1、第三章 新能源与可再生能源 第一节 太阳能 第二节 风能 第三节 地热能 第四节 海洋能 第五节 生物质能 第六节 氢能 第七节 核能 第八节 水能 第九节 可燃冰 返回总目录第一节 太 阳 能概述概念与优缺点 太阳能是指太阳辐射出的能量。 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。 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 l0 26 W）的22 亿分之一，但已高达1.73 10 17 W，换句 话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量 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；地球上的化石燃料从根本上 说也是远古以来
2、贮存下来的太阳能。 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。 太阳能两个主要缺点： 一是能流密度低 ； 二是其强度受各种因素的影响 不 能维持常量 。 这两大缺点大大限制了太阳能的 有效利用。太阳的构造 太阳是一个炽热的气态球体，它的直径 约为1.39 10 6 km，质量约为2.2 10 19 亿 吨，为地球质量的3.32 10 5 倍，体积则 比地球大1.3 10 6 倍，平均密度为地球的 l 4 。 主要组成气体为氢（约71%）和氦（约 27%）。 太阳内部有“里三层”，从中心向外， 依次是： 核反应区太阳热能产生的基地； 辐射区太
3、阳能先通过这里传播出去； 对流区太阳能经过这里向太阳表层传播，它 们是“输送带”。 太阳外部有“外三层”，从里向外，依次 是： 光球层； 色球层； 日冕层。太阳结构示意图太阳构造示意图 人们肉眼可见的明亮表面就是光球层 ， 我们所见到太阳的可见光，几乎全是由 光球发出的。光球层厚约500 km，温度 为5 762 K，密度为10 -6 g/cm 3 ，它是由强 烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐 射都是由此向太空发射的。 太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚 变反应，不断地释放出巨大的能量，并 以辐射和对流的方式由核心向表面传递 热量，温度也从中心向表面逐渐降低， 表面有效温度约6000K 。
4、氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1 g质量将亏损0.0072 g ， 寿命100亿年，因 此太阳能可以说是用之不竭的。 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温 度恒定的黑体，而是一个多层的有不同 波长发射和吸收的辐射体。 在太阳能利用中，通常将它视为一个温 度为6 000 K，发射波长为0.3 3 m的黑 体。太阳常数 平均日地距离(1.5 10 8 Km)时，在地区 大气层上方垂直于太阳辐射的单位面积 上所接受的太阳辐射能。标准值为 1367W/m 2 。 太阳辐射由直射和漫射组成。太阳能利用的历史 第一阶段(19001920) ：太阳能动力装置( 抽 水)； 第二阶段(19201945) ：
5、二战，冷落； 第三阶段(19451965) ：选择性涂层、硅太阳 能电池； 第四阶段(19651973) ：停滞； 第五阶段(19731980) ：能源危机，热潮； 第六阶段(19801992) ：落潮； 第七阶段(1992 今)：环境污染与生态破坏， 发展。太阳能资源世界太阳能资源 丰富的地域： 中东、青藏高原、非洲南部和北部、 美洲南部和北部、大洋洲。 印度洋和太平洋。中国太阳能资源 丰富的地域： 青藏高原第一，拉萨市日光城。 内蒙西部第二。 分五类地区按太阳能辐射量的多少。太阳能利用的发展状况国外 光伏发电向大型和超大型并网发展； 百兆瓦级太阳能热发电系统已并网运行； “太阳屋顶”、“零
6、能建筑”。国内 50MWp （Wp=Wpeak ，电池的峰 瓦值单位 ）光伏电站并网运行 “光明工程”、“绿色电力”。宁夏红寺堡50MWp光伏电站，投资 11.9亿元，2010年4月开工建设， 2011年12月全部并网发电。美国加州帕萨迪纳全球性太阳能发电供应商 esolar公司与山东蓬莱电力设备制造有限公司 2010 年1 月9日签订建立两百万千瓦太阳能聚光 热电机组协议，落户陕西榆林 。太阳能利用太阳能利用 主要包括太阳能热利用和太阳能光利用 。 太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、 供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药 材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热 动力发电等。 太阳能光利用主要是太
7、阳能光伏发电 和 太阳能制氢。太阳能热利用太阳能集热器 把太阳辐射能转换成热能的设备，它是 太阳能热利用中的关键设备。分为 非聚 光 和聚光两大类。 平板集热器是非聚光类集热器中最简单 且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射 的面积与采集太阳辐射的面积相等，能 利用太阳的直射和漫射辐射。平板太阳能集热器工作原理图 为了更有效地利用太阳能必须提高入射 阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集 热面上，以获得较高的集热温度，并减 少散热损失，这就是聚光集热器的特点。 聚光集热器通常由三部分组成：聚光器 、 吸收器 和 跟踪系统。其工作原理是：自 然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加 热吸收器内流动的集热介质；
8、跟踪系统 则根据太阳的方位随时调节聚光器的位 置，以保证聚光器的开口面与人射太阳 辐射总是互相垂直的。太阳能热利用其工作原理是太 阳能透过外玻璃 照射到内管外表 面吸热体上转换 为热能，然后加 热内玻璃管内的 传热流体，由于 夹层之间被抽真 空，有效降低了 向周围环境散失 的热损失，使集 热效率得以提高。 真空集热管 最高温度可达200太阳能热水器 自然循环式热水器 太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱 和连接管道组成。按照流体流动的方式分类， 可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直 流式和循环式(自然式和强迫式) 。太阳能采暖 分为主动式和被动式两大类。 主动式利用太阳能集热器和相应的蓄
9、热装置作为热源来代替常规热水（或热 风）采暖系统中的锅炉。 被动式依靠建筑物结构本身充分利用 太阳能来达到采暖的目的，因此它又称 为被动式太阳房 。太阳房工作原理示意图太阳能干燥 太阳能干燥不但可以节约燃料，缩短干 燥时间，而且由于采用专门的干燥室， 因此干净卫生，必要时还可采用杀虫灭 菌措施，既可提高产品质量，又可延长 产品贮存时间。 太阳能干燥器按干燥器（或干燥室）获 得能量的方式可分为：集热器型干燥器， 温室型干燥器，集热器温室型干燥器。太阳灶 利用太阳能获得热量进行炊事和烹饪。太阳能海水淡化 地球上的水资源中，含盐的海水占了 97%，随着人口增加，大工业发展，使 得城市用水日趋紧张。为
10、了解决日益严 重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。 世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞 典工程师威尔逊设计、1872年在北智利 建立的，面积为44 504 m 2 ，日产淡水 17.7吨。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一 直工作到1910年。 太阳能海水淡化装置中最简单的是池式 太阳能蒸馏器 。 还有另一类多效太阳能蒸馏器。它是一 种间接太阳能蒸馏器，主要由吸收太阳 能的集热器和海水蒸发器组成，并利用 集热器中的热水将蒸发器中的海水加热 蒸发。 在干旱的沙漠地带，将咸水淡化和太阳 能温室结合起来非常有前途。太阳能海水淡化装置太阳能空调 在夏季依靠太阳能来驱动空调系统制 冷 太阳能吸收式空调，以溴化
11、锂(不含 氟氯烃化合物)为工作介质。 和常规的压缩式空冷机相比： (1)无污染， (2)噪声小， (3)夏季制冷、冬季采暖、其它季节供热结 合， 一机多用 。太阳能吸收 式制冷原理 在制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受 到热媒水加热后，溶液中的水不断汽化；水蒸气进入冷凝 器，被冷却水降温后凝结；随着水的不断汽化，发生器内 的溶液浓度不断升高，进入吸收器；当冷凝器内的水通过 节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中 大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目 的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的 浓溴化锂溶液吸收，溶液浓度逐步降低，由溶液泵送回发 生器，
12、完成整个循环。太阳能热动力发电 太阳蒸汽热动力发电可以分为： 分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组， 然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需 的供热温度。 集中型（中央式）发电系统也称为塔式接受器系 统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜 阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射 到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。 可以分为： 太阳蒸汽热动力发电。 利用热直接转化为电能(温差发电、热离子发电、 磁流体发电) 。塔式太阳能热动力发电 太阳坑发电技术为了降低塔式太阳能 热动力系统的投资。 在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上 许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹 面半球镜，它将太阳能
13、聚焦到接受器， 以获得高温蒸汽。 试验证实太阳坑发电的方案是可行 的。由于其技术简单，成本低，有巨大 的市场潜力。 太阳能烟囱发电在一大片圆形土地上 盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟 囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板 下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走， 驱动风力透平机发电。 这种发电装置简单可靠，在西班牙 已建有一座容量为50 kW的试验电站。 显然这种发电方式非常适合于我国广大 的西部地区。 太阳池热发电盐湖底部的盐浓度高于上部，当太阳 光透射到盐湖的湖底，立即转换成热能，但水中稳定 地盐水层都隔绝了热能向外传递的通道，热的对流被 阻，湖底的水温越来越高，盐浓度梯度导致了湖中温 度梯度倒
14、置，于是就形成了自然的蓄热池，人们称之 为太阳池。 发电原理第一步，发电所用的热水来自太阳池蓄热 层，当热水达到一定温度时，用水泵从蓄热层上部将 热水抽至池外。第二步，热水被送进蒸发器的螺旋管 里，热水的热能将环绕蒸发器的低沸点的有机液体加 热变成气体。这种气体驱动气轮机转动，就可以带动 发电机发电。第三步，从气轮机中出来的气体，经过 冷凝器凝缩成液体，又被送回蒸发器。而通过蒸发器 降温后的热水，被用管道送回蓄热层的底部。太阳池 20世纪60年代初，以色列科学家在死海之畔建立了第一个太阳池装置。 1979年一座150千瓦的太阳池发电站在死海南岸的爱因布科克镇诞生了。 1981年以色列政府投资又
15、兴建一座5000千瓦的太阳池电站。太阳能光利用太阳能电池 太阳能光利用最成功的是用光电转换 原理制成的太阳电池（又称光电池）。 太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室， 随后1958年被用作“先锋1 号”人造卫星 的电源上了天。 太阳电池原理利用半导体内部的光电 效应，当太阳光照射到一种称为“P N 结”的半导体上时，波长极短的光很容 易被半导体内部吸收，并去碰撞 硅原子 中的“价电子”使“价电子”获得能量 变成自由电子而逸出晶格，从而产生电 子流动。太阳能电池结构原理图太阳能电池 常用太阳电池按其材料可以分为：晶体 硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷 化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、 叠层
16、串联电池等。 太阳电池重量轻，无活动部件，使用安 全。单位质量输出功率大，即可作小型 电源，又可组合成大型电站。目前其应 用已从航天领域走向各行各业，走向千 家万户，太阳能汽车、太阳能游艇、太 阳能自行车、太阳能飞机都相继问世， 然而对人类最有吸引力的是所谓太空太 阳站。太阳能光伏发电 组成太阳能电池板、太阳能充电控 制器、蓄电池、逆变器。 太阳能电池板单晶硅电池实验室效 率20%，多晶硅实验室效率12% 。 逆变器将太阳能电池板输出的DC12 、 24 、48V 直流电转换为AC220 、110V 交流电。2011年，青海柴达木盆地建成并安全并网大 规模光伏电站1000余兆瓦，成为目前世界上
17、 太阳能光伏装机容量最集中的地区。截至目前， 青海省内已经实现并网发电的光伏电站有44个， 总装机容量达到了1003 兆瓦。西班牙的太阳能电站宁夏红寺堡光伏电站 50MWp ，2011 年12月全部并网发电 ， 我国最大光伏电站建在四区市场的屋顶，分8 个区域，共有7000 块电伏板构成，年生电超百万千瓦， 2010 年2 月26日正式并网发电，主供市场通道照明使用。太阳能电源 路灯。 微波通信电源。 电视差转电源。 野外观测点电源。 太阳能车船和风机 由澳大利亚大学生研 究小组研发的太阳能 汽车以54英里( 约87公 里) 的时速打破了吉尼 斯世界纪录 日本举行国际太阳能汽车赛德国展出全球最
18、大太阳能船(2010 年 3月) “Planet Soler”号由瑞士船舶制 造商Planet Soler设计，经过13 个 月建成，长31米，阔15米，船身髹上纯白色，甲板面安装总面 积达500平方米的太阳能电池板，驾驶舱设于船中央。最高设计 航速为15节，最多可装载50名乘客。在德国基尔市HDW船坞竣 工 。瑞士“太阳驱动”号太阳能动力飞机瑞士“太阳驱动”号太阳能动力飞机当地时间 2010 年7 日6 时51 分（北京时间12 时51 分） 从瑞士帕耶讷机场起飞，开始历时25小时的连 续航行，全天候测试续航能力。Solar Impulse in flight over Switzerlan
19、d, 2011Solar Impulse flying over Paris in 2011Crossing Frontiers - Flying over Rabat-Sal, Morocco, June 5, 2012Solar Plane on Cross-Country US Trip ，May 04, 2013 T h eS o l a rI m p u l s eh a st h ew i n g s p a no fa7 4 7 passenger jet, but weighs only as much as a mid-size car. The plane collects
20、 energy from the sun and stores them in batteries, so it can fly day and night. But the planes top speed is only about 69 kilometers per hour and it seats just one pilot, calling for frequent rest stops. The project began in 2003 with a 10-year budget of 90 million euros ($112 million) . the Solar I
21、mpulse is a test model for a more advanced aircraft the team plans to build to circumnavigate the globe in 2015. 截至2013 年空间太阳能电站 在赤道上空的同步轨道上安装巨型太 阳能收集器，太阳能电池产生的直流电 转变成微波能，传输到地面接收站，再 转换为电能。第 二 节风能风能评价 风能密度 3 2 1 V E V空气的速度。 2 m / W 风速对风能密度影响很大。风能资源 太阳光从上而下照射大气层，使之升 温。又由于地球的自转和公转，地面 附近各处受热不均，大气温差发生变 化
22、，引起空气流动。空气在水平方向 上的流动就形成了风。 例如： 白天的向岸风 ，晚上的离岸风 。世界风能资源 太阳辐射到地球的光能大约有2转变 为风能。 风能的数量很大。它相当于全球目前 每年耗煤能量的1 000倍以上 。 风能资源俄罗斯第一，美国第二， 中 国第三 。 风能理论总储量约为16 10 11 W，可利用的风 能资源约2.5 10 11 W。 风能资源较好的地区为东部沿海及一些岛屿； 内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风能 资源也较丰富。平均风能密度150 300 W/m 2 ， 一年中有效风速超过3 m/s的时间为4 000 8 000小时。 风能贫乏区：内陆的山地和盆地。平均风
23、能 密度低于50W/m 2 ，一年中有效风速320 m/s 的 时间少于2 000小时。 中国的风能资源风能利用 风能利用历史悠久， 我国是世界上最早利 用风能的国家之一。 风能是利用风力机将 风能转化为电能、热 能、机械能等各种形 式的能量，用于发电、 提水、助航、致冷和 致热等。风力发电 风力发电通常有三种运行方式： 一是独立运行方式，它用蓄电池蓄 能，以保证无风时的用电； 二是风力发电与其他发电方式相结 合； 三是风力发电并入常规电网运行。 截至2010年底，中国成为风电装机世界 第一大国，风电装机总量达到4182.7 万 千瓦。美国第二，风电总装机容量仅为 4000万千瓦出头。 中国国
24、电集团旗下龙源电力在 江苏如东建立的海上（潮间带） 150兆瓦示范风电场一期工程99.3 兆瓦于2011 年12 月28日投产发电。 至此，国际规模最大海上风电场 建成投产，总装机容量达131.3 兆 瓦。风机和风场风力泵水 风力泵水从古至今一直得到较普遍的应 用。 现代风力泵水机根据用途可以分为两类： 一类是高扬程小流量的风力泵水机，它 与活塞泵相配提取深井地下水，主要用 于草原、牧区，为人畜提供饮水；另一 类是低扬程大流量的风力泵水机，它与 螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水， 主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。风帆助航 在机动船舶发展的今天，为节约燃油和 提高航速，古老的风帆助航也得到了发
25、 展。风力致热 “风力致热”是将风能转换成热能。目前 有三种转换方法：一是风力机发电，再 将电能通过电阻丝发热，变成热能；二 是由风力机将风能转换成空气压缩能， 再转换成热能；三是将风力机直接转换 成热能。第三种方法致热效率最高。风力机 风力机又称风车，是一种将风能转换成 机械能、电能或热能的能量转换装置。 风力机的类型很多，通常将其分为水平 轴风力机、垂直轴风力机和特殊风力机 三大类。但应用最广的还是前两种类型 的风力机。 截至2011年，世界最大的风力发电机由 德国埃纳肯公司制造，装机容量约6 兆 瓦。 2009年广西银河艾万迪斯风力发 电有限公司自主研制2.5兆瓦 。风力机的基本形式 水
26、平轴 垂直轴 水平轴 屋顶发电风力机的组成与原理风能优点 风能蕴藏量大，分 布广；不枯竭，可 再生，无污染，是 一种可就地利用而 且干净的能源。风能缺点 受地理环境、季节、昼夜等因素的影响， 要充分、有效地利用风能比较困难，需 要综合运用高新技术。就学科而言，它 涉及空气动力学、电机学、结构力学、 材料学、气象学和控制论等。风光互补 风能和太阳能结合在一起，能够减弱能 量密度低、稳定性差、不连续等缺点。中国风电技术的发展趋势 生产能力、保有量和年产量世界第一。 单机容量增大。 最大2.5兆瓦 。 桨叶增大长度，最大50米。 塔架高度增加，达80米。以捕捉更多风 能。 直驱，省去增速齿轮箱。交流
27、电频率随 风速变化，经地面电力电子变换器转变 为直流电，再由逆变器转换为与电网同 频率的交流电输出。第三节 地 热 能地热能综述 我们人类居住的这个星球，很像是一个 巨大的“热水瓶”，外凉内热，而且是 越往里温度越高。人们把蕴藏于地球内 部的热能称为“地热能”。 地热能来源于地球深处的熔融岩浆和放 射性物质的衰变 。 地球通过火山爆发和温泉外溢等途径， 将其内部蕴藏的热能源源不断地输送到 地面上来。地热能综述 现代人们常说的温泉，就是人类的祖先 在很久以前就开始利用的一种地热能。 人类对地热能的大规模开发利用，可以 说现在才刚刚起步。 地热能是一种开发潜力很大的新型能源。地热循环地球内部推测温
28、度分布曲线 世界上钻井深度已达10km。北京天津可 达这个深度。 评价地热资源一般划定在4000m。 目前经济上可开采的深度在3000米以内。 1913年意大利建成了世界上第一座地热 电厂。地热资源的类型 地热资源是指为人类经济开发利用的地 热能、地热流体及其有用组分。 热水型 它是反映以水为主体的对流水热系统。 这种地热能分布较广，约占已探明的热 资源的10%；其温度范围也很广，从接 近于室温到高达390。 目前应用广。地热资源的类型 蒸汽型 是指以温度较高的干蒸汽或过热蒸汽 形式存在的地下储热田。 以生产温度较高的过热蒸汽为主，其 中夹杂有少量的不凝结气体和少量的水 (有的不含水) 。 比
29、较容易开发利用，但储量不多，仅 占已探明的地热资源总量的0.5%左右。 目前应用广。地热资源的类型 地压型 是指在高压下由深部地层提取含有可 溶性甲烷(沼气)的高盐分热水。 温度约为150 260；其储量较大， 约占已探明的地热资源的20% 。 地压型地热能的开发利用目前尚处于 研究探索阶段。地热资源的类型 干热岩型 是反映地层深处广泛存在的不含水分 （或含有少量蒸汽）的岩石。 温度约为150 650 。 其储量更大，约占已探明的地热资源 总量的30% 。 提取干热岩中的热量需要特殊的办 法，技术难度大。地热资源的类型 熔岩型 是埋藏部位最深的一种完全熔化的热 熔岩(即岩浆)，其温度高达650
30、 1 200。 熔岩储存的热能比其他几种都多，约 占已探明的地热资源总量的40% 。 需要在火山地区打几千米深的钻孔开 采，目前尚未得到实际开发利用。全球地热资源分布 环太平洋地热带； 地中海喜马拉雅地热带； 大西洋中脊地热带； 红海亚丁湾东非裂谷地热带。我国的地热资源分布 中国是以中低温为主的地热资源大国，全国 地热资源潜力接近全球的8% 。 中国地热资源主要分三类： (1)高温对流型地热资源(150 )，主要 分布在滇藏及台湾地区，其中适用于发电的高 温地热资源较少，主要分布在藏南、川西、滇 西地区，可装机潜力约为600万千瓦； (2)中低温对流型地热资源(90 ， 150 ) ，主要分布
31、在东南沿海地区包括广东、 海南、广西，以及江西、湖南和浙江等地； (3)中低温传导型地热资源( 90 )，主 要埋藏在华北、松辽、苏北、四川、鄂尔多斯 等地的大中型沉积盆地之中。地热能的未来 一座座活火山将成为一个个热电厂； 一块块地震频发区，反而成为一个个地 热开采的中心； 地热资源是地球奉献给人类的又一个能 量宝库，有其不可估量的前途。地热能的利用 地热能的利用可分为两大类: 地热发电 和 直接利用 。地热发电系统 地热发电系统主要有四种： (1)地热蒸汽发电系统：利用地热蒸汽推 动汽轮机运转，产生电能。本系统技术 成熟、运行安全可靠，是地热发电的主 要形式。西藏羊八井地热电站采用的便 是
32、这种形式。地热蒸汽发电系统西藏羊八井地热电站地热发电系统 (2)双循环发电系统： 也称有机工质朗肯 循环系统。它以低沸点有机物为工质， 使工质在流动系统中从地热流体中获得 热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽 轮机旋转，带动发电机发电。双循环发电系统地热发电系统 (3)全流发电系统：本系统将地热井口的 全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不 凝气体及化学物质等，不经处理直接送 进全流动力机械中膨胀做功，其后排放 或收集到凝汽器中。这种形式可以充分 利用地热流体的全部能量，但技术上有 一定的难度，尚在攻关。全流发电系统地热发电系统 (4)干热岩发电系统： 利用地下干热岩体 发电的设想，是美国人莫顿和史
33、密斯于 1970年提出的。1972年，他们在新墨西 哥州北部打了两口约4000米的深斜井， 从一口井中将冷水注入到干热岩体，从 另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽， 功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究 的还有日本、英国、法国、德国和俄罗 斯，但迄今尚无大规模应用。干热岩我国地热电站装机容量一览表地热发电的好处 利用地热能来进行发电其好处： 建造电站的投资少，通常低于水电站； 发电成本比火电、核电及水电都低； 发电设备的利用时间较长； 地热能比较干净，不会污染环境； 发电用过的蒸汽和热水，还可以再加以 利用，如取暖、洗浴、医疗、化工生产 等。地热能的直接利用 地热能直接利用于烹饪、沐浴及暖房，
34、 已有悠久的历史。 中国的地热水直接利用居世界首位，其 次是日本。 地热水的直接用途非常广泛，主要有采 暖空调、工业烘干、农业温室、水产养 殖、旅温泉疗养保健等 。地热直接利用量前十位的国家地源热泵系统 什么是地源热泵？ 它是以地源能（土壤、 地下水、地表水、低温 地热水和尾水）作为冷、 热源，同时提供冬季采 暖、夏季空调和生活热 水的系统。热 冷 冷 热 热 热 冷 地源热泵技术示意 基本原理 热 冷 冷 热 热 热 冷 地源热泵技术示意 基本原理 热 冷 冷 热 热 热 冷 地源热泵技术示意 夏季温暖 冷 温暖 温暖 冷 冬季 地源热泵技术示意 基本原理地源热泵国内外发展近况 1）1912
35、年，第一台热泵机组在瑞士诞生，它以河水为低温热 源，向市政厅供热，输出热水温度达到60摄氏度 2）1973年，能源危机推动热泵的发展 3）目前，欧洲的热泵理论和技术均已高度发达。 如美国，截至1985年，全国共有热泵14000台，而1997 年 就安装了45000台，到目前为止，已安装了400000台，而且每 年以10%的速度稳步增长。 在欧洲，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士 为96%，奥地利为38%，丹麦为27% 4）我国地源热泵事业近几年起步，发展势头良好。高校和企 业合作联合开发，已建成数个示范工程。 地源热泵系统的热利用效率达到了300% 400%，远超空调180%200%
36、 、电 供暖100%、燃油90%和燃煤60% 。 热泵项目集中在北京、天津、辽宁、河北、 山东、河南和内蒙古等地。 到2010年初，全国利用地源热泵供暖的 建筑面积已经超过了1亿平方米。 目前我国的地源热泵工程技术、设备、监 测、控制系统比较完善，地下水回灌技术 和地埋管换热技术尚待进一步研究。美国总统布什在德克萨斯州的宅邸美国总统布 什宅邸中的 地源热泵装 置当前无法显示此图像。 地热务农地热养殖第四节 海 洋 能海洋能源概述 海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生 的自然能源，主要有： 潮汐能海水垂直升降所携带的势能； 波浪能海面在风力的作用下产生的波 浪运动所具有的能量； 潮流能海水流动所携
37、带的能量。海洋能源概述 海流能海洋中由于海水温度和盐度的不均 匀分布而产生海水密度和压力梯度及海面上 风的作用等原因产生的海水流动成为海流 ， 海流所储存的能量成为海流能； 海水温差能在低纬度地区，因海洋深层和 表层海水之间温度差所蕴藏的热能； 海水盐差能在沿岸河口地区，由流入海洋 的江河淡水与海水之间的盐度差( 溶液浓度 差) 所蕴藏的物理化学能。海洋能源概述 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。 潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地 球的引力变化，其他均源于太阳辐射。 海洋是一个巨大的能源宝库，存储量高 达天文数字。海洋能的特点 海洋能有较稳定与不稳
38、定能源之分。较 稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。 属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与 潮流能。既不稳定又无规律的是波浪能。 海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一 旦开发后，其本身对环境污染影响很小。海洋能资源 全球海洋能理论上约760多亿千瓦。技 术上可利用的仅为64千瓦。 中国在现有的条件下可开发利用的海洋 能约4 亿5亿千瓦。潮汐能潮汐能 因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐 导致海水平面周期性地升降，因海水涨 落及潮水流动所产生的能量，称为潮汐 能。 在涨潮的过程中，凶涌而来的海水具有 很大的动能，而随着海水水位的升高， 就把海水的巨大动能转换为势能，在落 潮的过程中，海水奔腾而去，水位
39、逐渐 降低，势能又转换为动能。潮差 潮起潮落所形成的水位差，即相邻高潮 潮位与低潮潮位的高度差，称为潮位差 或潮差。通常，海洋中的潮差不大，一 般只有几十厘米至1m左右。而在喇叭状 海岸或河口的地区，其潮差就比较大。潮汐发电 潮汐能利用的主要方式是发电，潮汐发 电与水力发电的原理相似。通过贮水库， 在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势 能的形式保存，然后，在落潮时放出海 水，利用高、低潮位之间的落差，推动 水轮机旋转，带动发电机发电。潮汐发电 具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮 汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口 与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房 安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落 时海水位的
40、升降，使海水通过轮机转动 水轮发电机组发电。潮汐电站按照运行 方式和对设备要求的不同，可以分成 单 库单向型 、 单库双向型 和 双库单向型 三 种。潮汐发电原理潮汐发电的主要优点 潮汐电站的水库都是利用河口或海湾来建 造的，不占用耕地，也不像河川水电站或 火电站那样要淹没或占用大量的良田； 它既不像河川水电站那样受洪水和枯水季 节的影响，也不像火电站那样污染环境， 是一种既不受气候条件影响而又非常“干 净”的发电站； 潮汐电站的堤坝较低，建造容易。其投资 也相对较少。潮汐发电的主要缺点 经济性差； 潮汐大坝影响环境； 泥沙淤积。世界主要潮汐电站中国的主要潮汐电站法国朗斯潮汐电站加拿大安纳波利
41、斯潮汐电站 单机20MW ，世界最大单机 江厦潮汐发电站 中国最大波浪能波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能 和势能。 波浪的能量与波高的平方、波浪的运动 周期以及迎波面的宽度成正比。 波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一 种能源。波浪能 全世界波浪能的理论估算值为10 9 kW 量 级。 中国沿海理论波浪年平均功率约为 1.3 10 7 kW。其中浙江、福建、广东和 台湾沿海为波浪能丰富的地区。波浪能利用 波浪发电是波浪能利用的主要方式 波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡 化以及制氢等。 波浪能利用装置的种类繁多。波浪能利 用被称为“发明家的乐园”。波浪能利用的几个基本原理 利用物体在波
42、浪作用下的振荡和摇摆运 动；利用波浪压力的变化；利用波浪的 沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。 早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动 式波力装置。道理很简单，就是利用波 浪上下起伏的力量，通过压缩空气，推 动汲筒中的活塞往复运动而做功。“水蟒” 气动式波力装置 “水蟒”工作原理：将“水蟒”安装在距离海岸1.6公里- 3.2公里远、36 米-91米深的水下，并系在海床上，同时 使“水蟒”的橡胶管道内充满海水。这样每当有波浪经 过时，弹性极强的橡胶管就会随之上下摆动，橡胶管内 部就会产生一股水流脉冲。随着波浪幅度的加大，脉冲 也会越来越强，并汇集在尾部的发电机中，最终产生电 能，然后通过海底电缆传输
43、出去。波浪发电站示意图 波浪能供电的灯光浮标温差能温差能 海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转 化成为热水并储存在海洋的上层。另一 方面，接近冰点的海水大面积地在不到 1 000 m的深度从极地缓慢地流向赤道。 这样，就在许多热带或亚热带海域终年 形成20以上的垂直海水温差。利用这 一温差可以实现热力循环并发电。温差发电 温差发电的基本原理就是借助一种工作 介质，使表层海水中的热能向深层冷水 中转移，从而做功发电。 海洋热能发电有两种方式：第一种是采 取 闭式循环，将低沸点工质( 如氨) 加热 成蒸气；第二种是采取开式循环，将温 海水直接送入真空室使之沸腾变成蒸汽， 蒸汽用来推动汽轮发电机发电，
44、最后从 600 1000米深处抽冷水使蒸汽冷凝。温差发电温差发电 开式循环比闭式循环有更多的优点： 以温海水作工质，可避免氨或二氯二氟 甲烷等有毒物质对海洋的污染；开式 循环系直接接触热交换器，价廉且效率 高；直接接触热交换器可采用塑料制 造，在温海水中的抗腐蚀性高；能产 生副产品蒸馏水。 开式循环也有缺点：产生的蒸汽密度低， 汽轮机体积大。 海洋温差发电的理想循环效率仅7% 左 右。美国夏威夷210KW 开式 循环OTEC 系统 美国夏威夷闭式式循环 Mini-OTEC 系统海洋温差能利用 除了发电之外，海洋温差能利用装置还 可以同时获得淡水、深层海水、进行空 调并可以与深海采矿系统中的扬矿
45、系统 相结合。因此，基于温差能装置,可以建 立海上独立生存空间并作为海上发电厂、 海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海 洋牧场的支持系统。总之，温差能的开 发应以综合利用为主。盐差能盐差能 盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐 浓度不同的海水之间的化学电位差能。 主要存在于河海交接处。 同时，淡水丰 富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐 差能。盐差能是海洋能中能量密度最大 的一种可再生能源。盐差能的利用 盐差能的利用主要是发电。其基本方式 是将不同盐浓度的海水之间的化学电位 差能转换成水的势能，再利用水轮机发 电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和 机械化学式等，其中渗透压式方案最受 重视。渗透压式发电
46、原理 渗透压式盐差能发电系统的关键技术是半透膜技术和膜与 海水界面间的流体交换技术。 盐差能发电处于研究和开发阶段。 渗透压式发电工作过程是： 先由海水泵向水压塔内充入海水。同时， 由于渗透压力的作用淡水从半透膜向水 压塔内渗透，使水压塔内水位升高。当 水位上升到一定高度后，便从塔顶的水 槽溢出，冲击水轮机旋转，带动发电机 组发电。为使水压塔内的海水保持一定 的盐度，必须用海水泵不断向塔内充入 海水，以保持系统连续工作。 扣除海水泵等的动力消耗，系统的总效 率约为20% 。海流能海流能 海流能是指海水流动的动能，主要是指 海底水道和海峡中较为稳定的流动以及 由于潮汐导致的有规律的海水流动 。
47、海流能的能量与流速的平方和流量成正 比。 中国沿海海流能功率密度属世界最大的 地区之一，辽宁、山东、浙江、福建、 台湾沿海的海流能较丰富 。海流能的利用 海流能的利用方式主要是发电，其原理 和风力发电相似，几乎任何一个风力发 电装置都可以改造成为海流发电装置。 海流发电存在一系列的关键技术问题， 包括安装维护、电力输送、防腐、海洋 环境中的载荷与安全性能等。 在潮汐能建坝影响环境的背景下，受到 重视。发展到MW级，技术上达到海试阶段国外海洋能开发的特点 潮汐电站受环境制约发展缓慢。 波浪能和海流能发展迅速。英、日、美、 德技术先进。 温差能研发活跃，美、日、印度领先。 以实验基地促技术开发和产
48、业化进程， 欧洲在英国建立了海洋实验基地。国内外海洋能开发对比 技术层面上，国内在理论研究、装 置设计技术方面与国外差距不大， 但在工艺技术和制造技术方面有一 定差距。 研发机制上，与产业化联系小。 研发资金不足。第五节 生物质能生物质能简介 生物能是太阳能以化学能形式贮存在生 物中的一种能量形式，一种以生物质为 载体的能量，它直接或间接地来源于植 物的光合作用，在各种可再生能源中， 生物质能是独特的，它是贮存的太阳能 ， 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。生物质能简介 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的 第四大能源，在整个能源系统占有重要 地位。生物质能一直是人类赖以生存的 重要能源之一，就其能源当量而言，是 仅次于煤、油、天然气而列第四位的能 源，在世界能源消耗中，生物质能占总 能耗的14，但在发展中国家占40 以 上。生物质能的来源 柴薪至今仍是许多发展中国家的重
