• 2008-05-06

    可持续能源概论 - [建筑]

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    可持续能源概论

    编译:童梦

    ©2008 M. Tong

    该文用简介的语言介绍各种可持续能源技术


    1 微产能实例,在屋顶安装太阳能集热器

     微产能(Micro-generation):

    小规模的生成低碳排或零碳排能量,比如热能、电能,以供家庭、小商业等小型单位自身所需的能量。这些技术包括风力涡轮、水力涡轮、地热泵、太阳能集热器、光电池、微型热电连供(Micro-CHP)、生物燃料系统(最常见的就是以木材为燃料的炉子)。

     热电连供(Combined Heat and Power,简称CHP):

    热电连供,又被成为联合发电(cogeneration)。类似于发电机与锅炉的联合体系,锅炉产生的蒸汽带动发动机产生电能,同时锅炉还产生热能。常规火力电站有60%的热能通过冷却塔散失到大气中,核电站也将大量的热能通过海水冷却系统排放到海洋里。CHP就是通过技术手段来利用这些被人们废弃的热能。斯堪的纳维亚半岛、荷兰和德国是CHP技术比较普及的发达的国家地区,这里的人们确实从CHP中得到了好处,更多清洁的能源,还有良好的环境。当整个社区联合使用CHP时,节能环保效果更好。

    此外,CHP技术的另一个好处是可以利用丰富的热水资源,通过化学吸收过程(chemical absorption process)达到冷却的目的。

     生物量、生物燃料和生物气体(Biomass, Biofuels and Biogas):

    这些能源往往被人们忽视,它们成了可持续能源舞台上的灰姑娘,几乎没有人注意它们,而把目光投向了更加炫目的新技术和新能源。事实上,生物量、生物燃料和生物气体是可持续能源或再生能源中的佼佼者,虽然有些情况下它们的气味不太好。生物量(biomass)是指木材、稻草等以纤维素为主要干物质成分的材料。速生树种更是生物量的良好来源,生物量的优点在于它是100%可再生能源。如果采用人工种植,有规律的轮伐,用树木作为燃料并不会破坏环境。此外,树林带来的生态价值是太阳能光电板无法比拟的。树木从大气中吸收CO2,并且释放出氧气,在燃料时,这些CO2再被释放出来,完成了碳的循环。燃烧化学燃料,比如煤、石油或天然气,只会增加CO2的排放;太阳能发电不包含碳循环,并且不具有植被的生态价值。对于家庭单位来说,一个燃烧木材的火炉配上烧水壶就是一个微型的生物量燃炉。

    生物燃料可以是植物油料(比如菜籽油),或者农作物秸秆;烹饪剩余的食用油也可以转换为生物燃料。有些国家利用富含淀粉的粮食作物发酵生产酒精,来替代汽油。但是在人类面临粮食危及的情况下,用食物换燃料是不现实的。目前,大部分国家对利用富含淀粉的粮食作物发酵生产酒精燃料是不鼓励的。

     


    2 生物量的种类

     

    生物气体,又称沼气,是由微生物发酵产生的。一般来说,可以利用人畜粪便、植物等作为发酵材料。在农村,发酵剩余的残渣往往被作为良好的配料利用起来,减少了对化肥的需求,而化肥是矿石的产物,不属于可再生资源。城市下水道也是生物气体的潜在来源。


    3 垃圾焚烧发电流程示意图

     垃圾焚烧发电:

    垃圾焚烧发电是可再生能源技术中最具争议的,因为不妥当的垃圾焚烧会产生许多有毒气体,比如毒性很强的二恶英。垃圾焚烧就是通过燃烧垃圾来产生热能,从而带动发动机发电,与火力发电站类似。但是,垃圾焚烧必须具有更加严格的工艺,保证有毒气体不会外泄。日本在垃圾利用方面处于国际领先水平,首先是良好的垃圾分类体系,有些资源可以直接再利用,比如废弃家具等等;大部分可以处理后再利用,比
    如纸,金属;最后无法处理的垃圾才采用焚烧或特殊无害化处理。焚烧垃圾必须封闭进行,提供充足的氧气,使垃圾完全燃烧,避免产生类似二恶英这样的有机剧毒气体。由于预先经过分类处理,所以焚烧垃圾产生的有毒气体也被大大降低了。最后,燃烧产生的气体要经过一系列无害化处理,达到标准后再向大气排放。目前,日本先进的垃圾焚烧处理中心的排放完全可以达到很严格的标准。

     

    4 垃圾焚烧电站

    此外,垃圾焚烧电站结合CHP技术可以更有效的利用能源。


    5 GSHP示意图

    地源热交换泵(Ground Source Heating and Cooling Pumps,简称GSHP):

    GSHP利用了地下浅层土壤常年恒温这样一个特点,不同地区的温度有差别。GSHP系统包含以下组件:

    ·泵

    ·冷凝器

    ·蒸发器

    ·管道(塑料管),埋藏与地表下浅层土壤中

    GSHP的工作原理与冰箱类似,内部充满以水为基质的制冷剂,制冷剂与地下土壤进行热交换。制冷剂在压力作用下通过蒸发冷凝器,使其温度升高到50℃,一般来说,是以地板供暖的形式,向室内供暖。目前市售的GSHP往往会配合屋顶太阳能集热器,联合为室内供暖。但是依靠电力驱动的GSHP不是完全的可持续能源,而是降低能源消耗,提高能源利用效率,从而降低碳排。与燃气供暖系统相比,GSHP可以节约40%的能量。


    6 螺旋式GSHP管线的安装

    大型商业规模的GSHP利用地下100m的深层地下水作为热源,与家用GSHP的工作原理一样,但是规模更大。

    地源热交换泵也可以用于制冷,虽然制冷效率比起气源热泵低,但工作原理是类似的。


    7 垂直转子风力涡轮

     

    8 逆风风力涡轮

    风力涡轮(wind turbine

    风力涡轮利用风能带动转子,产生电能,其功率可以从1KW20MW不等。风力涡轮利用风能的原理与风车类似,风带动转子叶片,产生动能来做功。传统的风力涡轮是逆风转子叶片,需要比较高的起始风速(4~6m/sec),而后来出现的垂直转子风力涡轮在低风速(2~3m/sec)情况下就可以运转。此外,逆风系统受到比较大的地域局限性,在风道半径大于100m的地方,逆风系统比较有效。因此逆风系统在城市环境和海岸环境就不太适用。

    风力发电站是集中安装的一系列风力涡轮,并且与国家电网连接。在英国有145座离岸风风能发电站,大体数据如下:

    ·发电站:145

    ·风力涡轮:1839

    ·总装机容量达2157.125兆瓦

    ·为1206154户家庭使用

    ·每年可减少二氧化碳排放4875275

    (资料来源:BWEA Wind data

    英国是欧洲风力资源最丰富的国家,因此风力发电成为英国重点开发的可再生能源。

     

    9 屋顶安装了PV板的房子

     

    10 施工人员正在安装太阳能屋瓦

    光电池(Photovoltaic Cells,简称PV

    光电池(PV)吸收光线辐射,并将其转换为电能,与许多人的观点不同,光电池并不一定需要日光。光电池由两层很薄的半导体材料构成,通常是硅,这两层半导体分别被设计成正极和负极,并形成电场。与风力涡轮发电一样,光电池产生直流电,然后通过一个逆变器(inverter)将直流电转变为交流电。

    光电系统不是市场上最便宜的可再生能源。光电池可以以独立面板(双面上釉)的形式安装上有角度的屋顶上,或者以薄膜太阳能屋瓦的形式安装。8m2的光电池能够以1KWp的峰值功率每年发电830千瓦时(KWh)。在英国,如果要满足一户人家的电力需求,大约需要60m2的光电池,这要花费约36000英镑,可以减少二氧化碳排放量740kg。以更现实的角度考虑,如果安装能满足家用电能10%的光电池,只需要6000英镑。光电池的安装方向朝南时功率最高。

    德国等一些发达国家,为了鼓励大众使用光电池,采取措施让民众能够真正从使用光电池中得到实惠。在德国一些地方,家用光电系统可以与国家电网并网,平时用不完的电能可以上网卖给国家,国家会按照电价收购这些电能。当以社区的规模使用光电系统时效率更高

     太阳能集热器(Solar Thermal Hot Water Heating

    太阳能集热器也是利用太阳辐射能,集热管中充满水基制冷剂(water-based refrigerant),在阳光照射下被加热。然后,制冷剂被泵入热交换器,加热供水系统中的凉水。泵的动力通常由PV供应。一个朝南的太阳能集热器大约可以满足家庭日常所需热水的80%,整体安装费用约3500英镑(英国),每年可以减少二氧化碳排放量49kg。由于价格适当,经济收益明显,太阳能集热器是最容易被大众接受的可再生能源系统。

     

    11 太阳能集热器

    燃料电池(Fuel Cells,简称FC

    燃料电池是一种崭新的发电模式,它将燃料的化学能直接转变为电能,而且效率极高。燃料电池可以利用的燃料有很多种,比如氢气、甲烷、酒精、一氧化碳等等。燃料在电池负极中被氧化,而正极注入氧气,从而在正负极之间形成电流,没有燃烧带来的污染。北美、德国和日本在该领域具有国际领先水平,其应用范围可以从微型燃料电池到大型电站。


    12 燃料电池发电原理  


    13 燃料电池外观

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    评论

  • 真是非常系统的介绍,学习了