廣義的清潔能源包括在能源的生產(chǎn)、及其消費過程中,選用對生態(tài)環(huán)境低污染或無污染的能源。清潔能源技術是指在可再生能源及新能源、煤的清潔高效利用等領域開發(fā)的有效控制溫室氣體排放的新技術。
太陽能熱的基本來源是將太陽輻射能收集起來,通過與無害的相互作用轉換成熱能加以利用。
目前使用最多的太陽能收集裝置,主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦集熱器3種。通常根據(jù)所能達到的溫度和用途的不同,把太陽能光熱利用分為低溫利用(小于200℃)、中溫利用(200~800℃)和高溫利用(大于800℃)。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調制冷系統(tǒng)等;中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電集熱裝置等;高溫利用主要有高溫太陽爐等。以下簡要介紹幾種主要的太陽能熱利用方式。
①太陽能光熱直接利用。太陽能集熱器主要是指太陽能熱水器,是太陽能熱利用種最常見的一種裝置。其基本原理是將太陽輻射能收集起來,通過與物質的相互作用轉換成熱能供生產(chǎn)和生活使用。太陽能熱水器的發(fā)展,經(jīng)歷了悶曬式、平板式、玻璃真空管式和熱管真空管式四代。
②太陽能集熱發(fā)電。太陽能集熱發(fā)電,又稱太陽能熱力發(fā)電,是當今世界各國在太陽能利用領域研究的重點之一。太陽能集熱發(fā)電的原理非常簡單,就是利用太陽光集熱器收集太陽輻射產(chǎn)生的高溫來替代常規(guī)鍋爐或者驅動斯特林發(fā)電機發(fā)電。與傳統(tǒng)的發(fā)電廠相比,太陽能熱電廠具有兩大優(yōu)勢:整個發(fā)電過程清潔,沒有熱河碳排放;利用的是太陽能,無須任何燃料成本。太陽能集熱發(fā)電對集熱的溫度要求較高,所以一般需要采用聚焦型集熱器,以提高光能流密度。
目前太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有三種類型:槽式線聚焦系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上,并將管內傳熱工質加熱產(chǎn)生蒸汽,推動常規(guī)汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡,將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器上,以產(chǎn)生很高的溫度。碟式系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡,接收器在拋物面的焦點上,接收器內的傳熱工質被加熱到750℃左右,驅動發(fā)動機進行發(fā)電。
太陽能光伏發(fā)電,是利用太陽電池半導體材料的光生伏特效應,將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電方式,有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種發(fā)電系統(tǒng)。獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要蓄電池作為儲能裝置,主要用于無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)和人口分散地區(qū),整個系統(tǒng)造價很高;在有公共電網(wǎng)的地區(qū),光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行,可以省去蓄電池,不僅大幅度降低了造價,而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。
光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、控制器和逆變器三大部分組成。其中,太陽能電池組件是整個發(fā)電系統(tǒng)的最核心部分,也就太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分,其作用是將太陽能轉化為電能,或送往蓄電池中存儲起來。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質量和成本。太陽能控制器的作用是控制中整個系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方,合格的控制器還應具備溫度補償?shù)墓δ?。另外,光控開關、時控開關燈都是控制器的常見功能。逆變器的主要功能是將太陽能直接輸出的低壓直流轉換成能夠使用的交流電。
太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本構成,也是其發(fā)電之本源。其原理是在太陽光照射下,在一些特定的半導體內產(chǎn)生自由電荷,這些自由電荷定向移動和積累并產(chǎn)生一定的電動勢,可以向外電路提供電流,這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應或光伏效應,它是制造太陽能電池的物理基礎。
作為整條太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈的核心,商用的太陽能電池主要有以下幾種類型:單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。目前正在研究的還有多晶硅薄膜及有機太陽能電池等。但就實際應用而言,還是以單晶硅、多晶硅和非晶硅為代表的薄膜技術為主。
氫屬于二次能源,也是一種新能源,干凈無毒,對環(huán)境無污染,用途十分廣泛。目前,利用太陽能分解水制氫的方法有:太陽能熱分解水制氫、太陽能發(fā)電電解水制氫、光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等。
利用太陽能供電、供熱、供冷、照明,簡稱太陽能綜合利用建筑物,是太陽能利用的一個新的發(fā)展方向。
太陽能建筑的發(fā)展大體分為三個階段:第一階段為“被動式太陽房”,它是一種完全通過建筑物結構、朝向、布置以及相關材料的應用來集取、儲存和分配太陽能的建筑;第二階段為“主動式太陽房”,它是一種以太陽能集熱器與風調及供熱系統(tǒng)的建筑;第三階段是加上太陽電池應用,為建筑物提供采暖、空調、照明和用電,完全能滿足這些要求的稱為“零能房屋”,其典型的利用就是光伏建筑一體化。
光伏建筑一體化(BIPV)是太陽能光伏與建筑的完美結合,屬于分布式發(fā)電的一種。
①太陽能車。太陽能車就是利用太陽電池將太陽能轉換為電能,并利用該電能作為驅動車輛行駛的能源。
②太陽能海水淡化。太陽能海水淡化系統(tǒng)與現(xiàn)有的海水淡化系統(tǒng)相比有許多優(yōu)點:可獨立運行,不收蒸汽、電力等條件限制,無污染,低能耗,低排放,運行安全,穩(wěn)定可靠,應用價值突出;生產(chǎn)規(guī)模靈活,適應性好,投資相對較少,成本較低。
風能的利用主要是以風能作動力和風力發(fā)電兩種形式,其中又以風力發(fā)電為主。以風能作動力,就是利用風來直接帶動各種機械裝置,如帶動水泵提水等。
風能的主要利用方式有:風力發(fā)電、風力提水、風帆助航、風力制熱等。
因為水平軸風電機組具有風能轉換效率高、轉軸較短,在大型風電機組上更突顯了經(jīng)濟性等優(yōu)點,使它成為世界風電發(fā)展的主流機型,并占有95%以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風電機組,因為轉軸過長、風能轉換效率不高,啟動、停機和變槳困難等問題,目前市場份額很小、應用數(shù)量有限,但由于它的全風向對風和變速裝置及發(fā)電機可以置于風輪下方(或地面)等優(yōu)點,近年來,國際上的相關研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。
近年來,世界風電市場上風電機組的單機容量持續(xù)增大,世界主流機型已經(jīng)從2000年的500~1000千瓦增加到2004年的2~3兆瓦,目前世界上運行的最大風電機組單機容量為5兆瓦,并已開始10兆瓦級風機的設計與研發(fā)。
目前建設海上風電場的造價師陸地風電場的1.7~2倍,而發(fā)電量則是路上風電場的1.4倍,所以其經(jīng)濟性仍不如陸地風電場,隨著技術的不斷發(fā)展,海上風電的成本會不斷降低,其經(jīng)濟性也會逐漸凸顯。
由于變槳距功率調節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點,今年來在大型風電機組上得到了廣泛采用。
無齒輪箱的直取方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障,可有效提高系統(tǒng)的運行可靠性和壽命,減少維護成本,因而得到了市場的青睞,市場份額不斷擴大。
它采取了完全不同的設計理念,并采用了新型結構和材料,達到威風啟動、無噪聲、抗12級以上臺風、不受風向影響等優(yōu)良性能,可以大量用于別墅、多層及高層建筑、路燈等中小型應用場合。以它為主建立的風光互補發(fā)電系統(tǒng),具有電力輸出穩(wěn)定、經(jīng)濟性高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點,也解決了太陽能發(fā)展中對電網(wǎng)的沖擊等影響。
水電是世界的主要能源之一,提供了全球大概1/5的電力,在可再生能源發(fā)電量中占95%,相對于其他能源,33%的水電資源已得到開發(fā),其余未開發(fā)水電資源90%在發(fā)展中國家里。水電的價格非常便宜,而且是水能可持續(xù)的,因此它對于解決氣候問題和能源供應問題,特別是對于經(jīng)濟轉型中的發(fā)展中國家來說是非常重要的。中國是目前世界上水電利用最多的國家,總裝機容量為117000兆瓦,年發(fā)電量可達401200吉瓦·時,三峽水電站為世界上最大的水電站。
生物質的直接燃燒和固化成型技術的研究開發(fā),主要著重于專用燃燒設備的設計和生物質成型物的應用?,F(xiàn)已成功開發(fā)的成型技術按成型物形狀主要分為大三類:以日本為代表開發(fā)的螺旋擠壓生產(chǎn)棒狀成型物技術,歐洲各國開發(fā)的活塞式擠壓制的圓柱塊狀成型技術,以及美國開發(fā)研究的內壓滾筒顆粒狀成型技術和設備。
生物質氣化技術是將固體生物質置于氣化爐內加熱,同時通入空氣、氧氣或水蒸氣,來產(chǎn)生品位較高的可燃氣體。它的特點是氣化率可達70%以上,熱效率也可達85%。生物質氣化生成的可燃氣經(jīng)過處理可用于合成、取暖、發(fā)電等不同用途,這對于生物質原料豐富的偏遠山區(qū)意義十分重大,不僅能改變他們的生活質量,而且也能夠提高用能效率,節(jié)約能源。
由生物質制成的液體燃料叫做生物燃料。生物燃料主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油、生物甲醇等。雖然利用生物質制成液體燃料起步較早,但發(fā)展比較緩慢,由于受世界石油資源、價格、環(huán)保和全球氣候變化的影響,20世紀70年代以來,許多國家日益重視生物燃料的發(fā)展,并取得了顯著的成效。
沼氣是各種有機物質在隔絕空氣(還原)并且在適宜的溫度、濕度條件下,經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。沼氣的主要成分甲烷類似于天然氣,是一種理想的氣體燃料,它無色無味,與適量空氣混合后即可燃燒。
① 沼氣的傳統(tǒng)利用和綜合利用技術
我國是世界上開發(fā)沼氣較多的國家,最初主要是農村的戶用沼氣池,以解決秸稈焚燒和燃料供應不足的問題,后來的大中型沼氣工程始于1936年,此后,大中型廢水、養(yǎng)殖業(yè)污水、村鎮(zhèn)生物質廢棄物、城市垃圾沼氣的簡歷擴寬了沼氣的生產(chǎn)和使用范圍。
自20世紀80年代以來,建立起的沼氣發(fā)酵綜合利用技術,以沼氣為紐帶,將物質多層次利用、能量合理流動的高效農業(yè)模式,已逐漸成為我國農村地區(qū)利用沼氣技術促進可持續(xù)發(fā)展的有效方法。通過沼氣發(fā)酵綜合利用技術,沼氣用于農戶生活用能和農副產(chǎn)品生產(chǎn)加工,沼液用于飼料、生物農藥、培養(yǎng)料液的生產(chǎn),沼渣用于肥料的生產(chǎn),我國北方推廣的塑料大棚、沼氣池、氣禽畜舍和廁所相結合的“四位一體”沼氣生態(tài)農業(yè)模式,中部地區(qū)以沼氣為紐帶的生態(tài)果園模式,南方建立的“豬-果”模式,以及其他地區(qū)因地制宜建立的“養(yǎng)殖-沼氣”、“豬-沼-魚”和“草-牛-沼”等模式,都是以農業(yè)為龍頭,以沼氣為紐帶,對沼氣、沼液、沼渣的多層次利用的生態(tài)農業(yè)模式。沼氣發(fā)酵綜合利用生態(tài)農業(yè)模式的建立使農村沼氣和農業(yè)生態(tài)緊密結合,是改善農村環(huán)境衛(wèi)生的有效措施,也是發(fā)展綠色種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的有效途徑,已成為農村經(jīng)濟新的增長點。
②沼氣發(fā)電技術
沼氣燃燒發(fā)電時隨著大型沼氣池建設和沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術,它將厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)動機上,并裝有綜合發(fā)電裝置,以產(chǎn)生電能和熱能。沼氣發(fā)電具有高效、節(jié)能、安全和環(huán)保等特點,是一種分布廣泛且價廉的分布式能源。沼氣發(fā)電在發(fā)達國家已收到廣泛重視和積極推廣。生物質能發(fā)電并網(wǎng)電量在西歐一些國家占能源總量的10%左右。
③沼氣燃料電池技術
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時,它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質的不同,燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、質子交換膜(PEMFC)、磷酸(PAFC)、溶融碳酸鹽(MCFC)及固態(tài)氧化物(SOFC)等。
燃料電池能量轉換效率高、潔凈、無污染、噪聲低,既可以集中供電,也適合分散供電,是21世紀最有競爭力的高效、清潔的發(fā)電方式之一,它在潔凈煤炭燃料電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面,有著廣泛的應用前景和巨大的潛在市場。
氫氣是一種清潔、高效的能源,有著廣泛的工業(yè)用途,潛力巨大,今年來生物制氫的研究逐漸成為人們關注的熱點,但將其他物質轉化為氫并不容易。生物制氫過程可分為厭氧光合制氫和厭氧發(fā)酵制氫兩大類。
生物質發(fā)電技術是將生物質能源轉化為電能的一種技術,主要包括農林廢物發(fā)電、垃圾發(fā)電和沼氣發(fā)電等。作為一種可再生能源,生物質能發(fā)電在國際上越來越受到重視,在我國也越來越受到政府的關注和民間的擁護。
生物質發(fā)電將廢棄的農林剩余物收集、加工整理,形成商品,及防止秸稈在田間焚燒造成的環(huán)境污染,又改變了農村的村容村貌,是我國建設生態(tài)文明、視線可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略選擇之一。如果我國生物質能利用量達到5億噸標準煤,就可解決目前我國能源消費量的20%以上,每年可減少排放二氧化碳中的碳量近3.5億噸,二氧化硫、氮氧化物、煙塵減排量近2500萬噸,將產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益。尤為重要的是,我國的生物質能資源主要集中在農村,大力開發(fā)并利用農村豐富的生物質能資源,可促進農村生產(chǎn)發(fā)展,顯著改善農村的村貌和居民生活條件,將對建設社會主義新農村產(chǎn)生積極而深遠的影響。
核能發(fā)電利用鈾燃料進行核分裂反應所產(chǎn)生的熱,將水加熱到高溫高壓,核反應所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高很多,所需要的燃料體積卻比火力電廠小很多,對環(huán)境污染小,因此也屬于清潔能源的范疇。
縱觀核電發(fā)展歷史,核電站技術方案大致可以分4代。
第一代核電站。核電站的開發(fā)與建設開始于20世紀50年代。1954年,前蘇聯(lián)建成發(fā)電功率為5兆瓦的實驗性核電站;
1957年,美國建成發(fā)電功率為9萬千瓦的Ship Ping Port原型核電站。這些成就證明了利用核能發(fā)電的技術可行性。國際上把上述實驗性的原型核電機組成為第一代核電機組。
第二代核電站。20世紀60年代后期,在實驗性和原型核電機組基礎上,陸續(xù)建成發(fā)電功率30萬千瓦的壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核電機組,他們在進一步證明核能發(fā)電技術可行性的同時,使核電的經(jīng)濟性也得以證明。目前,世界上商業(yè)運行的400多座核電機組絕大部分是在這一時期簡稱的,習慣上稱為第二代核電機組。
第三代核電站。20世紀90年代,為了消除三里島和切爾諾貝利核電站事故的負面影響,世紀核電業(yè)界集中力量對嚴重事故的預防和緩解進行了研究和攻關,美國和歐洲先后出臺了《先進輕水堆用戶要求文件》,即URD文件和《歐洲用戶對輕水堆核電站的要求》,即EUR文件,進一步明確了預防與緩解嚴重事故,提高安全可靠性等方面的要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機組稱為第三代核電機組。對第三代核電機組要求是能在2010年前進行商用建造。
第四代核電站。2000年1月,在美國能源部的倡議下,美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷共10個有意發(fā)展核能的國家,聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”,與2001年7月簽署了合約,約定共同合作研究開發(fā)第四代核能技術。
高溫地熱資源的最佳利用方式是地熱發(fā)電。200~400℃的地熱可以直接用來發(fā)電。
蒸汽型地熱發(fā)電 是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽輪發(fā)電機組發(fā)電但在引入發(fā)電機組前應把蒸汽中所含的巖屑和水滴分離出去。這種發(fā)電方式最為簡單,但干蒸汽地熱資源十分有限,且多存在于較深的地層中,開采難度大,故其發(fā)展受到了限制。主要有背壓式和凝氣式兩種發(fā)電系統(tǒng)。
①閃蒸系統(tǒng)
當高壓熱水從熱水井中抽至地面,由于壓力降低部分熱水沸騰并“閃蒸”成蒸氣,蒸氣送至汽輪機做功;而分離后的熱水可繼續(xù)利用后排出,當然最好是再回注入地層。
②雙循環(huán)系統(tǒng)
地熱水首先流經(jīng)熱交換器,將地熱能傳給另一種低沸點的工作流體,使之沸騰而產(chǎn)生蒸氣。蒸氣進入汽輪機做功后進入凝汽器,再通過熱交換器從而完成發(fā)電循環(huán),地熱水則從熱交換器回流注入地下。這種系統(tǒng)特別適合于含鹽量大、腐蝕性強和不凝結氣體含量高的地熱資源。發(fā)展雙循環(huán)系統(tǒng)的關鍵技術是開發(fā)高效的熱交換器。
用煤炭、石油、天然氣的高品位能量燒鍋爐變成低品位的熱水來供暖時一種能源浪費,而且?guī)韲乐氐目諝馕廴?。地熱供暖時對低溫地熱資源(小于90℃)中的溫度較高者的最佳利用方式。
①常規(guī)地熱供暖
冰島利用90℃以上的地下熱水,實現(xiàn)了首都雷克雅未克100%地熱供暖和全國90%的地熱供暖,是地熱供暖的典范,也是世界唯一的無煙城市。天津的地熱供暖面積占全國的70%以上,天津市地下富含80℃的地熱資源,地下熱水可直接送入暖氣片系統(tǒng)供暖,單井一晝夜出熱水2000立方米以上,可供10萬平方米建筑面積采暖。經(jīng)初次循環(huán)后地下熱水溫度降至40~48℃,還可用于地板供暖,可再擴大供暖2萬~4萬平方米。
②地源熱泵供暖
天津將地板供暖的地熱二次回水(30~35℃),再用熱泵提取熱量,單井還可擴大供暖5萬~6萬平方米。
③地熱溫室種植
利用地熱對溫室供暖,甚至用30℃左右的溫水對土壤加溫,就可以實施地熱溫室種植,在冬季生產(chǎn)反季節(jié)的高檔新鮮蔬菜,在北方的地熱溫室中可以生產(chǎn)香蕉、柑橘,還可以生產(chǎn)高檔花卉,滿足賓館、旅游業(yè)和人民生活提高后的消費需求,創(chuàng)造很高的經(jīng)濟效益。
④地熱水產(chǎn)養(yǎng)殖
地熱水產(chǎn)養(yǎng)殖的優(yōu)勢是:延長年內的養(yǎng)殖時間,并且特種魚類可以高密度養(yǎng)殖,能提高單位水面積的成魚產(chǎn)量。
因為月球引力的變化引起潮汐現(xiàn)象潮汐導致海平面周期性的升降,因海水漲落及潮水流動所產(chǎn)生的能量稱為潮汐能。潮汐能的主要利用方式是發(fā)電,據(jù)世界動力會議估計,到2020年,全世界潮汐發(fā)電量將達到1000億~3000億千瓦。世界上最大的潮汐發(fā)電站是法國北部英吉利海峽上的朗斯河電站,發(fā)電能力24萬千瓦,已經(jīng)工作了30多年。中國最大的潮汐發(fā)電站是浙江省江夏實驗潮汐電站,總容量為3000千瓦。
波浪能是指海洋便面波浪所具有的動能和勢能,是一種在風的作用下產(chǎn)生的、并以位能和動能的形式由短周期波儲存的機械能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期,以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能源最不穩(wěn)定的一種能源。
波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式,此外,波浪能還可以用于抽水、供熱、海水淡化及制氫等。
海水溫差能是指由于大洋表層海水和深層海水之間水溫差而產(chǎn)生的熱能,是海洋能的一種重要形式。低緯度的海面水溫較高,與深層冷水存在溫度差,儲存著溫差熱能,其能量與溫差的大小和水量成正比。溫差能的主要利用方式是發(fā)電。
如果有兩種鹽溶液:一種是溶液中鹽的濃度高,一種是溶液中鹽的濃度低。那么,把兩種溶液放在一起并用一種滲透膜隔離后,會產(chǎn)生滲透壓,水會從鹽濃度低的溶液流向鹽濃度高的溶液。江河里流動的是淡水,而海洋中存在的是咸水,兩者也存在一定的濃度差。如果在入??诜胖靡粋€渦輪發(fā)電機,淡水和海水之間的滲透壓就可以推動渦輪機來發(fā)電。滲透能是是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。