国内外新能源研究现状及未来发展态势

国内外新能源研究现状及未来发展态势

邱莹莹

（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005）

摘要：在全球的电源结构中，占据绝对主流地位的仍然是传统化石燃料，占全部发电量的60%以上。一次能源的大量消耗导致全球能源短缺和气候恶化，已经成了迫在眉睫的全球性问题。在巨大的环境压力下，全球积极开发应用新能源，在传统的火电、水电的基础上，大力发展核能、太阳能、风能等新能源发电。本文将通过简单介绍能源的概念与内涵，引出了新能源的内涵及其在国内外的应用。然后又介绍了未来几种新能源的发展和应用趋势，并且对新能源的现状及发展趋势进行了分析，论述了新能源在减少二氧化碳中的地位和作用，最后对新能源提出了未来展望。

关键词：不可再生能源新能源发电技术有效利用现状发展趋势发展前景与展

中图分类号：F426.2;F224文献标识码：A

引言：本文将主要围绕21世纪中期的主要能源和人类如何最终解决能源问题做出探讨。能源亦称能量资源。是指可产生各种能量(如热量、电能、光能和机械能等)或可作功的物质的统称；是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。新能源与可再生能源．是指除常规化石能源和大中型水利发电、核裂变发电之外的太阳能、风能、生物质能、海洋能以及地热能等一次能源这些能源资源丰富、可以再生、清洁干净，是最有前景的替代能源．将成为未来世界能源的基石。

可再生能源具有清洁、环保、持续、长久的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。目前在中国，可以形成产业的新能源主要包括水能（主要指小型水电站）、风能、生物质能、太阳能、地热能等，是可循环利用的清洁能源。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，作为一种能源资源化利用的物质而受到深入的研究和开发利用，因此，废弃物的资源化利用也可看作是新能源技术的一种形式。

正文：

1.旧不可再生能源使用情况：

21世纪中期天然气、石油、煤炭依然是人类的主要能源，而各种新能源将会得到很大发展，作为辅助能源。

1.1天然气：天然气是21世纪消费量增长最快的能源，石油和煤炭消费领域里有70%以上

都可以用天然气取代。由于天然气具有较好的经济性与环保性，成为市场上最受欢迎的能源品种，在传统能源中增长最快。天然气将是21世纪的能源主角，加快天然气工业的发展将成为不可扭转的趋势。

1.2石油：纵观全球石油供求的形势，一个基本的判断是：预计在21世纪中叶，全球

石油供求基本平衡的大格局不会发生根本性的变化，石油仍将是世界的主要能源。全球经济和交通运输业的发展，也将会导致石油需求增长而不是下降。

据国际能源机构的预测，全球石油可采资源总量预测为5000亿吨，目前探明的剩余可采石油储量1700多亿吨。按年产油38亿吨计算，石油储采比40：1。也就是说，即使今后不再发现新的石油资源，理论上还可以开采40年。市场需求增长、新技术出现与地缘政治事件等正一起改变着石油能源作用与地位。“从商业上讲，不需要没完没了地进行石油勘探开发，勘探开发到一定程度，石油企业的积极性就会下降。”金融危机改变了前几年石油消费增加趋势的状态，现在国际油价并没有往下落，而且保持在一个相对比较高的程度，这是因为石油供应方在控制产量。

1.3煤炭：21世纪煤炭仍是人类赖以生存的主要能源之一，作为主要基础能源的地位不

会改变。原因主要有：煤炭资源丰富，全球探明可采煤炭储量10316．1亿吨，按目前生产水平可开采200年以上，而石油仅45年，天然气仅65年；煤炭作为传统能源，开采、使用技术成熟，并已形成规模的生产、应用链；洁净煤技术的推广应用已可能使煤炭成为清洁、无污染燃料。

煤炭在能源发电、生产、消费中仍处于不可替代的重要地位。煤炭本身不是污染，是可以通过技术进步实现洁净利用的；从可采资源、保障供应、经济性和技术等方面看，煤炭仍将是不可替代的基础能源，提供优质煤炭、保障能源供应、提高煤炭效率、减少煤炭污染，是21世纪煤炭工业的重要责任。

2世界主要国家新能源发展态势

20世纪70年代石油危机之后，世界各国对替代能源的兴趣和研究逐渐热络起来。1981年8月，联合国在内罗毕召开新能源和可再生能源会议，推动了利用新能源和可再生能源的升温。

美国：奥巴马新政府将推广可再生能源作为保障国家安全、提供就业机会、降低二氧化碳

的排放量、净化空气、减小对进口石油依赖的重要途径之一。奥巴马政府已明确提出，把“绿色能源计划”作为“美国复兴和再投资计划的重要内容，将投入上千亿美元支持新能源技术的研发和推广。

日本：2009年4月，日本政府推出“日本版绿色新政”四大计划，其中对可再牛能源的具

体目标是对可再生能源的利用规模要达到世界最高水平，即从2005年的10．5％提高到2020年的20％。在太阳能方面，提出要强化太阳能的研制、开发与利用．计划太阳能发电2020年比现在增加20倍。

法国：从2005年1月1日起，政府对可再牛能源生产能源的设备实施税收抵免40％的政策，

并在2006年将抵幅度进一步提高到50％。与此同时，国家还制定r一系列的扶持计划，其中包括国家电力公刊和其他电力供应公司不得拒绝收购食业利用可再生能源，并制定了在2010年，全国可再牛能源生产应占全圈能源生产10％的同标。

印度：为解决日益严峻的能源短缺问题，政府制定了许多政策，鼓励本国可冉牛能源的发

展，其月标是到2030年，通过利用水能、核能、风能、太阳能等可再牛能源，大大降低财进口油气的依赖，最终实现能源的独立。目前印度风能利用在世界上处于领先地位，是继德国、两班牙、美国和丹麦之后世界第五大风力发电国家。（3）

中国：我国自然能资源非常丰富，开发潜力巨大，然而，由于技术、资金以及政策引导等

方面的原因，新能源的开发步伐明显滞后。至2000年底，我国风能、太阳能等新能源发电约为33×104kW，只占我国电力装机总容量的0.4%。因此，推动新能源产业的快速发展，已成当务之急。从70年代开始，我国政府就积极倡导新能源的研究与开发、推广与应用，并坚持讲求效益的方针；1992年世界环境与发展大会后，又提出了因地制宜地开发和推广风能、太阳能、潮汐能、生物质能(垃圾)、地热能等新能源的方针。

3国外新能源发电技术发展情况：

随着全球范围内能源危机的冲击和环境保护及经济持续发展的要求，开发利用新能源和可再生能源成为大多发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。新能源形式

3.1太阳能

太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式为太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等均来自太阳能。太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。

太阳能包括以下三类：

太阳能光伏。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于其没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。

太阳热能。现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技手段收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，其方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。

太阳光合能。植物利用太阳光进行光合作用，合成有机物。因此，可以人为模拟植物光合作用，大量合成人类需要的有机物，从而提高太阳能的利用效率。

3.2核能

核能是20世纪人类的一项伟大发现，并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日，著名科学家费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。在这之前，人类利用的能源只涉及到物理变化和化学变化，当核能进入人们的生产和生活后，一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生。

核能的利用存在的主要问题：

第一，资源利用率低。

第二，反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决。第三，反应堆的安全问题尚需不断监控及改进。

第四，核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚一239受控制。

第五，核电建设的投资费用仍比常规能源发电高，投资风险较大。

3.3海洋能

海洋能系指依附在海水中的可再生能源。海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐与潮流能来源于月球、太阳引力，其他海洋能均来源于太阳辐射。海洋面积占地球总面积的7l％，太阳到达地球的能量大部分落在了海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的海洋能。

3.4风能

风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的lO倍；分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式。通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，使用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向，是当代人利用风能最常见的形式。自19世纪末丹麦研制成风力发电机以来，人们认识到石油等能源会枯竭，才重视风能的发展，利用风来做其它的事情。

3.5地热能

地热能是来自地球深处的可再生热能。起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近地表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。这种热能的储量相当大。严格地说，地热能不是一种“可再生的”资源，而是一种像石油一样可开采的能源，最终的可回采量将依赖于所采用的技术。将水(传热介质)重新注回到含水层中可以提高其再生的性能，因为这样做可以使含水层不枯竭。然而，在这个问题上没有明确的结论，因为有相当一部分地热点可采用某种方式进行开发，让提取的热量等于自然不断补充的热量。实事求是地讲，任何情况下，既使从技术上来说，地热能也不是可再生能源。但全球地热资源潜量十分巨大，因此问题不在于资源规模的大小，而在于是否有适合的技术将这些资源经济地开发出来。

3.6氢能

氢能是以氢及其同位素为主导的反应中或氢在状态变化过程中所释放的能量。它可以产生于氢的热核反应，也可来自氢与氧化剂发生的化学反应。前者称为热核能或聚变能，能量非常巨大，通常属核能范畴；后者称燃料反应的化学能，习称氢能。

氢能是一种重要的能源，可用于运输方面取代石油，也可用作能高效发电的燃料电池。氢能的环境效益好，是理想的清洁能源。但是氢极少单独存在于地球上，常以化合物的形式出现，必须通过其他能源转换，如太阳能制氢、生物质能制氢、电解水制氢和烃类燃料制氢等。廉价和大量制氢的技术是开发利用氢能的关键。

在众多新能源中，氢能以其重量轻、无污染、热值高、应用面广等独特优点脱颖而出，将成为2l世纪最理想的新能源。氢能可应用于航天航空、汽车的燃料等高热行业。

3.7生物能发电

城市垃圾发电是30年代发展起来的新技术，最先利用垃圾发电的是德国和美国。目前，美国

垃圾焚烧发电约占总垃圾处理量的40％，已建立了几百座垃圾电站，其中底特律市拥有世界上最大的日处理垃圾4000t的垃圾发电厂。日本城市垃圾焚烧发电技术发展更快，垃圾焚烧处理的比例已接近100%。

3.8燃料电池发电

美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。日本也大力开展燃料电池及发电技术的研究，仅磷酸型燃料电池(PAFC)发电装机就已超过30MW。加拿大、韩国以及欧洲许多国家也在燃料电池的研究与应用上取得了很大进展。目前，PAFC是技术最成熟、商业化应用最广泛的燃料电池，其价格已降至1500美元/kW。已有数百座PAFC型电站在美国、日本以及欧洲各国投入运行，容量最大的是东京电力公司的五井电厂(11MW)。

4我国新能源发电的现状：

太阳能电池：实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%~13%。已建成1座光伏

电站，容量约40MW。其中容量最大的是1998年投运的西藏安多100kW电站。太阳能发电项目正在启动，计划在拉萨建立一座35MW的鲁兹型太阳能电站。

风力发电：独立风电装置有10多万台，总容量20MW左右，80%以上在内蒙古。80年代中

后期以来，联网风电场建设迅速发展，全国共建成20个联网风电场，容量234MW。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的7.5MW风力发电机组投入运行。

地热能发电：地热发电站总装机容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热

电站规模较大。目前我国共有八座潮汐电站建成运行，容量5.4×104kW.h，最大的是80年代建成的浙江江厦电站，装机容量3.2MW。

生物能发电：蔗渣/稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装

机约800MW。深圳垃圾发电厂已运行了七年，为垃圾发电在我国的发展积累了一定的经验，这将为解决我国城市垃圾处理问题带来新的希望和契机。

燃料电池发电：90年代中期以来，我国在PEMFC燃料电池研究方面取得了较大的进展。

燃料电池技术列入了国家"九五"科技攻关项目和中国科学院"九五"应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。

5最新研究热点介绍：

5.1太阳能光伏电池：太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。主要

的工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制作太阳电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料。其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0.5μm以下、面积1m2以上的薄膜，并且容易与其他原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前日本光电池开发的主攻方向之一。另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。据报道，日本通产省计划在今后10年内，开发出使用薄膜晶体硅和以铜、钇、硒的合金作光电转换材料的太阳能发电装置，其光电转换效

率将比现在提高大约50%。

目前，高效聚光太阳能电池效率已经达到32%，高效平板太阳能电池效率达到25%~28%。世界最大的太阳能电池生产厂年产电池36MW，价格在3~4美元/峰瓦，并且正在设计制造年产500MW 的生产线，力球使电池价格进一步降至1美元/峰瓦左右。届时，太阳能光伏发电的成本将降至6美元/kW.h，可以与火力发电进行价格竞争。

5.2大型风力发电机组：风力发电机组是风电系统的关键设备，很多国家为此进行

了大量投资，就风轮机的材料、结构、发电机控制技术、功率容量以及可靠性等展开研究，其技术也取得了长足的进步。主要表现在：①单机功率逐步增大。80年代中期，商品化机组的单机功率只有55kW，目前，单机功率已上了兆瓦级，1MW以下的并网风力发电机组单机技术已经成熟。②由于控制技术的改进、设计水平的提高以及新型材料的运用，机组功率曲线改善，运行可靠性不断提高，故障率显著下降。③运用先进的计算机控制技术，能实现对机组的远程集中监控和通信，从而可做到无人值守运行。

5.3地热发电设备：当前营运的地热电站主要采用水蒸汽发电或双循环发电方式，全

流发电和干热岩体发电等形式正在研究开发中。地热发电设备的主要发展趋势，一是便于安装和移动的3~5MW小功率积木式机组，二是为了利用量大面广的85~130℃的地热水而开发的低沸点有机工质朗肯循环机组。此外，热泵技术、防腐技术、去垢技术及其相关材料，也正处于积极开发和完善阶段。

5.4最大能量跟踪技术：在不同的光照强度和电池温度下，太阳能电池的最大输出

功率(MPP)点是不相同的。为了得到最佳的能量利用效率，必须采取措施使电池的输出自动跟踪气候条件的变化，最大能量跟踪技术就是针对这一问题而提出的。最大能量跟踪的常用方法是：首先使输出电压产生一个微小的变化量，然后通过判断输出功率的改变方向(增大还是减小)来决定下一步输出电压的改变方向，使电池输出电压不断朝着使输出功率增大的方向改变，从而使电池总是工作在MPP点附近。其缺点是跟踪速度不够快，特别当光照或者温度改变频繁时更慢。文献[4]提出了一种改进方法，其思路是通过反馈控制使电池输出功率与输出电压的微分dρ/dυ趋于零，从而使电池的工作点总是指向MPP点。这种方法的优点是MPP点对应于dρ/dυ=0的点，而且这种关系不随光照和温度而改变。

5.5燃料电池技术：燃料电池的关键技术涉及电池容量、性能、寿命、价格等商业化

有关的项目，主要包括新的电解质材料和催化剂的开发、各种材料电池性能的比较和优化、大功率电池制造等。磷酸型燃料电池的研究集中在提高可靠性和减小体积；溶融碳酸盐型燃料电池的开发集中于其寿命和发电特性的改善；固体氧化物型燃料电池的重要课题是材料的耐高温性及稳定性。（5）

6新能源发电技术发展展望

（6）风力发电是当今新能源开发利用中技术成熟、最具备开发条件、发展前景良好的项目，自90年代以来，风电的年增长率一直保持了两位数的百分比水平。目前，由于风机单机容量的增加和电站建设成本的下降，风电价格已经可以与石油、煤、天然气发电以及核电的价格相竞争，一个世界范围内的风力发电高潮已经到来。除了陆地以外，海上风电场也将得到开发。预计到2020年，风力发电将可提供世界电力需求的10%。

太阳能电池是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，估计今后10年将以每年20%~30%甚至更高的递增速度发展，其作用也将逐步由作为农村和边远地区的补充能源向全社会的替

代能源过渡。太阳能薄膜技术将获得突破，电池成本将不断下降，太阳能集成建筑将快速发展，并网技术将普遍推广应用。太阳能利用的另一个发展方向是空间太阳能技术。其斯大林我想是在地球外层空间(卫星、月球等)建立太阳能发电基地，然后通过微波将产生的电能传输到地面上的太阳能接收装置。而如何实现对电能的远距离空间传输，是必须解决的关键问题。总之，"太阳能将在21世纪取代原子能作为世界性能源，唯一的问题是在2030年实现，还是在2050年实现。"--世界著名的太阳能专家施密特教授的论断颇耐人寻味。

燃料电池技术将进一步发展，容量增大、性能提高、寿命延长、价格下降是其发展趋势。燃料电池发电的低噪声、高效率、无污染性能符合未来社会的发展趋势，其优越的运行稳定性和简单的运行方式是火力发电难以比拟的，燃料的多样性和来源的方便性使燃料电池不存在应用上的障碍。

海洋能、地热能发电产业将快速发展，城市垃圾发电技术将得到高度重视，并在世界范围内快速、普遍推广。专家预测，到本世纪中叶，新能源与可再生能源在整个社会能源构成中将占到50%。（6）

结束语：

负荷持续增长，能源需求不断增加，同时电力系统结构的不断老化，环保问题、能源利用率瓶颈以及用户对电能质量的高标准要求，己成为世界各国电力工业所面临的严峻挑战，所以开发利用可再生能源，构建可持续能源系统成为各国的共识与必然的发展趋势。但是随着新能源并网发电容量的不断增加，对传统电网的影响也越来越大。

新能源蕴藏量极为巨大．但大多数是分布广泛而品质较低的能源。如太阳能、风能具有季节性、随机性、间歇性等特点。因此，如何提高发电效率、降低发电成本并安全、可靠运行．需要解决大量的理论和工程问题，还需要广大科技工作者的不懈努力。

在全球能源危机和环境恶化的影响下，新型绿色能源，开发潜力相当大，受到国际普遍重视，纷纷制订了相关的激励政策和措施，然而各国的开发现状并不一致，所遇到的问题与解决途径也各不相同，相信通过交流能相互促进，减轻全球的能源危机，新能源开发的明天将是辉煌的。

参考文献：

[1]李兵，大有作为的新能源技术《可再生能源》，2004年06期

[2]赵桂章，浦培林，周遵凯地源热泵的发展现状及新方法研究.《山西建筑》,2013年3月,第39卷第7期

[3]F.Sui M.N.Ichchou Prediction of Time-Varying Vibroacoustic Energy Using a New Energy Approach

[4]宋和昌，瞿磊从终端电力新架构到新能源技术应用.《建设科技》，2010年03期

[5]董德云节能环保型地源热泵冷热水技术探讨《科技资讯》2011年27期

[6]高云彪，张野，汪明勇，周林飞开开发替代能源，促进生态修复《水土保持科技情报》，2005年第6期

[7]肖英我国新能源技术进步问题与对策研究《科技进步与对策》2008年2月第25卷第2期

[8]谢言许新能源技术的开发应用《才智》，2013年第11期

[9]井志忠．日本新能源产业的发展模式[J]．日本学论坛，2007，1：74-79．

[10]刘颖．美国《2005国家能源政策法案》分析及对我国能源立法的借鉴[J]．能源与环境，2007，（5）：26-28

[11]日本新能源产业的发展模式，日本学论坛[J]，2007年（1）

The research of New Energy

QIU Ying-ying

(Physical and mechanical and Electrical Engineering College of Xiamen University,Xiamen

361005,China)

Abstract:In the power structure，the traditional fossil fuel still occupies the absolute mainstream position,which occupies of more than60%of the total capacity.Generous energy consumption causes energy shortage and deterioration of the global climate,which has become imminent problem of the world.Under the great environmental pressure,Scientists actively develop the application of new energy,based on the traditional thermal power,hydropower,vigorously develop nuclear energy,solar,wind and other new energy power.This paper will introduce the concept and connotation of energy,leads to the connotation of new energy and its application at home and abroad.Then it introduces the future development and application trends of several new energy,and analyzed present situation and development trend of new energy,discussed the status and function of new energy in reducing carbon dioxide,finally have a the future prospect of the new energy.

Key words:Non renewable energy New energy power generation technology

Effective utilization The development trend Prospects for development