多年来，为了应对气候变化，提高能源安全，促进能源发展，国际能源署一直呼吁进行能源革命。全球在可再生能源发电方面（风能、太阳能等）的投资，2008年达到了1 120亿美元的最高值；尽管面临世界经济衰退，但2009年仍然保持了原有的投资水平。很多大型汽车企业正在制造混合型动力汽车和纯电动汽车，在未来10年，可能有500万辆这样的汽车出现在各国的马路上。这一转变对于一场真正要进行的能源技术革命，一场推动经济发展、能源安全和环境保护的革命来说，具有非常重要的意义。
1）太阳能的开发利用
太阳每时每刻都辐射出巨大的能量，我们地球仅得到其中的22亿分之一。太阳中的氢能供给太阳燃烧至少可达六七十亿年之久。所以可以说，太阳能是取之不尽，用之不竭的。
在我国约960万km2的国土面积上，太阳能年辐射总量每平方厘米超过60万焦。但是由于受到纬度、海拔高度、气候、昼夜交替等自然条件影响，各地获得的辐射能差异颇大。如西藏高原获得辐射能较高，太阳能利用条件好。所以在我国西北、华北地区可以充分利用太阳能。
太阳能的利用有两种形式，即将太阳能转变为热能和电能。转变成热能所需的设备是太阳能集热器。通过集热器和其他装置可以组装成多种太阳能利用设施。我国目前主要利用了太阳能热水器、太阳灶和被动式太阳房等。转变成电能有两种途径：一种是太阳热发电；另一种是太阳光发电。
太阳热发电是采用聚光式集热器把太阳能转变成热能，再把热能转变成电能。一座典型的10万kW太阳能发电系统，大约由12 500个定日镜组成，每个反射镜面积为40 m2。中心接收器塔高250 m，每天可运行6～8 h，有蓄热装置，供夜间和阴雨天发电使用。总效率为15%～20%。这类发电系统在美国和法国已有研究。
太阳光发电一般是指太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。太阳能电池是利用半导体材料制成的，目前使用的太阳能电池有多种，如硅电池、硫镉电池、碲化镓电池和砷化镓、砷化铅电池等。常用的太阳能硅电池的光电转化效率为10%～15%，硅太阳能电池是人造卫星、航天飞机上的主要能源装置。光伏系统具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。
到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到10万kW（100 MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万kW（2 900 MW），太阳能电池年产量达到1 188 MW，超过日本和欧洲。到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8 GW（百万千瓦），到2050年将达到600 GW（百万千瓦）。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。
此外，利用太阳能分解水制氢，也被认为是太阳能转化与储存的最有效途径之一。
利用太阳能的缺点是能量分散，能量密度平均约为1 kW／m3时，而且数值还因地而异，变化幅度很大。最有利于收集和开发太阳能的地方限于南、北纬35°之间。此外，太阳能投射到地表的过程中，还常受到不可预测的因素干扰，具有不连续和不稳定的性质。
2）生物质能的开发利用
生物质是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称，生物质所蕴含的能量称为生物质能。可用于转化为能源的有机质资源统称为生物质能资源。生物质能资源可以分为农林废弃物（农作物秸秆、果树枝等农业废弃物，林业加工废弃物等）、能源植物、城市和工业有机废弃物、禽畜粪便等。
生物质能是我国农村的主要能源。目前生物质能主要用于直接燃烧，不仅利用效率低，更是一种浪费。因为烧掉一吨牛粪就意味着损失了一吨优质肥料，农作物的秸秆不能还田就会降低土壤的肥力，燃烧薪柴容易引起水土流失，破坏生态平衡。
开发利用生物质能的途径是生产酒精等清洁液体燃料、生产沼气、发电。沼气是利用垃圾、污水、污泥、人畜粪便、庄稼秸秆、杂草等废弃物经厌氧生物作用，产生大量的甲烷、二氧化碳的混合气体。发展沼气能提供优良燃料，供炊事和照明、驱动内燃机和发动机作动力能源，同时又把含氮磷钾等养分和有机质的肥料还田，是发展农村能源的战略措施。我国农村现已建立各种沼气池近500万座，产生的沼气相当于70万t标准煤。
生物质直燃发电是利用生物质燃烧发电的技术，主要原料是农林废弃物、城市固体废弃物等，目前我国主要集中开发以农林废弃物为原料的农林生物质发电。直接燃烧发电是指全部采用生物质原料，在专用生物质锅炉中燃烧，产生蒸汽，驱动汽轮机，带动发电机发电。
3）风能、海洋能的开发利用
风能是太阳辐射能的一小部分转变成空气动力能。风能也存在分散、间歇、能量密度不高以及风力不均等弱点。利用风能的主要方式是风力发电，通过风力发电机把风能转变成电能。
我国风能资源丰富，主要集中于西北、东北及东部沿海地区，加上西部和东南沿海地区，可开发利用的风能储量约10亿kW。其中，内蒙古约占全国风能资源储量的40%，居全国首位。截至2008年5月，内蒙古风电装机已达180万kW，超过甘肃省的50万kW，居全国第一位。
目前我国通过风能发电的电量还不到总电量的1%，且我国又拥有丰富的风能资源，风力发电不消耗资源、不污染环境，因此发展风力发电大有可为，具有广阔的发展前景。
海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋热能等。潮汐能是由于太阳和月球的引潮力形成海水的一种周期性运动，主要用于发电。它是利用涨潮和落潮所造成的水的落差，推动水轮发电机发电。波浪能、海流能属于海洋动能，在一个典型的海洋中部，在8 s的周期内会涌起1.5 m的波浪，利用波浪的垂直运动带动涡轮机或利用海流冲击水轮机的转子发电。目前波浪和海流发电量是有限的，一般是几瓦至几千瓦的规模，主要用于海上浮标信号灯电源和海岸灯塔等少量用电。海洋热能是太阳能辐射到海洋表面，使海洋表层温度（热源）与深层温度（冷源）形成约20℃温差，可利用这一温差发电。
我国的海洋资源丰富，其中可开发的潮汐能在2 000万kW以上。现在已建成潮汐能和波浪能试验站。在缺电而又蕴藏潮汐能的地区，开发建设中、小型潮汐电站还可以取得养殖、围垦等方面的综合效益。
利用海洋能的缺陷是，由于海洋环境恶劣，在有关设备材料、安装、运行和使用等许多重大问题解决后，才能较好地利用。
4）地热能的开发利用
地球是个大热库，据科学家测算，地球内部的总热能量约为全球煤炭储量的1.7亿倍。每年从地球内部经地表散失的热量，相当于1 000亿桶石油燃烧产生的热量，开发利用前景令人期待。地热能源不仅储量大，还是一种清洁能源，开发利用地热能具有良好的社会效益和环境效益。
地热能可以说是一种古老的新能源。最早被人们所熟识的概念是温泉。早在公元前的东汉时期，天文学家张衡所著《温泉赋》中就讲述温泉有治病、保健的功能。国际上对地热的利用也是从温泉开始的，在古罗马，诸多国事也都在热气腾腾的温泉浴室中议定。而温泉洗浴、保健、疗养仅是地热能被人类利用的方式之一。
地热能包括深层地热能和浅层地热能。深层地热能主要是由于地壳内火山活动，使地球内热在有限的地域内富集，并达到为人类开发利用的程度，从而构成了地热资源，主要以蒸汽、热水和热卤水的形式出现，温度较高，主要用于发电和热能的直接利用方面。我国的深层中低温地热资源分布范围非常广，而最主要的利用方式就是地热供暖。通过地热水和供暖软化水两个闭环水系统的热交换，供暖软化水系统带走了地热水的部分热能，流入百姓家的供暖系统，为千家万户送去温暖，而被利用过的低温地热尾水被回注地下，经过地下热源的加温再循环利用。
浅层地热能是在地表以下一定深度（一般小于200 m）范围内岩土体、地下水和地表水中蕴含的具有开发利用价值的热能，温度一般低于25℃。由于其受地理环境和气候条件的影响较小，是理想的建筑中央空调系统的冷热源。目前，我国建筑能耗占总能耗的30%，而空调能耗又是建筑能耗大户，占60%左右。因此推广利用浅层地热能的地源热泵中央空调系统具有广阔的发展空间和前景。
现在全世界共有27个国家利用地热发电，绝大部分分布在美洲和亚洲，分别占世界总装机量的39.9%和35.1%。中低温地热发电技术也日趋成熟，西藏“羊八井”是我国目前最大的地热试验基地，也是当今世界唯一利用中温浅层热储资源进行工业性发电的电厂。
我国地热能资源比较丰富，已探明地热储量约30亿t标准煤。全国突露出地面的地下热水点有2 500多处，其中80℃以上的有600多处，遍及全国各省市、自治区。地热分布不匀，重点地区有京津地区、东海沿海地区、西藏和云南等，其中广东、福建、台湾三省温泉最多，西藏地区地热源温度很高。
目前，地热能已经被用于发电、采暖、制冷、烘干、养殖等多个领域。在全球关注低碳经济发展、节能减排和生态文明建设的今天，地热能在各个领域的推广利用将更具前景。
知识拓展
1）三峡工程的利与弊
长江三峡水利枢纽工程简称“三峡工程”，是当今世界上最大的水利枢纽工程。三峡工程位于长江三峡之一的西陵峡的中段，坝址在三峡之珠——湖北省宜昌市的三斗坪，三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。
（1）三峡工程的综合效益。三峡大坝建成后，将形成巨大的水库，滞蓄洪水，使下游荆江大堤的防洪能力由防御十年一遇的洪水，提高到抵御百年一遇的大洪水，防洪库容在73亿～220亿m3。如遇1954年那样的洪水，在堤防达标的前提下，三峡能减少分洪100亿～150亿m3，荆江至武汉段仍需分洪350亿～400亿m3。如遇1998年洪水，可有效防御。
三峡水电站是世界最大的水电站，总装机容量1 820万kW。这个水电站每年的发电量，相当于400万t标准煤完全燃烧所发出的能量。装机（26＋6）×70万（1 820万＋420万）kW，年发电846.8（1 000）亿度，主要供应华中、华东、华南、重庆等地区。
三峡工程位于长江上游与中游的交界处，地理位置得天独厚，对上可以渠化三斗坪至重庆河段，对下可以增加葛洲坝水利枢纽以下长江中游航道枯水季节流量，能够较为充分地改善重庆至武汉间通航条件，满足长江上中游航运事业远景发展的需要。通航能力可以从现在的每年1 000万t提高到5 000万t。
长江三峡水利枢纽工程在养殖、旅游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等方面均有巨大效益。
（2）对生态与环境的影响。关于三峡建库对生态环境的影响，主要包括两个方面：一是有利影响，主要在长江中游，包括减轻洪灾对生态环境的破坏，减少燃煤对环境的污染，减轻洞庭湖的淤积等；二是不利影响，主要在库区，除淹没耕地、改变景观和大量移民外，尚对稀有物种、天气、库尾洪涝灾害、滑坡、地震、陆生动植物等有影响。
直接受淹没影响的陆生植物物种有120科380属560种。其中绝大部分在未受淹没影响的地区广为分布。因此，不致造成物种的灭绝，但其中三种珍惜植物必须妥为保护：分别是荷叶铁线蕨国家二级保护植物、库区特产，在亚洲大陆仅存于此；疏花水柏枝是三峡地带特有植物，种源数量极少，分布狭窄，分类及地理分布有科学研究价值，树形美观，有潜在的观赏价值；幼嫩枝叶可供入药；川明参是我国特有植物，仅此一种，多年生草本，为名贵药材，都迁到指定地点保护。
白鳍豚属鲸类淡水豚类，国家一级保护动物，为我国特有珍惜水生哺乳动物，由于历年来人类活动的增加或不当，使白鳍豚意外死亡增加（包括渔具致死、江中爆破作业致死、轮船螺旋桨击毙、误进水闸等）。三峡水库蓄水后，枯水期长江中下游流量增加，水深加大，对白鳍豚越冬极为有利。搁浅死亡可望避免，但由于长江中上游航运事业的发展，中游江段白鳍豚被轮船螺旋桨击毙事件将会增加，为此长江新螺江段白鳍豚自然保护区将会建立。
2）上海世博会主题馆屋面
上海世博会主题馆屋面（如图7-6所示）入选中国世界纪录协会世界最大单体面积太阳能屋面。上海世博会主题馆屋面太阳能板面积达3万多m2，是目前世界最大单体面积太阳能屋面，年发电量可达280万度，相当于上海4 500多个居民一年的总用电量，每年可减少二氧化碳排放量约2 800 t，相当于每年节标准煤1 000多t。
图7-6 上海世博会主题馆屋面
3）世界首个玉米秸秆生物质发电项目在我国投产
国家电网公司旗下的国能生物发电公司自2006年12月1日通过国能山东单县生物质发电项目的成功投产，在初步掌握了以棉花秸秆、林木废弃物等灰色秸秆生物质直燃发电技术后，继续加大对我国生物质资源的开发力度。2007年11月16日，作为生物质直燃发电产业发展的一个重要里程碑，世界第一个以玉米秸秆为主要燃料的生物质发电项目——黑龙江国能望奎项目1×2.5万kW机组圆满完成（72＋24）小时试运，正式投产。此项目的投产为我国玉米秆等黄色秸秆生物质能的开发利用探索出一条可行之路，为世界可再生能源开发利用完成了一项开拓性实践，会对我国乃至世界范围农作物秸秆资源的有效利用产生深远影响。
据不完全统计，目前我国各级政府核准的生物质发电项目累计超过170个，总装机超过460万kW，其中已经并网发电的项目超过50个，发电总装机已超过200万kW。
4）“世界风库”
甘肃酒泉是中国风能资源丰富的地区之一。它所辖的瓜州县被称为“世界风库”，玉门则被称为“风口”。目前甘肃酒泉已经在着手建立3个大型的风电站，每个电站的装机容量都将在20万kW以上。酒泉风电基地计划要在2010年达到380万kW的装机容量，2020年达到1 065万kW的目标。
5）全球规模最大的新能源汽车运营区域
在上海世博期间，园区内每天来往穿梭着321辆纯电动汽车、500辆混合动力汽车以及196辆燃料电池汽车。这些新能源车预计可节约传统燃油约1万t，减少有害物质排放约118 t，减少温室气体排放约2万8千余t。它们使得世博园真正实现了“绿色排放”。
混合动力汽车将燃油、电力作为混合动力，节油率在10%至40%不等，纯电动汽车则完全依靠电力。与前两者相比，燃料电车汽车无疑显得更为低碳环保。“在众多的新能源汽车中，燃料电池汽车实现了对燃油的完全替代，并因为零排放、效率高、振动噪声小等优势，而被认定是未来汽车工业可持续发展的方向。
思考与习题
1.说明北美黑风暴产生的原因以及对环境和人的危害。
2.来自2010年《地球生命力报告》显示，全球热带物种数量正严重萎缩，而同时，人类对自然资源的需求激增，人类的需求超过了地球供给能力的50%。“采用资源依赖型发展模式的国家是危险的”，你的观点是什么？
3.结合所学知识谈谈“南水北调”工程的意义。
4.谈谈你如何利用和保护水资源和森林资源。
5.结合自己专业谈谈如何利用矿产资源。
6.分析各类常规能源开发利用对环境的影响。
7.你认为核能与水电的发展前景如何？
8.你认为我国未来的能源主要是哪些？为什么说沼气是解决我国农村能源的战略措施？
【注释】
[1]1公顷＝10 000 m2
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