1.3 能源現狀

1.3.1 化石能源現狀

化石能源是人類生存和發展的重要物質基礎，煤炭、石油、天然氣等化石能源燃燒產生的能源是19世紀到21世紀近200年來人類文明進步和經濟社會發展的主要動力。然而，化石能源的不可再生性和人類對其的巨大消耗，使化石能源正在逐漸走向枯竭。

據美國地質局估計，全世界最終可采石油儲量為3萬億桶。由此推算，世界石油產量的頂峰將在2030年出現。由于剩余儲量開采難度增大，石油產量會快速下降。世界煤炭總可采儲量大約為8475×108t。長期來看，盡管世界煤炭可采儲量相對穩定，但還是出現了下降的趨勢。按當前的消費水平，最多也只能維持200年左右的時間。世界天然氣儲量大約為177×1012m3。如果年開采量維持在2.3×1012m3，則天然氣將在80年內枯竭。

1.3.1.1 中國化石能源現狀

① 中國煤炭資源豐富，總資源量為5.06×1012t，居世界第三位，占世界煤炭總資源量的13.5%。但煤炭資源又具有分部不均，優質煤偏少等特點。我國煤炭主要分布在華北和西北地區，南部地區儲量極少，并主要集中在新疆、內蒙古、山西、陜西等省份，其中新疆和內蒙古分別占到34.4%和26%。煤類主要以低變質煙煤為主，占到42.25%，貧煤和無煙煤只占到17.28%，優質煤偏少。目前，我國煤炭產量較高，2009年煤炭產量達29.6×108t，位居世界第一。據有關專家預測，按目前的開采量，中國的煤炭也只夠開采100年左右的時間就將面臨枯竭。當前，我國的煤利用效率較低，有85%的煤炭直接燃燒掉，被加工利用的較少。

② 我國是富煤缺油的國家，石油儲量僅占世界儲量的2%，而石油的儲采比僅為14.9%。因此隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，國內石油供需矛盾日益突出。我國自1993年成為純石油進口國以來，進口量逐年增加。《中國能源展望2002》預計，由于我國經濟高速增長和交通迅猛發展的拉動，我國原油需求年均增長率為3%，石油消費的增加量主要靠進口來滿足，預計到2030年石油進口量占整個石油需求量的份額將從2001年34%增加到82%。

③ 我國的天然氣主要集中在西部，西部地區蘊藏著非常豐富的天然氣資源，約占全國天然氣資源總量的60%。目前，我國天然氣的儲采比為49.3%。我國實施西部大開發后，“西氣東輸”可以向東部沿海地區輸氣120×108m3以上。同時上海以東約400km的西湖凹陷區域，推測天然氣的蘊藏量為2000×108m3。進行開采后，將按商業基準每年生產10×108m3的天然氣，供應給浙江省和上海等中國東部地區。

④ 我國煤層氣資源儲量豐富。最近一次全國煤層氣資源評價，我國煤層氣資源儲量為36.8×1012m3，居世界第三位。我國大約有41個含氣盆地，其中煤層氣資源量列前十位的煤盆地為鄂爾多斯盆地、沁水盆地、吐哈盆地、準格爾盆地、兩淮煤田、六盤水煤田、伊犁盆地、川南煤田、塔里木盆地和霍西盆地，占總資源量86%。其中排名前八位的盆地煤層氣資源量都在1×1012m3以上，鄂爾多斯盆地煤層氣資源量高達10.8×1012m3。但由于我國地質構造復雜，儲層滲透率普遍較低，給煤層氣勘探開發帶來了很大困難。據統計，2009年我國煤層氣開采總量為12.5×108m3，還遠遠低于美國、加拿大等國家的年產量。

據中石油預測，2010—2020年間，世界可再生能源年均增速可達7%，是化石能源增速的5倍，但在能源消費中的比重仍不到1%，化石能源在全球一次能源消費中仍將保持主體地位。即便到2030年，石油占世界一次能源需求的比重仍為30%，天然氣為28%左右。由于電力行業對能源需求的增長，煤炭和天然氣仍然是需求量增長最大的化石能源品種。

1.3.1.2 化石能源利用與環境

我國的能源消費結構很不合理，2008年煤炭消費量在一次能源消費中占68.7%，遠高于世界28.6%的水平；相對清潔的天然氣只占了3.8%，遠低于世界25.6%的水平；而更加清潔的水電、核電、風電消費量之和只占了8.9%，同樣低于世界12%的水平。而以煤為主的能源結構能源效率通常比以油氣為主的能源效率低約8%～10%。化石能源在大量使用的同時會帶來嚴重的環境污染。目前，我國SO2的排放量居世界第一位，酸雨的覆蓋面積已達國土面積的40%，其中主要集中在東部沿海城市。例如，青島市年均pH值在4.25～4.64之間，廈門年平均pH值在3.8～5.0之間。化石能源的使用也是 CO2、CH4、N2O 等溫室氣體增加的主要來源。科學觀測表明，地球大氣中CO2的濃度已從工業革命前的280×10–6上升到了目前的379×10–6。隨之而來的是溫室效應增強，全球變暖問題突顯，聯合國環境規劃署報告指出，全球氣溫上升將使世界各國在未來50年間，每年損失將達3000×108美元。化石能源燃燒產生的氮氧化物可以對平流層中的臭氧層造成破壞。另外，化石能源的開采加劇了土地荒漠化，我國現有荒漠化土地達2.641×106km2，每年荒漠化凈增面積已超過6670km2，其中約7.9%來自粗獷的、不合理的礦產開采。

科技的進步和各國在勘探領域投入的增加，促使不斷有新的煤田和油氣田被發現，化石能源預測儲量不斷增長。例如，自20世紀70年代中期以來，世界天然氣預測儲量一直處于上升趨勢。但是，不可否認的是化石能源具有天然的不可再生性。因此，如果不轉變能源利用方式，繼續大規模開采化石能源，化石能源的枯竭遲早都要到來。目前，開發利用可再生能源，已成為國際上大多數國家的戰略選擇。許多國家把發展可再生能源作為緩解能源供應矛盾、應對氣候變化的重要措施。

目前，已經有50多個國家制訂了相關法律、法規或行動計劃，通過立法的強制性手段保障戰略目標的實現。2006年3月歐盟首腦會議指出，到2020年，可再生能源將占整個歐盟25國能源消耗量的20%，生物液體燃料的比例至少要達到10%。2005年，美國提出宏大目標計劃，即未來利用風電提供全美國20%的電力供應，2030年生物液體燃料將占美國車用燃料30%以上。我國于2007年9月公布《可再生能源中長期發展規劃》，其中明確提出，到2010年，可再生能源年利用量要達到3×108標準煤，占能源消費總量的10%；到2020年，可再生能源年利用量要達到6×108標準煤，占能源消費總量的15%。

根據歐洲可再生能源委員會估計，到2050年，可再生能源將能滿足全球50%的一次能源需求，其中，70%的電力將來自于可再生能源（包括水電），裝機容量為71×108kW，年發電21400TW·h。化石燃料的不可再生性及其帶來的嚴重環境污染表明，努力減少對化石能源的依賴，是保證未來人類文明得以延續的必然選擇，不斷提高可再生能源在全部能源中所占比重，最終實現對化石能源的替代，是人類社會發展的必然趨勢。

化石能源是當前的主要能源，在中國和世界一次商品能源消費結構中，分別占93%和90%。化石能源的大規模低效開發和利用導致大量資源的浪費和嚴重的環境污染。人們越來越多地意識到，現行的能源生產、使用方式是不可持續的，按照現在的能源發展模式，在一定時期內，難以達到可持續發展的目標。因此必須研究能源發展的新思路和新模式。

后續能源的發展及替代過程。化石燃料的不可再生和引發的不斷惡化的生態環境后果促使人們努力開發替代能源技術。新能源和可再生能源技術的開發已日益受到重視，預計未來核能、氫能、可再生能源技術將會有突破性進展，被人們所掌握并大規模應用到生產生活中，核能、氫能、可再生能源將逐步發展并最終成為主要能源，電力將成為主要的終端能源。能源結構的革命性變革，將使人類不再為化石枯竭和生態環境惡化而擔憂的這個長久愿望得以實現，并促使分布式能源的發展和消費方式的重大改變。

能源結構從以化石能源為主轉為以新能源、可再生能源為主的這一革命性變革需要一段較長的技術準備和過渡時期。新能源和可再生能源要大量取代化石能源是一項十分艱巨的任務，絕非一朝一夕可以實現的，況且與化石能源相比，可再生能源依然相當昂貴。預計21世紀的上半葉，化石能源在世界能源結構中仍將占主要地位，在這段時期中，將主要依靠高效節能技術、潔凈煤技術等緩解資源的枯竭，大幅度減少環境污染及溫室氣體排放，為迎來能源高效、潔凈、持續利用的新時代作好準備。

1.3.2 水能的概況及負面影響

水能是自然界廣泛存在的一次能源。它可以通過水力發電站將水的勢能和動能轉換為優質的二次能源——電能。所以通常所說的“水電”既是被廣泛利用的常規能源，又是可再生能源。而且水能是世界上眾多能源中永不枯竭的優質能源，因此水能資源具有其他能源不可比擬的優點。同時，由于任何一種能源的開發不可避免地在一定程度上會破壞生態環境，當然水能資源的開發和利用也會給生態環境帶來一些負面的影響。

1.3.2.1 水資源現狀

地球擁有豐富的水資源，但是淡水量僅占2.5%，而參與全球水循環的動態水量又僅為淡水量的1.6%，約為577×1012m3。其中降落在陸地上以徑流為主要形式的水量，多年平均為47×1012m3。這部分水量逐年循環再生，是人類開發利用的主要對象。然而這部分水量中約有2/3是以暴雨和洪水形式出現，不僅難以大量利用，且常帶來嚴重的水災。

全世界目前已建成和在建的水電總裝機容量超過105000MW，通常是作為多功能水利綜合開發項目的一部分而進行的，這些水利綜合項目同時還提供灌溉、工業生活供水、防洪、改善航道等效益。迄今為止，亞洲（84400MW）是水電裝機容量最大的地區，隨后依次為南美洲（14800MW），非洲（2403MW），歐洲（2211MW）和中、北美洲（1236MW）。

在中國這塊廣袤的國土上，河流眾多，徑流豐沛、落差巨大，蘊藏著非常豐富的水能資源。據統計，中國河流水能資源蘊藏量6.76×108kW，年發電量59200×108kW·h；可能開發水能資源的裝機容量3.78×108kW，年發電量19200×108kW·h。不論是水能資源蘊藏量，還是可能開發的水能資源，中國在世界各國中均居第一位。

1.3.2.2 水能資源的缺點

雖然水能具有可再生、無污染等顯著優點，但在開發利用水能過程中仍然會產生很多對自然和人類的不利因素。

① 對庫區氣候影響 水利工程建設改變了水體面積、體積、形狀等，水陸之間水熱條件、空氣動力特征隨之發生變化，工程建設對水體上空及周邊陸地氣溫、濕度、風、降水、霧等產生影響。

② 對水溫的影響 水體的熱量傳輸機理是經過水和大氣的接觸面輸送，通過水體流動傳遞熱量。天然河道水流湍急，水體表面吸收的熱量通過水體紊動迅速傳向整個過流斷面，故天然河道水溫呈混合型，水溫變化滯后于氣溫，呈周期性變化。水庫蓄水后，水深增大，水體交換速度減緩，從而使水氣交界面的熱交換和水體內部的熱傳導過程變慢。典型的水庫水溫效應表現為水體的垂直方向上的熱分層現象。

③ 對水質的影響 筑壩建庫，庫區水面擴大，水深增加，河水流速變緩，使污染物的擴散能力減弱，庫區水域污染物的濃度、分布都將發生變化。水庫攔蓄營養物質氮、磷、鉀，促進藻類生長，可能導致富營養化。灌區開發也會對水質帶來不利影響。

④ 對環境地質的影響 水庫蓄水后，庫水的附加荷載及水的滲透壓力，可能改變巖體的應力狀態，產生局部的應力集中，誘發水庫地震。水庫蓄水后，庫水對岸坡的淘刷和浸泡，改變了庫岸原有的穩定狀態，可能產生滑坡塌岸，黃土庫岸滑塌的可能性更大。

⑤ 對土壤環境的影響 灌區開發可能導致地下水位上升，會產生土壤潛育化和次生鹽堿化；在干旱、半干旱地區，水利工程興建如水資源分配不當，可能導致局部地區地下水位下降，使土壤發生沙化。工程施工和移民搬遷破壞植被，會引起新的水土流失。

⑥ 對陸生生物的影響 水庫對陸生植物的影響主要是淹沒影響，造成淹沒地區野生動物棲息地喪失、覓食地轉移、活動范圍受到限制，許多動物在水庫蓄水后被迫遷移。但水庫蓄水后改善了局地氣候，使庫區周圍的植被類型豐富；灌區開發后提供的濕生環境，適于一些水禽棲息。

⑦ 對水生生物的影響 興建水利工程將影響魚類生活的環境條件。建庫后下游河道天然水文情勢改變，其中水流狀態和漲水過程的變化對魚類影響較大，建壩后甚至會導致一些洄游類魚類滅絕。水庫蓄水后由于水庫水文條件和營養物質的變化，也會對浮游動植物、底棲動物產生影響。

⑧ 對人群健康的影響 水利工程興建將不同程度地引發人群健康問題。由于大面積淹沒、大批人口搬遷以及施工人員集中，為某些疾病的傳播和擴散提供了可能。

隨著水力發電的種種影響越來越為人所熟知，甚至部分水利工程弊大于利，目前世界上有一股公眾反對水電項目開發建設的潮流，這股潮流尤其針對的是水庫蓄水式大型水壩建設項目。因此開發一種更加優質的新能源迫在眉睫，生物質能源的開發和利用為新能源的開辟了一條新的道路。

1.3.3 風能現狀及其局限性

風能是太陽能轉換的一種形式，因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量。空氣流具有的動能稱風能，空氣流速越高，動能越大。風能量豐富、近乎無盡、分布廣泛、干凈清潔，其利用潛力巨大，地球上可利用的風能比可開發利用的水能總量還要大10倍。

1.3.3.1 我國的風能資源

中國風能資源僅次于俄羅斯和美國，居世界第三位。據中國氣象科學研究院繪制的全國平均風功率密度分布圖顯示，中國陸地10m高度層的風能（即理論可開發總量）總儲量為32.26×108kW，其中，陸上實際可開發的風能資源儲量為2.53×108kW。其中，近海（水深不超過10m）可開發利用的風能儲量約為7.5×108kW，風能資源十分豐富。

我國幅員遼闊，陸疆總長達2萬多公里，還有18000多公里的海岸線，邊緣海中有島嶼5000多個，風能資源極為豐富。我國現有風電場場址的年平均風速均達到6m/s以上。一般認為，可將風電場風況分為3類：年平均風速6m/s以上時為較好、7m/s以上為好、8m/s以上為很好。中國風能分區及占全國面積的百分比見表1-2。

就內陸而言，我國最大的風能資源區以及風能資源豐富區主要分布在長江到南澳島之間的東南沿海及其島嶼，這些地區包括山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達坂城、阿拉山口、河西走廊，松花江下游，張家口北部等地區以及分布各地的高山山口和山頂。

（1）風能最佳區

指風速在3m/s以上的累計小時數超過半年，在6m/s以上的累計小時數超過2200h的地區，包括西北的克拉瑪依、甘肅的敦煌、內蒙的二連等地，沿海的大連、威海、嵊泗、舟山、平潭一帶。

（2）風能較佳區

指一年內風速超過3m/s的累計小時數在4000h以上，風速在6m/s以上的累計小時數多于1500h的地區，包括西藏高原的班戈地區，唐古拉山，西北的奇臺、塔城，華北北部的集寧、錫林浩特、烏蘭浩特，東北的嫩江、牡丹江、營口以及沿海的塘沽、煙臺、萊州灣、溫州一帶。

（3）風能可利用區

指一年內風速大于6m/s的累計小時數為1000h，風速在3m/s以上的累計小時數超過3000h的地區。包括新疆的烏魯木齊、吐魯番、哈密，甘肅的酒泉，寧夏的銀川以及太原、北京、沈陽、濟南、上海、合肥等地區。

1.3.3.2 我國風能利用現狀

風能的實際用途多種多樣，其中包括：a.風力發電；b.利用風力抽水來灌溉農田，并且存到水庫內；c.供給工業用途，包括銅、鋁、水的電解，制冰等；d.將風能轉變為熱能，蒸發海水制鹽。如按風能的最終使用形式，包括下列幾種應用：電能、化學能（制造氫、氧及氨等）、熱能（壓縮及熱泵等）、位能（水力儲存及抽水等）等（見表1-3）。

在風能的利用中，風力發電是最主要的方式，也是最成熟、最有前景的方式。我國對風電的研究始于20世紀50年代后期，當時在偏遠的農村、牧區、海島建設了獨立運行的功率在10 kW 以下的小型風電裝置，之后基本處于停滯狀態。20世紀70 年代中后期，受世界能源危機的影響，一些部門的研究機構及大學又開始重新展開了風力發電的研究工作。

由圖1-2可以看出，我國并網風力發電發展迅速，單機容量繼續快速穩步上升，建設規模不斷擴大；風電技術不斷完善，變槳距調節方式將迅速取代定槳距失速調節方式，變速運行方式將迅速取代恒速運行方式，無齒輪箱系統的市場份額迅速擴大，海上風力發電技術得到發展；同時國家和有關政府部門也非常重視和支持風力發電的發展。

在風力發電發展得如火如荼時，我國風力發電中也存在著風能資源勘測不夠全面、風電產業鏈不完整、風電價格應理順、國內自主產權應加強、電網規劃薄弱等問題。

1.3.3.3 風能利用的局限性

（1）對生態環境的影響

風電帶來的環境問題主要表現在3個方面：a.噪聲，風力發電機靠葉片驅動發電機轉動發電，會產生巨大噪聲；b.傷害鳥類，風機的運轉會對鳥類造成傷害，當鳥撞擊到塔架或翼片時會被殺害，特別是候鳥遷徙經過時，并且風機的運轉也妨礙附近鳥類的繁殖和棲居；c.影響視覺景觀，特別是在那些風景秀麗和人口稠密的地區，視覺影響的一種特殊情況是風機陰影的影響，特別是轉子翼片的陰影，它會對靠近風機的工作場所和居民區帶來妨礙。

（2）風能本身難以克服的局限性

風能與其他能源相比，既有其明顯的優點，又有其突出的局限性。風能具有蘊量巨大、可以再生、分布廣泛、沒有污染等優點。但也存在難以克服的弱點，其主要表現在以下3個方面。a.不穩定性。由于氣流瞬息萬變，因此風的脈動、日變化、季變化以至年變化都十分明顯，波動很大，極不穩定。b.地區差異大。由于地形的影響，風力的地區差異非常明顯。一個鄰近的區域，有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十倍。c.能量密度低。這是風能的一個重要缺陷。由于風能來源于空氣的流動，而空氣的密度是很小的，因此風力的能量密度也很小。

（3）風力發電問題不容忽視

風力發電雖然具有巨大的潛在優勢，但是也不能盲目樂觀，畢竟風力自身局限性所帶來的風力發電上的問題還沒有完美的解決，有待繼續研究和探索。

① 風力發電并網 風力發電并網后會影響到整個電網的電壓波動和電能質量，還會造成諧波污染。其中由風電并網所引起的電壓波動和閃變是風電并網的主要負面影響。電壓波動為一系列電壓變動或工頻電壓包絡線的周期性變化，閃變是人對燈光照度波動的主觀視感。雖然現在風力發電機組大都采用軟并網方式，但是啟動時仍會產生較大的沖擊電流，使得風電機組輸出的功率不穩定，進而會導致電壓的波動和閃變。電壓的波動和閃變會使電燈閃爍，電動機轉速變化，進而嚴重影響到工業產品的質量，在某些特殊行業電壓不穩會使一些精密的儀器出現測量錯誤，嚴重時還會引發重大事故。除了電壓問題，風電并網還會引入諧波污染。變速風機需通過整流和逆變裝置接入系統，由于風速并不能穩定在一個特定值，因此會造成大量的諧波污染。雖然諧波污染不及電壓波動，但對風電并網仍有較大影響。

② 風電對電網功率和暫態穩定性的影響 風力發電由于風速變化莫測，使得風電上網功率隨之不斷振蕩，當風電的擾動頻率接近系統固有的振蕩頻率時，就會引起大幅度的功率振蕩，并且振蕩的幅度會隨著擾動的幅度而變化。擾動幅度不僅與風電擾動有關，也與系統本身的參數有關，因此可考慮從這兩方面著手減少擾動對電網的強迫功率振蕩。風電并網不僅會對系統產生強迫的功率振蕩，還會對系統的暫態穩定性產生影響。雖然這種影響在當今風電裝機容量較小時顯得微不足道，但是一旦風電在系統中占有比較多的份額時，這種影響就不容忽視了，否則當并網的風電突然變化時，系統有可能由于振蕩過大失去穩定，出現電力系統大的崩潰。總之如果并網的風電份額較高而系統較脆弱時，并網產生的負面影響是十分巨大的。

1.3.3.4 我國風電發展中的問題

我國風電發展主要存在著三個問題：一是我國風電設備和制造整體技術發展落后，國產設備的競爭力面臨嚴峻考驗；二是風電的高成本與市場規模之間相互影響、相互制約的關系，風電場投資高、電價高，與火電、水電相比，缺乏市場競爭能力，最終制約了我國風電產業的發展；三是我國可再生能源政策機制還存在許多不足，不能有效地解決我國風電發展過程中所存在的問題。因此，促進風電的規模化發展、提高風電技術和產業化整體水平、降低風電成本，是目前我國發展風電的主要任務。

1.3.4 太陽能發電及其局限性

1.3.4.1 太陽能發電

太陽能是指太陽的熱輻射能。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40min照射在地球上的太陽能，便相當于全球人類一年消費的能量總額。可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源，地球上所需能源都直接或間接來自于太陽能。而且太陽能發電絕對干凈，不產生公害。所以太陽能發電被譽為是“理想的能源”。

從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進行光電變換來實現。它同以往其他電源發電原理完全不同，具有以下特點：a.無枯竭危險；b.絕對干凈（無公害）；c.不受資源分布地域的限制；d.可在用電處就近發電；e.能源質量高；f.使用者從感情上容易接受；g.獲取能源花費的時間短。不足之處是：a.照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；b.獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。但瑕不掩瑜，作為新能源，太陽能因其具有巨大的極大優點，在能源危機的今天，受到世界各國的青睞。

1.3.4.2 太陽能發電的應用及其前景

要使太陽能發電真正達到大規模應用階段，一是要提高太陽能光電變換效率并降低其成本，二是要實現太陽能發電同現在的電網聯網。

目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態硅3種。單晶硅太陽電池變換效率最高，已達20%以上，但價格也最貴。非晶態硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今后最有希望用于一般發電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到10%，每瓦發電設備價格降到1～2美元時，便足以同現在的發電方式競爭。這一水平有望在21世紀末實現。當然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多，如美國波音公司開發的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽電池，光電變換效率可達36%，幾乎相當于燃煤發電的效率。但由于價格昂貴，目前只能限用于航天衛星。

太陽能發電雖同樣受晝夜、晴雨、季節的影響，但可以分散地進行，所以它適于各家各戶分別進行發電，而且聯結到供電網絡上，這樣各個家庭在電力富裕時可將其賣給電力公司，不足時又可從電力公司買入。目前實現這一點并無技術上的障礙，關鍵在于要有相應的法律保障。現在美國、日本等發達國家都已制訂了相應法律，保障進行太陽能發電的家庭利益，鼓勵家庭進行太陽能發電。

日本已于1992年4月實現了太陽能發電系統同電力公司電網的聯網，并對一些安裝太陽能發電設備的家庭進行費用補助。據日本有關部門估計，日本2100萬戶個人住宅中如果有80%裝上太陽能發電設備，便可滿足全國總電力需要的14%，如果工廠及辦公樓等單位用房也進行太陽能發電，則太陽能發電將占全國電力的30%～40%。當前阻礙太陽能發電普及的最主要因素是費用昂貴。為了滿足一般家庭電力需要的3kW發電系統，需600萬～700萬日元，還未包括安裝費用。有關專家認為，至少要降到100萬～200萬日元時太陽能發電才能夠真正普及。降低費用的關鍵在于提高太陽電池變換效率的同時降低其生產成本。

不久前，美國德州儀器公司和SCE公司宣布，它們開發出一種新的太陽電池，每一單元是直徑不到1mm的小珠，它們密密麻麻規則地分布在柔軟的鋁箔上，就像許多蠶卵緊貼在紙上一樣。在大約50cm2的面積上便分布有1700個這樣的單元。這種新電池的特點是，雖然變換效率只有8%～10%，但價格便宜。由于鋁箔底襯柔軟結實，可以像布帛一樣隨意折疊且經久耐用，使用起來十分方便。據稱，使用這種新太陽電池，每瓦發電能力的設備只要1.5～2美元，而且每度電的費用也可降到14美分左右，完全可以同普通電廠產生的電力相競爭。

太陽能發電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創世紀計劃。準備利用地面上廣闊的沙漠和海洋面積進行發電，并通過超導電纜將全球太陽能發電站聯成統一電網以便向全球供電。據測算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發電供給全球能源，占地也不過為 65.11×104km2、186.79×104km2、829.19×104km2。829.19×104km2才占全部海洋面積 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才相當于撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此這一方案是在理論上是可行的。另一是天上發電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在太空建設太陽能發電站設想，準備在同步軌道上放一個長10km、寬5km的大平板，上面布滿太陽電池，這樣便可提供500×104kW電力。這一方案的關鍵是如何向地面無線輸電。現已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機實現了短距離、短時間、小功率的微波無線輸電，但離真正實用還有漫長的路程。

太陽能的使用主要分為幾個方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統等，現在主要的應用方式為建筑一體化和風光互補系統。

世界目前已有近200家公司生產太陽能電池，但生產設備廠中日企占據主要地位。近年來像韓國三星、LG等跨國公司都表示了積極參與的愿望，中國海峽兩岸同樣十分熱心。2010年各國及地區有1GW以上生產計劃的太陽能電池廠商有日本Sharp、德國Q-Cells、Scho-Solar、挪威RWESolar、中國無錫尚德太陽能電力有限公司（Suntech Power）5家公司。

近年世界太陽能電池市場高歌猛進，一片大好，但百年不遇的金融風暴帶來的經濟危機，同樣是壓在太陽能電池市場頭上的一片烏云，主要企業如德國Q-Cells的業績應聲下調，2012年世界太陽能電池市場因需求疲軟、石油價格下降而競爭力反提升等不利因素而下挫。但與此同時，人們也看到美國奧巴馬上臺后施行Green New Deal政策，包括其內的綠色能源計劃可有1500億美元的補助資金，日本也將推行補助金制度來繼續普及太陽能電池的應用。

隨著我國技術的發展，在2006年，中國有3家太陽能光伏企業進入了全球前十名，標志著中國將成為全球新能源科技的中心之一，為使太陽能發電得到更為廣泛的應用，我們需要在技術推廣的同時，不斷研發新的技術，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長遠發展提供原動力。

1.3.4.3 太陽能發電的缺陷

綜上所述，太陽能作為一種清潔無污染的新型能源有其本身的許多優勢，但是它仍然有它的缺陷存在，制約著太陽能發電的推廣。主要表現在如下幾方面。

① 光電轉化效率不高，在15%左右，不穩定，有地域性，受天氣影響大。

眾所周知，太陽能電池主要功能是將光能轉換成電能，這個現象被稱為光伏效應。這就要求我們在選取太陽能電池板原材料的時候，必須考慮到材料的光導效應及如何產生內部電場。不僅要考慮吸光效果，還需要看它的光導效果。所以材料的選取對于光伏發電來說是一項很大的約束。必須充分了解太陽光的成分及其能量分布狀況，從目前太陽能發展的情況來看，材料的選取仍舊是個待提高的突破點。即使在非常高效的材料下進行光電轉換，它的效率仍然很低。太陽能光伏發電的轉換效率過低，依舊是我國乃至世界研究組亟待解決的問題。

② 太陽能發電不持續，送電過程也不持續（對電網等于是諧波）。

太陽能發電所需光照要求復雜，選擇地日光輻射情況適當。太陽能發電所需的必要條件就是光照指數。在陽光不太充足的多云天氣或是雨天和悶熱的天氣里，太陽光伏效應轉換的效率將會大幅度降低。

③ 光伏發電成本太高。

在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發展最成熟的，但其成本居高不下，遠不能滿足大規模推廣應用的要求。最新研制的SunPower新的太陽能電池板效率達到22%，盡管其光電轉化效率也非常可觀，但受原料價格和提純工藝的限制，發電成本始終高高在上，讓很多企業和商家望洋興嘆。晶硅太陽能電池的主要材料是硅片，比如鋪設在幕墻上的大面積的太陽能電池。太陽能電池板主要用的硅，需要99.9999%的高純度。然而這種高純度硅的提純技術被德國、日本、美國等幾個公司壟斷，但是國內的研發需要高端材料。可想而知，太陽能電池用的硅都是進口的。它的價值不菲，成本太高。所以太陽能發電系統在未來仍需要人們不斷的探索與完善。

④ 光伏發電需要很大的面積。

從目前的實際狀況來看，以單晶硅或多晶硅為主要原料的太陽能電池板正越來越多地點綴于城市建筑的屋頂、墻壁，成為一座座所謂“清潔無污染”的太陽能電站。然而，在這種被稱為“綠色電站”的身后，卻“隱藏”著一系列高能耗、高污染的生產過程。即使作為第三代太陽能電池的染料敏化電池，據科學家估算，它的成本僅相當于硅電池板的1/10。雖然它最大吸引力在于廉價的原材料和簡單的制作工藝，但是此類電池的效率隨面積放大而降低。這一點又與太陽能發電需要充足的日照和廣域的面積相矛盾。

1.3.5 地熱能及其局限性

1.3.5.1 地熱能簡介

地熱能簡而言之就是貯存于地球內部的熱量，是來自地球深處的可再生性熱能，它源于地球的熔融巖漿和地球內部放射性物質的衰變。地下水的深處循環和來自極深處的巖漿侵入地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層，有些地方，熱能隨自然涌出的熱蒸汽和熱水到達地面。地熱能的儲量十分巨大，大部分集中分布在構造板塊邊緣一帶，該區域也是火山和地震多發區。它不但清潔無污染，而且如果熱量提取速度不超過補充的速度，那么地熱能又是可再生的，能夠被持續的利用。

據估計，全世界地熱資源的總量大約為14.5×1025J，相當于4948×1012t標準煤燃燒時所放出的熱量。如果把地球上貯存的全部煤炭燃燒時所放出的熱量作為100%來計算，那么，石油的儲量約為煤炭的8%，目前可利用的核燃料的儲量約為煤炭的15%，而地熱能的總儲量則為煤炭的1.7億倍。假如以目前全世界的能耗總量來對地熱能進行估計，那么即使全世界完全使用地熱能，4100萬年以后也只能使地球內部的溫度至多下降1℃。可見，地熱能的開發利用潛力是多么巨大。

地熱資源類型包括蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型和巖漿型5種類型，其研究開發狀況如表1-4所列。

1.3.5.2 地熱能的利用現狀

（1）世界地熱能利用現狀

地熱能的利用分為兩種方式：一種是地熱發電；另一種是熱能直接利用，包括地熱水的直接利用（如地熱采暖、洗浴、養殖等）和地源熱泵供熱、制冷。

2004年，全世界地熱發電主要在美國、冰島、意大利等國家應用，總裝機容量約為900×104kW，年產電力約50000GW·h。地熱水直接利用的國家已有58個，年利用能量53000GW·h。從世界范圍來看，地熱開發利用的步伐從20世紀70年代初開始加快，1975—1995年的20年間，全球范圍內地熱發電總量的年增長率約為9%，地熱水直接利用的增長率約為6%。若以此增長速率測算，到2020年全球地熱發電及地熱水直接利用總量將分別達到318TW·h/a和140TW·h/a。

目前，美國、日本、意大利、冰島、新西蘭、印度、菲律賓等世界上地熱資源豐富的國家，地熱能在整個國民經濟中已起到了一定作用。如冰島首都及其他幾個城市供暖全部靠地熱，僅此一項每年可節約1.3億美元。

（2）我國地熱能利用現狀

我國對地熱能的利用包括高溫地熱發電、中低溫地熱水直接利用和淺層地熱能利用3個方面。

我國于20世紀70年代后期開始利用高溫地熱資源發電，并先后在西藏羊八井、郎久、那曲等地修建了工業性地熱發電站，總裝機容量28.18MW。其中，羊八井地熱貯層分為淺層和深層兩部分，目前可開發利用的只是地熱田中補給能力有限的淺層資源。

我國中低溫地熱水直接利用方式多種多樣，其中供熱采暖占18%、醫療洗浴與娛樂健身占65.2%、種植與養殖占9.1%、其他占7.7%。地熱供暖主要集中于北京、天津、西安、鄭州、鞍山等大中城市以及北方石油開采區的城鎮，開采60～100℃地熱水為樓棟供暖，運行成本比鍋爐供暖節約30%。

我國淺層地熱能的開發利用起步較晚，20世紀90年代開始嘗試應用地源熱泵技術，21世紀以后，開始在全國普遍推廣，其中以京津地區發展最快。到2004年年底，北京已有420×104m2的建筑物利用地源熱泵系統供暖（冷），200多家單位開始使用，已完成的最大單項工程供暖（冷）面積達十幾萬平方米。其單位面積費用相比其他傳統的供熱方式有著明顯的優勢。

1.3.5.3 地熱能開發利用中存在的問題

就技術和來源上講，地熱能的開發存在很多的優點。

① 在某些地熱資源豐富的地區為常年可再生能源，家居采暖的高效方式，硬件設備使用壽命長。

② 優化能源產業結構，減少煤炭等傳統化石能源的使用，進而降低環境污染。

③ 帶動其他產業發展，提高市場經濟利益。

與此同時，地熱能的開發利用也存在著諸多缺點和不足，限制了其發展與推廣。

① 地熱資源地域分布的局限性 地熱資源最大的特點就是其分布具有地區性，絕大部分集中在板塊構造的邊緣地帶。這一特點大大制約其開發的進程。

② 地熱資源勘探風險投資大 目前我國高溫地熱鉆井揭示，高溫熱儲與地質構造密切相關。一定程度反映出了高溫地熱的勘探風險是制約其深入開發的另一主要因素。地熱資源勘探包括地熱資源勘探技術、評價技術、開采技術、回灌技術、發電技術以及熱利用（含熱泵）技術等。

③ 地熱開發仍有可能會引起以下環境問題。

a.地熱水中常常含有一些有害物質，如較多的氟、硼、砷、汞以及重金屬鉻、鎘等，其中還有些鈣離子、鎂離子，容易結垢。對于周圍沒有污水處理設施的地區，開發地熱往往會導致嚴重的水化學污染。

b.地熱水抽取過多會引起地面沉降。因此開發地熱能時，要特別注意回灌。

c.在地熱開發過程中，會有些從地下出來的氣體被排放到大氣中，這些氣體主要是水蒸氣，但往往還有硫化氫和二氧化碳等，造成大氣污染。

d.只在特定地區適用，且如果過度利用，有可能在數年后枯竭。

e.由于地熱能集中分布在構造板塊邊緣，也就是火山和地震多發帶，其安全問題也頗令人擔憂。

④ 我國地熱能開發和利用中存在的問題如下。

a.地熱能利用結構單一 以地熱采暖為主要目的的地熱利用系統，不僅開發消耗的資源很大，而且簡單的用熱之后，并沒有進行很好的深度開發，而是將大量的熱水直接地排放掉，使地熱資源的復合特征沒有充分的發揮，造成資源的較大浪費。

b.利用技術、工藝及設備配套尚需進一步優化 在目前的利用設備配套水平上，不能把地熱資源的能量充分利用和提取出來，從而資源的利用率較低。歷史上遺留下來的老的地熱井系統中存在不少諸如不經濟、不合理、浪費大的問題。

c.排放溫度高，造成資源浪費與新的環境問題 在地熱采暖系統中，受常規的管網式供熱工藝和技術水平的限制，地熱水經一級換熱后的溫度仍然很高，不僅造成資源的嚴重浪費，又給環境帶來了熱污染。

d.政策差距 國家有關領導部門在對常規能源與新能源和可再生能源的認識上有較大差距。基于政府部門認識上的原因，導致當前我國的新能源和可再生能源沒能將地熱能納入國家能源建設計劃，因而缺乏足夠的財政撥款、沒有相應的扶持的優惠政策與法規，從而導致了地熱能在發展上受到了一定的影響。

1.3.6 潮汐發電及其局限性

由于月球引力變化導致海平面周期性升降成為潮汐現象；海水漲落及潮水流動所產生的能量稱為潮汐能。潮汐能作為一種可再生的潔凈能源，隨著地球上化石能源日趨短缺，因其有利于環境保護而越來越受到世界各國的重視。全球海洋中所蘊藏的潮汐能約有27×108kW，若能充分利用起來，其每年的發電量可達3.348×1016kW·h。我國海岸線曲折，漫長的海岸蘊藏著十分豐富的潮汐能資源，理論蘊藏量達1.1×108kW。

（1）潮汐發電概述

潮汐能利用的主要方式是發電，潮汐發電與普通水力發電原理類似，利用海灣、河口等地形建筑水壩，形成貯水庫，在漲潮時將海水貯存在貯水庫內，以勢能的形式保存，然后，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉，帶動發電機發電。差別在于海水與河水不同，蓄積的海水落差不大，但流量較大，并且呈間歇性，從而潮汐發電的水輪機結構相應的要適合低水頭、大流量的特點。

（2）潮汐發電現狀

1913年聯邦德國在北海海岸建立了世界上第一座潮汐發電站。1966年法國建成的朗斯潮汐電站，裝機容量為24×104kW，年均發電量為5.44×108kW，是第一座具有商業實用價值的潮汐電站。目前，潮汐能開發的趨勢是偏向大型化，如俄羅斯計劃的美晉潮汐電站設計能力為l500×104kW，英國塞汶電站為720×104kW，加拿大芬地灣電站為380×104kW。預計到2030年，世界潮汐電站的年發電總量將達600×108kW·h。

我國是世界建造潮汐電站最多的國家，在20世紀50～70年代先后建造了近50座。但到20世紀80年代，只有8座尚在工作，總裝機6120kW，其中最大的是浙江江廈潮汐試驗電站，為3200kW。采用的單機容量500kW和700kW的燈泡貫流式水輪發電機組，全由我國自行研制。近50年來，工程技術人員一直致力于將潮汐發電形成工業規模的研究，在機組可靠性、水庫泥沙防淤、連續供電、防腐和防污、浮運法施工、操作系統自動化和優化調度等方面取得了顯著成果。

2002年提出利用近海淺灘人工筑庫的潮汐電站，既不占用寶貴的港灣、河口資源，又不干擾海洋自然環境，英國威爾士已建造了3座該類型電站。我國沿海大陸架寬廣，有大片傾斜平緩的淺灘，又有具有研發價值的潮差，利用該方案開發潮汐能具有很大的可行性。

（3）潮汐發電的優缺點

總的來說，潮汐能是一種清潔的能源，其開發和利用過程中沒有碳排放、環境污染等大的環境問題。而且，潮汐的能源是一種天然存在，其引發的規模非常宏大。因此，利用潮汐能進行發電是一個不二的選擇。概括來說，潮汐能發電具有以下優點。

① 潮汐能是一種清潔、無環境污染、不影響生態平衡的可再生能源。潮水每日漲落，周而復始，取之不盡，用之不竭。它完全可以發展成為沿海地區生活、生產和國防需要的重要補充能源。

② 潮汐電站很少受豐、枯水年和豐、枯水期等水文因素的影響，全年總發電量穩定，是一種相對穩定可靠的能源。

③ 潮汐電站的水庫利用河口或海灣建成，不存在人口遷移、淹沒農田等復雜問題。而且可用攔海大壩，促淤圍墾大片海涂地，把水產養殖、水利、海洋化工、交通運輸結合起來綜合利用。這對于人多地少、農田非常寶貴的沿海地區，更是個突出的優點。

④ 潮汐電站不需筑高水壩，即使發生戰爭或地震等自然災害，水壩受到破壞，也不會像河川大壩那樣對下游城市、農田、人民生命財產等造成嚴重災害。

⑤ 潮汐能開發一次能源和二次能源相結合，不用燃料，不受一次能源價格的影響，而且運行費用低，是一種經濟能源。具有與河川水電站相同的一次投資大、發電成本低的特點。

由于潮汐能受時節的影響，潮汐發電也存在以下不可忽視的缺點。

① 潮差和水頭在一日內經常變化，在無特殊調節措施時，發電具有間歇性，給用戶帶來不便。但可按潮汐預報提前制定運行計劃，與大電網并網運行，以克服其間歇性。

② 潮汐存在半月變化，潮差可相差2倍，所以其保證出力、裝機的年利用小時數也低。

③ 潮汐電站建在港灣海口，通常水深壩長，施工、地基處理及防淤等問題較困難，因此土建和機電投資大，造價較高。

④ 潮汐電站是低水頭、大流量的發電形式。漲落潮水流方向相反，水輪機體積大，耗鋼量多，進出水建筑物結構復雜。而且因浸泡在海水中，海水、海生物對金屬結構物和海工建筑物有腐蝕和沾污作用，需作特殊的防腐和防海生物黏附處理。

⑤ 潮汐變化周期為太陰日（24h 50min），月循環約為14天多，每天高潮落后約50min，故與按太陽日給出之日需電負荷圖配合較差。

（4）潮汐發電引起的環境問題

① 泥沙沖淤 潮汐發電站會引起泥沙的淤積，我國許多潮汐電站都是因為蓄水庫泥沙不斷淤積而廢棄。

② 改變潮差和潮流 潮汐電站會改變潮差和潮流，改變程度取決于電站的規模與位置。據估算，加拿大芬地灣潮汐電站項目若全部建成，將對幾百公里沿海的潮差產生影響。由于共振，美國波士頓地區的水面將上升15cm，海岸線內退6～8m，這是美國反對加拿大建潮汐電站的原因之一。

③ 海水鹽度 海水中含鹽量是影響海洋動物群生態狀態的主要因素之一。擋潮壩可能引起壩內水體分層加重。致使表層水和底層水的鹽度差增大0.2‰～0.3‰，不過這種改變的實際影響不大。

④ 影響動植物生存環境 潮汐電站使魚從大海到壩內的通行復雜化，可能影響動植物、魚類、鳥類生長環境及種群生存，至今尚未找到能避免或減輕這種不利影響的辦法。

（5）我國大規模開發潮汐電站面臨的關鍵問題

① 開發大型潮汐電站的技術不成熟 世界潮汐發電技術趨于成熟，但開發大型潮汐電站的技術仍需提高。目前，潮汐發電機組的研究制造尚未定型標準化，尤其是建設大型潮汐發電站需要的超低水頭、大容量發電機組的技術還有待改進。

② 設備材料不過關，運行成本高 現行的適應海水的低水頭大流量燈泡貫流式水輪發電機組在設計、選材、制造等方面尚有許多難點，機組抗銹蝕、抗附生物能力差，導致機組運行維護成本居高不下。

③ 電站工程設施的綜合利用程度不高，經濟效益差 潮汐發電技術是土工、水利、機械、材料、發電、輸電、可靠性等技術的集成，目前尚不成熟，致使一次性投資大，與常規能源相比經濟性不好。

④ 潮汐電能上網價格過高 潮汐電能上網價格過高，在一定程度上限制了潮汐發電的發展。由于目前潮汐發電的規模小、投資大，同其他清潔和可再生能源發電一樣，也面臨著上網電價高于電網平均價且高出部分無法實現分攤的問題，難以和常規能源競爭。投資風險大，民營資本等社會資金不愿進入，在一定程度上限制了潮汐發電的發展。

⑤ 政策不足 政府有關部門對潮汐能開發利用的意義和作用認識不足，對開發工作重視和支持不夠，缺乏相應的激勵政策和優惠措施，從而削弱了開發利用潮汐能的積極性。

⑥ 潮汐能電站建站的天然庫址破壞嚴重 由于國家和地方均沒有潮汐能發展規劃，加上政績工程和短期利益的驅動，沿海地區大規模進行圍填海造地，嚴重損壞了潮汐電站可建站的天然站址，影響了未來潮汐能的開發利用，導致潮汐能資源的極大浪費，甚至導致未來在一些地區已經不可能進行潮汐能資源的開發利用。