让我点亮世界
——新能源巡礼
刘禹1 王珏2
（摘自自动化所网站）
能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。人均能源资源相对不足，是中国经济、社会可持续发展的一个限制因素，这也是我们发展新能源与可再生能源、开辟新的能源供应渠道的一个重要原因。
——《中国新能源与可再生能源1999白皮书》
国际政治经济形势错综复杂，在接连经历了美伊战争之决、中俄石油管道之痛、马六甲海峡之痒和中日东海天然气之争后，我们深刻地认识到，话语权是建立在能源的基础之上，more power, more power (能源越多，力量越大)。因此我们有必要对中国的能源资源进行客观详实的分析。从总量看，中国地大物博、资源丰富，自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万亿吨标准煤，居世界第三位。煤炭保有储量为10024.9亿吨，精查可采储量893亿吨；石油的资源量为930亿吨，天然气的资源量为38万亿立方米，现已探明的石油和天然气储量只占资源量的约20%和约3%；水力的可开发装机容量为3.78亿千瓦，居世界首位；新能源与可再生能源资源丰富，风能资源量约为16亿千瓦，可开发利用的风能资源约2.53亿千瓦，地热资源的远景储量为1353.5亿吨标准煤，探明储量为31.6亿吨标准煤，太阳能、生物质能、海洋能等储量更是属于世界领先地位。从人均看，由于人口众多，能源资源一下子变得相对匮乏。我国人口占世界总人口21％，已探明的煤炭储量占世界储量的11％、原油占2.4％、天然气仅占1.2％。人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为十分之一。
开发新能源与可再生能源，对于中国政治经济乃至安全来讲都已经是迫在眉睫的事情，可是形成鲜明对比的是，新能源的开发只是叫好不叫座，资金的匮乏导致技术止步不前。原因有二：一是现在的煤还够用，二是现在的煤最便宜。企业家认为，能源危机说是迫在眉睫，可那是几十年以后的事情，与我何干？要不然你把新能源的成本降下来，降到比挖煤还低我就用！面对着这样的质问，我们只有叹气。不过，新能源到底都包括什么，我们能不能降低它的成本，这的确值得我们考虑考虑。
在我国，新能源与可再生能源是指除常规能源和大型水力发电之外的核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等能源资源。随着我国社会、经济的发展和人们对生活质量的追求，新能源和可再生能源也将稳步地向商品化能源的方向转变。对于核能、海洋能、生物质能等还处于探索阶段的能源来说，我们更关注从中发现的有意思的试验结果和启示；而对于太阳能、风能等技术上已经基本成熟的能源，我们的目光则应该放在如何降低成本、降低成本、再降低成本！
核能——从微观到宏观
无论如何，我们从小小的原子核聚变或裂变的过程之中获得如此巨大的能量，实在是一件奇妙的事情。世界上的每一种物质都处于不稳定状态，原子核间有时会发生分裂或合成，变成另外的物质，同时产生巨大的能量。一些质量大的原子核如铀、钍等能够发生核裂变，原子弹和目前建成的核电站都是用核裂变原理产生能量。由几个较轻的原子核，如氢的同位素氘、氚等，聚合成一个原子核的过程叫核聚变，太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。利用核聚变，人们已经制造出比原子弹威力更大的氢弹。氢弹是爆炸性（无控制）核聚变。而要使核聚变持续稳定地释放能量达到发电的水平，就必须通过反应堆进行人工控制。中国政府于2003年初加入了继国际太空站之后，国际间最庞大的科研合作项目——“国际热核聚变实验反应堆”计划，与欧盟、加拿大、俄罗斯、日本、美国和韩国一道探讨这种可能为人类带来无穷无尽的清洁能源的核聚变反应堆的前景。核聚变研究集中于两种方式：磁约束核聚变和激光引发核聚变。但这两种方法既费钱又复杂。另一种尚待重复试验检验的核聚变方式看上去很有意思，它就是气泡核聚变。这种技术采用所谓“声致冷光”原理，利用超声波在液体中产生小气泡并发生爆裂，同时产生几千度高温和局部的高压，并伴有大量的冲击波、闪光和能量的释放，这一过程的持续时间为1微微秒。与“气泡核聚变”相关的另一种技术——“超声核聚变”，现在已进入到商业化开发阶段。所谓超声核聚变就是用超声波触发核聚变。超声聚变先驱者斯特林哈姆，90年代中已成立公司，最近该公司建了几座示范性超声聚变装置。5年前，泰斯恩创建的“脉冲装置公司”开发出直径6米的超声聚变反应堆。随着越来越多的物理学家参与这一研究，未来将会出现更多令人惊奇的发现。
太阳能——给点阳光就灿烂
太阳能利用指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成热能称太阳能光伏技术。当世界上第一块实用的硅太阳电池与第一座原子能电站于1954年同时在美国诞生后，受到世人瞩目。但由于太阳能本身的分散性、随机性和间歇性等特点，也由于太阳能光伏电池的理论、材料和器件研究的难度，使其在近50年的发展中与原子能发电拉开了距离。但是美国能源部每年投入约1亿美元光伏研究发展基金，日本“新阳光划”,欧盟“可再生能源白皮书”都把光伏作为首先发展项目，使得这项技术得以一直发展。目前光伏发电的瓶颈在于电池转换效率和成本。资料显示，国际上高效聚光光伏电池效率可达32％，高效平板电池效率也达到25-28％。我国实验室光伏电池的效率已达21％，商业化光伏组件效率达14-15％，而一般商业电池效率仅为10-13％，落后国际发达国家10-15年，也明显落后于印度和台湾。对于成本，在技术尚不能取得突破的前提下最好的办法就是扩大产量。目前世界上最大的光伏工厂年产36MW，成本约为0.2美元／kWh。现在正在设计制造年产500MW的大工厂，届时光伏发电的成本当达到0.06美元／kWh，即可以与火电相竞争。
把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于太阳能技术领域。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3×103~8.4×106 kJ/ (m2·a)之间，相当于2.4×104亿吨标准煤，属太阳能资源丰富的国家之一。西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏和内蒙古高原属太阳能资源丰富地区，东部、南部及东北等其它地区为资源较富和中等区。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。槽式线聚焦系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式太阳能热发电系统是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温；碟式系统又称抛物面反射镜／斯特林系统，是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到75O℃左右，驱动发动机进行发电。其中碟式系统光学效率最高，启动损失最小，效率高达29％，在三类系统中位居首位，但目前只有槽式线聚焦系统实现了商业化，其他两种处在示范阶段。中国的太阳能热利用技术研究开发始于20 世纪70 年代末，重点是简单的、价廉的、适用于农村的低温热利用的适用技术，如太阳能温室、太阳灶、被动太阳房、太阳热水器和太阳干燥器等，水平较低。
风能——风儿轻轻地吹
太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能，其中可利用的风能资源储量估计约96亿kW。中国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁及东部、东南沿海岛屿，其中中国东部的浅海海域面积辽阔，风能资源更丰富，风速较稳定，靠近我国东部主要用电负荷区域，具有建设海上风电场的巨大潜力。风力发电机组 (简称风电机)是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机最主要的部件，由浆叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能。理论上最好的风轮转换效率约为60%，现代风电机风轮效率可达40%。由于风速随时在变化，风电机常年在野外运行，承受十分复杂恶劣的交变载荷。风电机输出达到额定功率前，功率与风速的立方成正比，所以风力发电的效益与当地的风速关系极大。目前技术中存在的几个难题是大型浆叶轮毂的设计制造、风轮方向的运动控制，以及风电机的稳定输出。
由多台甚至成百上千台风电机组成的风力发电场，简称风电场，发电量可与常规火电厂和水电站媲美。但是目前风电机成本还较高，一张30米的浆叶成本就近百万元，一台风电机更是要数百万元。由于风速是随机变化的，风电的不稳定性会给电网带来一定影响，目前许多电网内都建设调峰用的抽水蓄能电站，使风电这个缺点得到克服。在目前电力紧张的情况下，国家通过政策扶持，大力发展风力发电。中国政府风电特许项目的推出以及国家发改委制定的风电发展中长期规划的出台，风力发电在中国迅猛发展的势头已日趋明朗。介入，全面介入，现在正是时机！
地热能——我的心，在澎湃
地热能指储存于地球内部的热量，一方面来源于地球深处的高温融溶体，另一方面源于放射性元素如U、TU、40K的衰变。按其属性地热能可分为4种类型：水热型地热能、地压地热能、干热岩地热能和岩浆热能，其中只有水热型地热资源已达到商业开发利用阶段。我国高温地热资源主要分布在滇、藏、川西一带（喜马拉雅地热带或滇藏地热带）及台湾。特别是西藏自治区，由于其它能源短缺，因此从70年代初即开展了距拉萨仅90公里的羊八井地热田的勘探开发工作，并于1977年9月建成1号试验机组（1MW），正式投产发电。后几经扩建，日前羊八井地热电站总装机容量已达25.18MW，发电成本在1995年就已经达到0.07元/ kWh，夏冬两季的发电量更是占到拉萨电网的40%和60%。可以看出，羊八井地热电站装机容量虽小，但已在拉萨地区的电力供应上起了很大作用。客观的讲，我国在地热资源普查勘探技术、评价技术、开采技术、回灌技术、发电技术、热利用（含热泵）技术等方面都与国外有着较大的差距，特别是地热潜水泵开发、防腐防垢设备、热储工程、成套回灌设备、热泵技术和热田管理技术等。
海洋能——蓝色的巨人
潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，其能量与潮差的平方和水库的面积成正比。世界上潮差的较大值约为13-15米，我国的最大值（杭州湾澉浦）为8.9米。一般说来，平均潮差在3米以上就有实际应用价值。潮汐电站在发电时是在变功状况下工作的，水轮发电机组和电站系统的设计远比常规的水电站复杂，效率也低于常规水电站。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比，因此最不稳定。波浪能利用装置大都源于几种基本原理：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。波浪发电技术研究的重点也集中在以下三种装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流量成正比，能量平稳且有规律。最大流速在2m/s以上的水道均有开发价值。利用海流能发电的原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。但海流发电还存在若干关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、透平设计、海洋环境中的载荷与安全性能等。温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统，前景更加广阔。温差能利用的缺点是温差小，能量密度低。因此温差能转换的关键是强化传热传质技术。盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源，主要存在于河海交接处。含盐度35‰的海水和河水之间的化学电位差有相当于240米水头差的能量密度，这种位差可以利用半渗透膜（水能通过，盐不能通过）在盐水和淡水交接处实现。将一层半透膜放在不同盐度的两种海水之间，通过这个膜会产生一个压力梯度，迫使水从盐度低的一侧通过膜向盐度高的一侧渗透，从而稀释高盐度的水，直到膜两侧水的盐度相等为止。利用渗透压就可以直接由水轮发电机发电。
生物质能——遍地都是能量
生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。生物质能通常包括以下几类：木材及森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物和动物粪便，这些资源的共同特点是能量密度低，属于可再生的低碳能源。若以现代手段高效率地予以开发转换，将对逐步改变我国以化石燃料为主的能源结构，特别是为农村地区因地制宜地提供清洁方便的能源，具有十分重要的意义。几种常见的技术包括直接燃烧、热解气化和生物化学转换技术。其中直接燃烧技术已完全进入商业化阶段，已有热效率超过70%产品面世，但是致密成型技术、挤压部件的材质及工艺处理还有待改进，此外市场需求也有限。热解气化技术主要以秸秆为原料，2公斤秸秆可以产生1m3低热值生物可燃气。今后这种技术将纳入现代化小城镇规划，增大产气规模，改善效益指标。目前存在的问题是降低成本和解决焦油残留。生物化学转换技术包括沼气技术、禽畜粪便有机废水厌氧消化技术、工业有机废水厌气温消化技术和秸秆厌氧发酵工业化规模产气技术等，前三种已进入准商业化阶段。结合我国现有技术水平
，我国生物质能应用技术将主要在高效直接燃烧技术和设备、集约化综合开发利用、生物质能的创新高效开发利用、城市生活垃圾的开发利用以及能源植物的开发等方面发展。
能源领域没有小市场。投资大、规模大、收益大、贡献大是当前形势下我国能源行业的主要特点。爱迪生发明的灯泡点亮了一个时代，而现在，我们需要更多的电能去点亮整个世界。More power, more power. Power从哪里来呢？
