新能源的開發和利用

張勤昌

常規能源是指人類已經利用了多年的傳統能源，如煤、石油、天然氣等。新能源又稱非常規能源，是傳統能源之外的各種能源形式，指剛開始開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源。廣義來說，有別于傳統依靠礦物質原料燃燒的能源都稱之為新能源，如太陽能、風能、水電能、生物能、核能、地熱能、海洋能、氫能等。相對于傳統能源，新能源具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環境污染問題和資源枯竭問題具有重要意義。

目前，除水能資源的開發利用程度較高外，風能、太陽能、地熱、潮汐能以及生物質能資源的開發利用率非常低。據聯合國預測，到2020年世界能源消費總量中，新能源的比重提高到1～20%，2050年新能源的比重爭取達到50%。實現新能源的轉換，是人類社會和科技進步的一個長期的艱巨的奮斗過程，但又必須從現在開始立即行動去實施的一項全球性的任務。

我國能源產業政策是：積極開發水電，優化建設煤電，加快核電建設，鼓勵新能源和可再生能源發電。在新能源開發方面我國現在有四個第一：水電裝機全球第一，太陽能熱水器的利用規模全球第一，核電在建規模全球第一，風電裝機的增速全球第一。下面介紹的幾種能源有可能就是未來的理想能源。

一、太陽能

太陽照耀著地球，送來了光，也送來了熱。取之不盡、用之不竭的太陽能是一種可廣泛利用的清潔能源。太陽能的利用有三種方式，一是太陽能轉化為內能，如太陽能熱水器。二是太陽能轉化為電能，如太陽能電池。三是太陽能轉化為化學能，如植物進行光合作用。如圖1a所示是太陽能發電示意簡圖，圖1b所示是我國徐州大型地面光伏電站。

二、風能

風能是一種干凈的、儲量豐富、可再生的能源。風能是地球表面大量空氣流動產生的動能。風能資源決定于風能密度和可利用的風能年累計小時數。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率，與風速的三次方，和空氣密度成正比關系。中國陸地10m高度層的風能總儲量為32.26億kW，實際可開發的風能資源儲量為2.53億kW，近海風場的可開發風能資源是陸上的3倍，據此，我國可開發的風能資源約為10億kW。在風力資源豐富的地方，可利用風車帶動發電機發電。如圖2a所示為風能發電示意簡圖，圖2b所示是聚風型風力發電裝置。

三、生物質能

生物質能是以生物為載體，將太陽能以化學形式貯存的一種能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產量就相當于目前人類消耗礦物能的20倍。生物質能是貯存的太陽能，是一種可再生能源，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料。據估計地球每年植物光合作用固定的碳達2×1011噸，所含能量達3×1021焦。

生物質能的利用方式有：農林生物質發電、沼氣工程、生物質成型燃料、生物質氣化、生物液體燃料等。

1. 生物質秸稈燃燒發電：利用農作物秸稈、林木剩余物，通過燃燒來產生熱能、蒸汽或電能。如圖3a所示是一種經過加工的農林廢棄物發電原料。

2. 生物質氣化發電：將生物質原料加熱，使較高分子量的有機碳氫化合物鏈裂解，變成較低分子量的CO、H2、CH4等可燃性氣體。生物質氣化后用于電力生產，如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機聯合發電裝置。

3. 沼氣工程：對農業廢棄物、糞便、污水或城市固體廢物等進行厭氧消化，生產沼氣。沼氣是一種燃氣，也可以照明。如圖3b所示是沼氣利用示意簡圖。

4. 生物液體燃料：利用農作物可以生產生物柴油、乙醇等液體燃料。

（1）生物柴油：以餐飲業廢油、榨油廠油渣、油料作物為原料生產生物柴油。

（2）乙醇：種植快速成長作物（如高粱、木薯等非糧作物），種樹（木小桐子等含油植物），用糖與淀粉作物來制造乙醇。但種植這些作物和植物應堅持 “不與民爭糧、不與糧爭地”原則。

四、核能

原子核是可以改變的，而且在有些改變過程中還會釋放出巨大的能量——核能。獲得核能有兩種途徑，一種是原子核的裂變，另一種是原子核的聚變。原子核裂變的能量緩慢釋放控制技術相對原子核的聚變成熟。用人工方法控制核裂變鏈式反應并獲得核能的裝置，叫作核反應堆。核反應堆的用途非常廣泛，可以作為核動力來發電，推進火箭、飛機、潛艇、水面艦艇、淡化海水等。

核能發電是利用核反應堆中核裂變釋放出的熱能進行發電的方式，利用鈾原料進行核分裂連鎖反應所產生的熱，將水加熱成高溫高壓，利用產生的水蒸氣推動蒸汽輪機并帶動發電機。核電站可以大大減少燃料的運輸量。據計算，一個一年耗掉80噸核燃料的發電廠，如果換成煤做燃料大約需要515萬噸。如圖4a為核電站原理示意圖，圖4b是我國大亞灣核電站。

五、水能

水能資源或稱水力資源，指水體的動能、勢能和壓力能等能量資源，是自由流動的天然河流的儲力和能量。廣義的水能資源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量資源。我國的江河水能理論儲藏量為6.91億kW，可開發的水能資源約3.82億kW。如圖5a為水力發電示意簡圖，圖5b是我國三峽發電站的大壩。

六、地熱能

地熱能是一種可再生的清潔能源。地熱能是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來源于地球內部的熔巖，并以熱力形式存在，是引致火山爆發及地震的能量。高溫的熔巖將附近的地下水加熱，這些加熱了的水最終會滲出地面。

對地熱的利用主要是建立地熱發電站用于發電、采暖、溫室種植、花卉栽培、地熱水育秧。利用地熱還可以開發溫泉旅游業，建設溫泉賓館或溫泉療養院，應用于療養、保健項目。如圖6a所示是地熱發電結構原理簡圖，圖6b是我國西藏羊八井地熱發電廠，圖6c是羊八井地熱井噴。

七、潮汐能

發生潮汐時，大量水流動，蘊含著巨大的能量。潮汐能的利用是發電，讓水流帶動水輪機轉動，繼而帶動發電機發電。如圖7a和7b是潮汐能發電原理示意簡圖。

八、氫能

氫氣作為一種可燃氣體，燃燒時可放出熱，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質，少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境，且燃燒生成的水還可繼續制氫，反復循環使用，產物水無腐蝕性，對設備無損。氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運輸都很方便。液態的氫既可用作汽車、飛機的燃料，也可用作火箭、導彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號宇宙飛船和我國發射人造衛星的長征運載火箭，都是用液態氫做燃料的。如圖8所示是以超導托卡馬克聚變堆為基礎的未來聚變能電站。

人教版物理九年級全一冊第二十二章《能源與可持續性發展》課外閱讀延伸