从1859年美国人埃德温·德雷克在宾夕法尼亚州打出世界第一口油井开始，人类进入了石油工业的时代。在这种粘稠的黑色液体之上，现代工业文明达到了历史上人类文明难以企及的高度。经过数百年的钻采，世界石油资源日益减少，国际上比较流行的说法是按照现有的开采速度，世界石油将在40年后枯竭。

　　石油越来越稀缺，石油价格反复动荡，给工业的发展带来了严峻的考验。上世纪的两次石油危机，以及近年来超过100美元的石油价格，都反复提醒着人们石油的稀缺性。和石油一样，煤炭、天然气等都面临着枯竭的威胁，由于绝大部分电能来源于化石能源的燃烧，它们的枯竭也直接威胁到了电气化时代的人类现代文明。

　　为了应对能源枯竭的威胁，世界各国近几十年来在努力寻找能够替代化石能源的新能源，风能、太阳能、核能、生物质能等等纷纷登上历史舞台。这些新能源都被称作清洁能源，因为它们在生产或使用过程中产生的温室气体和污染物都大大低于化石能源。

　　未来20年，将是各种新能源与传统能源同台竞技最为激烈的20年。科学技术的进步，推动新能源不断突破已有的效率极限，使之更加高效、清洁和人性化。这场竞赛，也很可能会催生新一轮的产业革命。

　　产业革命关键在于技术装备革命。国务院副总理李克强在最近连续发表讲话，强调新能源引领着新一轮产业革命的方向，蕴涵着巨大的市场空间。他认为，把新能源提高到国际竞争的战略制高点的位置，抓住时机发展战略性新兴产业，是应对危机的重要举措。

　　为此，《装备制造》编辑部精选风能、太阳能、核能等几大新能源领域，对未来20年产业发展提出大胆的猜想，新能源能否催生产业革命，我们拭目以待。

风电:全球风场想象

　　20年之后，当最后一吨煤烧完，地球会陷入黑暗吗？至少丹麦是不会的，因为那时，这个国家的超过50%的电力来自风车的转动。欧洲的其他国家也不会，因为他们都计划建立多个大型海上风电场，这些不停转动的风机为欧洲提供源源不绝的电力。

　　试想一下，当广袤的大海上树立着无数的风机，每个路灯边上都安装一个小型风机，所有狂风怒吼的高原都建立风电场，甚至，时不时有风筝一样的，用绳索拴着的悬浮在空中的风机与飞机擦肩而过。如果将所有风能都利用起来，能满足67亿人的用电需求吗？

　　海上风电的最终幻想

　　2008年依然是风电“爆发式发展”的一年，全球风电新装机量达120.8吉瓦，同比增长36%。其中，美国、德国、中国、西班牙的贡献最大。风电在持续升温中，尤其在中国，2010年装机1000万千瓦的目标可提前完成。

　　全球风电井喷式发展除了受到环境污染的“逼迫”，更主要的原因就是风能资源储量极为丰富，如果全数开发，其提供的能量非常庞大。

　　斯坦福大学的《气候与能源》研究项目，利用来自美国国家气候数据中心和预报系统实验室最近5年的数据，评价全球潜在风力发电资源。《气候与能源》对全球风能资源评估显示，只利用20％的潜在的风力资源，发电量相当于2000年全球电力需求的7倍。

　　德国全球变化问题咨询理事会（WBGU）2003年的统计显示，全球潜在的陆上和海上风能资源达27.8万太瓦时每年。报告预测，只有10～15％的潜在风能资源会被利用，即39000太瓦时每年，这个数字是目前全球用电需求的一倍以上。

　　倘若充分利用风能资源，满足全球电力需求绰绰有余。但是，巨大的风资源并没有得到多少实质的应用，风电一直被当做替补能源，发展速度缓慢。即使在风电倍受重视的德国和西班牙，风电也才刚刚满足该国7%和10%的电力需求。

　　虽然随处可见的大小风电机让丹麦成为风车之国，也招揽了不少游客。但是已经有人对大规模陆上风电场提出了质疑——不但影响观瞻，而且占地面积大。另外，在欧洲，良好的陆上风电资源越来越少，即使全部开发也很难满足用电需求，开发成本也越来越高。

　　这些原因造就了海上风电，近几年欧洲海上风电的发展迅猛，大有赶超陆上风电之势。可能是因为本身资源不足，欧洲各国对海上风电前景十分看好。丹麦早在2000年就建成了世界上第一座商业化意义的海上风电场。瑞典、荷兰等国也都积极建设海上风电场，并大笔投入资金。英国能源与气候变化部（Department for Energy and Climate Change）的一项研究称，在未来十年里，海上将新建5000～7000个风机，产生250亿瓦的电量，相当于25个大型燃煤发电厂。

　　前几年对风电关心不多的美国也表示，美国近海/离岸风电储量可以满足全国的电力需求。2009年5月，在德克萨斯州修建的全美最大的海上风力发电场的提案获得批准。

　　中国海上风能储量约为7.5亿千瓦，相当于陆上风电储量的3倍。2007年中国第一个海上风电场筹备，预计2010年能建成。

　　各种数据显示，海上风电的时候到了。

　　相比陆上风力资源，海上风资源有几点优势：海上年平均风速比陆上年平均风速高25%以上；海平面的粗糙度比陆上小，风切变小，故可以在较低高度获得更大的风速；海上风电场湍流强度小，具有稳定的主导风向，作用在风机的疲劳载荷小。

　　海上风电场投资成本一般比陆上风电场高出1倍以上，其中基础、安装、维护以及电网接入成本都高。随着陆上风电场开发的增多，剩下的劣质资源增多，导致成本上涨。这时，海上风电成本高的劣势减少，开辟海上风电是大势所趋。

飘在空中的悬浮式风电机

　

壮阔的海上风电场

[page_break]

   当风机能上天入海

　　对资源丰富的风能善加利用即可解决电力供应问题，但是现在风力发电成本高让风电成为电力行业的配角。归根结底，技术才是解决成本问题的关键利器。

　　风力发电机按结构分，可分为两类：水平轴式与垂直轴式。

　　风轮轴线的安装位置与水平夹角不大于15度的风力机叫作水平轴风力机。其叶片翼形通常使用飞机翼形，它以类似螺旋桨式的叶片绕水平轴旋转。这类风机的优点是它的风能利用系数较高。水平轴风电机是现在应用较广泛的，它的形象：三张叶片支撑在一根高高的柱子上，几乎是所有人心中风电机的样子。现在世界最大的水平轴风机功率可达到6兆瓦，绝大多数电场安装的都是水平轴风机。

　　风轮轴线的安装位置与水平垂直的风力机叫作垂直轴风力机。其叶片绕垂直轴旋转。它的优点：风轮可吸收来自任意方向的风能，而不需要跟踪风向的迎风机构。最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（Φ型），由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展。

　　2000年后，很多国家都开始研制H型垂直轴风电机，美国、英国、德国、奥地利、韩国等国家都已生产出样机，功率都在10KW以内。由于H型垂直轴风电机设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强。H型垂直轴风机运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使它成为各国研究的热点。业内人士认为，在风能资源不良地区安装H型垂直轴风机可以解决局部供电需求。

　　考虑到空中风速比陆上高25%，前沿实验室在研究漂浮式风机。这种风机像放风筝一样浮在半空中，它的特点是对环境影响更小并且非常灵活。它的问题是，用来固定地面的长绳索有碍观瞻，也可能影响航空秩序。渥太华的Magenn Power公司已经在进行第一台漂浮式风机的实验了。

　　现在建立海上风电场，需要把塔架深埋入海底，不仅耗时耗力，而且不易维修。挪威StatoilHydro公司计划建设世界第一台深水浮动风电机。这种风机利用电缆连接海底，深达170米，建成后可为1000家用户提供电力。

　　无论陆上或海上风电，发展方向都是功率更高，对环境影响更小，更结实耐用。

新型垂直轴式风电机

　　被电网排斥的未来电力巨人

　　风速不稳定，产生的能量大小不稳定；利用受地理位置限制严重；转换效率低等原因使风能利用在技术上有颇多障碍。

　　这些障碍中，负荷不稳定已经成为制约风电并网的因素，更导致不少建成的风电场无法并网。怎样把用电低谷的电量储存起来在高峰时期用是必须解决的问题。能源互补发电系统是目前应用较多的解决电网负荷峰谷峰底的差异的办法。但是，想要直接并且更高效地利用风能，需要经济实用的风能储能系统。通过合理的设计与调度，风能储能系统能够给风电场的稳定运行以及提高整个系统的经济性提供保障，从另一方面也更能促进风电的大规模开发，进一步降低成本。

　　近年来，虽然风电在中国增长迅速，但是其地位还远没有改变。用可再生能源学会风能专业委员会副会长施鹏飞的话说，只是个“点缀”，即使到2020年风电装机容量达到1亿千瓦，也只占总装机量的3%。目前制约中国风电发展的一个主要原因是，风电并网困难的问题不是短期可以解决的，需要系统性的规划。

　　风电并网对电网的影响表现在：对电网稳定与暂态运行质量的影响；因风速随机性分布，导致风电功率的随机变动，加大电网负荷调节负担。对电网公司而言，风电这样不稳定的电源就是“麻烦”。

　　在欧洲国家对风电的大力支持与研发投入始于1980年代，如德国、丹麦等国。这些国家对风电的利用特点是，采取短途输送和近负荷中心利用。因此没有出现电网建设滞后与装机容量增幅过猛的矛盾。

　　除了分布式电源输出方式外，欧洲国家还实施强制性政策支持风电发展。例如，德国在1991年1月实施的《强制购电法》（EFL），要求经营实体至少为电力付90%的零售额（除去15%的税）来将风力发电纳入到系统中。明确了“强制入网”、“全部收购”、“规定电价”三个原则。在2000年的《可再生能源法》进一步规定，电力运营商必须无条件以政府制定的保护价，购买利用可再生能源产生的电力，同时有义务以一定价格向用户提供可再生能源电力，政府根据运营成本的不同对运营商提供金额不等的补助。

　　虽然暂时风电比例高的国家没有遇到电网与装机量的矛盾，但是，发展海上风电势必会带来类似困难。海上风电与中国目前风电资源情况相同，都处于远离负荷中心，而这些地区恰恰是电网的薄弱环节，即风能资源与用电负荷地域不匹配。

　　施鹏飞认为：“风电间歇式发电特点对电网容纳能力提出挑战，技术上和调度管理上迫切需要研究。”

　　自1980年代以来，陆上风电成本降低了80%，美国资源优良地区的风电成本降至每度电7美分。各国对海上风电的投资越来越多，研究屡有突破，已经有了明确的发展目标。相信随着技术升级，风电成本会继续降低，届时，风电必将跻身主力电源阵容，成为主要电力供应方式。

   solar-tower，因为清洁环保可再生，太阳能成为传统能源的理想替代者

　　利用太阳能发电、烧水这对你来说可能早已是司空见惯的事情。但你见过有人驾驶着靠太阳能电池提供动力穿越欧洲的飞机吗，这可真的是绝对超乎人们的想象，可瑞士人研制的“追日者二号”借助太阳能维持高度在空中飞行已经变成了现实。

　　但你想过有朝一日，人类真的可以在空间取得能源吗？美国科学家就提出在地面建造太阳能卫星，然后用火箭把他们发射上天，卫星通过微波束把太阳光转换的电能送到地球上来。而地球只需在荒无人烟的沙漠、浩瀚无边的大海上矗立起天线方阵接收就是了。可是何时才能进入能源全靠太阳能的“太阳城”，这对我们来说还是个遥远的梦想……如果连这些也成为现实的时候，或许化石能源就真的没有用武之地了。

　　原来人类不仅需要太阳神阿波罗的光明，也希望阿波罗把能量也一并赐予。阿波罗做到了，可是人类还在努力寻找打开这个“礼物”的钥匙。

[page_break]

　　提高光伏电池的转换率

　　从以硅片为基础的光伏电池到高效率的薄膜电池，光伏电池已经发展到了第三代，不仅减少了半导体材料的消耗，基于薄膜技术的第二代电池还可以形成批量自动化生产，大大降低了光伏电池的成本。

　　电力系统国家重点实验室副主任赵争鸣认为，“高转换率的薄膜电池还能通过较少非光能耗，增加光子的有效利用及减少电池内阻，光伏转换效率的上限将有新的提高。”

　　据了解，目前我国商业化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率分别为11%～14%、10%～12%和4%～6%，要比发达国家低出1～2个百分点。目前因为多晶硅光伏电池比单晶硅电池的材料成本低，成为世界各国竞相开发的重点。

　　而国际上现已开发出电池效率在15%以上、组建效率10%以上和系统效率8%以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。化合物太阳电池（如铜铟镓硒）也以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池发展的方向。

　　如果你欣赏了第三届国际太阳能光伏大会上的新技术就不会惊异于以上的成绩了，在这次亚洲最大的光伏展上可以目睹世界上光伏领域的前沿技术：美国一家公司推出的全球第一条也是唯一一条在2.2×2.6米的超大玻璃基板上制造薄膜硅太阳能电池组件的生产线的双结膜技术，其面积是目前太阳能电池生产中所使用的最大基板的4倍。

　　而由林洋新能源光伏研发中心成功研制出长寿命低衰减晶体硅太阳能电池也吸引了众多人的眼球，这款电池10年内衰减仅为5%，正处在中试线试验生产阶段，如果能大规模应用，其技术将创世界之最。

　　另外一个让人颇为感兴趣的是由台湾宇通推出的可捕捉红光降低成本的“端对端微晶硅叠层”技术。这是一种独特的工艺，属于独有的微晶硅叠层工艺。也就是要在非晶硅层上增加第二个微晶硅的吸收层，因为能够吸收光谱中的红光和近红外线的光能，将能大大提高太阳光能的利用率，最终使得光电转换效率比单纯的非晶硅电池高出50%之多。

　　仅仅这些还不够，中国现已研发出便宜高效染料太阳能电池，技术进步的关键是一个新的有机染料分子，有机染料比钌化合物更丰富更便宜得到，因此减少了制造电池的成本，这些都是目前能看得见的技术。不断出新，人类实现“太阳城”的愿望也越来越近。

光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件

　　让太阳无处不在

　　你相信电可以在空气中传导吗？这已不仅仅是个构想。一位曾供职美宇航局的科学家约翰曼金斯利用无线电波，将太阳能在夏威夷两个岛屿之间传输了148公里的距离。他宣称，实验成果证明这一技术可以将太阳能从卫星传回地球。

　　也许是由于岛上的接收站太小，只有千分之一的能量被接收到。尽管接收站接收的能量极为有限，但曼金斯认为地面实验证明通过大气层传输太阳能是可行的，而快速、经济有效地传输太阳能也是可能的。

　　至于何时要把实验室里电在空气中传导的技术产业化可能还是一个未知数，但是世界上最大的太阳能发电站却要在不久的将来问世。据称澳大利亚将建世界上最大的太阳能发电站，它的规模相当于目前世界上最大的太阳能发电站的3倍，而届时澳大利亚将形成一个覆盖全国的太阳能能源网络，成为世界上首屈一指的清洁能源国家。

　　太阳能光伏发电要想大规模应用，赵争鸣认为需要解决光伏电池提高光电转换效率和降低生产成本这两大难题。

　　“而且光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统，成为光伏发电的最合理的发展方向。”赵争鸣认为，未来十年的研究趋势是构建简单、经济、实用的小规模光伏发电系统网络，这对太阳能光伏发电的大规模应用十分有利。

　　而在中国可再生能源常务理事崔容强的眼里，人类未来理想的太阳能供电模式是可以满足任何地区能源需求的分布式供电网。

　　为了实现大规模的应用，各国都在提升采用新技术电池的生产能力。日本夏普公司正拟建1GW的硅薄膜电池生产线；美国Fist Solar拟建1GW碲化镉电池生产厂。而世界光伏业著名杂志《光子世界》预计2011年全球光伏电池的产量将达到20.5GW,2010年晶体硅光伏组件的成本可以降到1.0～1.59美元/W。

　　业内的很多专家认为在现阶段给太阳能发电高价补贴不如把更多的钱投入到技术研发上，争取技术上的突破，另外技术研发的高价补贴有利于引导企业向技术密集型方向发展。如果技术难关攻克，等成本降下来的那一天，你或许就能看到太阳能电动飞机、电动汽车满世界跑，哪怕是阴天也一样能自由行驶。

　　业界展望

　　想象终归是美好的，现实中太阳能技术也取得了不小的成绩，“最近两年光伏电池进步主要集中在高效率、大面积、薄片化、大规模自动化生产，以及薄膜光伏电池的产业化等方面。” 中国可再生能源常务理事崔容强认为。

　　技术尽管在不断地进步，“但是短期之内新能源代替不了传统能源，这需要一个漫长的过程。”中华全国工商业联合会新能源商会副秘书长贾德琴告诉记者。

　　国际能源组织（IEA）曾对太阳能光伏发电的未来发展做出了如下预测：2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1%，2040年占总发电量的20%。作为一种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式，太阳能光伏发电看来是寄予了人们深厚的期望，让这个时代来得尽可能早些吧！

   新能源是媒体关注的焦点，而核电则是焦点中的焦点，国家正式确立的2020年4000万千瓦的核电装机容量预示着这个产业巨大的发展空间。然而，核电挥之不去的神秘色彩，又让这场巨大的能源变革远离了公众的视线。在不为人关注的核世界中，诸多的技术流派你追我赶。或许，这场象牙塔里的风暴能够在20年后带给人类像原子弹般划时代的剧变，彻底终结人类能源的紧缺问题。

[page_break]

　　终极能源——核聚变

　　地球的生命来自于太阳，太阳的能量来自于核聚变，这就是可控核聚变被喻为“人类终极能源解决方案”的原因。每克氘聚变时所释放的能量为5.8×108kJ，大于每克铀235裂变时的8.2×107kJ。另外，核聚变没有放射性污染，没有难以处理的废料，并且海水中的氘非常丰富且容易提炼。但是，从理论上讲，克服氘核间的巨大斥力需要数亿度的高温，以及足够高的粒子密度和持续时间，这就是可控核聚变最关键的技术难点。

　　由于实现可控聚变的条件十分可观。因此，聚变能源的开发和应用，被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战性的特大科学工程。为此，1985年，美苏首脑在日内瓦峰会上提出建造国际热核聚变实验堆（ITER，International Thermo-nuclear Experiment Reactor），该提议经过多年的演进，如今成为由中国、美国、欧洲、日本、俄罗斯、韩国和印度七国组成的国际组织。与此同时，各国也在独立研发核聚变，力争占据优势地位。

　　ITER计划预计耗资100亿美元，设计聚变功率50万千瓦，等离子体持续时间大于500秒。ITER将综合演示聚变堆的工程可行性、进行长脉冲或稳态运行的高参数等离子体物理实验。各国科学家寄希望于这座核聚变堆在受控核聚变攻关中实现质的飞跃，证实受控核聚变能的开发在技术上和工程上的现实性。如果实验堆ITER如期建成，则一座电功率为百万千瓦级的示范核聚变电站可望在2025年前后建成，并于2050年左右实现商用化。

　　据核工业西南物理研究院的冯开明介绍，在典型的托卡马克装置上，聚变燃料已可被加热到2～4亿度的高温，表征聚变反应率最重要参数（聚变三乘积）已达到115×1021keV/m3s，人类已经看到了实现聚变能源的曙光。

　　目前，国内的核聚变研究以核工业西南物理研究院和中科院等离子体所为主，分别进行固态和液态ITER-TBM的设计与前期技术研发工作，正在为发展聚变示范堆DEMO奠定坚实的技术基础。以正在运行的中国环流器二号A (HL2A)和即将建成的EAST两个聚变装置为代表，我国磁约束核聚变研究已经跻身于世界中等规模实验装置的行列，综合实力和科学技术达到和接近了国际水平，大大提高了中国聚变研究在国际上的地位。

   三代方兴四代又起

　　中国的核电中长期规划雄心勃勃，不仅要实现庞大的装机容量，而且还要率先采用第三代核电技术中的AP1000技术。AP1000的引入，给缓慢发展的中国核电产业带来了显著的影响，一方面有关二代加和三代核电技术的技术路线争议还未停歇，另一方面核电产业格局也因AP1000与国核技的出现发生结构性的变化。

　　实际上，越过这场争论与变化，世界核能利用技术的发展已经远远超过了国内公众的认识，三代核电技术产业化刚刚兴起，四代核电技术的产业化就已经提上了国际业界的议事日程。

　　1999年11月召开的美国核学会冬季年会上，美国能源部W.D.Magwood明确提出第四代核能系统的设想。根据这个设想，世界上第一批商业应用的原型核电厂为第一代，如Shipingport等；60年代至80年代世界上大批建造的核电厂为第二代；80年代开始发展90年代投入市场的先进轻水堆核电厂，如ABWR，System80+，AP600和EPR为第三代。美国将在2020年或之前，向市场提供经过验证的成熟的第四代核电厂，以替代美国退役的核电容量。

　　据核电专家李尔康介绍，目前有关各界对第四代核电的认识较为一致，主要的关注和要求如下：

　　（1）基础电力成本必须具有与其他电力资源相竞争的价格竞争力。

　　（2）新建投资从现在的1500～2000美元/kWh 减至1000美元/kWh，时间为3～4年。

　　（3）针对公众对核电站和核燃料循环的安全顾虑，必须继续确保足够的可靠性。

　　（4）必须从最初开始就对从采矿到反应堆运行、废物处理，再到反应堆解体等所有过程加以考虑，尤其是在所有废物的流程中，应有彻底解决的方案。

　　（5）利用反应堆本身特性，将来自核燃料循环的回收物质用于核武器之路完全堵死。

　　具有国际权威的第四代堆国际论坛（GIF，Generation IV International Forum）在2002年7月巴西Rio de Janeiro的GIF会议上，确定了6种第四代堆概念，以满足对第四代核电的要求。这些堆型包括：

　　（1）超临界压力轻水堆（SCWR，Supercritical-Water-Cooled Reactor System）

　　（2）钠冷却快堆（SFR，Sodium-Cooled Reactor System）

　　（3）铅合金冷却快堆（LFR，Lead-Cooled Fast Reactor System）

　　（4）超高温气冷堆（VHTR，Very-High-Temperature Reactor System）

　　（5）气冷快堆（GFR，Gas-Cooled Fast Reactor System）

　　（6）熔盐堆（MSR，Molten Salt Reactor System）

　　除了这6种堆型之外，GIF还在这次会议上确定了5种国际短期推广堆（INTD）以满足短期核电市场的需求。

　　单纯从发电效率的角度来看，第四代核电的冷却剂出口温度都超过了700℃，高温气冷堆甚至能够达到950℃，这将极大地提升核电站常规岛机组的发电效率。中国在第四代核电技术研发上，已经建立了清华大学10MW高温气冷堆并于2003年1月7日实现并网发电，是世界首座投入运行的模块式球床高温气冷实验堆。

   安全无止境

　　在中国，核电仍然是神秘的，在公众心目中它始终与原子弹、蘑菇云脱不了干系。实际上，从核电技术诞生之初，人类就将安全性放在超越一切的首要地位，并通过不断的改进以实现更高的安全性。未来的核电系统的安全性，将更加值得信赖。

　　核电的安全性主要涉及反应堆熔化、主设备维护和乏燃料处理三部分。

　　历史上曾经发生的切尔诺贝利核电站事故和三里岛事故，都是反应堆堆芯熔化引发的。从那以后，无论是二代加还是三代核电技术，在设计之初就考虑了增加安全裕量、更坚固的安全壳、“非能动系统”等强化的安全系统、先进的人机接口等因素，大幅降低了堆芯熔化的频率。

　　以高温气冷堆为代表的先进反应堆，能够实现“自动冷却”，即在冷却剂完全流失、主传热系统功能丧失的条件下，仍能保证堆芯燃料的最高温度低于1600℃的设计限值，从而基本上排除堆芯熔化的可能性。其他先进核电技术，也基本上采用了“质变替代量变”的设计思路。

　　利用核能发电的历史已经超过40年，早期核电站由于设计和材料工艺等的局限，部分设备和材料需要及时维护，即使蒸发器这样数百吨的大家伙也不例外。这种维护需要经验丰富的无损检测人员，以及相应的专业化设备。在这方面，国内无损检测人员数量不足，队伍不稳定，且缺乏相当的“实战经验”。随着核电站数量的增长，这方面的工作迟早要成为中国核电产业的重点之一。

　　乏燃料是燃烧过的核燃料，其中含有裂变产生的放射性同位素，其中有很多元素的半衰期长达十万年至百万年，按照常规的处理方式，除了密封深埋没有别的办法。现在，已经有能够增殖核燃料的快中子反应堆和加速器反应堆等技术路线，有效缓解了乏燃料的处理问题。从长远来说，通过分离-嬗变将核废物转变为非放射性物质则是核废物最终处置的根本途径。

　　目前，全球核能伙伴计划（GNEP）在处理乏燃料，遏止核扩散方面已经有成形的国际框架，更多地从政治角度帮助解决核能利用的安全问题。

[page_break]

　　全世界的核电

　　核电技术的进步有一个鲜明的特点，就是国际合作。国际原子能机构（IEAE）、全球核能伙伴计划（GNEP）、第四代堆国际论坛（GIF）等国际组织的兴起，表明核电技术的进步和产业的发展，与传统高科技有本质的不同，其核心宗旨之一就是国际合作，从全人类的高度关注和解决发展中的问题。

　　以安全为例，关起门来搞核电的观念在国际核电界是不受欢迎的，因为核安全事关人类整体的利益，任何国家和民族都没有能力单独承担核安全的责任，国际原子能机构对世界各国核机构的监管正体现了这一点。

　　现阶段，核电仍然是象牙塔里的风暴，公众的影响力仍然有限。20年后的未来，世界各国公众对核电更广泛的参与，必将促使这一产业健康地发展。

运用波浪能的红色海蛇

　　越来越多的企业关注海工装备，这也预示着人类终于把眼光放在了占地球面积70%的海洋上，并且开始行动了。海洋工程在人们的脑海里第一印象可能是，深海石油，海底电缆，跨海桥梁等等，其实海洋是一个巨大的能源宝库，除了可燃冰、深海石油等化石能源或者氘氚类的核能，海水本身所蕴含的能量也是非常可观的。

　　试想一下，如果把海水每天吸收的热量，每次运动产生的动能都收集起来，那会对人类产生怎样的影响？根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字，海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦，根据预测，到2010年，电力装机容量最大的中国的装机容量还不足10亿千瓦。所以，海洋依然蕴藏着巨大的能量，等待人类的开发。

　　盐差能

　　海水中盐的平均含量是3.5%左右，但在不同的海域这个数值是不同的，因此有人想到了利用海水含盐量不同所产生的能量——盐差能。

　　盐差能是一种利用两种海水之间含盐浓度不同的化学电位差的能量，在淡水与海水之间有着很大的渗透压力差，一般海水含盐度为3.5%时，其与河水之间的化学电位差有相当于240米水位落差的能量密度。如果将这个压力差利用起来发电的话，从河流流入海中的每立方英尺的淡水可发0.65千瓦时的电。有科学家估算，全球海洋盐差能的输出功率可达到35亿千瓦。而且，大部分海水在循环中会得到不断的更新和补充。在盐度高的海域，如死海，蕴藏的盐差能更大。

　　盐差能虽然无穷无尽，但捕捉实施起来非常困难。一种利用方法是，在海水与淡水之间设一层只能通过水而不能通过盐分的半透膜，利用半透膜两边的渗透压带动电机发电。另外一种盐差能利用方式为蒸气压式盐差能发电系统。在同样的温度下，淡水比海水蒸气发得快。因此，海水一边的蒸气压力要比淡水一边低得多，于是，在空室内，水蒸气会很快从淡水上方流向海水上方。只要装上发电机，就可以利用盐差能进行工作。

　　虽然从1977年起就有科学机构开始研究，ABB、阿尔斯通也曾经投资过，但是一直没有太大进展，原因就是成本太高，行进困难。

　　温差能

　　海洋是个巨大的容器，得到太阳照射的海水表面温度可到30摄氏度，与海底深处闭不见光的海水温差可达到20多摄氏度。早在1881年，就有科学家提出利用海水上下层温差的理论。1930年和1935年Georges Claude在古巴和巴西建了两个温差能电厂，但都被台风和暴雨摧毁。之后，1974年成立的美国夏威夷自然能源实验室是目前全球温差能的前沿领袖。

　　温差能能通过海洋热能转换产生能量，是利用热泵的原理来实现能量的转换的。温差能实施通过低压容器使海水蒸发带动发动机，或者利用海水使低沸点液体蒸发带动发动机。前者在开放系统中完成：水从海洋中来，经过能量转换过程再流回海洋。后者在封闭系统中完成，工质循环使用，不流入大海。现在还有机构研究混合系统，该系统中，海水先通过低压容器蒸发，再转换到装有低沸点液体的容器内使其蒸发，最终驱动发电机。

　　1999年，美国夏威夷自然能源实验室研制的250千瓦的温差能封闭式循环电厂通过测试，并投入使用。1993年5月，在夏威夷的Keahole Point，一个50千瓦的开放式温差能电厂通过实验。

　　洋流能

　　潮涨潮落，海水在不断运动，川流不息中产生了巨大能量，这就是洋流能。洋流能的能量是因水体温度差以及地球自转产生的。当潮汐在经过岛屿或者是狭长水道的时候也会形成流速较高的洋流，这类洋流又称为潮汐流。洋流能与潮汐流能产生原因不同，周期不同，但是利用方式基本相同。

　　洋流能与潮汐流能在现阶段是经常被提起的。ICB Energy Service公司技术总监说：“潮汐流能或者叫洋流能，应该能够解决中国现在沿海一些地区的能源紧张情况，因为中国的沿海地区经济较为发达，并且他们拥有别的地区所不能比拟的优势——就在海边。”相关人士表示，潮汐流能可以受益于现在的风能产业，因为从某种意义上讲，潮汐流能设备就是风电站的海洋版。

　　其中Sea Generation公司的Seagen设备最为成熟，已经在英国的海边建立了他们的第一台MW级设备。这里要提到的是，可能由于英国岛国的性质，英国历来都对海洋情有独钟，所以世界上较为成熟的技术现在基本都掌握在英国人的手中。或许在未来海洋强国又要回来了。

　　挪威在上个世纪末就已经建立了世界上第一个并网的潮汐流能发电设备，该设备就是在一个金属四面体的顶端加载了一类似风电透平的装置来捕获能量，但是这个设备的主要问题在于维修时比较困难。

　　潮汐流类产品基本可以分为桩式以及锚式两种，从各个研究机构的设计看来，现在的主要问题集中在如何把发电设备固定在海洋里。例如，TIDL是一种小型的实验设备，它通过类似于锚的系统固定在海床上，发电端类似于气球一样漂浮在海水里，这样设计的好处是，该设备可以应用在较深的海水里，同时维修的时候较为方便。同样理念也应用在ICB Energy Serivce公司的产品里，Seapower也是一种采用悬浮理念的产品，吸收了中国风筝的原理的一种应用，这样该产品就可以较为简单地应用现在的海洋固定系统的设备。

　　波浪能

　　海洋动能的另一种表现形式是波浪，波浪能是水体表面运动产生的能量。人类对波浪的关注已经有2个世纪了，到1960年代日本利用波浪发电引起了广泛注意，之后挪威和英国都开始研究波浪能发电。

　　波浪能发电需要将波浪的动能捕捉，然后再转换成电能。利用波浪能的设备有很多种设计理念，但是都要通过一种中间工质将低密度的波浪能转化为可以被涡轮转化的能量。其中一种叫“海蛇”的实验设备比较有特点。

　　顾名思义，“海蛇”是由象蛇一样连接的数个漂浮物连接在一起，浮体在波浪的作用下相互之间会有弯折的动作，那么隐藏在两个浮体之间的连接机构通过这种相对运动驱动液压油，高压的液压油再驱动发电设备来发电。还有一种岸基的波浪能发电装置，就是利用波浪的往复式运动来压缩或者稀释空气，再由空气压力差的变化，推动活塞或者是透平来发电的模式。

　　总体而言，无论哪种海洋能利用方法都还在襁褓之中，距离商业化利用还有很远的距离。100多年前就有科学家对温差能和盐差能跃跃欲试，可成果微乎其微。也有环保人士提出，温差能、盐差能这类海洋化学能的大范围推广会对海洋大环境产生影响，不宜过度开发。相对而言，海洋动能现在更加受到重视，进展很快。因为对于洋流能以及潮汐能的利用与风电的原理类似，相当于“海洋版”的风机。

生物质能：未来石油农场

　　在国内，相比其他被炒作得炙手可热的新能源，生物质能应用仍旧不温不火。现阶段国内生物质能应用的主要目的是缩小城乡差距，应用方式仍以传统的沼气和秸秆燃烧为主。在时髦的生物燃料方面，研究和产业化进展都难与美国、巴西等相比。

　　尽管如此，生物质能应用仍然充满了活力，不断涌现的新技术或许能够给这一领域的开拓者们带来光明的未来。

[page_break]

　　能源农场

　　石油是远古时期生物遗骸经过数百万年形成的，如果这一时间缩短到几年甚至更短，那将对现有能源体系产生难以估量的影响。有幸的是，科学家正在不断取得令人惊喜的成就。或许在未来，人们就能够像种庄稼一样，在自家的农场里种出替代石油燃料。

　　巴西热带雨林有一种叫做“香胶树”的植物，只要在树上挖个洞，油就会流出来，每日出油量高达25千克。美国的“黄鼠草”及西海岸的巨型藻、澳大利亚的丛粒藻等也都能提炼出石油，且产量不低。中国同样不乏石油植物，如海南的油楠树，每日能产“柴油”10～15千克。

　　在学术界，把这些植物统称石油植物。严格地说，它们产生的并非真正的石油，而是替代燃料。利用生物技术的进步，人类不断提升着石油植物产油的效率。以美国为例，可再生能源国家实验室（NREL）制成的一种“工程小环藻”，在实验室条件下脂质质量分数达60%以上，每英亩可年产约6400～16000升柴油。在国内，中科院上海植物生理生态所、广州能源所、华南植物园等也在积极研发耐盐抗旱的石油植物。

　　垃圾终结者

　　巨大的、散发着臭味的垃圾填埋场，是现代人类文明的标志之一。在中国，城市垃圾年产量超过1亿吨，且以每年8%的速度增长。全国660座城市当中，1/3被垃圾包围。在首都北京，每年都会再造一座占地36公顷、高40米的垃圾山。

　　生物质能发电技术的进步，为解决这一难题提供了有效的解决方案。垃圾发电已经有60年的历史，主要通过垃圾分类处理和专门的焚烧净化设备，来实现垃圾的充分燃烧和高度的环保性。

　　由于垃圾燃料具有一定腐蚀性、水分大、热值不稳定的特点，使得垃圾锅炉及其燃烧设备在设计上有一定特殊性。目前，垃圾锅炉已经应用到了流化床、旋转燃烧等先进的燃烧技术。其中，流化床技术以其对燃料的高度适应性，以及能完全燃烧各类城市垃圾或有机的工业垃圾的优点备受青睐。

　　在废气处理方面，更先进的燃烧设备、硫化物、氮化物和碱性吸附剂等的应用，都大大抑制了以二恶英为主的垃圾焚烧废气。在英国，1999年垃圾发电排放的二恶英已经减少到总排放量的1%以下，远低于农作物秸秆露天焚烧和家庭生活用火等燃烧过程。

　　截至2007年底，全国垃圾发电厂总数已达75座。尽管投资动辄上千万甚至数亿元，随着城市垃圾的快速增加，垃圾发电产业仍然可能加速发展。

　　进化依然漫长

　　生物质能源尽管具备种种优势，但受制于自然禀赋、储运手段和成本的限制，不可能像火电和水电那样实现集中、稳定的大规模应用。另外，受石油价格波动以及其他新能源技术竞争的影响，生物质能在整个能源结构中仍然可能长期保持边缘地位。

空气压缩动力车

　　电力生产过程通常分为采、发、输、配、用五大环节。但近年来随着国家节能减排政策的实施，“储能”这一不为人们熟悉的名词出现的频率越来越高。可以预期，储能将会成为电力生产的第六环节。

　　储能技术还有利于新能源更高效地应用。目前，新型洁净能源主要包括风电、光伏发电、潮汐等。但这些能源也有着天生的缺憾，它们均具有间歇特性和不可控性，易受气候和天气影响，发电功率难以保证平稳，而我们知道电力系统要求是供需一致，电能消耗和发电量相等，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，造成频率和电压不稳，重则引发停电事故，因而直接并网可能会给电网运行带来影响。在风力发电、太阳能光伏发电或者太阳能热发电等新能源发电设备中都配备有储能装置，在电力充沛时，多余电力可以储存起来、在晚上、弱风或者超大风发电机组停运或者停运机组过多，发电量不足的时候释放出来以满足负荷需求，就有助于顺利解决类似问题。

　　超级电容器储能

　　超级电容器（super capacitor）又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容，是介于电容器和电池之间的储能器件。它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。

　　超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。超级电容器与常规电容器相比，具有更高的介电常数，技术难点在于耐压能力仍然不够高，虽然说比起常规电容器，超级电容器的耐压水平要高很多，但是仍然不够高，目前即使是陶瓷超级电容器的耐压水平最高也只能承受1千瓦左右。如果能解决耐压能力这一技术难点，超级电容器的容量将大大提高。

　　之所以在名字里加上super（超级），就是因为这种电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力强，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。

　　这些特点让超级电容器与氢动力汽车、混合动力汽车和电动汽车的发展密切相关，与燃料电池、锂离子电池等能量供给器件相结合，能够满足车辆启动、爬坡等条件下的瞬时高功率需求，又可延长电池的循环使用寿命，实现电动车动力系统性能的最优化。超级电容器能起到功率调节作用，而且还可作为太阳能电池和风力发电的储能系统，白天储存太阳能电池和风力发电产生的电能，夜间提供照明等所需的能量。

　　超导飞轮储能

　　“飞轮”这一储能元件，已被人们利用了数千年，从古老的纺车，到工业革命时的蒸汽机，以往主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”，由于它们的工作周期都很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12～24小时的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了，能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。再一个问题是常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！另外要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置，因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。

　　为进一步减少轴承损耗，人们曾梦想去掉轴承，用磁铁将转子悬浮起来，但试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全悬浮（Earnshaw定理），颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦却在超导技术中得以实现，真像是大自然对探索者的慰藉。

　　超导磁悬浮原理是这样的：当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。

　　利用超导这一特性，我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边，飞轮兼作电机转子。当给电机充电时，飞轮增速储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。

　　氢储能

　　氢储能在电力供过于求的时候采用电解水的方式获得氢，然后低温液态存储起来，在需要的时候通过燃烧产生能量，氢也是燃料电池的主要燃料之一。目前氢能的生产成本是汽油的4～6倍，其运输、存储、转化过程的成本也都较化石能源高。有人提出利用太阳能、风能和水能发电电解水，真正实现新能源产生新能源，并达到储存能量效果，真正实现“清洁能源的可持续利用”。

　　这种储能系统需与燃料电池联合应用。在系统运行过程中，当负荷减小或发电容量增加时，将多余的电能用来电解水，使氢和氧分离，作为燃料电池的燃料送入燃料电池中存储起来；当负荷增加时或发电容量不足时，使存储在燃料电池中的氢和氧进行化学反应直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性。

　　虽然作为一种能量载体，氢运送最终能源的效率只相当于电力的一半。报告的有关数据显示，利用氢传送能量，能源量损耗率达到54.55%，只有45.55%原始能量被保留下来；而利用电力运送能量，能量损耗率仅为8%，会保留92%的原始能量。而且氢储备能量后再释放能量的效率，即储能回报率也不及其他能源载体。氢储能回报率为47%，而先进的电池储能回报率为75～85%。但是它无法否认氢能源仍是“来源广泛的”、“清洁的”新能源。

　　压缩空气储能

　　压缩空气储能的功能类似于一个大容量的蓄电池。在非用电高峰期(如晚上或周末)，用电机带动压缩机，将空气压缩进一个特定的地下空间存储。然后，在用电高峰期(如白天)，通过一种特殊构造的燃气涡轮机，释放地下的压缩空气进行发电。虽然燃气涡轮机的运行仍然需要天然气或其他石化燃料来作为动力，但是这种技术却是一种更为高效的能源利用方式。利用这种发电方法，将比正常的发电技术节省一半的能源燃料。

　　尽管这种“压缩气体能源储备”的概念已经提出了30多年，但目前全世界仅有两家压缩空气发电厂。美国阿拉巴马州的压缩空气发电厂创建于18年前，而德国的压缩空气发电厂则已有30年历史。目前，两家压缩空气发电厂都运营正常。

　　压缩空气发电厂建设的首要任务之一，就是找到一个支持空气压缩存储的地质空间。但是大规模地储藏压缩空气需要占用大面积土地。研究者们使用特殊材料制成一个50米宽，80米高的巨型风袋，将其置于600米以下的深水中，根据计算，这样一个容积的袋子中，每立方米容积内可以储存25兆焦耳的能量。在CAES的储存中，水下是关键，只有深水巨大的压力才能使能源的储量增大。尽管在准备相关设施的时候产生很多费用，但是科学家还是认为这种形式的储存模式比制造电池便宜得多。另外，在使这些压缩空气产生动力时，普通大小的风机难以满足其要求，所以更大更牢固的叶片需要被应用在这种技术中。

　　现在，一般的涡轮机使用于40米深的水下，如何才能制造出可以在600米以下的深水处运行的涡轮呢？科学家指出，在法国、葡萄牙等地的大陆架上可以安装涡轮，这些大陆架进入海洋深处，完全可以在那里形成能源转换。海水中的储风袋让风能成为当今更加时尚和引人注目的能源。