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1、新能源概论,重庆大学 魏子栋 2010年5月,目录,一、能源的概念及分类二、新能源和可再生能源三、氢能经济及燃料电池技术四、氢能技术研发在重庆大学五、几点感想,能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式,1.1 能源的概念,石油,煤,天然气,电,按能源的形成方式划分 一次能源直接来自自然界的未经加工转换的能源，如柴草、煤炭、原油、天然气、核燃料、水力、风力、太阳能、地热能、海洋能等。二次能源把一次能源直接或间接转化来的能源称二次能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤气、电力、汽、煤、柴、油、氢能等。,1.2 能源的分类,按能源的使用性质划分 含能体能源 指能够提供能量的物质能源，其特点是可
2、以保存且可储存运输，如煤炭、石油等。过程性能源 指能够提供能量的物质运动形式，它不能保存、难于储存运输，如太阳能，电能等。,1.2 能源的分类,1.2 能源的分类,按能源可否再生划分 不可再生能源 指随人类的使用而减少的能源，如煤炭、原油、天然气等化石能源可再生能源 不随着人类使用而逐渐减少的能源，如水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等非化石能源,按现阶段使用的成熟程度划分 常规能源 指人类已长期使用，巳在技术上也比较成熟的能源。新能源 指虽已开发并少量使用，不过技术上还未成熟而没有被普遍使用，但却具有潜在应用价值的能源。,1.2 能源的分类,随着技术和经济的发展以及人口的增长，人们
3、对能源的需求越来越大，能源问题也越来越突出。环境污染 化石燃料的使用带来了严重的环境污染,导致了温室效应的产生和酸雨的形成。2005年2月16日，旨在减排室温气体的京都协议书已经正式生效。能源危机 石油、天然气和煤炭这三种人类使用的主要能源可开采年限，分别只有40 年、50 年和240 年。目前我国已经有超过31%的石油需要进口，而到2010年，这一数字将会增长到45-55%。,1.3 能源问题,正在开采的油井,2、我国的能源结构,1、我国和世界的能源消耗20%的能源消耗生产了约5%的GPD,1.3 能源问题,新能源技术,新能源和可再生能源,太阳能,小水电,生物质能,地热能,海洋能,天然气水合
4、物,2 新能源的几种形式,风能,氢能,2.1 太阳能,按目前太阳的质量消耗速率计，可维持61010年。所以可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。,太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.051018千瓦时（3.781024J），相当于1.3106亿吨标准煤。,1)总量最大取之不尽，用之不竭（应对能源危机）2)分布最广遍布世界各地（应对传统能源的区域差异和贸易壁垒）3)最清洁利用过程中不会产生任何污染，也不会产生废弃物（应对环境恶化）4)能源品位低需要一定的面积保证（通常认为在不考虑地球大气吸收的情况下，功率是1.39KW/m
5、2）5)不稳定因素多多数利用方式受天气状况影响,2.1.1 太阳能特点,2.1.2全球太阳能资源分布情况,我国太阳能分布：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22-35这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。,2.1.3 我国太阳能资源分布特点,光热转化,2.1.4 太阳能的利用方式,光电转化,光化学转化,2.1.4 太阳能的利用方式光热转化,光热转化：就是把太阳辐射能通过各种集热装置（集热器）转变成热能。主要包括热水器、干燥器、采暖和制冷、太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置
6、及太阳能医疗器具；,北京2008奥运会的示范工程，中国太阳能第一楼,平板太阳能热水器 产水量大，利于清洁，热效率高，是与建筑物相结合的首选产品。但不抗冻，环境温度0时则不能工作，广泛运用于非结冰地区，国外90%以上的用户使用本产品（通过改造的平板热水器可抗严寒）。,真空管太阳能热水器 高硼硅玻璃真空管具有一定的抗冻能力，可在15的环境中照常工作。管内走水，易炸裂，时间长了会有水垢积存，影响热效率，,热管太阳能热水器 在普通真空太阳集热管中加上传热导管即可，因为增加了传热介质，热效率有一定损耗。优点是管内无水，永不结垢，适用严寒地区使用。,2.1.4 太阳能的利用方式光热转化,太阳能热水器与其它
7、热水器使用效益比较表,2.1.4 太阳能的利用方式光热转化,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,光电转化：就是通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。各种规格类型的太阳电池板和供电系统均属这一类。,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,工作原理：光伏发电是根据光生伏打效应，将太阳光直接转化为电能。,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,在光伏发电中，半导体材料起着关键的作用，目前主要的光伏材料有：,太阳能发电站,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,太阳能汽车,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,日本通产省(MITI)第二次新能源
8、分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，2010年光伏发电装机容量达到5GW 欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW 美国能源部制定了从2000年1月1日开始的新5年国家光伏计划和20202030年的长期规划，按照预计的发展速度，2010年美国光伏发电装机容量达到4.7GW 澳大利亚计划于2010年使光伏发电的装机容量达到0.75GW,2.1.4太阳能的利用方式光化学转化,光化学转化：就是用光和物质相互作用引起化学变化的过程。这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢、利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等。,2.2
9、 生物质能,生物质能是指绿色植物通过光合用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。,2.2.1 生物质能的特点,优点：燃烧容易，污染少，灰分较低。缺点：热值及热效率低，体积大而不易运输，直接燃烧生物质的热效率仅为10一30。,2.2.2 生物质能种类,生物质能通常包括以下几个方面：1）木材及森林工业废弃物；2）农业废弃物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工业有机废弃物；6）动物粪便。,2.2.3 生物质能的利用直接燃烧,
10、农牧民学习使用节柴灶,生物质的直接燃烧在今后相当长的时期内仍将是我国农村生物质能利用的主要方式。推广热效率可达20%30%的节柴灶这种技术已被国家列为农村能源建设的重点任务之一。,物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂解技术等。可以把生物质转变成热值较高的可燃气、固定碳、木焦油及木醋液等物质。可燃气含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃气或工业用气。,2.2.3 生物质能的利用物化转化,秸杆发电,2.2.3 生物质能的利用生化转化,生化转化主要包括厌氧消化技术和酶技术。厌氧消化是利用厌氧微生物的生长代谢过程将生物质转化为CH4 等可燃气体，同时得到厌氧发酵液、渣等厌氧发酵
11、残留物，用作农田肥料，效果很好。酶技术是利用微生物体内的酶分解生物质，生产液体燃料，如乙醇、甲醇等。,2.2.4 生物质能的发展前景,表 1 2003年我国生物质能开发利用量,从资源和技术（包括技术的经济性）两方面看，利用生物质能发电和生产生物燃油在我国有广阔的发展前景，将为满足我国的电力需求、石油需求起到重要作用，而且具有良好的经济、环境和社会效益。,2.3 风能,风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量。太阳能在地面上约2转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW。,2.3.1 风能的特点,风能的优点：蕴藏量大、分布广泛 无污染、可再生 适应性强、发展潜力大
12、,风能的限制性：能量密度低，只有水力的l8l6 不稳定性，气流瞬息万变 地区差异大,资源丰富区有山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城、阿拉山口，河西走 廊，松花江下游，张家口北部等地，以及分布各地的高山山口和山顶。,2.3.2 我国风能的分布,利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。,2.3.3 风能的利用,不同能源发电成本,2.3.3 风能的利用,2.3.3 风能的利用,世界风电市场前10名国家的风电发展增速统计,经过多年的努力，截至2002年底，我国风力发电的装机容量已经达到了46.85万千瓦（不包括台湾地区）
13、。,2.3.4 我国风能的发展现状,我国大型风电机组历年总装机容量图,2.4 小水电,所谓小水电，通常是指电站总容量在5 万kW以下的小型水电站及与其相配套的小电网的统称。小水电的开发方式，按照集中水头的办法，可分为引水式、堤坝式和混合式三类。,2.4.1 小水电的特点,工程简单、建设工期短，一次基建投资小，水库的淹没损失、移民、环境和生态等方面的综合影响甚小。而且小水电接近用户，输变电设备简单、线路输电损耗小，水电发电的效率为同等规模的热电站的两倍以上。,2.4.2 小水电资源分布,注：包括小于 10MW的水电站,2.4.3 小水电资源发展预测,2.4.4 小水电发展前景,我国蕴藏着极其丰富
14、的水力资源，全国水力资源理论蕴藏时为6.8亿千瓦，年电能 5.9万亿度，占目前世界电力需求量15万亿度的1/3，可开发资源的装机容量为3.78亿千瓦，年电能1.92万亿度，适于建造小水电站的河流很多。随着小水电在我国的迅速发展，必将成为农村和边远山区发电的主力。,2.5 地热能,地热能是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量。,2.5.1 地热能的分类,地热能按赋存形式可分为水热型（又分为干蒸汽型、湿蒸汽型和热水型）、地压型、干热岩型和岩浆型四大类；按温度高低可分为高温型（150）、中温型（90149）和低温型（89）。,阿里地区地
15、热田,冰岛地热,2.5.2 地热能的分布,就全球来说，地热资源的分布是不平衡的。明显的地温梯度每公里深度大于30的地热异常区，主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞，衰亡-消减带部位。环球性的地热带主要有下列4个：1）环太平洋地热带2）地中海一喜马拉雅地热带3）大西洋中脊地热带4）红海一亚丁湾一东非裂谷地热带,从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%。据美国地热资源委员会（GRC）1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上
16、的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。,2.5.3 地热能的开发,西藏羊八井地热电站,我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。,2.5.4 我国地热能的开发,2.6 海洋能,海洋能是指海水在运动过程中产生的能为人类利用的能量，理论能量总量约为766 亿千瓦，是名副其实的“蓝色煤海”。,2.6.1 海洋能的分类,按其成因可分为：潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。按其储存形式可分为：机械能（潮汐能、波浪能和海流能）、热能（海水温差能）和化学能（海水盐差能）,浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。,法国朗斯电站,2.6.2
17、海洋能的利用,海洋能最主要的利用方式就是发电。全球仅可利用的潮汐能就达30 亿千瓦，年发电量约为26万亿度，这比目前世界上全部的水力发电量大一倍。全世界潮汐电站的总装机容量为265兆瓦，中国为5.64兆瓦，,2.7 天然气水合物,水合物立方笼型结构图,天然气水合物(Natural Gas Hydrates)是在一定条件下由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质(可燃冰)，它是一种非化学计量笼形物，为超分子结构，具有很强的吸附(浓缩)气体能力，单位体积的水合物可含164倍同单位的气体，分子量小，成分不稳定，除以甲烷气体为主外，还含有乙、丙、丁烷多种气体。,2.7.1 天然气水合
18、物资源分布,分布在陆地上气水合物最大地质储量为531011吨，其主要存在于永久冻土带。分布于海洋中的水合物最大地质储量为1611014吨，其主要分布在大陆架斜坡带、洋中脊、海沟和海岭等。,天然气水合物资源分布图,天然气水合物勘探,2.7.1 天然气水合物资源分布,地球可燃矿产资源,天然气水合物中的有机碳占全球有机碳的53.3，而煤、石油和天然气三者总和才占到26.6。,2.7.2 天然气水合物勘探与开采,有人提出通过向水合物层压入含有促进分解的化学试剂的热流体，促进水合物分解，并且在收集天然气的同时将CO2气体压入水合物层，生成CO2水合物，既能维持地层的稳定，又减少了大气中的温室气体，但该方法的可行性还有待进一步考证。,天然气水合物至今还没有完美的开采方案。热解法和降压法可利用高温或核辐射效应使天然气水合物由固态分解出CH4，但如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。置换法是将CO2液化，注入1500m以下的洋面以生成CO2水合物，从而将CH4置换出来。但CH4的温室效应比CO2要强21倍，因此全球温室效应将迅速加剧。,资源丰富的南海,一项针对南海北部的勘测显示，那里的天然气水合物可燃冰储量达到我国陆上石油总量的一半左右，这些可燃冰有望在2015年进行试开采。,2.7.2天然气水合物勘探与开采,
