種方法在實(shí)驗(yàn)室條件下已成功，但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)。慣性約束法：

是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收