作者：张耀明、邹宁宇 编著
出版社：化学工业出版社
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太阳能热发电技术试读：
前言
在今后的一二十年，将会发生一场以绿色、智能普惠和可持续为特征的新技术革命和产业革命，将会改变全球产业结构和文明进程。太阳能科学技术是这场革命的组成部分。
从低碳、环保、绿色角度综合考虑，太阳能具有无可争议的优势，尤其是太阳能热发电技术，不仅没有污染，不会排放CO等加重温室2效应的气体和各类粉尘颗粒，还会改良当地气候、生态。太阳能热发电在未来能源结构中将会占据重要位置。
世界太阳能热发电技术经过16年的徘徊不前，自2006年后进入高速发展阶段，截至2011年短短5年时间，全球热发电装机容量增幅超过400%，成为新能源发电群体中引人瞩目的明星。
世界观察研究所报告指出，太阳能市场增长高于石油工业10倍，远超风能成为世界发展最快的能源领域，并预言，太阳能将与计算机、信息工程成为21世纪的支柱产业。
今天，世界上越来越多的国家开始实施阳光计划，136个国家和地区正在生产太阳能产品。一些化石能源资源贫缺、生态恶劣的国家和地区通过开发利用太阳能，已经开始取得清洁的能源。一些技术先进的发达国家或资金雄厚的海湾国家，更高度重视太阳能开发利用的科学研究。这些实践和《联合国人类环境宣言》、《斯德哥尔摩公约》、《21世纪议程》等文件，尤其是1996年联合国世界太阳能高峰会议发表的《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》、《世界太阳能10年行动计划》、《国际太阳能公约》、《世界太阳能战略规划》等文件，成为推动太阳能产业高速发展的动力，使得太阳能应用成本快速走低。联合国环境规划署也预计“到2020年，太阳能发电将成为世界上最大的产业之一和最普遍应用的能源之一。”
目前，从能源供应安全和清洁的角度出发，世界各国正把太阳能的商业开发和利用作为重要的发展趋势。欧盟各国、日本和美国已经把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。在这一时期，太阳能科学技术会有突破性进展，地球各处将会出现大型和巨型太阳能工程，太阳能将会成为很多国家和地区的支柱能源产业。预计到2023年以后，以太阳能为主体的可再生能源中将占世界电力供应的很大比重，到2050年将超过50%。如果以1950年石油、天然气供应能量超过当时世界能源总量一半作为石油时代来临的里程碑，那么到2050年，人类将昂首阔步迈入太阳能时代。
现在我国的太阳能热技术正蓄势待发，面临重大突破。由国家科技部等六部委牵头的太阳能光热产业技术创新战略联盟，“高效规模化太阳能热发电的基础研究”973项目，“太阳能热发电工程设计研究中心”都已启动，在北京、内蒙古、青海和宁夏等地的太阳能热发电实验工程，有的已经取得可喜成果，有的在紧锣密鼓地进行。估计到2020年前后在具有迫切需求和理想应用的条件下，中国将会出现具有自我知识产权的一流太阳能热发电工程。作为一个全新的产业，需要向社会宣传介绍它的优势和特点，现在已有很多专家学者开始著书立说，我们也希望本书能够对推广普及太阳能热发电知识产生一些作用。
本书引用许多专家学者的成果和论著，因为文献资料较多，一些未能一一列举，在此谨向有关作者表示衷心感谢。本书中也有一些张耀明院士团队（王军、孙利国、范志林、刘晓晖、安翠翠、刘德有、郭苏、陈强、陈琪、金保升、谷伟、余雷、李小燕、张文进、刘巍、邹宁宇等的一些著作内容，以上名单仅限于部分与院士共同署名者）的成果，特此致谢。
中国工程院院士、南京工业大学校长、国家863领域专家欧阳平凯，一直关心支持太阳能热发电技术，这次又特意为本书写序，在此向欧阳平凯院士表示衷心感谢。编著者2015年4月第1篇 太阳能时代和太阳能热发电1 能源和能源危机1.1 能源的发展
1801年英国学者托马斯·杨在伦敦国王学院演讲自然哲学时引入能量的概念。他针对当时把质量与速度二次方之积称作活力或上升力的观点，提出用能量（energy）与物体所做的功相联系。托马斯·杨的观点当时没有引起重视，人们仍然认为不同的运动中蕴藏着不同的力，直到能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义。如果把能量定义为“做功的能力”，那么功就可以看成是“能量的体现”。
在爱因斯坦的“相对论”中，能量和另一重要物理概念——质量建立联系，质能关系公式更深刻地揭示了能量的物质属性，使人们认识到宇宙万物都是能量的不同表现形式。现在科学认为，一切形式的质量、能量最终都可以相互转化。能源，顾名思义是能量之源，是提供人类所需能量的相关物质。人们所谓的能源是存在于自然界中，能够转换成为热能、机械功、光能、电能等各种能量的资源。能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。时至今日，能源已和材料、信息被视为自然界和人类社会赖以生存发展的源泉，人们生活方式、思维方式，国家生存和兴旺的主要因素，经济赖以革新、进步的基础。
在回顾能源发展历史的同时，对人类社会的变迁会有进一步的理解。1.1.1 火的应用
能够掌握、使用除自身体力之外的任何能源，是人和其他一切生物的根本差别之一。不论是史前恐龙、巨鳄等庞然大物，还是今日飞禽走兽，都不能做出超出自身力量的功。而人类具有这种能力，是从掌握用火开始。
从看见野火燃烧、烟雾弥漫时恐惧，到学会收集电击、森林草原自燃和岩浆能及草木引起的火种，人类至少又花费了一百多万年的时间，从而最终脱离了动物界。
火的使用是人类第一次群体性的社会运动，它使人类的族群获得了与其他群居动物生存本能的行为模式所不同的生存价值。
学会用火，就可熟食。熟食软柔，更富有营养，缩短了咀嚼和消化的过程和进食时间，从此人类结束了茹毛饮血、生吞活剥的岁月。食物种类和范围扩大，对人类体质和脑的发展产生了巨大的影响。
学会十分原始、可能纯属机遇的用火后，这项逐渐完善的技术经过80万～100万年才波及其他地区。
此后在熊熊燃烧的火光辉映下，人类的生产方式、社会结构、生活方式都发生了翻天覆地的变化。人类社会由蒙昧状态发展到氏族社会，又大步迈进文明门槛。
人类第一次掌握的能源，是易于获取、易于加工的草木能。草木能伴随人类走过漫长的原始社会，农业社会、工业社会初期。
依赖草木能源和风能、水力、畜力配合，人类制作工具，改造山川河流，将亿万亩丛林、碎石的丘陵和平原改造成肥田沃土，利用烘焙、冶炼，将黏土和矿石制成巧夺天工的瓷器和青铜器，修筑了长安、北京、巴格达、罗马等一批在历史上闪闪发光的城市，创建了农业文明的辉煌。直至今日，草木能源在世界各地的乡村仍然扮演着重要角色。1.1.2 煤炭时代
煤炭的发现和利用可以追溯到远古时代，但煤炭的大规模利用是在蒸汽机发明之后。1765年，詹姆斯·瓦特成功制作了蒸汽机。18世纪50年代末，英国的焦炭高炉不过17座，到1790年就达到了81座，木炭高炉则减少到25座。煤、铁和蒸汽机的时代终于到来了，从而揭开了产业革命时代的序幕。但是到了19世纪中叶以后，煤才满足了整个社会所需能量的50%。美国在1850年，煤只能提供社会所需能量的10%，1900年就占全部所需能量的70%左右。
14～15世纪，欧洲开始推广新的高炉炼铁法，进入了自18世纪60年代英国出现产业革命的汽笛声以来人类使用煤炭能源的时代。珍妮纺纱机和瓦特蒸汽机迅速推广。继英国之后，美国、德国、法国、俄国以及日本都先后创办煤炭工业。从此之后，直到整个19世纪和20世纪上半期，煤炭代表着整整一个历史时代先进的社会生产力，成为近代工业社会的动力基础。
大机器取代了手工工具，使手工生产发展到机器生产，从而使以机器为主体的工厂制度代替了以手工工具为基础的工场制度，进而使整个国家的生产方式、产业结构、经济结构都发生了巨大变化。到1900年，煤炭产量在世界一次能源结构中的比例占到95%，处于绝对的优势地位。
直至今日，煤炭仍在工业生产和人民生活中发挥重要作用。我国使用的一次能源，仍有75%来自煤炭。1.1.3 油气开发
石油是一种液态的矿物资源，可燃性能好，单位热值比煤高一倍，还具有比煤清洁、运输方便等优点。现在石油不仅是世界工业发达国家的主要能源，而且是重要工业原料；不仅是重要的军用物资，而且是日常生活的必需品。
石油是优质的动力燃料。1kg石油燃烧可产生约40000J热量。现代工业、国防、交通运输对石油的依赖程度是很大的。飞机、汽车、拖拉机、导弹、坦克、火箭等高速度、大动力的运载工具和武器，主要是依靠石油的产品——汽油、柴油和煤油作为动力来源。
石油还是重要的化工原料。人们的衣食住行都离不开石油产品。据统计，目前的石油产品超过5000种，已渗透到人类生活的所有领域。比如，三大合成材料——塑料、合成橡胶、合成纤维，都是用石油作原料，经过多次化学加工生产出的产品。
石油的发现虽然可以追溯到远古时代，但是真正作为经济资源被开发和利用，只有100多年的历史。19世纪末，英国人首先从石油中提取煤油作为照明燃料。1859年，美国打出第一口油井，开创了世界近代石油工业。面对能效更高，加工、转换、运输、储存和使用更加便利的石油，煤炭工业相形见绌。20世纪初，由于内燃机的推广和汽油发动机的问世，以及随之而来的汽车工业的发展，石油逐渐得到更广泛的应用，并在各国经济、军事等活动中起着越来越重要的作用。
在第二次世界大战中，石油的重要作用尤为突出。据统计，1939～1945年，在战争中使用的4000万辆汽车、15万辆坦克、20万架飞机，都是靠石油产品发动的。在石油和电力作为动力和原料、电动机和内燃机普遍应用的基础上，石油工业、电力工业、汽车工业、航空工业、钢铁工业和化学工业迅猛发展。1940年世界石油产量仅2.5亿吨，1950年增长到5.2亿吨，1960年增长到10.5亿吨，1970年增长到22亿吨，之后平均每年翻一番。欧美、日本、前苏联先后进行能源结构改革，以石油代替煤为主要能源。同时，从20世纪50年代开始，以石油为主要原料的合成化学工业也蓬勃发展。石油产量超过世界能源总量的50%。从此，人类进入石油时代。石油作为一种主要的物质资源，在世界各工业国的经济领域以及社会其他领域起着举足轻重的作用。今天，石化能源左右着人们的生活方式。不论是汽车、飞机，还是工业窑炉、燃机的燃料和自然界中不曾出现的机械及装置、性能各异的材料，都受惠于石油。
天然气是蕴藏于地下的一种可燃气体，其主要成分为甲烷。目前，天然气已成为世界主要能源之一，它与石油、煤炭、水力和核能构成了世界能源的五大支柱。公元1667年，英国成为最早利用天然气的欧洲国家，比我国晚了1000多年。在整个19世纪，由于没有找到长距离大量输送方式，天然气的应用受到限制。随着管线技术（加热、保温、加压、冷冻液化）的发展，大型天然气输送系统投入使用。现在大型输气工程可穿越沙漠、冻土、海底，长达数千甚至上万千米。石油经济给人类带来前所未有的繁华。20世纪是人类历史上经济科技发展最快的一段时间。在100年里，世界人口增加了4倍，工业生产增加了50倍以上，但能源消耗也增长100多倍。
自从学会收集天然火种和钻木取火，在之后的300万年之间，人类对能源的利用经历了使用天然草木时代、木炭时代、煤炭时代、石油-天然气时代，这些能源都是通过燃烧含碳有机物产生放热的化学反应（其中只有风能和地热能作为少量补充）。直到20世纪50年代，人类才发现大自然中还存在崭新的，可以利用的能源，这就是以太阳能为代表的可再生能源。这一发现又和石化能源密切相关。1.2 石油能源的危机1.2.1 石油的重要性
能源是人类生活中最重要的资源，能源问题一再牵动社会的神经，是关乎人们现实和未来生存发展的最为基本同时也是最为核心的动力问题。人类近代史上几次大的飞跃都得益于能源的开发，而几次大的全球危机也都因能源危机而起。在经济全球化、世界政治格局多极化的今天，保障能源持续供应，建立能源安全供应体系已成为当今世界各国能源战略的出发点和核心内容。
从能源的供求分布来看，“不平衡”一词可点破其中的根本特征。也正是这种不平衡，从根本上导致了国际上各种因资源问题而产生的纠纷甚至是战争。从近几十年来国际关系可以看到，石油资源和水资源是国家间发生战争和冲突连续不断的主要因素，特别是谋求对石油资源的控制成为国际斗争的焦点之一。在过去的20世纪仅仅由石油引起的冲突就达到500多起，其中20余起演变为武装冲突。随着石油和水资源的日益紧缺，能源对经济发展的制约作用将更加突出，以各种形式出现的全球能源争夺战也将愈演愈烈。
在工业领域，石油被称为“工业血液”，国际油价上升对多个行业产生重大影响，已经引发电力、煤炭、化纤、棉花、金属、建材等相关制造业原料价格上升，原料价格的上涨会进一步向下游传导，引发成品价格的上升。
受到油价高涨冲击比较大的行业有石化产业、航空产业以及汽车产业，国际原油及航空燃油价格急速攀升，导致世界航空运输行业成本持续大幅上升，而燃油成本占到航空公司总成本的40%以上。同时，油价高涨对于纺织工业更是雪上加霜。另外，化肥、农药、涂料、燃料、纯碱、塑料、化纤等行业，都或多或少受到高油价的影响。1.2.2 石油的紧缺
追溯到19世纪60年代，石油是一种充裕而未能被开发利用的资源。早期的勘探者只需要钻浅油井就可找到大的石油层，使石油在自身的压力下涌上地表。容易得到的石油和天然气的储量已被取尽了，现在的石油公司需要努力寻找新的地下沉积，石油开采井如图1-1所示。一般的油井有3000多米深，只有大约1/3的新井能真正找到石油，石油资源日益紧张的现状使得世界主要经济大国和能源组织纷纷关注地球上到底还存有多少原油。美国《油气杂志》周刊指出，目前全球已探明的原油储量大约为1.2万亿桶；而《世界石油》月刊则认为是1.03万亿桶。即使按照最高的原油储量计算，照目前的消费速度，再考虑每年2%～3%的消费增长率，用不了40年，现存的原油储备就将枯竭。寻找石油已成为一种费用昂贵的活动，使得当今的勘察者走进了极端的环境里——遥远的沙漠、图1-1 石油开采井
冰冻的北极，甚至是水下作业。现在阿拉伯海湾、北海和墨西哥海湾的海域出产的石油大约占全球石油的1/3。把这些远道而来的资源投入生产甚至更加昂贵：挪威国家湾（Statford）B号钻井的栈桥是全球最大、最昂贵的建筑之一。把石油从油井取出输送到炼油厂要经过几千英里的路程，也需要增加很多的费用。
很多学者分析油价大幅波动的原因，如“美元贬值促使油价飙升”、“投机性交易推波助澜”、“政治、气候因素影响”、“采油设备陈旧急待更新”、“大国之间能源博弈”、“全球通胀加剧”，等等。这些分析都言之有理，但石油危机频频发生，愈演愈烈的国际油价持续攀升的根本原因，在于世界石油资源储量有限和全球消耗量不断增加之间无法克服、难以缓解的矛盾（见图1-2）。石油、天然气作为不可再生，已经严重消耗的资源，面临着在两三代人之间必然枯竭的黯淡前景。而为争夺这日益减少的资源，有关国家之间纵横捭阖、剑拔弩张冲突乃至局部战争都不可避免。图1-2 原油价格的历史（来源：美国能源信息署）
按照目前全世界对化石燃料的开采速度计算，石油还可供人类使用40年，天然气还可供人类使用65年，煤炭还可供人类使用162年。1.3 能源消费对环境的破坏
每利用一份能量，就会得到一定的“惩罚”——把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量，而这些退化的能量实际上就是环境污染的代名词。1.3.1 地球环境的演变
从地球诞生时起，地球环境就早已经受过沧桑之变。地球在大约45亿年前形成时是一个炙热的巨大火球，还没有圈层环境的分化。地球外面包围着原始大气，主要由H、CH、CO、NH和水蒸气等2423组成而不含O，是一个还原性的大气圈。像今天这样的地球各种圈2层环境，是经历了亿万年的演变和进化才形成的。
生命的起源大约是在38亿年以前。可能是在洪大的暴雨等某种机制的作用下，地球上出现了水并产生了河流、湖泊和海洋。水分的循环降低了地表的温度，为生命的出现创造了最基本的条件。这样，地球上才有了生命的出现。水的出现是地球发育史上的重要条件。如今70%以上的地球表面覆盖着水，大多数生物体内水的含量也是在70%以上。人体和鸟类体中的含水量均为65%，鱼类体中的含水量为80%。医学上所用的生理盐水是浓度为0.9%的NaCl溶液，与原始海水一致。这似乎表明了，现代人身体内流动着的血液与几十亿年前的海洋水有着极其相似之处。在自然界的植物体内，水分含量更高，很多蔬菜类为大约80%，有些甚至高达95%。这一切都充分表明地球上生命的产生和进化离不开水，水是生命的源泉。尽管人们对生命起源的机制观点有种种不同，但一般都认为生命起源于海洋。因为当时还原性的大气圈还不能向地球提供必要的保护，使生命免受太阳辐射出的强烈紫外线的伤害。原始生命只有处于海洋水层的保护之下方能幸免于这种伤害。
早期细菌通过发酵作用取得能量，并在生命过程中放出CO，逐2渐改变了原始大气的组成。20亿年以前，大气圈中CO的浓度很高，2约为今天CO浓度的10倍。到大约20亿年前，由原核生物进化成能够2进行光合作用的单细胞藻类。正是这种植物体中的叶绿素接受阳光进行了光合作用，把太阳能转变成有机物储存起来并释放出O，地球2环境之中才首次出现O。经过大约4亿年的积累，还原性的原始大气2逐渐向含有CO、HO和O的氧化性大气转化。到距今16亿年以前，223大气中CO的浓度逐渐下降到今天的水平。一个含氧的大气圈终于形2成。而且O在高空的积累逐渐形成了保护地球的臭氧层，为更高等3的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。
由于生物的出现，将大气圈中大量的CO转移到岩石圈中，形成2数量巨大的碳酸盐岩石，一方面改变了岩石圈的组成，另一方面由于生物与岩石风化物的相互作用，在地表上便逐渐形成了土壤。因此，地球各圈层的发育乃至地球环境的演变是生物界经过漫长的岁月与地球作用的结果。
地球表层物质和能量的循环、转换是靠生活活动实现的。如果没有生命捕获、转移和储存太阳能，就不会有今天的地球环境面貌。生命活动在太阳能的捕获与储存和地球表层物质的迁移转化方面有着超乎人们想象的巨大作用。据粗略估算，地质历史上所有生物的累计总质量是地球质量的1000倍以上；如果没有生物吸收大气圈中的CO，2则今天大气圈中的CO将增加1000倍，地球环境就会变得不适合于人2类和其他一切生物的生存了。地球现代的环境是生命参与历史上各个地质时期亿万年来演变过程的结果。
地球环境一直处于不断的演变和进化之中。在第四纪时期，地球经历了一个冰期和间冰期的交替。在更近一些的1450～1880年，地球度过了一个小的冰期。地球的平均温度也是在变化的过程之中。今天的地球实际上是处于一个相对较热的间冰期。地球上的生命也是处于不断地演变之中，不断地有物种的产生和灭绝。6500万年之前恐龙曾经在地球上兴旺一时以及后来的灭绝就是一个很好的例证。1.3.2 人类对地球环境的依存
英国地球化学家哈密尔顿（E.Hamilton）等通过对人体脏器血液分析发现，人体血液中60多种化学元素的含量和地壳中这些元素含量具有相关性，它很好地说明了地球环境物质与人体物质的和谐统一性。归根到底，人类是地球环境长期演变发展的产物，与地球环境有着千丝万缕的不可分割的联系。这也正是西方很多国家的大学将环境这一学科设置在地球科学这一大类之中的一个原因所在。
地球环境和地球上的生命在以亿年计算的历程里，虽然都一直处于不断地演变和进化之中，但相对于某一物种或者说相对于人类生存时期，地球环境则是保持着一种稳定和平衡的状态。地球环境演变的过程与人一生的寿命相比显得极其漫长。这样便会自然理解环境是人类生存的基本条件，人类的生活和健康与周围环境有着密切的联系。
今天地球下层大气中的主要成分N的浓度为78%，O的浓度为2221%，大气圈中各个组分之间保持着精细的平衡。地球今天的环境状态也是靠生物圈中生命活动来调节、控制和维持的。保持这种环境的平衡状态乃是生物圈所必需，破坏这种平衡状态就是破坏生命的基础。（1）大气温室效应
研究表明，引起温室效应的主要罪魁祸首是使用矿物燃料后排放的CO，当然还包括氯氟化物、CH、O和NO等。经测算，它们对2432温室效应的“贡献”依次为，CO占50%、氯氟化物占20%、CH占2416%、O占8%、NO占6%。32
上述气体在地球表面形成像温室一样的玻璃罩，它允许阳光中的可见光和红外线通过，但当这些光线从地面向大气层反射时，大气中的CO等气体会阻止热量的散发，就像地球表面被裹了一层“热的屏2障”。这种不妨碍太阳辐射到达地面，但却阻止地球反射热扩散到宇宙空间的作用，叫做温室效应。
工业革命以来，人类活动不断增加大气层中温室气体的含量，还把大气中原来没有的温室气体制造出来，排入大气中，从而加剧了温室效应。与工业化以前相比，CO、CH、氯氟化物、对流层O、243NO等温室气体的浓度，都有了显著的增加。2
以CO为例，地球大气圈中碳的自然循环，使大气中CO平均含22-6量维持在300×10。由于开采和燃烧矿物能源，以及大规模的砍伐森林和海洋污染，全球CO浓度严重失衡。2（2）全球变暖潜势（GWP）
目前，大气中的CO浓度正以每年0.4%～0.5%的速度增长。根2据气象资料和科学家的推测，1万年以前至产业革命早期，大气中-6CO的浓度基本保持在275×10左右。产业革命以后，CO的浓度急22-6-6-6剧上升，1750年为280×10，1900年为300×10，1958年为315×10，-6-6-61980年为340×10，1989年为354×10，1998年为360×10，20世-6-6纪末达到了380×10，已非常接近可接受的上限390×10。
虽然现在还缺乏有效的定量模型来描述CO的排放量与全球气候2变暖的直接关系，但是，如果仔细对照和分析4000～8000年前的地球温度和当时的生态环境与现在的地球温度和生态环境，那么，温度变化对全球生态系统的决定性影响绝非是耸人听闻。
有些气候学家预计，到2025年全球平均表面气温将上升1℃，到21世纪中叶将上升1.5～4.5℃。世界气象组织的测算结果是，到2030年，地球平均温度可能增长4.5℃。
全球气候变暖将导致海水轻微膨胀，以及地球上的冰融化并流入海洋，从而使海水体积增大，全球海平面确实在缓慢上升，其上升速度为每年1～2mm。在过去100年内，世界海平面已上升了10～15cm，为了子孙后代的利益，人们必须重视这种缓慢上升的累积效应。海水可能淹没许多沿海地区，许多岛屿将会消失，干旱、洪水、暴风等自然灾害将更加频繁地发生。
CH等也是温室气体的重要来源。煤炭常和甲烷气体共生，因此4在开采煤炭时总会伴随着甲烷气体的释放。每开采1t煤平均要释放出13kg的CH。CH气体对气候产生温室效应的作用是CO的23倍。442
新近的研究认为，在人类活动所导致的大气温室效应增强作用中，除了CO的浓度增加这一主要贡献之外，炭黑等大气颗粒物也具2有温室效应的作用，它是引起地球气候变化的重要角色。
近年来在印度洋上空进行的国际性测量研究显示，炭黑颗粒物对温室效应的间接作用在于它可以吸收部分太阳辐射，进而减少云的覆盖并引起云中水滴的回暖和蒸发。即通过云的改变而使大气增温。
大气层中的某些气体（CO、CH、NO等）能够增强大气的温242室效应是由于它们能够吸收地球向空间发出的红外辐射的一部分。这种吸收的强度及所涉及的波长则取决于该气体的性质、浓度以及同时存在的其他温室气体。为了评价各种温室气体对温室效应影响的相对能力，人们提出了一个被称为“全球变暖潜势”（Global Warming Potential，GWP）的参数。这是非常有用的参数，利用它人们可以对各种不同气体的气候影响作用进行比较。评价的方式是，计算一定量的某种气体在议定的期限内的全球变暖潜势。一般取这种期限为20年、100年和500年。这种比较值会随着期限的增加而变化。下面取100年这个期限来说明这个定义。
GWP是以CO气体作为评价参考的，即GWP（CO）=1。对于22CH，则有GWP（CH）=23。这意味着，如果向大气层中排放1kg的44CH，在未来的100年终端时，它会和23kg的CO对气候产生同样的42影响。因此，CH是一种气候变暖作用更强的气体。同样道理，NO42的GWP值为296，CFCs的GWP值为5700～11900。对温室效应的作用最大的有害气体是SF，它的GWP值为22200。如果现在来比较一6下GWP值在所取的不同期限（20年、100年和500年）的变化，就会发现CH的GWP值对应于20年、100年和500年分别为62、23和7或4CH的GWP值显现减少的趋势。而SF的GWP值（对应于20年、10046年和500年分别为15100、22200和32400）随时间却呈现增加的趋势。这是与该种温室气体的大气寿命相关的。如果某种气体的大气寿命比CO的大气寿命短，它的GWP值就会随着时间进展而增加。某2种气体被消除的能力取决于它的化学活性。化学活性越弱，它在大气层中存在的时间就越长。（3）低碳温室气体的排放量直接导致“低碳经济”的概念“低碳经济”这一名词首次出现在2003年英国政府发表的《能源白皮书》，题为《我们未来的能源：创建低碳经济》。从此，“低碳经济”成为引起全世界日益广泛关注的热门话题。当时，《能源白皮书》中并没有这一新名词的确切定义以及相关界定方法和标准。日前虽然全球都在谈论“低碳经济”，但其概念仍然不是很明确，而且在不断地更新发展。较为主流的理解是，“低碳经济”指尽可能最小量排放温室气体的经济体。英国首次提出“低碳经济”时，科学界以及公众都比较信服的一个结论就是目前大气中浓度过高的温室气体对全球气候变暖有直接作用，并且证实这些浓度过高的温室气体是人类经济活动、生产、生活的结果。因此，在全球范围内倡导低碳经济是避免灾难性气候变化的必要手段。几乎所有国家都已经认识到急需向低碳经济转型的必要性，各国寻求低碳经济发展已经变成缓解全球变暖长期战略的一个重要组成部分。与此同时，日益枯竭的不可再生型能源资源、不断上升的能源需求以及能源价格，也将推动全球向低碳经济转型。将碳排放量作为一种限定，其含义是“把大气中温室气体浓度稳定在防止全球气候系统受到威胁的水平上”（全球气候公约目标），无论人类选择怎样的发展路径、发展速度、发展规模都必须考虑碳排放量这个约束。“低碳经济”围绕整个经济活动，旨在在生产和消费的各个环节全面考虑温室气体排放，主要体现在对能源生产和消费做更加有效率的选择上，以求达到最小的温室气体排放量。具体来说，“低碳经济”作为一种新型经济模式，与以往的高消耗、低效率和高排放的传统经济有本质上的区别。主要体现在：①工业方面，高效率的生产和能源利用；②能源结构方面，可再生能源生产将占据相当高比例；③交通方面，使用高效燃料，低碳排放的交通工具、公共交通取代私人交通，并且更多地使用自行车和步行；④建筑方面，办公建筑与家庭住房都采用高效节能材料以及节能建造方式。归根结底，都是通过系统地调整体制从而激励节能技术创新、低碳排放技术应用、提高能源使用效率的结果。随着经济不断发展，逐步减少单位GDP的碳排放量，打破传统经济增长与温室气体排放总量之间的旧的高度相关关系，建立新的低碳生活环境和生活方式。低碳经济的概念几乎涵盖了所有产业，内涵扩展为低碳生产、低碳消费、低碳生活、低碳城市、低碳旅游、低碳文化、低碳哲学、低碳艺术、低碳生存主义。1.3.3 大气温室效应增强可能导致的后果
欧亚和北美大陆的平均温度将会比目前的实际温度高出6～8℃。现在的全球地面每日平均气温与第一次工业革命之前相比增加了0.6℃。这种温度升高变化的规模大小相当于地球从一个冰期过渡到一个间冰期所需要的1万～2万年期间所能观察到的温度变化。而人类活动在一百年的时间内就能产生这种相似的变化，将对地球的大部分生态系统和人类社会本身造成一场灾难。远在人类出现在地球上之前就曾经发生过强烈的生态系统巨变。在这种巨变过程中大量的生物物种灭绝，有的灭绝比例高达90%。
气候变暖会产生一系列灾难性的后果，诸如飓风频率和大陆上暴风雨及热浪的增加、海平面的上升、珊瑚礁的消失和厄尔尼诺现象的增强以及干旱和洪涝等灾害的出现频率增加等。生态系统原来脆弱的状况会趋向产生更加严重的灾害，例如农业上的干旱现象有加剧的危险。这种状况的发生尤其是当气候变化的节律加快时会更加显著。除此之外，气候变化还会带来卫生健康方面的问题。疟疾、登革热和出血热等疾病会在一些原来没有发生过这些疾病的温带国家出现并会在原来就发生这些疾病的国家里蔓延。到21世纪末，如全球气温升高5℃，将会导致海平面大幅上升。临海岸的众多城市如纽约、东京、上海、天津、伦敦将遭受海水倒灌的严重威胁。上海市区一半面积将会成为低于海面的洼地，大片人口密集城乡将成为汪洋泽国。太平洋中一些岛国现在已岌岌可危，而至少孟加拉国一地，就会有近1亿人无家可归。如何安顿这些环境难民并弥补大量耕地减少引发的粮食危机，已经成为现在各国政府面前的严峻课题。1.3.4 臭氧层破坏
最近几十年以来，很多科学家逐渐认识到平流层大气中的臭氧正在遭受着日益严重的破坏。1985年，英国科学家Farmen等根据他们在南极哈雷湾观测站（Halley Bay）的观测结果，发现从1975年以来，那里每年早春总臭氧浓度的减少超过30%（见图1-3）。这一消息震惊了世界各国和社会各界。图1-3 南极上空的臭氧空洞臭氧（O）含量为正常值的50%3臭氧（O）含量接近正常值的40%3
这个臭氧层的破坏，完全像温室效应一样，是一种慢性的、广泛的大气污染的结果。越来越多的科学证据表明，南极臭氧层破坏的根本原因是逸散到大气层之中的人工合成含氯和含溴的物质所造成，最具代表性的化合物是氟氯碳化合物，即氟利昂（CFCs）和含溴化合物哈龙（Halons）。CFCs是20世纪20年代合成的另一种类型的能源物质，被广泛用作液体制冷剂、喷雾剂和发泡剂等。它们在大气中的寿命为几个世纪。人类活动释放的CFCs和Halons化合物在大气对流层里化学性能十分稳定，不易通过一般的大气化学反应去除。经过一定的时间，这些化合物主要在热带地区上空被大气环流带入到平流层，并借助风力从低纬度地区向高纬度地区移动，进而在平流层内均匀分布。
在平流层内，强烈的紫外线照射能够解离CFCs和Halons分子，释放出高活性原子态的氯和溴自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破坏臭氧层的主要物质，它们对臭氧的破坏是以催化方式的连锁反应进行的，影响很大。臭氧层破坏的过程示意见图1-4。图1-4 臭氧层破坏的过程示意
来自太阳的紫外辐射中，波长为280～315nm的紫外线称为UV-B区，其紫外辐射能量高，对人类和地球上的其他生命造成的危害最严重。这一波段的紫外线能被平流层大气完全吸收。臭氧层的破坏，会使其吸收紫外辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面UV-B区紫外线强度明显增加，给人类健康和生态环境带来严重的危害。一般认为，平流层的臭氧总量减少1%，到达地球表面的有害紫外线将增加2%。1.3.5 酸雨
酸雨已成为当今世界上最严重的区域性环境问题之一。从更广些的范畴而言，酸雨一词可扩展为酸沉降。酸沉降是指大气中的酸通过降水（如雨、雾、雪等）迁移到地面，或在含酸气团气流的作用下直接迁移到地表。一般对酸沉降的研究主要集中在酸雨上面。世界上对雨水的第一次分析监测是在1850年。二氧化硫的自然来源是火山喷发。在北半球，由于人为活动排放的二氧化硫的数量大于自然排放量。在南半球的情况则恰恰相反。
通常把pH值低于5.6的降雨叫做酸雨。这个自然酸性程度在20世纪由于人类向大气中排放的污染物的增加而大大增强，pH值变化为4～4.5。能形成酸雨的污染物中最主要的是化石燃料在燃烧过程中所排放的SO和氮氧化物气体。诸如石油提炼业、发电、工业及民用的2燃油或燃煤采暖。这些主要的工业生产和能源转换部门是SO产生和2排放的最大来源。需要的能源越多，由此带来的污染越严重。一座1000MW的燃煤发电站全年发电6.6TW·h，要消耗6.5Mt的氧和2.5Mt的煤炭而释放出7.8Mt的CO、40000t的SO和10000t的NO。222
这些气体同水蒸气进行化学反应以后会形成硫酸、硝酸等酸化土壤和水。
酸雨会以不同方式损害水生生态系统、陆生生态系统，酸雨还会加速建筑材料的腐蚀。酸雨使河流和湖泊水体酸化，水生生态系统紊乱。在酸雨最严重的时期，挪威南部约5000个湖泊中有1750个由于湖水过酸而使鱼虾绝迹；瑞典的9万个湖泊中有2万个已受到不同程度酸雨的侵害。加拿大和美国有数千个湖泊酸化，已经严重到威胁某些生物生存的程度。美国曾报道至少有1200个湖泊已酸化，加拿大抽样调查的8500个湖泊已经全部酸化。
在美国国内，工业高度集中的东北部地区酸雨正逐步蔓延到西部人口稠密地区以及重要的自然保护区。美国世界资源研究所和加利福尼亚大学伯克利分校对西部共同进行的酸雨测试表明，“整个西部宝贵的水资源、林业资源、11个国家公园和数百万英亩的自然区正处在酸雨的淫威之下”。
酸雨还会烧死农作物或使之减产。美国科学家的研究结果表明，授粉后立即遭受酸雨淋过的玉米，结出的颗粒要比未受酸雨淋过的玉米少。而且，雨中所含的酸性成分越多，结出的颗粒越少。有时，一场酸雨过后，可使几百亩的农作物一片枯焦。
酸雨不仅严重危害自然环境，而且已经成为损害人体健康的一大因素。据美国政府的推算，1980年由于酸雨和硫氧化物污染造成的死亡人数占全国死亡人数的2%，即相当于全美国有51000人死于大气污染。
酸雨的腐蚀作用还加速了建筑物、桥梁、水坝、工业装备、供水管网、水轮发电机和通讯电缆等材料的损坏、使用寿命缩短，并严重损害历史建筑、雕刻等文化古迹（见图1-5）。图1-5 被酸雨损害前后的雕像对比1.3.6 热污染
在能源的环境效应之中，除了有毒有害的化学污染物、大气的温室效应、放射性物质等之外，热污染也是能源利用过程中的一种生态环境污染。热污染是指人类在广泛利用能源的各种生产和生活活动中所排放的废热造成的环境污染。废热可以污染大气环境和水体环境。（1）城市热岛效应
所谓“城市热岛效应”是指由于城市区域的人口高度密集、工业集中以及消耗大量的燃料，全部能量最终将转化为热能，进入大气，使城市气温明显高于郊区气温的现象。城市热岛现象于18世纪初首先在英国的伦敦市发现。这种大气的热污染造成的城市热岛效应，是人类活动对城市区域气候影响中最典型的特征之一。
热岛气候使一些夏季原本十分炎热的城市变得更加炎热，夏季城市气温过高会诱发冠心病、高血压、中风等，直接损害人体健康。当有热浪袭击时总体死亡率呈上升趋势，例如1995年芝加哥的热浪和2003年夏季法国的酷暑曾在短时间内引起众多人的死亡。1980夏季热浪袭击美国圣路易斯市和堪萨斯市，两市商业区死亡率分别增高57%和64%，而附近郊区仅增高10%。城市热岛效应自然会对这种热浪袭击起着助纣为虐的作用。
城市热岛效应还会导致城市上空的云、雾和降雨的增加，这就是热岛效应带来的所谓“雨岛效应”和“雾岛效应”。城市多雾会严重妨碍水陆交通和飞机的起落等。（2）水体热污染
使用江河、湖泊水作冷源的火力发电厂、核电站以及煤矿、冶金、石油、化工等工业部门所排放的大量废水温度较高，进入到江河、湖泊等自然水域会引起这些接纳水体局部水温升高，形成水体的热污染。
火电厂和核电站是水体热污染的主要来源。由于所有的热力学机器都不能直接利用热能，因此就会对环境产生热影响。例如核反应堆发电的原理是利用裂变反应放出的热量来产生水蒸气，再将水蒸气用于驱动连接交流发电机的涡轮机。这种系统运行的热力学效率取决于热源与冷源的温度差值。在法国利用这种核反应堆发电的效率是33%。这就是说每生产1GW的电就要浪费2GW的热能。一般一座1000MW的火电厂，每小时就有4.6TJ的热量排放到自然水域中。使用化石燃料、生物质或废弃物的发电站存在着同样的环境问题。
法国吉隆河入海口的布来埃核电站装有4台900MW的机组，每秒3钟产生的温水水量为225m，致使古隆河口数公里范围内的水温升高了5℃。美国每天全部企业冷却用水水量高达4.5亿立方米，其中的80%都是发电厂使用的冷却用水。
热污染会使收纳水体温度升高，影响水生生物的生存，破坏自然水域的生态平衡，危害渔业生产。由于水温升高会导致水中的溶解氧含量减少而处于缺氧状态。同时水温升高会使水中藻类大量繁殖，加速水体的富营养化过程，也会使所有水生生物的代谢率增高而需要更多的溶解氧。这样一来，水中鱼类和其他浮游生物的生长将受到影响。水温升高对于在较低水温中生长的鱼类危害更大，其产卵和孵化受影响而导致繁殖率降低。
此外水体升温还容易滋生一些致病微生物，引起疾病的传播、流行。水体热污染有助于流行性出血热、伤寒、疟疾、登革热等疾病的发生。1.3.7 生物多样性锐减
生物多样性锐减这一全球性环境问题是由人类行为所导致的，同样亦可视为能源利用的一种负效应。据估计，在20世纪80年代后期，热带雨林的面积正以每秒钟减少两个足球场的速度被毁坏，若继续保持这个速度，几十年以后几乎所有的热带雨林都将被毁灭。从1960年起地球森林面积已有一半遭到破坏。此外，全球变暖导致气候以及自然生态系统在比较短的时间内发生较大变化，这也是全球生物多样性锐减的主要原因之一。
人们已经意识到生物多样性及其组成成分的资源价值，包括在生态、社会、经济、科学、教育、文化等各个领域的价值。生物多样性的资源价值主要体现在两个方面。一方面，地球上的生物多样性以及由此而形成的生物资源构成了人类赖以生存的生命支持系统。人类社会的一切进步和发展都是建立在生物多样性基础之上，人类的生存离不开其他生物。另一方面，生物多样性的资源价值体现在生态系统的生态服务功能。生态系统调节着地球上的能量流动，保证了自然界的物质循环，从而维持着大气的构成平衡，涵养水源，净化水源，为人类提供休息场所等。生态服务功能的经济价值不低于生态系统的直接经济价值。
有关生物多样性，目前国际上讨论最多的是物种多样性。科学家估计地球上的生物物种大约在500万～1000万种之间，其中经过科学鉴定和记录的生物物种大约有170万种。对研究较多的生物类群来说，从极地到赤道，物种的丰富程度呈增加趋势，其中热带雨林的物种最为丰富。在热带森林的考察证明，在潮湿的热带森林中尚未鉴定的昆虫和其他无脊椎动物种类数量十分惊人，可能有上百万种。中国地貌类型丰富，具有北半球所有的生态系统类型，无论在生物资源种类上还是在数量上都占有相当重要的地位，是世界上生物多样性最丰富的8个国家之一。
科学家估计，按照目前每年砍伐1700万平方公里的速度，今后30年内热带雨林可能就会毁掉。栖息地的改变与丢失意味着生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性的同时丢失。
当前地球上生物多样性损失速度比历史上任何时候都快。根据生物学家爱德华·威尔逊的估计，自然发生的即与人类行为无关的本底灭绝速率大约是每几年一个物种。而目前每年约有4000～6000的物种濒临灭绝，或者说每天约有10余种。这一灭绝率竟是与人类行为无关的自然灭绝速率的10000倍。联合国环境规划署的评价结论说，在可以预见的未来，5%～20%动植物种群可能受到灭绝的威胁。还有研究表明，依照目前的情况发展下去，在下一个25年间，地球上每10年大约有5%～10%的物种将要消失。
物种的多样性有益于人类，物种的灭绝和遗传多样性的丧失将使生物多样性不断减少，逐渐瓦解人类生存的基础。生物多样性的大量丢失和有限生物资源的破坏已经和正在直接或间接地抑制经济的发展和社会的进步。1.3.8 大气污染引起的健康危害
人类使用的大量的煤炭、石油等化石能源，在燃烧过程中会产生很多种大气污染物，燃烧被认为是大气污染的第一来源。这些大气污染物会对人体健康和环境产生有害影响。大气污染物按其来源可分为一次污染物和二次污染物。直接由污染源排放的污染物可称为一次污染物，如二氧化硫（SO）、氮氧化物（NO）和硫化氢（HS）2x2等。而在一定条件下，由大气一次污染物参与化学反应而生成的污染物，称为二次污染物，如臭氧（O）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）和硫3酸雾（HSO）等，二次污染物比一次污染物对人体的危害更为严重。24
大气污染物按其在大气中的存在状态则可分为分子状态污染物和粒子状态污染物两大类。常见的分子状态污染物如SO、NO、CO、2xO等沸点都很低，在常温常压下以气体分子形式分散于大气之中。3粒子状态污染物（或颗粒物）是分散在大气中的微小液体和固体颗粒，粒径多在0.01～100μm，是一个复杂的非均匀体系。粒径小于100μm颗粒物表示为总悬浮微粒物（TSP），粒径小于10μm的颗粒物可以长期漂浮在大气之中，常表示为飘尘（PM）或可吸入颗粒物10（IP）。由于飘尘粒径微小，具有胶体性质，所以又被称为气溶胶。它可被人体直接吸入呼吸道内造成危害，所以是最引人注目的研究对象之一。由化石能源燃烧产生的大气污染主要表现为煤炭型污染和光化学烟雾污染两种类型，它们对人体健康的危害形式亦有所不同。此外还有海洋污染。2004年5月，联合国教科文组织巴黎会议报告：人类用煤炭和石油所排放的CO有48%为海洋吸收。这就是说，自19世2纪产业革命开始以来，海水中已积聚超过1180亿吨的CO，这使海水2的酸度增加，从而威胁许多海洋生物的生存。
联合国环境规划署警告：地球海洋中的“死亡地带”正在增加。在过去10年间，海洋死亡地带明显扩大。1.3.9 能源开发和运输过程所致的环境效应
无论是化石能源还是可再生能源，在开发或运输的过程中都能引起某些种类的环境效应或恶性事故的发生。（1）煤炭的开采
煤炭是化石能源中数量最多的部分，煤炭也是污染环境最严重的一种能源。煤炭的开采方式可以分为露天开采和地下开采。在全世界露天开采方式约占1/3，地下开采约占2/3。煤炭常和甲烷气体（CH）4共生，因此在开采煤炭时总会伴随CH气体的释放。每开采1t煤平均4要释放出13kg的CH。CH气体产生的温室效应的作用是CO的23倍。442
煤炭开采时，工人由于吸入二氧化硅粉尘而导致的矽肺病通常是不可逆转和致命的。在机械化开采时产生的粉尘粒度比手工开采时更细，细粒粉尘可以长驱直入到达人体肺叶深部，因而矽肺的发病率更高。
伴随着煤炭的地下开采还会产生大量的剥离物，在地表形成体积庞大的矸石山。通常每采选1t煤炭约产生0.2t的煤矸石。例如，我国每年产生的煤矸石数量约为1亿吨之多。庞大的矿区矸石山要侵占大量的农田，矸石堆经雨水浸滤可以导致水源污染。其中发热量相对高一些的矸石山还会发生自燃，排放出大量SO、CO等有害气体，污2染大气环境。此外，开采区上方的地面塌陷也是时常可能发生的。
质量较差的煤炭含有很高比例的灰分，在分选时会产生废弃物。存放在煤矿或使用地点附近的煤炭以及煤炭运输时都经常会引起污染。堆积的煤炭会被雨水浸滤或者随风散佚灰尘。鲁索（P.Rousseaux）等估计有0.05%～0.1%的煤炭会以此种方式散失到环境之中。
煤炭燃烧时产生能增加大气温室效应的CO气体同时也会产生灰2尘。需要的能源越多，由此带来的污染越严重。一座1000MW的燃煤发电站全年发电6.6TW·h，要消耗6.5Mt的氧和2.5Mt的煤炭，并释放出7.8Mt的CO、4万吨的SO、1万吨的NO和6000t的粉尘。同时会222产生45万吨的固体废弃物。
煤炭开采时还会伴有放射性污染的发生。根据产地不同，每吨煤炭含有1～10g的放射性元素铀，而含有的放射性元素钍的量大约是铀的2.5倍。因此，上述燃煤发电站每年通过大气或粉煤灰向环境中释放平均数量为几十吨的铀和钍。美国的一项研究指出，一座燃煤发电站附近的人群所接受的放射性剂量要比同等功率的核电站附近的人群高百倍。当然，燃煤发电站对人群健康的影响可能更主要来自煤炭燃烧时的化学物质污染。（2）石油的海洋运输污染
在石油钻探、开采、提炼、运输和使用过程中，都会有一部分石油流失到周围环境中，有些流失是作业过程中难以避免的（见图1-6）。开采石油时对矿脉中石油的回收率为30%，采用新技术时回收率可以达到40%～50%。使用油井勘探和采油时会丢失0.01%～0.02%的石油。伴随石油开采抽出的大量盐水一般会反注入油井，但有时也会流入表面水体中，特别是在开采海洋石油时。这可以成为影响海洋水体环境的一种因素。通过提炼石油人们可以得到各种烃类化合物、燃料、沥青以及各种石油化工产品。值得注意的是，在各种加工、提炼过程中要耗损掉大约10%所处理的石油总量。
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