电力电子与新能源技术就业前景

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电力电子技术在分布式发电中的应用（浙江大学电气工程学院 电子信息工程

3080104394） 摘要：分布式发电以其高效、清洁、灵活的特点被世界各国所重视，成为21世纪电力系统最重要的研究方向之一。本文主要通过电力电子技术对电能的转换，电力电子技术对电能质量的改善等方面介绍了电力电子技术在分布式发电中的应用。关键词：电力电子分布式发电分布式电源电能转换电能质量Applications of Power Electronics in Distributed

Generation Yin Xiang (College

of Electrical Engineering,Zhejiang Unversity,Hangzhou)Abstract: Because of its

high eficiency，cleanness and flexibility，Distributed

Generation (DG)has been paid more attention by many countries in the world and

has become one of the most important research in power system in 21st．This paper briefly introduces the applications Power Electronics in

DG through the power transforming by power electronics and the improvement of power

quality by power electronics.Keywords:Power

ElectronicsDistibuted GenerationDistibuted SourcesPower Quality

0 引言分布式发电（DistributedGeneration，DG）技术是未来能源技术即电力领域的重要方向。其具有能源利用率高、提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。尤其是对于人口众多、资源有限的国家来说，分布式发电技术更是进行可持续发展的最佳选择。[1] 尽管分布式发电技术具有极大的应用潜力，但目前仍未被电力部门所广泛接受。这主要是因为在分布式发电技术中存在着数量众多的分布式电源（Distributed Resource，DR）。一方面，这些分布式电源如何通过电能变换接入电网技术上依然不是十分成熟；另一方面，当数量众多的分布式电源接入电网后，配电网根本性的变化使得电网各种 保护定值与机理发生了深刻变化，同时分布式电源的并网运行可能会引起电网电压和频率偏移、电压波动和闪变等电能质量问题。[2]而这些问题中很大一部分恰恰是电力电子技术可以解决的。 1 分布式发电1.1 分布式发电的定义DG是相对于传统集中式供电方式而言的，是指位于或接近负荷的、模块似的与环境兼容的发电设施，他们或接在配电网上或独立运行，经济、高效、可靠地发电。其主要结构如图1所示。

[1]黄胜利 ， 张国伟 孔 力. 电力电子技术在微电网中的应用[J].电气应用，2008,27（9）：55-58.[2]莫颖涛 吴为麟.电力电子技术在分布式发电中的应用[J]. 华北电力术,2004,9:48-54.

图11.2分布式发电的特点DG系统规模和功率较小；高效、经济、可靠、污染小；独立运行或接在配电网上，并位于负荷附近；对于可再生能源分布式发电，输出功率是间断的。DG在被提出和运用之后，一度被视为解决现有大电网结构臃肿、供用电分离的弊病的良药，这一技术由于其固有特点，要想得到进一步推广，还有不小的问题，其相对于传统发电方式自身容量小，能量输出不稳定，这些问题是分布发电自身先天弱点所致，难以独立克服。[3]2 电力电子技术在分布式电源电能变换中的应用2.1 分布式发电中电能变化的基本分类分布式电源根据使用的一次能源不同大致可以分为两种类型：一种是直流源型，如太阳能、燃料电池和蓄电池等；另一种是需要整流的高频交流源型，如风力发电机、微型燃气轮机等。这两种类型的电源最后都需要转换成标准的工频交流电供给负荷或并网。因此，在整个能量的变换过程中使用到了电力电子技术中的AC—DC，DC—DC和DC—AC三种变流技术。2.1.1 AC-DC变换风力发电机、微型燃气轮机等为不稳定的交流电源，需要首先把它们变成直流电，然后再通过逆变技术变成稳定的交流电。通常使用二极管整流技术。 2.1.2 DC-DC变换太阳能、燃料电池和蓄电池等为直流电源，由于它们的电压等级低，所以必须采用DC—DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后再进行逆变。另外分布式电源具有在功率输出变化时响应时间长的特点，如微型燃气轮机的响应时间在秒级，而燃料电池则需要数分钟，所以在负荷突变或给定功率变化时会出现有功功率的供给不足；太阳能和风力发电具有波动性大的特点，所以系统中需要加入储能单元。储能单元可以选用超级电容器或蓄电池，同样需要采用Boost电路升压至母线电压。反之，当母线电压过高时，需要采用Buck电路降压对储能单元进行充电，所以储能单元往往采用双向DC—DC进行充放电。[4]2.1.3 DC-AC变换通过AC—DC或DC—DC技术把分布式电源变换到合适电压等级的直流电后，需要采用DC—AC把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并网。 2.2 几种具体应用在分布式发电中的电力电子技术分布式发电目前公认的几种常用而且成本较低的系统是以下几种：[5](1)风能发电系统；(2)光电池；(3)微型气轮机；(4)燃料电池。在这些新型分布式发电系统中，电力电子设备在能量的转换中起到极其关键的技术。任何一种形式的分布式发电都要解决分布式电源与电网、用户、储能系统之间的接口能量转换问题。

[3]安明瑞 吴冰冰 乔琨. 分布式发电及其应用综述[J].电源应用技术，2010,13（2）：40-43.[4] 梁有伟，胡志坚，陈允平． 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]． 电网技术，2003，27(12)：71-75．[5]王志群，朱守真，周双喜，等．分布式发电接入位置和注入容量限制的研究[J]．电力系统及其自动化学报，2005，17 (1)：53-58．

2.2.1 风能并网系统中的电力电子技术19世纪末丹麦开始研究风力发电技术。它属于交流性质的DGRs。风力发电技术是将风能转化成电能的发电技术，其输出功率由风能决定。风速作用在风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮盘转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相连，从而发电运行。由于自然风速的大小和方向是随机变化的，风能具有不稳定性。如何使风力发电机的输出功率稳定是风力发电技术的一个重要的问题。 对于一个一个异步发电机系统，首先经过二极管整流器的整流，然后经过逆变器逆变，再与交流电网相连；机械频率与转子转差频率之和等于电网的频率，转换器的额定功率决定于所选择的速度范围。当异步发电机运行在额定同步转速之上时，转换系统可以实现功率逆向流动。[6] 2.2.2光伏发电系统中的电力电子技术光伏发电系统是属于直流性质的DGRs，是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频、同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的一个系统。并网系统的核心是并网逆变器，它同时也应该具有独立光伏发电系统的一些功能和特点。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。光电系统进行能量转换的通用方法是：使用直流一交流(DC-AC)逆变器，将存储在光电池中的直流能量转换为大电网同步的交流电压。[7] 2.2.3燃料电池发电系统中的电力电子技术燃料电池是属于直流性质的DGRs，通过电化学过程将化学能转化成电能，具有效率高、清洁无污染、噪音低、安装便捷经济等特点。燃料电池产生的直流电压经过一个直流一交流(DC-AC)逆变器进行转换，转变为交流电压，其转换过程和光电系统相似直流输电与交流输电相比有许多优势。[8]所以在以上几种发电类型中，电能的传送都是采用直流输电的形式，但是大电网以及人们生活、生产需要的是频率稳定的交流电，所以由电力电子设备组成的整流、逆变电路及其它电力电子接口设备在分布式发电系统的能量转换和传递中起到极其关键的作用。 3 电力电子技术在分布式发电电能质量改善中的应用 3.1 分布式发电(DG)对电能质量不利影响(1)对电压闪变造成影响 电压闪变是灯光照度不稳定而造成的视感，传统电网引起电压闪变的主要原因是负荷的瞬时变化，随着分布式发电的引入，将带来引起电压闪变的其他因素，这些因素主要是以下几个方面：某个大型分布式单元的启动，分布式单元输出的短时剧变，以及分布式单元与系统中电压反馈控制设备相互作用而带来的不利影响。[9](2)给系统带来大量谐波众所周知，电力系统中存在大量的非线性成分从而引入了大量的谐波，谐波的引入对电力系统造成的危害有：增加了电站和用户设备的功率损耗；使敏感负荷或者控制设备发生故障；电网波形中谐波成分比例过大，会使一些电力设备寿命减少。[10]由于电力电子器件大量应用于分布式发电，供电系统中增加了大量的非线性负载，所以不可避免的给系统带来大量谐波，至于带来谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器的工作模式的影响。

[6]胡学浩．分布式发电(电源)技术及其并网问题[J]． 电工技术杂志，2004 (10)：1-5．[7] 张超，王章权，蒋燕君.无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用[J]．电力电子技术,2007，41 (7) ：5-5.[8] 唐西胜． 超级电容器储能应用于分布式发电系统：[博士学位论文][D]． 齐智平：中国科学院电力系统及其自动化，2006．[9] 胡学浩．分布式发电(电源)技术及其并网问题[J]． 电工技术杂志，2004 (10)：1-5．[10]程华，徐政．分布式发电中的储能技术[J1．高压电器，2003，39(3)：53-56．

3.2 电力电子技术对电能质量的改善电能研究协会(EPRI)为了寻找改善分布式系统性能的先进技术，现已做了大量深入的研究。这种用户电力(CUSTOM POWER)的技术将现代电力电子控制器、分布自动化以及完整的通信结合在一起，为用户终端提供高质量的电能。尽管非常有用，但是CUSTOM POWER 设备应用在分布式系统中的范围很有限。近年来，一些用于快速控制的设备陆续被研制出来，固态断路器(SSB)、静态无功补偿器(STATCOM )和动态电压恢复(DVR)都属于现代电力电子控制器。STATCOM、LTC与机械转换电容三者相互协调可以减少系统电压波动。以STATCOM 为代表的这些用于分布式系统控制的电力电子设备已经得到充分的论证，这些设备不仅可以实现连续控制而且还可以对系统变化作出实时反应。分布式系统中用电力电子设备来控制电能质量，现在应用得还很保守，主要是因为成本太高，只有在非常重要的负荷(如医院)才采用这种方法。最为普遍的电力电子设备是UPS，它在计算机系统中得到非常广泛的应用。[11]由于以后计算机技术将会更加深入到生活和生产中，所以对经济性的电力电子设备的需求将急剧增加，其中一些经济性电力电子设备将用于处理瞬时扰动、电压陷落或其它电能质量问题。 4 结语由于当前发电模式的种种弊端，非可再生能源的枯竭，世界各国对环境保护的重视，分布式发电将成为未来世界最主要的发电模式。从本文对分布式发电的多方面分析可以看出，电力电子技术在分布式发电中有着极其广泛的应用，因此大力研究推广电力电子技术可以为分布式发电技术打开新的突破口，从而进一步促进可再生能源的普及与推广。 参考文献 [1]黄胜利 ， 张国伟 孔 力. 电力电子技术在微电网中的应用[J].电气应用，2008,27（9）：55-58.[2]莫颖涛 吴为麟.电力电子技术在分布式发电中的应用[J]. 华北电力术,2004,9:48-54.[3]安明瑞 吴冰冰 乔琨. 分布式发电及其应用综述[J].电源应用技术，2010,13（2）：40-43.[4] 梁有伟，胡志坚，陈允平． 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]．

电网技术，2003，27(12)：71-75．[5]王志群，朱守真，周双喜，等．分布式发电接入位置和注入容量限制的研究[J]．电力系统及其自动化学报，2005，17 (1)：53-58．[6]胡学浩．分布式发电(电源)技术及其并网问题[J]． 电工技术杂志，2004 (10)：1-5．[7] 唐西胜． 超级电容器储能应用于分布式发电系统：[博士学位论文][D]． 齐智平：中国科学院电力系统及其自动化，2006．[8] 张超，王章权，蒋燕君.无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用[J]． 电力电子技术,2007，41

(7) ：5-5.[9] 胡学浩．分布式发电(电源)技术及其并网问题[J]． 电工技术杂志，2004 (10)：1-5．[10]程华，徐政．分布式发电中的储能技术[J1．高压电器，2003，39(3)：53-56．[11]吴靖，江吴．分布式发电的应用及前景．农村电气，2003，(7)：1 9-20.

[11]吴靖，江吴．分布式发电的应用及前景．农村电气，2003，(7)：1 9-20.

(一)电力电子技术的基本涵义 电力电子技术(Power Electronics,又称功率电子技术)是能源高效转换领域的核心技术,它以电力电子器件为基础,实现对电能高效地产生、传输、转换、存储和控制,提高能源利用效率、开发可再生能源,推动国民经济的可持续发展。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子设备和系统控制三个方面,其转换功率范围小到数瓦(W),大到数百兆瓦(MW)甚至吉瓦(GW),其产业不仅涉及到电力电子器件、电力电子装置、系统控制及其在各个行业的应用等领域,还涉及到相关的半导体材料、电工材料、关键结构件、散热装置、生产设备、检测设备等产业。 (二)电力电子技术的重大作用 近年来,“节能减排”、“开发绿色新能源”已成为我国长期发展的基本国策。在我国绿色能源产业发展的推动下,电力电子技术迅速发展成为建设节约型社会、促进国民经济发展、践行创新驱动发展战略的重要支撑技术之一。 电力电子技术作为一种通过高效转换提供高质量电能,实现节能、环保和提高人民生活质量的重要技术,已经成为弱电控制与强电运行相结合、信息技术与先进制造技术相融合、实现智慧化升级不可或缺的重大关键核心技术,属关键共性技术领域。电力电子技术在实施《中国制造2025》规划中具有重大意义,它在多个领域发挥关键作用:例如,提高有关产业的关键核心技术的研发能力和创新能力,推进科技成果产业化通过“互联网+”推进信息化与工业化深度融合加快发展智能制造设备和产品,推进制造过程的智慧化增强工业基础能力和产业化全面推行绿色制造,推进资源高效循环利用深入推进制造业结构调整和企业技术改造等,为实施中国制造强国建设“三步走”的发展战略提供强大的技术支撑。 将电力电子技术应用于发电、输电、变电、配电、用电、储能,能够起到改善电能、控制电能、节能环保的作用,使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的高质量电能,以适应千变万化的用电装置的不同需要。我国工业领域使用了大量的轧机、无轨电车、电焊机、电镀和电解电源、风机、水泵等机电设备,具有巨大的效率提升需求和空间。电力电子技术被称为是“节能的先锋”、“环保的卫士”,是节能减排的重要技术之一。 (三)电力电子器件是电力电子技术的基础和核心 半个多世纪电力电子技术的发展证明:没有领先的器件,就没有领先的设备,电力电子器件对电力电子技术领域的发展起着决定性的作用。

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

电力电子技术又称能源技术，具有微电子科学共同的特征，存在很强的创新性和快速变化的特点。它是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，是一门多学科相互渗透的综合性学科。

世界资源的枯竭、环境的恶化，使能源的开发、节约利用和可持续发展成为21世纪全球经济、社会发展的重大战略。电能是最清洁、最便捷、最优质的能源，电能的充分利用，推动生态文明的快速发展，人类社会也因此进入工业化和信息化的时代。

电力电子技术生诞生和发展，引起电能利用的革命性变化，大大改变人们利用电能的传统观念。电能的质量已经引起深度的关注，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例也被作为衡量用电水平的重要指标。

电力电子技术能优化功率变换，达到高效、节能、节材，是自动化、智能化、机电一体化领域重要的技术支撑。随着电力电子技术不断创新，电力电子器件制造工艺有了很大的提高，从而引起世界工业自动化控制和机电一体化的激烈竞争。

发电站、电力网与用电设备组合成供用电联合体，称之为电力系统。电力电子技术作为一种强电电子技术，通过弱电控制同强电的融合，已经渗到电力系统的各个环节，给电力系统现代化发展，带来了巨大的生命力。

改革开放以来，我国电力工业取得快速发展，初步形成以煤炭为主体，电力为中心，石油、天然气和可再生能源全面发展的能源格局。我国电力装机容量达到6.22亿kW，发电量达到2.87亿kWh，均列世界第二位，成为电力生产和使用大国。当前电力发展存在一些明显的制约因素。一是用电水平还比较低，人年平均用电量仅为世界平均水平的1/6，经济、社会对电力发展仍然存在巨大的需求；二是资源约束突出，能源利用效率偏低，能源结构不合理，受客观条件限制，电力结构和分布，还达不到优化布局。

北京群菱能源针对电力研究领域的难题，推出开放式交直流电力电子实验平台产品，可以广泛应用于科研单位、教学机构、高级电工培训中心等场合。平台中直流侧可接入模拟直流电源，用于模拟光伏发电和储能系统，交流侧可并入三相电网，变流器可以并网运行或离网运行，可以有效模拟光伏逆变器、储能变流器、电动汽车充电桩、电力电子变压器等多类型装置。

群菱能源开放式交直流电力电子实验平台电力电子技术实训系统内容丰富，融合了当前的教学实验理念和企业项目研发流程，具有模块化、数字化、开放性等技术特点。该实验平台的建设可以极大地提高高职院校、企业、科研院所等研究人员在新能源发电技术及电力电子与电能变化技术等方面的研究水平，节省成本，缩短研发周期，提高经济效益。

群菱能源开放式交直流电力电子实验平台本产品可以方便的监测系统参数的变化，有利于用户对自己的控制策略和控制算法的检验。另外，为了方便用户的使用，本系统提供多种产品典型应用程序包，可以方便用户快速搭建不同场景研究实验系统，缩短研发周期，降低研发成本。

北京群菱专注于微电网研究试验平台的开发，针对微电网建设的难题，推出多个微电网实验平台：

1.多源互补智能微电网供电系统

2.微电网仿真试验研究平台

3.微电网监控及能量调度管理系统

4.微电网电缆阻抗模拟系统

5.PDSP系列电力系统动态模拟仿真试验与检测平台

以上产品均为群菱能源专利产品，产品可以满足交直流混合微电网的关键设备检测、功能性验证试验、能量调度管理及控制策略研究、微电网之间的相互影响及调度控制技术研究、微电网储能研究以及风光储科学配比优化研究与高渗透率研究。上述产品已经成功应用于中国电力科学研究院、国家电网、电气科研院所以及能源生产企业。

众所周知，可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源，是取之不尽，用之不竭的能源，对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。在近日举行的第二届清华大学“碳中和经济”论坛上，国家能源局新能源与可再生能源司司长李创军表示，可再生能源已成为新一轮能源革命和科技产业革命的主战场，发展可再生能源是减排不减生产力的重要支柱。

如此说来，我国大力实施可再生能源替代行动，这可能对能源产业产生哪些影响呢？

目前，国内规模化应用的新能源产业包括太阳能、风能、核能等，近年以来，我国以风电、光伏发电为代表的新能源发展成效显著，发电量稳步提升。但还是可能伴随能源危机。最近的一个例子就是今年全国性的高温，我国四川重庆地区分别出现了限电拉闸等情况。主要是因为天气干旱，四川本来就是以水力发电为主的一个城市，在全面高温的情况下，他们的电量也明显供应不足。

促进新能源产业高质量发展、促进电源端、储能端与需求端依市场规律高效匹配，实现以新能源为主体的新型电力系统供需平衡，好发挥新能源在能源保供增供方面的作用；要构建清洁低碳安全高效的能源体系，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统。

总的来说，促进全产业链协同发展，积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源，推动能源电子产业链供应链上下游协同发展，形成动态平衡的良性产业生态，避免产能过剩 。

人类生存和发展的三要素

物质、能量与信息。

因此，能源的发展史直接影响人类的发展史。

我们人类生存与发展中最具有决定性意义的要素是三个：¾¾ 物质、能量和信息。

组成我们的世界是物质；人类生存活动决定于对信息的认知和反应；而维持生命，从事发展的活动又地要通过消耗能量来进行。

一切能量来自能源，人类离不开能源。能源是人类生存、生活与发展的主要基础。能源科学与技术，能源利用的发展在人类社会进步中一直扮演着及其重要的角色。

能源发展的里程碑可以这么说，每一次能源利用的里程碑式发展，都伴随着人类生存与社会进步的巨大飞跃。几千年来，在人类的能源利用史上，大致经历了这样四个里程碑式的发展阶段：原始社会火的使用，先祖们在火的照耀下迎来了文明社会的曙光；18世纪蒸汽机的发明与利用，大大提高了生产力，导致了欧洲的工业革命；19世纪电能的使用，极大地促进了社会经济的发展，改变了人类生活的面貌；20世纪以核能为代表的新能源的利用，使人类进入原子的微观世界，开始利用原子内部的能量。

未来对能源的要求

有足够满足人类生存和发展所需要的储量，并且不会造成影响人类生存的环境污染问题。

未来对能源的需求 未来的人类社会依然要依赖于能源，依赖于能源的可持续发展。因此，我们须现在就很清楚地了解地球上的能源结构和储量，发展必须开发的能源利用技术，才能使人类的生存得于永久维持。

而我们赖于生存的能源是取之不尽用之不完的吗？回答是：不是，也是。事实上，进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，当今煤、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至不能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代能源。而近半世纪的核能和平利用，已使核能已成为新能源家属中迄今为止能替代有限矿石燃料的唯一现实的大规模能源。而且，未来如能实现核能的彻底利用，人类的能源将是无穷的。

除了物质、能量和信息三大因素外，人类对安全的要求也越来越重要了。安全包括社会安全、健康安全和环境安全等。它们同能源的关系也是非常密切的。现在利用的能源已造成了大量的环境污染问题，严重影响了人类的生存。因此，未来对能源的要求将不仅是储量充足，而且还必须是清洁的能源。相对其它化石能源而言，核能的和平利用已充分证明了核能是清洁的能源之一。

u 能源的定义与源头

究竟什么是“能源”呢？《科学技术百科全书》是这样说的：“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：“能源是一个包括着所有燃料、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”。可见，能源是呈多种形式的、可以相互转换的能量的源泉。简而言之，能源是自然界中能为人类提供能量的物质资源。

能源的源头

来自地球以外天体的能源（如太阳能）、地球本身蕴藏的能源（如地热、核能）、地球与其它天体相互作用产生的能源（如潮汐）。

而能源是产生能量的源头。

人们通常按形态与应用方式对能源进行分类。一般分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三类统称化石燃料或化石能源。已被人类认识的这些能源，在一定条件下可以转换为人们所需的各种形式的能量。比如薪柴和煤炭，加热到一定温度，能和氧气化合并放出大量热能，可以直接用来取暖，也可用来产生蒸汽推动汽轮机，再带动发电机，使热能变成机械能，再变成电能。把电送到工厂、机关和住户，又可以转换成机械能、光能或热能。

在我们生活的地球上，能源形形色色。总起来说有三个初始来源。

太阳能

地球

来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。

地球本身蕴藏的能量 通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。

与地球内部的热能有关的能源，我们称之为地热能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70公里不等。地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为2900公里。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为2000度。可见，地球上的地热资源贮量也很大。

与原子核反应有关的能源正是本书要介绍的核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称为原子核能，简称核能，俗称原子能。它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外，还可以用作其它类型的动力源、热源等。

来自星球引力的能量指由于地球与月球、太阳等天体相互作用的形成的能源。地球、月亮、太阳之间有规律的运动，造成相对位置周期性的变化，它们之间的引力随之变化使海水涨落而形成潮汐能。与上述二类能源相比，潮汐能的数量很小。全世界的潮汐能折合成煤约为每年30亿吨，而实际可用的只是浅海区那一部分，每年约可折合为6000 万吨煤。

u 能源结构与储量

地球上有哪些能量资源可供我们使用？它们还能维持多久？我们该怎么办？

能源的种类

一次能源：煤炭、石油、核能等自然界天然能量资源；

二次能源：汽油、电力、蒸汽等人工制造的能量资源，

一次能源和二次能源能源按其生成方式，分为天然能源（一次能源）和人工能源（二次能源）两大类。天然能源是指自然界中以天然形式存在并没有经过加工或转换的能量资源，如煤炭、石油、天然气、核燃料、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等；人工能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，如煤气、汽油、煤油、柴油、电力、蒸汽、热水、氢气、激光等。

常规能源和新能源其中，已被人类广泛利用并在人类生活和生产中起过重要作用的能源，称为常规能源，通常是指煤炭、石油、天然气、水能等四种。而新近才被人类开发利用、有待于进一步研究发展的能量资源称为新能源，相对于常规能源而言，在不同的历史时期和科技水平情况下，新能源有不同的内容。当今社会，新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢气等。

煤的时代

能源结构的变迁历史上，伴随着新的化石资源的发现和大规模开采与应用，世界的能源消费结构经历了数次变革。18世纪的以煤炭替代柴薪，到19世纪中叶煤炭已经逐渐占主导地位。20世纪20年代，随着石油资源的发现与石油工业的发展，世界能源结构发生了第二次转变，即从煤炭转向石油与天然气，到20世纪60年代，石油与天然气已逐渐称为主导能源，动摇了煤炭的主宰地位。但是，20世纪70年代以来两次石油危机的爆发，开始动摇了石油在能源中的支配地位。以此同时，大部分化学能源的储量日益减少，并伴随着许多环境污染问题。

而人类对能源的需求却在与日俱增。例如主要能源形式 地球能源的储量估计

煤炭：～200年

石油、天然气：～50年

核能：无穷多

之一的电力消耗逐年增加。根据统计，人口若每30年增加一倍，电力的需求量每八年就要增加一倍。

于是，20世纪末，能源结构开始经历第三次转变，即从以石油为中心的能源系统开始向以煤、核能和其它再生能源等多元化的能源结构转变。特别是随着时间的推移，核能的比例将不断增长，并将逐步替代石油和天然气而成为主要的大规模能源之一。

化学能的储存量煤炭、石油、天然气还有多少年可以让人类开采利用？据世界能源会议统计，世界已探明可采煤炭储量共计15980亿吨，预计还可开采200年。探明可采石油储量共计1211亿吨，预计还可开采30～40年。探明可采天然气储量共计119万亿立方米，预计还可开采60年。必须指出的是，煤炭、石油等直接燃烧用来生产电能与热能实在太可惜了，且不说可能带来的环境污染，它们还是很好的化工原料呢！

水能及新能源的潜力那么水能呢？我们知道，水力是可以长期开发利用的。但是，在那些大面积缺水、水力资源不丰富的国家和地区怎么办？再说，水能还有个季节性的问题。这些都使水能无法成为世界能源结构中唯一的主力军。新能源中，太阳能虽然用之不竭，但代价太高，并且就目前的技术发展情况来看，在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用。其它新能源也是如此。其它一些能源与水能相似，它们的规模受到环境、季节、地理位置等条件的限制，如风能、潮汐能、地热能等等。

易裂变核素

易发生裂变的原子只有铀-235（U235）、钚-239（Pu239）、铀-233（U233）三种。而天然存在的易裂变元素只有铀-235，钚-239可由铀-238生成，铀-233可由钍-232（Th232）生成。

易聚变核反应

氘（D2）-氚（D3）反应。氘和氚都是氢原子的同位素。氘天然存在，而氚极少，必须由人工生成（如由锂制造）。

核能--无穷的能源 核能分为裂变能和聚变能两种。目前人类能正在用于和平利用的只有裂变能。可控聚变能利用技术正在攻克。

天然铀的成份

天然铀中占99.3%为难裂变的铀-238，仅有0.714%为易裂变的铀-235。铀-238可通过吸收一个中子变成易裂变的钚-239。

作为发展核裂变能的主要原料之一的铀，世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。如果利用得好，可用2400～2800年。

聚变反应主要来源于氘-氚的核反应，氘来可大量自海水，氚可来自锂。因此聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.03克／升，据估计地球上的海水量约为138亿亿米3，所以世界上氘的储量约40亿万吨；地球上的锂储量虽比氘少得多，也有2000多亿吨，用它来制造氚，足够满足人类对聚变能的需求。这些聚变燃料所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。如果人类实现了氘-氚的可控核聚变，核燃料就可谓“取之不尽，用之不竭了”，人类就将从根本上解决能源问题，这正是当前核科学家们孜孜以求的所以。聚变能源不仅丰富，而且安全、清洁。聚变产生的放射性比裂变小的多。

专家们预测，核能在未来将成为人类取之不尽的持久能源。

1.2 变脏的地球与干净的核电

本节要点：回答的问题以下问题：现有的能源还能维持多久？能源利用可以不污染环境吗？核能真是可持续能源吗？

u 能源的可持续发展

必须寻找一些既能保证有长期足够的供应量又不会造成环境污染的能源。

而目前人类面临的问题正是：能源资源枯竭；环境污染严重。

能源利用与环境的可持续发展

能源危机

目前世界上常规能源的储量有的只能维持半个世纪（如石油），最多的也能维持一、二百年（如煤）人类生存的需求。

今天，几乎所有的工业化国家都面临着两个关系到可持续发展的紧密相连的挑战：保证令人满意的长期能源供应和减少人类活动带给环境的影响。能源利用与环境的可持续发展已成为关系到人类未来生存与文明延续的一个重要问题。

能源供应危机今天的世界人口已经突破60亿，比上个世纪末期增加了2倍多，而能源消费据统计却增加了16倍多。无论多少人谈论“节约”和“利用太阳能”或“打更多的油井或气井”或者“发现更多更大的煤田”，能源的供应却始终跟不上人类对能源的需求。当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其它国家大部分则是以石油与天然气为主。按目前的消耗量，专家预测石油、天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年。所以不管是哪一种常规能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。

浓烟滚滚的火电厂

能源对环境的污染 另一方面，特别是利用化石能源的过程也直接影响地球的环境，使大气和水资源遭受严重污染。大气中主要的五种污染物是：氮氧化物（如NO与NO2）、二氧化硫（SO2）、各种悬浮颗粒物、一氧化碳（CO） 大气污染的主要源头

目前世界上最严重的大气污染来自化石能源燃烧造成的大气中二氧化碳量的增加。带来的主要后果是：酸雨、温室效应和臭氧层破坏。

和碳氢化合物（如CH4、C2H6、C2H4等）。其来源主要有三个方面：① 煤、石油等化石燃料的燃烧；② 汽车排放的废气；③ 工业生产（如各种化工厂、炼焦厂等）产生的废气。而其中燃烧化石燃料的火力发电厂是最大的固定污染源。

1. 多元化

世界能源结构先后经历了以薪柴为主、以煤为主和以石油为主的时代，现在正在向以天然气为主转变，同时，水能、核能、风能、太阳能也正得到更广泛的利用。可持续发展、环境保护、能源供应成本和可供应能源的结构变化决定了全球能源多样化发展的格局。天然气消费量将稳步增加，在某些地区，燃气电站有取代燃煤电站的趋势。未来，在发展常规能源的同时，新能源和可再生能源将受到重视。在欧盟2010年可再生能源发展规划中，风电要达到4000万千瓦，水电要达到1.05亿千瓦。2003年初英国政府公布的《能源白皮书》确定了新能源战略，到2010年，英国的可再生能源发电量占英国发电总量的比例要从目前的 3%提高到10%，到2020年达到20%。

2. 清洁化

随着世界能源新技术的进步及环保标准的日益严格，未来世界能源将进一步向清洁化的方向发展，不仅能源的生产过程要实现清洁化，而且能源工业要不断生产出更多、更好的清洁能源，清洁能源在能源总消费中的比例也将逐步增大。在世界消费能源结构中，煤炭所占的比例将由目前的26.47%下降到2025年的21.72%，而天然气将由目前的23.94%上升到2025年的28.40%，石油的比例将维持在37.60%～37.90%的水平。同时，过去被认为是“脏”能源的煤炭和传统能源薪柴、秸杆、粪便的利用将向清洁化方面发展，洁净煤技术（如煤液化技术、煤气化技术、煤脱硫脱尘技术）、沼气技术、生物柴油技术等等将取得突破并得到广泛应用。一些国家，如法国、奥地利、比利时、荷兰等国家已经关闭其国内的所有煤矿而发展核电，它们认为核电就是高效、清洁的能源，能够解决温室气体的排放问题。

3. 高效化

世界能源加工和消费的效率差别较大，能源利用效率提高的潜力巨大。随着世界能源新技术的进步，未来世界能源利用效率将日趋提高，能源强度将逐步降低。例如，以1997年美元不变价计，1990年世界的能源强度为0.3541吨油当量/千美元，2001年已降低到0.3121吨油当量/千美元，预计 2010年为0.2759吨油当量/千美元，2025年为0.2375吨油当量/千美元。

但是，世界各地区能源强度差异较大，例如，2001年世界发达国家的能源强度仅为0.2109吨油当量/千美元，2001～2025年发展中国家的能源强度预计是发达国家的2.3～3.2倍，可见世界的节能潜力巨大。

4. 全球化

由于世界能源资源分布及需求分布的不均衡性，世界各个国家和地区已经越来越难以依靠本国的资源来满足其国内的需求，越来越需要依靠世界其他国家或地区的资源供应，世界贸易量将越来越大，贸易额呈逐渐增加的趋势。以石油贸易为例，世界石油贸易量由1985年的12.2亿吨增加到2000年的21.2 亿吨和2002年的21.8亿吨，年均增长率约为3.46%，超过同期世界石油消费1.82%的年均增长率。在可预见的未来，世界石油净进口量将逐渐增加，年均增长率达到2.96%。预计2010年将达到2930万桶/日，2020年将达到4080万桶/日，2025年达到4850万桶/。世界能源供应与消费的全球化进程将加快，世界主要能源生产国和能源消费国将积极加入到能源供需市场的全球化进程中。

5. 市场化

由于市场化是实现国际能源资源优化配置和利用的最佳手段，故随着世界经济的发展，特别是世界各国市场化改革进程的加快，世界能源利用的市场化程度越来越高，世界各国政府直接干涉能源利用的行为将越来越少，而政府为能源市场服务的作用则相应增大，特别是在完善各国、各地区的能源法律法规并提供良好的能源市场环境方面，政府将更好地发挥作用。当前，俄罗斯、哈萨克斯坦、利比亚等能源资源丰富的国家，正在不断完善其国家能源投资政策和行政管理措施，这些国家能源生产的市场化程度和规范化程度将得到提高，有利于境外投资者进行投资。

三、启示与建议

1. 依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，走高效、清洁化的能源利用道路

中国有自己的国情，中国能源资源储量结构的特点及中国经济结构的特色，决定在可预见的未来，我国以煤炭为主的能源结构将不大可能改变，我国能源消费结构与世界能源消费结构的差异将继续存在，这就要求中国的能源政策，包括在能源基础设施建设、能源勘探生产、能源利用、环境污染控制和利用海外能源等方面的政策应有别于其他国家。鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限，以及正处于工业化进程中等情况，应特别注意依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，寻求能源的清洁化利用，积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。

2. 积极借鉴国际先进经验，建立和完善我国能源安全体系

为保障能源安全，我国一方面应借鉴国际先进经验，完善能源法律法规，建立能源市场信息统计体系，建立我国能源安全的预警机制、能源储备机制和能源危机应急机制，积极倡导能源供应在来源、品种、贸易、运输等方式的多元化，提高市场化程度；另一方面应加强与主要能源生产国和消费国的对话，扩大能源供应网络，实现能源生产、运输、采购、贸易及利用的全球化.