新能源与节能技术概论

新能源与节能技术概论_提升创新能力加

新能源与节能技术概论

张晋宾　周四维

（西南电力设计院，四川，成都，610000）

一、推广新能源与节能技术的必要性

能源、材料、信息和生物技术是现代文明的四大支柱，而能源是人类生存及发展的物质基础，也是人类从事各种经济活动的原动力。历史发展至今，人类主要是以煤、石油、天然气及木材等化石燃料作为主要的一次能源，而这些传统常规能源又是储量有限、不可再生及非绿色、非清洁的，远远不能满足现实的需求，因此要开源节流，一是拓展新能源，二是推广节能技术。开源节流其必要性总的而言，主要有以下四方面。

1．现代化发展的需要

能源是现代化国家生存和发展的必要条件，是其功能正常运转的基本保证。能源的供应水平和供应质量，对于发展社会经济，提高人民生活水平，改善生态环境，都起着举足轻重的作用，是实现可持续发展战略的最重要因素之一。

2．能源现状的需要

我国是目前世界上第二位能源生产国和消费国，但人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量仅相当于世界平均水平的50％；石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右；耕地资源不足世界人均水平的30％，制约了生物质能源的开发。

当代社会最广泛使用的能源是煤炭、石油、天然气和水力，特别是石油和天然气的消耗量增长迅速，已占全世界能源消费总量的60％左右。但是，石油和天然气的储量是有限的。许多专家预言，石油和天然气资源将在40年，最多50～60年内被耗尽，而煤炭资源虽然远比石油和天然气资源丰富，但是直接应用煤炭严重污染环境。

3．法律法规的需要

《维也纳公约》《巴塞尔公约》《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》等国际公约，国家《节约能源法》《可再生能源法》《环境保护法》等环境保护专项法，国家发改委2007年4月颁发的《能源发展“十一五”规划》《国家环境保护“十一五”规划》（国发[2005]39号）《可再生能源中长期发展规划》（提出到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10％，到2020年达到15％的发展目标）等相关政策规定，均要求积极开拓新的能源，大力开展资源节约和综合利用，提高能效，建设节能型社会。

4．人类生存的需要

按目前全球能源消费量预计，如果不采取相应措施，化石燃料将在21世纪中叶左右耗尽。现今我国工商业持续快速增长，能源需求剧增，能源依赖进口的程度逐渐加重。在能源短缺、能源危机、国际原油等能源价格动荡等恶劣情形下，如果不开发新兴能源和加大节能力度，人类现代化生活将难以为继。

人类燃烧化石燃料来满足自身的能源需求，同时带来了二氧化碳的排放。特别是在社会工业化以后，二氧化碳排放现象更加明显。大量排放的二氧化碳阻碍了地球与外太空的辐射性热量交换，带来了温室效应，导致全球变暖。此外，传统能源还带来了其他有害污染物排放、酸雨等，带来了对人类健康的威胁（如地域性呼吸系统疾病、过敏性疾病等）以及对文化遗迹和环境的侵袭等，从而极可能引发相应的社会问题。

可见，大量燃烧化石燃料产生全球性的环境污染问题和生态破坏，并日益严重地破坏大自然的复杂调控机制，令地球气候反常，对人类的生存和发展构成重大威胁。

二、新能源技术

新能源是指正在研究、开发、探索的能源，大体包括太阳能、氢能、核能、生物质能、化学能、风能、海洋能和地热能等。据欧盟报告，2050年全球能源供给分配应当为：太阳能40％，生物能30％，风能15％，水能10％，原油5％。

要推动新能源的实际应用，积极的技术开发不可或缺，其理由如下：

（1）与化石能源相比，新能源的密度较低，需要经济有效的能源提取技术；

（2）各种能量源的提取技术各不相同；

（3）如果要不受自然条件左右、稳定地利用新能源，有时可能需要与其他能源联合使用。

（4）此外，由于收集能量源需要完善基础设施、同时需要大面积的土地，所以要想保持收支平衡，投资额就必然相应增大，因此在引进新能源时，政府财政上的支持必不可少。

积极采用新能源会带来可观的效果，据日本能源经济研究所的2004年度报告，到2030年度日本的新能源发电量将相当于17座标准的核能发电设备的发电量（注：标准核能发电设备设定为功率110万kW，设备利用率为80％），如表1所示。

表1　2030年新能源利用量

1．太阳能

太阳每小时辐射到地球的能量约为18万MW，相当于燃烧90Mt优质煤的热量；太阳能是取之不尽，用之不竭且无污染的能源。直接太阳能利用涉及多项技术问题，具有共性的技术是太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其他相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用——太阳能的热利用和太阳能的光利用。

太阳能热利用系统是利用太阳辐射能加热集热器，把吸收的热能转换为机械能或电能，一般分为80℃以下低温系统、80℃～350℃中温系统、350℃以上高温系统。低温系统应用实例包括热水器、太阳房、太阳能干燥、太阳能制冷等，其关键部件平板集热器已趋成熟。中温系统主要是为纺织品的漂白印染、塑料热压成型、化工蒸馏等工业生产提供中温用热，其主要部件聚光集热器的研制进展较快。高温系统主要用于大型太阳能热发电，其系统主要包括集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、汽轮机发电系统等，其原理是利用集热器将太阳辐射能转换为热能，再通过热力循环进行发电。目前世界上太阳能热发电系统主要有塔式电站、碟式电站、槽式电站和太阳能烟囱四种类型。

太阳能光利用分为太阳能光伏转换和光化学利用两个方面。

光伏转换技术常简称为太阳能电池，其种类主要分为晶体硅太阳能电池（包括单晶硅和多晶硅）、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池（包括CdTe系薄膜太阳能电池、CuInSe₂薄膜太阳能电池、GaAs太阳能电池、InP系统太阳能电池等）和纳米晶化学太阳能电池等。光伏转换直接实现了太阳能到电能的变换，目前的光伏发电系统具有模块化、可扩展性、无噪声、无污染排放等优点，且国际先进的光伏系统可保证长达25年的使用寿命。一方面随着电力需求的增长，光伏发电在可再生能源领域将扮演越来越重要的角色，另一方面随着半导体等前沿技术的快速发展，太阳能电池降价空间渐大，因而光伏发电的生命力极强，将成为未来能源结构中的主要成员。据德国相关资料，2005年光伏发电设备出厂价为1～3欧元/W，2006年可降为1～1.6欧元/W。

光化学利用主要是指光化学制氢，其途径主要有三种。其一是光化学分解制氢，即利用光直接照在电解液上，通过电解质的作用，将其中的水分解为氢和氧；其二是光电化学电池分解水制氢，即通过光电化学电池将太阳能转换成电能，再通过电能电解水制氢；其三是太阳光络合催化分解水制氢，即通过络合物（催化剂）吸收光能，产生电荷分离、转移和集结，并通过一系列偶联过程，最终使水分解为氢和氧。光化学利用的成品氢和氧，可通过燃料电池直接转化为电能，具备新型、高效、环保的优点，也可通过燃气轮机、内燃机等为人类提供电力或动力。国际上已经示范的大型燃料电池电站有日本东京的11MW和关西电力公司的5MW磷酸燃料电池电站、美国Santa Clara的2MW和日本川越的1MW熔融碳酸盐燃料电池电站、西门子-西屋公司的常压100kW和加压型220kW固体氧化物燃料电池电站等。

2．风力发电

风能是自然界的可再生能源，发电时无CO₂和废弃物排放，属于绿色能源，因此风力发电系统受到国家的广泛重视。我国微型风力发电机组应用技术已处于世界领先水平，目前约有12万余台在内蒙、新疆、青海等牧区草原和沿海无电网地区运行；国内微、小型风力发电机组已达到小批量生产阶段，目前正在研制中、大型风力发电机组。按中国风能协会的统计，2006年底我国的规模化风电装机容量达到2.59GW，计划到2010年达到5GW，到2020年达到30GW。风力发电技术的不断进步，促成了风轮机的大型化、规模化、高效化，从而大大提升了风电的价格优势。据国外相关资料介绍，在20世纪80年代初期，风电的价格约为30美分/kW·h，而到了2001年，一些风电场的风电价格已降到3～4美分/ kW·h，接近化石燃料发电的价格。

风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出，单机容量为100～300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要；二是孤立的小居民区用电，独立运行，有蓄电池，直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电，单机容量为1～5kW，也可供气象台站、雷达站、电视差转台等使用；三是建立风电场，联网后输出，如德国Enercon E112型单台风力发电机组最大输出功率已达6MW，可用于风电场及较大规模的居民区供电，又如美国德州于2006年9月已全部建成的Horse Hollow风能中心，有421个风力发电机组，装机容量高达735MW，规模上完全可以和常规化石燃料电厂相匹敌。

在进行风力发电设计时，应注意选择风力较强地段并有效承接风力，同时掌握全年正确的风况数据至关重要。由于能量源为风，易受地形、雷击等自然条件影响而给电力系统带来危害。如何采取对策避免危害是今后的研究课题。为了今后更好利用与普及风力发电，需要克服的问题如下：

（1）研发可靠性更高、单机容量更大的风轮机，确保风电为稳定电源的互补系统

（2）为缓和风的强弱所带来的影响（频率，电力），需要进行蓄电池系统的开发与利用

（3）与陆地风况相比，海上风力发电系统的开发

3．生物质能

生物质能，即蕴藏在生物质中的能量，是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。作为能源利用的生物质能主要分为城市垃圾、有机废水、粪便类、林业生物质、农业废弃物、水生植物、能源植物等。生物质能具有可再生、种类多、分步广、利用技术成熟、可贮存性、节能和环保等特点，联合国开发计划署、世界能源委员会等都把它当作发展可再生能源的首要选择。

我国生物质能资源非常丰富，生物质能作为一项低碳能源技术受到广泛重视。生物质能转换与利用技术可以在获得优质能源的同时，实现对工农业有机废弃物的处理和资源化利用，改善和提高能源的综合效益。生物质能转化技术主要有物理转化技术（包括生物质固化成型、生物质型煤）、生物质化学转化技术（包括生物质直接燃烧技术、生物质气化技术、生物质热解与直接液化技术）、生物转换技术（包括沼气技术、燃料乙醇）、其他技术（包括生物柴油、生物质制氢）等。目前已实现商品化和产业化的有秸秆或废木料气化供气系统、基于朗肯循环的垃圾焚烧或固体生物质燃烧发电系统、基于布雷顿循环的沼气或生物质气化炉发电系统。

据日本NEDO技术开发机构介绍，在日本生物质能主要是用于发电和乙醇提取，目前成本较高，如木质生物质能发电约50日元/kW·h（天然气发电约6日元/kW·h），生物乙醇价格约90日元/L（汽油约45日元/L）。但是生物质能的利用不能仅仅从经济角度考虑，将废弃物作为能源利用，有助于废弃物的综合利用，有着积极的环境保护效用。

生物质能应用在技术上还需进一步解决或提升气化的生物质预处理技术、气化的燃气热值低、燃气净化及焦油处理、简化处理工艺等问题。

4．地热能

地热能是地球内所包含的热能，是一种清洁能源，具有分布广、热流密度大、使用方便、流量与温度参数稳定、不受天气状况影响等特点。

地球本身是一座巨大的天然储热库，地壳、地幔、地核不同层次蕴藏着不同量的热能。从地面向下，在15Km以内，深度每增加100m，温度平均升高3℃左右。在100Km深处，温度高达1400℃。全世界地热资源的总量大约为14.5×1025J，是全部煤炭资源的储量的1.7亿倍。按世界年耗10亿t标准煤计算，可满足人类几十万年能源之用。

按其属性可将地热能分为水热型、地压地热能、干热岩地热能和岩浆热能等4种类型，目前只有位于地球浅处（地下400～4500m）的第1类水热型地热资源达到商业利用阶段。水热型地热能按其温度有以下利用方式：

（1）200℃～400℃直接发电及综合利用；

（2）150℃～200℃双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工；

（3）100℃～150℃双循环发电，供暖、制冷、工业干燥、脱水加工、回收盐类、罐头食品；

（4）50℃～100℃供暖，温室、家庭用热水、工业干燥；

（5）20℃～50℃沐浴，水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工等。

地热发电和地源热泵是利用地热能的代表性技术和重要方向之一。

地热发电是通过热能、机械能的中间转换产生电能，但地热发电所需的蒸汽能量是直接来源于地热能，不需要燃料、锅炉、运输设备等，因此，地热发电是一种比煤、石油、天然气及核能等发电便宜得多的能源利用方式。全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1×104MW，分布在20多个国家，其中美国占40％。我国用于发电的地热资源主要集中在西藏、云南的横断山脉一线，全国地热发电装机容量88％集中在西藏，我院设计的国内第一座地热电站羊八井电站至今已稳定运行了近30年。

地源热泵一般分为土壤埋管式闭路系统和水源式开路系统，冬天代替锅炉从地中取热，向建筑物供暖，夏天代替普通空调向地排热，给建筑物制冷，是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统，称为21世纪的“绿色空调技术”。

美国每年安装约4万套地源热泵系统，意味着降低温室气体（如CO₂等）排放100万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植404 686公顷（100万英亩）树的效果，年节约能源费用可达42亿美元。可见地源热泵是属于经济效益、社会效益和生态效益显著的社会公益技术。

三、节能技术

国际上称节能为煤炭、石油、可再生能源、核能之后的第五能源。各国利用市场化机制，将节能作为增加能源供应的新的手段，将节约的能源变为“商品”，进行交易，并为节约者赢利。也有人将节能称为：“负瓦特”革命，即减少瓦特的革命。总体而言，节能首先是应政府政策引导，法律约束，以形成节能的理念和氛围。其次才是下文所言的技术层次。

1．电力系统

电力系统规划设计的好坏与供电后的调整，都将影响未来供电质量，也对未来设备运转是否节能产生决定性的影响。因此应重视与节能息息相关的输变电系统规划、变电站位置环境、变压器负载大小与温升管理、合理供电电压与设备使用电压、线路长短压降、尖峰用电管理、功率因数改善、谐波改善等。

电器设备的选择也至关重要，如变压器的种类有油浸式变压器、模铸干式变压器及非晶质铁芯变压器等。为提高变压器的工作效率，应选用高效率变压器（如模铸干式及非晶质铁芯式）并控制变压器温升，以减少其铜损、铁损。

电器设备的安装位置也不容忽视，其位置宜避开温度高、通风不良的场所，避开易燃易爆区，避开腐蚀性气体及多尘埃的地方，避开潮湿及浸水的地方，避开震动激烈的场所。以变压器为例，有装在屋外的，也有装在屋内的。当装在屋内时，必须充分考虑到通风问题，若因通风不良将导致采用强迫冷却或输出降低，如此将产生浪费电力或设备不能完全发挥功能等问题。若将数台变压器并排放置时，应注意控制其间隔，以免妨碍相互的散热。

此外，应将电器设备尽量维持在其高效率区运行。例如变压器满载铜损与铁损之比等于3，而负载率为57.7％时，其运转效率最高，因此负载率维持在50％～65％之间，运转效率最高。为节约能源起见，亦宜将电力线路压降控制在3％以内（干线<1％，分路<2％）。

2．照明系统

世界各主要工业国的照明用电比例都在10％至25％之间，已成为仅次于空调的电力负荷。照明耗电占建筑耗能相当大比例，而评定照明好坏讲求的是节能与质量并重。因此应针对照明耗能，充分考虑照明优化设计、光源照明灯具选用准则、照明控制方法、保养维护方法、照明配电系统规划、照明节能方法、国内外建筑照明节能设计方面的规定等因素。

结合北美照明学会及日本照明学会的相关规定，整理归纳为以下7种照明节能方法：

（1）符合工作要求的照度水平：依工作场所与工作需求的不同，制订适合其工作的照度水平，所有空间维持一定的平均照度要求，并且力求配光的均匀，而要求高照度的场所，应尽量采用局部照明。

（2）使用高效率的光源：即使包括整流器的能源损耗，荧光灯和其他放电灯也比白炽灯效率高，寿命长。一般而言，额定功率较高的光源其发光效率也较高。但是从显色性和光色选择来看，则以白炽灯最好，最好采用近似白炽灯光色的荧光灯。特别是尽量采用发光效率高的高电功率光源，可使照明器具间的安装距离拉大，但应避免有照度分布不良的情况。

（3）照明器具的选择：应当采用器具效率高、清扫和更换容易的照明器具。采用设计不合理的照明器具和使用方法不当，是造成不舒服眩光的原因。光源和整流器所消耗的电能，通过辐射、对流和传导最终变成热量。为了在冬季将此热量回收再利用，而在夏季则将所产生的热量排到室外，可以采用空调型照明器具（即能将灯具的发热量集中收集排出室外的灯具），从而使空调用电减少。采用空调型照明器具，可以保证荧光灯有最适宜的管壁温度，能够使光源发挥最大的光通量输出。

（4）自然光的利用：建筑物的窗户开得越大，则空调负荷越大，因而把窗户开大来利用自然光，从全局来看并不符合节能的要求。可是窗户对于居住者和工作者的精神和生理上却是必要的采光与通风口，因此设置大小适当的窗户，可以有效地利用由此而来的自然光，例如有关恒定的人工辅助照明主要就是探讨关于侧窗的开窗方法。

（5）对照明环境的考虑：室内墙壁可以采用明亮系列的顔色来装饰，可增加反射光，不论是自然光或人工光源，均可因此提高室内照度水平，而且照明品质也因反射而呈现较佳的感觉。

（6）有效的配线设计：因利用自然采光而需关掉窗边灯具或自动调光的场合，应设计适当的配线及自动开关；调光型电子镇流器配合适当的位置设置光感应接收器，已可自动控制室内照度水平要求。而街灯、庭院灯和安全照明，则可采用自动开关器和定时开关。每个照明器具分别与开关接通，并能用手开关。

（7）易于维护管理的设计：由于光源和照明器的污染，使光能量降低，这是造成能源浪费的另一个原因。因而换下寿命到期、光通量降低的光源是重要的事情。设计时，应采用维护管理容易的照明方式、照明器具和光源，以减少维修的人力工作，间接发挥节能的效果。

3．空调系统

以台湾地区经济部能源局的统计数据，空调耗电约占办公大楼总耗电的一半左右，因此空调节能是十分必要的。空调节能措施至少有使用高效率的空调设备、应用节能新科技（如前述的地源热泵系统等）、空调系统节能设计、以管理手法节约空调耗能和正确维护使系统处在最节能的状态等5个方面。

在空调系统节能方面，国际上已有成熟的标准规范，如美国采暖、制冷与空调工程师学会的相关标准，均对新老建筑节能设计制订了相关要求。在空调系统设计时，遵循这些成熟标准即可，本文不再多述。

通用的减少空调热负荷的方法有：

（1）低Envload（建筑外壳耗能量）值，如屋顶内面加隔热材料，建筑外墙用淡色涂料以降低太阳辐射热的吸收（淡色涂料的辐射热吸收率仅有暗色的一半左右）。

（2）降低太阳辐射热。如选在南北面开窗，以内外遮阳手法减少辐射热。

（3）降低内部热负荷。如使用高效率灯具减少耗电，办公设备（电脑、打印机等）做好节能管理等，也可降低热负荷。

4．其他方面

工厂应尽量选用高效率的电机，对于负荷变动大的泵或风机等机械应选用变频器、奥米伽或液偶等调速装置。

电梯应用方面，应采用省电型电梯，电梯内照明风扇应有自动随电梯起停运转的开关，电梯机房冷却通风扇应以温控开关控制运转等。

电脑、打印机、复印机等事务机器均应选用具有能源之星等环保省电标示功能的机器，长时间不用时应关闭总电源，减少待机损失。