1.3 能源现状

1.3.1 化石能源现状

化石能源是人类生存和发展的重要物质基础，煤炭、石油、天然气等化石能源燃烧产生的能源是19世纪到21世纪近200年来人类文明进步和经济社会发展的主要动力。然而，化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使化石能源正在逐渐走向枯竭。

据美国地质局估计，全世界最终可采石油储量为3万亿桶。由此推算，世界石油产量的顶峰将在2030年出现。由于剩余储量开采难度增大，石油产量会快速下降。世界煤炭总可采储量大约为8475×108t。长期来看，尽管世界煤炭可采储量相对稳定，但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平，最多也只能维持200年左右的时间。世界天然气储量大约为177×1012m3。如果年开采量维持在2.3×1012m3，则天然气将在80年内枯竭。

1.3.1.1 中国化石能源现状

① 中国煤炭资源丰富，总资源量为5.06×1012t，居世界第三位，占世界煤炭总资源量的13.5%。但煤炭资源又具有分部不均，优质煤偏少等特点。我国煤炭主要分布在华北和西北地区，南部地区储量极少，并主要集中在新疆、内蒙古、山西、陕西等省份，其中新疆和内蒙古分别占到34.4%和26%。煤类主要以低变质烟煤为主，占到42.25%，贫煤和无烟煤只占到17.28%，优质煤偏少。目前，我国煤炭产量较高，2009年煤炭产量达29.6×108t，位居世界第一。据有关专家预测，按目前的开采量，中国的煤炭也只够开采100年左右的时间就将面临枯竭。当前，我国的煤利用效率较低，有85%的煤炭直接燃烧掉，被加工利用的较少。

② 我国是富煤缺油的国家，石油储量仅占世界储量的2%，而石油的储采比仅为14.9%。因此随着经济的发展和人们生活水平的提高，国内石油供需矛盾日益突出。我国自1993年成为纯石油进口国以来，进口量逐年增加。《中国能源展望2002》预计，由于我国经济高速增长和交通迅猛发展的拉动，我国原油需求年均增长率为3%，石油消费的增加量主要靠进口来满足，预计到2030年石油进口量占整个石油需求量的份额将从2001年34%增加到82%。

③ 我国的天然气主要集中在西部，西部地区蕴藏着非常丰富的天然气资源，约占全国天然气资源总量的60%。目前，我国天然气的储采比为49.3%。我国实施西部大开发后，“西气东输”可以向东部沿海地区输气120×108m3以上。同时上海以东约400km的西湖凹陷区域，推测天然气的蕴藏量为2000×108m3。进行开采后，将按商业基准每年生产10×108m3的天然气，供应给浙江省和上海等中国东部地区。

④ 我国煤层气资源储量丰富。最近一次全国煤层气资源评价，我国煤层气资源储量为36.8×1012m3，居世界第三位。我国大约有41个含气盆地，其中煤层气资源量列前十位的煤盆地为鄂尔多斯盆地、沁水盆地、吐哈盆地、准格尔盆地、两淮煤田、六盘水煤田、伊犁盆地、川南煤田、塔里木盆地和霍西盆地，占总资源量86%。其中排名前八位的盆地煤层气资源量都在1×1012m3以上，鄂尔多斯盆地煤层气资源量高达10.8×1012m3。但由于我国地质构造复杂，储层渗透率普遍较低，给煤层气勘探开发带来了很大困难。据统计，2009年我国煤层气开采总量为12.5×108m3，还远远低于美国、加拿大等国家的年产量。

据中石油预测，2010—2020年间，世界可再生能源年均增速可达7%，是化石能源增速的5倍，但在能源消费中的比重仍不到1%，化石能源在全球一次能源消费中仍将保持主体地位。即便到2030年，石油占世界一次能源需求的比重仍为30%，天然气为28%左右。由于电力行业对能源需求的增长，煤炭和天然气仍然是需求量增长最大的化石能源品种。

1.3.1.2 化石能源利用与环境

我国的能源消费结构很不合理，2008年煤炭消费量在一次能源消费中占68.7%，远高于世界28.6%的水平；相对清洁的天然气只占了3.8%，远低于世界25.6%的水平；而更加清洁的水电、核电、风电消费量之和只占了8.9%，同样低于世界12%的水平。而以煤为主的能源结构能源效率通常比以油气为主的能源效率低约8%～10%。化石能源在大量使用的同时会带来严重的环境污染。目前，我国SO2的排放量居世界第一位，酸雨的覆盖面积已达国土面积的40%，其中主要集中在东部沿海城市。例如，青岛市年均pH值在4.25～4.64之间，厦门年平均pH值在3.8～5.0之间。化石能源的使用也是 CO2、CH4、N2O 等温室气体增加的主要来源。科学观测表明，地球大气中CO2的浓度已从工业革命前的280×10–6上升到了目前的379×10–6。随之而来的是温室效应增强，全球变暖问题突显，联合国环境规划署报告指出，全球气温上升将使世界各国在未来50年间，每年损失将达3000×108美元。化石能源燃烧产生的氮氧化物可以对平流层中的臭氧层造成破坏。另外，化石能源的开采加剧了土地荒漠化，我国现有荒漠化土地达2.641×106km2，每年荒漠化净增面积已超过6670km2，其中约7.9%来自粗犷的、不合理的矿产开采。

科技的进步和各国在勘探领域投入的增加，促使不断有新的煤田和油气田被发现，化石能源预测储量不断增长。例如，自20世纪70年代中期以来，世界天然气预测储量一直处于上升趋势。但是，不可否认的是化石能源具有天然的不可再生性。因此，如果不转变能源利用方式，继续大规模开采化石能源，化石能源的枯竭迟早都要到来。目前，开发利用可再生能源，已成为国际上大多数国家的战略选择。许多国家把发展可再生能源作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化的重要措施。

目前，已经有50多个国家制订了相关法律、法规或行动计划，通过立法的强制性手段保障战略目标的实现。2006年3月欧盟首脑会议指出，到2020年，可再生能源将占整个欧盟25国能源消耗量的20%，生物液体燃料的比例至少要达到10%。2005年，美国提出宏大目标计划，即未来利用风电提供全美国20%的电力供应，2030年生物液体燃料将占美国车用燃料30%以上。我国于2007年9月公布《可再生能源中长期发展规划》，其中明确提出，到2010年，可再生能源年利用量要达到3×108标准煤，占能源消费总量的10%；到2020年，可再生能源年利用量要达到6×108标准煤，占能源消费总量的15%。

根据欧洲可再生能源委员会估计，到2050年，可再生能源将能满足全球50%的一次能源需求，其中，70%的电力将来自于可再生能源（包括水电），装机容量为71×108kW，年发电21400TW·h。化石燃料的不可再生性及其带来的严重环境污染表明，努力减少对化石能源的依赖，是保证未来人类文明得以延续的必然选择，不断提高可再生能源在全部能源中所占比重，最终实现对化石能源的替代，是人类社会发展的必然趋势。

化石能源是当前的主要能源，在中国和世界一次商品能源消费结构中，分别占93%和90%。化石能源的大规模低效开发和利用导致大量资源的浪费和严重的环境污染。人们越来越多地意识到，现行的能源生产、使用方式是不可持续的，按照现在的能源发展模式，在一定时期内，难以达到可持续发展的目标。因此必须研究能源发展的新思路和新模式。

后续能源的发展及替代过程。化石燃料的不可再生和引发的不断恶化的生态环境后果促使人们努力开发替代能源技术。新能源和可再生能源技术的开发已日益受到重视，预计未来核能、氢能、可再生能源技术将会有突破性进展，被人们所掌握并大规模应用到生产生活中，核能、氢能、可再生能源将逐步发展并最终成为主要能源，电力将成为主要的终端能源。能源结构的革命性变革，将使人类不再为化石枯竭和生态环境恶化而担忧的这个长久愿望得以实现，并促使分布式能源的发展和消费方式的重大改变。

能源结构从以化石能源为主转为以新能源、可再生能源为主的这一革命性变革需要一段较长的技术准备和过渡时期。新能源和可再生能源要大量取代化石能源是一项十分艰巨的任务，绝非一朝一夕可以实现的，况且与化石能源相比，可再生能源依然相当昂贵。预计21世纪的上半叶，化石能源在世界能源结构中仍将占主要地位，在这段时期中，将主要依靠高效节能技术、洁净煤技术等缓解资源的枯竭，大幅度减少环境污染及温室气体排放，为迎来能源高效、洁净、持续利用的新时代作好准备。

1.3.2 水能的概况及负面影响

水能是自然界广泛存在的一次能源。它可以通过水力发电站将水的势能和动能转换为优质的二次能源——电能。所以通常所说的“水电”既是被广泛利用的常规能源，又是可再生能源。而且水能是世界上众多能源中永不枯竭的优质能源，因此水能资源具有其他能源不可比拟的优点。同时，由于任何一种能源的开发不可避免地在一定程度上会破坏生态环境，当然水能资源的开发和利用也会给生态环境带来一些负面的影响。

1.3.2.1 水资源现状

地球拥有丰富的水资源，但是淡水量仅占2.5%，而参与全球水循环的动态水量又仅为淡水量的1.6%，约为577×1012m3。其中降落在陆地上以径流为主要形式的水量，多年平均为47×1012m3。这部分水量逐年循环再生，是人类开发利用的主要对象。然而这部分水量中约有2/3是以暴雨和洪水形式出现，不仅难以大量利用，且常带来严重的水灾。

全世界目前已建成和在建的水电总装机容量超过105000MW，通常是作为多功能水利综合开发项目的一部分而进行的，这些水利综合项目同时还提供灌溉、工业生活供水、防洪、改善航道等效益。迄今为止，亚洲（84400MW）是水电装机容量最大的地区，随后依次为南美洲（14800MW），非洲（2403MW），欧洲（2211MW）和中、北美洲（1236MW）。

在中国这块广袤的国土上，河流众多，径流丰沛、落差巨大，蕴藏着非常丰富的水能资源。据统计，中国河流水能资源蕴藏量6.76×108kW，年发电量59200×108kW·h；可能开发水能资源的装机容量3.78×108kW，年发电量19200×108kW·h。不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。

1.3.2.2 水能资源的缺点

虽然水能具有可再生、无污染等显著优点，但在开发利用水能过程中仍然会产生很多对自然和人类的不利因素。

① 对库区气候影响 水利工程建设改变了水体面积、体积、形状等，水陆之间水热条件、空气动力特征随之发生变化，工程建设对水体上空及周边陆地气温、湿度、风、降水、雾等产生影响。

② 对水温的影响 水体的热量传输机理是经过水和大气的接触面输送，通过水体流动传递热量。天然河道水流湍急，水体表面吸收的热量通过水体紊动迅速传向整个过流断面，故天然河道水温呈混合型，水温变化滞后于气温，呈周期性变化。水库蓄水后，水深增大，水体交换速度减缓，从而使水气交界面的热交换和水体内部的热传导过程变慢。典型的水库水温效应表现为水体的垂直方向上的热分层现象。

③ 对水质的影响 筑坝建库，库区水面扩大，水深增加，河水流速变缓，使污染物的扩散能力减弱，库区水域污染物的浓度、分布都将发生变化。水库拦蓄营养物质氮、磷、钾，促进藻类生长，可能导致富营养化。灌区开发也会对水质带来不利影响。

④ 对环境地质的影响 水库蓄水后，库水的附加荷载及水的渗透压力，可能改变岩体的应力状态，产生局部的应力集中，诱发水库地震。水库蓄水后，库水对岸坡的淘刷和浸泡，改变了库岸原有的稳定状态，可能产生滑坡塌岸，黄土库岸滑塌的可能性更大。

⑤ 对土壤环境的影响 灌区开发可能导致地下水位上升，会产生土壤潜育化和次生盐碱化；在干旱、半干旱地区，水利工程兴建如水资源分配不当，可能导致局部地区地下水位下降，使土壤发生沙化。工程施工和移民搬迁破坏植被，会引起新的水土流失。

⑥ 对陆生生物的影响 水库对陆生植物的影响主要是淹没影响，造成淹没地区野生动物栖息地丧失、觅食地转移、活动范围受到限制，许多动物在水库蓄水后被迫迁移。但水库蓄水后改善了局地气候，使库区周围的植被类型丰富；灌区开发后提供的湿生环境，适于一些水禽栖息。

⑦ 对水生生物的影响 兴建水利工程将影响鱼类生活的环境条件。建库后下游河道天然水文情势改变，其中水流状态和涨水过程的变化对鱼类影响较大，建坝后甚至会导致一些洄游类鱼类灭绝。水库蓄水后由于水库水文条件和营养物质的变化，也会对浮游动植物、底栖动物产生影响。

⑧ 对人群健康的影响 水利工程兴建将不同程度地引发人群健康问题。由于大面积淹没、大批人口搬迁以及施工人员集中，为某些疾病的传播和扩散提供了可能。

随着水力发电的种种影响越来越为人所熟知，甚至部分水利工程弊大于利，目前世界上有一股公众反对水电项目开发建设的潮流，这股潮流尤其针对的是水库蓄水式大型水坝建设项目。因此开发一种更加优质的新能源迫在眉睫，生物质能源的开发和利用为新能源的开辟了一条新的道路。

1.3.3 风能现状及其局限性

风能是太阳能转换的一种形式，因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能，空气流速越高，动能越大。风能量丰富、近乎无尽、分布广泛、干净清洁，其利用潜力巨大，地球上可利用的风能比可开发利用的水能总量还要大10倍。

1.3.3.1 我国的风能资源

中国风能资源仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。据中国气象科学研究院绘制的全国平均风功率密度分布图显示，中国陆地10m高度层的风能（即理论可开发总量）总储量为32.26×108kW，其中，陆上实际可开发的风能资源储量为2.53×108kW。其中，近海（水深不超过10m）可开发利用的风能储量约为7.5×108kW，风能资源十分丰富。

我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源极为丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。一般认为，可将风电场风况分为3类：年平均风速6m/s以上时为较好、7m/s以上为好、8m/s以上为很好。中国风能分区及占全国面积的百分比见表1-2。

就内陆而言，我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区包括山东、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，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。

（1）风能最佳区

指风速在3m/s以上的累计小时数超过半年，在6m/s以上的累计小时数超过2200h的地区，包括西北的克拉玛依、甘肃的敦煌、内蒙的二连等地，沿海的大连、威海、嵊泗、舟山、平潭一带。

（2）风能较佳区

指一年内风速超过3m/s的累计小时数在4000h以上，风速在6m/s以上的累计小时数多于1500h的地区，包括西藏高原的班戈地区，唐古拉山，西北的奇台、塔城，华北北部的集宁、锡林浩特、乌兰浩特，东北的嫩江、牡丹江、营口以及沿海的塘沽、烟台、莱州湾、温州一带。

（3）风能可利用区

指一年内风速大于6m/s的累计小时数为1000h，风速在3m/s以上的累计小时数超过3000h的地区。包括新疆的乌鲁木齐、吐鲁番、哈密，甘肃的酒泉，宁夏的银川以及太原、北京、沈阳、济南、上海、合肥等地区。

1.3.3.2 我国风能利用现状

风能的实际用途多种多样，其中包括：a.风力发电；b.利用风力抽水来灌溉农田，并且存到水库内；c.供给工业用途，包括铜、铝、水的电解，制冰等；d.将风能转变为热能，蒸发海水制盐。如按风能的最终使用形式，包括下列几种应用：电能、化学能（制造氢、氧及氨等）、热能（压缩及热泵等）、位能（水力储存及抽水等）等（见表1-3）。

在风能的利用中，风力发电是最主要的方式，也是最成熟、最有前景的方式。我国对风电的研究始于20世纪50年代后期，当时在偏远的农村、牧区、海岛建设了独立运行的功率在10 kW 以下的小型风电装置，之后基本处于停滞状态。20世纪70 年代中后期，受世界能源危机的影响，一些部门的研究机构及大学又开始重新展开了风力发电的研究工作。

由图1-2可以看出，我国并网风力发电发展迅速，单机容量继续快速稳步上升，建设规模不断扩大；风电技术不断完善，变桨距调节方式将迅速取代定桨距失速调节方式，变速运行方式将迅速取代恒速运行方式，无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大，海上风力发电技术得到发展；同时国家和有关政府部门也非常重视和支持风力发电的发展。

在风力发电发展得如火如荼时，我国风力发电中也存在着风能资源勘测不够全面、风电产业链不完整、风电价格应理顺、国内自主产权应加强、电网规划薄弱等问题。

1.3.3.3 风能利用的局限性

（1）对生态环境的影响

风电带来的环境问题主要表现在3个方面：a.噪声，风力发电机靠叶片驱动发电机转动发电，会产生巨大噪声；b.伤害鸟类，风机的运转会对鸟类造成伤害，当鸟撞击到塔架或翼片时会被杀害，特别是候鸟迁徙经过时，并且风机的运转也妨碍附近鸟类的繁殖和栖居；c.影响视觉景观，特别是在那些风景秀丽和人口稠密的地区，视觉影响的一种特殊情况是风机阴影的影响，特别是转子翼片的阴影，它会对靠近风机的工作场所和居民区带来妨碍。

（2）风能本身难以克服的局限性

风能与其他能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染等优点。但也存在难以克服的弱点，其主要表现在以下3个方面。a.不稳定性。由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年变化都十分明显，波动很大，极不稳定。b.地区差异大。由于地形的影响，风力的地区差异非常明显。一个邻近的区域，有利地形下的风力往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。c.能量密度低。这是风能的一个重要缺陷。由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小。

（3）风力发电问题不容忽视

风力发电虽然具有巨大的潜在优势，但是也不能盲目乐观，毕竟风力自身局限性所带来的风力发电上的问题还没有完美的解决，有待继续研究和探索。

① 风力发电并网 风力发电并网后会影响到整个电网的电压波动和电能质量，还会造成谐波污染。其中由风电并网所引起的电压波动和闪变是风电并网的主要负面影响。电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化，闪变是人对灯光照度波动的主观视感。虽然现在风力发电机组大都采用软并网方式，但是启动时仍会产生较大的冲击电流，使得风电机组输出的功率不稳定，进而会导致电压的波动和闪变。电压的波动和闪变会使电灯闪烁，电动机转速变化，进而严重影响到工业产品的质量，在某些特殊行业电压不稳会使一些精密的仪器出现测量错误，严重时还会引发重大事故。除了电压问题，风电并网还会引入谐波污染。变速风机需通过整流和逆变装置接入系统，由于风速并不能稳定在一个特定值，因此会造成大量的谐波污染。虽然谐波污染不及电压波动，但对风电并网仍有较大影响。

② 风电对电网功率和暂态稳定性的影响 风力发电由于风速变化莫测，使得风电上网功率随之不断振荡，当风电的扰动频率接近系统固有的振荡频率时，就会引起大幅度的功率振荡，并且振荡的幅度会随着扰动的幅度而变化。扰动幅度不仅与风电扰动有关，也与系统本身的参数有关，因此可考虑从这两方面着手减少扰动对电网的强迫功率振荡。风电并网不仅会对系统产生强迫的功率振荡，还会对系统的暂态稳定性产生影响。虽然这种影响在当今风电装机容量较小时显得微不足道，但是一旦风电在系统中占有比较多的份额时，这种影响就不容忽视了，否则当并网的风电突然变化时，系统有可能由于振荡过大失去稳定，出现电力系统大的崩溃。总之如果并网的风电份额较高而系统较脆弱时，并网产生的负面影响是十分巨大的。

1.3.3.4 我国风电发展中的问题

我国风电发展主要存在着三个问题：一是我国风电设备和制造整体技术发展落后，国产设备的竞争力面临严峻考验；二是风电的高成本与市场规模之间相互影响、相互制约的关系，风电场投资高、电价高，与火电、水电相比，缺乏市场竞争能力，最终制约了我国风电产业的发展；三是我国可再生能源政策机制还存在许多不足，不能有效地解决我国风电发展过程中所存在的问题。因此，促进风电的规模化发展、提高风电技术和产业化整体水平、降低风电成本，是目前我国发展风电的主要任务。

1.3.4 太阳能发电及其局限性

1.3.4.1 太阳能发电

太阳能是指太阳的热辐射能。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40min照射在地球上的太阳能，便相当于全球人类一年消费的能量总额。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源，地球上所需能源都直接或间接来自于太阳能。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是“理想的能源”。

从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：a.无枯竭危险；b.绝对干净（无公害）；c.不受资源分布地域的限制；d.可在用电处就近发电；e.能源质量高；f.使用者从感情上容易接受；g.获取能源花费的时间短。不足之处是：a.照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；b.获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能因其具有巨大的极大优点，在能源危机的今天，受到世界各国的青睐。

1.3.4.2 太阳能发电的应用及其前景

要使太阳能发电真正达到大规模应用阶段，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。

目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅3种。单晶硅太阳电池变换效率最高，已达20%以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到10%，每瓦发电设备价格降到1～2美元时，便足以同现在的发电方式竞争。这一水平有望在21世纪末实现。当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电池，光电变换效率可达36%，几乎相当于燃煤发电的效率。但由于价格昂贵，目前只能限用于航天卫星。

太阳能发电虽同样受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适于各家各户分别进行发电，而且联结到供电网络上，这样各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。目前实现这一点并无技术上的障碍，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制订了相应法律，保障进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。

日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，并对一些安装太阳能发电设备的家庭进行费用补助。据日本有关部门估计，日本2100万户个人住宅中如果有80%装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的14%，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30%～40%。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3kW发电系统，需600万～700万日元，还未包括安装费用。有关专家认为，至少要降到100万～200万日元时太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于提高太阳电池变换效率的同时降低其生产成本。

不久前，美国德州仪器公司和SCE公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到1mm的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约50cm2的面积上便分布有1700个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有8%～10%，但价格便宜。由于铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，使用起来十分方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要1.5～2美元，而且每度电的费用也可降到14美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。

太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上广阔的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11×104km2、186.79×104km2、829.19×104km2。829.19×104km2才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才相当于撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此这一方案是在理论上是可行的。另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在太空建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10km、宽5km的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500×104kW电力。这一方案的关键是如何向地面无线输电。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。

太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，现在主要的应用方式为建筑一体化和风光互补系统。

世界目前已有近200家公司生产太阳能电池，但生产设备厂中日企占据主要地位。近年来像韩国三星、LG等跨国公司都表示了积极参与的愿望，中国海峡两岸同样十分热心。2010年各国及地区有1GW以上生产计划的太阳能电池厂商有日本Sharp、德国Q-Cells、Scho-Solar、挪威RWESolar、中国无锡尚德太阳能电力有限公司（Suntech Power）5家公司。

近年世界太阳能电池市场高歌猛进，一片大好，但百年不遇的金融风暴带来的经济危机，同样是压在太阳能电池市场头上的一片乌云，主要企业如德国Q-Cells的业绩应声下调，2012年世界太阳能电池市场因需求疲软、石油价格下降而竞争力反提升等不利因素而下挫。但与此同时，人们也看到美国奥巴马上台后施行Green New Deal政策，包括其内的绿色能源计划可有1500亿美元的补助资金，日本也将推行补助金制度来继续普及太阳能电池的应用。

随着我国技术的发展，在2006年，中国有3家太阳能光伏企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，为使太阳能发电得到更为广泛的应用，我们需要在技术推广的同时，不断研发新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力。

1.3.4.3 太阳能发电的缺陷

综上所述，太阳能作为一种清洁无污染的新型能源有其本身的许多优势，但是它仍然有它的缺陷存在，制约着太阳能发电的推广。主要表现在如下几方面。

① 光电转化效率不高，在15%左右，不稳定，有地域性，受天气影响大。

众所周知，太阳能电池主要功能是将光能转换成电能，这个现象被称为光伏效应。这就要求我们在选取太阳能电池板原材料的时候，必须考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。不仅要考虑吸光效果，还需要看它的光导效果。所以材料的选取对于光伏发电来说是一项很大的约束。必须充分了解太阳光的成分及其能量分布状况，从目前太阳能发展的情况来看，材料的选取仍旧是个待提高的突破点。即使在非常高效的材料下进行光电转换，它的效率仍然很低。太阳能光伏发电的转换效率过低，依旧是我国乃至世界研究组亟待解决的问题。

② 太阳能发电不持续，送电过程也不持续（对电网等于是谐波）。

太阳能发电所需光照要求复杂，选择地日光辐射情况适当。太阳能发电所需的必要条件就是光照指数。在阳光不太充足的多云天气或是雨天和闷热的天气里，太阳光伏效应转换的效率将会大幅度降低。

③ 光伏发电成本太高。

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但其成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。最新研制的SunPower新的太阳能电池板效率达到22%，尽管其光电转化效率也非常可观，但受原料价格和提纯工艺的限制，发电成本始终高高在上，让很多企业和商家望洋兴叹。晶硅太阳能电池的主要材料是硅片，比如铺设在幕墙上的大面积的太阳能电池。太阳能电池板主要用的硅，需要99.9999%的高纯度。然而这种高纯度硅的提纯技术被德国、日本、美国等几个公司垄断，但是国内的研发需要高端材料。可想而知，太阳能电池用的硅都是进口的。它的价值不菲，成本太高。所以太阳能发电系统在未来仍需要人们不断的探索与完善。

④ 光伏发电需要很大的面积。

从目前的实际状况来看，以单晶硅或多晶硅为主要原料的太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁，成为一座座所谓“清洁无污染”的太阳能电站。然而，在这种被称为“绿色电站”的身后，却“隐藏”着一系列高能耗、高污染的生产过程。即使作为第三代太阳能电池的染料敏化电池，据科学家估算，它的成本仅相当于硅电池板的1/10。虽然它最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺，但是此类电池的效率随面积放大而降低。这一点又与太阳能发电需要充足的日照和广域的面积相矛盾。

1.3.5 地热能及其局限性

1.3.5.1 地热能简介

地热能简而言之就是贮存于地球内部的热量，是来自地球深处的可再生性热能，它源于地球的熔融岩浆和地球内部放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入地壳后，把热量从地下深处带至近表层，有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和热水到达地面。地热能的储量十分巨大，大部分集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。它不但清洁无污染，而且如果热量提取速度不超过补充的速度，那么地热能又是可再生的，能够被持续的利用。

据估计，全世界地热资源的总量大约为14.5×1025J，相当于4948×1012t标准煤燃烧时所放出的热量。如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为100%来计算，那么，石油的储量约为煤炭的8%，目前可利用的核燃料的储量约为煤炭的15%，而地热能的总储量则为煤炭的1.7亿倍。假如以目前全世界的能耗总量来对地热能进行估计，那么即使全世界完全使用地热能，4100万年以后也只能使地球内部的温度至多下降1℃。可见，地热能的开发利用潜力是多么巨大。

地热资源类型包括蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型5种类型，其研究开发状况如表1-4所列。

1.3.5.2 地热能的利用现状

（1）世界地热能利用现状

地热能的利用分为两种方式：一种是地热发电；另一种是热能直接利用，包括地热水的直接利用（如地热采暖、洗浴、养殖等）和地源热泵供热、制冷。

2004年，全世界地热发电主要在美国、冰岛、意大利等国家应用，总装机容量约为900×104kW，年产电力约50000GW·h。地热水直接利用的国家已有58个，年利用能量53000GW·h。从世界范围来看，地热开发利用的步伐从20世纪70年代初开始加快，1975—1995年的20年间，全球范围内地热发电总量的年增长率约为9%，地热水直接利用的增长率约为6%。若以此增长速率测算，到2020年全球地热发电及地热水直接利用总量将分别达到318TW·h/a和140TW·h/a。

目前，美国、日本、意大利、冰岛、新西兰、印度、菲律宾等世界上地热资源丰富的国家，地热能在整个国民经济中已起到了一定作用。如冰岛首都及其他几个城市供暖全部靠地热，仅此一项每年可节约1.3亿美元。

（2）我国地热能利用现状

我国对地热能的利用包括高温地热发电、中低温地热水直接利用和浅层地热能利用3个方面。

我国于20世纪70年代后期开始利用高温地热资源发电，并先后在西藏羊八井、郎久、那曲等地修建了工业性地热发电站，总装机容量28.18MW。其中，羊八井地热贮层分为浅层和深层两部分，目前可开发利用的只是地热田中补给能力有限的浅层资源。

我国中低温地热水直接利用方式多种多样，其中供热采暖占18%、医疗洗浴与娱乐健身占65.2%、种植与养殖占9.1%、其他占7.7%。地热供暖主要集中于北京、天津、西安、郑州、鞍山等大中城市以及北方石油开采区的城镇，开采60～100℃地热水为楼栋供暖，运行成本比锅炉供暖节约30%。

我国浅层地热能的开发利用起步较晚，20世纪90年代开始尝试应用地源热泵技术，21世纪以后，开始在全国普遍推广，其中以京津地区发展最快。到2004年年底，北京已有420×104m2的建筑物利用地源热泵系统供暖（冷），200多家单位开始使用，已完成的最大单项工程供暖（冷）面积达十几万平方米。其单位面积费用相比其他传统的供热方式有着明显的优势。

1.3.5.3 地热能开发利用中存在的问题

就技术和来源上讲，地热能的开发存在很多的优点。

① 在某些地热资源丰富的地区为常年可再生能源，家居采暖的高效方式，硬件设备使用寿命长。

② 优化能源产业结构，减少煤炭等传统化石能源的使用，进而降低环境污染。

③ 带动其他产业发展，提高市场经济利益。

与此同时，地热能的开发利用也存在着诸多缺点和不足，限制了其发展与推广。

① 地热资源地域分布的局限性 地热资源最大的特点就是其分布具有地区性，绝大部分集中在板块构造的边缘地带。这一特点大大制约其开发的进程。

② 地热资源勘探风险投资大 目前我国高温地热钻井揭示，高温热储与地质构造密切相关。一定程度反映出了高温地热的勘探风险是制约其深入开发的另一主要因素。地热资源勘探包括地热资源勘探技术、评价技术、开采技术、回灌技术、发电技术以及热利用（含热泵）技术等。

③ 地热开发仍有可能会引起以下环境问题。

a.地热水中常常含有一些有害物质，如较多的氟、硼、砷、汞以及重金属铬、镉等，其中还有些钙离子、镁离子，容易结垢。对于周围没有污水处理设施的地区，开发地热往往会导致严重的水化学污染。

b.地热水抽取过多会引起地面沉降。因此开发地热能时，要特别注意回灌。

c.在地热开发过程中，会有些从地下出来的气体被排放到大气中，这些气体主要是水蒸气，但往往还有硫化氢和二氧化碳等，造成大气污染。

d.只在特定地区适用，且如果过度利用，有可能在数年后枯竭。

e.由于地热能集中分布在构造板块边缘，也就是火山和地震多发带，其安全问题也颇令人担忧。

④ 我国地热能开发和利用中存在的问题如下。

a.地热能利用结构单一 以地热采暖为主要目的的地热利用系统，不仅开发消耗的资源很大，而且简单的用热之后，并没有进行很好的深度开发，而是将大量的热水直接地排放掉，使地热资源的复合特征没有充分的发挥，造成资源的较大浪费。

b.利用技术、工艺及设备配套尚需进一步优化 在目前的利用设备配套水平上，不能把地热资源的能量充分利用和提取出来，从而资源的利用率较低。历史上遗留下来的老的地热井系统中存在不少诸如不经济、不合理、浪费大的问题。

c.排放温度高，造成资源浪费与新的环境问题 在地热采暖系统中，受常规的管网式供热工艺和技术水平的限制，地热水经一级换热后的温度仍然很高，不仅造成资源的严重浪费，又给环境带来了热污染。

d.政策差距 国家有关领导部门在对常规能源与新能源和可再生能源的认识上有较大差距。基于政府部门认识上的原因，导致当前我国的新能源和可再生能源没能将地热能纳入国家能源建设计划，因而缺乏足够的财政拨款、没有相应的扶持的优惠政策与法规，从而导致了地热能在发展上受到了一定的影响。

1.3.6 潮汐发电及其局限性

由于月球引力变化导致海平面周期性升降成为潮汐现象；海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能。潮汐能作为一种可再生的洁净能源，随着地球上化石能源日趋短缺，因其有利于环境保护而越来越受到世界各国的重视。全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27×108kW，若能充分利用起来，其每年的发电量可达3.348×1016kW·h。我国海岸线曲折，漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源，理论蕴藏量达1.1×108kW。

（1）潮汐发电概述

潮汐能利用的主要方式是发电，潮汐发电与普通水力发电原理类似，利用海湾、河口等地形建筑水坝，形成贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。差别在于海水与河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机结构相应的要适合低水头、大流量的特点。

（2）潮汐发电现状

1913年联邦德国在北海海岸建立了世界上第一座潮汐发电站。1966年法国建成的朗斯潮汐电站，装机容量为24×104kW，年均发电量为5.44×108kW，是第一座具有商业实用价值的潮汐电站。目前，潮汐能开发的趋势是偏向大型化，如俄罗斯计划的美晋潮汐电站设计能力为l500×104kW，英国塞汶电站为720×104kW，加拿大芬地湾电站为380×104kW。预计到2030年，世界潮汐电站的年发电总量将达600×108kW·h。

我国是世界建造潮汐电站最多的国家，在20世纪50～70年代先后建造了近50座。但到20世纪80年代，只有8座尚在工作，总装机6120kW，其中最大的是浙江江厦潮汐试验电站，为3200kW。采用的单机容量500kW和700kW的灯泡贯流式水轮发电机组，全由我国自行研制。近50年来，工程技术人员一直致力于将潮汐发电形成工业规模的研究，在机组可靠性、水库泥沙防淤、连续供电、防腐和防污、浮运法施工、操作系统自动化和优化调度等方面取得了显著成果。

2002年提出利用近海浅滩人工筑库的潮汐电站，既不占用宝贵的港湾、河口资源，又不干扰海洋自然环境，英国威尔士已建造了3座该类型电站。我国沿海大陆架宽广，有大片倾斜平缓的浅滩，又有具有研发价值的潮差，利用该方案开发潮汐能具有很大的可行性。

（3）潮汐发电的优缺点

总的来说，潮汐能是一种清洁的能源，其开发和利用过程中没有碳排放、环境污染等大的环境问题。而且，潮汐的能源是一种天然存在，其引发的规模非常宏大。因此，利用潮汐能进行发电是一个不二的选择。概括来说，潮汐能发电具有以下优点。

① 潮汐能是一种清洁、无环境污染、不影响生态平衡的可再生能源。潮水每日涨落，周而复始，取之不尽，用之不竭。它完全可以发展成为沿海地区生活、生产和国防需要的重要补充能源。

② 潮汐电站很少受丰、枯水年和丰、枯水期等水文因素的影响，全年总发电量稳定，是一种相对稳定可靠的能源。

③ 潮汐电站的水库利用河口或海湾建成，不存在人口迁移、淹没农田等复杂问题。而且可用拦海大坝，促淤围垦大片海涂地，把水产养殖、水利、海洋化工、交通运输结合起来综合利用。这对于人多地少、农田非常宝贵的沿海地区，更是个突出的优点。

④ 潮汐电站不需筑高水坝，即使发生战争或地震等自然灾害，水坝受到破坏，也不会像河川大坝那样对下游城市、农田、人民生命财产等造成严重灾害。

⑤ 潮汐能开发一次能源和二次能源相结合，不用燃料，不受一次能源价格的影响，而且运行费用低，是一种经济能源。具有与河川水电站相同的一次投资大、发电成本低的特点。

由于潮汐能受时节的影响，潮汐发电也存在以下不可忽视的缺点。

① 潮差和水头在一日内经常变化，在无特殊调节措施时，发电具有间歇性，给用户带来不便。但可按潮汐预报提前制定运行计划，与大电网并网运行，以克服其间歇性。

② 潮汐存在半月变化，潮差可相差2倍，所以其保证出力、装机的年利用小时数也低。

③ 潮汐电站建在港湾海口，通常水深坝长，施工、地基处理及防淤等问题较困难，因此土建和机电投资大，造价较高。

④ 潮汐电站是低水头、大流量的发电形式。涨落潮水流方向相反，水轮机体积大，耗钢量多，进出水建筑物结构复杂。而且因浸泡在海水中，海水、海生物对金属结构物和海工建筑物有腐蚀和沾污作用，需作特殊的防腐和防海生物黏附处理。

⑤ 潮汐变化周期为太阴日（24h 50min），月循环约为14天多，每天高潮落后约50min，故与按太阳日给出之日需电负荷图配合较差。

（4）潮汐发电引起的环境问题

① 泥沙冲淤 潮汐发电站会引起泥沙的淤积，我国许多潮汐电站都是因为蓄水库泥沙不断淤积而废弃。

② 改变潮差和潮流 潮汐电站会改变潮差和潮流，改变程度取决于电站的规模与位置。据估算，加拿大芬地湾潮汐电站项目若全部建成，将对几百公里沿海的潮差产生影响。由于共振，美国波士顿地区的水面将上升15cm，海岸线内退6～8m，这是美国反对加拿大建潮汐电站的原因之一。

③ 海水盐度 海水中含盐量是影响海洋动物群生态状态的主要因素之一。挡潮坝可能引起坝内水体分层加重。致使表层水和底层水的盐度差增大0.2‰～0.3‰，不过这种改变的实际影响不大。

④ 影响动植物生存环境 潮汐电站使鱼从大海到坝内的通行复杂化，可能影响动植物、鱼类、鸟类生长环境及种群生存，至今尚未找到能避免或减轻这种不利影响的办法。

（5）我国大规模开发潮汐电站面临的关键问题

① 开发大型潮汐电站的技术不成熟 世界潮汐发电技术趋于成熟，但开发大型潮汐电站的技术仍需提高。目前，潮汐发电机组的研究制造尚未定型标准化，尤其是建设大型潮汐发电站需要的超低水头、大容量发电机组的技术还有待改进。

② 设备材料不过关，运行成本高 现行的适应海水的低水头大流量灯泡贯流式水轮发电机组在设计、选材、制造等方面尚有许多难点，机组抗锈蚀、抗附生物能力差，导致机组运行维护成本居高不下。

③ 电站工程设施的综合利用程度不高，经济效益差 潮汐发电技术是土工、水利、机械、材料、发电、输电、可靠性等技术的集成，目前尚不成熟，致使一次性投资大，与常规能源相比经济性不好。

④ 潮汐电能上网价格过高 潮汐电能上网价格过高，在一定程度上限制了潮汐发电的发展。由于目前潮汐发电的规模小、投资大，同其他清洁和可再生能源发电一样，也面临着上网电价高于电网平均价且高出部分无法实现分摊的问题，难以和常规能源竞争。投资风险大，民营资本等社会资金不愿进入，在一定程度上限制了潮汐发电的发展。

⑤ 政策不足 政府有关部门对潮汐能开发利用的意义和作用认识不足，对开发工作重视和支持不够，缺乏相应的激励政策和优惠措施，从而削弱了开发利用潮汐能的积极性。

⑥ 潮汐能电站建站的天然库址破坏严重 由于国家和地方均没有潮汐能发展规划，加上政绩工程和短期利益的驱动，沿海地区大规模进行围填海造地，严重损坏了潮汐电站可建站的天然站址，影响了未来潮汐能的开发利用，导致潮汐能资源的极大浪费，甚至导致未来在一些地区已经不可能进行潮汐能资源的开发利用。