概论 第一节能源的基本概念 能源是社会存在与发展的基础，人类的任何生产与生存活动都离不开能源。 一、 能源的定义 关于能源的定义，目前约有20种。例如，《科学技术百科全书》说“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”； 《大英百科全书》说“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”； 《日本大百科全书》说“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能和电能等来做功，可以用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”； 我国的《能源百科全书》说“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”。可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。 　　“能”的含义是“做功的本领”，是“能量”的简称。能源即为能量的来源，是含能体或能量过程。含能体主要指比较集中而又较易转化的含能物质，比如煤炭、石油、天然气等； 能量过程指物质在运动或转化过程中产生的能量，如水的势能落差运动产生水能，空气运动产生风能，原子核裂变或聚变产生核能等。 　　能源分为一次能源和二次能源。一次能源是自然界以自然形态存在的、可以利用的能源，其中有些可以直接利用，但通常需要经过适当加工转换后才能利用。由一次能源加工转换后的能源称为二次能源。下面所说能源，如无特殊说明，皆指一次能源。 二、 一次能源的分类 　　能源按其来源，可以分为三大类。第一类是来自地球以外的天体的能源，包括太阳辐射能和各种宇宙射线，其中太阳辐射能包括太阳直接辐射能，以及太阳辐射经过生物转化、空气转化、水转化、热转化产生的能量形式。第二类是来自地球内部的能源，包括煤炭、石油、天然气、地热能和核原料等。第三类是来自地球和其他天体的作用产生的能量，如潮汐能等。 　　按能源使用消耗后的可恢复性，可以分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源指在自然界中不会随本身的转化或人类利用而日益减少，能有规律地得到补充的能源，包括太阳能、生物质能、风能、水能、地热能和海洋能。不可再生能源指经过亿万年形成的、使用后逐渐减少、短期内无法恢复的能源，如煤炭、石油、天然气和核原料等。表0-1~表0-3列出了目前世界及部分国家的煤炭、石油和天然气的探明可采储量情况。 表0-1世界及部分国家的煤炭探明可采储量（2011年） 国家可采储量/亿t占世界总储量比例/％ 世界8609.38100.0 美国2372.9527.6 俄罗斯1570.118.2 中国1145.013.3 澳大利亚764.08.9 印度606.07.0 德国406.994.7 乌克兰338.733.9 哈萨克斯坦336.03.9 南非301.563.5 表0-2世界及部分国家的石油探明可采储量（2011年） 国家可采储量/亿t占世界总储量比例/％ 世界2343100.0 委内瑞拉46317.9 沙特阿拉伯36516.1 伊朗2089.1 伊拉克1938.7 科威特1406.1 阿联酋1305.9 俄罗斯1215.3 美国371.9 中国200.9 表0-3世界及部分国家的天然气探明可采储量（2011年） 国家可采储量/1012m3占世界总储量比例/％ 世界208.4100.0 俄罗斯44.621.4 伊朗33.115.9 卡塔尔25.012.0 续表 国家可采储量/1012m3占世界总储量比例/％ 美国8.54.1 沙特阿拉伯8.23.9 阿联酋6.12.9 中国3.11.5 注： 以上三表的数据均来自BP Statistical Review of World Energy,2012。 　　考虑一种能源是否为可再生能源，是指在一定的时间尺度下，和化石燃料相比，所有的可再生能源都能在较短的时间内得到补充。但是在很短的时间尺度上，即使是可再生能源也是会枯竭的。这一特点在我们考虑怎样以及何时开发和利用可再生能源时是非常重要的。 　　随着可持续发展问题的提出，出现了一个新的能源概念——可持续能源（sustainable energy）。可持续能源的定义为： 为获取能源密集型产品并服务社会大众，同时为子孙后代的生存发展而保护地球所建立起来的一种动态和谐的、长远持续的能源开发和利用模式。为了实现可持续能源，需要发展一系列的能源技术及能源密集型技术的战略、政策和实施方案，包括提高能源生产和使用的效率，降低能源消耗，可再生、循环的能源技术，公众可以接受的核能技术，以环境友好的方式利用化石燃料等。 第二节能源形势 一、 概况 世界能源消费以石油、煤炭、天然气等化石能源为主。表0-4列出了2011年一些国家及世界的一次能源消费量。 表0-42011年一些国家及世界的一次能源消费量 Mtoe1 Mtoe表示百万吨油当量。 国家石油天然气煤炭核电水电可再生能源总计 美国833.6626.0501.9188.274.345.32269.3 加拿大103.194.321.821.485.24.4330.3 墨西哥89.762.09.92.38.11.8173.7 俄罗斯136.0382.190.939.237.30.1685.6 续表 国家石油天然气煤炭核电水电可再生能源总计 日本201.495.0117.736.919.27.4477.6 意大利71.164.215.4010.17.7168.5 巴西120.724.013.93.597.27.5266.9 法国82.936.39.0100.010.34.3242.9 德国111.565.377.624.44.423.2306.4 英国71.672.230.815.61.36.6198.2 荷兰50.134.37.80.9—2.795.8 中国461.8117.61839.419.5157.017.72613.2 印度162.355.0295.67.329.89.2559.1 世界4059.12905.63724.3599.3791.5194.812274.6 注： 数据来自BP Statistical Review of World Energy,2012。 这种能源消费面临两大难题： 资源问题和环境问题。随着世界经济的发展和经济规模的不断扩大，能源消耗量不断增加，石油、天然气、煤炭等不可再生能源面临资源枯竭的问题。同时，大量的化石能源的使用，带来了严重的环境问题，如大气污染、水体污染、土地荒漠化、森林锐减、臭氧层破坏、气候变暖、酸雨蔓延、生物多样性减少、固体废弃物污染等。 资料0-1亚洲褐云（Asia brown cloud，ABC） 20世纪90年代初期，有关人士在南亚上空距地面14km处发现了一片3km厚的褐色云层，推测它可能对亚洲乃至全球的气候产生影响。这一发现引起了联合国环境规划署的高度重视。1995年，亚洲开发银行资助4000万美元，由联合国环境规划署牵头，成立了一个由200多名来自世界各国的科学家组成的研究小组，对这块云层进行研究。他们经过5年的努力，使用船只、飞机、人造卫星等手段，初步揭开了“亚洲褐云”的秘密。 据研究小组成员、德国马克斯-普朗克化学研究所的科学家保罗·克鲁森介绍，“亚洲褐云”由灰尘、煤烟、酸性物及其他有害悬浮粒子组成。研究证实，亚洲受褐云遮蔽地区的日照量减少了10%~15%，温度变低，相反低层大气的温度却升高了，这样冬季季风的风向被改变，造成巴基斯坦西北部、阿富汗、中国内地西部等地区和中亚西部的降雨量减少了20%~40%，而亚洲大陆东部地区、孟加拉国、尼泊尔及印度东北多省则洪水泛滥。还损害成千上万人的呼吸系统健康，甚至引起死亡。 科学家们认为，“亚洲褐云”可能和地球温室效应一样是影响地球大气的罪魁祸首，但其究竟会给世界造成何种程度的影响尚难定论，有待进一步研究和观察。科学家还指出，“亚洲褐云”的成因中有80%是人为因素。 二、 我国能源基本国情 我国能源总体具有以下特点。 第一，煤炭资源总量相对丰富，石油、天然气资源缺乏； 人均能源资源量严重不足。由表0-1~表0-3可以看出，我国探明的煤炭可采储量1145亿t，约占世界总量的13.3％，居世界第三位； 探明的石油可采储量20亿t，占世界总量的0.9％； 天然气可采量3.1×1012 m3，占世界总量的1.5％。但从人均能源资源占有量来看，只是世界平均水平的1/2，仅为美国的1/10。 第二，能源资源分布很不均匀。煤炭资源大部分集中在华北，石油资源偏于东北，天然气资源偏于西北，水力资源则偏于西南，而人口密集、工业发达的东部和南部地区则能源资源很少。因此，我国呈现北煤南运、西气东输、西电东送等总体的能源输送态势，不但增加了能源开采利用成本，也对环境造成了额外的不利影响。 图0-1我国2005年商品能源消费总量构成 注： 2005年我国核电机组发电530.88亿kW·h，仅占全国总发电量的2.2%，在能源消费总量中比例很小。 　　第三，我国能源消费以煤炭为主。如2005年，我国能源消费总量22.3319亿t标准煤，其中煤炭占68.9％（图0-1），远远超过其他一次能源消费量。而大量消费煤炭造成了严重的SO2、NOx、酸雨、可吸入颗粒物、有害重金属等污染问题，还排放大量的CO2导致温室效应。在我国，不适当的煤炭资源开发也给矿区的地质和地理生态环境带来不利影响，比石油和天然气开发要严重得多。据1995年世界能源研究所和中国环境监测总站测算，环境污染和生态破坏已成为危害人类健康、制约经济和社会发展的重要因素。1995年在我国SO2和酸雨“两控区”内因SO2排放就造成 1138.8亿元的经济损失，占当年全国GNP的1.98%。 第四，可再生能源利用水平低。可再生能源以其可再生、低污染等特点，越来越受到各国的重视。近年来，我国可再生能源的开发和利用发展很快，但和发达国家相比，总体的水平还比较落后。 资料0-2“两控区” 1995年8月,全国人大常委会通过了新修订的《中华人民共和国大气污染防治法》,其中明确规定要在全国划定酸雨控制区和SO2污染控制区,以求在两控区内强化对酸雨和SO2的污染控制。 酸雨控制区 一般将pH值小于5.60的降水叫酸雨,将年均降水pH值小于5.60的地区叫酸雨地区。目前,我国年均降水pH值低于5.60的地区已达国土面积40%左右。酸雨是区域问题。大部分地区的酸雨仅仅是少部分城市排放的酸性物质经大气长程传送形成的,只要消灭了少数城市的污染源,大面积酸雨现象自然会消失。所以,酸雨控制区应不同于酸雨地区,要比酸雨地区小得多。当降水pH值低于4.60时,将会对森林、农作物和材料产生损害。西方发达国家多将降水pH值低于4.60作为受控对象的标准。除了这一标准外,还要考虑生态系统对酸雨的承受能力问题。不同地区的土壤和植被等生态系统对硫沉降的承受能力不同,硫沉降负荷反映了该承受能力之大小,当区域的实际硫沉降超过对硫沉降的承受能力时就应予以控制。此外,酸雨控制区应包括酸雨污染最严重地区及其周边SO2排放最大区域。依此标准,我国酸雨控制地区的面积约为80万km2,占国土面积的8.40%。它主要包括上海市、重庆市和浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、广东、广西、四川、贵州、云南等省、市、自治区的部分城市地区。 SO2控制区 南方的酸雨还和北方SO2的大量排放有关,仅控制酸雨地区的酸性物质排放而忽略北方SO2的排放,还是不能有效地控制酸雨。SO2年平均浓度的二级标准是0.06mg/m3,在此浓度之下,人群在环境中长期暴露将不受危害； SO2日平均浓度三级标准是0.25mg/m3,在此浓度之下,人群在环境中短期暴露不受急性健康损害。环境空气中SO2的主要危害是引起人体呼吸系统疾病,导致死亡率增加。SO2污染主要来自燃煤,集中在城市,应以城市特别是大城市为控制单元。依此标准，我国SO2污染控制区面积为29万km2,占国土面积3%，主要包括北京市、天津市及河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、江苏、河南、陕西、甘肃、宁夏、新疆等省、市、自治区的部分城市。 在“两控区”内,2000年SO2浓度达到国家空气质量二级标准的城市有119个，占“两控区”地级城市的69.6％； 超过二级标准但达到三级标准的城市有24个，占14％； 超过三级标准的城市有28个，占16.4％。 第三节可再生能源的利用 一、 可再生能源利用情况 如前所述，可再生能源具有可再生、低污染等特点，开发利用可再生能源是减轻资源、环境压力，实现可持续发展的重要途径之一。表0-5和表0-6列出了全球可再生能源的资源量和利用状况。由两表可以看出，可再生能源的资源总量巨大，但利用规模还很小，发展潜力巨大。 表0-5全球可再生能源及化石燃料资源量 资源能源类型总流量/TW净存量/（TW·a） 太阳能陆地流量270000 海洋流量530000 风能动能（陆地）1000 波浪能动能（海洋），势能2000 生物质能光合作用产生的化学能30750 水能汽化潜热4000080000 潮汐地月引力能>33 地热热水热能～2.51.7×105 干热岩热能≥303.3×106 所有化石燃料化学反应10≥360000 资料来源： Jefferson W. Tester et al. Sustainable Energy,Choosing Among Options,MIT press,2005,p.412. 注： 1TW=1012W，1TW·a=3.156×1019J。 表0-6世界可再生能源利用状况 项目单位2011年年末累计量 发电GW 生物质发电72 地热直接供热11.2 水电970 海洋能发电0.5 太阳能光伏发电70 太阳能热发电1.8 风电238 热水/采暖GW（热量） 现代生物质采暖290 太阳能热水和采暖232 地热采暖58 交通燃料108L/a 乙醇产量861 生物柴油产量214 资料来源： REN21.Renewables 2012 Global Status Report. 二、 我国可再生能源发展概况 　　中国可再生能源利用也取得了不小的进展。到2011年年底，我国水电装机容量已达到2.12亿kW，并网风电装机总容量6200万kW，居世界首位； 太阳能光伏发电310万kW，太阳能热水器利用量达到6500万m2，约占全球58％。 　　2006年1月1日，《可再生能源法》正式实施，国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，通过制定可再生能源开发利用总量目标和采取相应措施来推动可再生能源市场的建立和发展。国家发展和改革委员会已组织起草了《可再生能源中长期发展规划》。根据初步完成的规划，到2020年，水电总装机容量将达到2.9亿kW，开发程度达到70％左右，生物质发电、风力发电、太阳能发电装机容量分别达到2000万kW、3000万kW和200万kW，力争使可再生能源发电装机在总电力装机容量的比例达到30％以上； 太阳能热水器总集热面积达到3亿m2，年替代化石能源约4000万t标准煤； 沼气年利用量达到240亿m3； 生物质成型颗粒燃料年利用量达到5000万t左右； 同时，积极发展以能源作物为主要原料的生物质液体燃料，到2020年达到年替代石油1000万t的能力。 习题 1. 列举几种可持续能源。 2. 查阅资料，估算我国和世界的煤炭、石油、天然气的使用年限。 3. 什么是可再生能源？可再生能源是取之不尽、用之不竭的吗？ 第一章太阳能基础 本章首先介绍太阳能的特点和主要利用方式，然后介绍太阳几何学、太阳辐射等基础知识，最后简单介绍我国的太阳能资源情况。 第一节概述 一、 太阳能的特点 由于太阳持续、恒定地向地球辐射输送大量能量，部分经过植物的光合作用转化成了生物质能； 经过成千万、上亿年的地球生物、地质演化，古代的动植物遗体在地壳内部温度、压力的作用下，变化形成了煤、石油、天然气等矿物燃料； 江河湖海中的水，经阳光照晒蒸发，凝结降落在地球上不同的海拔高处，形成了水能； 空气经太阳照射加热，产生密度差，形成风能。因此，地球上上述这些主要的能源都来自太阳能。 资料1-1认识太阳 我们肉眼看到的太阳高悬在蔚蓝的天空，金光灿烂，绚丽多姿，轮廓清晰，表面十分平静。但是实际上太阳是一个巨大的球状炽热气团，整个表面是一片沸腾的火海，极不平静，每时每刻都在不停地进行着热核反应。根据科学家的研究和探索，我们对太阳已经有了一定的了解，下表列出了一些基本参数。 太阳半径695992km 太阳质量1.989×1030 kg 成分氢： 71％； 氦： 27％； 其他元素： 2％ 有效温度5762 K 太阳光度3.826×1026 W 日地平均距离149597892 km≈1.5×108 km 中心参数 温度 密度 压力 1.5×107K 1.6×105 kg/m3 3.4×1014 Pa 太阳能有如下特点： （1） 太阳能蕴藏量巨大，具有持久性。太阳是一个巨大的能源库，其总辐射能量约为3.75×1020MW，到达地球大气层上界的能量为1.73×1011 MW，太阳光透过大气层达到地球表面的能量约为8.1×1010 MW。太阳估计已经存在了47亿多年，估计寿命还有60亿年以上。因此可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的。 （2） 太阳能具有普遍性。阳光普照大地，处处都有太阳能，可以就地利用，不需要到处寻找，更不需要进行运输。这对于解决偏远地区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应，具有很大的优越性。 （3） 太阳能是一种洁净、无污染的能源。它本身不会对环境造成污染，也不影响生态平衡。 （4） 太阳能能量密度低。在晴朗白昼的正午，在垂直于太阳光的地面上，1m2面积所能接受的太阳能，平均只有1kW左右。而且，太阳能的能量分布随波长而变，有些光能转换形式只对一定波段的辐射比较敏感，因而转换效率较低。如当前实验室中太阳能电池取得的最高光电转换效率也不过20%，投入使用的太阳电池转换效率一般在11%~15%之间。因此在实际利用时，往往需要一套面积相当大的太阳能收集设备，使得占地面积大、用料多、结构复杂、成本高，影响了推广应用。 （5） 地面太阳能的强弱因地区、气候、昼夜等自然条件而变化，为人类大规模开发利用带来诸多技术上以及经济上的困难，如收集(即如何将低品位的太阳能转换为高品位的能量)、储存(即如何解决太阳能本身的间歇性问题)、转换(即如何更有效地利用已经收集到的能量)，以及经济性(即如何使太阳能的开发与利用具有经济上的可行性和可比性)等。上述问题的解决已成为太阳能开发利用技术能否广泛推广使用的关键。 二、 太阳能利用的方式与途径 太阳能利用主要有太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电等。通过把太阳辐射能转换成热能来实现对太阳能的利用称为太阳能热利用； 利用太阳能所转换的热能加热水或其他工质，产生一定温度和压力的蒸汽，推动汽轮发电机组获得电能，称为太阳能热发电，也有人将其并入太阳能热利用之中； 而利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能称太阳能光发电。太阳能电池就是利用的太阳能光发电。当今世界上的太阳能电池种类繁多，主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、砷化镓电池和硫化镉电池等。 目前，太阳能的热利用已相当普遍。根据热利用系统的集热温区不同又分为低温、中温和高温太阳能热利用系统。低温系统(80℃以下)主要包括热水器、太阳灶、被动式太阳房、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能制冷等，其利用技术已日趋成熟。中温太阳能利用系统(80~350℃),主要给工业生产中提供中温用热，如木材的干燥、纺织品的漂白