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第七章其他新能源简介第一节生物质能发电第二节地热能发电第三节
潮汐能发电
第四节燃料电池发电第七章其他新能源简介第一节生物质能第一节生物质能发电(一)生物质能概述绿色植物通过与太阳光能的光合作用，把二氧化碳和水合成为储藏能量的有机物，并释放出氧气。生物质能（biomassenergy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。生物质能作为与太阳能、风能并列的可再生能源之一，受到国际上广泛的重视。第一节生物质能发电(一)生物质能概述地球上的生物质能资源极其丰富，且属无污染、无公害的能源。以热量来计算，地球表面积共5.1亿km2，其中陆地表面积1.49亿km2，海洋表面积3.61亿km2。按每1kg植物的发热量为1.7×104J计，陆地植物每年可固定的太阳能为1.97×1021J，即相当于1180亿t有机物，海洋植物每年可固定的太阳能为9.2×1020J，则相当于550亿t有机物。这样，若地球表面全部覆盖上植物，这些绿色植物每年可以“固定”的太阳能，相当于产生1730亿t有机物质。实验表明，1t有机碳燃烧释放的热量为4.017×1010J。以1730亿t有机物所拥有的能量计算，可相当于全世界能源总消耗量的10~20倍，而目前只有1%~3%的生物质能源被人类利用，主要用于取暖、烹饪和照明。地球上的生物质能资源极其丰富，且属无污染、无公害的能源。以热通常生物质能资源可划分为下列几大类别：（1）农作物类。包括产生淀粉可发酵生产酒精的薯类、玉米、甜高粱等，产生糖类的甘蔗、甜菜、果实等。（2）林作物类。包括白杨、悬铃木、赤杨等速生林种、苜蓿、芦苇等草木类及森林工业产生的废弃物。（3）水生藻类。包括海洋生的马尾藻、巨藻、石莼、海带等，淡水生的布带草、浮萍等，微藻类的螺旋藻、小球藻等，以及蓝藻、绿藻等。（4）可以提炼石油的植物类。包括橡胶树、蓝珊瑚、桉树、葡萄牙草等。（5）农作物废弃物（如秸秆、谷壳等）、林业废弃物（如枯枝、树皮、锯末等）、畜牧业废弃物（如骨头、皮毛等）及城市垃圾等。（6）光合成微生物。如硫细菌、非硫细菌等。通常生物质能资源可划分为下列几大类别：
生物质能是人类最古老的能源。人类自从学会使用火，就开始利用生物质能。生物质能属于分散性、劳动密集型和占地较多的能源，其应用的方式主要是直接燃烧。随着人类社会的不断发展，对能源的需求不断增长，生物质能源天然储量逐渐枯竭，新的形式的能源如煤炭、石油、水力、天然气、核能等被大量开发采用。由于新的形式的能源能量密度高、容易利用和开发，从而导致生物质能被逐渐取代。（二）生物质能转换技术生物质能是人类最古老的能源。人类自从学会在发达国家，尽管某些国家和地区的能耗结构中生物质能源仍占较高比例，如芬兰15%、瑞典9%，但就整个工业化国家而言，生物质能源占一次能源的比例不超过3%。在发展中国家，由于经济和社会原因，生物质能源仍占较高比例，尤其在少数国家和地区生物质能源所占比例非常高，如尼泊尔高达95%，肯尼亚达到75%，印度达到50%，中国达到33%，巴西达到25%，埃及和摩洛哥达到20%。利用生物质能的最有效的途径之一，就是首先将其转化为可驱动发电机的能量形式，再按照通用的发电技术发电，然后直接送给用户或并入电网提供给用户。在发达国家，尽管某些国家和地区的能耗结构中生物质能源
生物质能发电与大型发电厂相比，具有如下特点：（1）生物质能发电的重要配套技术是生物质能的转化技术，且转化设备必须安全可靠、维修保养方便。（2）利用当地生物资源发电的原料必须具有足够数量的储存，以保证持续供应。（3）所用发电设备的装机容量一般较小，且多为独立运行的方式。（4）利用当地生物质能资源就地发电、就地利用，不需外运燃料和远距离输电，适用于居住分散、人口稀少、用电负荷较小的农牧业区及山区。（5）生物质能发电所用能源为可再生能源，污染小、清洁卫生，有利于环境保护。
生物质能发电与大型发电厂相比，具有（生物质转化的能源形式：（1）直接燃料。采用直接燃料的目的是获取热量。燃烧热值的多少因生物质的种类而不同，并与空气（氧气）的供应量有关。有机物氧化的越充分，产生的热量越多。它是生物质利用最古老最广泛的方式。但存在的问题是直接燃烧的转换效率很低，一般不超过20%。（2）甲醇。甲醇是由植物纤维素转化而来的重要产品，是一种环境污染很小的液体燃料。甲醇的突出优点，是燃烧中碳氢化合物、氧化氮和一氧化碳的排放量很低，而且效率较高。研究表明，85%的甲醇和15%的无铅汽油制成的混合燃料，可使碳氢化合物的排放量减少20%~50%。生物质转化的能源形式：（1）直接燃料。采用直接燃料的（3）酒精。用酒精作燃料，可大大减少石油产品对环境的污染，而且其生产成本与汽油基本相同。科学研究表明，在乙醇里加入10%的汽油，燃烧生成的一氧化碳将可大大减少。因此酒精被广泛用在交通运输上作为柴油和汽油的替代品，得到环境保护组织的青睐。车用乙醇汽油就是将乙醇脱水后再加上适量汽油形成“变性燃料乙醇”，再与汽油以一定比例混合配置成为“车用乙醇汽油”。(4)沼气。沼气是高效气体燃料，主要成分为甲（55%~70%）、二氧化碳（约占30%~35%）和极少量的硫化氰、氢气、氨气、磷化三氢、水蒸气等。沼气产生的机理，是在极严格的厌氧条件下，有机物经多种微生物的分解与转化作用，尤其是“产甲烷菌”的作用，使其碳素化合物被分解。大部分能量转化储存在甲烷中，一小部分被氧化为二氧化碳，而分解中所释放的能量用以满足微生物生命活动的需要。（3）酒精。用酒精作燃料，可大大减少石油产品对环境的污染
（5）垃圾燃烧供能。城市垃圾经过分类处理后，在特制的焚烧炉内燃烧后利用其产生的热量发电，与垃圾发酵产生沼气燃烧发电的方法效果相同。（6）生物质气化生产可燃气体及热裂解产品——可燃气体、生物油、炭等。生物质燃气是可燃烧的生物质如木材、锯末屑、秸秆、谷壳、果壳等再高温条件下经过干燥、干馏热解、氧化还原等过程后产生的可燃混合气体和大量煤焦油。不同的生物质资源气化产生的混合气体含量有所差异，与煤、石油经过气化后产生的可燃混合气体（煤气）的成分大致相同，俗称“木煤气”。 生物质热裂解是指在完全无氧或只提供有限的氧气条件下进行的生物质的热降解过程。此时气化不会大量发生，生物质分解为气体（不可凝的挥发物）、液体（可凝的挥发物）和固体碳。上述产物均可作为燃料使用，其中生物油还是用途广泛的有机化学原料。（5）垃圾燃烧供能。城市垃圾经过分类处理后，在特制的焚烧生物质能的转化技术
除了直接燃烧外，利用现代物理、生物、化学等技术，可以把生物资源转化为液体、气体或固体形式的燃料和原料。目前所研究出来的技术主要分为物理干馏、热解法和生物、化学发酵法几种，包括干馏制取木炭技术、生物质可燃气体气化技术、生物质厌氧消化技术和生物质能生物转化技术。下面重点介绍其中的生物质能生物转化技术、生物质厌氧消化技术和生物质能可燃气体气化技术。（1）生物质能源的“生物转化”技术。生物质能源的“生物转化”技术是指能高效产生能源的生物的培育技术。生物质能的转化技术 除了直接燃烧外，利用现代物理、首先是“石油植物”的培植。1977年，美国科学家发现，某些绿色植物能迅速把太阳能转变为烃类，而烃类是石油的主要成分。据预测，全球绿色植物储存的总能量大约相当于8万亿吨标准煤，其中的90%储存在森林中。自然界能够生出“石油”的这种植物实际上是一种低分子量的碳氢化合物，它的汁液中含有的分子量在1000~5000之间，与矿物石油性质相近，被称为“绿色石油”，这些植物被称为“石油植物”。1978年，美国加利福尼亚大学卡尔文培育出了“石油草”，经提炼，每公顷可生产14~16m3的“石油”。这种植物成活率高、耐旱性强，燃烧时不会产生一氧化碳和二氧化硫等有害成分，是一种理想的清洁生物燃料。而达尔文也因此获得了诺贝尔奖。首先是“石油植物”的培植。1977年，美国科学家发现，某些绿
目前，全球已发现有上千种可生产“绿色石油”的植物。美国建立了5个三角叶杨、黑槐、糖槭树、桉树等组成的能源实验林场。巴西的三叶橡胶树、美洲香槐、澳大利亚的阔叶棉等，均可提炼出油类。加拿大实验了两年轮伐的杨树能源林。菲律宾种植了大面积银合欢树。瑞士制定了种植“能源林”的计划，以解决全国每年石油需求量的50%。
同时，科学家们特别强调应该大力开发和利用“高光效植物”，即光合作用效率高于5‰的植物，例如甘蔗、玉米、甜菜、甘薯等。
这些植物具有更高的吸收二氧化碳的能力。选育和大面积种植高光效植物，已成为生物质能开发利用的重要途径。在林业方面研究和培育光合作用效率高、生长快、繁殖力强的树种也十分重要。目前，全球已发现有上千种可生产“绿色石油”的植物。美国
其次是藻类的培植。蓝藻是地球上一种最古老的生物，它可潜伏在水层里，依靠它所含有的叶绿素和藻蓝素利用太阳光进行光合作用，成功地把二氧化碳和水合成碳水化合物。蓝藻可以说是世界上最早的太阳能收集、储存装置。它的出现意味着地球上以太阳能为动力的生命形式由低级走向高级，从简单走向复杂。蓝藻是一种既能光合（发电、放氧、制糖）、又能固氮（合成氨），还能放氢的“综合工厂”。蓝藻大多分为营养细胞和异型细胞。在光合过程中，营养细胞能制糖和发电，异型细胞在特定条件下能催化放出理想的燃料——氢。蓝藻另一重要的作用是可以发电。利用蓝藻将使人们可以用太阳能为动力，以水、二氧化碳和氮气为原料，定向地进行发电、合成食物、生产氮肥和制造氢气。 其次是藻类的培植。蓝藻是地球上一种最古老的生物，它可潜伏在
作为生物质能源，除蓝藻外的水生植物可利用的还有很多。藻类生物可用厌氧发酵成甲醇，其转化率可达50%~70%。海藻能释放出大量的近似甲烷的可燃性气体，据估计，1公顷海藻一年内可排放出4万m3的可燃性气体。有一种海藻能在高盐碱的水中产生大量有价值的烃类（其含有甘油）。小球藻可提供22kJ/g的能量。水风信子是沼气发酵的极好原料，它繁殖速度极快，一株水风信子三个月就可产生248181个后代。藻类还能回收石油，如“红巨藻”能以相当其生物量生长速度50%的速率合成分泌出一种磺化多糖，可用于从地下的砂质形成物中回收石油，其回收石油的数量等于或高于用聚合物得到的数量。 作为生物质能源，除蓝藻外的水生植物可利用的还有很多。藻类生（2）生物质能源的厌氧消化技术——沼气的制作沼气的发生机理是不同的微生物在发酵过程中的共同作用。根据不同微生物的作用，可分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和果胶分解菌。按它们的代谢产物不同，又可分为产酸细菌、产氢细菌和产甲烷细菌等。沼气发酵是纤维素发酵、果胶发酵、氢气发酵、甲烷发酵等多种单一发酵的混合发酵过程，一般可分为3个过程：1）水解液化过程。四个菌种将复杂的有机物分解为较小分子的化合物。各种菌种的“胞外酶”转化有机物成为可溶于水的物质。2）产酸过程。由细菌、真菌和原生动物把可溶于水的物质进一步转化为小分子化合物，并产生二氧化碳和氢气。（2）生物质能源的厌氧消化技术——沼气的制作沼气的发生机理是3）生产甲烷阶段。由产甲烷菌把氢气、二氧化碳、乙酸、甲酸盐、乙醇等统一生成甲烷和二氧化碳。总之，沼气的生产过程是有机物在厌氧条件下被沼气微生物分解代谢，最后形成以甲烷和二氧化碳为主的混合气体的生物化学过程。沼气由沼气发酵池产生，故沼气制作技术主要指沼气池技术。根据应用环境不同，可分为城镇工业化发酵装置和农村家用沼气装置。城镇工业化发酵装置包括单级发酵池、二级高效发酵池和三级化粪池高效发酵池。农村家用沼气池包括水压式沼气池、浮动罩式沼气池和塑料薄膜气袋式沼气池。中国在农村推广的沼气池多为水压式沼气池，又称“中国式沼气池”。正常情况下，在中国南方这样一个池子可达到年产250~300m3沼气，提供一家农户8~10个月的生活燃料用。3）生产甲烷阶段。由产甲烷菌把氢气、二氧化碳、乙酸、甲酸盐（3）生物质可燃气体气化技术目前世界各国研究开发制造的生物可燃气体发生器有多种形式，通常分为热裂解装置和气化炉两大类。生物质热裂解生成产物的相对比例取决于热裂解方法和反应条件。与生物质完全气化所需用的温度要达800~1300℃相比，生物质热裂解所需的温度相对较低，一般为400~800℃。生物质热裂解的优势，在于它能够直接将难处理的固体生物质及其他废弃物比较容易地转化为液体燃料。这些液体物，无论是生物油，还是水—炭浆混合物或是生物油—炭浆混合物，在运输、储存、燃烧、改性以及生产、销售的灵活性方面都优于原始物质。生物质原料及其热裂解产物的能量密度如表7-1所示。（3）生物质可燃气体气化技术目前世界各国研究开发制造的生物可表7-1生物质原料及其热裂解产物的能量密度表7-1生物质原料及其热裂解产物的能量密度从表7-1中可以看出，生物油和炭浆的混合物比起木屑和稻草，在体积、密度，尤其是能量密度方面具有明显优势，这种优势对于长途运输以及搬运、储存是非常重要的。其次，一次生物油在应用和销售上，也存在较为明显的优势，并且在燃烧工艺上也比较容易操作。生物质热裂解产生的液体为棕黑色的热裂解油，又称为生物油或生物原油。根据工艺不同，生物质热裂解产生两类热裂解油：一种是闪速生物质热裂解工艺产生的一次生物油，另一种是常规和慢速热裂解工艺产生的二次油或焦油。从表7-1中可以看出，生物油和炭浆的混合物比起木屑和稻草，在由于在储存和应用上存在的重要差异，故人们对在闪速生物质热裂解工艺产生的一次生物油非常重视。另一种液体产品是浆体燃料，它是用水和炭添加稳定悬浮态的化学制品制成的，也可以用生物油和炭制成生物油—炭浆体燃料。生物质气化炉常压下生物质原料在气化炉中经过氧化还原一系列反应生成可燃性混合气体。由于空气中含有大量氮气，故生物煤气中可燃气体所占比例较低，热值较低。一般为4000~5800kJ/m3。气化炉的工作过程为：生物质原料进入炉内，加一定量燃料后点燃，同时通过进气口向炉内鼓风，通过一系列反应形成煤气。期间可分为氧化层、还原层、热解层、干燥层4个区域。由于在储存和应用上存在的重要差异，故人们对在闪速生物质热裂解1）氧化层（燃烧层）：生物原料中的碳与空气中的氧进行化合，生成大量二氧化碳，部分区域因空气不足形成少量一氧化碳。同时，释放大量热量，温度达1000~1300℃。2）还原层：随着气流运动，大量二氧化碳遇到更多炙热的碳，被还原成一氧化碳，部分水蒸气被分解成氢和氧，并吸收大量的热量，与碳化合形成多种产物。可燃成分的含量大约为：CO为22%，H2为10%，CH为43%，CmHn为1%。3）热解层：生物质原料中含有的大量有机、无机挥发物质，在500℃左右的热气流冲刷下被干馏热解出来，根据不同凝结点形成胶状焦油、焦碳和半焦碳。4）干燥层：生物质原料进入炉内首先被约为200℃的热气流干燥，所含水分蒸发，为热解做好准备。1）氧化层（燃烧层）：生物原料中的碳与空气中的氧进行化合，生气化炉一般分为流化床、移动床和固定床三种。1）流化床：流化床技术是近20年发展起来的新型燃烧炉。借助于流化物质，例如加热到上千摄氏度的细砂与研细的生物质原料混合，在强大空气流的作用下，形成气固多相流，喷入燃烧室，炙热的细砂将细碎的生物质原料加热燃烧，从而产生出“木煤气”，通过管道引出。2）移动床：将生物质原料置于燃烧室中可移动至加热面上，连续送入，进而不断地燃烧。3）固定床：这是历史最久的气化装置。按照气体在燃烧炉内的流动方向，固定床可分为上吸式、下吸式、平吸式三种。气化炉一般分为流化床、移动床和固定床三种。1）流化床：
(三)生物质能发电技术生物质燃气（木煤气）发电技术中的关键技术是气化炉及热裂解技术。图7-1生物质气化发电途径(三)生物质能发电技术生物质燃气（木煤气）发新能源简介课件生物质气化发电可通过三种途径实现：生物质气化产生燃气净化后作为燃料直接进入燃气锅炉生产蒸汽，再驱动蒸汽轮机发电；也可将净化后的燃气送给燃气轮机燃烧发电；还可以将净化后的燃气送入内燃机直接发电。在发电和投资规模上，它们分别对应于大规模、中等规模和小规模的发电。生物质气化内燃发电系统主要由气化炉、燃气净化系统和内燃发电机等组成：图7-2生物质发电系统构成生物质气化发电可通过三种途径实现：生物质气化产生燃气净化
气化炉是将生物质能由固态转化为燃气的装置。生物质在气化炉内通过控制空气供应量，而进行不完全燃烧，实现低值生物质能由固体向气态的转化，生成包含氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、多碳烃（CnHm）等可燃成分的燃气，完成生物质的气化过程。气化产生的燃气出口温度随气化炉型式的不同，在350℃～650℃之间，并且燃气中含有未完全裂解的焦油及灰尘等杂质，为满足内燃机长期可靠工作的要求，需要对燃气进行冷却和净化处理，使燃气温度降到40℃以下、焦油灰尘含量控制在50mg/Nm3以内，燃气经过净化后，再进入内燃机发电。 在内燃机内，燃气混合空气燃烧做功，驱动主轴高速转动，主轴再带动发电机进行发电。气化炉是将生物质能由固态转化为燃气的装置。生物质在气
沼气发电技术我国沼气发电研发有20多年的历史，农村主要以3-10kw沼气机和沼气发电机组方向发展，而酒厂、糖厂、畜牧场、污水处理厂的大中型环保能源工程，主要以单机容量为50-200kw的沼气发电机组方向发展。据不完全统计，到2000年底中国农村已有家用沼气池764万个，共有3500多万人口使用沼气，年产沼气达26亿m3，成为世界上建设沼气发酵装置最多的国家。某以有机废料为原料的沼气厂构成如图7-3所示。沼气发电技术我国沼气发电研发有20多年的历史，
图7-3以有机废料为原料的沼气厂 图7-3以有机废料为原料的沼气厂其中，热电联产系统分为纯沼气电站和沼气一柴油混烧发电站，按规模分为50kW以下的小型沼气电站、50~500kW的中型沼气电站和500kW以上的大型沼气电站。主要由消化池、汽水分离器、脱硫化氰及二氧化碳塔、储气柜、稳压箱、发电机组（即沼气发动机和沼气发电机）、废热回收装置、控制输配电系统等部分构成。消化池产生的沼气经汽水分离器、脱硫化氰及脱二氧化碳塔净化后，进入贮气柜，经稳压箱进入沼气发动机驱动沼气发电机发电。其中，热电联产系统分为纯沼气电站和沼气一柴油混烧发电站，按规发电机所排出的废水和冷却水所携带的废热经热交换器回收，作为消化池料液加温热源或其他再利用。发电机所产出电流经控制输配电系统送往用户。沼气电站适于建设在远离大电网、少煤缺水的山区农村地区。中国是农业大国，商品能源比较缺乏，一些乡村地区距离电网较远，在农村开发利用沼气有着特殊意义。无论从环境保护还是发展农村经济的角度考虑，沼气在促进生物质良性循环、发展庭园经济、建立生态农业、维护生态平衡、建立大农业系统工程中都将发挥重要作用。发电机所排出的废水和冷却水所携带的废热经热交换器回收，作为消城市垃圾发电技术城市垃圾处理的新方向是通过发酵产生沼气再用来发电。欧美工业发达国家最早开发应用该技术。 德国1991年建成欧洲最大的处理10万吨城市垃圾的凯尔彭市垃圾处理场；到20世纪80年代末，已建成投产16座垃圾焚烧电站，所获能源达全国能耗的4%~5%，成为电网不可缺少的电源。法国约有垃圾焚烧场50多个，垃圾焚烧炉90多座；位于巴黎的最大垃圾焚烧发电站所发电量可满足巴黎市用电量的20%。
城市垃圾发电技术城市垃圾处理的新方向是通过发酵产
美国1968年在尼加拉瓜能源中心建造了一座全烧垃圾的发电厂，每天处理垃圾2200t；并先后在纽约、佛罗里达、皮拉内斯等地建成大型垃圾发电厂，目前美国利用垃圾处理所获电量已达5000万kWh。日本1965年在大阪市西淀区建成垃圾焚烧电站，装机容量达5400kW；到2010年日本垃圾发电量已达500~900万kW。据统计，我国现年产城市生活垃圾约1.5亿吨，其中填埋占70%，焚烧和堆肥等占10%，剩余20%难以回收。垃圾发电率还不到10%，相当于每年白白浪费2800兆瓦的电力，被丢弃的“可再生垃圾”价值高达250亿元。据国家环保总局预测，2015年我国城市垃圾年产量将达到2.1亿吨。因此，在中国发展垃圾发电十分迫切。美国1968年在尼加拉瓜能源中心建造了一座全烧垃圾发电技术的关键之一，是垃圾焚烧炉的设计、制造和管理。目前国际上技术较先进的国家是德国和法国，他们普遍采用水冷壁焚烧炉焚烧垃圾，产生的蒸气直接用于发电。美国和瑞典采用半悬浮式水冷壁焚烧炉，还有直接焚烧炉、流化床焚烧炉、低焰焚烧炉等多种形式焚烧炉。日本对垃圾焚烧处理厂的设计采用“综合发电系统”，即在离垃圾堆积基地50、100、200km的海岸同时建立火力发电厂和大型废弃物处理厂，把垃圾焚烧产生的蒸气与火力发电厂的蒸气混合用作动力源，驱动汽轮机带动发电机发电。该系统大大提高了发电效率，远高于废弃物单独焚烧时的发电效率。废物处理厂规模越大，成本越低，效率越高。垃圾发电技术的关键之一，是垃圾焚烧炉的设计、制造和管理。目前
垃圾发电技术的关键之二，是垃圾的质量管理。由于垃圾中可燃废弃物的质量和数量都随季节和地区的不同而发生变化，发电量稳定性小，导致垃圾发电厂的电力向电力公司出售时“评价”较低，价格偏低。为此，必须加强垃圾的管理，如扩大垃圾搜集范围，加大垃圾处理厂储藏容量，加强垃圾筛选和分离，增加可燃物的回收数量和质量，加强工业废物的回收，提高垃圾可燃成分的含量等。垃圾发电技术的关键之三，是对焚烧炉温度和蒸气产量的控制。应采取措施改进汽轮机和冷凝器等设备的控制系统，以提高垃圾发电的稳定性。垃圾发电技术的关键之二，是垃圾的质量管理。由于垃圾中可燃废
(四)生物质能发电前景
生物质能源的优点：
首先在于其经济性。生物质能源属于可再生资源，一般都是使用国的原产物，无需进口，能够为该国的农业、林业的发展提供条件。
其次，生物资源便宜，易于获得，其转化装置可大可小，因地制宜。最后，从环境保护的角度出发，燃烧生物质所产生的污染远低于矿物质燃料，目前利用生物质能源的技术还使许多废物、垃圾的处置问题得到减少和解决。(四)生物质能发电前景 生物质能源的优点：
与其他形式的可再生能源相比，生物质资源的缺点在于其存在较分散，不容易收集，能源密度低。同时，由于生物质资源含水量大，收集、干燥其所需要的成本高，从经济上限制了其开发利用。因此，现代生物质资源的开发受到必要投资额的制约。生物质能源在发达国家是一种昂贵的能源，这就是生物质能在发达国家不能获得大规模发展的原因。在发展中国家，丰富的自然资源和廉价劳动力会大大降低生物质能的价格。同时，常规能源生产的高资金投入和管理会严重影响到其成本，进口能源更加昂贵，从而使得在发展中国家大力发展可再生能源前景良好。发展生物质能的最有利环境毫无疑问是经济上的，如果生物质能比其他能源便宜，那么它的发展就会异常迅速。与其他形式的可再生第二节地热能发电
（一）地热资源所谓地热能，就是来自地下的热能，即地球内部的热能。地热资源，是开发利用地热能的物质基础。地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中含有的热能量和热流体中含有的热能量及其有用的伴生成分。据估计，全世界地热资源的总量大约为1.45×1026J，相当于煤炭总储量的1.7亿倍。目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m以下为经济型地热资源，2000~5000m为亚经济型地热资源。
第二节地热能发电（一）地热资形成地热资源有热储层、热储体盖层、热流体通道和热源四个要素。通常地热资源根据其在地下热储中存在的不同形式，分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型资源和岩浆型资源等几类。（1）蒸汽型资源指地下热储中以蒸汽为主的对流水热系统，它以产生温度较高的过热蒸汽为主，掺杂有少量其他气体，所含水分很少或没有。这种干蒸汽可以直接进入汽轮机，对汽轮机腐蚀较轻，能取得满意的工作效果。但这类构造需要独特的地质条件，因而资源少、地区局限性大。形成地热资源有热储层、热储体盖层、热流体通道和热源四个要素。
（2）热水型资源指地下热储中以水为主的对流水热系统，它包括喷出地面时呈现的热水以及水汽混合的湿蒸汽。这类资源分布广、储量丰富，根据其温度可分为高温(>150℃)、中温(90~150℃)和低温（90℃以下）。（3）地压型资源它以高压水的形式储存于地表以下2~3km的深部沉积盆地中，并被不透水的盖层所封闭，形成巨大热水体。地压水除了高压、高温的特点外，还溶有大量的碳氢化合物（如甲烷等）。所以，地压型资源中的能量，实际上是由机械能（压力）、热能（温度）和化学能（天然气）3个部分组成的。（2）热水型资源(4）干热岩型资源。干热岩型资源是比上述各种资源规模更为巨大的地热资源。它是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。从现阶段来说，干热岩型资源专指埋深较浅、温度较高的有开发经济价值的热岩石。提取干热岩中的热量，需要有特殊的办法，技术难度大。（5）岩浆型资源。岩浆型资源是指蕴藏在熔融状和半熔融状岩浆中的巨大能量，它的温度高达600~1500℃左右。在一些多火山地区，这类资源可以在地表以下较浅的地层中找到，但多数则是埋在目前钻探还比较困难的地层中。(4）干热岩型资源。在上述5类地热资源中，目前能为人类开发利用的，主要是地热蒸汽和地热水两大类资源，人类对这两类资源已有较多的应用；干热岩和地压两大类资源尚处于试验阶段，开发利用很少。不过，仅仅是蒸汽型资源和热水型资源所包括的热能，其储量也是极为可观的。随着科学技术的不断发展，完全可以确信，地热能的开发深度还会逐渐增加，为人类提供的热量将会更大。在上述5类地热资源中，目前能为人类开发利用的，
图7-4地热资源利用途径 图7-4地热资源利用途径地下热水的形成
地下热水的形成一般可分为深循环型和特殊热源型两种形成类型。大气降水到地面后，沿土壤或缝隙向地下深处渗透成为地下水，在常温带以下地下水每深入100m平均增温3℃，地下2km左右就可以获得60~80℃的热水。热水受热后膨胀，在下部强大压力的作用下向地表移动，成为浅埋藏的地下热水或露出地表成为温泉。冷水下降热水上升构成地下热水的循环运行。深循环型地下热水的形成、运动和储存，与地质构造密切相关。在地壳变动比较剧烈、岩石发生较大断裂的地区，深入地壳内部的岩层裂隙就较多，从而就为冷热水的循环提供了通道。尤其是在几组不同走向的断层交汇处，岩层在不同方向力的挤压下，断裂破碎程度会更大，裂隙也将更多，从而成为集聚热水的含水层。所以，在断层复合交叉的部位及其附近，常是存在深循环型地下热水的地区。地下热水的形成 地下热水的形成一般可分为深循
地热田类型
地热田分为热水田和蒸汽田两种类型。热水田开采出的介质主要是温度在60~120℃之间的液态水，多属于深循环型热水，少数属于特殊热源型。地质结构上其储水层上方通常没有不透水的覆盖岩层。热水田是地热田中一种较为普遍的类型，既可直接用于供暖和工农业生产，也可用于减压扩容法地热发电系统。蒸汽田可以按照井口喷出介质的状态分为干蒸汽田和湿蒸汽田。其储水层上方有一层透水性很差的覆盖岩层，从而使得储水层成为聚集大量具有一定压力和温度的蒸汽和热水的热储。蒸汽田按井口喷出介质的状态分为干、湿蒸汽田，其地质条件一般是类似的。有时也会出现同一口地热井交替喷出干、湿蒸汽的情况。蒸汽田特别适合发电，是十分有开采价值的地热田。 地热田类型地热田分为热水田和蒸汽田两种类型。地热水和天然蒸汽杂质
不同地热田的热水和蒸汽，受不同地质条件所导致的地球化学作用，其化学成分各不相同。通常热水中含有较多的硫酸和铵、铁、铝等硫酸盐；有时还有盐酸、硅酸、偏硼酸等。在地热水和蒸汽中的气体成分，则有二氧化碳、硫化氢、甲烷、氨、氮、氢、乙烷等；在有的热水中还含有二氧化硫、盐酸气和氢氟酸气等。除此之外，无论热水或蒸汽，都还常常挟带有泥砂等固体异物。地热水和天然蒸汽中的各种杂质，都会对地热发电产生影响。例如各种盐类和固体异物可能使管道、阀门、汽轮机叶片等产生沉盐、结垢、磨损和堵塞等现象；伴生的气体成分则可能导致管道、热交换器、冷凝器等发生堵塞、腐蚀以及冷凝器真空度降低和污染环境等。所以，地热水和天然蒸汽中杂质的成分和含量等因素，是地热电站在设计和运行中必须加以考虑的重要因素之一。地热水和天然蒸汽杂质 不同地热田的热水和蒸汽，受不同地质条件中国地热资源
通过对中国地热资源的普查、勘探表明，中国地热资源丰富，分布广泛。地热资源温度的高低是影响其开发利用价值的最重要因素。如何划分温度等级，目前并不统一。国际上的一般划分方法为：150℃以上为高温；90~150℃为中温．；90℃以下为低温中国地热勘查国家标准（GB11615-1989）规定，地热资源按温度分为高温、中温、低温三级，按地热田规模分为大、中、小3类，见表7-2和表7-3。中国地热资源 通过对中国地热资源的普查、勘探表明，中国地热资表7-2地热资源温度分级表7-2地热资源温度分级表7-3地热资源规模分布表7-3地热资源规模分布（二）地热发电原理和发电技术
能的利用可分为直接利用和地热发电两大方面。本章重点介绍地热发电原理和技术。
地热发电原理
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，它涉及地质学、地球物理、地球化学、钻探技术、材料科学和发电工程等多种现代科学技术。地热发电和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能然后带动发电机发电。不同的是，地热发电不像火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。（二）地热发电原理和发电技术能的
图7-5地热发电基本原理图 图7-5地热发电基本原理图地热发电种类
地热资源主要是蒸汽型和热水型两类，因此，地热发电也分为两大类。地热蒸汽发电有一次蒸汽法和二次蒸汽法两种。
一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。二次蒸汽法有两种含义，一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽（一次蒸汽），而是让它通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。第二种含义是，将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽，压力仍高于当地大气压力，和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。地热发电种类地热资源主要是蒸汽型地热水中的水，按常规发电方法是不能直接送入汽轮机去做功的，必须以蒸汽状态输入汽轮机做功。对温度低于100℃的非饱和态地下热水发电，利用抽真空装置，使进入扩容器的地下热水减压汽化，产生低于当地大气压力的扩容蒸汽，然后将汽和水分离、排水、输汽充入汽轮机做功，这种系统称“闪蒸系统”。低压蒸汽的比容很大，因而使气轮机的单机容量受到很大的限制。但运行过程中比较安全。地热水中的水，按常规发电方法是不能直接送入汽轮机
如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质，地下热水通过换热器加热，使低沸点物质迅速气化，利用所产生气体进入发电机做功，做功后的工质从汽轮机排入凝汽器，并在其中经冷却系统降温，又重新凝结成液态工质后再循环使用。这种方法称“中间工质法”，这种系统称“双流系统”或“双工质发电系统”。这种发电方式安全性较差，如果发电系统的封闭稍有泄漏，工质逸出后很容易发生事故。20世纪90年代中期，以色列奥玛特公司把上述地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，设计出一个新的被命名为“联合循环地热发电系统”，该机组已经在世界一些国家安装运行，效果很好。如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质，地
地热发电系统
地热发电系统主要有四种：
（1）地热蒸汽发电系统。利用地热蒸汽推动汽轮机运转，产生电能。系统技术成熟、运行安全可靠，是地热发电的主要形式。西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。
（2）双循环发电系统。双循环地热发电也叫做低沸点工质地热发电或中间介质法地热发电，又叫做热交换法地热发电。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。地热发电系统地热发电系统
（3）全流发电系统。系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定的难度，尚在攻关。（4）干热岩发电系统。利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯。 （3）全流发电系统。系统将地热井口的全部流地热发电的方法
利用地下热水发电主要有降压扩容法和中间介质法两种。
降压扩容法：根据热水的汽化温度与压力有关的原理而设计的，如在0.3绝对大气压下水的汽化温度是68.7。通过降低压力而使热水沸腾变为蒸汽，以推动汽轮发电机转动而发电。中间介质法：采用双循环系统即利用地下热水间接加热某些“低沸点物质”来推动汽轮机做功的发电方式。地热发电的方法利用地下热水发电主要有降压扩容法和中间如在常压下水的沸点为与100℃，而有些物质如氯乙烷和氟里昂在常压下的沸点温度分别为12.4℃及-29.8℃，这些物质被称为“低沸点物质”。根据这些物质在低温下沸腾的特性，可将它们作为中间介质进行地下热水发电。利用“中间介质”发电万法，既可以用100℃以上的地下热水（汽），也可以用100℃以下的地下热水。对于温度较低的地下热水来说，采用“降压扩容法”效率较低，而且在技术上存在一定困难，而利用“中间介质法”则较为合适。如在常压下水的沸点为与100℃，而有些物质如氯乙烷和氟里昂在地热能发电现状迄今为止，全世界至少已有83个国家已经开始开发利用地热资源或计划开发利用地热资源；约有50个国家统计了地热能利用数量；有21个国家利用地热发电，约有250个地热电站。1997年，全世界地热发电装机容量为7950MW，其中第1位的美国为2850MW，第13位的中国为32MW。。美国加州的吉塞斯地热电站，总装机容量达1918MW，是目前世界上最大的地热电站。中国地热发电的研究试验工作开始于20世纪70年代初。30余年来的发展经历了两大阶段：1970~1985年期间，为以发展中低温地热试验电站为主的阶段；1985年以后，进入发展商业应用高温地热电站的阶段。地热能发电现状迄今为止，全世界至少已有83个国家已经开始1970年，广东省丰顺县邓屋建立起中国第一座闪蒸系统地热试验电站，利用91℃的地热水发电，机组功率为86kW。随后，江西省宜春市温汤和河北省怀来县，也相继建设起双循环系统地热试验电站。20世纪70年代中后期，湖南省灰汤、辽宁省熊岳以及山东省招远又先后建成闪蒸及双循环系统地热试验电站。所有这些电站发电机组的功率都不大，从50~300kW不等；地热水温度均较低，从61~92℃不等。这些地热试验电站曾对中国地热发电技术的发展与提高起了积极的作用，取得了一系列科研成果，积累了经验。目前，这些地热试验电站多数已经停运，但也有个别电站至今仍在运行发电。1970年，广东省丰顺县邓屋建立起中国第一座闪蒸系统
中国高温地热电站主要集中在西藏地区，总装机容量为27.18MW，其中羊八井地热电站装机容量为25.18MW，朗久地热电站装机容量为1MW，那曲地热电站装机容量为1MW。
羊八井地热电站是中国自行设计建设的第1座用于商业应用的、装机容量最大的高温地热电站，年发电量约达1亿kWh，占拉萨电网总电量的40%以上，对缓和拉萨地区电力紧缺的状况起了重要作用。羊八井地热电站包括第一电站和第二电站两部分。1977年投入运行的第一电站由1台1MW机组（1号机组）和3台3MW机组（2号、3号和4号机组）构成。20世纪80年代中期，开始建造第二电站。到2002年底，整个羊八井地热电站的总装机容量为25.18MW。中国高温地热电站主要集中在西藏地区，总装机容经过30多年来的研究、开发与建设，中国的地热发电，在技术上和产业建设上，均取得了很大的进步和发展，为未来更大地发展奠定了坚实的基础。在技术上，已建立起了一套比较完整的地热勘探技术方法和评价方法；地热开发利用工程的勘探、设计和施工，已有资质实体；地热开发利用设备基本配套，可以国产化生产，并有专业生产制造工厂；地热监测仪器基本完备，并可进行国产化生产。在产业建设上，已奠定一定的基础和能力，可以独立建设30MW规模商业化运行的地热电站，单机容量可以达到10MW；已具备施工深度地热钻探工程的条件和能力；已初步建立起地热的监测体系和生产与回灌体系；已初步建立起一些必要的地热开发利用法规、标准和规范。经过30多年来的研究、开发与建设，中国的地热发电，在技术第三节潮汐能发电
(一)潮汐和潮汐能
地球上广大连续的水体叫做海洋，海洋是个庞大的能源宝库，它既是吸能器，又是储能器，蕴藏着巨大的动力资源。海水中蕴藏着的这一动力资源叫做海洋能。潮汐能就是海洋能的一种，它是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。海水总是处在永不停息的运动当中。由于太阳和月球对地球各处引力的不同所引起的海水有规律的、周期性的涨落现象，就叫做海洋潮汐，习惯上称为潮汐。从涨落的周期来说，可以把潮汐分为3种类型，半日潮、全日潮和混合潮。潮汐现象在垂直方向上表现为潮位的升降，在水平方向上则表现为潮流的进退，二者是一个现象的两个侧面，都受同一的规律所支配。第三节潮汐能发电(一)潮汐和潮汐能
潮汐能就是潮汐所具有的能量。潮汐含有的能量是十分巨大的，潮汐涨落的动能和位能可以说是一种取之不尽、用之不竭的动力资源，人们誉称它为“蓝色的煤海”。潮汐能的大小直接与潮差有关，潮差越大，能量也就越大。由于深海大洋中的潮差一般较小，因此，潮汐能的利用主要集中在潮差较大的浅海、海湾和河口地区。中国的海岸线漫长曲折，港湾交错，人海河口众多，有些地区潮差很大，具有开发利用潮汐能的良好条件。例如浙江省杭州湾钱塘江口，因海湾广阔，河口逐渐浅狭，潮波传播受到约束而形成了有名的钱塘江怒潮，潮头高度可达3.5m，潮差可达8.9m，蕴藏巨大的能量。潮汐水位随时间而变化的过程线，叫潮位过程线。每次
（二）潮汐能发电
潮汐能发电的原理及形式由于电能具有易的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电。其发电的原理与一般的水力于生产、便于传输、使用方便、利用率高等一系列优点，因而利用潮汐的能量来发电目前已成为世界各国利用潮汐能的基本方式。潮汐发电，就是利用海水涨落及其所造成发电差别不大。不过，一般的水力发电的水流方向是单向的，而潮汐发电则不同。从能量转换的角度来说，潮汐发电首先是把潮汐的动能和位能通过水轮机变成机械能，然后再由水轮机带动发电机，把机械能转变为电能。（二）潮汐能发电潮汐能发电的原
图7-6潮汐能发电基本原理图7-6潮汐能发电基本原理潮汐发电可按能量形式的不同分为两种：一种是利用潮汐的动能发电，就是利用涨落潮水的流速直接去冲击水轮机发电；一种是利用潮汐的势能发电，就是在海湾或河口修筑拦潮大坝，利用坝内外涨、落潮时的水位差来发电。利用潮汐动能发电的方式，一般是在流速大于1m/s的地方的水闸闸孔中安装水力转子来发电，它可充分利用原有建筑，因而结构简单，造价较低，如果安装双相发电机，则涨、落潮时都能发电。但是由于潮流流速周期性地变化，致使发电时间不稳定，发电量也较小。因此，目前一般较少采用这种方式。但在潮流较强的地区和某个特殊的地区，还是可以考虑的。利用潮汐势能发电，要建筑较多的水工建筑，造价较高，但发电量较大。由于潮汐周期性地发生变化，所以电力的供应是间歇性的。潮汐发电可按能量形式的不同分为两种：一种是利用潮汐的动能发电
潮汐能发电站又可按其开发方式的不同分为如下4种型式。
（1）单库单向式。也称单效应潮汐电站，这种电站仅建一个水库调节进出水量，以满足发电的要求。电站运行时，水流只在落潮时单方向通过水轮发电机组发电。在涨潮时打开水库，到平潮时关闭闸门，落潮时打开水轮机阀门，使水通过水轮发电机组发电。在整个潮汐周期内，电站的运行按下列4个工况进行。充水工况：电站停止发电，开启水闸，潮水经水闸和水轮机进入水库，至水库内外水位齐平为止；等候工况：关闭水闸，水轮机停止过水，保持水库水位不变，海洋侧则因落潮而水位下降，直到水库内外水位差达到水轮机组的启动水头；
潮汐能发电站又可按其开发方式的不同分为如下4种型式。发电工况：开动水轮发电机组进行发电，水库的水位逐渐下降，直到水库内外水位差小于机组发电所需要的最小水头为止；等候工况：机组停止运行，水轮机停止过水，保持水库水位不变，海洋侧水位因涨潮而逐步上升，直到水库内外水位齐平，转入下一个周期。这种型式的电站，只需建造一道堤坝，并且水轮发电机组仅需满足单方向通水发电的要求即可，因而发电设备的结构和建筑物结构都比较简单，投资较少。但是，因为这种电站只能在落潮时单方向发电，所以每日发电时间较短，发电量较少，在每天有两次潮汐涨、落的地方，平均每天仅可发电10~12h，使潮汐能不能得到充分地利用，一般电站效率仅为22%。发电工况：开动水轮发电机组进行发电，水库的水位逐渐下降，直到
（2）单库双向式。
单库双向式潮汐能发电站与单库单向式潮汐能发电站一样，也只用一个水库，但不管是在涨潮时或是在落潮时均可发电。只是在平潮时，即水库内外水位相平时，才不能发电。单库双向式潮汐电站有等候、涨潮发电、充水、等候、落潮发电、泄水6个工况。这种型式的电站，由于需满足涨、落潮两个方向均能通水发电的要求，所以在厂房水工建筑物的结构上和水轮发电机组的结构上，均较第一种型式的要复杂些。但由于它在涨、落潮时均可发电，所以每日的发电时间长，发电量也较多，一般每天可发电16~20h，能较为充分地利用潮汐的能量。 （2）单库双向式。
（3）双库单向式。
双库单向式潮汐能发电站需要建造两座相互毗邻的水库，一个水库设有进水闸，仅在潮位比库内水位高时引水进库；另一个水库设有泄水闸，仅在潮位比库内水位低时泄水出库。这样，前一个水库的水位便始终较后一个水库的水位高，故前者称为上水库或高水库，后者则称为下水库或低水库。高水库与低水库之间终日保持着水位差，水轮发电机组放置于两水库之间的隔坝内，水流即可终日通过水轮发电机组不间断地发电。这种型式的电站，需建2座或3座堤坝、两座水闸，工程量和投资较大。但由于可连续发电，故其效率较第一种型式的电站要高34%左右。同时，也易于和火电、水电或核电站并网，联合调节。（3）双库单向式。（4）发电结合抽水蓄能式。
这种电站的工作原理是：在潮汐电站水库水位与潮位接近并且水头小时，用电网的电力抽水蓄能。涨潮时将水抽入水库，落潮时将水库内的水往海中抽，以增加发电的有效水头，提高发电量。
上述4种型式的电站各有特点、各有利弊，在建设时，要根据当地的潮型、潮差、地形、电力系统的负荷要求、发电设备的组成情况以及建筑材料和施工条件等技术经济指标，综合进行考虑，慎重加以选择。（4）发电结合抽水蓄能式。潮汐发电的技术问题
（1）潮汐发电的关键技术问题 潮汐发电的关键技术，主要有：低水头、大流量、变工况水轮发电机组的设计与制造；电站的运行控制；电站与海洋环境的相互作用，包括电站对环境的影响和海洋环境对电站的影响；电站的系统优化，包括协调发电量、间断发电以及设备造价和可靠性等之间的关系；电站设备在海水中的防腐蚀等。 在潮汐能发电站中，水轮发电机组的造价约占电站总造价的50%，并且机组的制造与安装又是电站建设工期长短的主要制约因素。潮汐发电的技术问题（1）潮汐发电的关键技术问题
如果利用先进的制造技术、材料技术和控制技术以及流体动力技术设计，潮汐能发电机组的技术性能必将有很大的改进和提高，其成本将会进一步下降，效率也将会有进一步地提高。水工建筑在潮汐能发电站中约占总造价的45%，也是降低潮汐能发电站造价的重要因素。传统的建造方法大多采用重力结构的当地材料坝或钢筋混凝土坝，工程量大，造价也高。前苏联的基斯拉雅潮汐能发电站，采用了预制浮运铜筋混凝土沉箱的结构，减少了工程量，降低了造价。中国的一些潮汐能发电站也采用了这项技术建造部分电站设施，如水闸等，也取得了同样的效果。如果利用先进的制造技术、材料技术和控制技术以及流
（2）潮汐能发电要进一步研究解决的技术问题由于潮汐能发电是一项新的能源开发利用技术，因而其开发、利用技术尚需不断地加以完善、发展和提高。目前尚需进一步发展和提高的主要技术问题，可归纳为如下几项：1）泥沙淤积问题。潮汐能发电站建于海湾或河口。由于潮流和风浪的扰动，使海湾底部或外部的泥沙被翻起，并带到海湾的库区里，有的沉沙则由河流从上游挟带而来，注入到河口库区。这些泥沙都会在库区内淤积起来。泥沙的淤积会使水库的容积逐渐缩小，通水渠道变窄，水库使用寿命缩短，发电量减少，并加速水轮机叶片的磨损，对于潮汐发电站十分不利。因此，必须很好地研究当地沉沙的运动规律，搞清水中沉沙的含量、来源、运动方向、颗粒大小和组成、沉降的速度等，据以研究防治泥沙淤积的有效措施。（2）潮汐能发电要进一步研究解决的技术问题
2）海工结构物的防腐蚀和防海洋生物附着问题。潮汐电站的海工结构物长期浸泡在海水中。海水对海工结构物中金属结构物部分的腐蚀是相当严重的，甚至连钢筋混凝土中的钢筋也会被海水腐蚀，最终导致结构物的损坏。同时，海水中的海生物如牡蛎等也都会附着在金属结构物、钢筋混凝土或砖石结构、木结构上，附着的厚度甚至可达l0cm左右，并且难以被水流冲掉。海洋生物的附着会使结构物通流部分阻塞、转动部分失灵，难以发挥效用，严重时甚至会导致完全报废。因此，必须蘑视对于潮汐发电工程海工结构物防腐蚀和防海洋生物附着问题的研究和发展提高。2）海工结构物的防腐蚀和防海洋生物附
3）电力的补偿问题。潮汐电站在使用中有一个电站的发电出力随着潮汐的涨、落而变化的问题。当潮位涨到顶峰时，或落到低谷时，潮位与水库内的水位差大，电站的发电出力就大；当潮位接近于库内水位时，电站便停止发电，造成间断性的发电。这对于用户来说，特别是对于不能中断用电的用户来说，矛盾十分突出，必须研究解决这一问题。3）电力的补偿问题。（三)潮汐能发电前景
潮汐发电目前仍存在一系列的问题，如单位投资大，造价较高；水头低，机组耗钢多，且发电具有间断性；在工程技术上尚存在泥沙淤积以及海水、海生物对金属结构和海工建筑物的腐蚀及污黏等问题，需要进一步研究解决。但是由于其能量可以再生，不消耗化石燃料；潮汐的涨落具有规律性，可做出准确的长期预报，没有枯水期，可长年发电；清洁干净，没有环境污染；运行费用低，建站时没有淹地、移民等问题；除发电外，还可进行围垦农田、水产养殖、蓄水灌溉等项事业，收到综合利用效益等一系列优点，使得人类为了开发利用潮汐能，进行了长期的研究和探索。（三)潮汐能发电前景潮汐发电目前仍存在一系列的问题，
早在11~12世纪，法国、英国和苏格兰沿海地区就出现了潮汐能水磨。16世纪时，俄国沿海居民也使用过同类的水磨；到了18世纪，在俄国阿尔汉格尔斯克并出现了以潮汐能为动力的锯木厂。以后，随着电力工业和机械工业的发展，19世纪末，法国工程师布洛克首先提出了一个在易北河下游兴建潮汐能发电站的设计构想。1912年，德国首先在石勒苏益格——荷尔斯太因州的苏姆湾建成了一座小型潮汐能发电站；接着，法国在布列太尼半岛兴建了一座容量为1865kW的小型潮汐能发电站，使人类利用潮汐能发电的幻想变成了现实。早在11~12世纪，法国、英国和苏格兰沿海地区就出现
近30多年来，由于扩大能源来源的要求日益增长，法国、英国、前苏联、加拿大、美国等潮汐能资源丰富的国家，都在进行潮汐能发电的开发建设。目前，潮汐熊发电站是海洋能中技术最成熟和利用规模最大的一种。中国的潮汐资源丰富，开发利用条件也较好，潮汐能的蕴藏量非常巨大。40多年来，中国潮汐能发电的科学研究工作，取得了不小的进展，有了良好的开端。目前，中国已能生产几十千瓦至几百千瓦的潮汐能发电机组，并积累了建设小型潮汐能发电站的工程技术经验，因此，经过继续努力，使小型潮汐能发电站达到定型推广的阶段是完全可能的。可见，中国的潮汐能发电，任务繁重，前景诱人，大有可为。近30多年来，由于扩大能源来源的要求日益增长，
第四节燃料电池发电
(一)燃料电池发电简介燃料电池发电原理
燃料电池的化学反应与电子的运动如图7-7所示。在能量水平高的氢与氧结合产生水时，首先氢气放出电子，具有正电荷；同时，氧气从氢气中得到电子，具有负电荷，两者结合成为中性的水。在氢与氧进行化学反应中，发生的电子的移动，把电子的移动取出，加到外部连接的负载上面，这种结构即为燃料电池。为使移动的电子能够取出加到外部负载上，有必要把氢与氧用以离子为导体的电解质分开，在电解质的两边进行反应。氢气反应的地方是燃料极，氧气反应的地方是空气极，夹在这两个极中间通过离子传导电力的地方为电解质。第四节燃料电池发电(一)燃图7-7燃料电池构成图7-7燃料电池构成燃料电池发电系统
燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，没有复杂的从燃料化学能转化为热能，再转化为机械能，最终转化成电能的过程，而是直接将燃料（天然气、煤制气、石油等）中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因此其实质是化学能发电。燃料电池发电被称为是继火力发电、水力发电、原子能发电之后的第4大发电方式。燃料电池发电系统燃料电池发电不同于传统的火力发电
燃料电池也不同于平时所说的干电池与蓄电池。平时所说的干电池与蓄电池，没有反应物质的输入与生成物的排出，所以其寿命有一定限度；而燃料电池可以连续地对其供给反应物（燃料）及不断排出生成物（水等），因而可以连续地输出电力。燃料电池发电装置除了燃料电池本身，还和其他装置共同构成一个系统。燃料电池系统与燃料电池本体的形式及使用燃料的不同和用途的不同而有区别，主要有燃料重整系统、空气供应系统、直流一交流逆变系统、余热回收系统以及控制系统等周边装置。在高温燃料电池中还有剩余气体循环系统。燃料电池发电装置的系统构成如图7-8所示。 燃料电池也不同于平时所说的干电池与蓄电池。平时所说的干电池燃料重整系统空气供应系统燃料空气控制系统直-交流逆变系统剩气循环系统排热回收系统电力热输出（高温燃料电池）
图7-8燃料电池发电装置的系统构成图燃料空气燃料空气控直-交流逆变系统剩气循环系
构成系统的各周边装置的作用如下：（1）燃料重整系统。燃料重整系统是将所得到的燃料转化成为燃料电池能够使用的以氢为主成分的燃料的一个转换系统。碳氢化合物的气体燃料（如天然气等）或者液体燃料（石油、甲醇等）用作燃料电池的燃料时，通过水蒸气重整法等，对燃料进行重整。而在使用煤炭时，则通过煤制气的反应，制造出以氢与一氧化碳为主要成分的气体燃料。这些转换的主要反应装置，称之为重整器和煤气化炉。（2）空气供给装置。空气供给装置是对燃料电池供应反应时用的空气的系统。它可以使用马达驱动的送风机或者空气压缩机，也可以使用回收排出余气的透平机或压缩机的加压装置。 构成系统的各周边装置的作用如下：
（3）直—交流逆变系统。燃料电池所产生的是直流电，而所需要的往往是交流电，因此要有一个将燃料电池本体所产生的直流电变换成交流电的装置。（4）排热回收系统。排热回收系统指回收燃料电池本体发电时所产生的热（电池排气的含热及燃料重整系（5）控制系统。控制系统是燃料电池发电装置起动、停止、运转、外接负载等的控制装置。由控制运算的计算机以及测量与控制执行机构等组成。 （6）剩余气体循环系统。在高温燃料电池发电装置中，由于电池排热温度高，因此装设有可以使用燃气轮机与蒸汽轮机剩余气体的循环系统。（3）直—交流逆变系统。燃料电池所产生的是直流电，而所(二)几种典型的燃料电池
迄今，已研究开发出多种类型的燃料电池。最常见的分类方法是按电池所采用的电解质分类。据此，可将燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体电解质型燃料电池、固体高分子型（又称质子交换膜）燃料电池以及直接甲醇型燃料电池等。碱性燃料电池是最先研究成功的，多用于火箭、卫星上，但其成本高，因此不宜作为大规模研究开发的内容。磷酸型燃料电池已进入实用化阶段，研究上已不再花费很多财力、物力与人力。固体高分子型燃料电池又称为质子交换膜燃料电池，是目前研制的热点。直接甲醇型燃料电池特别适合于作为小型电源（如手提电话、笔记本电脑等的电源），因而很受重视，目前已开始对其进行基础研究。燃料电池分类及特性如表7-4所示。(二)几种典型的燃料电池迄今，已研究
表7-4燃料电池分类及特性
表7-4燃料电池分类及特性
磷酸型燃料电池（1）原理磷酸型燃料电池简称PAFC，它以磷酸为电解质，使用天然气或者甲醇等为燃料，在约200℃温度下使氢气与氧气发生反应，得到电力与热。在燃料极中，氢分解成氢离子与电子、氢离子在电解质中移动，电子则通过外部回路达到空气极；电解质因为使用磷酸水溶液，而这种水溶液是强电解质，分解成磷酸离子与氢离子和电子。氢离子在电解质内向空气极移动。在空气极，则由燃料极移动来的氢离子与流经外部负载而来的电子及不断由外部供给的氧气发生以下反应，产生水。为了产生以上反应，必须在电极中存在与反应有关的离子，通过电子导体及氢与氧。这对燃料电池来说是相当重要的。磷酸型燃料电池（1）原理
（2）特性磷酸型燃料电池与其他燃料电池相比，特别是与高温燃料电池相比，有以下几个特征：①低温下发电时，稳定性好。②反应后排出的热量的温度适合于人类日常生活。③启动时间短。④催化剂必须要有白金。⑤电池燃料中如果CO含量高，易引起催化剂中毒。（2）特性
磷酸型燃料电池的反应温度的设定应考虑以下几点：①磷酸的蒸气压（浓度）。②材料的耐蚀性。③CO中毒特性。④电池特性。如果温度过高，磷酸的蒸气压力增加，磷酸的蒸发与消失现象也随之增加，同时促进材料的老化；如果温度过低，反应速度变慢，同时催化剂CO中毒现象也变得严重。因此，选择以上温度范围在180~210℃作为磷酸型燃料的反应温度。磷酸型燃料电池的反应温度的设定应考虑以下几点：
（3）电池催化剂为促进电极的反应，常使用催化剂。催化剂的使用情况对电池性能影响很大。在燃料极方面，只要有一点白金催化剂，即可以促进氢的离子反应。而在空气极方面，更需要有催化剂的帮助，且用量要比燃料极多，还要有很大的活性，这是因为溶液中氧气的还原反应速度很慢，为使反应速度加快必须要有高活性的催化剂。反应中常用白金、铬、钛等合金作为固体催化剂，实际上由于有氧化硫和一氧化碳的污染，常用白金合金作为催化剂。（3）电池催化剂（4）现状及动向目前，磷酸型燃料电池已经商用化，世界最大级的11000kW装置安装在日本东京电力五井火力发电厂内，并曾并入电网供电。磷酸型燃料电池的发电效率可达30%~40%，如再将其余热加以利用，其综合效率可达60%~80%，因此已将其应用于多种领域。由于磷酸型燃料电池工作温度低，效率不是很高，且要用白金作催化剂，燃料中CO易引起催化剂中毒，因此对燃料的要求较高。目前世界各国对其花的财力、人力、物力均不多。（4）现状及动向熔融碳酸盐型燃料电池
（1）原理熔融碳酸盐型燃料电池简称MCFC，它以碳酸锂(L12CO3)、碳酸钾(K2CO3)及碳酸钠(Na2CO3)等碳酸盐为电解质，在燃料极（负极，阳极）与空气极（正极，阴极）中间夹着电解质，工作温度为600~700℃．电池本体的发电效率可达45%~60%电极采用镍的烧结体。碳酸盐型燃料电池所使用的燃料范围广泛，以天然气为主的碳氢化合物均可，如碳氢气、甲烷、甲醇、煤炭、粗制油等。但不能直接使用这些作为燃料，而要把它们通过化学反应转换成氢气与CO。CO可以直接作为燃料使用。发电时，必须对空气极供给CO2，通过循环再利用，不需要从外部供给新的CO2。在使用煤炭时，可以利用煤制气炉产生CO与氢气，作为燃料使用。熔融碳酸盐型燃料电池（1）原理
熔融碳酸盐燃料电池发电时，向燃料极（阳极，负极）供给燃料气体（氢、CO），对空气极（阴极，正极）供给氧、空气和CO2的混合气。空气极从外部电路（负载）接受电子，产生碳酸离子，碳酸离子在电解质中移动，在燃料极与燃料中的氢进行反应，在生成CO2和水蒸气的同时，向外部负载放出电子，这个过程的反应式如下:燃料极空气极整体熔融碳酸盐燃料电池发电时，向燃料极（
一般碳酸盐的熔点在500℃左右，在工作温度650℃时已成为液体，氢与氧的活性提高，很容易发生化学反应，因此可以不用高昂价格的白金催化剂，也避开了白金催化剂的CO中毒问题；可以用CO作为燃料电池燃料，对天然气、煤制气不用重整即可利用，预期可替代大型的火力发电。但也正由于这种电池的发电温度高，其使用的碳酸盐电解质具有强烈的腐蚀性，工作时电池的各种材料易被腐蚀；同时，电解质本身的变化以及电池的密封也都成为重要课题。一般碳酸盐的熔点在500℃左右，在工作
（2）特性 熔融碳酸盐型燃料电池以碳酸盐为电解质，具有以下特征：①工作温度为600~700℃，在这一温度下氢与氧的活性大大提高，可以有较高的发电效率，催化剂用镍作电极已足够。②不产生催化剂CO中毒问题，可以使用的燃料的范围大大增加。③排热温度高，可以与燃气轮机与蒸汽轮机联动，进行复合发电，更大地提高燃料使用率。 （2）特性
④增加压力可以加强其反应，一般工作压力约为5~12atm。⑤因为其工作温度高，且使用强腐蚀性的材料，所以技术上的难度相当大。熔融碳酸盐型燃料电池的电解质是熔化的碳酸盐，这种碳酸盐大约在490℃时熔化，温度越高，其离子的导电性越好。但是，当温度增加到700℃以上时，材料被强烈地腐蚀。所以，一般工作温度取为650℃左右。而在发电取出其电力时，也同时产生热量，如果不对电池进行冷却，电池温度也要上升，为了保持电池工作温度在650C左右，在空气极通入的空气又作为冷却剂使用。④增加压力可以加强其反应，一般工作压力约为5~12atm（3）现状与动向多年来，熔融碳酸盐型燃料电池一直是世界各国燃料电池研究的重点。美国已成功进行了2MW熔融碳酸盐型燃料电池的试验；美国FCE公司的l台250kW的烙融碳酸盐型燃料电池已连续运行了11000h以上，其热量综合利用总效率达到75%，其中8个月处于无人操作状态。可以说熔融碳酸盐型燃料电池的水平已很接近实用化水平。日本对熔融碳酸盐型燃料电池的发展一直采取积极态度，继1993~1994年成功地进行了100kW熔融碳酸盐型燃料电池运转试验后，1999年又成功地进行了1000kW熔融碳酸盐型燃料电池的运转试验，各项指标达到设计要求。（3）现状与动向
1998年，日本电力中央研究所又试验运转了1台l0kW的熔融碳酸盐型燃料电池。它在技术方面进行了改良，用碳酸钠代替碳酸盐，经10000多h运转，取得了相当大的进展。 由于熔融碳酸盐型燃料电池的研究已取得了可喜的成果，美国、日本等国家均已制定了新的计划，力争在近年内实现其商用化。中国也已开展了对熔融碳酸盐型燃料电池的研究，大连物化所和上海交通大学均成功地进行了发电试验。 1998年，日本电力中央研究所又试验运转了1
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