1.2　當前能源利用概述

地球擁有十分豐富的能源資源，且存在方式多樣。如何利用能源收集和轉化設備將這些儲存的資源轉化為我們日常生活中所用的能量形式，并清潔節約可持續高效利用是一個十分關鍵的環節。能源作為經濟發展的直接驅動力，從蒸汽機時代煤炭的大規模應用，到石油對煤炭大規模替代，其后都伴隨著整個產業的蓬勃發展。而今一旦在新能源技術領域取得重大突破，將直接改變人們傳統的能源使用方式，并帶動整個產業鏈的規模發展。就目前而言，能源與動力工程學科涉及的能源收集和轉化應用技術可大致概述如下。

1.2.1　鍋爐燃燒及燃煤發電概述

如圖1-1所示，給出了以天然氣（煤等礦物）為燃料的火力發電工作原理圖。該系統主要由：a.燃燒室；b.渦輪機：c.鍋爐；d.冷卻塔；e.發電機五個主要部件組成。其工作原理可大致描述為：

①首先燃料氣體和空氣經過加壓混合后在燃燒室里燃燒，釋放的能量產生高壓熱氣；

②高壓熱氣沖擊第一級渦輪機并帶動渦輪機葉片旋轉；

③渦輪機帶動發電機轉子旋轉切割磁力線發電；

④高熱氣體經過渦輪機后進入鍋爐，并將熱量傳遞給管路中的液態水，液態水吸熱蒸發膨脹，產生高壓蒸汽；

⑤高壓蒸汽沖擊第二級渦輪機，帶動渦輪機葉片旋轉，帶動發電機發電；

⑥最后，經過第二級渦輪機的熱蒸汽，進入冷卻塔冷凝為液態水，重新回到鍋爐中進行下一輪循環。

以固體燃煤為燃料的火力發電裝置，也具有類似的工作流程。由燃燒室的燃煤燃燒直接給鍋爐供熱，水受熱膨脹為蒸汽，蒸汽沖擊渦輪機帶動葉片旋轉，渦輪機帶動發電機轉子切割磁力線發電，最后經過渦輪機的蒸汽直接經由冷卻塔冷卻進入下一個循環。從整個工作流程來看，其能量轉化過程可簡單用下式描述。

1.2.2　太陽能直接熱利用概述

根據愛因斯坦的質能方程，1kg氫元素聚變成氦的質量損耗約為0.7％，可釋放出6.3×10¹⁴J的能量。按太陽每秒消耗氫燃料6×10¹¹kg計算，則太陽的輻射功率約為3.8×10²⁶W。已知太陽到地球的距離約為1.5×10⁸km，地球的直徑約為6.37×10³km，故根據圓周角并以47％的大氣透光率計算可得，全年到達地球的太陽光總能量高達×10¹⁷kW·h。相當于燃燒74萬億噸標準煤的熱值?？梢娞柟庵刑N含著大量的能量。從廣義上講，太陽能是除了地熱以外地球上絕大部分能量的最終源泉。從狹義的太陽能利用講，主要包括，太陽能直接熱利用和太陽能光伏發電兩方面。

就目前而言，涉及的太陽能直接熱利用設備主要有太陽能熱水器（包括太陽能落差式熱水器、太陽能承壓式熱水器）、太陽能制冷機，太陽能熱動力發電（包括塔式太陽能熱動力電站、槽式太陽能熱動力電站、碟式太陽能熱動力電站）及太陽能煙囪等幾種能源利用形式。大體概述如下。

（1）太陽能熱水器

如圖1-2（a）所示，給出了一種一體式落差式太陽能熱水器的簡單示意圖。其核心部件主要包括：支架；真空集熱器；漫反射板；儲水箱。工作過程如下。

①首先，當太陽光照射集熱器時，集熱器吸收太陽能給冷水加熱，穿過的陽光在漫反射板的作用下再次經過集熱器被二次吸收；

②其次，利用集熱器中水溫與儲水箱中水溫的差別形成自然對流［如圖1-2（b）所示]，將集熱器中的熱水輸送到儲水箱，并將儲水箱中的冷水輸入集熱器；

③最后，當用戶需要熱水時，通過控制系統放熱水，并補充一定量的冷水到儲水箱進行加熱。

承壓式太陽能熱水器也有相似的工作過程，其差別在于落差式熱水器采用的是一個液體循環回路；而承壓式熱水器則通過一個熱交換器把熱質和水分在兩個回路中，從而保證熱水出口水壓與進口冷水水壓的一致。

集熱器是太陽能熱水器的一個核心能量轉化部件，其作用是將太陽能轉化為熱能并帶走。目前我國使用的太陽能集熱器主要有兩大類：①平板型太陽能集熱器，②全玻璃真空管型太陽能集熱器。兩者的結構組成和工作過程相似，圖1-3平板型太陽能集熱器，其核心部件主要包括：吸熱體；玻璃蓋板；保溫層；外殼四個部分。這四個部件都有其自身的作用。

①吸熱體主要由吸熱板和載熱流體管路兩部分組成：吸熱體的主要作用是盡可能多地吸收太陽輻射能量，并轉化為熱能，最后將熱能傳遞給載熱管路；而載熱流體管路的作用則是用流體工質，并把熱能帶到儲水箱（熱能儲存作用）。

②玻璃蓋板的作用：一方面是讓太陽光輻射透過；另一方面是與吸熱體之間形成一個真空空腔，從而減小吸熱體對環境的放熱。

③保溫層的作用是：減小集熱器底部向周圍環境的散熱，從而提高集熱器的熱效率。

④外殼的作用主要是：將吸熱板、蓋板、保溫材料組成一個整體，并保持一定的剛度和強度。

總體而言，整個太陽能熱水系統的能量轉化過程可通過下式進行描述。

（2）太陽能制冷機

與傳統的制冷機類似，太陽能制冷循環也包括①空氣壓縮制冷循環，②蒸汽壓縮制冷循環，③吸附式制冷循環三種不同的類型。圖1-4給出了相應的太陽能吸附式制冷機的大致工作原理。

吸附式太陽能制冷系統的部件組成主要包括：a.太陽能集熱器；b.蒸汽發生器；c.減壓閥；d.溶液泵；e.吸收器；f.蒸發器；g.節流閥；h.冷凝器等部件組成。吸附式太陽能制冷技術與常規能源驅動的吸附式制冷裝置基本一致，主要創新點在于采用太陽能集熱器收集熱能并給傳統吸附式制冷機的蒸汽發生器供熱。其工作原理可簡述如下。

首先，通過太陽能集熱器收集并將太陽能轉化為熱能，并傳遞給工質。

其次，載熱工質將熱量傳遞給蒸汽發生器，并加熱蒸汽發生器里面的稀溴化鋰溶液，將其中的水汽化為較高溫度和壓力的水蒸氣。與此同時，發生器中由于水蒸發而變濃的濃溴化鋰經減壓后也流入吸收器。

第三，高溫水蒸氣進入冷凝器通過向冷卻水放熱而降溫，凝結成飽和水。

第四，飽和水經節流閥降壓降溫后進入蒸發器吸熱汽化，成為飽和蒸汽，隨后送入吸收器。

第五，吸收器吸收由蒸發器來的飽和蒸汽，生成稀溴化鋰溶液，再由液體泵加壓進入發生器。從而達到對蒸發器（冷藏室）的制冷作用。

由其工作過程可見，該能量收集和轉化裝置的工作過程中同時涉及到流體的傳熱傳質過程，欲對其裝置進行優化設計必然需要具備較好的流體和傳熱傳質的工程分析背景。

（3）集熱型太陽能熱動力發電

將吸收的太陽輻射熱能轉換成電能的發電技術稱為太陽能熱動力發電技術。太陽能熱動力發電又稱為集光型太陽能發電（concentrated solar power），英文縮寫為CSP。如圖1-5所描述的，太陽能熱動力發電技術與傳統發電方式相類似，其創新點在于采用太陽能集熱器和蓄熱器來替代傳統的礦物燃燒室。總體的工作過程可大致描述如下。

①集熱器將太陽輻射能集中并變成熱能，經由蓄熱器向蒸汽發生器（鍋爐）供熱。

②冷凝器的液態工質從蒸汽發生器中吸熱蒸發為高溫高壓蒸汽。

③蒸汽通過噴管加速后驅動渦輪機葉輪旋轉。

④渦輪機帶動發電機切割磁力線發電。工質離開渦輪機進入冷凝器向冷卻介質釋放潛熱，并凝結為液體重新回到蒸汽發生器中循環使用。

典型太陽能熱動力發電系統除包括蒸汽發生器、渦輪機、發電機、冷凝器外，還包括聚光集熱子系統以及蓄熱子系統。由于太陽能是一種能量密度偏低的能量，因此需要利用集熱器把大范圍的低密度能量聚集到有限面積上形成高密度的優質能量。就太陽能熱動力系統而言，其聚光集熱子系統一般包括：聚光器、接收器、跟蹤裝置三個部分。

聚光器主要是用于收集陽光，并將其聚集到一個有限尺寸接收器上，從而提高單位面積上的太陽輻射強度。目前聚光型熱動力發電系統主要根據不同的集熱器和接收器劃分為三大類型。①槽式發電站主要采用拋物柱面槽型反射鏡作為聚光器，其對應的接收器設在圓柱中軸位置，形狀為管狀［如圖1-6（a）所示]；②碟式發電系統主要采用凹碟狀反射鏡作為太陽能聚光器，其對應的接收器設在拋物面的焦點處［如圖1-6（b）所示]；③塔式發電站主要采用平面鏡做為聚光器，其對應的接收器固定在塔的頂部［如圖1-6（c）所示]。這三種不同的熱動力發電系統其工作原理較為相近，以下以塔式太陽能熱動力系統為例對其工作過程進行簡單描述。

如圖1-6（d）所示，一個典型的塔式太陽能熱動力發電系統主要由：a.定日鏡、b.太陽能接收器、c.塔架、d.熱鹽槽、e.冷鹽槽、f.蒸汽發生器、g.汽輪發電機組（也就是渦輪機和發電機組），以及h.冷凝器等幾個部件組成。其與傳統礦物發電系統相比最大的獨特之處在于用一個太陽能吸收器取代火力發電站的鍋爐，同時多了一個蓄熱系統。

塔式太陽能熱動力系統前置部分主要由太陽能集熱子系統和蓄熱子系統兩個部分組成。其工作過程大致描述如下。

①首先，塔式發電系統利用定日鏡將陽光聚焦到塔頂的接收器上，接收器將太陽光轉化為熱量。

②并將熱量傳遞給冷鹽槽進來的低溫鹽液，低溫鹽液吸熱后變為高溫鹽液體，并傳輸到熱鹽槽儲存，因此熱鹽槽實際上充當了蓄熱器的功能。

③熱鹽槽的高溫鹽液進入蒸汽發生器向工質釋放熱量，加熱并汽化與渦輪機相連的液體工質。

④最后，熱鹽液在蒸汽發生器釋放熱量后重新回到冷鹽槽，進入新一輪的循環。

系統的后半部分主要就是熱機，由蒸汽發生器、汽輪發電機組以及冷凝器三個主要部件組成。這部分子系統的運行過程與傳統的礦物燃料發電系統是一樣的。

⑤首先，液態工質經過蒸汽發生器，吸熱后產生高溫蒸汽，高溫蒸汽推動渦輪機，并帶動發電機發電。

⑥最后經過渦輪機的蒸汽進入冷凝器并釋放潛熱冷凝回液態，重新進入蒸汽發生器循環。

（4）太陽能煙囪發電

太陽能煙囪發電系統也是太陽能熱力發電的另一大類型，其部件主要由太陽能集熱棚、太陽能煙囪以及渦輪機發電機組三個基本部分構成。如圖1-7所示，其制作過程包含三個步驟：

①將太陽能集熱棚建在一塊太陽輻照強的土地上；

②集熱棚和地面有一定間隙，可以讓周圍空氣進入系統；

③集熱棚中間離地面一定距離處安裝煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機。

工作原理可簡單描述如下。

①太陽光照射集熱棚，集熱棚內的空氣溫度升高，密度下降，集熱棚中的空氣沿著煙囪上升。由于集熱棚內的空間很大，而煙囪底部的截面積相對很小，因此當集熱棚內的空氣流到達煙囪底部的時候，在此處形成強大的氣流。

②這股強大的氣流推動裝在煙囪底部的渦輪機，帶動發電機發電。同時，集熱棚周圍的冷空氣進入系統，從而形成空氣循環流動。

太陽能煙囪在工作過程包含有三個能量轉換過程：利用集熱棚加熱空氣，將太陽能轉化為空氣內能；利用溫差自然對流原理，當空氣在煙囪內上升流動時，空氣內能轉變為動能；最后，當空氣流過渦輪機時，氣流推動渦輪機轉子轉動，并將流體動能轉化成目標電能。

1.2.3　太陽能光伏發電概述

太陽能光伏發電是太陽能直接利用的另一種主要能量收集、轉化技術。就目前而言，主要包括①單晶硅太陽能電池、②多晶硅太陽電池、③化合物薄膜太陽電池、④染料敏化納米晶太陽電池等幾種形式。其核心工作原理為利用半導體pn結的光伏效應直接將太陽光能轉化為輸出電能。總的來說，這幾類太陽能光伏電池具有類似的工作過程，以單晶硅太陽能電池為例（如圖1-8所示），其基本結構從下到上分別由金屬正電極、p型半導體、n型半導體、防反射保護膜以及金屬網格負電極五個主要部件組成。

其中，由于半導體硅的表面非常光亮，會反射掉大量太陽光，因此需給它涂上一層反射系數小的保護膜，將反射損失控制在5％以內。半導體pn結是太陽能光伏轉化的核心部件，如圖1-8（b）所示。當半導體受光后，pn結附近的空穴向p型區移動，電子向n型區移動，形成從n型區到p型區的內部電流。由于半導體不是電的良導體，所以電子在通過pn結后需要金屬電極將其導出，因此在太陽電池的正負兩側需要加上金屬電極作為電流收集作用。對于背光一側而言，一般鍍上一層金屬薄膜作為電極；而在受光一側，如果pn結上層全部涂上金屬，陽光就不能通過并照射到pn結，電流也就不會產生。因此一般用金屬網格覆蓋pn結，同時兼顧透光和傳導電子的作用。

如圖1-8（b）所示，就晶硅太陽能光伏電池而言其光電轉化主要包括兩個過程：

①當光線照射摻雜半導體時：一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給價帶的電子，使得電子越遷到導帶，從而在半導體中形成自由電子和空穴對。光子能量轉化為自由電子能量，即光生電過程。

②被激發的電子－空穴對傳遞到pn結區域，并在pn結內生電場的作用下空穴沿電場方向向p型區移動，而電子逆著電場方向往n型區移動。從而形成從n型區指向p型區的“內電流”。

當外電路導通時就形成了太陽電池輸出電流。

1.2.4　核能發電技術概述

核能又稱原子能，特指原子核結構發生變化時釋放的能量。核能的釋放方式主要包括核裂變（一個原子量較大的重原子分裂成兩個或多個較輕原子核并釋放大量能量，如）和核聚變（兩個較輕原子核聚合成一個較重的原子核，并釋放大量能量，如）。目前而言，核能發電技術主要以核裂變為主。核裂變的主要原料鈾-235具有放射性，在中子的撞擊下分裂成兩個更小的原子，釋放出熱量和兩到三個快速中子；這些中子和鄰近的鈾-235原子核發生碰撞，引發后者的分裂，并產生更多的能量和更多的中子；如果提供的鈾-235足量，就會引發鏈式反應，釋放出極大的能量。如果不對這種鏈式反應加以控制。中子數量會持續增加，使得短時間內參與核裂變的原子數劇增，大量的能量瞬間釋放，從而發生核爆。相反，如果對過量的中子數目加以吸收，進而控制中子的產生速度，就可維持參與核裂變的原子數目恒定。從而維持恒定的能量釋放，這是核能發電的主要形式。因此說，核能發電是一種受控的核聚變過程。

核電站就是利用動力反應堆所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施。反應堆是核電站的關鍵設備，鏈式裂變反應就在其中進行。目前世界上核電站常用的反應堆有壓水堆、沸水堆、重水堆、改進型氣冷堆以及快堆等多種形式。但使用最廣泛的是壓水反應堆。壓水反應堆是以普通水作冷卻劑和慢化劑，它是從軍用堆基礎上發展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。

核能發電站與傳統的礦物燃料發電站結構組成和工作原理十分相似，其創新之處在于采用核反應堆來替代傳統的礦物燃燒室。

如圖1-9所示，為壓水堆及核發電系統的工作過程示意圖。壓水反應堆以輕水為中子慢化劑和載熱劑。主要由兩個回路系統組成。①核島：主要包括壓水反應堆，蒸汽發生器；②常規島：與火電站類似，包括蒸汽發生器、渦輪機、發電機和冷凝器。其基本的工作過程可簡述如下。

①鈾-235燃料在核反應堆內發生核裂變釋放大量熱量。

②反應器向周圍的熱載體（高壓水）釋放熱量，并通過換熱器給蒸汽發生器提供熱量。

③熱載體將熱量傳遞給蒸汽發生器，將液態工質汽化為高壓蒸汽。

④高壓蒸汽驅動渦輪機。

⑤渦輪機帶動發電機發電。

⑥高壓蒸汽經過冷卻后，重新進入系統循環。

其中核反應堆是整個核能發電系統的核心部件，其組成部件及作用描述如下。

①燃料棒是其核心部件，也稱核燃料：主要為核能的釋放提供充足的可裂變物（一般采用鈾-235）。

②控制棒：主要用于吸收過量的中子數目，從而保證產生的中子和損失的中子數相互抵消，而保證參與核裂變的鈾-235原子核數目恒定，控制核裂變的速度，維持恒定的能量釋放。

③中子減速劑：主要作用是將鈾-235裂變過程中產生的快中子的運動速度降低到接近分子熱運動中的熱中子速度，從而增加中子撞擊周圍放射鈾原子的概率。

④載熱劑：一般與中子減速劑采用同一種物質。作用是將核裂變反應釋放的熱能收集起來用于對發電系統的蒸汽發生器供熱。

1.2.5　燃料電池發電技術概述

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變為電能的發電設備。由于燃料電池發電過程中主要是通過電化學反應將燃料的化學能直接轉化為輸出電能，其整個過程中不涉及燃燒，因此其能量轉換效率不受熱機效率的限制，從理論上講是一種更高效的能源使用技術。從原理上講，燃料電池技術的核心思想是利用電化學反應將反應物中的化學能直接釋放為電能的一種技術，從而避開了經由燃燒釋放化學能的傳統能源使用方式。

以氫氧反應為例，電化學反應工作原理與普通化學反應的主要區別如下。

①化學反應過程中（如氫氣在氧氣中的燃燒），電荷直接從還原物H₂轉移到氧化物O₂，；

②電化學反應過程中需要先把化學反應中失去電子的還原物和得到電子氧化物分隔在兩個區域內，并通過電解質承擔還原物與氧化物之間的離子傳導路徑，采用電極和外電路導線承擔還原物與氧化物之間的電子傳導路徑。如圖1-10所示，從而把一個完整的化學反應分成兩個相對獨立的半反應，避開燃燒過程而直接將化學能釋放為電能。

從理論上講，對于同樣的一個化學總反應而言，采用不同的電解質材料（即不同離子的傳導路徑）將導致完全不同的電化學半反應組合，進而形成不同的能量轉化過程和電化學性能。因此，燃料電池的主流分類主要根據不同的電解質材料劃分為：①堿性燃料電池、②熔融碳酸鹽燃料電池、③磷酸鹽燃料電池、④質子交換膜燃料電池、⑤固體氧化物燃料電池、⑥直接甲醇燃料電池以及⑦微生物燃料電池等幾種類型。

以固體氧化物燃料電池為例，圖1-11（a）是一個典型的固體氧化物燃料電池（SOFC）單體形貌，圖1-11（b）為其相應的側面掃描隧道顯微鏡形貌圖。一個典型的SOFC單體一般包括：①陰極電流收集層、②陰極反應間隙層、③致密電解質層、④陽極反應間隙層以及⑤陽極支撐層。

固體氧化物燃料電池全固態組件的特點決定了其可以有不同的結構構型設計。如圖1-12所示目前而言主要有：（a）平板型SOFC、（b）管狀SOFC、（c）獨石型SOFC以及（d）基片式SOFC等多種結構。

1.2.6　海洋能（潮汐能、波浪能、洋流能、海洋溫差能）利用概述

地球的海洋面積約為3.6億萬平方公里，覆蓋地球總面積的71％，是吸收太陽光的最大寶庫，蘊藏著豐富的可再生能源。目前可用于發電的幾種海洋能應用形式包括有：潮汐能、波浪能、洋流能以及海洋溫差能。

（1）潮汐及潮汐能發電

潮汐是太陽、月亮作用在地球上的萬有引力與地球自轉運動的相互作用，使海水漲潮和退潮，海洋水位出現高低變化，動能和勢能相互轉變的過程。在漲潮時，海水動能轉化為勢能；而對應的在退潮時，海水的勢能又將重新轉化回動能。目前對潮汐能的能源利用形式主要是潮汐能發電（tide power），如圖1-13所示為利用潮汐能進行發電工作過程的簡單示意圖，其工作過程可簡述如下。

①通過建造攔水壩，在漲潮時將海水引入儲存于內池，此時海水動能被轉化為海水勢能。

②在退潮時，海水勢能被釋放為流體動能，流動的海水沖擊渦輪機葉片并將動能傳遞給渦輪機形成旋轉機械能。

③最后旋轉的渦輪機帶動發電機轉子切割磁力線發電，從而最終將機械能轉化為輸出電能。

（2）波浪及波浪能發電

波浪能發電（wave power generation）是以波浪的能量為動力生產電能。海洋波浪蘊藏著巨大的能量，正弦波浪每米波峰寬度的功率P≈HTkW/m。式中，H為波高，T為波周期。通過某種裝置可將波浪的能量轉換為機械的、氣壓的或液壓的能量，然后通過傳動機構、汽輪機、水輪機或油壓馬達驅動發電機發電。

波浪能發電原理主要是將振動水波轉化為壓縮空氣來驅動空氣透平發電機發電。主要包括：①振蕩水柱式裝置、②擺式裝置及③聚波水庫式裝置三種主要形式。以①振蕩水柱式裝置為例，如圖1-14所示，其工作原理可簡單描述如下。

①當波浪上升時，將空氣室內的空氣頂出，被壓空氣穿過正壓水閥室進入正壓汽缸，并驅動發電機軸伸端上的空氣透平。

②當波浪落下時，空氣室內形成負壓，使大氣中的空氣被吸入汽缸，并驅動發電機另一軸伸端上的空氣透平。

（3）洋流能及洋流能發電

洋流是海水吸收太陽能及風力作用形成的常年穩定的水體流動。利用洋流進行發電的基本原理與風力發電類似，如圖1-15所示，主要利用水輪機葉片接收洋流流動的動能，利用流體動能帶動渦輪機旋轉切割磁力線發電。

（4）海洋溫差能及溫差能發電

海洋溫差能是指表層海水和深層海水之間水溫差的熱能，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。在陽光的照射下，海洋表面溫度在25℃左右，而海底1km深度的溫度大約只有5℃左右。

如圖1-16所示，其發電原理類似于一個熱機的工作過程。

①利用表層海水的高溫蒸發低沸點的工質（如液氨、丙烷等）。

②蒸氣推動渦輪機發電。

③通過渦輪機的蒸氣經過底層海水冷卻回液態，重回循環。

1.2.7　水力能、風能、生物質能、地熱能利用概述

（1）水力能及水力發電

水力能本質上主要來源于太陽能，因此可認為是一種可再生能源。水力能的形成原理如圖1-17（a）所示。

①太陽照射海面，將水汽蒸發。

②由于空氣各部分溫度不同，形成空氣對流，水蒸氣通過水汽輸送被傳遞到大陸。

③在塵埃和冷空氣作用下凝結成水珠并形成降雨。

④雨水匯集成河水，并最終流入大海，形成水力循環。

利用水力能進行發電的原理過程如圖1-17（b）所示，可簡單描述如下。

①利用筑壩攔水的方式積累水的勢能。

②發電時，將水放出，水從高處往下流動時，蘊含在水中的勢能轉變為動能。如1kg水從100m的高度落下將釋放mgh≈1000J的勢能并轉化為動能。

③流動的水推動處于下游的水輪機葉片，將動能傳遞給水輪機。

④水輪機帶動發電機發電。

其對應的能量轉化過程為，首先利用渦輪機將流體機械能轉化為旋轉機械能，最后利用發電機將旋轉機械能轉化為輸出電能。

（2）風能及風能發電

從本質上講，風能的形成過程主要也是來源于太陽的輻射能。一方面，從縱向上講，當太陽照射地表并加熱地表空氣后，膨脹變輕的熱空氣上升，同時高空低溫較重的冷空氣便會流入空缺，從而形成空氣的流動。此外，地球的自轉也會促使風的形成。另一方面，從橫向上講，太陽照射地球表面，使得地球表面各處受熱不同，產生溫差，進而導致不同區域之間冷熱空氣之間的流動，如圖1-18（a）所示。風力發電原理可簡單描述為：主要是借著空氣的流動帶動葉片旋轉，再通過加速機，將旋轉的速度提升，進而推動發電機產生電力。

風機是目前用于接收風動能的主要設備，根據旋轉軸的不同風機可分為：水平軸風機和豎直軸風機兩大類型，如圖1-18（b）、（c）所示。以水平軸風機為例，其風力機的構造主要包括：①葉片、②變速齒輪、③發電機、④塔架、⑤基座5個部分。其中塔架和機座主要起固定作用。工作過程中：首先，風力推動葉片旋轉，將風的動能傳遞給葉片，其次通過變速齒輪加速轉動速度后，帶動發電機轉子切割磁力線發電。假定，風機葉片半徑為r，風速為u，空氣密度為ρ，則單位時間內風機葉片所接收到的風的動能可大概估計為p=πr²ρu³/2。

（3）生物質能及生物質能發電

生物質能指通過綠色植物的光合作用，將太陽能轉化為化學能后固定和儲存在生物體內的能量。凡是動植物衍生的能量都屬于生物質能的范疇。其具體形式泛指由生物產生的除化石燃料外的有機物質，包括：

①木材與林業廢棄物；

②農作物與農業廢棄物；

③畜牧業廢棄物；

④垃圾掩埋場，污水處理廠處理污泥所產生的沼氣；

⑤工業有機廢棄物，如有機污泥，廢塑料及廢紙等。

使用生物質能具有諸多的優點：第一，生物質能來源于空氣中CO₂，水和太陽光的光合作用，屬于可再生能源的范疇；第二，生物質能在使用過程中環保，對改善大氣酸雨環境，減少大氣中的CO₂含量有明顯效果。使用生物質能，幾乎不產生污染，使用過程中幾乎沒有SO₂產生，產生的CO₂氣體與植物生長過程中吸收的CO₂氣體在數量上平衡，因此也稱為CO₂中性的燃料；第三，生物質能源來源廣泛，便于就地利用：除了綠色作物外，包括動物糞便和生活垃圾等也可作為燃料。

圖1-19以垃圾掩埋場生物質能發電為主大致展示了利用生質能發電的方法：

①在垃圾填埋區域埋設生質氣體收集管路，收集生物質氣體；

②將收集的生物質氣體引入燃燒室進行燃燒，并給熱機提供熱量；

③利用熱機將生物質氣體燃燒熱能轉化為機械能；

④帶動發電機轉子切割磁力線將機械能轉化為輸出電能。

（4）地熱及地熱能發電

地熱是唯一一種不是來源于太陽能的可再生能源形式。地熱資源在地球上的分布主要可分為四類。

①熱液地熱能：是指地表淺處（0.4～4.5km）裂縫較多的巖層中，儲集的熱水及蒸汽。

②地壓地熱能：指在某些大型沉積盆地深處存在的高溫高壓流體。

③干熱巖地熱能：指在地殼淺層的熔巖或尚未冷卻的高熱巖體，需通過人工注水的方法才能將熱量取出。

④巖漿地熱能：指儲存在高溫熔融巖漿體中的巨大熱能。

目前應用最廣的地熱能主要為儲存在地熱田內的熱液地熱能。地熱田是地表下熱源的集中處，是地熱能的主要形式。圖1-20（a）簡單描述了其形成原理。

①首先，雨水降到地面，并滲入地表成為地下水。

②其次，地下水經過地熱加熱后，大部分熱水會儲存在滲透性良好的儲集層，即形成地熱田。

③最后，小部分熱水會繼續上升，涌出地表，形成溫泉或噴氣孔。

利用地熱能進行發電的過程如圖1-20（b）所示。

①從地熱儲集層引出熱水和蒸汽。

②通過汽水分離器分離出熱蒸汽。

③熱蒸汽推動渦輪機將流體動能傳遞到渦輪機。

④渦輪機帶動發電機轉子切割磁力線發電，將旋轉機械能轉化為輸出電能。