（1）通向未来能源的桥梁——煤炭

煤炭是能源世界的主将，它被誉为工业的食粮。煤因为浑身乌黑，所以古人称它为“乌金石”，煤的形成是大自然的造化。

我国劳动人民发现和利用煤炭比欧洲人早1800多年。古人刚发现煤炭时，不是用它来生火，而是以它当墨写字，据说“煤”字的读音就是“墨”字变来的。后来，有人看到它与木炭的形态很相像，就试着把它与木炭一同放进火里烧，果然，黑石头烧红了，而且比普通木炭烧得猛烈，烧得持久。从此，人们就挖掘煤炭来代替木炭生火。

地球上的化石燃料的地质总储量中，煤炭约占80%。目前，世界上已有80多个国家发现了煤炭资源。全世界煤炭地质总储量为107500亿吨标准煤，其中技术经济可采储量为10391亿吨。

当前世界能源年消耗量中，煤炭仍占三分之一。世界能源发展史现正进入一个新时期，石油的黄金时代即将告终，大量增加煤炭的生产和利用已是当务之急。

在各类能源中，今后20年内可大量增产和弥补石油不足的能源是煤炭，煤炭成了过渡到21世纪可再生能源和核能为主的未来能源的桥梁。预计到2000年，全世界煤炭的总需要量将由1977年的25亿吨标准煤增加到60~70亿吨标准煤，当年的煤炭总量将达68亿吨标准煤。

但大规模开发和利用煤炭，将面临着一系列新问题。例如，露天开采会破坏土地，使矿井地面塌陷。矿井和选煤厂废水污染，煤矿石处理，烧煤产生大量二氧化碳会造成温室效应，影响气候等。另外，煤炭给运输也带来一些问题。

尽管如此，随着时间的推移，世界石油资源日趋短缺，水电资源开发殆尽，以及环保技术的进步，现代经济对煤炭的需求仍将增加。据联合国欧经会预测，世界煤炭的需求和贸易，在今后20年中将呈逐渐上升趋势。全球硬煤的消费量在2000年前每年平均增长1．3%（每年增加5000万吨），从2000年至2010年每年平均增长1%（每年增加3000万吨）。

世界八大产煤国（中国、美国、俄罗斯、乌克兰、德国、波兰、印度、澳大利亚），在今后的20年中仍将生产世界煤炭产量的85%。

世界八大产煤国的煤炭出口量占全球煤炭出口量的80%。

煤炭的国际能源战略地位日益增强的主要原因是，亚洲地区经济增长速度将比世界其他地区要高，经济增长在很大程度上依赖于能源供应的增加。

迄今，煤在亚洲许多国家和地区的能源结构中仍占有很重要的地位，在未来的5~8年内，韩国、印尼、泰国、印度、中国和中国台湾省等，对煤的需求十分迫切。

在未来100年内，煤炭不可避免地仍将是一种主要能源。我们的任务是寻求更有效的、环境可接受的途径，使每吨煤发更多的电，减少污染物的排放总量。煤炭的综合利用是今后的发展方向，现在世界各国正在执行清洁煤技术计划，这将是造福人类的伟大举措。

（2）工业的“血液”——石油

石油混身是宝，是当今世界的主要能源，它在国民经济中占非常重要的地位。

首先，石油是优质的动力燃料的原料。汽车、内燃机车、飞机、轮船等现代交通工具都是用石油的产品——汽油、柴油作动力燃料的；新兴的超音速飞机、导弹、火箭，也都以石油提炼出来的高级燃料为动力的。

石油也是提炼优质润滑油的原料。一切转动的机械的“关节”中添加的润滑油都是石油制品。

石油还是重要的化工原料。石油化工厂利用石油产品可加工出5000多种重要的有机合成原料。常见的色泽美观、经久耐用的涤纶、尼纶、腈纶、丙纶等合成纤维；能与天然橡胶相比美的合成橡胶；苯胺染料、洗衣粉、糖精、人造皮革、化肥、炸药等等都是由石油产品加工而成的。

石油经过微生物发酵，还可以制成合成蛋白。它是利用一种爱吃石蜡的嚼蜡菌，放在石油中的嚼蜡菌吃食石蜡后，会以惊人的速度繁殖起来。嚼蜡菌自身含有丰富的蛋白质，每公斤菌体含有相当于20只鸡蛋所含的蛋白质。

如果将目前世界上年产30多亿吨石油中的石蜡（约占10%）的一半制成蛋白质，一年就可制得1．5亿吨人造蛋白，这是十分可观的人造蛋白资源。现在，人们已经用嚼蜡菌体作为饲料。不久将来，它们会被用来制作味道鲜美、营养丰富的食品，送上餐桌。

石油浑身都是宝。就连炼油最后剩下的石油焦和沥青也都是宝贝。石油焦做炼钢炉里的电极，可以提高钢的产量；还可用它作为制造石墨的原料。沥青则可以制作油毡纸或铺路。

石油被人们誉为工业的“血液”，是名不虚传的。地球上蕴藏着丰富的石油，据估计它的蕴藏量为1000多亿吨，其中海洋里蕴藏着700多亿吨左右。

尽管人们认识石油的模样，但由于它埋藏在地下，要探寻它不是件容易的事，而我们的祖先早就总结了许多寻找石油的宝贵经验。

最简单的办法是通过追寻石油露出地面的蛛丝马迹，以找到它的藏身之地。例如，含石油的岩石受侵蚀露出地面或油层产生断裂，石油沿裂缝流出地面，有时漂在水面形成五光十色的薄膜，这就是油苗，发现了它，可跟踪追击到地下，找到油田。

天然气往往与石油共生，因此通过发现池沼、河道或水坑里冒出的水泡，可判断天然气苗，从而找到石油。

石油开采有时，在一些地方发现被石油浸过的疏松砂子，这就是油砂，找到了它就可顺藤摸瓜找到石油。

还有，地下深处的石油，沿着岩缝升到地表，轻成分挥发后，留下的成分聚集成沥青丘，找到了它也就有了找到石油的希望。

除这些简易的探油办法外，近代采用了先进的勘查技术，可以迅速而准确地找到石油。这些探查方法有：地球物理勘探法、地球化学勘探法、新型遥感勘探法等。特别是在人造地球卫星上安装了遥感器后，通过远距离摄影，以及电子计算机数据处理，可以进行大面积探寻石油。

人类发现和利用石油的历史，十分悠久。

我国的劳动人民早在3000多年前就开始利用石油，在古书«易经»里就有利用石油的记载。2000多年前，我国开采石油作燃料和润滑剂，到11世纪，我国开凿了第一批油井，并炼制出粗石油产品——“猛火油”，还加工制取了其他石油制品（例如炭黑、石蜡、沥青等）。

我国北宋著名科学家沈括在他的名著«梦溪笔谈»中，首先使用了“石油”这个科学的名词，在此以前人们都把石油称作石蜡水、石漆等。沈括还提出了石油生存环境和发展前景的科学理论和预测。

目前，世界上对常规能源资源的储量是否有限，也存在着不同的论点。甚至有的科学家认为石油和天然气储量并非是有限的，对石油是由有机物质形成的传统观念提出了严重的挑战。这部分科学家提出了无机生成石油理论。他们认为，碳氢化合物可在地幔深处产生，并沿裂缝周期性上升；不仅在沉积层内，而且在岩浆岩和多孔火山岩内积聚。为了证明无机成油理论，已经有科学家通过实验室模拟地幔深处条件，无机合成出了石油。另外，在绝无生命存在的空间星体上，也已发现类似于石油和可燃气的物质。这似乎在证明无机生成石油的理论并非是没有根据的。预计，无机生成石油理论在未来将是能源科技发展前沿的重要依据。如果这一理论得以验证，油、气资源则将不是像有人预测的那样在今后30~60年会枯竭，而是可为人类服务更长的时间。

另外，随着科学技术的进步，能源勘探技术日趋发达，使得人们对能源资源的勘探储量每年都有增加。

最近，美国在加利福尼亚湾海底盆地发现了“年龄”仅三四千年的“新鲜”石油，经科学家用先进的放射性碳-14测定法鉴定，证实其“年龄”为4240岁，其中最年轻的石油的“年龄”只有500岁。这些“新鲜”石油产于浅海盆地之下，周围的沉积物为半公里厚，虽然因不具备储油条件，没有开采价值，但它高效率的转化过程，为科学家研究石油生成提供了绝好的样本。

随着现代工业的发展，人类社会对能源质量的要求不断提高，石油在世界能源结构中，仍占有举足轻重的地位。特别在世界各国工业化进程中，石油作为优质能源得到优先开发。目前世界总能耗中石油占48%，到2000年仍将占40%。

世界上采油工业已有100多年历史，80年代以前，世界石油产量不断上升，1979年达到32亿吨的高峰。最近几年，世界石油产量有所下降。1982~1985年的平均年产量约为28亿吨。1993年世界石油产量达29．81亿吨，比1992年下降0．6%。

1973年以前，一些工业发达国家利用廉价石油，支撑着它们高速发展的经济。1973年爆发了第一次世界性石油危机。石油大幅度涨价，这大大刺激了世界石油勘探和开采业的发展。1979年发生了第二次世界性石油危机，石油再次发生世界性涨价。石油涨价促进了石油产量的增加。

1986年开始，出现了世界性的石油价格大幅度下跌，这对石油勘探和开采业是很大的打击。首先是石油勘探业变得不景气，致使新发现的油气储量急剧下降。

目前，全世界油田共有12500个，其中超巨型①和巨型油田②仅占油田总。

①超巨型油田为石油储量在14亿吨以上。

②巨型油田为石油储量在1400万吨以上。

数的2．9%，但它们的储量之和则占世界总储量的80%。

我国1993年原油产量居世界第五位。居世界前十位的国家依次是：沙特阿拉伯39907万吨；独联体39220万吨；美国34480万吨；伊朗18200万吨；中国14477万吨；墨西哥13317万吨；委内瑞拉11659万吨；挪威11237万吨；阿联酋10946万吨；尼日利亚9479万吨。

（3）干净的能源——天然气

天然气通常指天然气田、油田伴生气和煤田伴生气。早在3000多年以前，在我国古书«易经»中就有关于油气的记载。

我国古代把天然气称作“火井”。据晋朝«华阳国志»记载，早在秦汉时代，我国不仅已发现了天然气，而且开始发掘和利用天然气，如书中记载了在四川以天然气煮盐的情景，这比英国（1668年）要早1800年。用天然气煮盐，在四川一直延续到现在。

在常规能源中，天然气是一种干净而且开采比较方便的能源。天然气不但不经加工即可直接作为燃料，供发电、供暖、炊事之用，而且是宝贵的化工原料，用天然气可以制备上百种化工产品。

以天然气作为能源的最诱人之处是，用它作燃料有以下好处：生产天然气的成本比生产烟煤低97%；开采天然气的劳动生产率比开采烟煤高54倍，比开采原油高5倍；开采和运输天然气的投资比开采和运输原油低4%，比开采运输煤炭低70%；以天然气作燃料，可提高用气的工业部门的劳动生产率，降低能耗和产品损耗；将铁路和航运所用的固体燃料改用气体燃料，能提高运输能力，降低费用，提高劳动生产率；天然气作燃料可简化生产程序，实现自动化，减轻劳动强度。以天然气作燃料的最大优点是，它在11种能源中对环境污染和危险度最小，它的广泛应用可改善卫生条件。

随着世界经济的发展和对环境保护要求的不断提高，天然气作为一种优质能源逐渐受到各国的重视。截至80年代底，天然气在世界一次能源的总需求量中占1/5。目前，许多国家只处在发展天然气的初始阶段，只有少数国家（如独联体、印尼、挪威、阿尔及利亚和马来西亚等）出口天然气。

预测表明，世界天然气需求量将从1990年的21070亿立方米增长到2000年的24581~26762亿立方米，到2010年上升到29056~33870亿立方米。90年代平均增长率为1．55%~2．42%。

今后的20年里，发展中国家天然气消费量增长速度最快，平均每年递增3%，而经合组织成员国为2%，美国则为1%。

天然气占世界能源的比重将从1990年的20%上升到2010年的25%。预计，天然气和液化天然气的供应将持续增长，亚洲的长势最猛。

随着天然气的倍受重视，天然气适用技术也开始发展起来。首先是燃烧天然气的电厂日益增多。例如，美国正在新建许多烧天然气的发电机组，由于它的良好的环境效应，被列为实现«美国洁净空气法»第一阶段的重要措施之一。

一些工业发达国家正在积极开发天然气汽车，认为可以用压缩天然气作为城市公共汽车、轻型汽车和私人小汽车的燃料。据美国天然气协会预测：1991~1996年，美国将有420万辆小汽车和卡车用压缩天然气做燃料。日本也开发出了天然气汽车，西部煤气公司研制出的天然气汽车，CO2排放量减少20%，NOx和SOx亦大幅度下降，一种专烧天然气的客车，充一次气可行走170公里。

此外，天然气空调机也已进入国际性试验阶段。天然气空调机与常规含氯氟烃的空调机相比，不仅成本低、运行费用少，而且不会排出破坏臭氧层的有害气体，对保护环境有利，还不消耗电力。天然气空调机是以锂溴溶剂为介质，当空气在天然气制冷装置内干燥后，直接与锂溴溶剂接触，然后再与干净的清水接触，这样不仅可得到冷空气，同时也可去掉霉菌、花粉和病毒等，从而就不会出现使用常规电空调机所带来的“致人疾患的空调综合症”。锂溴溶剂可循环使用，所以运行费用较低。

随着各国对天然气资源应用前景的越来越乐观的估计，它的探明储量正在不断扩大。1993年世界无然气探明储量达142万亿立方米，比1992年增加2．7026万亿立方米。天然气储量居世界前十位的国家依次是：独联体565151亿立方米；伊朗206590亿立方米；卡塔尔70750亿立方米；阿联酋57901亿立方米；沙特阿拉伯52457亿立方米；美国46699亿立方米；委内瑞拉36479亿立方米；阿尔及利亚36224亿立方米；尼日利亚33960亿立方米；伊拉克30989亿立方米。

近年来，一些国家在近海的海底发现了天然气水化物，这是一种新型能源。例如日本已在北海道近海发现蕴藏量丰富的天然气水化物，日本政府打算在今后10~15年内开发利用这种新能源。

我国已开发的天然气资源极少，我国天然气探明储量只为世界天然气探明储量的1%，这是与中国幅员广大的实际情况不相符的。有专家认为中国的天然气资源至少应与美国一样丰富，但目前美国的天然气产量约为中国的40倍。专家预料，中国可能是一个具有潜在天然气资源的国家。某些最大的沉积构造，可能位于鄂尔多斯和四川盆地。

我国已决定兴建陕甘宁天然气进京工程，从1997年开始，第一期每年可向北京供气10亿立方米左右。天然气进京替代大量燃煤，空气中的粉尘、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物，以及废渣的排放量会大大减少，整座城市的大气环境质量将基本达到世界卫生组织规定的标准。

（4）被人遗忘的能源——油页岩

油页岩是一种可燃矿物，外表呈褐色，这种石头里含有石油的成分，可以燃烧，但发热量比煤低，每千克油页岩燃烧时只能发出几百到几千千焦热量，灰分含量较高，油页岩一般比煤重。

油页岩的成因，与煤和石油的形成有类同情况。近海和沼泽盆地里的动植物，在地壳变动中随着泥沙一起埋入地层深处，经过几千万年的演变，才成为今天发掘出来的油页岩。现代开采出来的油页岩矿中，常常发现乌龟、古树等动植物化石就是它身世的佐证。

通常的石头，人们无论如何也无法熬出油来的，但油页岩却可以通过加热干馏等办法，熬出油来。从油页岩身上熬出来的油呈黑褐色，略带绿色荧光，成分与石油相似，这便是页岩油。不过人们习惯称它为人造石油。

油页岩资源是比较丰富的。有人估计，如果把世界油页岩的已知可采储量折算成页岩油的话，则其总量要超过世界石油的总可采储量。

然而，油页岩的开采和利用曾一度被人们所遗忘，有人称它为被遗忘的能源。这是什么缘故呢？这要从世界能源开发历史中寻找答案。尽管油页岩开采利用的历史悠久，但由于世界性大规模开采廉价石油，油页岩就被渐渐地遗忘掉了。

我国油页岩资源十分丰富，远景储量达二万亿吨，相当800亿吨页岩油。仅广东茂名矿田可采储量就有50亿吨，相当于3~3．5亿吨页岩油。

从事能源发展战略研究的专家预计，随着石油的世界性大量消耗，不久将会遇到资源短缺的问题，人造石油的地位将会越来越显得重要。美国、前苏联、巴西、澳大利亚都蕴藏着大量的油页岩，这些国家都制定了本国加快发展页岩油工业的计划。美国计划到本世纪90年代，页岩油的产量最高达每天30万桶。从世界范围看，页岩油工业在今后一二十年内将会有较大的发展。

（5）用之不竭的“液煤”——水能

水能开发利用的历史也相当悠久。早在古代，我国劳动人民就发明了“水磨”、“水碾”。现代广泛采用的水力发电是人类对水能利用的高级阶段。

水能是一种廉价的能源资源，而且还是干净的能源。水能的开发利用一直受到世界各国的重视，将它放在优先开发的地位。

世界上某些国家水能资源的开发情况——美国水电装机容量居世界第一位据1992年1月1日统计，美国已开发和未开发的常规水电站共7261座，装机容量共计14670万千瓦，年发电量5294亿千瓦时。另外，已开发和已调查的抽水蓄能电站有87处，共4750万千瓦。常规水电站和抽水蓄能电站合计可开发水电装机容量19420万千瓦。

1992年初统计，已建常规水电站2304座，共计装机7349万千瓦，年发电量3066亿千瓦时，分别占可开发数的50%和58%；已建抽水蓄能电站38座（其中18座为混合式，20座为纯抽水蓄能）共1810万千瓦。常规水电站和抽水蓄能电站合计2324座，共9159万千瓦。

已建100万千瓦以上大型常规水电站10座，大型抽水蓄能电站7座，合计17座共3110万千瓦，占总装机容量的34%。

已建3万千瓦以下的小水电站2007座，共823万千瓦，占总装机的9%。在能源危机以后，1984~1992年新建了686座小水电站。

正在建设中的常规水电站130万千瓦，抽水蓄能电站97．5万千瓦。预计，到2000年常规水电可达8020万千瓦，抽水蓄能电站2110万千瓦，合计10130万千瓦。

加拿大水电比重占全国总装机容量的一半以上，至1991年底，加拿大已建水电站6027万千瓦，占全国电力总装机容量10542万千瓦的57．2%；1991年水电发电量3053亿千瓦时，占总发电量4930亿千瓦时的61．9%。加拿大的水电装机容量虽比美国和前苏联少，居世界第三位，但水电年发电量居世界首位，水电装机年利用小时数5066小时，设备利用率较高，因其水电站同时担负电力系统的基荷和峰荷。加拿大全国可开发水电装机容量16280万千瓦，1991年已开发37%；经济可开发水能资源5930万千瓦，现利用率达51．5%。

加拿大全国12个省（区）中，魁北克省和不列颠哥伦比亚省的可开发水电装机容量分别为6812万千瓦和2739万千瓦，共计9551万千瓦，占全国的58．7%。已开发水电站也主要在这两个省，1991年底魁北克省已建水电站2809万千瓦，水电比重93．9%；不列颠哥伦比亚省已建水电站1085万千瓦，水电比重86．9%。两省共有水电站3894万千瓦，占全国水电装机容量的64．6%。

巴西水电装机容量居世界第四位，巴西1991年水电装机容量为4608万千瓦，水电发电量2490亿千瓦时，占全国总发电量的比重达95%。

巴西的水电装机容量居世界第四位，仅次于美国、前苏联和加拿大；水电年发电量已超过前苏联，居世界第三位。

巴西的理论水能蕴藏量为30204亿千瓦时/年；经济可开发水能资源11169亿千瓦时/年，仅次于我国，居世界第二位。1991年已建水电站对其经济可开发水能资源的利用率为22．3%。

巴西首先开发离经济发达地区较近的巴拉那河流域，30年来在各支流和干流上游已陆续建成10万千瓦以上大型水电站30座，共计装机容量2669万千瓦。最近在巴拉那河中游与巴拉圭边境共建的伊泰普水电站，装机容量1260万千瓦，年发电量710亿千瓦时，是当今世界上已建的最大水电站，总投资达234亿美元，为开工时估价31亿美元的7．5倍。

巴西的水电建设，很注意水库蓄洪补枯，如巴拉那河上游干支流已建水库的调节库容有1075亿立方米，加上伊泰普水库的190亿立方米，共计1265亿立方米，相当于年径流量2860亿立方米的44%，调节性能很好。

挪威能源消费中水电占一半，挪威的终端能源消费中，水电占50%，石油产品占37%，煤和焦炭占8%，木材和造纸废物占5%。

挪威现有电力装机容量2700万千瓦，其中99%是水电，仅有1%即27万千瓦的工厂备用火电机组。年发电量中99．6%为水电。

挪威按人口平均年用电量达24700千瓦时，比美国还高出一倍多。挪威水电建设的最大特点，是在高山上利用原有湖泊或建高坝形成大水库，利用它调节洪枯径流，在其下游建高水头水电站。水库调蓄电能达768亿千瓦时，相当于全国年发电量1083亿千瓦时的71%，可以进行很好的多年调节，在水电比重高达99%情况下，不论丰枯水季都能满足用户用电要求。

另一特点是在山区所建水电站，地下厂房很多。全国大小水电站约600座中，有200座的发电厂房设在地下，开挖隧洞总长度达3000公里。工程较艰巨，但较经济，工期较短。

挪威的水电站，国有的占29．1%，市镇所有的占51．5%，工厂自备和私营的占19．4%。所有水电站都自愿联入地区电网。纵贯全国南北长达1700公里的全国电网，将中部的国有水电站与南方和北方的地区电网相连，进行统一调度。国家电力局所建输电设施占90%。挪威的电网还与邻国相联，相互补充，出入相抵输出较多。

挪威水能资源的理论蕴藏量为5000亿千瓦时/年，技术可开发1700亿千瓦时/年，经济可开发1250亿千瓦时/年。现已开发1083亿千瓦时/年，还有一定资源可供开发。目前主要对早期所建老水电站进行现代化改造，扩建或重建。

日本有78%水能资源得到利用，1991年底，日本水电装机容量3912万千瓦，其中常规水电2091万千瓦，抽水蓄能1821万千瓦。常规水电年发电量892亿千瓦时，占经济可开发水能资源1143亿千瓦时的78%。

日本所建大型水电站（单站装机大于25万千瓦）包括常规水电和抽水蓄能电站共30座，合计装机1878万千瓦，占全部水电装机的48%。

其中已建大型抽水蓄能电站24座，共装机1684万千瓦，最大的是新高濑川电站，为128万千瓦。

日本所建中小型水电站比较多，共有1700多座，合计2034万千瓦，占水电装机的52%。

正在建设的常规水电站55座，共175万千瓦，都是中小型水电站。在建的抽水蓄能电站8座，共548万千瓦。调查研究中的抽水蓄能电站有44处，共可装机3．29亿千瓦。当前准备兴建的葛野川抽水蓄能电站，利用水头714米，安装4台单机容量为40万千瓦的可逆式抽水蓄能机组，将是日本水头最高、装机容量和单机容量最大的水电站。

计划到2000年水电装机将达4450万千瓦，其中常规水电2150万千瓦，抽水蓄能2300万千瓦，2010年的水电装机拟达5170万千瓦，其中常规水电2500万千瓦，抽水蓄能2670万千瓦。计划中两个10年的水电装机平均年增长率分别为1．6%和1．5%。

1992年底，独联体共有水电装机容量6436万千瓦，其中俄罗斯4257万千瓦。1992年独联体水电年发电量共2254亿千瓦时，其中俄罗斯1670亿千瓦时，塔吉克140亿千瓦时，乌克兰110亿千瓦时，格鲁吉亚100亿千瓦时，其他诸共和国分别为几十亿千瓦时或几亿千瓦时。

俄罗斯联邦、乌克兰共和国、立陶宛共和国、塔吉克共和国、吉尔吉斯共和国、格鲁吉亚共和国等均有一些规模不等的在建工程。

中国水能资源居世界第一位，我国的水能资源理论蕴藏量有6．78亿千瓦，年发电量5．92万亿千瓦时，居世界第一位，有美好的开发前景。

到1991年，我国已开发水电装机容量3788万千瓦，年发电量1248亿千瓦时，占经济可开发水电发电量的9．9%。预计，2000年我国水电总装机容量可达9000万千瓦；2000~2020年再增加9000万千瓦，到2020年累计达1．8亿千瓦；2020~2050年再开发1．1亿千瓦，将我国经济可开发水能资源全部开发出来，达到2．9亿千瓦。到那时，我国的水电发电量将雄居世界首位。

我国水电开发采取大、中、小并举的方针，重点开发黄河上游、长江中下游和红水河、澜沧江等。目前在建的规模达100万千瓦以上的有二滩、岩滩、李家峡、澋湾、五强溪等10座水电站，总规模达2000万千瓦以上。1993年在国家压缩基建规模对投资结构进行宏观调控的情况下，天荒坪抽水蓄能电站（180万千瓦）和松江河梯级电站（51万千瓦）列为正式开工项目。1994年电力部建议新开工的项目有8项（在广西红水河的龙滩、百龙滩，云南澜沧江，广东广州，吉林松花江丰满，湖北清江高坝洲，甘肃黄河小峡，安徽淠河响洪旬），共计装机容量778．4万千瓦。

此外，还有4项（在湖南沅江凌津滩，福建汀江棉花滩，贵州乌江大冲河洪家渡，四川大渡河支流南桠河）涉及外资（亚洲开发银行）的工程项目。

青海省还采取多方集资，走股份化道路来开发黄河上游水电资源。日前，“尼直康”有限责任公司在西宁召开发起人会议。将由国家能源投资公司、中国华水水电开发总公司黄河水电工程公司、西北电力集团、西北勘测设计院和青海省共同投资23．3亿元，建设“尼直康”三座（即尼那、直岗拉卡、康扬）中型水电站就是一例。合计装机容量47万千瓦，年发电量20．5亿千瓦时。

黄河上游龙（羊峡）、青（铜峡）段，据西北勘测设计研究院1993年补充规划梯级水电站24~25座，总装机容量1608万千瓦，年发电量588亿千瓦时。其中已建龙羊峡（128万千瓦）、刘家峡（116万千瓦，拟增容至130万千瓦）、盐锅峡（39．6万千瓦）、八盘峡（18万千瓦，拟扩建至25．2万千瓦）、青铜峡（27．2万千瓦）等5级；在建李家峡（200万千瓦，计划1995年开始发电）。

最近，国家能源投资公司，甘肃省与加拿大合作开发大峡（32．5万千瓦）、小峡（23万千瓦）、乌金峡（15万千瓦），再加上青海拟集资开发“尼直康”3座，合计12座水电站，总装机容量达667万千瓦，年发电量267亿千瓦时，占黄河上游梯级规划发电能力的41%和45%。黄河上游洪枯调节良好的梯级水电站，在西北电网中发挥了重大作用。

长江三峡工程是跨世纪的特大型水利、水电工程，具有防洪、发电、航运、供水及发展旅游的综合效益。

三峡工程共安装单机容量68万千瓦的机组26台，总装机容量1768万千瓦，年发电量840亿千瓦时，相当于6．5个已建成的葛洲坝水电站（271．5万千瓦），或相当于每年节省5000万吨火电用煤，还可节省1600公里运输线路。与相同的燃煤火电站相比，每年可少排放1亿多吨二氧化碳、200万吨二氧化硫、37万吨氮氧化物，以及大量废渣、废水。

三峡工程将于2008年全部建成，届时将分别向华东和华中输送600万~800万千瓦电力，它对于这两个地区能源平衡将起到重要作用。这两个地区是我国经济发达地区，随着经济的高速发展，对电力要求也迅速增长，三峡工程的建成在开发长江经济带中将起巨大的推动作用。

三峡水电工程建成之后，华东电网与华中电网实行联合运行，有巨大的错峰效益。因为华东、华中两电网最大负荷出现有季节的差异，华东电网的最大负荷出现在每年的6~8月，而华中电网的最大负荷出现在11~12月。华东、华中两电网能源结构不同，华中电网水电比重大，汛期有大量季节性电能，联网后可将部分季节性电能转化为华东电网夏季季节性负荷所需的电力，提高华东电网火电机组检修备用容量。将来全国大电网形成后，可实现跨流域水电丰枯季节互补。统一电网有着巨大的经济效益和社会效益。

（6）能源世界的“巨人”——核能

核能俗称原子能，它是指原子核里的核子（中子或质子）重新分配和组合时释放出来的能量。核能分为两类，一类叫核裂变能，它是指重元素（铀或钚等）的原子核发生裂变时释放出来的能量。另一类叫聚变能，它是指轻元素（氘和氚）的原子核在发生聚变反应时释放出来的能量。

核能有巨大的威力，1公斤铀原子核全部裂变释放出的能量，约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。一座100万千瓦的核电站，每年只需25~30吨低浓度铀核燃料，而相同功率的煤电站，每年则需要有300多万吨原煤，这些核燃料只需10辆卡车就能运到现场，而运输300多万吨煤炭，则需要1000列火车。核聚变反应释放的能量更可贵。有人作过生动的比喻：1公斤煤只能使一列火车开动8米，1公斤铀可使一列火车开动4万公里；而1公斤氚化锂和氘比锂的混合物，可使一列火车从地球开到月球，行程40万公里。

地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变资源，如果把它们的裂变能充分地利用起来，可满足人类上千年的能源需求。

在汪洋大海里，蕴藏着二十万亿吨氘，它们的聚变能可顶几万亿亿吨煤，可满足人类百亿年的能源需求。

核能是人类最终解决能源问题的希望。核能技术的开发，对现代社会会产生深远的影响。

核能的成就虽然首先被应用于军事目的，但其后就实现了核能的和平利用，其中最重要也是最主要的是通过核电站来发电。

核电站已跻身电力工业行列，是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置，通过核反应堆实现核能与热能的转换。核反应堆的种类，按引起裂变的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆。由于热中子更容易引起铀235的裂变，因此热中子反应堆比较容易控制，大量运行的就是这种热中子反应堆。这种反应堆需用慢化剂，通过它的原子核与快中子弹性碰撞，将快中子慢化成热中子。

早在本世纪50年代初，人类开始开发利用核能，诞生了核电站。经过30多年的发展，核电已是世界公认的经济实惠、安全可靠的能源。

截至1993年12月31日，全世界已有34个国家或地区的422座（堆）核电站正在运行，总装机容量为3．56235亿千瓦；正在建造的核电站有61座（堆），总装机容量为5586．6万千瓦。全世界1993年全年核发电总量为21817679GWh，核发电量占世界总发电量的17%以上。世界核电厂一览表见核能是能源的重要发展方向，特别在世界能源结构从石油为主向非油能源过渡的时期，核能、煤炭和节能被认为是解决能源危机的主要希望。为此，各国都在大力发展核电。

在能源新挑战面前，核科学家早已在寻找应战的武器，这就是已经过40多年研究开发的快中子增殖堆（简称快堆）核电站。有了它，相当于把铀资源的利用率提高了50~60倍，那样能源的供应将出现新的奇迹，在今后上千年内，人类完全可以靠快堆发电，保证有富足的能源可用。

快堆的最显著的特点是直接靠核裂变产生的快速飞行的中子来维持链式裂变反应。它以钚-239作燃料，“炉膛”里不设慢化剂，只有冷却剂（钠或氦）。在快堆中，每“烧掉”一个钚-239原子，能够使铀-238吸收中子后新生产出1．4个钚-239原子，这样在快堆中就出现了神话般的奇迹——核燃料越“烧”越多。这就是所谓的核燃料的增殖过程。

快堆开动起来之后，会不断地有铀-238吸收中子变成钚-239，经过一段时间后（例如15~20年），人们可以队“烧”过的核燃料“灰烬”中，提取出足以装备与自身功率一样大的新堆所需要的钚燃料，在此期间，快堆电站只要继续添加热堆中不能作燃料的铀-238贫料，而所得的电能却比热堆核电站还要多。人们把快堆誉为能发电的“核燃料生产厂”。

快堆实际上是核电站家族中资格最老的成员。早在1951年8月，美国建成了世界上第一座实验快堆，而且成功地作了发电试验。虽然当时它的电功率只有200千瓦。可它却是世界上最先问世的快堆核电站。

30多年来，一些工业发达的国家（如美、英、法、前苏联、日本和德国），投入大量人力、物力，耗资几十亿美元来发展快堆。目前，全世界总共有21座快堆。其中在运行的有13座，正在建造的有4座，计划建造的有7座。原型快堆已经成功地运行了十年多，已经证明快堆在技术上是可以实现的，增殖核燃料也是可能的（凤凰快堆的增殖比为1︰15）。现在电功率为120万千瓦的大型商业验证快堆正在法国运行。快堆技术已经走出了实验室的大门，正走向工业化应用的康庄大道。

各国普遍认为，快堆是发电堆的最终归宿，特别是在受控核聚变难以在今后相当长时期内工业推广的情况下，快堆发电更是重要。

但需要指出的是，快堆技术至今尚未成熟，重要原因是快堆技术本身要比热堆复杂得多，尚有不少技术关键问题需要攻克。此外，快堆的建造费用要比热堆大得多，现在快堆的造价要比同规模的热堆贵2~3倍。有人估计，当快堆的单堆功率超过200万千瓦时，经济上可能与热堆媲美。预计到下世纪初，人们一定能建造出这样的大型快堆，那时快堆电站将会在全世界推广应用。发展快堆进展最快的法国，计划从下世纪初开始，推广快堆电站工业，因此天然铀的需要量将逐步下降，从而减轻了进口能源所造成的压力。快堆必将是从热堆核电站向核聚变电站过渡的桥梁。

人类将最终解决能源需求的希望，寄托在受控核聚变的实现和推广上。核聚变能是利用氢原子核（如氘-氘或氘-氚）在极高温度（几千万度或上亿度）下聚合成较重的原子核（如氦）过程中释放出来的巨大的能量。核聚变的主要燃料是氘，可以比较容易地从海水中提取到。据推算，每升海水中所含的氘若完全“燃烧”，可产生相当于300升汽油的能量。海水中至少含有35万亿吨氘，可以供全世界享用百亿年以上。更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染，而且核聚变反应堆在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变，所以不存在失控所带来的危险。聚变能是名副其实的理想、干净的能源。但是，要使核聚变能顺从地在人为控制下为人类服务却是一件十分困难的事。为了驯服核聚变能，从50年代初开始，科学家们就热心地进行受控核聚变的研究。

全世界已有40多个国家在进行受控核聚变的研究，它们投入了大量人力和物力，建造了几百个实验装置，从事研究的科学人员约有12000多人。目前，全世界每年用于核聚变研究的费用已超过20亿美元。

经过几十年的艰苦努力，受控核聚变为什么进展如此缓慢呢？主要是因为实现受控核聚变的条件非常苛刻。首先，我们无法同时造成太阳中心那样高的等离子体密度和极高的温度，只有追求比太阳中心更高的温度来解决问题。理论研究表明，氘核的聚变点火温度达四亿摄氏度，氘氚混合气体的热核反应也要在五千万摄氏度才能进行。要创造这样的环境在技术上是困难重重的。随着新技术的开发利用，人们试用电流、激光等方法来加热气体。其次，还要使这样高的温度保持一段时间，等离子体温度越低，数量越少，密度越小，超高温保持时间就越要长。还有，超高温的等离子体，有强烈地向外扩张的特性，必须有极强的磁场来约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触，否则任何材料也挡不住如此高的温度，顷刻气化，变为乌有。要解决这些重重困难，有待于激光技术、超导技术、新材料技术等崭新技术的飞跃发展。

科学技术的进步，不断地给受控核聚变的研究带来福音，经过了漫长的接力赛跑之后，受控核聚变的研究已经到了关键的时刻。1982年12月24日，美国建成了一座有三层楼高的“托卡马克型”核聚变实验反应堆（TFTR），从设计到建成这座核聚变实验堆总共花了七年时间，耗资3亿多美元。设计这座反应堆的目的是为了实现输出能量等于输入能量，以便证明实现受控核聚变的可能性。

我国进行可控核聚变的研究也已多年，并取得一定的进展。我国建有近十个小型托卡马克受控核聚变试验装置，其中最大的是“中国环流器一号”，已于1984年9月建成，并顺利启动。经过一年多的调试，已于1985年11月16日通过国家验收，它为我国核聚变能的研究和等离子体技术的发展，提供了有效的手段。

现在，美、英、俄等国正在共同建设一座博采众长的国际核聚变反应堆，这种国际核聚变堆将采纳30年来全世界核聚变研究的成果。它的设计输出热功率为62万千瓦，真空室半径为520厘米，等离子体磁约束环形半径为130厘米，比美国新建的核聚变实验堆规模要大一倍。各国科学家寄希望于这座核聚变堆在受控核聚变攻关中实现质的飞跃。最重要的是，要求在聚变反应中得到的能量超过输入能量，从而证明实现受控核聚变发电在技术上和工程上是可行的。

当然，人类要真正用上廉价的聚变能，尚需经过艰苦的奋斗，经受时间的考验。有人估计，到2020年可以建成实证堆，然后，经过工程技术和经济上的验证，才能逐步地推向商用。总之，在能源革命中占有重要地位的核聚变能开发和利用的曙光已在前头。

（7）来自天边的能源——太阳能

光芒四射的太阳是地球上万物生长的能量源泉。尽管它辐射出来的巨大能量只有二十亿分之一到达地球，其中又有一半被大气反射或吸收掉，但每秒钟到达地面的能量仍然高达81万亿千瓦，相当于当代全世界发电能力的八万倍。

太阳能是清洁的可再生能源，而且几乎到处都有。但利用太阳能有很大的难度，主要是它照在地球上的能量密度太小，过于分散，而且易受多云、阴雨等气象变化的影响而时断时续。若大规模利用太阳能，投资、设备费用也很高。

尽管如此，太阳能仍然是诱人的。有人估计，只要将撒哈拉大沙漠上的全部辐射能的百分之一利用起来，就比现在全世界消耗的能量要多得多。太阳能无疑是潜力最大的能源。

人类发明了许多利用太阳能的方法，太阳能已开始为现代社会的生活和生产服务。除了太阳能热水器、太阳能灶等早期产品外，太阳能电池、太阳能发电站相继问世，太阳能动力人造卫星、太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能飞机、太阳能电话、太阳能彩电、太阳能收音机、太阳能计算器等五花八门的新产品也不断涌现出来。

太阳能热水器

它是利用热箱原理制作的一种太阳能热水器具。首先是将太阳光能转变成热能，然后通过冷热水自然循环而得到热水。70年代初，世界性石油涨价是促使太阳能热水器发展的一味“催化剂”。美、日两国分别销售了几亿美元的太阳能热水器。澳大利亚、希腊、以色列的许多地区，都广泛利用太阳能热水器为家庭供应热水。英国已经有2万多个住宅采用太阳能热水器，日本有10%以上的住宅利用太阳能热水器供应热水。澳大利亚有10万多个住宅装有太阳能热水器。

许多国家都在研究开发新型的太阳能热水器。例如，奥地利已研制出一种新型太阳能热水器，它既是集水器又是蓄水器，不依赖阳光的方向。其球体外壳由玻璃制成，球体内部是一个中心固定的容量为30升的铬镍钢球。使用普通的蛇形管将冷水输入该装置内，由钢和玻璃球之间的一只高真空管（类似一只热水瓶）加热并保温。试验结果表明：在一般的阳光条件下，该装置在6小时内能把水加热到74℃，在模拟的环境温度为18℃的12小时夜晚期间，水温降至40．2℃。

国外新近还发明了一种新颖的太阳能热电装置，它集太阳能供热和发电于一身，很有发展前途。新发明的一种太阳能热电装置在结构架上装有轴对称的半圆柱状凹面反射屏，能高效率地将光线反射到聚焦线上，使其高度聚焦，形成条状高热区。

在上述高热区，有用透射材料制成的条形太阳能加热器，装在用导热材料制成的容器内，能直接利用聚焦光线，能对食品进行烘烤和蒸煮。而且加入太阳能电池，利用聚焦光线产生电能。发电时，可在太阳能加热器的夹缝内通入冷水进行冷却。加热后的水则流入贮水箱，可供随时取用。

太阳热水工程

日本还研制成功太阳能蓄热发电系统，现在已在日本香川县仁尾镇安装了一台1000千瓦的太阳能蓄热发电系统，在该系统中，集热器把太阳能聚集起来加热水；四台熔盐蓄热器用来加热蒸汽，并使之过热；四台蒸汽蓄热器每台高15米，直径2．5米，工作压力4．2MPa。

整个系统的工作过程为：水由太阳能集热器加热成为高温蒸汽，并送到熔盐蓄热器内使之过热，经减温成一定值后进入汽轮机作功发电，排汽经冷凝后送入空气抽出器和脱气器中，用蒸汽加热除气，之后送回集热器，完成一个热力循环。

当天气晴朗，太阳能集热器产生的蒸汽量大于需要量时，剩余的蒸汽分别用于加热熔盐和向筒内充热，把热量贮存起来；在气候不好或夜间时，集热器产生的蒸汽量小于需要量，此时蓄热器放热，与集热器出来的蒸汽一起，进入熔盐加热，带动汽轮机发电。

通过加装蓄热器，变波动汽源为稳定连续的蒸汽，稳定了汽轮机发电，满足了用电需要。

太阳能电池

太阳能电池的工作原理是使太阳光照在光电材料上使光能直接转换成电能，1954年诞生了世界上第一台硅太阳能电池，随后它被用作人造卫星的电源，从而取代了只能连续使用几天的化学电池，使卫星电源安全地工作了20多年之久。

太阳能电池的缺点是造价高、集光板占地面积大、贮能困难、阴雨天不能发电等。30多年来，通过大量研究和试制，成本不断降低，品种不断翻新，产量不断增加。从1981~1984年，全世界的太阳能光电池产量增长了三倍，1984年达到2．28万千瓦发电能力。预计本世纪末世界太阳能光电池容量将世界总计21700228004达500~1000万千瓦。

广岛大学和日本中国电力公司共同研制了超高效率太阳能电池元件。这种元件，上层是吸收太阳光短波波长成分并转换为电能的化合物半导体太阳能电池，下层吸收通过上层太阳能电池的长波长成分并转换为电能的硅系太阳能电池，是积层的串联式太阳能电池，这种电池的制造技术正在开发中。

其电池的综合转换效率理论上已确认，可达到35%以上。

日本通产省1994年度预算约3亿日元的研究费用于研制光电转换效率最高达40%的太阳能电池。这项计划将研制的新型太阳能电池有以下类型：在硅衬片上积以砷化镍、砷化锑、铟化磷等，用透镜集光型；单晶硅型；铜、铟、硒等化合物的半导体型；非晶锗型。计划目标是，到下世纪初，砷化镍系太阳能电池的光电转换效率达到40%，单晶硅型达到30%，其他化合物半导体和非晶型达到20%。

现在，国外已经出现了一些建材一体型太阳能电池，这种太阳能电池有以下优点：太阳能电池和建筑材料一体化，不需支撑台架；太阳能电池安装于屋顶，不需占据设置的土地；设置太阳能电池的屋顶，不需一般的建材。

建材一体型太阳能电池最早是在玻璃基瓦上，直接形成a-si太阳电池的太阳能电池瓦，样品已出厂。其后，又开发了板式建材一体型太阳能电池（以下简称建材一体型太阳能电池）。这种太阳能电池呈平面形状，易降低生产成本。而且其形状很像用于洋房的板式瓦，可望得到普及。

建材一体型太阳能电池的特别核心问题是管板问题，它与现有的太阳能电池不同，它是作为“建筑材料”（屋顶）所必须使用的部分。在日本建筑综合试验所进行各种性能试验，结果认为，这种与建筑材料一体型太阳能电池作为建筑材料是相当实用的。

使用建材一体型太阳能电池时，必须控制其屋顶的温度上升。因此，必须使电池的设置面盖在屋顶面上，做成双层屋顶结构。为确保这种太阳能电池室外工作的可靠性，用75块建材一体型太阳能电池做成屋面板模型房，试验证明，此房能经受令人担心的恶劣环境的吹刮，十分耐用且实用。今后将使其实用化，并开展将该产品用于太阳能空调系统和个人住宅用太阳光发电系统的应用研究。

瑞士研制成一种新型太阳能电池板，将它装在窗户上可以节省能源。这种被誉为“三明治式”的太阳能电池板是根据植物进行光合作用的原理研制成的。它的最大优点是除了能导电的特殊玻璃以外，其余皆取自普通材料，而且易于安装。这种特殊的玻璃好比三明治的两片面包，位于太阳能电池板的里外层。光通过以碘为主的电解质发生散射而达染色层。染色层能像植物中的叶绿素那样捕获光子。光子把染色层里的电子推入“三明治”的最下一层——二氧化钛半导体薄膜。这个厚度只有10微米而又透明的薄膜能捕获电荷，把电子送入二氧化锡导体层。这一层位于窗户里层玻璃板上。二氧化锡层指挥电子工作产生电流。

这种太阳能电池板能将照射到它上面的7．1%~7．9%的阳光转变为电能，其成本只是同样效果硅太阳能电池板的五分之一到十分之一。瑞士一位工程师还设计出一种可嵌在玻璃间的厚1/4英寸的光电板，效率极高，而造价却低，最终可借玻璃窗发电发热。光电板为一块导电的氧化钛，外涂染料作为天线，染料分子一个个地传递电子。光又将染料分子的电子击出，将其传往氧化钛，形成电流。电流传至光电板另一面的氧化锡涂层，负电荷传至电解液中的中性碘分子，后者收集电子送回到氧化钛导电体中，过程周而复始。光电转换效率7%~12%。复合光电池效率较高，但也较贵，较适合特殊用途。氧化钛吸收光能效率高，是由于其表面粗糙。这种光电板每平方米面积可产生150瓦电力，寿命约5年。现由ASEABrown-Bover及非法定计量单位。利用原有资料，未换算Sandoz两家公司开发商业应用的光电板，不久可正式生产。

此外，还进行其他太阳能电池的研究，如美国研制的太阳能分子电池以及太阳能电池的特种材料等。

太阳能电池产业是全球增长最快的高技术产业之一，太阳能电池的发货量1975年大约只有2000千瓦，到1991年已增加到5．5万千瓦，年增长率超过15%。太阳能电池转换效率已提高到20%以上，在80年代发电成本已降低3/4，但要与电力网竞争还要再降低2/3，预计今后10年内可以办到。

微机控制的太阳电池测量与分析系统，太阳能光电池实用化推广已被许多工业发达国家所重视，其中瑞士的太阳光发电计划跃居世界第一，计划到2000年可设置5万千瓦太阳光发电系统，成为太阳光发电最多的国家。

随着人们对环保的关心和光电池制造技术的改进，日本的光电池已接近实用化，加上最近在应用技术方面的改进及日本政府补助和余电上网等优惠政策，居民住宅用太阳光发电的推广步伐将加快。如生产光电池的乎井技研公司最近开发成功住宅用光电池板的标准规格，使生产和安装价格大幅度下降。新规格为10平方厘米方形电池板6×8枚、5×8枚、8×9枚和5×9枚共4种，可适应所有的单位屋顶。由于便于大批量生产和安装简便，每瓦售价仅300日元，加上施工费总计才200万日元。高知县南国市保险代理商井口正俊，在住宅装上了并网式太阳光发电系统后，运行一个月来除满足全部自用电外，还向电网供电47．5千瓦时，井口对此十分满意，并正式向通产省大臣和资源能源厅长官建议，尽快采取有利于环保和节能的光电普及措施。

目前世界上最大的太阳能电池在美国佐治亚州本宁堡，它的面积为44515平方米，每天可供热水1800多吨，供6500人生活使用。这个太阳能电池是用太阳能加热空气的，它包括80个独立的太阳能膜板，分4行排列，每块膜板长61米，宽4．72米，另围以0．4572米高的水池墙，底部以8．89厘米高的水为储热流体。每块膜板上覆以高分子强化玻璃纤维制成的波状面盖，面盖的透射率达89%，可使水温升到60~70℃。

这个太阳能电池的优点是：在空气加热器中，不发生任何锈蚀；液体泄漏不像水加热器那样严重。

用与植物叶绿素相同的原理，将太阳光能吸收进行发电的氧化钛（TiO2）元件，一年后实用化的可能性相当大。这种光电元件光转换效率，100平方厘米模件达12%以上，1992年已达到15%。它不仅对直达日射有很好的发电效率，即使散乱光的发电效率也很高，工作温度范围-5℃~＋75℃，大量生产可降低成本。电池面积，目前是100平方厘米左右，不远的将来可扩大到数平方米。生产成本，如进入批量生产阶段，每1平方米面积电池为100~150美元，功率可提高到1千瓦级。这种光电转换元件，与一般的以硅等固体内的半导体理论为基础的元件不同，它是将TiO2作为感光材料的电解液式电池。

太阳能发电站

太阳能发电站是指将太阳光聚焦到一座几十米高的塔顶锅炉上，利用太阳能热将水烧开使其变成蒸汽，再由蒸汽推动汽轮发电机发电。或者用太阳能热使低沸点工质沸腾，变成蒸汽，以推动汽轮发电机发电。

1980年12月，欧洲九国在意大利建成了一座电功率为1000千瓦的太阳能电站，耗资1200万美元，占地2400平方米。目前，世界各国都在积极采取措施，降低太阳能发电站的造价。

美国南加利福尼亚爱迪生公司于1993年3月成立了商业的太阳电力公司，并实施先进的战略计划。

太阳Ⅱ计划投资3900万美元，是世界上最先进的没有污染物排出的塔式太阳能发电计划。预定使用新型的熔融盐技术，并将在商用太阳能发电设备（出力1万千瓦）中使用。

太阳Ⅱ是太阳Ⅰ的技术成果，太阳Ⅰ是使用1800台反射镜收集到的太阳能加热塔上的水，用其蒸汽推动透平运行的太阳能发电设备。太阳Ⅱ也使用反射镜，但所获得的太阳能用于加热熔融盐，这种盐在没有太阳时也可将热保存。

太阳能利用的主要目的是将太阳能转换为电力，试验证实，熔融盐技术是最经济最实用的技术。利用熔融盐的塔式聚光式发电设备在白天收集太阳能并储存，在必要时产生电力。

南加利福尼亚爱迪生公司准备1995年完成太阳Ⅱ的工程技术设计、筹措和建设，1998年完成实证试验。

太阳Ⅱ计划的技术要点和优点如下：熔融盐基本上是无害的，到648．89℃也不会产生腐蚀，在537．78℃左右也可发挥其性能。与含油溢出污染地下水的现有设备不同，如果有熔融盐溢出，可以将其回收、净化，并返送回系统中继续使用，这样不会产生污染。计划预定将水蒸汽储气罐变为熔融盐，盐成为贮热媒体。所使用的盐是钾、钠的硝酸盐，一般为硝酸钾，熔点为223．89。在287．78~565．56℃运行。

爱迪生公司实施的第2个计划是在加利福尼亚州Zzyzx的沙漠研究中心实施。该计划的目标是探索向偏远地区提供发电设备和建设的可能性。现在其可移动发电设备正在将能源提供给具有12栋建筑物的沙漠中心。最近，Zzyzx的电力主要由丙烷或柴油发电机获得，尚存在产生噪音的污染问题。新的系统由10千瓦的PV模块和5180瓦时的密封型蓄电池组成。这种新系统还备有阴天或能量使用多时的蓄电池充电设备和丙烷发电机作辅助电源。

爱迪生公司南岸大气管理部，在高速公路备有电动汽车自动充电用PV设备。这种试验设备是24千瓦的PV阵列，装上太阳能充电孔，设置于管理部停车场的简易车库屋顶，PV将太阳光转换为电力，再用转换器将电能转换为汽车所需的交流电。

太空发电站

由于太阳向地球送来的能量易受多云、阴雨等气象变化的影响，给地面太阳能的开发利用带来一定的困难。因此，科学家们又将探索的眼光透过云层移向太空，使得一个雄心勃勃的大胆设想——开发利用太空太阳能，以期解决21世纪全球规模的供电和能源利用问题。

1968年由美国格拉泽博士提出的这个开发太空太阳能发电蓝图，在70年代世界能源危机时受到广泛关注，美国航天局曾耗资2000万美元进行研究，以后日本、前苏联和欧洲各国也进行了各种研究。近年来，随着光电技术、航天技术、微波技术等高科技的飞速发展，也加快了这一蓝图的进程，使这一设想有可能得以实现。为此，1991年8月来自世界各国的数十名科学家会聚巴黎，进一步讨论了建立太空发电站的技术问题。

格拉泽设想的太空发电站，将被放置在距地球36000公里的同步轨道上运行，能固定在一个位置向地面的固定区域供电。蓝图中的发电站的太阳光电池板组，宽50公里，长100公里，可以每天24小时进行“三班”连续作业，而不受任何影响，高效地吸收太阳能，将其转换为电能，以强大的微波流的形式发送到地面接收站，接收站直径为9公里的“整流天线场”，接收后再经转换器将微波重新变成用户所需的电力。该发电站的发电能力设计为500万千瓦，其电力足够供应整个纽约市的用电。

科学家预测，世界首座太空太阳能发电站，将由美国在本世纪末，首先上天发电。到2025年将有上百个这样的人造太阳能转换发电站，高悬在太空环绕地球运行，源源不断地将太阳能转换成电能，造福于人类。

日本通产省开始致力于发射搭载太阳能电池的同步卫星，将太阳能传送到地面的宇宙阳光发电系统的开发。为试制能量收发设备等，新能源产业技术综合开发组织（NEDO）从1994年度起将设立专门委员会，着手开始设备的正式试验。

宇宙阳光发电系统先在人造卫星上安装太阳能电池，利用放大器将吸收的太阳能转换成波长极短的微波（极超短波），送到地面的收集器并在地面重新获得电能。

1994年起将试制发射机，进而转入实验阶段，试制机的开发预计由设在NEDO内的委员会担当。

美国航空航天局也将宇宙阳光发电列入计划。日本通产省在进行试图自主开发之同时，还在研究与欧美有关研究机构等就系统的实现开展协作。

日本文部省宇宙科学研究所于1993年2月18日进行宇宙微波送电试验。计划从鹿儿岛县内之浦町的鹿儿岛宇宙空间观测研究所发射小型火箭S520号。到达上空二百多米高度后，分离出子火箭，然后由母火箭向子火箭进行4分钟的微波送电试验，以查明微波对电离层的影响。即母火箭载发电机发射约800瓦的微波，由距离母火箭16米左右的子火箭以天线接收，同时查明当微波通过电离层时对地面短波通讯有无影响。

宇宙发电于1981年由美宇航局和能源部提出，设想在地球上空建60×1000万千瓦大型光电站以充分利用太阳能向地球发电，由人造卫星和宇宙空间站送电。近年来，作为解决地球温室效应的根本措施，由日本京都大学和神户大学开展基础研究，并预测2000年从10千瓦级起步，2050年将达50亿千瓦。在1992年夏从地面微波送电操纵的飞机模型已试飞成功，故接着开展此项试验。

太阳能的多种用途

太阳光照明：太阳光采光系统已获日本优秀技术奖。开发这种采光系统的目的，在于提供利用地下空间建植物工厂、地下居住房等所需的阳光。这种采光系统经改进还可作为家庭用采光系统，也可使采光面积由现在的5平方米增到30平方米，实现其大型化和超大型化。太阳采光系统具有以下特征：

①使用反射的导光方式。用反射镜采光，成本低且采光效率高；由于用空间直接导光，几乎不产生导光距离的光衰减，且导光效率高。

②采用直接跟踪太阳方式。可任意选定设置装置地点和方位，也可和建筑物合并设置；采用计算机跟踪太阳，不需停电时使用的非常蓄电池；雨天、阴天和夜间可自动停止，节省运行费用。

③在跟踪太阳光时，用单纯的连杆机构控制反射镜，向所定方向导光，结构简单，而且不会产生累积误差。

④阻止有害紫外光和红外线进入。

太阳光采光系统由丙烯制的圆顶和反射镜等组成。使用该系统紫外光和红外线不能一起进入。

现在以住宅正厅、北侧居室、地下室等为对象的小型太阳采光系统已批量生产；可为地下35米的地下室送入3万勒克司自然光的中型采光系统已安装于美国明尼苏达大学的地下空间中心，由多面反射镜组成，可对办公室的正厅等大面积采光，而且采光效果相当好的大型采光系统也已建成。

太阳能氢能发电：加拿大多伦多地区能源负责人宣布，政府已拨款11．8万加元用于开发一种太阳能氢能发电系统。承担这项开发任务的是多伦多地区的一个电解工业公司。这项任务能有效利用电解水系统，开发氢储存系统，研制太阳光氢能发电系统。首先用工业电解装置将水分解为氢和氧，并以它们作为燃料发电。另一发电系统是太阳能电池，将其所发出的电能用于电解过程。两者结合使发电成本有所降低，又由于氢为清洁燃料，故这种发电系统对环境无污染，对一些无大电网供电的边远地区而言是经济、实用的发电方式。

太阳能汽车：日本东京电机大学工业部和本田技研工业公司、精工埃普孙公司、京陶公司等单位合作开发成功轻型太阳能汽车，在晴天时充电3小时后便可供行驶1小时（约40公里），同时，还可利用汽车停车场的光电池充电，延长行驶时间，这样可减少汽车排气污染，给城市带来很大好处。

该车原型车采用本田技研工业产品“今日牌”轻型车进行改装，驱动用新开发的轻型高效直流电动机，最大出力达16千瓦，能源转换效率高达85%，比普通的无刷直流电动机高5个百分点；重量仅29公斤，又比原机轻25%。光电池板为多晶硅电池板，在车体上装有2平方米集光板，此外，另在停车场屋顶上装有10平方米，可向车上的电池充电，充足电后一次行驶可达240公里，最大时速可达90公里。此车已经在日本东京代代木公园举行的“低公害车展览会”上展出。

日本电气公司研制成四轮高速太阳能汽车，起名为“童梦”F9100号，车长5．1米、宽1．9米、高1米，可载2人，马达最大功率为20马力，最高时速100公里。它为当今世界最高速太阳能汽车。

太阳能汽艇：日本三洋电机和山叶马达配合，设计出一种AmortonFloner双底汽艇，这种汽艇由非晶硅太阳能电池供电。太阳能电池发的电通过舷外马达的电池，推动马达运转。艇速可达4．02公里/时，太阳能电池完全充电可以行驶13．3公里。

太阳能飞机：70年代末，国外开始研究太阳能飞机。1979年4月29日，美国加州的弗拉博布机场，一架“太阳高升”号太阳能飞机起飞，在12米高度只飞了1分钟，航程才800米。同年6月13日，英国的“太阳一号”太阳能飞机，以每小时65~78公里的时速，飞行了1200米。1980年8月7日，美国的“浮游企鹅”号太阳能飞机，在加州爱德华军用飞机场飞行了15分钟，航程3．2公里。1981年7月7日，美国设计师麦克里迪设计制造的一架取名为“太阳挑战者号”飞机，第一次成功地飞越了英吉利海峡，并以每小时50多公里的航速，飞行了5小时23分钟，航程达302公里。经过设计和制造上的不断改进，太阳能飞机正越飞越远。

美国洛克希德公司正在研制一种带电动机和太阳能电池组的无人驾驶飞机。太阳能电池组给蓄电池充电，驱动一台发动机，即使在夜间该发动机的功率也可达到12千瓦。这架翼展100米、重约1吨的飞机不会污染环境，实际上它可以永久在空中飞行，只有每年一次的例行修理才需要它返回地面。

这架飞机于1993年试飞，高度为20公里，利用电视摄像机对农作物的成熟情况进行观察，以及完成其他使命。

日本三洋电机首创太阳能飞船，取名为“太阳蛋”。太阳能飞船全长7米，高2．5米，飞船顶部装有5．6平方米、输出功率约280瓦的太阳能电池板，通过光电转换产生电能，并蓄存在镍蓄电池组中，作为推动飞船螺旋桨电机的动力源。由于飞船采用太阳能作为动力，因此无需从地面供给能源，可长时间在空中飞行。

太阳能冷冻机：印度科学家研制成完全靠太阳能运转的冷冻机，达到了免费运转。

该机的制冷基本原理和通常的冷冻机是相同的：冷冻剂在低压下通过绕在冷冻器上的冷冻管循环，由于压力降低，便蒸发为气体，结果从冷冻器吸走热量。

但是在这台机器内，通常用电力驱动的压缩机已由一台吸收发生器所替代。

完全靠太阳能的冷冻机，冷冻剂蒸气并不先受到压缩，而是被一种液态吸收剂吸收，因此，这一溶液便受到了压缩。由于压缩蒸气比压缩液体要多消耗能量（需多耗150倍的电力），所以这台设备就大大地节省了能耗。

只要少许热量，便可把冷冻剂从溶剂中蒸发出来，变成蒸气，因冷冻剂沸点比吸收液低。蒸气由此到达冷凝器凝结为低压液体。低压液态冷冻剂由此循环到冷冻器内蒸发吸热、制冷。

太阳能空调机：日本三洋电机公司研制的太阳能空调机是用太阳能电池和商用电源运行的家庭用倒向式空调器，在日照量少的阴雨天或夜晚，以商用电源作备用电源，可放心使用。这是世界上最早的商品化太阳能空调机。该机具有以下特点：①干净，无二氧化碳和有害气体放出；②与商用电源并用，不用担心受天气影响；③太阳能电池根据日照量发电，对夏季电力调峰有相当大的作用，并可进行最大量的电力贮山西长治——晋城太阳能供电微波中继站存。

太阳能电池可设置于任何形式的屋顶，方向宜向南，也可东西向。太阳能电池根据日照量发电。晴天可供给空调器电力消费量的50%左右，而在阴雨天发电能力减少，但由于气温升值少，可提供空调消费量和晴天差不多。

太阳灶：由北京节能技术服务中心研制的新产品PBD1．8-A折叠式太阳灶的灶体由三个镶嵌反射板的箱体和调节装置组成。反射板用复合材料制造，具有较高的光学效率，因而热效率很高，其接收器底部温度可达800~1000℃。

这种折叠式太阳灶的特点是调节装置的零件可拆卸，装在中箱背盖内，两个侧箱可以折叠收起，形成一个箱体，因而保存及运输极为方便，适合于家庭及边远地区使用。

美国推出一种价廉实用的简易太阳能灶。该灶用硬纸板、玻璃板、薄金属板和铝箔制成，分内、外箱两部分，两箱之间为绝热层。做饭时，只要把外箱盖打开，面向太阳，把蒸饭用的器皿放在黑色金属板上即可。这种太阳能灶的最高温度可达到135℃，蒸熟7公斤米饭需要2小时。

太阳能净化环境：现有净化污水的方法，是不能去掉水中的有害物质，只能简单地将有害物质排放到大气中去，或者输入到碳化床内加以脱除，但是，美国的许多工程师认为，太阳能有助于消除污水中的有害物质。

美国新汉普大学的弗雷德拉·K·马瑟在美国化学工程师学会年会上说，有许多研究人员对利用太阳能净化地下水进行了可行性研究。

新汉普大学利用TiO2作催化剂进行过多次试验，使阳光能更加有效地净化含有毒物质的水。

美国国家可再生能源实验室的格雷格·格拉策梅尔说，他们也有过类似的发现。过去在实验室和现场的试验中，已证实了所聚集到的太阳能能够消除氧化物、多氯联二苯和呋喃等许多有害的化学物质。

随着太阳能技术的发展，格拉策梅尔说，可将太阳能的强度聚集到比正常强度高2300倍。这样，就可使太阳能更加有效地消除有害物质。

他还说，经过研究表明，阳光中的高能紫外线光量，当其接触到有害废物时，也许可将有害废物焚毁。

格拉策梅尔又报告说，美国国防部经过美国武装有毒和有害材料机构，正在考虑利用所聚集到的太阳能，来消除各种武器上的污染物。

美国国家化肥和环境研究中心的戴维·萨拉德在会上也说，在TiO2的作用下，阳光可以消除污染地下水的农药，能提供最有希望的技术。

在试验中，美国能源技术中心迈克尔·普拉里说，TiO2催化剂仅能捕集到4%的太阳光谱，这样就“大大地限制了利用太阳能处理废物的效率”。

（8）插上翅膀的能源——风能

风能是空气的动能，它是自然界存在的取之不尽的能源之一。产生风能的源泉是太阳，地球的各处受到太阳光照射，因受热情况各不相同，温度差异很大，温差进而产生大气压差。空气便由压力高的地方向压力低的地方流动，从而产生自然界普遍存在的现象——风。

风的能量是很大的，台风可以拔起大树，吹倒房屋，飓风可以把万吨巨轮掀翻。例如，1949年11月，大西洋发生的一次风暴，使600多艘轮船覆没；我国新疆罗布泊湖附近，古代有一座楼兰城，在一次风暴中被吹来的黄沙所掩埋；欧洲一次大风将25万棵大树连根拔起。

然而，风力也可被利用来为人类造福。人类利用风力要比煤炭和石油都要早。早在二千多年前，我国已开始用帆行船；明代发明风力水车提水。我国郑和下西洋率领的就是帆船队；哥伦布横渡大西洋，发现美洲新大陆，也是驾驶着帆船完成这一历史使命的。

风能的利用方式大体上可分两种：一种是将风能直接转变为机械能应用；另一种就是将风能先转变成机械能，然后带动发电机发出电能加以使用，这就是风力发电。

将风能转变成机械能的装置就是风车，它是由几片桨叶组成的。传统的风车是采用水平轴式的，近代一些国家研制出了成本低、结构简单的立轴式风车。

利用风力来发电，是现代利用风能最广泛、最普遍的形式。

传统的风力发电方法是把风车、发电机等设备放在铁塔上，风力机可以绕铁塔做偏向转动，靠尾舵或自动控制系统来定向。

19世纪末，人们着手研制风力发电。1891年，缺乏煤炭资源的丹麦建成了世界上第一座风力发电站。进入20世纪，法国、德国、荷兰等国也都开始研究风力发电。第二次世界大战期间，因为燃料缺乏，一些国家积极研制小型风力发电机。60年代，因石油价格低廉，核电也正崛起，风力发电在一些工业发达的国家里遭到冷落。70年代中期开始，石油涨价又促使一些国家重新重视风力发电。全世界风力资源极为丰富，据估计每年可利用的风能总量折合成电能约为500万亿千瓦时，风力发电今后在全世界范围内将会得到新的发展。

1992年美国能源部拨4000万美元资助美国电力公司开发风力发电设备和系统。该风力发电计划由美国能源部和电力研究院（EPRI）共同推动，并帮助一些美国电力公司在今后5年内开发一种新的风力发电系统。要达到能与化石燃料发电相竞争，并在许多州内得到推广。确立的目标是帮助在1998年完成能达到商业性运行的、世界级的风力发电系统，能够在风速21公里/时的地区运行，而且其发电成本为5美分/千瓦时。

美国还考虑开发其他类型的风力发电系统，希望在2000年前后达到实用程度。能源部对该项计划的中心要求是改进风力发电机组和系统，使其发电成本比上述5美分/千瓦时再降低20%。

美国风力发电规模将迅速扩大，据美国电力研究所最近预测，到2010年，美国的风力发电规模将达到5000万千瓦。这家研究所介绍说，目前，美国对风车进行了两项重大的技术变动，引进了空气动力学和微电子技术，做到使风车的叶片能随着风速的大小随意旋转，风力发电全部计算机化，从而使发电能力提高4倍。改进后的风车在风速达到每小时14公里，就能发电，而且在风速达到每小时96千米时，仍能继续工作。相比之下，旧式风车在风速达到每小时22千米才能发电，而当风速达到每小时72千米时就得停转。

随着涡轮和合成塑胶树脂轮叶制造的精益求精，美国风车又开始重振雄风。据报道，近年来，风车业有了重大突破，一项新的风车轮叶被列为美国1991年100项大技术发明之一。这种新轮叶所产生的能源，比传统轮叶高10%~30%。由于传统的发电厂兴建旷日费时，耗资庞大，整修更是费时、费力、费钱，但风力发电没有这些困扰，弹性十足，兴建容易，安装迅速，而且容易整修，过去10年来，美国风力发电的成本已下降了75%。

现在，全美国靠风力发电可以满足美国能源需要的10%。30年内，采用新的技术，可望达到美国能源需要的1/4。而且价格不断下跌，到2000年，从目前的每千瓦时7美分，可以降到每千瓦时1美分。美国能源专家相信，由于风力发电是大势所趋，因此经营风力发电设备是有利可图的。

美国开发风能的主要经验是：①选择风力充足的地区为场址。②建立风机田，以阵列机群发电。③集中建造风机群，统筹管理，便于联网运行和维护，降低发电成本。④鼓励私营企业开办风电。(www.daowen.com)

美国加利福尼亚州阿尔塔蒙特山口风力发电场，是目前世界最大风电场。1992年4月装机容量为73．7万千瓦，1991年发电11亿千瓦时，占美国风力发电的39．3%，世界风力发电的29．1%。

美国风电公司开发成功的33M-VS型风力发电机组，容量300千瓦，是按发电成本5美分/千瓦时设计的，采用电子技术，可变速，顶部装有风向传感器，使机组适应风向变化；电子控制系统保护透平免受阵风而超载。它与常规的恒速风力机相比，发电量大，成本低。现已投入使用，运行正常。

欧洲的风力发电走在前列

欧洲风力发电设备的发电能力1992年增加24．7万千瓦，达到80．1万千瓦，其中约53%设置于丹麦。1993年又增加23．2万千瓦，总量为112．3万千瓦。

开发风力发电最积极的是丹麦，1991年发电能力为41．8万千瓦，占欧洲总风力发电能力的65%，每年按10%的速度递增。1992年风力发电占全国总发电量的5%，2000年计划扩大到10%。

丹麦在哥本哈根南面的洛南岛附近约23公里处建成了一个规模较大的风力发电场，预计到2005年，该国风力发电将达到120万千瓦，即占该国所需电力的10%。目前丹麦风力发电装机容量已达到25万千瓦。

荷兰政府已制定了一项发展风力发电的计划，以期到本世纪结束时，建造2000台新的风力发电机，使全国的风力发电能力增加20倍。这些风力发电机，连同现已在运行的约1000台风力发电机，发电功率将达100万千瓦以上，足以为阿姆斯特丹这样规模的城市供电，相当于全国电力需要量的10%。

在今后四年里，荷兰政府和一些能源公司将投资3亿美元，用于开发高效风车。通过研制高级齿轮箱，将风车翼板直径由原来的10米达到15米，使风车发电机的功率由低于25千瓦，提高到500千瓦。

瑞典和丹麦研究在近海设置风力发电站。瑞典已在离南部海岸251．5米的海面建了一个220千瓦的试验风力电站，转叶直径2．27米，安在离水面3．75米的高度。试验期定为五年，如可行，即计划在波罗的海122公里长的海岸安装97个风力发电站，结合成7个风力发电机群，预计12个风力发电群即可相当于该国12个核电站。

英国拥有欧洲最丰富的风力资源，该国风能协会认为，如果英国投入40平方公里的土地用于风力发电，所获得的电力就足以满足全国所需电力的10%。英国风能咨询等公司决定支持的风力透平的浮动海洋平台的研究，主要研究和评价系留于深海的试验平台的经济性，如试验成功，则会成为海洋风力发电的先驱者。英国风力发电能力1992年为3万千瓦，1903年达到了13．1万千瓦。

其他，如意大利计划到本世纪末，将风力发电增加到60万千瓦；风力发电设备较多的德国，1991年风力发电为9万千瓦，1995年的目标为20万千瓦；希腊的目标是400万千瓦。

到2030年，欧洲的风力发电量将占欧洲总发电量的10%。日本政府积极开发风力发电。日本政府对风力发电十分关心，已建设了相当多的风力发电设备，用于照明、供暖、泵动力和发电所内动力等。主要设备有：①1981年建于东京电力三宅岛的100千瓦装置；②1982年建于鹿儿岛冲绳县冲永良部的300千瓦装置；③1990年九州电力建于鹿儿岛县甑岛的250千瓦装置；④北海道寿都町的5台16．5千瓦装置；⑤1991年建于爱媛县濑户町的100千瓦装置；⑥1992年东北电力建于青森县竜飞崎的5台275千瓦装置（风力场）；⑦中部电力建于碧南的250千瓦装置；⑧冲绳电力建于宫古岛的250千瓦装置等。

日本东北电力公司在本州北部青森县津轻半岛已建成1375千瓦的龙飞风力发电场，据称是日本最大的风力发电场。津轻海峡地区年平均风速在10米/秒以上，是日本较优越的风力资源区域，颇有开发前景。

该风力发电场目前已装有5台风力发电机组，每台机组中国风能技术开发中心协助福建省科委在平潭岛安装的比利时产200千瓦风力发电机6m坚轴2kW风力发电机的额定容量为275千瓦。该功率控制采用了改变桨距的方式：当风速超过5．5米/秒时机组即开始发电，当风速达13米/秒以上时，便将输出功率控制在一定值上，若风速超过24米/秒时，风轮则自动刹车停转。

该风力发电机组的特点是：①风轮的桨距调节系统可按风速改变，进行最佳功率控制；②其偏转调节系统可控制风轮保持逆风方向；③采用微机控制系统自动控制运行。

风能利用新技术——浮动式风力电站

英国正开始实施一项浮动风力计划，为风力机寻找新的场地，使其不再受必须在浅水区和固定结构的限制。初始资金73．6万英镑，其中一半由石油海洋计划中的贸易和工业部资助。

这项为期三年的研究项目，目的是为风力机找到一个理想的浮动支撑结构，使较深水的近海区域的风力经济地发出电来。

一位项目发言人说：“风能在经济上的吸引力，使其作为可再生能源而置于开发的首位。”由海床作为固定结构支撑常规机器的方法，使可利用的风场只局限于相对浅的水域。而使用浮动结构扩大了潜在风场的范围，因而对这项技术提供了可观的出口潜力。

对流层风力发电站

前苏联一个工程师小组提出了一项对流层风力发电机的设计，在离地面10~12公里的大气层，有一对流层，其风速达每秒25~30米，风能比地面大气层的风能大2000倍，因此工程师们计划用这项巨大的风能，作出对流层风力发电站的设计。设计考虑将重量为30吨的风力发电机用气球升到离地10~12公里的高空，气球与风力发电机的连接使用超强度的缆索和电缆。控制设备和变压器等设备均设置在地面。据分析计算，大规模的对流层风力发电站的发电成本仅为现有电站的1/5~1/6。此外，这种高空电站不仅降低了发电成本，而且可用于无线电和电视传播。

新型家庭风力发电机

新型能源装置——家用风力发电机组由风叶、稳速机构、发电机、尾舵，速度器等部分组成，它具有启动风力小的优点，只要有2级风就可发电。它采用变桨距稳速机构，当风速超过4级以上，发电机转速和输出功率稳定不变。发电机组共有五种型号，其中JC-300型，一台一般可供5户家庭用电需要。发电机配有蓄电池，不刮风仍可满足3~4天用电，安装方面，适合农村家庭和小作坊用。

风能热转换装置

日本农业省农业试验场的农业气象研究室正在进行风力热转换装置的试验，风机螺旋桨轴的动力通过伞齿轮传动箱，由驱动轴传到地面，并带动油压式风力热转换装置内的油泵螺旋泵风力提水机旋转，从油泵喷出的工作油通过复合阀门和节流孔后，通过保温管道进入贮热槽内的热交换器，然后再回到油泵，在工作油循环的过程中，风能就转换成热能，其热能再传给水槽中的水，获得热量后即可使用。

现代化风帆

现在，古老的风能配之以现代新技术，正发挥出它的更大的威力。一些国家正在研制一种完全不带燃料的远洋货轮，这种新型货轮既不装内燃机，也不装蒸汽机，它完全靠两套风力涡轮装置来产生前进的动力，并以太阳能电池作为备用能源。风力涡轮有点像风车，只是没有风车那种巨大的叶片，而是用三四片铝合金及复合材料制成的叶片，两端固定在垂直安放的数轴上。风力涡轮转动时，除了带动船尾螺旋桨使船前进外，多余的能量还能带动发电机发电，给船上的蓄电池充电。在无风时候，由蓄电池供电给电动机驱动螺旋桨。同时，船载太阳能电池板开始集能发电。

帆船在一些工业发达的国家里，曾一度被人遗忘，但今天它又以崭新的英姿，展现在人们的眼前。1980年，日本的风帆船“新爱德凡”号开始在沿海水域作运输航行。这是一艘新式帆船，它载重量1600吨，拥有最先进的科学技术装备，装有两面卷折式纤维增强塑料巨帆，同时装有一台带动大直径螺旋桨的1600匹马力的低速柴油机。当主机与风帆配合使用时，每小时航速可达13海里（24．076公里）。风帆的扬卷和方向的转变完全由微处理机指挥，综合考虑航向、风向、风力的关系，自动选择最有利的帆面受风角度，最佳利用风能。它比载重相同的普通机动船节省50%燃料，其中用风帆可节省30%燃料。日本又建造了两艘载重量为2100吨的风帆船，这艘船的帆面面积进一步加大，主机功率减小，除微处理机控制风帆外，还对主机所带可变螺旋桨叶的角度加以控制，以便在风速增大时，最小限度消耗燃料，还能保持原定航速，经济效益进一步提高。有人估计，只要将全世界的货船中20%装上风帆，一年中节约的燃料价值就达30亿美元。

风能是一种干净而且取之不尽的能源，但亦有它的缺点：分散、时有时无、能量密度低、有大有小等，只有因地制宜地加以利用，才能取得较好的经济效益。风能已越来越广泛地受到世界各国的重视。

（9）来自地心的能源——地热

正当世界面临能源短缺之时，人们自然会想起地球母亲怀抱中的能源——地热。我们的祖先早在二千多年前，就开始享用地下热水，后来开发蒸汽井采热。但因条件限制，只能利用地表的有限热能，而地球深处的能量被埋没了许多个世纪。从70年代开始，地热的开发利用受到了世界各国的重视，深埋了亿万年之久的地下热源被开采出来，为人类供暖和发电，开辟了能源世界新天地。

拜访地宫难一百多年前，法国一名叫凡尔纳的作家，曾在他的科幻小说里提出去月球旅行和入地心探险的遐想。经过了一个世纪，人类终于排除了千难万险，探访了“月宫”，在宁静的月面上踏上了深深的脚印。但入地却比登天难得多，人类至今伸向地球深处的“铁臂”最长也只不过9600米，更没人敢乘坐一辆钻地探险车去拜访地宫。

原来，半径6300多公里的地球，并非是古人想象的那种空心球，也不完全是一个坚硬的实心球，而是一个谜一样的高温高压世界。

今天，人类已经开始探索地球深处的奥秘。实践告诉人们：入地之所以比登天难，是因为地表的岩石密度比最稠密大气层密度大几千倍，而且越往深处密度越大，甚至大上万倍。如果要驾驶一辆钻地探险车去拜访地宫，将会遇到多大阻力啊！

地球表面是气象万千的天地，可是地下却是面目皆非的严酷世界。它的外层是平均厚度只有三十几公里的岩层，称为地壳，海底最薄的地壳只有5公里。

往下2800公里则是带塑性的岩浆，叫地幔。它比岩石还致密（大约是水密度的5倍），难怪有人将地壳比作漂浮在地幔之上的板块。

离地面2900公里以下，则是地球的核心，它是超高密度的固体（密度是水的10倍），叫地核。

如果将地球比作熟鸡蛋，则地壳就好比是薄薄的蛋壳，地幔就像蛋白；地核就似蛋黄。

地球深处是高温高压的神秘世界。实测资料估计，平均每深33米，温度上升1℃，到地壳底层温度已达1000℃以上，地幔的温度则达1200~2000℃，地核温度竟高达5000℃以上，火山爆发时，地球内部从几十公里深处喷射出来的岩浆，经过了长途跋涉来到地面，仍有1000℃以上高温，就是一个证明。美国钻了一口最深的井，钻杆伸到9600米深处时，被220℃熔融硫磺粘住而动弹不得，可知要突破挡路的岩浆是多不容易呀！

人类还能战胜几千度的高温，但地心深处的高压却难以对付。印度南部有一个名叫科拉的金矿，当坑道还没有延伸到3000米深时，钻孔在一天之内就被四周的压力封闭了。由此可知，地层深处有多大压力啊！

科学家预测，离地面2900公里处的压力可达13多万兆帕，地心的压力竟达36多万兆帕。有人作过试验，在12万兆帕下，金刚石竟变得像黄油一样软，这想必就是地幔成了粘稠岩浆的原因所在。我们目前使用的任何一种材料，都不能适应这样严酷环境的考验。只凭当代的科学技术水平，要想拜访地宫，真比登天还难得多！

然而，任何事物总是一分为二的，难入的地宫却也是一座珍贵的地下热库，它对人们同样充满诱惑，人们是绝不会放弃任何与地热有关的种种利用。

丰富的地热资源

地球内部像一座高温高压的火炉，当雨水渗入地下或地下水流经这个火炉时，就被加热成蒸汽或热水，再沿着石头的缝隙冒出地面，变成一股股滚烫的热泉。

岩浆是炽热的粘稠熔融体，它受热而大大膨胀了身子，总是气鼓鼓地往外挤，但地壳却死死地将它闸住，“火炉”里始终憋着一股劲儿。

在地壳较薄的地方，岩浆有时冲破地壳的束缚，像脱缰的野马一样奔放出来，这时甚至把整块地皮和石头一齐抛到高高的天空中去。

火山爆发往往会毁坏森林和村庄，甚至危害生命。但是，火山周围也常常形成许多能源源不断地供应地下热水或蒸汽的地热田，那里常是景色宜人的旅游胜地或天然公园。

一般称温度在20℃以上天然露头的地下水为温泉。它们按温度高低分为：低温泉（20~40℃）、中温泉（40~60℃）、高温泉（60~100℃）和过热温泉（100℃以上）四种。

地层中如果存在开放的对流水系，就会把地热带到地球浅层或表面，形成温泉、热泉或蒸汽田，而这种条件是不很多的。实际上，在有开采价值的地热资源中，以不含水的热干岩最引人注目。

热干岩温度高达650℃，储热量大，通常埋藏于离地表只有2~3公里的深处，现代钻探技术已能达到。热干岩地热的开采利用已深受国际上普遍重视，在采用先进的遥感遥测、地质勘探、物理探查和化学分析技术，探明热干岩的类型、埋藏深度和规模之后，就不难加以开采利用。

世界地热资源

地球内部蕴藏着难以想像的巨大能量。据估计，仅地壳最外层10公里范围内，就拥有1254亿亿亿焦热量，相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍。如果计算地热能的总量，则相当于煤炭总储量的1．7亿倍。有人估计，地热资源要比水力发电的潜力大100倍。可供利用的地热能即使按1%计算，仅地下3公里以内可开发的热能，就相当于2．9万亿吨煤的能量。这是多么惊人的数字啊！不过世界各地的地热资源分布是不均匀的，有些国家地热资源特别丰富。冰岛就是富地热资源的国家。它地处北极圈附近，尽管气候寒冷，但地下却蕴藏着巨大的热能。冰岛的岩流几乎占全球岩流的三分之一，近几个世纪里，平均每五年有一次火山爆发，有形成地热的得天独厚的条件。据统计，冰岛拥有温泉、热泉、蒸汽泉、间歇泉等达1500多个。

美国也蕴藏着丰富的地热资源，据地质调查表明，美国高温地热发电潜力相当于755~7297亿吨标准煤，或600~4750亿桶石油；可以直接利用的中、低温热能则相当于1606~9139亿吨标准煤。

此外，日本、新西兰、意大利、前苏联、印度、菲律宾、法国、匈牙利、墨西哥、肯尼亚等许多国家都蕴藏着地热资源。

我国的地热资源也比较丰富。目前已发现的地热露头有2700多处（包括天然和人工露头），还有大量地热埋藏在地下尚待发现。

我国大多数省（区）都有为数不同的地热露头，地热点分布比较多的有：云南（345处），西藏（342）处，河北（320处），四川（295处），广东（229处）等省区。我国地热资源大部分属于中低温热水，80℃以上的地热点只有600多处。从我国地热分布情况来看，有从中部向东部大陆边缘和西南部地热数量逐渐增多和水温逐渐增高的趋势。

西藏羊八井地热田闻名世界，它在海拔4200米高处，两侧是5000~6000米的高山雪岭。谷地平坦，热水沼泽星罗棋布，热汽喷口爆炸遍地可见，许多温泉、热泉和沸泉连成一片。最引人瞩目的是热水湖，湖面7300多平方米，最深处达16米，水温常常在46~57℃。

北京蕴有多处低温地热田，它的总面积至少有600平方公里。埋藏浅者只有400米，深者2500米，水温最低的38℃，最高可达70℃。

除西藏外，云南和台湾省属高温地热区；福建、广东等沿海省份属中、低温地热带；内地一些盆地蕴有低温地热田。

开发地热，造福人类

地热是大自然恩赐给人类的宝贵能源，开发利用地热能可节约大量煤炭、石油和天然气，人们从而有更多的化工原料可用。特别是在因大量烧煤对环境造成严重污染的情况下，开发地热对保护环境有着更重要的意义。

国内外都广泛重视地热的开发利用，它已广泛为工业、农业、国防、医疗卫生事业服务。世界上已有六十多个国家开发了地热能源。

利用地热能无非有直接利用地热和地热发电两条途径。

①地热能的直接利用：我国利用地热能有悠久的历史。近代，我国直接利用地热的范围更为广泛，地热这股“暖流”已流遍农、林、牧、副、渔、工业，以及医疗卫生等各行各业。

在农业生产中利用地热温室育种育秧，种植蔬菜。寒冬腊月为市场提供新鲜的西红柿、黄瓜、辣椒、西瓜等果蔬。地热烘干和催芽既可节省燃料，又能提高工效，保证质量。用地下热水灌溉和加温土壤，随时可取；热水中含有多种有助于农作物生长的化学元素，促进作物增产。地下热水为水生作物（水浮莲、红萍、绿萍、水葫芦等）的生长、繁殖、越冬提供了有利条件。林业上也已广泛使用，地热温室培育苹果苗，可缩短育苗期两个多月；栽培葡萄，可人为地打破休眠期，做到长年结果；还可培育珍贵树种。用地下热水浇灌核桃、苹果、梨、葡萄等多种果树，生长茂盛，果大味鲜。

在畜牧业中，建立牲畜地热浴池，为牲畜治疗皮肤病，消灭吸血寄生虫。供牛羊饮用，增强了消化能力，使牲畜长得膘肥体壮。可利用高温地热水烫煺已屠宰的猪、牛、羊的毛。用地下热水煮饲料喂养牲口等等。

副业上用地热孵化鸡鸭，可控制孵化量的大小，不受季节限制，温差小而稳定，孵化率高，管理方便。可用地下热水加工兽皮、洗羊毛等等。

渔业上用水温40℃的地下热水，使非洲鲫鱼能在北京越冬并生长繁殖。

利用温流水高密度放养莫桑比克罗非鱼，三个月内亩产达9000公斤，建立地热温水鱼池，养殖鳗鱼喜获丰收。

此外，采用地热制冷设备，可用来制冰或冷藏蔬菜、瓜果、种子等。利用地下热水还可为沼气池加热，在严寒的季节，沼气池照常产气。帕米尔高原的群众在炽热的岩洞里烤羊肉。西藏的群众还经常把牛肉干放在热泉中煮食。西藏农牧民还常常直接用不含有害物质的地下热水沏茶。

工业上利用地下热水来漂染布料，控制车间的温度和湿度。橡胶厂利用地热水供锅炉用水、缫丝厂缫丝用热水。有的地热水井是高浓盐卤水，从中可提取盐类和贵重的微量元素。

还有，可利用地热为房屋取暖，既节煤又干净。利用地热水建立冬季游泳池。

在医疗卫生上，地热温泉浴对皮肤病、风湿性关节炎疗效显著。全国有不少温泉疗养院。

世界上有不少国家利用地热为工农业生产、居民取暖和医疗卫生服务。冰岛利用地热采暖已占全国人口的70%以上，居世界首位。在冰岛，用喷泉的热水就能在室内洗澡和取暖。首都雷克斯雅未克市已经全部利用地热采暖，节约了大量常规能源，大大减轻了城市的环境污染，市内空气洁净，市容幽雅美观，有“无烟城市”美称。冰岛1925年开始利用地热温室栽培蔬菜，1974年开始由地热温室生产的蔬菜和花卉自给有余。全国消耗的热能有80%来自地热。还利用高温蒸汽干燥羊毛、鱼类、海藻、青草和各种谷物。

日本是多火山的国家，地热资源丰富。1916年起利用地热温室栽培花草。并利用地热水取暖、烧饭、洗医疗浴，洁净的温泉水还作为饮用。在农业上，利用地热温室栽培蘑菇、木瓜、香蕉、西红柿、黄瓜等蔬菜及各种花卉，还有热带作物橡胶、椰子等。并用地热加温饲养鳗鱼、鳝鱼；孵化鸡鸭；对猪舍加温等。日本北海道多冰雪的城镇，甚至巧妙地利用地热供暖使道路上的冰雪解冻。

新西兰对地热直接利用也十分重视，除打浅井供家庭采暖、取家庭热水、游泳池热水外，还利用地热蒸汽干燥木材、干燥纸张等。还专门开设温泉、矿泉和治疗浴场。

此外，美国、前苏联、匈牙利、意大利、法国对地热的直接利用也都十分重视，而且发展得比较快。

今后，地热能直接利用的重点领域将是采暖和农业生产。随着常规燃料价格的上涨，利用地热采暖将越来越经济。农业上重点利用地热能提高粮食产量，使以前不能大规模生产商品粮的寒冷地区高产谷物，用地热提高土温，以延长生长季，大幅度增产。加工业方面对地热的直接利用的要求将会有所增长。干旱和缺淡水的地区，将利用地热来淡化盐水。

②地热发电：地热发电是利用地下热能的重要途径之一。由于地下热水或蒸汽温度因地而异，有的高达280℃以上，有的还不到100℃；有的压力高达几十兆帕，有的还不到几兆帕。有的热水纯净，含杂质少；有的则含多种腐蚀性强的成分。针对这些不同情况，地热发电的方式也相应而异，大体可分成三种：

第一种是直接利用天然蒸汽发电。这种方法简单，只要打好钻井，将地下热蒸汽直接引入汽轮机，推动汽轮发电机旋转就可发电。如果引出的蒸汽夹杂着热水的话，可先通过汽水分离器，将水除去，再引入汽轮发电机。

但要求温度在100℃以上，压力在2~3兆帕以上，而且不含严重腐蚀汽轮机的有害成分的地下热蒸汽。

第二种方法叫减压扩容法。它可适用于略低于100℃的地下热水。基本原理好比在海拔很高的山顶上煮开水一样，因气压低于1．013兆帕，水温不到100℃也会沸腾。用人工方法造成低压的条件，使得不到100℃的地下热水也沸腾起来，变成蒸汽，再去推动汽轮发电机。具体办法是在汽轮机前方设一扩容器，在后方设有冷凝器和抽气器。起动时先开动抽气器，使整个系统处在负压下（即气压小于1．013兆帕），然后将地下热水引入扩容器。在负压下，不到100℃的热水即刻沸腾起来，产生大量蒸汽，推动汽轮机。尾汽进入冷凝器，冷凝成水排出。这样不断地冷凝和排水，就可以保持系统始终处在一定负压下。如果地下热水里含有别的气体，这些气体不会在冷凝器里变成水，可通过除气器和抽气器除去，使系统保持负压。这种方法易行，是利用较低水温地热水发电的好办法。

第三种是利用低沸点工质发电的方法。它是将地下热水引入蒸汽发生器的一侧，加热另一侧通过的低沸点有机化合物液体，使它沸腾产生大量蒸气，推动汽轮发电机组发电。从汽轮机排出的低沸点工质的乏气，通过冷凝器，再次变成液体，由循环泵打入预热器，再回到蒸汽发生器中加热，如此循环不已。低沸点工质种类较多，例如氯乙烷（C2H5Cl）、异丁烷等等都是理想的低沸点工质。氯乙烷的沸点为12．3℃，当地下热水只有60℃时，就可以得到55℃，（4~5）×1．031兆帕的氯乙烷蒸气，完全可用来推动汽轮发电机发电。这种方法不但可用于地下热水温度低于100℃的场合，也适用于地下蒸汽中含有腐蚀性成分，不宜直接导入汽轮机的场合。这种方法的缺点是设备较复杂。

③世界地热利用新情况：据世界能源委员会（WEC）1993年发表的1992年能源资源调查报告指出，地热资源在几千年前已开始向人类不断提供热能。至1904年才开始在意大利实现了工业规模的应用，建立了世界第一座地热电站——拉德瑞罗地热电站。目前该电站的装机容量为54．8万千瓦。此后，新西兰、美国、日本、菲律宾等24个国家相继开展地热发电利用。现在最大的地热电站是美国的盖塞兹（Geysers）地热电站，装机容量共283．7万千瓦。装机容量次于美国的有菲律宾（88．8千瓦），墨西哥（70万千瓦），意大利（54．8万千瓦），日本（27万千瓦），新西兰（26．4万千瓦），印度尼西亚（14．3万千瓦）等。当前主要国家的地热发电容量共约600万千瓦，年发电量共约300亿千瓦时。

美国电力大户OESI公司在加州和内华达州建了两座大型地热发电站，于1993年秋投产。建在加州南部的含拜尔地热发电站装机32万千瓦，投资1．15亿美元，生产的电力交当地供电公司并网销售；建在内华达州北部的腊依帕奇地热发电站，装机12．5万千瓦，投资3800万美元，生产电力由当地电力公司并网销售，建设资金全部由GE公司金融部门融资。

菲律宾政府和国有石油公司为解决国内电力严重不足，决定在莱特岛建60．5万千瓦地热发电站，其中44万千瓦向首都马尼拉所在的吕宋岛供电，另16．5万千瓦向附近的宿务岛供电。同时建设连接各岛间的输电线路。为了减少输电损失，将采取直流输电，由世界银行融资；发电工程将采取建设、运营一揽子的BOT方式，并于1993年4月进行国际招标。

世界各国加紧开发热干岩发电技术，北美洲和其他大陆下面都是热干岩，但埋藏的深度不同。

迄今在利用大自然的这个恩赐方面迈出最大一步的，是在美国新墨西哥州芬顿山进行的4个月连续不停的试验。那里附近的洛斯阿拉莫斯国立实验所的科学家们现在正在进行迄今范围最广泛的验证。他们在地下2438米深处用水的压力在一片体积为2124万立方米的花岗岩层冲开一些裂口，然后钻两口井，从地球表面直通到204．45℃高温的岩石上。

通过其中一口井向热岩石注入冷水，再用比汽车轮胎里的压力大200倍的高压把水从这些裂口里压挤过去。接着用水泵通过另一口井把热水抽回到地面上来。这种热水将在一座发电厂中用来加热丁烷（C4H10），使丁烷膨胀，驱动涡轮机。据科学家们说，这样发电的成本将和常规发电厂的成本不相上下。

洛斯阿拉莫斯国立实验所的这个研究项目的领导人戴维·达钦预言，第一座正式运行的这种热电厂大约将在5年后投产。帮助实现这个梦想的是地热电力公司，这是内华达州里诺的一家新创办的公司，它现在正在同加利福尼亚州克利尔莱克市当局合作建造一座正式运行的地热发电厂，如新墨西哥州的平原电力公司等其他美国公司正在密切注视洛斯阿拉莫斯国立实验所的研究活动，派遣顾问人员去参观这个工程项目。这项技术也在全世界引起浓厚兴趣，日本、英国、法国、德国和俄罗斯都在进行试验。

整个技术仍处于萌芽阶段。它也带有风险，例如钻井时碰上多孔的岩石，就会像漏水一样把水流掉。但是研究人员认为，这种情况要比在勘探石油和天然气时打出空井的可能性要小得多，打空井的可能性为20∶1。

日本中央电力研究所与我国国家地震局地壳应力研究所合作开展高温热岩发电的研究试验工作。高温热岩发电是要取出地下热岩的热量，通过地面的热交换及发电设备转换为电能。其技术关键在于如何取出热岩的热量，现在世界上许多实验中，多数是用不同方法将岩石压裂或爆裂，然后通过钻井将水或其他介质送入热岩裂缝中受热，并将热量带到地面。而地面发电的工艺过程则是利用成熟的技术。目前中日合作的试验就是水压破碎热岩、预测裂纹发展的技术研究。这次试验的场所选定在北京西南的房山。实验是在花岗岩层中进行，破碎用钻孔直径为120毫米，深约250米。还有4个声波观测钻孔，其直径90毫米，深约100米，在破碎用钻孔的周围埋设有许多声波传感器，日本中央电力研究所对热岩水压破碎已掌握一定的实用技术，正在进一步完善设计。钻井工作中方已于1993年7月开始，计划破碎试验将在1994~1995年间进行。

我国现有地热井2000口，其中近半数已投入开采利用。经过20多年的地热勘查证实，我国具有较丰富的高温和中、低温地热资源。现已完成地质勘查的地热田有50多处，其中西藏羊八井和羊应乡，京津及河北省牛驼镇的地热田均达大型规模。

中国的高温地热资源主要分布于藏南、滇西及川、滇交界一带，一般用于发电。中国目前的地热发电机组数在17个有地热发电的国家中居第5位，装机容量居第12位。

我国最大的地热电站建在西藏羊八井地热田，现有装机容量2．5万千瓦，已累计发电近4亿千瓦时，占拉萨市电网的40%~50%。另外湖南、广东等省也有地热电站。

中、低温地热资源主要分布于我国东部，用于纺织、印染、温室种植、水产养殖、医疗洗浴和冬季采暖等。地热利用最突出的天津市现已建成供暖面积140万平方米。

防范污染

地热应该被视为洁净和简易的能源，但因有些地方的地下热水中含有一些有害物质，处理不当也会污染环境。例如，热水中含有硫化氢，逸出来可以闻到臭鸡蛋的味道。有些热水中含有砷等有害物质。

在开发利用地热时，应仔细分析水中的有害元素的含量，同时采取相应的防范措施。最有效的处理办法是将废水回注到井内，这样既可解决污染问题，又可防止因大量抽水而造成地面下沉，这在技术上是完全可以办到的，无需顾忌。

（10）蓝色的能源——海洋能

海洋是巨大的能源宝库，海洋能被誉为“蓝色的能源”。

太阳赐给地球的热能，大部分被海洋吸收而贮存在海水之中，人类可利用海水的温差来发电。在太阳和月亮的引潮力作用下，大海总在永不停息地“呼吸”着，这就是潮汐。利用潮汐也可以发电。奔腾不息的海浪，拥藏着巨大的动能，也可被人类驾驭，开辟波力发电。

海洋温差发电

海洋贮存了140亿亿吨海水，太阳辐射来的热能给它加温，地球内部散发的热也在对它烘烤，真可谓“天地为炉兮造化为工”。

在大海中，真正最有力量的，并不是那些看起来气势汹汹的波涛，而是默默无声地蕴藏在海水中的热能。

同样面积的海洋要比陆地多吸收10%~20%的热量，海水的热容量比土层大两倍，比花岗岩大五倍，比空气大3100多倍，因此海洋成了地球上吸收太阳能的最大热库。

经过科学家们的多年研究，1926年11月15日，在实验室里首次研究成功海洋的温差发电。海洋温差发电的基本原理是利用太阳辐射的热量进入海面以下1米处，就有60%~68%被海水吸收掉了，而几米以下的热量已所剩无几了，即使海面上有波浪搅动，水温有所调节，但水深200米处，几乎没有热量传到。海洋温差发电就是将海洋表面的温水引进真空锅炉，这时因压力突然大幅度下降，温度不高的温水也立即变成蒸汽。例如，在压力为0．031兆帕时，24℃的水也会沸腾。利用这种温度不高的蒸汽可以推动汽轮发电机发电，然后用深层的冷海水冷凝乏气，继续使用。

从理论上说，冷、热水的温差在16．6℃即可发电，但实际应用中一般都在20℃以上。凡南北纬度在20度以内的热带海洋都适合温差发电。例如，我国西沙群岛海域，在5月份测得水深30米以内的水温为30℃，而1000米深处便只有5℃，完全适合温差发电。

大海里蕴藏着巨大的热能，据估计只要把南北纬20度以内的热带海洋充分利用起来发电，水温降低1℃放出的热量就有600亿千瓦发电容量，全世界人口按60亿计算，每人也能分得10千瓦，前景是十分诱人的。

早在19世纪就有人提出过海水温差发电的设想，但世界上第一座试验性海水温差发电厂直到1979年8月才在美国夏威夷问世。这座电厂的发电能力为50千瓦，它设在一艘驳船上。同年8~12月作了试发电。这次发电成功表明，海水温差发电将很快具备商业价值。

海洋是全世界最大的太阳能收集器，6000万平方公里的热带海洋一天吸收的太阳辐射能，相当于2500亿桶石油的热能。如果将这些储热的1%转化成电力，也将相当于有140亿千瓦装机容量，为美国现今发电能力的20倍以上。

海洋热能发电有两种方式：第一种是将低沸点工质加热成蒸气；第二种是将温水直接送入真空室使之沸腾变成蒸汽。蒸汽用来推动汽轮发电机发电，最后从600~1000米深处抽冷水使蒸汽冷凝。第一种采取闭式循环，第二种采取开式循环。

海水温差发电，1930年在法国首次试验成功，只是当时发出的电能不如耗去的电力多，因而未能付诸实施。现在，许多国家都在进行海水温差发电研究。

实践证明，开式循环比闭式循环有更多的优点：①以温海水作工质，可避免氨或二氯二氟甲烷等有毒物质对海洋的污染；②开式循环系直接接触热交换器，价廉且效率高；③直接接触热交换器可采用塑料制造，在温海水中的抗腐蚀性高；④能产生副产品——蒸馏水。

开式循环也有缺点：产生的蒸汽密度低，汽轮机体积大；变成蒸汽的海水排回海洋后，会影响附近生物的生存环境。

日本的月光计划拟在2000年前后，使利用海洋温差发电达到实用化和向国内提供大型电源，并以占地很少的海上安装为目标。这项计划是从1974年开始实施的。

日本一些民间电力公司，为了验证海岛电源在陆地安装的可能性，1981年在赤道线上的瑙鲁岛研制100千瓦级的闭式循环试验工厂，实际发电功率达到了10千瓦；1982年又在德文岛开发了50千瓦级混合式试验工厂，实际发电功率也达到10千瓦。

1979年美国在夏威夷岛上，研制成功50千瓦级电站，实际发电功率达10千瓦，1980年到1981年又进行了相当1000千瓦的热环试验，同时还研究了40000千瓦的总体设计。

法国准备在塔希底岛进行5000千瓦级的开发研究。

海洋温差发电，是以非共沸介质（氟里昂-22与氟里昂-12的混合体）为媒质，输出功率是以前的1．1~1．2倍。一座75千瓦试验工厂的试运行证明，由于热交换器采用平板装置，所需抽水量很小，传动功率的消耗很少，其他配件费用也低，再加上用计算机控制，净电输出功率可达额定功率的70%。一座3000千瓦级的电站，每千瓦小时的发电成本只有50日元以下，比柴油发电价格还低。人们预计，利用海洋温差发电，如果能在一个世纪内实现，可成为新能源开发的新的出发点。

年迈的安德森工程师几十年来一直在完善他的“海洋热能转换厂”的设计。他计划中的海洋热能发电厂将利用热带海洋的热能，使一种低沸点的液体蒸发，利用产生的蒸气驱动涡轮发电机发电。为了降低建造费用，安德森缩小了发电“船只”的外壳，其换热设备的大部分，甚至连涡轮机，都是吊在“船”体外面，悬浮在海面上的。

该项设计要求把海面的26．67℃的热水输送到安装在水下60米处的锅炉里去。在那里，热水使丙烯蒸发，其沸点只有21．1℃。当热丙烯蒸气通过管道上升时，驱动12台涡轮发电机。这些涡轮发电机悬挂在锅炉上方10米的水中。这些气体从涡轮机通过一个热交换器，交换器的水侧是装满了从900米深处抽上来的4．4℃海水。这些冷水又把丙烯蒸气冷凝成液体，这些液体又回到锅炉里去。这种方法的海水温差发电试验，早在60年前已做过。而现在，由于经济条件好，可使之实用化。

安德森已创办了一家取名为“海上太阳能公司”的小公司，其惟一目的是研究必要的技术。

安德森认为，在印度尼西亚的温暖海面上，建造这种电厂条件特别优越。印度尼西亚政府首先支持了安德森的设计。据估计，这种电厂的发电成本为6．5美分/千瓦时，而现在第三世界许多岛国的平均电费为15美分/千瓦时。第一座利用海水温差的10万千瓦海水温差发电厂的造价可能为2．5亿美元。

在今后几年里，安德森式发电厂不仅具有经济意义，而且由于温室效应造成的全球气温上升，预料将迫使人们限制化石燃料的消耗，而一种有效的无污染的能源显然是具有吸引力的。

潮汐发电

汹涌澎湃的大海，在太阳和月亮的引潮力作用下，时而潮高百丈，时而悄然退去，留下一片沙滩。海洋这样起伏运动，日以继夜，年复一年，是那样有规律，那样有节奏，好像人在呼吸。海水的这种有规律的涨落现象就是潮汐。

潮汐发电就是利用潮汐能的一种重要方式。据初步估计，全世界潮汐能约有10亿多千瓦，每年可发电2~3万亿千瓦时。我国的海岸线长度达18000千米，据1958年普查结果估计，至少有2800万千瓦潮汐电力资源，年发电量最低不下700亿千瓦时。

世界著名的大潮区是英吉利海峡，那里最高潮差为14．6米，大西洋沿岸的潮差也达4~7．4米。我国的杭州湾的“钱塘潮”的潮差达9米。

据估计，我国仅长江口北支就能建80万千瓦潮汐电站，年发电量为23亿千瓦时，接近新安江和富春江水电站的发电总量；钱塘江口可建500万千瓦潮汐电站，年发电量约180多亿千瓦时，约相当于10个新安江水电站的发电能力。

早在12世纪，人类就开始利用潮汐能。法国沿海布列塔尼省就建起了“潮磨”，利用潮汐能代替人力推磨。随着科学技术的进步，人们开始筑坝拦水，建起潮汐电站。

法国在布列塔尼省建成了世界上第一座大型潮汐发电站，电站规模宏大，大坝全长750米，坝顶是公路。平均潮差8．5米，最大潮差13．5米。每年发电量为5．44亿千瓦时。

我国解放后在沿海建过一些小型潮汐电站。例如，广东省顺德县大良潮汐电站（144千瓦）、福建厦门的华美太古潮汐电站（220千瓦）、浙江温岭的沙山潮汐电站（40千瓦）及象山高塘潮汐电站（450千瓦）。

江厦潮汐电站

1980年5月4日，浙江省温岭的江厦潮汐电站第一台机组并网发电，揭开了我国较大规模建设潮汐电站的序幕。该电站装有6台500千瓦水轮发电机组，总装机容量为3000千瓦，拦潮坝全长670米，水库有效库容270万立方米，是一座规模不小的现代潮汐电站。它不但为解决浙江的能源短缺作出应有的贡献，而且在经济上亦有竞争能力。江厦潮汐电站的单位造价为每千瓦2500元，与小水电站的造价相当。浙江沙山的40千瓦小型潮汐电站，从1959年建成至今运行状况良好，投资4万元，收入已超过35万元。海山潮汐电站装机150千瓦，年发电量29万千瓦时，收入2万元，并养殖蚶子、鱼虾及制砖，年收入20万元。

潮汐发电有三种形式：一种是单库单向发电。它是在海湾（或河口）筑起堤坝、厂房和水闸，将海湾（或河口）与外海隔开，涨潮时开启水闸，潮水充满水库，落潮时利用库内与库外的水位差，形成强有力的水龙头冲击水轮发电机组发电。这种方式只能在落潮时发电，所以叫单库单向发电。第二种是单库双向发电，它同样只建一个水库，采取巧妙的水工设计或采用双向水轮发电机组，使电站在涨、落潮时都能发电。但这两种发电方式在平潮时都不能发电。第三种是双库双向发电。它是在有利条件的海湾建起两个水库，涨潮和落潮的过程中，两库水位始终保持一定的落差，水轮发电机安装在两水库之间，可以连续不断地发电。

潮汐发电有许多优点。例如，潮水来去有规律，不受洪水或枯水的影响；以河口或海湾为天然水库，不会淹没大量土地；不污染环境；不消耗燃料等。但潮汐电站也有工程艰巨、造价高、海水对水下设备有腐蚀作用等缺点。但综合经济比较结果，潮汐发电成本低于火电。

在加拿大新斯科舍省和美国缅因州之间的芬地湾，有巨大的潮汐能资源。该处蒙克顿港附近有世界最大的潮差，高约19米。自1910年以来，美、加两国多次考虑在此建潮汐电站，因投资太大、经济性不佳而未能动工。70年代后期以来，建立潮汐电站，显示出经济上的优越性。1980年加拿大新斯科舍电力公司开始兴建试验潮汐电站。该电站位于加新斯科舍省安纳波利斯河芬地湾入海口外，该处最大潮差8．8米，平均潮差6．4米，安装一台2万千瓦新型全贯流式潮汐发电机组，并于1984年5月建成发电。电站造价约5500万美元。该机组是由瑞士埃雪维斯公司设计，由瑞士苏尔寿公司与加拿大的多米宁和通用电气公司合作制造。这种全贯流式机组，发电机转子设在水轮机叶片的外缘，采用瑞士埃雪维斯公司取得专利的新型密封技术，效率较高。

1968年，法国建成装机容量为24万千瓦的朗斯潮汐电站，安装24台单机容量1万千瓦的双向可逆型灯泡式机组。1970年前苏联建成2台各400千瓦的潮汐试验电站。加拿大安纳波利斯的2万千瓦全贯流式机组是目前世界上单机容量最大的潮汐发电机组，也是最大的全贯流式机组。这种机组的造价比法国灯泡式机组低15%，维修方便，可有效地冷却发电机组。

加拿大调查了37处可建大型潮汐电站的地址。在芬地湾中，科比魁德湾的米纳斯内湾是兴建大型潮汐电站的理想地址。该处平均潮差12米，最大潮差16米。加拿大认为，如果安纳波利斯试验潮汐电站运行成功，可望1995年在米纳斯建成特大型潮汐电站，采用单机容量3．8万千瓦，总装机容量可达480~500万千瓦，年发电量约140亿千瓦时，可减轻该地区用煤或油发电的负担。

目前世界上已投入运行的潮汐电站中，以法国朗斯潮汐电站为最大，装机24万千瓦，年发电量5．44亿千瓦时，1966年底第一台机组发电，1968年初全部竣工。其次就是加拿大1984年5月建成的安纳波利斯潮汐试验电站，装机2万千瓦。我国的江厦潮汐试验电站装机3100千瓦，居第三位。

江厦潮汐电站最后两台机组的技术，达到了法国朗斯潮汐电站的水平，它的优点是涨潮时能发电，落潮时也能发电。既可以发电，又可以在需要时由电网输入电力，把发电机变成电动机，同时水轮机又起着水泵抽水的功能。在不需要发电和抽水时，还可以当作泄水管路用来排水。这种一机多用的潮汐发电机组，不仅使水工建筑物大大简化，而且可以提高电能质量，充分发挥机组的作用。这种机组的研制成功，为加快开发潮汐能创造，在潮汐能利用上，我国与世界各国一样，尚处在试验阶段。虽然我国从1958年开始利用潮汐建设一些小发电站，但因当时技术条件所限，质量较差，大部分已报废拆除。我国已建成的最大的潮汐电站是浙江乐清县的江厦潮汐电站，装机容量3100千瓦，年发电量1070万千瓦时，已全部投产发电；其次为山东乳山县白沙口潮汐电站，设计装机容量960千瓦，年发电量191万千瓦时，已有2台机组共160千瓦并网发电。

波力发电

“无风三尺浪”是奔腾不息的大海的真实写照。海浪有惊人的力量，5米高的海浪，每平方米压力就有10吨。大浪能把13吨重的岩石抛至20米高处，能翻转1700吨重的岩石，甚至能把上万吨的巨轮推上岸去。

海浪蕴藏的总能量是大得惊人的。据估计地球上海浪中蕴藏着的能量相当于90万亿千瓦时的电能。

科学技术的发展，提高了人类驾驭海浪的本领。本世纪60年代初，人们开始研究利用波浪的力量来发电，这便是别具一格的波力发电。

近些年来，世界上一些国家相继进行了波力发电的研究，而且开始了实际应用的探索。

四面环海的日本具有丰富的波浪资源，为了能有效地开发这些资源，日本海洋科学技术中心，从1974年开始进行波力发电装置的研制，并建造了大型波力发电船“海明”，船体长80米，宽12米，总重788吨。“海明”的第一次海上试验于1978~1979年在山形县鹤冈市由良海域进行，取得了初步成果，为目前世界最大的波力发电出力，年发电量可达19万千瓦时。存在问题是：阀的破损率约为10%，阀箱大，空气出力不足，发电出力变化大，发电成本高达340日元每千瓦时等。

为了解决上述问题，于1985年9月3日至1986年3月31日，在山形县鹤冈市由良海上3公里处进行了第二期海上试验。第二期试验以完成经济的空气透平为目标，在“海明”船上进行无阀串联式威尔斯透平试验，以确认其实用化。另外，以发电成本为50日元/千瓦时为目标，进行最佳船形、空气流相位控制、出力集约化等各种实用化研究。

日本在千叶县九十九里町片贝海岸建成一种新式波浪发电装置，总投资1．46亿日元，输出功率为30千瓦。新式波浪发电装置由波能吸收器、送气管、定压化罐和压缩空气发电机等构成。其最大特点是，定压化罐将压缩空气进行定压化处理后送入压缩空气发电机，容易得到稳定的优质电能，并克服了波浪发电成本较高的缺陷。

实验表明，如果把定压化罐和高效大容量空气压缩发电机联用，则发电效率更高。

挪威石油能源部计划建设发电10兆瓦的新波力发电站。该电站1990年开始运行。这个波力电站计划由Kvaerner公司建设，以现在正运行的“振动水柱方式”（OWC）波力发电为基础。OWC是将进入高20米钢管的波变为水柱，利用活塞的作用，使内部空气运动，驱动500千瓦威尔斯透平旋转的装置。

新的10兆瓦波力发电站预定建于卑尔根附近，用这种方式发电，在过大的波冲击时，会发生空气透平失速问题，Kvaerner公司考虑安装圆形控制阀控制，皇后大学的研究小组考虑采用两个威尔斯透平同轴组合方式，即使前段失速，后段仍可产生动力。新的10兆瓦机组发电成本预计低于2．5便士/千瓦时。

瑞典制造了一种漂浮的三角状装置，它们用铝制成，有许多灵巧的叶轮紧紧“咬住”浪峰，像曲轴那样转动。这种海浪发电站的发电成本为每千瓦时12芬尼，比其他发电站便宜得多。

70年代初爆发的石油危机，第一次大力推动波浪发电技术的研究。那时美国洛克希德公司开始进行了波浪发电实验。

英国拨出100万英镑发展海洋动力技术。发明气垫船的克里斯托弗·科克莱尔设计一种活动减摇装置，将它们放在波浪上，各种活动关节都能转动起来。

特赫姆大学科学家的测算表明，仅2500公里长的挪威岩石窄湾线上，一年就有6亿兆瓦潜在的电力。

在各类海浪发电技术中，“振动杆”更有前途。这座试验电站很像排管，安装在卑尔根以西的岩坑中，按水力活塞原理工作。但现在这种装置运转时也有麻烦。最初实验时，螺旋桨一转动就发出极其悲惨的吼叫声。参观过发电站的专家们说：“噪声很像空袭警报汽笛，而且很远就能听到。”1989年初大风暴期间，16米高塔经受不住而倒入大海。

该计划领导人打算使涡轮机在改进结构的新型混凝土基础上重新投产。与挪威人的笨重设施完全不同，瑞典人的转子结构特别轻巧。它几乎不用铝，便于运输，而且没有沉重的机械零件，瑞典人寄希望于小岛国的订货。英国试制了一台波力发电装置，并装在一艘浮动式驳船上做试验。它在3米高的浪头时，发电能力为110千瓦；在5米浪头时，最大发电能力为220千瓦。这种装置的发电原理是，将空气轮机驱动的发电机装在一个摇摆式的水塔上，随着波浪的升降，水塔上方气室内的空气压力就有所增减。单向调节阀控制着气流朝一个方向流动，这时空气轮机就驱动发电机旋转发电。

我国也在积极开发波力发电技术，中国科学院广州能源研究所研制成功的BD102型波力发电装置，于1986年1月在香港举办的广东省经济贸易展览会上，受到外商的好评。香港中华船舶公司提出代理该产品的出口，并为此签订了有关意向书。5月份，在1986年春季广州出口商品交易会上展出，有些外国公司要求订货。这是我国第一台波力自动发电装置的对外展出，将使这一科研新成果打入国际市场。

BD102型波力自动发电装置是一种以可再生的海洋能为能源的新型波力发电装置。它是在1985年3月通过鉴定的BD101型的改进型。将其安装在带中心管的浮标上，利用浮标的上下升降运动，使中心管气室吸入和排出空气，将波浪能转换成空气动能，从而驱动透平带动发电机发电。所发电能既可作海洋航标灯用电源，亦可作海洋水文、气象自动遥测浮标的长效电源。

该产品外形尺寸仅为342×500毫米，重量16．5公斤。尺寸小，重量轻，材质耐腐蚀。

其发电量为航标灯所耗电量的5~7倍，灯光射程达五海里以上，和我国目前航标使用的电池相比，可节省费用57%，航标的大修期可延长一年。

同时，在发电机功率，电特性和结构上优于当时世界上较先进的日本商品化产品TG103型波力发电装置，而价格比其便宜四分之三。

（11）绿色的能源——生物质能

生物质能又称“绿色能源”，它是指通过植物的光合作用而将太阳辐射的能量以一种生物质形式固定下来的能源。它包括树木、青草、农作物、藻类、兽类及各种有机废物。生物质能的应用，有不同的形式，可以将树木、干草、秸杆等直接作燃料；也可以通过一定的方式将生物质转化为沼气、酒精等，作为燃料。

据推算，地球上每年由植物固定下来的太阳辐射能是目前全世界年能耗总量的十倍。照射到地球上的太阳能中的0．024%被绿色植物的叶子捕获，叶子通过叶绿素产生光合作用，将二氧化碳和水结合成碳水化合物和氧，太阳光的辐射能变成了植物的化学能。

生物质能来源于太阳辐射能，因此它是取之不尽的可再生能源。世界各国普遍重视生物质能的开发和利用。开发“绿色能源”已成为当今世界上工业化国家开源节流、化害为利和保护环境的重要手段。联合国环境保护机构最近的调查报告说，至少有14个工业化国家在开发“绿色能源”方面取得了良好成绩，其中有些国家通过实施“绿色能源”政策，在相当大程度上缓解了本国能源不足的矛盾，而且显著改善了环境。

“绿色能源”有两层含义：一是利用现代技术开发干净无污染新能源；二是化害为利，同改善环境相结合，充分利用城市垃圾、淤泥等能源。与此同时，大量普及自动化控制技术和设备，提高能源利用率。据调查，自1987年以来，工业化国家在开发“绿色能源”方面的投资增长了近1．2倍，1991年工业化国家利用水力、风力、太阳能和植物能源获得的电力相当于900万吨煤当量，而且这种增幅在本世纪内将以平均每年15%~18%的速度增长。

时至今日，城市淤泥将不再是一种污染物，英国、意大利、瑞士、法国和日本等国已开始商业化回收、利用下水道淤泥。意大利从1990年起已将开发淤泥燃料列为重要市政工程项目，西欧1991年淤泥回收处理设备成交额达1．25亿美元，淤泥燃料已成批向企业提供。

目前发达国家已有50多座垃圾发电站，其中一半以上是近5年建成的。10年前建成的美国皮内拉斯市的垃圾发电站每周可处理垃圾120万吨，年发电100亿千瓦时，全部由电脑控制，垃圾燃烧后的废渣无菌，用于道路修筑。日本政府已推出庞大的垃圾发电计划，2000年实现全国垃圾无害化，到2010年实现500~900万千瓦发电能力。

国土仅4万多平方公里的荷兰，年人均丢弃垃圾超出半吨，给该国造成很大压力。1991年，荷兰政府颁布沼气发电计划，投资8000万美元，设计建造若干大型沼气发电厂，工程将于1996年完成。按计划在2000年荷兰全国沼气利用2．5~3亿立方米，届时全国将有近30万户家庭可常年利用沼气能源。据称，该国的废弃物处理公司将向全世界推销沼气发电成套设备，其利润将十分可观。

据世界银行出版物介绍，生物质燃料在发展中国家里目前仍是一种重要能源，特别是在低收入（世界银行定为人均年国民生产总值在500美元以下者）的发展中国家里所消费的能源总量中几乎75%以上是生物质燃料。

全世界生物质燃料提供的能源总量是较难准确计算的，这是因为大量的生物质燃料不进入市场。据国际能源机构估计，生物质能消费量约占总能源消费量的19%左右。

生物质燃料是农村的主要能源，在经济不发达的城市及一些加工企业中也广泛采用这种能源。其传统品种是木材（薪柴和木炭）、动物粪便、农作物废料（麦、稻、高粱等茎秆和枝叶，以及甘蔗渣等），其近代产品是沼气。在发展中国家之间，因地区、农业和森林条件不同，主要使用的品种也不同，在非洲和拉丁美洲的大部分地区（除巴西主要用甘蔗渣外），主要以木材做燃料，在亚洲地区也大量用木材做燃料，但有些国家以农作物废料和动物粪便做燃料，其数量约占燃料消费总量的一半。

在许多发展中国家里，即使是从农村迁居城市的民众，其传统使用生物质燃料的习惯会长期延续下去。然而从农村迁居城市以后，单凭劳力无法获得这种燃料，只能购买薪柴和木炭，因而家庭负担增加，一般，燃料消费要占家庭必需消费的5%~10%。随着供求形势的变化，生物质燃料价格经常波动，上涨时民众则改用石油制品，下跌时恢复用生物质燃料。因此，这种燃料的价格对能源的供求关系也将起着调剂作用。

欧共体最近重申，发展植物能源是补充西欧能源不足的重要途径。欧共体委员会最近指出，植物能源有着广泛的发展前景，它不仅有利于保护环境，而且可以使欧共体国家解决农产品过剩问题。目前，欧共体国家利用粮食、甜菜、土豆、葵花籽等农产品生产的植物能源，不足欧共体全部能源消费的10%。

欧洲许多国家已经看到了能源农作物的潜在应用前景。英国科学与工程研究委员会决定，它将投资2000万英镑研究利用洁净能源的技术，其中向绿色植物要能源是这个研究计划的一部分。英国科学家认为，目前野生植物和栽培作物对于照射在它们上面的阳光的利用效率只有4．2%，如果通过研究使其提高到5%，那么世界农田面积的1/10即可提供相当于目前人类使用的全部化石燃料的能源。

欧洲一些国家已在大规模种植芒属植物，从中获取干净能源。英国科学家发现芒属植物生长迅速，能很快长到3米高。当这种植物临收割时，它只含有20%至30%的水分。因此适于当作工业锅炉和小型发电站的燃料。丹麦、奥地利、德国已大规模种植这种植物，每公顷可收获30多吨，比其他能源植物如柳和白杨产量都高。德国在巴伐利亚附近兴建的一座发电能力为12千瓦的发电厂，其燃料就是芒属、白杨、柳的混合物和秸秆。实践表明，芒属作物所产生的能源相当于用油菜籽制作的生物柴油的两倍。

德国最近已开始半商业性应用菜籽油混合燃料，这种植物油被认为是再生能源，燃烧时污染空气少，故有可能取代石油，成为机动车的能源。现在使用柴油的车辆，均可不经改装便可换用这种混合燃料。据悉，法国、丹麦、比利时和荷兰等国希望从德国引进这项技术。欧共体为支持开发植物能源，决定从1993年1月1日起把植物能源消费税降低90%，以鼓励投资，大力开发这种具有“发展前途”的新能源。

不同形态的生物质能——古老薪柴换新颜

薪柴是人类学会钻木取火之后，首先利用的能源，尽管它的采伐和利用已有上百万年的历史，但至今还是人类掘取的能源之一。现在，世界上仍有许多国家，每年要消费掉大量薪柴。

我国一亿七千万户农户，绝大部分靠薪柴为主要生活能源。过去，由于“重斧头，轻锄头，只伐不养，只造不管”，致使我国的森林覆盖面积逐年减少。全国广大农村严重缺烧。据有关方面统计，全国实际年薪柴需要量为1．8亿吨，折合标准煤1．038亿吨，但所能提供的薪柴量只有8858万吨，差距甚大。

自1978年以来，我国由于种植了薪柴林供应薪柴，1983年薪柴栽种面积新增了1000多万亩。贯彻植树造林、绿化荒山的政策后，全国薪柴资源得到了开发和保护。在今后相当长的一段时间内，薪柴仍将是我国农民的主要燃料。

英国和德国的有关专家预测，芦苇将会成为欧洲未来很有希望的能源，它具有生长快、不用肥料、不打农药、可保护环境等优点，所以，很受专家们的重视与青睐。

芦苇，原生长在中国和日本，是常年生植物，它不用施肥，每个季节可长到3米高，同时，抗病和抗虫的能力很强，不用喷撒农药，燃烧后，尽管像其他的生物燃料一样，会排放CO2，但是，在生长过程中，为了光合作用，却要吸入大量的CO2。它的根部能吸入硝酸根等化学物质，这样有利于保护地下水的水质。据德国科学家估计，每公顷土地每年可收获干芦苇30吨，是白杨和柳树等快生植物的一倍，所以，德国的农民，把芦苇称为“大象草”，意味着它的生长速度快和收割量大。

英国和德国正在研究以芦苇代替石油和煤炭等能源，一是直接将它作为小型热电站的燃料；二是将它合成氢气，在加工原油时，用作提高轻质油收率的原材料；三是代替取暖油，作家庭取暖用燃料。

为此，德国还制定了使用芦苇作燃料的指标，预计到1995年，全国所用的取暖油，按其增长量计算，有80%要用芦苇。

英国和德国的农业科研部门，都征用了大量土地来试种芦苇，仅德国就有一个占地面积为130公顷的试种基地，目前还在继续扩大。

英国剑桥“国立农业开发咨询服务机构”的科学家科林·斯佩尼尔说：原来我们打算种植柳树和白杨树，尽管它们生长很快，但要间隔3年，才能砍伐一次，平均每公顷每年的产量只有16吨。现在种植芦苇，每年都可收割。平均每公顷每年的产量能达到20~35吨，即使按20吨计算，它也是一种很有发展前景的能源。

科学家们一直在尝试从生物量中获取能源，也曾设计成功以木片和蔗渣作燃料的发电厂。但是，人们一直未能找出一种真正有效的方法，来将生物量转化成便于运输的燃料。现在，东京日立公司与石油替换品发展研究所配合，已在实验中取得从生物量中萃取乙醇的方法。该法在工业上的实用希望极大。

新法解决了多年来使科学家们伤脑筋的怎样除去木质素的问题。植物纤维中的木质素极为坚韧，难以使植物细胞壁受到分解。较早的方法中要使用毒性化学品，但新法则用臭氧来除去木质素。留下的纤维素再用酶处理掉，以生成葡萄糖，然后发酵成乙醇，用作燃料或用来生产无铅汽油。

这个从植物中提取乙醇的方法，可使所耗的能量不超过所产生的能量。但目前的困难是，生物量体积庞大，运输费用昂贵，因而利用该法的发电厂，必须靠近生物量的来源区（如糖厂）。

新法的研究人员称，这种厂家能生产出每升成本仅80美分的乙醇。干净的沼气倍受人们重视人畜的粪便、垃圾都是人类社会的抛弃物，处理不当还有碍卫生。人们将粪便、秸秆、杂草、垃圾等有机物，置入沼气池内，在厌氧菌的作用下发酵产生沼气，沼气是以甲烷为主体的混合可燃气体，它可以像天然气一样由管道传输，可以用来烧饭、点灯、发电，是一种理想干净的能源。发展沼气不但可以变废为宝，提取能源，而且可以净化环境，将粪便和垃圾加以集中处置，从而大大减少传染病的流行机会。同时，办沼气还是优化生态环境，形成一种最佳的生物链的先决条件。沼气池里排出来的肥渣可以喂蚯蚓，蚯蚓长大了可用来喂猪和鸡，猪粪、鸡粪又可作生产沼气的原料，肥水还可当肥料，增加农业产量。

沼气已受世界各国的重视，无论是工业发达的国家，还是发展中的国家都十分重视发展沼气。即使包括美国这样经济发达国家在内，也都积极发展沼气，甚至在积极发展大型沼气工厂。美国俄克拉何马州一家沼气工厂饲养了七万五千多头牲口，每天用200吨动物粪便作为产沼气原料，大量生产沼气，并通过地下管道将沼气和天然气一起输送出去，作为工业动力能源。

拉丁美洲已有28个国家和地区不同程度地开展了沼气技术的研究与应用。沼气技术的应用领域可分为四类：农业废物，工业废物，城市下水道污水，城市垃圾。

农业沼气的开发：绝大多数沼气池是建在农村，单个体积为7~40立方米的小型池，发酵原料主要为畜粪，也有人粪和其他农业废物，所建沼气池主要用于炊事等。

工业沼气的开发：甘蔗、水果、咖啡等农副产品加工产生的高浓度有机废物，肉类、奶类加工产生的废水，造纸工业和石油化工废水都可用沼气技术加以处理。到目前为止，至少有25种工艺废水、废物在拉丁美洲开展了沼气发酵的研究，其中使用最多的是酒精厂废醪和咖啡加工后废壳、废水的消化。据报道，仅墨西哥每年就从甘蔗加工废液中回收3万桶石油当量的沼气能源。在巴西，目前有102个工业沼气发酵罐，总容积达7657立方米。

城市下水道污水沼气的开发：在城镇下水道污水厌氧处理方面，已有33个国家研究应用报道，其中近一半是实验室试验项目，其余是生产规模的应用，发酵罐单体容积为200~3300立方米。拉美是当今利用这项技术的领先者。1990年9月哥伦比亚布卡拉曼加两座总容积为6600立方米的上流式厌氧污泥床发酵罐已成功启动。

城市垃圾沼气开发：利用城市垃圾卫生堆埋场技术，可从垃圾中获得沼气。其投资运行费用低，并可以回收能源。据理论计算，一吨垃圾在堆肥场发酵10~20年，可产400立方米沼气，实践中可回收100~200立方米。拉丁美洲现在是发展中国家中采用卫生堆埋场技术的先行者。智利和巴西已有5座堆埋场进行沼气开发。还有5座在计划开发中，其中4座在巴西，1座在哥伦比亚。

从垃圾开发沼气，降低了垃圾堆埋场的运行管理费用，其次是减少石油进口，第三是减轻了大气污染。沼气经过净化后，可用作市镇汽车的燃料，减轻汽车尾气污染；如作为城市煤气，则为市民提供一种廉价的气体能源。拉丁美洲目前沼气年产量约2．173亿立方米，相当于18．64万吨油当量。

其中，农村沼气340万立方米，相当于2900吨油当量，占总量的1．6%；工业和城市污水沼气1．257亿立方米，相当于10．78万吨油当量，占57．8%；垃圾堆埋场沼气8820万立方米，相当于7．57万吨油当量，占40．6%。

拉丁美洲的沼气开发对我们的启示是，应当抓紧发展工业和城镇污水沼气和垃圾堆埋场沼气。

我国广大农村也正大力推广沼气。截至1992年底，全国有正规沼气池498．21万个，年产沼气量11．548亿立方米。沼气发电装机容量2343千瓦，年发电量301万千瓦时。除西藏外，全国各省区都建有沼气池。

一些积极发展沼气的地区，还开始建设家庭生态农业工程，有些农户建起了与猪栏、厕所相通的“三结合”沼气池，人畜粪便自动流入沼气池，以沼气肥渣喂鸡，肥水肥田或流入小池塘喂鱼或养水浮莲。庭园四周种植绿树和花草，环境优美，五谷丰登，造成了五业协调发展的良性生态循环。

扬州市农村改建沼气式卫生厕所，即沼气池、猪圈、厕所三联通，又有新发展。1993年上半年新建沼气式卫生厕所700多个，乡镇改建大中型沼气公厕20座，比1992年同期上升50%。迄今为止，全市已改建沼气式卫生厕所9．5万户；乡镇企业、学校、卫生院改造大中型沼气公厕83座，总地容积为7000立方米，其中邗江县已改48座，占总数57．8%，已有14个乡镇卫生院改建沼气净化公厕，使50%的卫生院向老式公厕永远告别！

这种新型沼气式净化公厕，采用厌氧和好氧发酵相结合处理粪便污水，具有四级发酵工艺，第一、二节为厌氧发酵，三、四节为好氧发酵，采用环流、折流和生物填料的新装置，增加发酵量的流动，延长了发酵液的滞留期，有效地杀灭各种病菌虫卵，使厌、好氧发酵更为完善，达到国家卫生排放标准。创造了无害化的卫生环境，保护了水资源。

全市通过改厕所、建沼气，开发了沼气能源，用于烧饭、照明，形成年节柴15．5万吨，折标煤10万吨，还为农民提供优质有机肥3000多万担，减少了化肥用量，减轻了农民负担，节约成本，增加农民收入2500~3000万元，基本上实现猪进圈、粪入池，消灭了不文明的露天粪坑，有效地改变了农村卫生环境和传统观念习惯。

湖北省松滋县城建环保局，采取减免城建配套费和重点倾斜环保补助资金的办法，扶持并指导当地骨干企业——湖北省白云边酒厂兴建起全国首家固体酒槽发酵沼气站。该站同与其配套的饲料厂和污水处理厂一起投入运行后，可使日产120吨的固体酒糟和酿酒废水得到综合利用。

绿色的油库造福人类

如果有人告诉你，石油可以种出来，也许你不会相信，但是从植物中可以提炼出石油，这是千真万确的事。

人类在长期的生产实践中，经过细心的观察，发现在数以万计的植物中，有的会分泌出类似于石油的乳汁；有的籽实或枝叶里含有很高的油分，只要通过简单的加工，便能提取出各种各样的植物油，这种植物油可以代替柴油当燃料。还有人发现，利用各种农副产品和废料发酵和蒸馏，制成酒精和甲醇，也是汽油的理想代用品。现在，有些已经突破了技术和经济难关，在全世界范围内推广应用。

早在20世纪初，柴油机的发明者狄塞尔就在他发明的柴油机上，试验过以各种植物油作燃料。后来，由于中东的廉价石油流入国际市场，“绿色的油库”曾一度被人们遗忘。1973年，中东爆发石油危机，油价猛涨，一些国家又开始重视植物油的研究和开发利用。

现在，在世界范围内已经找到许多种可以提取燃料油的植物。除了我们所熟悉的油菜籽、向日葵等油料作物外，在美国发现了一种名叫美洲香槐的石油树，这种树长成时，可以像割橡胶一样，从树干的表皮取出白色乳汁，这种乳汁只要稍加提炼，就会得到石油。此外，东南亚的合欢树，我国台湾省的高冠树，美国的“绿玉树”、“续随树”，都属于石油树。

还有一种能适应沙漠恶劣环境下生活的灌木植物，名叫霍霍巴，它的果实含有50%~60%油性乳汁，经过提炼就是高级精密机械的润滑油。

油料作物还有大豆、花生、棉籽、油橄榄、桔皮等，都可榨油。

我国是研究油料植物较早的国家之一，但由于食油缺乏，油料作物得先满足人民日常生活食油所需，作为燃料的为数不多。不过，亦有一些地区的农村，在农忙季节，因柴油缺乏也曾以植物油代替柴油，也收到了较好的经济效果。

可以预计，随着石油资源的消耗，石油产量的下降，人类终将打开“绿色的油库”，为满足社会对液态燃料的日益增多的需要。

（12）未来的洁净能源——氢能

早在1874年，富于幻想的作家米尔斯·维恩曾预言，世界能源最终将以氢为基础。发展趋势表明，下世纪过渡到使用无碳燃料已在所难免。氢原子将取代碳原子，使地球恢复洁净。

自从工业革命开始以来，人类通过燃烧化石燃料，已经把数十亿吨有毒污染物倾倒在大气层中。燃烧化石燃料，每年有50亿吨炭、约1000万吨硫和比此数少一些的氮氧化物进入大气层。

氢作为燃料的独一无二的优点是，它的燃烧产物是水，不会污染环境，燃料循环与生物圈相吻合。

氢的运输和销售费用要比输电的便宜，在许多情况下，把现有的天然气管线改造一下，就能用来运输氢。运送氢的费用只为远距离输电的八分之一。氢还可能比电更宜于储存。按重量计算，氢的能量是同量汽油能量的2．5倍左右。如果把喷气机上的燃料换成同等效能的氢，就会大大节省重量，这也使氢成为一种航空燃料具有的明显优点。

如果把气态氢效率高的优点考虑进去，那么生产相当于3．78升汽油的气态氢需花费约1．4美元。如果要化石燃料燃烧对环境污染负责的话，则每升汽油的实际成本至少要再增加25美分。因此，当考虑总的社会开支时，甚至现在用氢也比用化石燃料便宜。

在可再生能源得到大量应用之前，氢主要由天然气作原料来生产。21世纪中叶以前，煤炭可能成为生产氢的最便宜的原料。高温气冷堆将是制备氢的理想热源，它可提供高达1000℃以上的高温。

现在，世界各国都在探索用廉价的方法制备氢的途径，而且取得了许多新成果。

美国能源部1993年投资6300多万美元，用于研究与开发利用氢气代替汽油作汽车燃料。科学家们认为氢气将是21世纪后半期汽车的主要燃料。氢气具有对大气污染少，燃烧时不会排放SOx、NOx和CO2等有害气体，完全符合美国于1990年颁布的净化空气法的要求。石油、天然气和煤炭等化石燃料，生成过程很慢，要经历几百万年，甚至几亿年，开采一点少一点，终究有一天会枯竭的。而氢气却是取之不尽，用之不竭的能源，可减少对进口石油的依赖，能实现能源自给自足，可节约大量用于进口石油的外汇。但是，美国过去对研究与开发氢气重视不够，大大落后于德国、瑞典和日本等国家，所以，现在要迎头赶上。

关于利用氢气作汽车燃料的问题，美国研究的重点是开发燃料电池。这种电池，除了用氢气外，还可用天然气、甲醇、乙醇和其他气体。美国科学家瑟法斯说：燃料电池的能源转换效率可达到40%~55%，如果利用它的热能，还可使能源转换效率提高到80%。

使系统实用化的关键技术是：以氢作燃料的涡轮发电机；高效率的分解水技术；安全而低成本的氢储存技术。

由日本万事发车厂研制的实验性汽车，燃料不是汽油、柴油、酒精，而是用氢气发动。而含氢成分极高的水正是它的原料。

目前，尽管这种实验性汽车使用成本极高，而油价目前相对地低，但由于对地球环境污染问题日益重视，而石油总有耗尽一日，用氢作为汽车燃料最为吸引人，因氢与氧结合成为水，而地球上正好有大量的水。

不过以水代替汽油，仍有许多难题。首先将氢从水中分解出来就需用大量的电，这是成本高的一个原因。需用大量的电，意味着用氢作汽车燃料也不是绝对干净，因为发电过程会产生有害物质，不过这个问题可用水力发电解决。另一个问题是如何将氢储藏在汽车内，将气体氢变成液体氢，便于储藏，但必须在零下253℃。尽管难题很多，但是氢作燃料是下一个世纪的选择，前途十分光明。

现在，利用液氢作为燃料的氢能飞机已经研制成功，并且进行了试验，性能十分稳定。德国和俄罗斯目前正在合作研制一种空中客机，它由液氢作燃料，可望在2010年前后投入使用。

德俄研制这种飞机的原因：第一，在不久的将来可能出现石油供应短缺。需研究新能源取而代之；第二，从保护环境的角度来看，液氢是最理想的无污染燃料。

目前欧洲每天仅生产液氢20吨，而一旦这种燃料投入使用，估计欧洲每天需消耗液氢6000吨。

可以预料，随着科学技术的突飞猛进，氢将逐渐取代常规能源，到21世纪，它将成为能源舞台上的重要角色之一。氢能时代将会在下世纪后期到来。