作者：黄建华 廖东进
出版社：中国铁道出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
新能源系统概论试读：
前言
CONTENTS
能源作为社会发展的动力，其技术的革新推动着人类社会的进步。近年来，全球工业化水平日益提高、世界人口数量急剧增长，人类对能源的需求也愈来愈大，煤、石油、天然气等化石能源的大量消耗已使其面临日趋枯竭的危机，由使用化石能源带来的环境污染问题也日益严重。为了应对能源危机和环境污染问题，各个国家都在积极采取有效措施，节能减排。我国早在2009年就已确立2020年低碳工作目标：单位GDP碳强度（比2005年）下降40％～45％；非化石能源在一次能源中占比达15％左右。目前国家已明确2030年低碳发展目标，期望到2030年碳强度比2005年下降60％～65％，并争取在2030年前后使中国碳排放总量达到峰值。
为了实现这一宏伟目标，需要从多方面着手，而加快发展太阳能、风能、生物质能、地热能等新能源，提高非化石能源占比，推进能源革命，加快能源技术创新，建设清洁低碳、安全高效的新能源体系显得尤为重要。当前我国能源发展已经进入新常态，能源结构逐步优化，煤炭消耗逐渐下降，非化石能源在一次能源中的占比逐渐上升。加快发展新能源既是调整能源结构的必要措施，也是实现低碳发展目标的重要保证。
本书紧扣新能源发展，分类介绍了常见新能源特点及其开发利用技术。全书共分8章，第1章为绪论，主要介绍了能源分类、能源应用现状及未来发展方向；第2章、第3章、第4章分别介绍了在新能源体系中占比较大的太阳能、风能和生物质能，系统地阐述了太阳能、风能和生物质能的开发技术及利用方式；第5章则列举了氢能、核能、潮汐能、地热能等其他新能源，方便读者对新能源体系有一个全面的认识；结合新能源行业的最近发展情况，编者在第6章、第7章及第8章中特意增加了智能微电网应用技术、合同能源管理和碳交易的相关内容。
本书由黄建华、廖东进任主编，向钠、张要锋、段文杰任副主编，各章编写分工如下：湖南理工职业技术学院黄建华负责拟定提纲、编写第2章、并负责全书的统稿；第1章、第5章由湖南理工职业技术学院段文杰编写；第3章、第6章由衢州职业技术学院廖东进编写；第4章由湖南理工职业技术学院向钠编写；第7章、第8章及附录由湖南理工职业技术学院张要锋编写。全书由浙江瑞亚能源科技有限公司李毅斌总经理主审。
本书在编写的过程中得到了北京新大陆时代教育科技有限公司陆胜洁、王水钟、桑宁如，浙江瑞亚能源科技有限公司易潮等人的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢！本书在编写中参考了大量的文献资料，特向其作者表示衷心的感谢！
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，恳请广大读者和同行批评指正。
编者2016年5月第1章绪论
学习目标（1）掌握能源的概念；（2）熟悉能源的常用分类方法；（3）认识能源与人类发展的密切关系；（4）掌握能源现状及能源问题；（5）熟悉我国未来能源发展的方向。
本章简介
能源是人类社会发展的基础。本章主要阐述能源的定义及其分类，系统讲解能源与人类发展的密切关系，帮助人们认识能源的重要性；同时介绍能源现状及能源开采和使用过程中所带来的问题，并提出我国未来能源发展的方向。1.1能源及其分类1.1.1 能源的定义
能源是人类赖以生存和发展的基础，是一个国家或地区国民经济持续发展和社会进步的重要保障。人类社会的一切活动都离不开能源。关于能源的定义，目前约有20种。《科学技术百科全书》说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》说：“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来做功，可作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”。由此可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。
确切而简单地说，能源是自然界中能够直接或经过转换可为人类提供某种形式能量的物质资源。从广义上讲，在自然界中有一些自然资源本身就拥有某种形式的能量，它们在一定条件下能够转换成人们所需要的能量形式，这种自然资源显然就是能源。如薪柴、煤、石油、天然气、水能、太阳能、风能、地热能、波浪能、潮汐能、海流能、核能等。但在生产和生活中，由于需要或为了便于运输和使用，常将上述能源经过一定的加工、转换，使之成为更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等，它们也称为能源，它们同样能为人们提供所需的能量。1.1.2 能源的分类
由于能源形式多样，因此通常有多种不同的分类方法。它们或按能源的来源、形成、使用分类，或从技术、环保角度进行分类。不同的分类方法，都是从不同的侧重面来描述并反映各种能源的特征。主要的能源分类方法有以下几种：
1.按来源分（1）第一类能源是来自地球外部天体的能源。人类所需能量的绝大部分都来自太阳。除了直接利用太阳的辐射能（宇宙射线及太阳能）之外，还大量间接地使用太阳能源，如化石燃料（煤、石油、天然气等），它们就是千百万年前绿色植物经光合作用形成有机质而长成的根茎及动物遗骸，在漫长的地质变迁中所形成的。此外，如生物质能、流水能、风能、海洋能、雷电等，也都是由太阳能经过某些方式转换而形成的。（2）第二类能源是地球自身蕴藏的能量。这里主要指地热能资源以及原子能燃料，还包括地震、火山喷发和温泉等自然呈现出的能量。（3）第三类能源是地球和其他天体引力相互作用而形成的。这里主要指地球和太阳、月球等天体间规律运动而形成的潮汐能。
2.按获得的方法分（1）一次能源。即在自然界中天然存在的，可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能、地热能等。（2）二次能源。即由一次能源直接或间接加工、转换而来的能源，如电力、蒸汽、焦炭、煤气、氢气以及各种石油制品等。大部分一次能源都需转换成容易输送、分配和使用的二次能源，以适应消费者的需要。二次能源经过输送和分配，在各种设备中使用，即终端能源。
3.按是否可再生分（1）可再生能源。即在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源，如太阳能和由太阳能转换而成的水能、风能、生物质能等。它们可以循环再生不会随其本身的转化或人类的利用而日益减少。（2）不可再生能源。即经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源，如煤、石油、天然气、核燃料等。它们随着大规模地开采利用，其储量越来越少，总有枯竭之时。
4.按对环境的污染程度分（1）清洁能源。即对环境友好、无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、风能、海洋能等。（2）非清洁能源。即对环境污染较大的能源，如煤炭、石油等。
5.按使用情况、技术水平及经济效果分（1）常规能源。在相当长的历史时期和一定的科学技术水平下，已经被人类长期广泛利用的能源，不仅为人们所熟知，而且也是当前应用范围很广的主要能源，如煤炭、石油、天然气、水力、电力等。其开发利用时间长、技术成熟、能大量生产并广泛使用，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等，常规能源有时也被称为传统能源。（2）新能源。新能源是相对常规能源而言的，主要指最近一些年才被开发利用，目前在能源系统中所占比例虽小，但发展前景巨大的一类能源。一些虽属古老的能源，但只有采用先进方法才能加以利用，或采用新近开发的科学技术才能被开发利用的能源也属于新能源；有些能源近一二十年来才被人们所重视，新近才被开发利用，而且在目前使用的能源中所占的比例很小，但很有发展前途的能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。核能通常也被看作新能源，尽管核燃料提供的核能在世界一次能源的消费中已占15％，但从被利用的程度看还远不能和已有的常规能源相比；另外，核能利用的技术非常复杂，可控核聚变反应至今未能实现，这也是仍将核能视为新能源的主要原因之一。不过也有学者认为应将核裂变视为常规能源，核聚变视为新能源。新能源有时又称为非常规能源或替代能源。常规能源与新能源是相对而言的，现在的常规能源过去也曾是新能源，今天的新能源将来又会成为常规能源。1.2能源与社会发展1.2.1 能源利用与人类文明
人类进化发展的历史就是一部不断向自然界索取能源的历史，人类文明的每一步都和能源的使用息息相关。纵观人类社会的历史，可以看出人类文明进步和能源间有着密切的关系。目前，人类文明已经历了三个能源时期，即薪柴时代、煤炭时代和油气时代，而在不久的将来将步入新能源及可再生能源时代。
1.薪柴时代
薪柴是人类使用的第一代主体能源。自从人类学会使用“火”开始，就以薪柴、秸秆和动物的排泄物等生物质为燃料来烧饭和取暖，同时靠人力、畜力、简单的风力和水力机械作动力，从事生产活动和交通运输。这个以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，延续了很长时间，生产和生活水平极低，社会发展迟缓。从远古时代直至中世纪，在马车的低吟声中，人类渡过了悠长的农业文明时代。
2.煤炭时代
人类认识和利用煤炭的历史非常悠久，中国是世界上最早发现并开始使用煤炭、石油和天然气的国家之一。我国有文字记载的开采和利用煤炭的历史，可以追溯到两千多年前的战国时代。人类真正进入煤炭时代则是在18世纪欧洲兴起的产业革命，以煤炭取代薪柴作为主要能源，以蒸汽机作为生产的主要动力，工业得到迅速发展，生产力有了极大提高。煤炭时代的到来是人类对能源需求旺盛的结果，煤炭推动了工业革命的进程。特别是19世纪末，电磁感应现象的发现，使得由电动机作动力的发电机开始出现，电力开始进入社会的各个领域，电动机代替了蒸汽机，电灯代替了油灯和蜡烛，电力成为工矿企业的主要动力，成为生产和生活照明的主要来源，同时也出现了各种使用电力作为能量输出形式的电器。在此过程中，不但社会生产力有了大幅的增长，而且人类的生活水平和文化水平也得到了极大地提高。工业文明逐步扩大了煤炭的利用，大量的煤炭被转换成更加便于输送和利用的电力，煤炭也成为人类文明的第二代主体能源。
3.油气时代
和煤炭一样，人类对石油的认识并不是在现代才有的。两千多年前，我国西北地区人民用石油点灯；北魏时期用石油润滑车轴；唐宋以来用石油制作蜡烛及油墨；北宋时开封出现了炼油作坊。我国古代的石油钻井工艺也不断改进。北宋中期开始以简单的机械冲击钻井（即顿钻）代替手工掘井，宋末元初，出现了以畜力绞车的钻井工艺。13世纪，在我国陕北的延长开凿出世界第一口石油井。而现代石油业的起点一般认为是美国人于1859年在宾夕法尼亚州打出了西方第一口石油井。随后，俄国也开始了石油开采，并在1897—1906年铺设了第一条输油管道。1886年德国的戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler，1834—1900）制成了第一台使用液体石油的内燃机；19世纪末，德国的奥托和狄塞尔发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机；20世纪初，美国福特公司成功研制出第一辆汽车。特别是20世纪50年代，美国、中东、北非相继发现了巨大的油田和气田，从此石油开采和内燃机互为需求，形成了世界能源革命的新时期，将人类飞速推进到现代文明时代。在此过程中，西方发达国家很快地从以煤为主要能源结构转变为以石油和天然气为主要能源结构。到1960年，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。汽车、飞机、内燃机车和远洋客货轮的迅猛发展，不但极大地缩短了地区和国家间的距离，也大大地促进了世界经济的繁荣。近三十多年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物质文明。
4.新能源与可再生能源时代
随着世界人口的增加，经济的飞速发展，能源消费量持续增长，能源给环境带来的污染也日益严重。与此同时，煤、石油和天然气等化石能源储量有限，而形成周期较长，难以满足人类的可持续发展需求。1974年和1980年发生的两次能源危机，也使欧美等发达国家认识到过度依靠石油并非长远之计，因此在提高能源利用效率的同时，如何充分开发与利用新能源与可再生能源、保持能源与环境协调、促进社会可持续发展是摆在全人类面前的共同任务。在未来的能源结构中，新能源及可再生能源必将占据越来越重要的地位。1.2.2 能源与经济发展
能源是国民经济的重要基础和命脉，是现代化生产的主要动力来源。现代工业和现代农业都离不开能源动力。人类社会对能源的需求首先表现为对经济发展的需求，反过来，能源促进人类社会进步首先表现为促进经济的发展，而经济增长是经济发展的首要物质基础和中心内容。
1.能源在经济增长中的作用
能源是经济增长的推动力量，并限制经济增长的规模和速度。（1）能源推动生产的发展和经济规模的扩大。投入是经济增长的前提条件，在投入的其他要素具备时，必须有能源为其提供动力才能运转，而且运转的规模和程度也受能源供应的制约。物质资料的生产必须要依赖能源为其提供动力，只是能源的存在形式发生了改变。从历史上看，煤炭取代木材，石油取代煤炭以及电力的利用，都促进生产发展走向一个更高的阶段，并使经济规模急剧扩大。（2）能源推动技术进步。迄今为止，特别是在工业、交通领域，几乎每一次重大的技术进步都是在“能源革命”的推动下实现的。蒸汽机的普遍利用是在煤炭大量供给的条件下实现的；电动机更是直接依赖电力的利用；交通运输的进步与煤炭、石油、电力的利用直接相关。农业现代化或现代农业的进步，包括机械化、水利化、化学化、电气化等同样依赖于能源利用的推动。此外，能源的开发利用所产生的技术进步需求，也对整个社会技术进步起着促进作用。（3）能源是提高人民生活水平的主要物质基础之一。生产离不开能源，生活同样离不开能源，而且生活水平越高，对能源的依赖性就越大。火的利用首先也是从生活利用开始的，从此，生活水平的提高就与能源联系在一起。这不仅在于能源促进生产发展为生活的提高创造了日益增多的物质产品，而且依赖于民用能源的数量增加和质量提高。民用能源既包括炊事、取暖、卫生等家庭用能，也包括交通、商业、饮食服务业等公共事业用能。所以，民用能源的数量和质量是制约生活水平的主要基本要素之一。
2.经济增长对能源的需求
经济增长对能源的需求首先或最终体现为对能源总需求的增长，主要有以下三种情况：（1）经济增长的速度低于其对能源总量需求的增长。即每增长单位GDP（国内生产总值）所增加的能源需求大于原来单位GDP的平均能耗量。（2）经济增长与其对能源总量需求同步增长。即每增加单位GDP所增加的能源需求等于原来单位GDP的平均能耗量。（3）经济增长的速度高于其对能源总量需求的增长。即每增长单位GDP所增加的能源需求小于原来单位GDP的平均能耗量。
这三种情况在人类社会发展的历史上都曾出现过，而且在当今世界的不同国家也同时并存。在一般情况下，能源消耗总是随着经济增长而增长，并且在大多数情况下存在一定的比例关系。到目前为止，经济增长的同时保证能源总量需求下降仅属个别的特殊情况。1.2.3 能源增长与人民生活
人们的日常生活处处离不开能源，不仅是衣、食、住、行，而且文化娱乐、医疗卫生都与能源密切相关。随着生活水平的提高，所需的能源也愈多。因此从一个国家人民的能耗量就可以看出一个国家人民的生活水平。例如生活最富裕的北美地区比贫穷的南亚地区每年每人的平均能耗要高出55倍。表1.1为目前美国家庭每户每年的能源消费概况，从表中可以看出能源与人民生活的关系多么密切。
根据世界银行1997年出版的世界发展报告统计，1994年高收入国家人均能耗5.006t标准油，中等收入国家为1.475t标准油，低收入国家0.369t标准油，世界平均数量为1.433t标准油；而我国为0.664t标准油，为高收入国家的13.3％，中等收入国家的46％，不足世界平均值的一半。据1998年的统计数据，世界人均能源消费量为1.47t标准油，其中美国人均消费8.07t标准油，英国人均消费3.94t标准油；在亚洲，新加坡的人均消费水平最高，为7.68t标准油，日本为4.04t标准油。
表1.1 美国家庭每户每年的能源消费概况
现代社会生产和生活，究竟需要多少能源？按目前世界情况，大致有以下三种水平：（1）维持生存所必需的能源消费量（以人体需要和生存可能性为依据），每人每年约400kg标准煤。（2）现代化生产和生活的能源消费量，即为保证人们能丰衣足食、满足起码的现代化生活所需的能源消费量，为每人每年1200～1600kg标准煤（见表1.2）。
表1.2 现代化生产和生活的能源消耗量（3）更高级的现代化生活所需的能源消费量，以发达国家的已有水平作参考，使人们能够享受更高的物质与精神文明，每人每年至少需要2000～3000kg标准煤。
目前，我国一次能源消耗量增长速度居世界之首。1973—2005年的32年间，全世界增长了86％，而我国增长了300％。我国已成为仅次于美国的第二大能源消费国（2005年能源消费量为美国的74％）。如果维持此增长势头，则10年内，我国一次能源消费量将超过美国。根据国际能源总署预测，2030年我国一次能源需求量将达到全球发达国家需求量总和的50％。1.3能源现状与能源问题
能源是人类文明的基础，又与各国经济发展以及人们的衣食住行等日常生活密切相关。自18世纪中期以来，世界能源结构发生了两次重要的转变，经历了从薪柴到煤炭再到石油的转变过程。目前世界经济现代化的发展，在很大程度上是建立在煤炭、石油和天然气等化石燃料能源基础之上。在过去的一个世纪里，现代社会对能源的需求不断增加，能源结构也在不断变化。图1.1和图1.2分别给出了过去100多年世界能源结构和消费的变化。
图1.1 过去100多年世界能源结构变化
图1.2 过去100多年世界能源消费变化
自20世纪70年代以来，全世界面临着人口爆炸、资源短缺、能源危机、粮食不足、环境污染、气候变化等全球重大问题的挑战。近年来，全球能源消费不断增长，石油价格持续攀升，人们越来越担心世界能源供应的可持续性。当前的地区冲突与矛盾往往也与能源有关，能源问题已日益突出。世界性能源问题主要反映在能源短缺及供需矛盾所造成的能源危机。未来能源供求关系和市场价格，主要受能源开采利用技术、能源结构调整、环境与气候变化、国际政治经济秩序等多种因素影响。
1.能源结构
世界资源分布是不均匀的，每个国家的能源结构差异也非常大。在发达国家的人们充分享受着汽车、飞机、暖气、热水这些便利的时候，贫困国家的人们甚至还靠着原始的打猎、伐木来做饭生活。
据国际能源署的能源统计资料，非经济合作发展组织的地区，如亚洲、拉丁美洲和非洲，是可燃性可再生能源的主要使用地区。这三个地区使用的总和达到了总数的62.4％，其中很大一部分用于居民区的炊事和供暖。目前世界各国能源结构的特点，一般取决于该国资源、经济和科技发展等因素。从全球来看，呈现以下特点：（1）煤炭资源丰富的发展中国家，在能源消费中往往以煤为主，煤炭消费比重较大，其中2002年，中国占66.5％，印度占55.6％。（2）发达国家石油在消费结构中所占比重均在35％以上，其中2002年，美国占39.0％，日本占47.6％，德国占38.6％，法国占35.9％，英国占35.0％，韩国占51.0％。（3）天然气资源丰富的国家，天然气在消费结构中所占比例均在35％以上，其中2002年，俄罗斯占54.6％，英国占38.6％。（4）化石能源缺乏的国家根据自身特点发展核电及水电，其中2002年，日本核能在能源消费结构中所占比例为14.0％，法国核能占38.3％，韩国核能占13.1％，加拿大水力占27.2％。（5）世界前20个能源消费大国中，煤炭占第一位的有5个，占第二位的有6个，占第三位的有9个。
总之，就全世界而言，石油在能源消费结构中占第一位，所占比例正在缓慢下降；煤炭占第二位，其所占比例也在下降；目前天然气占第三位，所占比例持续上升，前景良好。
我国是世界上以煤炭为主的少数国家之一，远远偏离当前世界能源消费以油气燃料为主的基本趋势和特征。2002年我国一次能源的消费总量为1425.4Mt标准煤，构成为：煤炭占66.5％，石油占24.6％，天然气占2.7％，水电占5.6％和核电占0.6％。煤炭高效、洁净利用的难度远比油、气燃料大得多。而且我国大量的煤炭是直接燃烧使用，用于发电或热电联产的煤炭只有47.9％，而美国为91.5％。
我国终端能源消费结构也不合理，电力占终端能源的比重明显偏低，国家电气化程度不高。2000年一次能源转换成电能的比重只有22.1％，世界发达国家平均均超过了40％，有的达到45％。
2.能源环境
能源的开采和利用直接影响环境，是破坏环境的首要原因。它涉及全球气候变暖、空气污染、酸雨、水污染和生态恶化等一系列世界性的环境问题。世界著名的八大公害事件（比利时马斯河谷烟雾事件、美国多诺拉烟雾事件、伦敦烟雾事件、美国洛杉矶光化学烟雾事件、日本水俣病事件、日本富山骨痛病事件、日本四日市哮喘病事件、日本米糠油事件）中前四位都是由于人类在工业发展和生活中能源利用管理不当而造成的环境污染。伦敦烟雾事件是20世纪世界上最大的由燃煤引发的城市污染事件，仅5天时间死亡了4000多人，在之后的两个月内，又陆续死亡8000人；美国洛杉矶光化学烟雾事件是最早出现的由汽车尾气造成的大气污染事件，死亡人数达400多人。由此可见，能源利用和环境保护之间的有着非常密切的关系。
目前温室效应和地球变暖等全球性气候变化问题已经给人类带来了巨大的威胁，是各国首脑首先考虑的问题之一。20世纪以来工业化对温室效应负有不可推卸的责任。过度燃烧、森林树木过度砍伐、草原过度放牧、植被破坏等，都减少了地球自身调解二氧化碳的功能。科学观测表明：地球大气中CO 的浓度已从工业革命前的280ppmv2上升到了目前的379ppmv；全球平均气温也在近百年内升高了0.74℃，特别是近30年来升温明显。而酸雨、臭氧层的空洞等又进一步导致了生态的严重破坏。人类在不断扩大自己的生存空间的同时，也在慢慢地把自己围困在更小的范围里面挣扎。如果上述情况持续恶化，人类会发现自己再也没有适合居住的场所了。
为了阻止气候的进一步恶化，很多国家已经联合起来，互相合作制约。1997年12月，160个国家在日本京都召开了联合国气候变化框架公约（UNFCCC）第三次缔约方大会，会议通过了《京都议定书》。该议定书规定，在2008—2012年期间，发达国家的温室气体排放量要在l990年的基础上平均削减5.2％，其中美国削减7％，欧盟8％，日本6％。
我国能源环境问题的核心是大量直接燃煤造成的城市大气污染和农村过度消耗生物质能引起的生态破坏（我国农村消耗的生物质能，其数量占全国其他商品能源的22％），还有日益严重的车辆尾气的污染（大城市大气污染类型已向汽车尾气型转变）。
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。燃煤释放的SO ，2占全国排放总量的35％，CO 占35％，NO 占60％，烟尘占75％。22我国酸雨区由南向北迅速扩大，约超过国土面积40％。1998年酸雨沉降造成的经济损失约占GDP（国内生产总值）的2％。温室气体CO 排放的潜在影响是21世纪能源领域面临挑战的关键因素，我国21995年CO 的排放量约为821Mt碳，占世界总量的13.2％。2
我国农村人口多、能源短缺，且沿用传统落后的用能方式，带来了一系列生态环境问题：生物质能过度消耗，森林植被不断减少，水土流失和沙漠化严重，耕地有机质含量下降等。
我国政府也已经开始重视能源环境问题，正在努力改善和挽救日益恶化的生态环境。1989年12月26日第七届全国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过《中华人民共和国环境保护法》。之后又陆续的颁布了《中华人民共和国大气污染防治法》《水污染防治法》《环境噪声防治法》《能源法》《可再生能源法》等相关的能源与环境保护法律法规。我国还努力参加国际合作，引进先进技术来改变以前落后的能源利用形势。1.4未来我国能源发展方向
未来几十年是中国经济社会全面发展、实现中华民族伟大复兴的关键时期，能源建设任务重大。在全面建设小康社会的进程中，为满足十几亿人民日益增长的能源消费需求，我国将在今后一二十年内建成世界最大的能源消费和供应体系。为此，迫切需要走出一条具有中国特色的新型能源发展道路，从而以较小的能源资源和环境为代价，实现现代化建设的战略目标。能源系统庞大，调整周期较长，一代能源技术和基本装备的更新往往需要几十年时间，这就要求能源发展有长期的战略考虑，寻求最优或较优的发展路径。
考虑中国的能源发展战略，有必要眼光放远一点，思路开阔一点，把能源战略置于国家发展战略的重要位置，认清能源发展的趋势，适时完善能源战略的目标、方针和任务。走中国特色的新型能源发展道路，应坚持节约高效、多元发展、清洁环保、科技先行、国际合作的理念，努力建设一个利用效率高、技术水平先进、污染排放低、生态环境影响小、供给稳定安全的能源生产流通消费体系。（1）节约高效。节约资源是中国的基本国策。能源战略应长期坚持节约与开发并举，把节约放在首位。坚持节能优先，开创节约型的发展方式和消费模式，提高能源普遍服务水平，合理平衡供需。提倡生态文明和节约文化，普及节能知识，推广技术成果。大幅度提高能源系统效率，尽快使重点耗能产业的能源效率达到国际先进水平；不断提高能源综合效率，以尽可能小的能源资源消耗，支撑经济社会尽可能大的发展。（2）多元发展。只有充分利用各种可以规模利用的能源资源，才能优化能源结构，满足未来能源需求。发达国家已经完成了化石能源的优质化，现在又开始大力发展低碳能源，向更高层次的能源优质化推进。我国能源也需要走多元发展的道路，加快能源结构调整，增加石油供应，显著提高天然气、核能、可再生能源在能源生产和消费中的比重，努力做到新增能源供应以高效能源、清洁能源、新能源和可再生能源等低碳或无碳优质能源为主。（3）清洁环保。治理污染、保护环境、缓解生态压力，是能源发展的重要前提。在新的形势下，能源战略还应考虑有效应对全球气候变化的挑战。解决好能源利用带来的环境问题，需要从提高清洁能源比重、实现环境友好的能源开发、实行煤炭高效清洁利用和推进工业、交通、建筑清洁用能等多方面采取措施，尽可能减少能源生产和消费过程的污染排放和生态破坏，兼顾能源开发利用与生态环境保护。（4）科技先行。能源发展需要科技先行。只有通过持续的技术创新，才能不断提高能效，发展清洁能源，实现能源可持续发展，支撑现代化进程。着眼未来，需要尽量采用先进能源技术，超前部署能源科技研发，建立能源技术储备。世界能源生产和转换技术不断创新，装备的大型化、规模化趋势明显，能源产业资金密集、集中度高。中国能源产业也需走集约发展的道路，提高科技创新能力，增强国际竞争力。（5）国际合作。解决好中国的能源问题，对世界具有重要意义。通过加强国际能源合作，促进能源经济技术交流，拓宽能源领域对外开放的渠道。通过企业“走出去”，扩大对外投资，开发能源资源，增加石油天然气供应能力。通过开展能源对外交往，加强战略和政策对话与协调，促进全球能源安全保障机制不断完善。这不仅有利于增加中国能源供应，也有利于改善世界能源供给。习题
1.能源的常用分类方式有哪些？
2.根据不同时期人类使用能源的主要结构，人类社会已经经历过哪几个时期？
3.能源的开发和利用对环境有何影响？
4.相比于常规能源，新能源应具有哪些特点？第2章太阳能
学习目标（1）了解太阳能的应用历史；（2）熟悉硅材料的性能；（3）掌握晶硅材料电池制备工艺流程；（4）掌握光伏发电系统的分类；（5）掌握光热利用的类型及应用情况。
本章简介
太阳能应用主要分为光伏与光热应用。本章以市场最常用的硅材料光伏电池为例，系统讲解硅材料的性能、晶硅与非晶硅光伏电池的制备工艺流程、并网与离网光伏发电系统分类与组成，光热应用的分类与具体应用情况。2.1太阳能应用简介2.1.1 太阳能发展情况
太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电或为热水器提供能源。据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。然而将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”“未来能源结构的基础”，则是近年的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在1615—1900年之间，太阳能动力装置和其他一些太阳能装置陆续被研制成功。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不高，工质主要是水蒸气，价格昂贵，实用价值不高，大部分太阳能动力装置是由太阳能爱好者研究制造。20世纪太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。
第一阶段（1900—1920年）：在这一阶段，太阳能研究的重点仍是对太阳能动力装置的研究，但采用的聚光方式越来越多样化，并且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，但造价仍然很高。
第二阶段（1921—1945年）：在这20多年中，太阳能的研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用以及第二次世界大战有关。由于太阳能不能解决当时对能源的急需，因此太阳能研究工作逐渐受到冷落。
第三阶段（1946—1965年）：1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉；1954年，美国贝尔实验室研制出实用型硅太阳电池，为光伏发电的大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制出实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1960年，美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨——水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。
在这一阶段里，科学家们加强了对太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。由于太阳能吸收式空调的研究取得进展，因此一批实验性太阳房得以建成。科学家们也对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。
第四阶段（1966—1972年）：这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因此得不到公众、企业和政府的重视和支持。
第五阶段（1973—1980年）：1973年10月中东战争爆发，石油危机使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其他可再生能源技术发展的支持，世界上再次兴起开发利用太阳能的热潮。
1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费也随之大幅度增长，同时美国还成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化；1974年日本公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量的人力、物力和财力。
1975年，在河南安阳召开的“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作被纳入中国政府计划，并获得专项经费和物资支持。
第六阶段（1981—1992年）：20世纪70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入20世纪80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人对开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。
第七阶段（1993年至今）：大量燃烧矿物能源造成全球性的环境污染和生态破坏，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了对清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使开发利用太阳能研究工作走出低谷，逐渐得到加强。2.1.2 太阳能应用情况
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。然而太阳能的利用目前还不是很普及，太阳能的利用主要有以下几个方面：
1.发电利用
发电利用主要有两种类型：一种是光—电转换，其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是光伏电池组件；另一种是光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸气，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。
2.光热利用
它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热3种。
3.光化学利用
这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。
4.燃油利用
燃油利用是利用太阳光线提供的高温能量，以水和二氧化碳作为原材料，致力于“太阳能”燃油的研制生产。
本章节主要介绍光伏与光热方面的应用情况，当前光伏材料种类繁多，但硅材料占据光伏市场的主流，本文以典型的硅材料为例进行讲解。2.2硅材料2.2.1 硅材料简介
硅是自然界分布最广的元素之一，是介于金属和非金属之间的半金属。最早获得纯硅的是1811年哥依鲁茨克和西纳勒德通过加热硅的氧化物而获得。硅的性质在1823年由波茨利乌斯描述，定名为元素硅（Si）。1855年由德威利获得灰黑色金属光泽的晶体硅。高纯硅由贝克特威通过方法获得。
硅为世界上第二丰富的元素，占地壳元素含量的四分之一。硅在地壳中的丰度为27.7％，在常温下化学性质稳定，是具有灰色金属光泽的固体，晶态硅的熔点为1414℃、沸点为355℃，原子序数为14，属于第IVA族元素，相对原子质量为28.085，密度为2.422g/cm 3 ，莫氏硬度为7。
硅以大量的硅酸盐矿石和石英矿的形式存在于自然界。泥土、石头和沙子、使用的砖、瓦、水泥、玻璃和陶瓷等这些人们在日常生活中经常遇到的物质，都是硅的化合物。由于硅易与氧结合，故自然界中没有游离态的硅存在。2.2.2 硅材料的性质
1.物理性质
硅有晶态和无定形态两种同素异形体。晶态硅根据原子排列不同分为单晶硅和多晶硅，单晶硅和多晶硅的区别是：当熔融的硅凝固时，硅原子与金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅；如果长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。它们都具有金刚石晶格，属于原子晶体，晶体硬而脆，抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力的作用下，产生滑移位错，形成塑性变形。硅材料还具有一些特殊的物理化学性能，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。
硅材料按照纯度分类，可分为冶金级硅、太阳能级硅、电子级硅。冶金级硅（MG）是硅的氧化物在电弧炉中用碳还原而成，一般硅含量为90％～95％以上；太阳能级硅（SG）一般认为硅含量在99.99％～99.9999％；电子级硅（EG）一般要求硅含量＞99.9999％。
硅具有良好的半导体性质，其本征载流子浓度为1.5×10 10 个/cm 3 ，本征电阻率为1.5×10 10 Ω·cm，电子迁移率为1350cm 2 /（V·s），空穴迁移率为480cm 2 /（V·s）。作为半导体材料，硅具有典型的半导体材料的电学性质。（1）电阻率特性
硅材料的电阻率在10 -5 ～10 10 Ω·cm之间，介于导体和绝缘体之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征半导体，电阻率在10 6 Ω·cm以上。（2）PN结特性
N型硅材料和P型硅材料相连，组成PN结，这是所有硅半导体器件的基本结构，也是太阳电池的基本结构，具有单向导电性等性质。（3）光电特性
与其他半导体材料一样，硅材料组成的PN结在光作用下能产生电流，如太阳电池；但是硅材料是间接带隙材料，效率较低，如何提高硅材料的发电效率正是目前人们所追求的目标。
2.化学性质
硅在常温下不活泼，不与单一的酸发生反应，能与强碱发生反应，可溶于某些混合酸。其主要性质如下。（1）与非金属作用
常温下硅只能与F 反应，在F 中瞬间燃烧，生产SiF 。224
加热时，能与其他卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO 。2
在高温下，硅与碳、氮、硫等非金属单质化合，分别生成碳化硅、氮化硅、硫化硅等。（2）与酸作用
Si在含氧酸中被钝化，但与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF 4或H SiF 。26（3）与碱作用
无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气。（4）与金属作用
硅能与钙、镁、铜等化合，生成相应的金属硅化物；硅还能与Cu 2+ 、Pb 2+ 、Ag + 等金属离子发生置换反应，从这些金属离子的盐溶液中置换出金属。例如硅能在铜盐溶液中将铜置换出来。2.3硅基光伏电池材料制备
硅基光伏电池分为晶硅光伏电池与非晶硅薄膜光伏电池，晶硅光伏电池主要包括以下几个工艺过程：工业硅的生产、太阳能级硅的提纯、拉制单晶或铸锭多晶、硅片的加工、电池片的制备、电池组件的制备。后续将对晶硅与非晶硅组件进行详细介绍。2.3.1 冶金硅的提炼
工业硅生产的基本任务就是把合金元素从矿石或氧化物中提取出来，理论上可以通过热分解、还原剂还原和电解等方法生产。在这三种方法中，电解法属于湿法冶金范畴，而第一种方法在实际生产中会遇到很多困难，因为元素与氧的亲和力较大，除少数元素的高价氧化物外，其余的氧化物都很稳定，通常要在2000℃以上才能分解，在实际生产中具备这样高的温度会遇到很多困难。硅的冶炼是通过还原剂还原的第二种方法来制取，下面着重研究用还原剂还原法制取冶金硅的基本原理。
工业硅是在单相或三相电炉中冶炼的，绝大多数容量大于5000kV·A，三相电炉使用的是石墨电极或碳素电极，通常采用连续法生产方式进行生产，也有通过自焙电极生产的，但产品质量不大理想；传统的电炉是固定炉体的电炉，近年来旋转炉体的电炉开始使用。有企业实践证明，使用旋转电炉能减少电能的消耗3％～4％，相应提高了电炉生产率和原料利用率，并大大减轻炉口操作的劳动强度。炉口料面不需要扎眼透气，对改善所有料面操作过程是很有利的。工业硅是通过连续方法冶炼的。硅矿石在高温的情况下，与焦炭进行反应，生产原理如下：
1.冶炼的原理
在实际生产中硅石的还原是比较复杂的。实际生产中炉内发生的反应是：炉料入炉后不断下降，受上升炉气的作用，温度在不断升高，上升的SiO有下列反应。
这些产物大部分沉积在还原剂的空隙中，有些逸出炉外。炉料继续下降，当温度上升到1820℃以上时，有以下反应发生：
当温度再升高时，发生以下反应：
在电极下发生如下反应：
炉料在下降的过程中，发生以下反应：
在冶炼中，主要反应大部分是在熔池底部料层中完成的。碳化硅的生成、分解和一氧化硅的凝结，又是以料层内各区维持温度分布不同为先决条件。碳化硅的生成是容易的，而碳化硅还原要求高温、快速反应、否则碳化硅就沉积到炉底，由此，必须保持反应中心区温度的稳定性。在冶炼操作中，沉料要合适，如过勤，温度区稳定性差，对冶炼不利。
2.冶炼生产的调控因素（1）电压
电弧炉的电气工作参数主要是二次电压，电极工作端下部弧光所发出的热量主要集中在电极周围，因而炉内温度分布与弧光功率大小有关，在其他条件不变的情况下，提高二次电压能增加弧光功率；但是电压过高，弧光拉长、电极上抬、高温区上移，热损失将剧增。炉底温度降低，炉内温度梯度增大，坩埚区缩小，炉况变坏；相反，二次电压过低，除电效率和输入功率降低外，由于电极下插过深，炉料层电阻减少，从而将增加通过料层的电流，减少通过弧光的电流，使炉料熔化和还原速度减慢，电炉出现闷死现象，炉内坩埚急剧减小。可见对一定功率的电弧炉来说，二次电压过高和过低都是不可取的，在选择时必须保证电炉的电效率和热效率有良好的匹配。（2）电流
埋弧操作的电弧炉，电流在炉内的分布有两条回路：一条是电极-电弧-熔融物-电极主电路回路；另一条是电极-炉料-电极分电流回路。对于三相熔池的电场，有过各种不同的描述，一般认为电流不仅在电极和导电炉底之间通过，而且也在电极、合金、电极之间通过。（3）功率
在电气计算中，有很多未知数，只有功率是固定值，熔池功率可用P=I 2 R进行计算，电极截面内的电流密度和电极工作表面的电流密度是最稳定的数值。而电炉的其他动力指标差别很大，这是因为熔池尺寸、电极尺寸、所用的炉料、电气制度和操作方法存在着很大的差异。同一个熔池里反应着几种不同的合金，而动力指标却只对其中一种合金的冶炼是理想的。（4）熔池电阻
熔池电阻是一个需要计算的物理参数，计算熔池电阻，必须计算熔池的电阻系数和电阻的几何参数。所有这些都与尚待确定的熔池尺寸和电极尺寸有机联系在一起。2.3.2 高纯度多晶硅原材料制备
硅按不同的纯度可以分为冶金级硅（MG）、太阳能级硅（SG）、电子级硅（EG）。一般来说，经过浮选和磁选后的硅石（主要成分为SiO ）放在电弧炉里和焦炭生成冶金级硅。然后进一步提2纯到更高级数的硅。目前处于世界主流的传统提纯工艺主要有两种：改良西门子法和硅烷法。他们统治了世界上绝大部分的多晶硅生产线，是多晶硅生产规模化的重要级数，在此我们主要介绍改良西门子法。
改良西门子法是以Cl（或H 、Cl ）和冶金级工业硅为原料，22在高温下生成SiHCl ，然后通过精馏工艺，提纯得到高纯SiHCl ，33最后用超高纯的氢气对SiHCl 进行还原得到高纯多晶硅棒。主要工3艺流程如图2.1所示，具体工艺如下。
图2.1 改良西门子法流程图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]