8.3.1 能源利用现状
1）石油和天然气
从20世纪50年代开始，石油、天然气的开发利用速度十分惊人，成为世界上的主要能源。2003年世界石油产量总计34.04亿t，比1993年增长14.5%，其中沙特阿拉伯产量4.22亿t，俄罗斯4.11亿t，美国2.86亿t，伊朗1.87亿t，中国1.71亿t，墨西哥1.68亿t。2003年世界天然气产量总计26 382.84亿m3，其中西半球地区9 271.50m3，西欧地区3 332.55m3，东欧及前苏联地区7 874.22m3，非洲地区1 164.62m3，中东地区1 890.52m3，亚太地区2 849.44m3。
由于近年世界石油探明可采储量增加缓慢而开采量不断增加，各国石油储采比逐步下降，一般在（30～50）∶1之间，主要产油国已下降到（15～30）∶1，美国下降得更多，人们日益觉察到石油资源和石油时代正在衰落，迫使各国节约、减少石油消耗量并转向其他能源。
开采石油的最终目的是通过炼油制成各种为人类利用的石油产品。利用原油炼制成的各种产品目前已达2 500余种之多，大致可分为四类:第一类是燃料，包括汽油、柴油、煤油等；第二类是润滑油，包括飞机油、汽缸油等；第三类是沥青、石蜡、石油焦等；第四类是各种化工原料，包括乙烯、丙炔、丙烯、各种芳香烃类等。
自1993年起我国变为石油净进口国，未来我国对石油的进口依赖将越来越大，进口原油在我国经济发展中将起到越来越重要的作用。2003年我国石油产量1.71亿t，天然气产量339.81亿m3；2006年石油产量为1.84亿t。目前，我国石油消费持续增长，连续十多年超过产量增长速度。2000年至2003年石油消费量增长19.6%，同期产量仅增长4%，石油消费弹性系数高达0.7，远高于发达国家0.35～0.4的水平。石油供需缺口拉大，2006年我国石油对外依存度已达47.0%。我国石油、天然气后备储量不足已成为紧迫的问题，加强地质勘探，增加探明储量，是发展我国石油工业的关键。2000年，我国原油加工能力达到2.3亿t/a，有大、中、小型炼油厂50家以上，分布在21个省、市、自治区，其中加工能力在50万t以上的有35个左右，达到5 000万t/a的炼油厂有23座，这在世界上是名列前茅的。我国炼油厂虽多，但东北多西南少的布局不甚合理。为改变这种状况，我国一些石油经济学家曾提出:“原油利于长途运输，炼油不妨分散布局，油品力求就地供应，运输必须统一流向。”根据这个方式进行布局调整必将对我国采油、炼油工业的发展更为有利。我国炼油加工深度还不够，石油资源的利用还很不充分，这是今后石油资源利用需要注意和改进的问题。表8-11为2001年我国石油消费情况。
表8-11 2001年我国石油消费情况（万t）
2007年5月，我国首次在南海北部陆坡获取到优质的天然气水合物样品，成为世界上继美国、日本、印度后第四个采集到天然气水合物的国家。天然气水合物存在于海底或陆地冰土带内，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态笼状化合物。1m3的天然气水合物可释放出164m3的天然气。据估算，世界上天然气水合物所含的有机碳总量相当于全球已知煤、石油和天然气的两倍。相关资料表明，我国南海陆坡和陆隆区所拥有的天然气水合物总量达643.5～772.2亿t油当量，相当于我国陆地和近海石油、天然气总资源量的二分之一。我国获取到优质的天然气水合物样品在一定程度上缓解了我国石油、天然气后备储量不足的局面。
2）煤炭
煤曾经是世界上主要的商品燃料，世界许多国家都不同程度地开发利用煤炭资源。从1996年开始，世界煤炭产量略有下降，总产量从1996年的45.2亿t下降到2000年的41.9亿t。1999年我国10.79亿t，美国9.93亿t，印度3.22亿t（见表8-12）。2003年我国煤炭产量为16.67亿t，2005年高达21.4亿t。
表8-12 世界主要国家煤炭产量（百万t）
资料来源:IEA统计《2000年煤炭信息》。
近30年石油产量急剧增长，成为工业发达国家的主要能源。然而，人们已省悟到“石油时代”正在迅速走向其终点，许多工业发达国家的能源政策中都规定加速煤炭的开发利用，以取代昂贵而短缺的石油。全世界煤炭的消费量正在不断增长。不久的将来，煤炭将代替现有的石油、天然气，又将重新成为世界的主要能源。由于在煤炭的开发利用中伴随着出现比较严重的环境污染，因此各国都在研究和发展采煤用煤的新设施和新技术，煤炭汽化技术发展迅速，前景光明。
我国煤炭资源的开发利用条件在世界主要产煤国中是比较好的，有许多有利条件，但也存在一些不利因素。我国北方煤田大多地质构造简单，煤层赋存稳定，以中、厚煤层为主，适于机械化开采；南方煤田中，西南地区煤层较薄，但赋存较稳定，可以正规开采；江南煤田的地质构造复杂，煤层倾角变化大，厚薄不稳定，开采较困难。我国的煤基本供国内消费，出口量不足每年产量的1%。我国煤炭消费的最大特点是产销地区不平衡，东部地区经济发达，煤炭消费量多，但煤炭资源的分布却是西多东少，煤炭资源的南北差异则更大，由此形成了“北煤南运”、“西煤东调”的运输格局，造成煤炭运输长期紧张。为此，在大力发展铁路运输的基础上，应积极采用内陆水运、海运、公路、输煤管道等多种运输方式，形成综合运输网络，以缓和目前煤炭运输的紧张状况，达到充分利用煤炭资源的目的。除此以外，还应削减低效低产煤矿数量，淘汰落后产能，加强煤炭行业集中度，实现煤炭资源的高效有序开采利用。
3）水能资源
全世界目前在建的水电总装机容量超过105 000百万W，它们通常是多功能水利综合开发项目的一部分，这些水利综合项目同时还提供灌溉、工业生活供水、防洪、改善航道等效益。由于目前开发的水能资源局限于经济合理的范围，因此，全球对水电的经济性评价基本一致，在生态环境条件允许的地区，现有水电的经济性优于燃煤、燃油发电和核电。迄今为止，亚洲（84 400百万W）是水电装机容量最大的地区，依次为南美洲（14 800百万W），非洲（2 403百万W），欧洲（2 211百万W）和中、北美洲（1 236百万W）（2001，水电与大坝）。各洲水电发展情况见表8-13。
表8-13 全世界水电开发和水能资源综合表
资料来源:汪秀丽，董耀华.世界水能资源与水电开发综述.水利电力科技，2003，29（4）:3～14.
发达国家水能资源的开发利用率很高，开发利用水平已达到很高程度，大型水能资源基本开发完毕。从水能资源开发利用程度看，英国为90%，德国为76%，美国为39%，加拿大为47%，法国为95%，意大利为90%，瑞士为98%，日本为68%。发展中国家拥有可开发的水能资源约占全世界的65%，但开发利用程度只有4%左右，开发利用的潜力很大，特别是中国、印度将是大中型和小型水电开发的重点地区。
我国水能资源的开发利用比西方晚40多年。1949年前，我国水电建设发展缓慢，至1949年全国装机容量仅36万kW，年发电量12亿kW·h（未包括台湾省，下同），分别占全国电力总装机容量的17.6%和年发电量的24.5%，水电装机容量居世界第20位，年发电量居世界第21位。新中国成立后尤其是改革开放以来，水电事业有了突飞猛进的发展，水电建设技术已具世界水平。到2000年底，装机达到7 935万kW，占总装机24.8%；20世纪90年代的年均增长达433万kW，遥遥领先于世界其他国家，水电装机容量居世界第二，仅次于美国。目前，我国水能资源的开发程度仍很低。近年来，随着能量需求急剧增加、开发技术和输电水平的提高，开发的重点逐渐由我国东部转向西部地区，长江中上游、黄河上游及红水河的梯级开发建设已经开始，我国水能资源的开发利用正不断向前发展。
4）核能
铀矿中提取的天然铀主要是铀235和铀238的混合物，它们的区别在于原子核结构不同，质量不同，同位素的化学性质虽相同，核性质却大不一样。在中子作用下，铀235很容易裂变，是现在核电站所用的核燃料；铀238却难裂变，不能直接作核燃料。在1 000t天然铀中只有7t铀235，其余为铀238。按现有原子能电站消耗的铀235数量推算，现有铀235资源仅能满足人类30～50年的需要。在未来核能发展中特别有意义的是核增殖反应堆，它可充分利用占天然铀储量99%以上的铀238作燃料，使它在反应堆中与一个中子结合转变为可裂变的核燃料钚239，通过核增殖反应堆使可裂变的铀资源扩大近百倍，世界铀矿资源便可满足世界上千年的需要。一些工业发达国家已经制造出增殖反应堆，并且日臻完善。
核聚变也称热核反应。太阳主要由氢构成，太阳内部的温度很高，于是重氢不断发生热核反应放出能量，就是太阳发光发热的能量来源。可从海水中提取核聚变燃料同位素重氢（氘、氚），每公斤核聚变燃料产生的能量比核裂变高650倍，每吨海水提炼出的氘的能量相当于6 600t汽油。据估计，天然存在于海水中的氘有45万亿t，而一座百万千瓦的核聚变电站每年只需要304kg左右的氘。因此，可以说氘是取之不尽用之不竭的能源。
从能量大小来看，1kg铀235通过裂变反应释放的能量相当于燃烧2 500t煤释放的能量，一座100万kW的大型火电站每年耗煤300～400万t，相当于每天8列车的运输量，核电站燃料的运输和储存比火车运煤便利、经济得多，有相当强的经济竞争能力。一般来说，每千瓦时核电的成本比火电低20%～50%，特别是在那些远离煤矿、油田的地区，核电站更具有无可争议的优越性。因此，很多国家都将发展核电作为解决能源问题的一项重要国策，从而使核电在各种电力增长率中居于首位。根据国际原子能署统计，到2001年4月底，世界上已在运行的核电机组有438台，总功率3.51亿kW；另有652座核电站正在建设中，其发电能力为5.47亿kW；核发电量已占世界总发电量的13%。
核电站反应堆中的冷却水（轻水或重水），流经核燃料元件表面，把裂变产生的热能带出来，通过蒸汽发生器时，又把热量传给二次回路中的水，使其变成蒸汽驱动汽轮机发电。核反应堆起着化石燃料炉的作用，核燃料的“燃烧”速度由控制棒调节。这就是核电站运行的工作原理。核反应堆的形式多种多样，主要有轻水堆（包括压水堆和沸水堆）、重水堆、高温气冷堆、改进型气冷堆、快片子增殖堆和石墨冷水堆等，它们的技术较为成熟，达到了工业化水平，尤以前两种堆型的应用推广得更为普及。目前全世界正在运行的核电站中，压水堆占50%左右，其次是沸水堆约占30%，重水堆占5%。
自1954年前苏联第一台核电机组投运以来，国外全部核电机组的总使用时间已超过2 000台/年，积累了丰富的运行经验，一般性事故概率比其他工业部门少。由于对环境保护要求高，核电站严格控制放射性物质排放。正常情况下，核电站周围的居民每人每年从核电站受到的辐射剂量只有1～2毫雷姆，仅为天然本底（每人每年从天然本底接受的辐射剂量约100毫雷姆）的1%～2%。据统计，美国核电站在1969～1979年期间共发生169次可能引起堆芯损坏的事故，最严重的一次是1979年3月发生的三里岛核电站2号机组堆芯损坏事故。事故中，电站不得不向周围环境排放放射性物质。但据专家估计，电站周围50英里范围内居民受到的平均辐射剂量也只有1毫雷姆，仅为一次X光透视辐射剂量（50毫雷姆以上）的2%。1985年前苏联发生了切尔诺贝利核电站核泄漏事故，在世界各地引起震动，影响很大。但据1986年初在法国召开的第13届世界能源会议分析，比较一致的看法是:“任何人都不应低估前苏联核电站事故的影响，然而因此就不把核能作为解决世界能源的一种重要途径则是一种短视的观点。”事实上，目前在核电站辐射防护方面有严格的规定和相应的安全措施，辐射防护已发展成一门新兴学科，成立了国际辐射防护委员会，制订了国际辐射防护标准。前苏联核电站事故发生后，加拿大、法国、德国、意大利、日本、英国和美国七个经济发达国家都声明，切尔诺贝利核事故不会影响他们发展核电站的计划。事实上，核电站安全运转和核废料处理等问题业已解决，核污染事故可以避免、核能是安全清洁的能源这一观点正为越来越多的人接受，预期今后核电将会进一步得到发展。
我国核电工业刚起步，当前中国已建成的核电站共870万kW，有秦山一期（30万kW）、秦山二期（2×60万kW）、秦山三期（2×70万kW）和大亚湾（2×90万kW）、广东岭澳核电站（2×100万kW）、江苏田湾核电站（2×100万kW）四座核电站，这四座核电站的建设也为我国核电事业的进一步发展奠定了基础，将对促进我国经济的更快发展起到极其重要的作用。核燃料的相对运输总量很小，而且可以长期储存，国际上核燃料的供应并不紧张；国内现已探明的铀资源可以保证2 000万kW核电的运行，因此核燃料资源应不成问题。
5）生物质能
国际能源机构（IEA）资料显示，1995年全球生物质能的利用量相当于9.3亿t当量油，约占全球最终能源消费的14%。1995年世界各地区或国家的生物质能消费量和占其总能源消费的比重分别为:非洲2.05亿t当量油，占60%；南亚2.35亿t当量油，占56%；东亚1.06亿t当量油，占25%；中国2.06亿t当量油，占24%；拉丁美洲7 300万t当量油，占18%；工业化国家8 100万t当量油，占3%；其他发展中国家2 400万t当量油，占1%。
生物质能对富国穷国的重要性差别很大。在工业化国家、前东欧集团和中东，生物质能仅占总能源消费的2%～3%；美国是工业化国家中消耗生物质能最多的国家，生物质能约占美国能源的4%；在西欧，生物质能约占总能源消费的3%，奥地利、瑞典和荷兰的生物质能消费占总能源消费的比重分别为12%、18%和23%，欧盟计划目标到2010年生物质能占其总能源消费的8.5%；发达国家消耗的生物质能占世界生物质能消耗的10%，约占其总能源消费的3%。在非洲、亚洲和拉丁美洲，生物质能大约占总能源消费的三分之一，一些最贫穷的国家像安哥拉、孟加拉、埃塞俄比亚、莫桑比克等，80%～90%的能源依靠生物质能，发展中国家的生物质能消费占世界总生物质能消耗的90%。估计有20亿人的家用能源主要是生物质能，发展中国家约80%的农村人口和20%的城市居民依靠生物质能。
以薪柴、秸秆等生物燃料作为能源，浪费相当惊人。因为薪柴、秸秆的热转换效率只有10%～15%，以目前试行的有效省柴炉灶的热转换效率20%～30%计算，也有一半的生物燃料是虚耗的。如以我国1.7亿农户计算，至少浪费2.5亿t生物燃料，相当于7 000万t标准煤。另一项损失是生物燃料中含有的有机氮随燃烧而散失掉，以现在行之有效的借沼气池保存的氮含量计，全国因烧柴而散佚的氮相当于500万t硫酸铵或600万t碳酸铵，这些有机氮若通过目前耗煤较多、效率较低的小化肥厂生产的话，则需消耗相当于2 000万t标准煤的煤炭。以上两项，使我国农村每年要虚耗9 000万t标准煤。
为改变上述局面，宜采取多种措施，增加生物质的生产，如营造薪炭林，种植白杨、榕树、沙枣、洋槐等速生树；种植甘蔗、向日葵等速生高产植物；发展海洋种植业，培植褐藻、巨藻和巨型海带。植物学家们正在寻找和培育“能源树”，已经找到的有银合欢和“石油树”。银合欢是热带豆科木本植物，遍布北纬30°和南纬30°之间，繁殖力特强，一个月可长1m，2～4年可轮伐一次，伐后很快就能萌芽更新；我国海南岛和巴西分别发现了“石油树”——油楠树和苦配巴，它们同属苏木亚科乔木，只要在这种树的树干上钻孔，就能流出一定量的油，沉淀过滤后可以直接用作柴油机燃料；在菲律宾阿巴耀省发现一种野生植物——汉加树，它的果子里含16%纯酒精，这种树从栽种到结果只需三年，每年开花三次，每株树一次可结果15kg。“石油树”的发现，引起许多国家的注意。
许多生物学家在探索进一步提高植物的光合作用效率。现在各种农作物在不同的水肥和气候条件下，只能将0.003%～0.3%的太阳能转换成固定碳（碳水化合物即生物质），假如植物固碳的实际光合效率能达到3%，那么世界生物质总量将增加十倍左右。太阳光中有50%是绿色植物不能吸收的紫外线和红外线，其中近红外光占很大份额。自然界中存在一种光合细菌可以利用近红外光进行不放氧的光合作用，如果采用遗传工程的基因移植方法，将光合菌的色素系统和植物的色素系统结合起来，植物的光合效率将能大大提高。此外，减少植物叶片对光的反射和透射，培育光呼吸较低而暗呼吸较高的作物品种，也能提高植物的光合效率。理论上讲上述方法是可行的，但实际上要达到目的尚需经过漫长的艰难路程。目前正在取得比较显著进展的是太阳能生物学制氢，即利用生物方式将太阳能转换为氢能。
提高现有生物质能源利用效率则是更实际更有效的措施。生物质直接燃烧的热能有效利用率只有10%左右，如果利用生物质、畜粪和城市污水、废液生产沼气——甲烷和一氧化碳等化合物，热能利用率可提高到30%～50%。另一种有效方法是从生物质中加工提炼乙醇和各种烃类。南非利用木材生产液体燃料，每年有500万t木材和加工剩余物用于生产酒精，年产100万t，相当于该国液体燃料用量的11%；还计划营造能源林，进一步增加酒精产量。巴西成功地用甘蔗生产大量酒精，解决汽车燃料，引起各国的重视。美国、法国、罗马尼亚等国家也都在发展沼气和酒精的生产。
据计算，地球陆地上一次生长的生物质能量为190×1019J，海洋里生物质能为110×1019J，世界目前每年消费能源约15×1019J。由此看来，生物质能源的潜力不小，经过努力，它能够给人类提供更多的效益。
6）太阳能与风能的利用
（1）太阳能的利用
地球上的各种能源几乎都和太阳能有着直接或间接的关系，太阳能资源的开发利用量取决于技术的类别和发展程度。太阳能利用技术主要分热利用技术和太阳能发电技术。热利用包括太阳能热水器、太阳房、太阳能空调等；发电技术包括太阳能光伏发电、太阳能热发电等技术。近几年，太阳能在建筑上的应用受到许多国家的关注，并已投入大量资金进行研究与开发，这是因为建筑物的能源消耗量相当大，如发达国家建筑物能源消费约占终端能源总消费的30%～40%。目前太阳能的利用大致分为低温热利用、光发电和热发电三个系统。
①低温热利用系统。太阳能低温热利用的范围极为广泛，包括太阳灶、太阳能热水器、太阳房、烘干机、蒸馏器、制冰机等无需聚光的太阳能利用装置，采用选择性涂层的集热器或是真空管集热器，工质温度最高可达150℃。
太阳灶的基本原理是通过光—热转换装置获得热能来加热食物或炊具，其结构样式有箱式太阳灶、聚光式太阳灶和太阳能蒸汽灶三种。我国太阳灶数量在国际上名列前茅，估计目前使用的太阳灶有3.5万台。
太阳能热水器是热利用商业化程度最高、市场最大的技术，使用十分广泛。1998年世界太阳能热水器保有量约5 409万m2集热面积。以色列已有80%的家庭使用，日本占20%，澳大利亚法律规定在北部新建的房屋都要安装热水器。太阳能热水器在我国正逐步推广，其集热面积已超过15万m2。
被动式和主动式太阳房也有较大发展。被动式太阳房是从法国发展起来的，很多国家都很重视。初步估计，采取被动式采暖可节约25%～80%采暖期所需的热能。主动式太阳能采暖、空调是美国太阳能利用的重点项目之一，1978年美国投资1.16亿美元，主动式太阳能住宅已进入第四轮试验，商业建筑也已大体进入第二轮和第三轮试验，已建成40幢政府建筑物作为主动式太阳房的示范。主动式太阳能采暖、空调系统投资大，限制了它的发展，有待进一步研究。我国已建了45幢被动式太阳房试验楼，效果较好。华北地区的被动式太阳房可节约采暖用煤70%～80%，而相应的造价仅提高15%～20%。
太阳能低温热利用在农业和工业上已都有应用，农业上的应用更具有现实意义，太阳能温室已比较普遍；太阳能烘干机，不论是采用自然对流方式还是采用强迫对流方式，用以烘干谷物、干果、农副产品以及木材等，都有试验性装置在运行。太阳能蒸馏器和制冰机，由于其经济竞争性差，有待试验和改进。
②太阳能光电系统。太阳能电池光发电系统无运动部件，运行可靠，使用寿命长，蓄能问题可以利用蓄电池来解决，是很有发展前途的系统。目前太阳能电池的生产量很小，但增长迅速。全世界太阳能电池的生产量1975年为50kW，1977年增加到700kW，至1980年上升到2 000kW。影响更快增长的主要问题是原料和电池生产成本太高。
太阳能电池的制造现有三个方法。第一个方法，仍然以单晶硅为原材料，但不用高纯的电子器件及硅，以求降低原材料的制备成本；第二个方法，改用非晶硅、多晶硅以及硅薄膜为原材料，这个方法可能见效较慢，但一旦突破，就会有飞跃进展；第三个方法，采用硫化镉、砷化镓以及其他半导体为原材料，带有聚光装置的砷化镓电池，效率比硅太阳电池高得多，运行时又要用水冷却，有可能构成既供电又供热的全能系统；硫化镉电池研究较多，但防止其衰变的关键问题尚未突破。
太阳能光伏发电是太阳能技术中发展较快的一种。过去10年，太阳能光伏工业平均以20%的速率增长，1997年世界太阳能电池光伏组件生产达122百万W，1998年达到157.4百万W，2001年超过400百万W，商业化电池效率已从过去的10%～13%提高到12%～15%，光伏发电累计总装机为1 200百万W。目前国际光伏市场上仍以晶体硅太阳能电池为主，约占世界光伏电池产量的70%以上。预计到2050年左右，光伏发电将达到世界总发电量的10%～20%，成为人类的基础能源之一。目前光伏电池主要用作居民特别是边远地区居民独立电源、独立工业电源、户用和电站并网系统以及消费品。近年农村电气化和建筑一体化系统发展迅速。发达国家正在实施大规模光伏电池发电计划和国际援助项目。2001年世界光伏发电总容量约1.7GWp，预计到2020年，世界光伏电池销售量可达3～20 GWp，累计25～100GWp，按照WEC/IIASA的经验曲线预测，价格可降到1998年的三分之一至五分之一，光伏电池市场十分广阔。
目前我国太阳能电池的效率比国际商品低2%左右，而成本却高出2～3倍，主要用作偏僻地区铁路车站信号装置以及航标灯电源。
③太阳能热电站。太阳能热发电尚在商业示范阶段，主要有槽式线聚焦发电系统、塔式聚焦发电系统和碟式聚焦发电系统，三种发电方式工作原理大同小异，主要是太阳聚焦方式不同。目前太阳能热电站有两种系统:中央接受式的塔式电站和分布式电站。前者适用于大型发电系统；后者适用于中、小规模发电系统或直接用来提供动力。
美国、法国、意大利、西班牙等国已建成11座中央接受式太阳能热电站，这些试验电站每千瓦的建设投资达10 000～20 000美元，主要是因占投资约二分之一的定日镜造价太高，即使今后每千瓦电站投资降到2 000～3 000美元，仍然比常规电站的投资高得多。所以，这类热电站的前景并不乐观。比较有前途的还是小型分布式电站或太阳能热机。
各个国家生产水平、地理、气候、能源资源等条件不同，对于能源的需求也不同，太阳能利用的前景有多种预测。然而，美国新编制的能源发展规划认为，对新能源的发展要定量评价它的前景是很困难的，原因是有关太阳能的利用技术实际上仍处于刚起步阶段。太阳能应用技术的经济特性因技术类型不同、使用地区条件不同而不同，很难一概而论。仅以光伏发电技术为例说明其经济性现状和演变趋势。目前光伏电池组件成本比前几年下降了32%，组件造价在3美元/Wp左右，组件售价4美元/Wp；预计在2005年以前，结晶硅电池制造成本可从2.5美元/Wp降到1.5～2.0美元/Wp（＞25MW·V/年），2015年降到1美元/Wp（＞100MWp/年）；2005年薄膜电池（a-Si，CdTe，CiGs）降到1.0～1.5美元/Wp，2015年降到0.5～1.0美元/Wp；屋顶和落地并网系统的BOS目前为2～6美元/Wp。随着BOS的改进，电力电子部件实现经济规模、光伏电池与建筑一体化以及标准化，2005年可降到1～2美元/Wp，总成本可降到2～4美元/Wp。从太阳能技术的市场前景看，近期太阳能利用最大的市场是其热水系统。欧盟准备在2010年之前安装1亿m2的太阳能热水系统为居民提供热水。目前欧洲市场的太阳能热水器销售量超过200万m2，估计到2010年全世界太阳能热水器的安装量将达到2亿m2，相当于发电装机300百万kW。
（2）风能的利用
风能是一种十分普遍的资源，尤其是那些位于沿海的地区和国家，风力资源十分丰富。专家估计，全球可开发的陆地风能资源量可达96亿kW。考虑到海上的风速要比平原沿岸高20%，又很少有静风期，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小因而风切变小，海上的湍流度低，海面与其上面的空气温度差比陆地表面与其上面的空气温差小，又没有复杂地形对气流的影响，因此，海上风能资源比陆地大，发电量高而且可延长风电机组的使用寿命，降低发电成本。
决定风能资源量的主要因素是风速，功率与风速之间呈3次方的关系。但是决定风能可开发量的因素则要复杂得多，除风速外，还有风向、风频、地形、地貌和风能利用技术水平。就现有技术条件而言，过高和过低的风速目前都无法利用。毫无疑问，随着风能利用技术的进步，人类可以开发利用的风能资源越来越多。
制订能源规划、能源政策时，风能资源是一个重要的依据。在一些常规能源短缺而风能资源又非常丰富的国家的能源结构中，风能占有相当的比重。据估算，在这些地区风力电可以满足大约15%～25%的电力需要。在我国能源中风能的比重非常小，但在内蒙古、新疆、甘肃、青海和沿海及岛屿等风能资源丰富的地区，风能占一定的地位。
①风能系统的作用。风能系统的设计，是一个设法在能量需求与可以得到的风能之间求得平衡的过程，除了选取好的地点以及购买一台或建造一台适当的风力机械之外，还必须选择合适的储能系统。这一设计过程如图8-1所示。
图8-1 风能系统设计过程
由图8-1可见，掌握风能资源是风能系统设计中的首要问题。风力机的基本原理是利用风具有的动能来推动轴转动，所以风的能量和功率是风电系统设计的出发点和依据，也是使用者选择风力发电机种类的出发点和依据，设计者掌握了风能资源，就可以确定风能系统的设计状态和可用工作范围。要使风力机的转动、运转、停机以及保证整个系统安全有效，评价安装风力机的具体地点的风力资源也是一个非常关键的问题，只有充分了解一地区的风能资源，才能使风力机达到预期效果，而且获得最大的经济效益。
风能的储存与风能资源有着很大关系。储存能量的多少是以大于或等于某一风速如≥3或≥4m/s的风速为依据，这和水库蓄水一样，蓄少了不够枯水季使用，蓄多了再下雨又有水库漫溢的危险；储存风能设备的大小和≤3m/s或≤4m/s风速的小风持续时间的长短有直接关系，时间愈长，蓄能设备就要求愈大。对于独立运行的风力机来说，若一地小风持续在十天以上，不但要配蓄能设备，还要有其他能源来补充；对并网运行的风力机，也要考虑大风丰电期和小风亏电期的合理安排。
②风能利用。风能利用的研究经过了一个漫长曲折的过程。在西方发展资本主义以前，由于社会生产力很低，那时风能的利用还占很重要的地位。20世纪初，北欧一些国家的风能利用曾占总耗能的30%；后由于蒸汽机的普遍使用，风能利用率显著下降；1973年西方发生石油危机以来，风能又重新受到重视，不论是在普遍利用风能的欧美各国，还是在发展中国家，都在进行风能方面的试验研究工作。
风能利用技术主要有两类:一类为风能的直接利用，如风力提水、谷物加工、盐业加工和风帆助航等；另一类为间接利用，是通过将风能转换为电能而加以利用。后一类成为目前世界风能利用的主要方式。从风力中获得原始能量，一般是用旋转、直线或摆动等方式的机械运动，这种机械运动可用来抽动液体，也可转换为电力、热能或燃料。其用途大致如下:
（1）利用风能提水饮用或灌溉
大多数情况下，只要把风机转轴的圆周运动转换成垂直方向的线性运动，不用发电机就可以抽水。
灌溉是农业生产中耗能较多的一项作业。在美国34%的农业能源用于灌溉，而在美国大平原南部，灌溉提水用能约占所灌农田耗能量的50%。目前美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、印度、日本、新西兰等国都在使用风力提水，解决农业、牧场灌溉和生活用水。我国利用风力机提水灌溉有很好的经济效益，如江苏兴化风力提水每亩水费0.8元，而用柴油机为6元，电力为4.70元。风力提水灌溉最经济，所以人们认为目前风能利用的经济效果是提水。我国研制的风力提水机有适合南方的低扬程大流量和适合北方的高扬程小流量两种。风力提水在我国农田灌溉、提海水制盐、提海水养殖对虾、灌溉草原以及人畜的饮水等方面发挥积极作用。河西走廊利用风力提水灌溉草原，收到了很好的经济和环境效益。
（2）风帆助航
风能在航行历史上起过很大作用。5 000年前埃及和中国都有风帆船的记载，大型帆船曾在17世纪时的世界海洋上称霸，后由于蒸汽机的出现而使风帆在海洋上绝迹。对现代风帆推进收益的研究表明，每平方米帆面积可获得的功率约为221～294W。篷帆借助风能作为动力推进船舶航行，不必消耗太多燃油。据统计，风帆在运输时间上要增加20%，但燃料却可节约50%。现代风帆用金属制作，通过电脑控制，以便使风帆的转动角度尽量保持利用风力的最佳状态。风帆的转动要依靠燃油的马达，风帆货船也仍然要用马达作为辅助推动力，风帆与燃油马达相辅而用。
20世纪70年代末以来，日、美、中、英、荷、德和印度等国相继开始了现代风帆研究。我国在载重450t简易货船上做了加装风帆的试验；在机帆船上作了测试，风速4～6级时，动力相当于58 839.9W。日本在1980年11月建成世界上第一艘在沿海海域航行的现代商用风帆船“新爱德丸”，载重1 600t，排水量2 400t，安装有两面卷折式纤维增强型塑料巨帆，帆面积194m2，时速13海里，同时装有一台带动大直径螺旋桨1 176 798W低速柴油机，它比载重相同的普通机动船可节省50%的燃料。芬兰建造了世界上第一艘500客位豪华的“美洲之歌”号风帆船。国外正在建造万吨级的风帆船，如英国提出在12 000t载重量的船上装6 700m2的风帆，前苏联计划改装5万t载重量的“卓亚—共青团”号货船，装帆14 000m2。据计算，如果全世界货船的20%加装风帆，一年节约的燃料价值可达30亿美元。我国现有5 000只各种吨位的货船，若有20%利用风能，节约的燃料也很可观。
（3）利用风能加热
风能直接转换为热能是新的能量利用方式，是一项很有前景的研究。如通过使用固体材料摩擦或搅动水和流体，或应用离心泵来产生热量。日本、美国和西欧一些国家都开展了这方面的研制工作，有的已进入了实用阶段。日本最早利用风能热转换，从1981年开始已在北海道用于养殖鳗鱼，在京都、岛根用于温室供热；丹麦、荷兰风力致热器用于家庭采暖；美国、新西兰用于家庭和温室的供热；我国也已开始风力致热的研究，准备用于温室培养、水产养殖等方面。
（4）风力发电
现有的大多数风能装置可能都是发电机，相当数量的发电机又是和公共电网系统连接在一起，连接在同一网络系统上的燃料发电机则在风力发电机电力不足时起补偿和替代作用。长期以来尤其是20世纪90年代以后，由于常规能源资源的有限性和全球环境压力的增加，风电作为一种无污染的可再生能源受到世界各国的青睐，发展速度非常快。
80年代以来在美国和欧洲相继建成了大型风力发电系统，其中一部分已和原有的电力系统并网运行。美国能源部（DOE）与美国国家航空和宇宙航行管理局（NASA）利用螺旋桨式大型风机的大型风力发电实验研究工作正在稳步而顺利进行。大型风力发电机，有美国1979年建成的Mocl-1（2 000kW）装置，1980年以后陆续建成的三台Moc-2（2 500kW）装置，1985年又建成叶桨直径122m的世界上最大风力发电机Mocl－5A（7 300kW）；前联邦德国分别于1980年和1982年研制成3 000kW和5 000kW的风力发电机；瑞典在1980年和1982年建成3 000kW和2 000kW风力发电机；加拿大1983年建成3 800kW风力发电机；英国1981年建成3 700kW风力发电机；荷兰、丹麦等国也建成3 000kW以上的风力发电机。
在澳大利亚、丹麦和美国等为分散的农场和住户提供电力的中小型风力发电机迅速发展。独立运行的中小型风力发电机的优点是在弱风下就可启动，额定风速较低，能在比较宽的风速范围之间发电。这种风力机虽然年能量小一些，但在一年中运行时数多。
另一些风力发电机是自成系统的，风力充足时用蓄电池之类装置蓄电，风力不足时则由蓄电池放电。
据统计，2001年底全球风电装机容量已由1990年的200万kW增长到2 492.7万kW，共安装风力发电机组55 960万台，平均每年增加208多万kW，近五年平均增长率达32.6%。目前世界风电市场主要在欧洲和美国，在2 492.7万kW中欧洲即占91%，见表8-14。
表8-14 2001年世界风电机组累计安装容量及台数
资料来源:丹麦BTM咨询公司2002年3月发表的国际风能发展报告。
就国别而言，装机最多的是德国（8 734百万W）；其次为美国（4 245百万W）；第三为西班牙（3 550百万W），第四为丹麦（2 456百万W），第五为印度（1 456百万W），分别占全世界总装机的百分比为35.0%、17.0%、14.2%、9.9%、5.8%，合计约占全世界装机总容量的81.9%。风力发电已成为这些国家电力系统中一个不可忽视的组成部分。
目前，我国农村仍有40%的村庄、30%的人口还没有用上电，这些无电地区绝大部分是交通不便、经济落后的深山、草原、海岛，远离电网而又没有水资源和火电常规能源。但这些地区大多有丰富的风能资源，因此，因地制宜地发展小型风力发电机解决这些地区的缺电问题，是一条比较现实可行的途径。我国嵊泗的32kW的风机已运转了较长时间，用于海水淡化和照明；50kW的机组也已安装在岛上；目前正在研制200kW大型风力发电机，还计划研制500kW以上的风力发电机。
随着风电技术的进步和产业规模的扩大，风机造价迅速下降。20世纪90年代中期风机造价一般在1 500美元/kW左右，到目前下降到500～600美元/kW以下。风机的成本还有进一步下降的空间，相应地风电成本也大幅下降，每千瓦时电已从0.1美元降到0.04美元。
（5）风力发电并网系统
风能是一种不稳定的能源，所以风力发电输出电能也不稳定。为了不间歇供电，必须有兆瓦级以上风力发电机或相当数目的中型风力发电机和电网并联运行，作为电网的补充能源，这样就在1979年出现了风力田。风力田兴起的主要原因是大型风力发电机的费用太高，一般认为50kW左右的风力机具有最佳的经济效益；又由于巨型风力机叶轮直径很长，如美国Mocl-5B为128m，瑞典WTS为78.2m，设计、制造、检测都有一些困难，用较多的小型风力机组来取代大型机的单机运行是一个既方便又经济的办法。所谓风力田，就是在一个场地上，安装几十台到几百台中型风力发电机群，联合向电网供电的系统。美国在加利福尼亚州建有几十个风力田，计划到2000年全州电力的10%由风力提供；英国在北海沿岸建立了20个风力田，共装有50kW风力机512台，计划增至2 200台，还计划再建40个风力田；荷兰、意大利、前联邦德国都建了风力田。我国计划在平潭建成安装四台200kW风力机的风力田，在山东荣城建成安装丹麦产四台55kW风力机的风力田，浙江嵊泗准备建成安装前联邦德国产10～15台30kW风力机的风力田。
7）海洋能的利用
海洋能的利用在20世纪70年代取得了重大进展，其主要标志有二:一项是1978年美国在夏威夷海面进行的“小型海洋能转换装置”试验成功，利用海水表层和深层温差发出50 kW电力；另一项是1978～1980年间，日本在近海进行“海明”号波力发电船试验，发电功率达1 000kW，并成功地进行了向岸上输电试验。从发展趋势看，80年代有几个大型潮汐发电站投入建设，海洋热能、波浪能发电将继续进入更大规模的试验研究。
我国海洋能的研究始于20世纪50年代，主要从事潮汐发电研究，目前国内已建成小型潮汐发电站近十座，如浙江小沙山（200kW）、海山（150kW）、象山（150kW）、江厦（3 000kW），山东乳山（960kW）、金港（165kW）等潮汐电站，合计装机容量5 930kW。其中最大的是浙江乐清湾的江厦潮汐发电站，设计总容量为6×500kW，是一座双向电站，不论涨潮还是落潮均能发电，第一台发电机组（500kW）于1979年投产，1986年该电站全部建成发电。波浪发电研究从70年代开始取得了一定的进展，1978年1月在海上试验成功1m波高条件下平均发电20～30W；以同样原理设计的“浪动力潜艇”模型为我国波能利用研究开辟了新的途径。对其他海洋能（热能、浓度差能）尚未进行研究。
为了开发利用海洋能资源，首先必须进行海洋能源资源的调查和评价，为进行科学规划和制定详细的开发计划提供科学依据；海洋能的开发利用研究是综合性的科学领域，涉及面广、技术复杂、难度大，要开展多学科的技术协作和攻关进行海洋能源的综合开发利用研究，以充分利用其资源。
8）地热能的开发利用
地热资源的大规模开发始于19世纪20年代，20世纪初地热能开始在大规模空间采暖、工业、发电等方面应用，开拓地热能的规模不断扩大。中低温地热的直接利用范围十分广泛，已在技术可靠性、经济性及环境可容性等方面得到世界论证。30年代，冰岛利用地下热水建立世界上最早、最大、最先进的地热供暖及生活用水系统。目前，冰岛全国消耗热量的80%～85%来自地热，其中首都雷克雅未克市以及胡萨维克等不少城市、地方的生活用热水和取暖完全取自人工开凿的热水井和相应的地热管道系统；全国90%以上的建筑群为地热供暖，世界上最长的一条63km热水输送管道也在冰岛；冰岛冬季气候严寒，可蔬菜和水果的供应却相当充裕，它们都来自地热温室；冰岛还在北极圈附近利用地热培育和生产热带、亚热带作物香蕉、咖啡和橡胶。前苏联有2 600万m2地热温室和工业地热采暖工房35万m3。据1979年统计，世界各国在农业、工业、生活等方面直接利用地热的功率约700多万kW，其中农业、水产和牧业550万kW，工业加工20万kW，采暖、空调120万kW。2000年世界各国地热直接利用按用途分类的比例为:洗浴、游泳、治疗42%，空间采暖35%（其中12%为地源热泵），温室9%，养殖6%，工业利用6%，其他2%。地热直接利用的迅速发展不仅能改善环境，而且有利于人民生活质量的提高。
地热发电是地热利用的另一重要方面。意大利是世界上最早利用地热发电的国家，1904年首先研制成功地热发电机，1913年250kW的地热发电机开始发电，目前，意大利地热发电厂总功率已超过40万kW。美国地热电站装机容量达90多万kW，新西兰为20多万kW，墨西哥、日本各装机16多万kW。世界上已有十多个国家建成地热电站，总容量200万kW左右。70年代初全球出现石油危机后，兴起了世界性地热发电热潮，全球的地热装机从1970年的68百万W增至1980年的2 480百万W、1990年的5 867百万W、1998年的8 239百万W。与此同时，地热直接利用的设备容量也大幅度增加。
地热发电分为两大类:一类是用热水，另一类是用干蒸汽。世界各国用热水的多。地下热水田比蒸汽田多，热水温度也各不相同，因而，需要研制更为完善的热水发电装置。近十年来，世界地热电力开发变缓，除了受常规能源价格影响之外，主要是地热开发仍面临着初期投资高、地质勘探风险高等因素的制约。此外，为了大规模地利用地热发电，有待研究超深度热流体抽出技术和利用火山、高温岩体热能技术。
在经济性能方面，地热发电的成本不一，但一般在5美分/（kW·h）左右［燃煤电站6.5美分/（kW·h）］；目前冰岛发电成本最低，仅2美分/（kW·h），地热采暖仅0.5美分/（kW·h）。日本对地热发电、火力发电、水力发电、原子能发电的单位投资和发电成本，以及设备利用率进行了比较（见表8-15）。由于地热发电不需要燃料费用，所以发电成本最低，因此，各国都在加速地热的开发。日本、美国规划在2000年地热发电装机容量分别达到5 000万kW和1亿kW以上。多数学者认为地热能将较快成为重要的辅助能源。地热能不像风能、太阳能那样断续多变，因此与其他常规能源相比，具有更大的商业竞争力。
表8-15 各种发电方式的比较
目前，全球兴起了地源热泵的应用高潮，这种技术几乎可以利用一切低温地热源。过去一直认为埋深于3km以上的地热热储才具有经济开发价值，然而随着热泵的应用，这一观点将被转变。这一技术的应用将使所有国家都可以利用遍布的低位热能进行供暖或制冷。因此地源热泵技术有可能取代发电而成为地热资源利用的热点。近年来，随着地源热泵技术的日趋完善，浅层地热能利用发展迅速。2005年全球33个国家已安装了130万台地源热泵装置，总装机15 723MW，是2000年的2.98倍，是直接利用地热能总装机容量的56.5%。
全世界80多个国家拥有地热资源，其中58个已进行地热资源的开发利用。菲律宾是世界各国地热利用发展最快的国家之一，目前地热装机容量已达1 909百万W，仅次于美国，居世界第二位，该国的地热发电已占全国电力供应的22%。
粗略调查，我国地热资源也比较丰富，天然露头和人工开凿的地下热水井共2 500余处，遍及全国30个省、市、自治区。2006年底前，全国经正式勘察并经国土资源储量行政主管部门审批的地热田有103处，发展潜力很大。根据地质情况和赋存条件，我国地热有三种类型:近期火山和岩浆活动型，褶皱山区断裂构造型和中、新生代沉积盆地型；有六个地热带:藏滇地带、台湾带、东南沿海带、郑城—庐江断裂带、川滇南北向地带、祁吕弧形带。藏滇地热带属于喜马拉雅—地中海地震带，地壳活动强烈，因而地热资源丰富，是我国水热最丰富的地区，有近千处温泉和喷汽泉，高于当地沸点的热水活动区近百处，是地热开发理想地区。据勘察，西藏所属70多个县中60多个有温泉和地热显示点375处，其中羊八井地热田最负盛名，井内温度172℃，压力46个大气压，羊八井地热田井深200m以下，获得171℃湿蒸汽，发电潜力估计为8万kW，实地考察过西藏的国内外专家都认为“西藏是地热之乡”，开发前景光明。云南腾冲热海地热田浅孔测量，10m深处温度为135℃，12m深处为145℃。藏滇和东南沿海地热带共有温泉600多处，约占全国地热点的三分之一，超过90℃的温泉有几十处，有的超过100℃，如福州一井，深505m，水温107℃，漳州265m深井底为120℃，汕头东山湖井下水温102℃。台湾属太平洋火山地震带，地壳活动剧烈，地面温泉、喷汽泉89处，遍布全岛，大屯火山群区已钻地热勘探井20余口，总进尺近1.4万m，井深在300～750 m和1 000～1 500m之间，井底温度293℃，其中一口井每小时产汽量32t。估计大屯火山区地热资源10～15万kW，估计宜兰土场、清水区地热资源5～30万kW，类似大屯、清水的地热区尚有乌来、知本、安通等12处。
天津市附近有三个地热异常区，总面积近700km2，目前已有356眼500m以下的热水井，水温30℃以上，最高水温达94℃，年开采热水5 000万t，已经利用的地热相当于30多万t标准煤的能量；天津宾馆利用一口42℃热水井采暖为整个宾馆供应热水，每年省煤3 000多t，两年回收打井全部投资。湖北英山县直接利用地热，取得显著成效。该县建有地热温室五栋1 129m2，养鱼池2 000m2，1971年以来，温室里培育出不同类型的水稻新品种500多个，育出的良种已在全县推广，亩产达800斤；利用地热水育秧，早稻催芽，红薯育苗，生产蘑菇、木耳，繁殖罗非鱼苗230多万尾，进行鱼种杂交和性反交试验；县烤胶厂锅炉用地下热水，每年节煤1千多t；棉织厂用热水洗棉纱，年省柴20万kg；新建地热水缫丝厂，每年省煤4千多t。英山县正逐步建成以农、林、牧、副、渔良种繁殖基地为主的全面利用地热的县。福州市地热利用试验站以87℃的地下热水建成一个包括制冰车间、冷藏库和保鲜库在内的制冷系统，运行良好，该系统排出的热水还供应附近农业温室和养鱼池使用，这一试验为我国南方利用地热制冷和空调跨出可喜的一步。我国第一座地热电站于1970年在广东省丰顺县的邓屋地热区落成，功率为100kW；1971～1975年湖南省宁乡县灰汤地热区300kW地热电站投产；1977年起，在距拉萨90多km的羊八井地热田建成1 000kW地热电站，1981年又有两台功率各为3 000kW的地热发电机组投产，共计为7 000kW；1977年10月，1 500kW地热涡轮发电机组在台湾清水区建成投产。
利用地热，能够在节约能源、改善环境、发展生产、造福人民等许多方面获得很大的经济效益，但地热开发对环境有轻微影响，诸如热水直接排放后造成地表水热污染，含有害元素或盐分较高的地热水污染水源和土壤，地热流体中NO2、CO2、H2S以及少量的NH4、Hg、Rn、B等有害气体的排放，以及长期超采所造成的地面沉降等。世界各国针对上述问题已相继制订出地热资源开采法规，建立长期热田监测系统，采取尾水回灌、水质净化以及含盐地热水处理等措施予以解决，目前完全能适应商业性开发，达到可持续发展要求。
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