关于新能源能量转换机制及其开发利用的调研报告

关于新能源能量转换机制及其开发利用的调研报告——韦静怡前言新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特祉的新能源越来越得到各国的重视。目前在中国，可以形成产业的新能源上要包括水能（主要指小型水电站）、风能、生物质能、太阳能、地热能等，是可循环利用的清洁能源。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类礼会可持续发展需臻的最终能源选择。一、新能源概况1.资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用。2.能量密度低，开发利用需要较大空间。3.不含碳或含碳量很少，对环境影响小。4.分布广，有利于小规模分散利用。5.间断式供应，波动性大，对继续供能不利。6.目前除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。二、新能源的能量转换机制以太阳能和风能为例介绍新能源的能量转换机制。1.太阳能开发途径光热利用它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器等4种。太阳能发电未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。②光—电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。光化利用这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。光生物利用通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。2.风能利用形式风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。风能利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。比如通过风车来提取风能。当风吹动风轮时，风力带动风轮绕轴旋转，使得风能转化为机械能。再利用涡轮叶片将气流的机械能转为电能而成为发电机。三、新能源材料新能源材料覆盖了镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、反应堆核能材料、发展生物质能所需的重点材料、新型相谈储能和节能材料等。锂离子电池及其关键材料锂离子电池及其关键材料的研究是新能源材料技术方面突破点最多的领域，在产业化工作方面也做得最好。锂离子电池正极材料研究最多的是具有层状结构的LiCoO2、LiNiO2和尖晶石结构的LiMn2O4及它们的掺杂化合物。锂离子电池负极材料方面，商用锂离子电池负极碳材料以中间相碳微球（MCMB）和石墨材料为代表。当前国内锂离子电池关键材料已经基本配套，为我国锂离子电池产业的更大发展创造了有利条件。镍氢电池及其关键材料镍氢电池是近年来开发的一种新型电池，与常用的镍镉电池相比，容量可以提高一倍，没有记忆效应。其核心是储氢合金材料，目前主要使用的是RE（LaNi5）系、Mg系和Ti系储氢材料。各发达国家大都将大型镍氢电池列入电动汽车的开发计划，镍氢动力电池正朝着方形密封、大容量、高比能的方向发展。燃料电池材料燃料电池可以应用于工业及生活的各个方面，如使用燃料电池作为电动汽车电源一直是人类汽车发展目标之一。在材料及部件方面，主要进行了电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术的研究。采用湿化学法工艺，可在YSZ+NiO阳极基底上制备厚度仅为50μm的致密YSZ薄膜，800℃用氢作燃料时单电池的输出功率密谋达到0.3W/cm2以上（YSZ为氧化钇掺杂/稳定的氧化锆）。太阳能电池材料太阳能在新能源领域牌龙头地位，美国、德国、日本等发达国家都将太阳能光电技术放在新能源的首位。在世界太阳能电池市场上，目前仍以晶体硅电池为主。美国、日本、欧洲等国家的单晶硅电池的转换效率达到0%以上，多晶硅电池在实验室中转换效率也达到了17%，砷化镓（GaAs）太阳能电池的转换效率目前已经达到20-28%，采用多层结构还可以进一步提高转换效率。发展核能的关键材料美国核电约占总发电量的20%，法国、日本分别占77%和29.7%。目前中国核电工业由原先的适度发展进入到加速发展的阶段，核发电量创历史最高水平，到期020年核电容量将占全部总装机容量的4%。发展核能的关键材料包括：先进核有能力材料、先进的核燃料、高性能燃料元件、新型核反应法堆材料、铀浓缩材料等。其他新能源材料我国风能资源较为丰富，但与世界先进国家相比，我国风能利用技术和发展差距较大，最主要的问题是尚不能制造大功率风电机组的复合材料叶片材料。电容器材料和转换材料一直是传统能源材料的研究范围，现在随着新材料技术的发展和新能源涵义的拓展，一些新的热电转换材料也可以当作新能源材料来研究。节能储能材料的技术发展也使得相关的关键材料研究迅速发展，一些新型的利用传统能源和新能源储能材料也成为了人们关注的对象。利用相变材料（PCM，PhaseChangeMaterials）的相变潜热来实现能量的储存和利用，提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。四、新能源的开发应用以核能和生物质能为例。核能发电核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍氘、锂、硼等等，世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源，可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能应用作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施有许多的优点，其一核燃料体积小而能量大。1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量；一座100万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤300～400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于每天8列火车，还要运走4000万吨灰渣。同功率的压水堆核电站，一年仅耗铀含量为3%的低浓缩铀燃料28吨；每一磅铀的成本，约为20美元，换算成1千瓦发电经费是0．001美元左右，这和目前的传统发电成本比较，便宜许多；而且，由于核燃料的运输量小，所以核电站就可建在最需要的工业区附近。核电站的基本建设投资一般是同等火电站的一倍半到两倍，不过它的核燃料费用却要比煤便宜得多，运行维修费用也比火电站少，如果掌握了核聚变反应技术，使用海水作燃料，则更是取之不尽，用之方便。其二是污染少。火电站不断地向大气里排放二氧化硫和氧化氮等有害物质，同时煤里的少量铀、钛和镭等放射性物质，也会随着烟尘飘落到火电站的周围，污染环境。而核电站设置了层层屏障，基本上不排放污染环境的物质，就是放射性污染也比烧煤电站少得多。据统计，核电站正常运行的时候，一年给居民带来的放射性影响，还不到一次X光透视所受的剂量。其三是安全性强。从第一座核电站建成以来，全世界投入运行的核电站达400多座，30多年来基本上是安全正常的。虽然有1979年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故，但这两次事故都是由于人为因素造成的。随着压水堆的进一步改进，核电站会变得更加安全。然而在开发利用核能的过程中也要克服诸多棘手的问题，如：（1）链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害（如切尔诺贝利核电站和福岛核电站等等）。（2）裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大，必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。（3）核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。（4）核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。（5）核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。生物质能的利用生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。五、新能源的污染新能源的污染问题并非人们想象的那样，虽然使用过程中产生污染较少，但设备制造、开发环节的环保问题却不可小觑。以太阳能为例，光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池，目前应用最广的是多晶硅太阳能电池。虽然太阳能光伏发电作为清洁能源的代表，一向被视为前景大好的绿色产业，但是光伏产业链上游的多晶硅生产却屡遭污染质疑：国内大部分厂家生产多晶硅，随之产生的大量有毒副产品四氯化硅难以回收处理。而处在产业链下游的电池组件产业，由于在制作环节大量使用氢氟酸，每天也会产生大量的含氟废料。由此可见，新能源背后隐藏着多种“新污染”。风电、核电、生物质能这几大产业同样有潜在污染。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用。风电作为新能源，其污染主要存在于风力发电的过程中。在风力发电过程中，风电叶片转动时会有低频噪音污染，除了对人体健康有一定影响外，还会对空气气流有干扰，影响鸟类的安全飞行。此外，工厂在生产风电叶片时，打磨玻璃钢产生的玻璃纤维末如果处理不好导致其四处飞扬，会造成大气污染，也影响人们的正常生活。核电本是一种清洁、高效和相对安全的能源，它的污染起因于核电站发生核泄漏事故造成放射性物质外泄，污染周围环境，使公众受到放射损伤和放射性污染。对于生物质能发电存在的污染，把秸秆直接燃烧的直燃式发电会产生二氧化碳及细小颗粒物质等污染物，这些污染物排放到空气中，就会造成大气污染。另外，气化式发电会产生废水问题，虽然废水可以通过技术进行净化，但会增加企业的发电成本，更重要的是，即使污水经过处理，污染物也不能完全清除。六、我国新能源的应用现状及前景我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用新能源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。近年来在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。以生物质能为例，开发利用生物质能对中国具有特殊意义。中国80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。1998年农村生活用能总量3.65亿吨标煤，其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标煤，占56.7%。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。1991年至1998年，农村能源消费总量从5.68亿吨标准煤发展到6.72亿吨标准煤，增加了18.3%，年均增长2.4%。而同期农村使用液化石油气和电炊的农户由1578万户发展到4937万户，增加了2倍多，年增长达17.7%，增长率是总量增长率的6倍多。可见随着农村经济发展和农民生活水平的提高，农村对于优质燃料的需求日益迫切。传统能源利用方式已经难以满足农村现代化需求，生物质能优质化转换利用势在必