可再生能源浅谈论文

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可再生能源浅谈——研究性学习高一10班王浩然杨帆胡玥许光灿吴逸飞李郅萱

一、太阳能

太阳能以其丰富的储量和获取途径的方便，可以称得上是取之不尽用之不竭的。太阳能直接利用主要是通过其光和热，但是不易转变成为机械能。电能以转化形式多样、方便的特点，可以作为传输能量的最方便的形式，因此为了更充分地利用太阳能，需要将太阳能先转化成电能，再转化为其他形式能量。而从太阳能到电能这一步，如果能尽量降低能量损失，减少成本，提高转化率和转化速率，那么就可以将太阳能作为现有的能源【特别是化石能源】的替代品。

太阳能转化为电能可以有两种途径，第一种是直接转化，第二种是借助中间物质转化

1.直接转化——太阳能电池

原理：光电效应

在因为光具有能量，在光子的激发下会有电子定向移动形成电流。光子的能量大于电子的逸出功时，电子就会逸出金属原子表面，大多数会沿垂直金属的方向运动【因为不确定性原理所以并不是所有】。只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。

太阳能电池就是通过吸收光子并把原子中的电子击出轨道来产生电场的。其材料需要具备以下特点：首先是很强的吸收光的能力，不能有过多的反射；其次是原子内部金属键要比较弱，这样电子的逸出功比较低，才容易被打出；再次材料本身要有一定的导电性，这样才能在外接负载后形成闭合回路，并且不至于生成过多的热能【内阻过大时内电路消耗的能量会过大，降低效率】

现有的太阳能光伏电池包括硅太阳能电池、多晶体薄膜电池、有机聚合物电池、纳米晶电池、有机薄膜电池、染料敏化电池和塑料电

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池。现在用的比较多的是硅太阳能电池，包括单晶硅和多晶硅两种。单晶硅电池转化率约为26%，是现有的光伏电池中能量转化率最高的，但是造价太高；而多晶硅提取较单晶硅简单，造价相对较低，但是转化率远不如单晶硅。

总体来说太阳能电池的技术条件还不够成熟，急需造价相对较低的优良材料。纳米技术和有机聚合材料的应用也可为这种材料的发现提供思路

2.间接转化——水的光解+燃料电池

这个思路借用的是中间物质水、氢气和氧气，通过其吸放热来进行能量转化

首先是通过水的光解来生成氢气和氧气。这个说起来比较简单，但实际操作并不容易，因为这个反应不是自发的【自由能变化量△G>>0】，难点主要在于催化剂的选取。要使水分解释放出氢气，热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负，而价带电位则应比氧电极电位Eo2/H2O稍正。光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度【电子跃迁到导电状态所需的最小能量值】时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。Khan等提出了作为光催化分解水制氢材料需要满足：高稳定性，不产生光腐蚀【类似电化学腐蚀】；价格便宜；能够满足分解水的热力学要求；能够吸收太阳光。现有的光解催化剂有钽酸盐，铌酸盐，钛酸盐和多元硫化物，但这些催化剂不仅只作用于紫外波段，而且极易发生光腐蚀，需要进行牺牲保护，成本太高，效率低下。使用纳米技术、贵金属吸附等方法可以提高效率，但是往往成本还是太高了

水的光解类似于电解，也需要阴极阳极电解液。人们在探索这个反应的装置时花了不少努力，也有些高效的装置，比如说ht

PerfectLig光解水系统，占地小，效率高，操作简单。更先进的装置仍然要我们探索。

实际制备出氢气氧气之后就可以直接燃烧了，但是走燃烧火力发电的老路效率还是不够高，因此氢氧燃料电池的出现就是必须的了。这种装置通过将氧化还原反应分开在两极进行而让化学能直接转变成电能，提高了转化率。面临的主要问题仍然是催化剂，包括阳极的促氧化催化剂和阴极促还原催化剂。阳极的贵金属催化剂【如铂Pt】表面积大，可以吸附多种气体，并且有空余的d轨道，催化效率比较

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高，但是价格不菲。经研究发现反尖晶石【最典型的如43O Fe ，但这是不能作为催化剂的，一般的有43O Cu Fe x x -和423o O C Fe x x -】结构的物质可以作为阴极的催化剂，沉淀法很容易制取，成本不是特别高，催化效率也比较理想。

氢氧燃料电池的效率最高可以达到60%~70%，比起火力发电可谓是高了许多。但是同样面临成本的问题，推广上有难度。

二、核能

1.核能获取原理

（由于核能目前看来取之不尽，用之不竭，且与可再生能源具有许多通性，在这里姑且将其放入可再生能源中作讨论）

核能发电原理：质能公式 E=mc ²

核能的释放

有三种方式：核裂

变、核聚变和核衰

变。它们本质上都

是将核子的质量

转变成能量放出。

现已被人们广泛

利用的是核裂变，

原子弹也是核裂

变的产品之一。

可控核裂变

的基本方法是用

中子轰击重原子

（一般用铀-235）

的原子核，促使核裂变，从而释放能量。为了持续输送能量，我们所用的重原子还需要在裂变时能够释放出更多的中子，引发链式反应，像多米诺骨牌一般激发其它原子的核裂变。目前的核电站均采用这样的方法，在不很苛刻的温度和压强条件下使核裂变温和地进行，源源不断释放能量。

可控核聚变是当前核技术的尖端话题。它的基本原理是用轻原子合成较重原子并释放能量，一般采用氘和氚合成氦的方案。它的优势在于能效是核裂变的4倍，且核聚变原料的储量较核裂变原料大得多；而最大劣势在于反应极难控制。由于这个反应需要在高温高压下

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进行，而我们在地球上造不出如此巨大的压强，只能靠提高温度来弥补，因此我们需要用温度的提高来弥补压强的不足。这需要我们把温度加到几亿摄氏度，而这代表着任何容器都会汽化。目前可控核聚变理论上最为可行的一套装置叫做托卡马克装置。考虑到一般物质做的容器无法承受高温，托卡马克装置采用电磁场作为“容器”，将核子限制在电磁场圈定的范围内，实现容器的功能。

核衰变在自然中随时都会发生，只是极为缓慢。人们正将其作为一种低功率低辐射的新能源加以应用。例如心脏起搏器就利用了这个原理。

2.核能发电原理

今天，曾经神秘的核电似乎离我们越来越近了。核电从发展之初就备受关注，在能源资源日益紧张的今天，更被认为是能源可持续发展的重要组成部分。尽管历史上发生过的一些事故使得人们对于核电发展的态度更为审慎，但业内专家认为，“核能是安全的能源”这一结论并不能改变，核电的清洁效应也不容忽视。

核电站发电原理图

核能发电原理其实与火力发电相似。核能产生的热能会通过一回路的水将二回路的水转化转化成水和蒸汽的内能，将水蒸气送入汽轮机，推动汽轮机转动，汽轮机推动发电机转动，继而转化为发电机转子的机械能，最后转化为电能。具体来说，核燃料在反应堆设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地生产出来，并可以通过电网送到四面八方。

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我国早在1956年就明确指出，用原子能发电是动力发展的新纪元，是有远大前途的。1991年年底，由我国自主设计建设的秦山核电站投入运行，实现了我国核电零的突破。1994年，大亚湾核电站全部并网发电。2007年田湾核电站正式投入商业运行。目前世界首批

AP1000核电机组正在我国建设之中。

AP1000，即先进非能动压水堆，是具有代表性的第三代核电技术。值得指出的是，在各种能源链中，包括煤、石油、太阳能、水力、生物质、风和核能链中，核能链排出温室气体是最小的。

核电的清洁效应十分明显，它不像化石燃料发电那样排放污染物质到大气中，因此不会造成空气污染，也不会产生二氧化碳。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，核能发电所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座装机容量为100万千瓦的核能电厂一年只需30吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送，可减少运输能耗和污染。

核工业和核能发展的历史表明，核工业是安全的工业，核能是安全清洁的能源。但安全仍是核电发展的生命线，因为任何较大的事故都可能严重影响核能的可接受性——2011年日本福岛核电事故就重

创了许多人对核能的信心。确保核安全，积极推进放射性废物管理，是保证核能顺利发展的关键。

三、风能

风是地球上的一种自然现象，通常是指空气水平方向的运动。空气总是从压力大的地区流向压力小的地区。在相邻的两个地区，空气压力差越大，空气流动就越快，风也就越大。而气压的差别又往往与温度有关，受热的空气膨胀而上升，周围较低温度的空气就会流过来补充。例如在夏天的海

边，白天陆地空气升温

快，海面的空气流向陆

地，风从海洋吹向陆地；

到了晚上，陆地空气降温

快，陆地的空气流向海

洋，风从陆地吹向海洋。

其实，风能也是太阳

能的转化。在太阳光的照

射下，地球表面各地区因

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受热强度各不相同，温度差异很大。由温差而产生大气压力差，从而引起大气的对流运动，形成风。

风的能量是很大的。太阳辐射到地球表面的能量约有2%转化为风能，全球的风能约为2.74×兆瓦，其中可利用的约为2×兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量大10倍。全世界每年烧煤产生的能量，只有风一年提供能量的1/3000。仅接近陆地表面200米高度内的风能，就大大超过全世界每年从地下开采的各种矿物燃料产生能量的总和。

与石油、煤炭等传统的矿物燃料相比，风能清洁干净，不会产生污染，可以再生，永不枯竭。而且风能开发利用越多，空气中的飘尘与降尘越少。另外，风能的开发也比较灵活，无论海边、平原，还是山区，都可建设风电站。

1.古人怎样利用风能

人类利用风能的历史十分久远，风能是继人力和畜力之后，人类最早开始利用的动力之一，人类早期利用风能的标志是风帆和风车。

我国是世界上最早利用风能的国家

之一。公元前数世纪，我国人民就利用

风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆

推动船舶前进。宋代是我国应用风车的

全盛时代。到了明代，我国的帆船更是

名扬四海。六百多年前，我国著名的航

海家、外交家郑和曾率领一支当时世界

上最庞大的帆船队七下西洋，访问了三

十多个国家。

公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。11世纪，风车在中

东已获得广泛应用。13世纪，风车

传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可

缺少的机械。直到蒸汽机出现，欧

洲风车数目才下降。最著名的风车

国度就是荷兰了。现在，荷兰全国

还保留着几百台旧式风车，成了著

名的景观。

2.现代风力发电

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目前对风能的利用，主要是把风能转化为机械能，然后再转化为电能。风力发电的关键设备是风力发电机。它主要分为两类：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

水平轴风力发电机的风轮转轴与地

面平行，就像常用的电风扇一样。目前

商用大型风力发电机组一般就是用的这

种。根据蜂拥而上叶片的多少，水平轴

风力发电机又可分为单叶式、双叶式、

三叶式、和多叶式等。

垂直轴风力发电机的风轮转轴与地

面呈垂直状态，叶片绕垂直轴线旋转。

虽然从原理上说，都是把风力的机械能

转化成电能，但垂直轴风力发电机和他

的水平轴兄弟可一点儿都不像。垂直轴风力发电机取消了长长的风能叶片，个头小，噪音小，不用一直向着迎风方向，效率更高。小型的垂直

轴风力发电机甚至可以直接坐落在

高层建筑上。

根据目前的技术，大约三米每秒

的微风就可以用来发电。现在，世界

上风电总装机容量大概有57000万千

瓦。“风车之国”荷兰没能保住自己

在风能利用领域的领先地位。截至

2011年底，中国全年风力发电新增装

机达1800万千瓦，累计装机容量达

到6500万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，创年装机容量新纪录，相当于新建十五座大型发电厂。

3.我国的风力发电

我国风能资源比较丰富，适合风力发电的区域非常广阔，特别是东南沿海和西北草原地区。这些区域的年平均风速分别达到每秒6-8米和4-6米，具有相当大的开发、利用价值。

我国从20世纪80年代开始兴建大型风电场，现在已经在新疆、山东和东南沿海地区建设了多个大型风力发电厂。2011年，我国风力发电总装机容量达到6500万千瓦，年新增装机容量达到1800万千瓦，新增装机数大约是2005年总装机容量的30倍，已经跃居世界第一位。目前，我国风电装机容量较大的省区包括新疆、内蒙、广东和

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辽宁。在新疆达坂城，高高的

风车已经成为当地一大景观。

光是达坂城一个风电站的发

电量，就足够乌鲁木齐地区用

半年。科学家建议，新疆应该

建设更多的风力发电站，除了

能为西部开发贡献能源，还能

有效减缓风速，减轻华北沙尘

暴的困扰。

我国的首个海上风电站将矗立在上海附近海域。据初步估算，上海的海上风能储量达4700万千瓦。上海市可建的大型海上风电场场址包括奉贤海上风电场、南汇海上风电场和长兴岛、横沙海上风电场。国内最大的海上风电项

目---东海大桥海上风电

场，于2010年建成，年

发电量达到 2.6亿度左

右。“十一五”期间，上

海形成了20万-30万千

瓦规模的风力发电场。上

海最大的垃圾填埋场

----老港，已经开始建设

上海华港风力发电一期

工程。预计，它一年可发电4696万度。与相同发电量的火电相比，该项目每年可节约11758吨标准煤，减少燃煤所产生的二氧化硫188.4吨，一氧化碳2.7吨、氮氧化合物106.3吨、碳氢化合物1.08吨、烟尘106.3吨，减排温室效应气体二氧化碳2.52万吨、灰渣2823.1吨，还可节约用水10642吨，是名副其实的绿色电能。

四、生物能

微藻制油是一种新型的获取生物能源的途径。根据数据对比，每英亩微藻所能创造出的能源相当于3000加仑石油，是每英亩大豆的50加仑的60倍。我们可以从四个角度分析这一新式能源生产方式：生物技术、环境影响、工程技术和经济效益。

1.生物技术

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微藻生物能的生物技术相对于其它三个方面来说已经比较成熟，也是最简单的研究领域。

微藻是指一些微观的单细胞群体，是最低等的、自养的释氧植物。它是低等植物中种类繁多、分布及其广泛的一个类群。无论是在海洋、淡水湖泊等水域，或在潮湿的土壤、树干等处，几乎在有光和潮湿的任何地方，微藻都能生存。若要大规模地利用藻类生物质来制取生物柴油，就必须保证有充分的藻类生物质。

目前藻类的来源主要有2个途径，意识收集湖泊、河湾、水库、池塘等富营养化水体中天然生长的大量浮游藻类；二是人工户外养殖制备，这也是获取藻类生物质的最主要和最有效的方法。通过培养的微藻吸收二氧化碳，并进行光合作用，最终形成生物柴油、类胡萝卜素等衍生品，可将二氧化碳变废为宝。

美国作为微藻制油技术开始最早的国家，从1976年起就致力于这方面的研究。现在加州大学的研究小组已在旧金山湾铺设了若干个微藻试验封闭系统。

可以说，微藻生物技术是影响其他角度的基础。如何养殖微藻？如何收集微藻？如何使他们和自然环境的冲突最低？如何降低成本，获得最大的经济效益？下面我们就来分析这些更加复杂、重要的问题。

2.环境影响

想必大家对太湖、巢湖等地的水质富营养化而导致的生物污染印

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象深刻。笔者曾在夏天蓝藻泛滥的时候去过太湖，景象令人堪忧：为了防止蓝藻扩散，人们在湖边用围栏围起了一块块的水域，并在岸边加上了过滤系统，让绿油漆一样的湖水喷出湖面再落回去，以求清理顽固的蓝藻，更加可怕的是蓝藻繁殖和鱼类死亡发出的腐臭……试想一下，如果养殖微藻不当，也会出现这种情况，对于环境影响考虑的必要性就不言而喻了。

现在微藻养殖的主要途径有两个：开放式赛道池塘培养和封闭式光生物反应器。两者的区别如下表：

现在我国上海、西班牙和美国所利用的都是封闭式光生物反应器方式培养绿藻。其中加州大学的实验组所采用的方式颇为可效。其中相关要点有以下三条：

(1)为了处理旧金山每天排出的废水，发挥本系统最大效益，使用淡水生微藻；

(2)为了防止封闭系统泄漏造成水体污染，使用淡水生微藻，在旧金山湾的近海开辟微藻田。一旦系统泄漏，微藻在海水内不可生存，解决后顾之忧；

(3)为了保证系统规模和稳定性，在近海地区进行养殖。

我国海岸线长而曲折，具有通过此种手段培养微藻的有利条件。另外鉴于我国淡水水域污染严重，着实不可再在淡水水域开展这种大型工程。因此在长三角入海口、渤海湾、胶州湾等未被开辟为大型渔场或旅游景点的海域十分可行。

3.工程技术

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在两种培养方式的差别一览表中我们可以注意到，封闭式光生物反应器需要大量二氧化碳，而单纯的反应系统无法及时供给，由于最好的养殖容器由地膜塑料，即聚乙烯制成，很可能导致微藻缺少养料而死亡。现有的解决方式是一种循环器。一个循环器能够同时调控多个微藻系统的空气循环和水循环，并且能及时收集微藻，避免因为过度繁殖导致的大量死亡。

循环器实物图：

系统概念图：

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该循环气能够在水循环的同时将外界空气打入，并在收集一茬微藻之后再度开启循环。据研究显示，如果使用城市废水的话，最好的周期为一天一循环。

4.经济效益

完整的近海微藻能源养殖系统设想图：

其中除微藻养殖外，还需要风力发电（“田垄”上旗杆一般的东西）和波浪发电（画面右边黄色筒状物）设施供给循环器电能。微藻养殖下方的水域进行贝类等高价值水生农作物养殖。如图所示：

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可以说，这将是一个高效集约的能源兼农业生产系统。但是我们在实践的过程中必须注意：这个系统的中心将是微藻养殖，不能让其它的经济活动冲击其重要性。另外还应当注意和该地域其它经济实体的冲突。

五、小结

旧金山湾的这个设想中的微藻能源系统兼发电、制油、水生作物养殖和处理城市污水于一身，据估计，它每天不仅仅能够完全处理旧金山的城市污水，还能够供给20%的燃油需要。这将是多么大的效益！微藻所能做到的已经不仅仅是制油，它将推动清洁能源的集约型生产和相互供给，为排污治污做出巨大贡献，保护空气和水体，推动全球的可持续发展。因此微藻制油技术的发展，是十分必要，同时也是十分乐观的。

微藻制油的各项技术在现在看来都比较成熟。因此当前发展这一可再生能源的最大问题就是如何整合这些技术。中国的新奥集团正在致力于这一技术的长足发展，我们相信在不久的将来，微藻制油技术一定会发展到更大的规模，惠及千家万户。

五、海洋能

1.定义

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。

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2.特点

海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。一望无际的大海，它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里，不像在陆地和空中那样容易散失。

海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。

海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。

海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。

3. 能量形式

海水温差能是一种热能。低纬度的海面水温较高，与深层水形成温度差，可产生热交换。其能量与温差的大小和热交换水量成正比。潮汐能、潮流能、海流能、波浪能都是机械能。潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比。波浪的能量与波高的平方和波动水域面积成正比。在河口水域还存在海水盐差能（又称海水化学能），入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差，若隔以半透膜，淡水向海水一侧渗透，可产生渗透压力，其能量与压力差和渗透能量成正比。

温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度低，其效率仅有3%左右，而且换热面积大，建设费用高，各国仍在积极探索中。

潮汐能指在涨潮和落潮过程中产生的势能。潮汐能的强度和潮头数量和落差有关。通常潮头落差大于3m的潮汐就具有产能利用价值。潮汐能主要用于发电。据世界动力会议估计，到2020年，全世界潮汐发电量将达到1000-3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站，发电能力24万千瓦，已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站，总容量达到3000千瓦。

近海风能是风能地球表面大量空气流动所产生的动能。在海洋

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上，风力比陆地上更加强劲，方向也更加单一，据专家估测，一台同样功率的海洋风电机在一年内的产电量，能比陆地风电机提高70%。风能发电的原理：风力作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。我国近海风能资源是陆上风能资源的3倍，可开发和利用的风能储量有7.5亿kW。长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿是我国最大风能资源区以及风能资源丰富区。资源丰富区有山东、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

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所产生的能量，是另一种以动能形态出现的海洋能。海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似。全世界海流能的理论估算值约为10^8kW量级。利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料，计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X10^7kW。属于世界上功率密度最大的地区之一，其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度为15～30kW/m²，具有良好的开发值。特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密度在20kW/m²以上，开发环境和条件很好

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，是以化学能形态出现的海洋能。主要存在与河海交接处。同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。据估计，世界各河口区的盐差能达30TW，可能利用的有2.6TW。我国的盐差能估计为

1.1×10^8k W，主要集中在各大江河的出海处，同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先，中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上，对盐差能这种新能源的研究还处于实验室实验水平，离示范应用还有较长的距离。

4.面临的问题

很多海洋能至今没被利用的原因主要有两方面：

(1)经济效益差，成本高。

(2)一些技术问题还没有过关。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f70j.html