可再生能源（一）

王 洪 郝 梅

生物质能及其利用

所谓可再生能源，就是指那些不会随着其本身的转化或者人类的利用而日益减少的能源。这类能源具有天然的自我恢复的能力，它们能够源源不断地从自然界中得到补充。像太阳能、海洋能、生物质能、风能、水能、地热能、氢能等，都具有这种特点。

一 绿色能源——生物质能

所谓生物质能，是指太阳能通过光合作用而以生物的形态储存的能量，包括农、林、牧以及水生作物资源等所含的能量。

作为能源资源而加以利用的生物质，一般包括林产品的下脚料、薪柴、农作物的秸秆及皮壳、水生作物，作为沼气资源的人畜粪便、城市生活及生产过程中的某些废弃物等。

方便而经济的新能源——沼气

顾名思义，沼气就是从沼泽中产生的一种可燃气体。沼气广泛地存在于自然界。科学家们通过研究以后发现像牛羊之类的反刍动物，它们的胃里也会产生沼气。于是，科学家仿照这种机理，制成了一种“消化器”，有意识地生产沼气来作为燃料，这便是今天广泛使用的沼气池。由于这样生产沼气的过程是在缺氧的条件下进行的，所以这种发酵过程叫做“厌氧发酵”。

用来进行发酵的主要原料是人类粪便、秸秆、杂草和含有机物质的废水、废渣等。在沼气池中除了甲烷菌之外，还有纤维素分解菌、半纤维素分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和乙酸菌等多种菌群，它们按各自的功能把不同的有机物质分解成氨基酸、乙酸、氢和二氧化碳等，直接或间接地为甲烷菌提供养料，以促进甲烷的生成。沼气的主要成分就是甲烷。

关于利用微生物来生产沼气的研究，已经有100多年的历史。早在1866年，有位名叫勃加姆波的西方科学家就明确指出：甲烷的形成是微生物作用的过程。在这以后，科学家们通过多年的研究，才逐步确立了通过“厌氧发酵”来制取沼气的工艺。不过，人类真正用生物质来转化为沼气，并且把沼气作为一种可供使用的气体燃料，则是最近几十年之内的事情。

我国早在20世纪30年代就开始了对水压式沼气池的研究，当时上海、江苏、浙江及武汉等地均有沼气池。不过当时主要是用沼气来点灯，由于当时电灯很少，沼气灯备受青睐，它可以与煤油汽灯媲美。

到上个世纪70年代，在我国农村中已出现了实用的水压式沼气池。这种沼气池的基本特点是发酵间和贮气间合为一体，以发酵液面为界，上部为贮气间，下部为发酵间，其所产沼气一般足够5口之家使用。

这种水压式沼气池多采用水泥来建造，因此农民们也称它为水泥沼气池。目前在我国农村中推广使用的水压式沼气池已基本标准化了，这样就可以采用水泥预制构件，不但建池速度较快，成本较低，质量也较好。

我国四川、广西一带广泛使用的三联式沼气池，是由普通的水压式沼气池发展而来的。它把厕所、猪圈与沼气池连在一起，进料管可以随时进料，人畜粪便可以直接进行发酵，这样就能杀灭粪便中98%～99%的寄生虫多。

生物质的气化和液化

所谓生物质气化，是指在氧气的作用下，将固体生物质转变为可燃气体。

目前生物质的气化装置主要是气化炉。适合于气化的生物质非常多，如木材、树皮、锯末、松球、秸杆、玉米芯、果壳、稻壳、牛粪等，甚至城市垃圾也可以进行气化。

以稻壳为例，可以建立以稻壳为燃料的发电站。目前，美国、日本、德国、意大利及东南亚各国，都在发展稻壳气化发电，我国也不例外。我国的一些比较集中的大型米厂，每年可以收集的稻壳总计在2000万吨以上。每吨稻壳可以代替110～140千克柴油，平均每发1度电约需稻壳2～2.5千克。这样，我国利用稻壳的发电总量就可达1000万度以上。从经济上说，建造一套160千瓦的稻壳气化发电装置，大约5年左右即可收回全部建设投资。并且，稻壳在气化过程中所排放的污染物很少，对环境的影响不大。

所谓生物质液化，是指以固体的物质及原料来制取液体燃料，如甲醇、乙醇（酒精）以及人造石油等。例如，以甜高粱秆或甜玉米秆制取酒精，可以达到粮（食）能（源）并举，特别适合于耕地不多的国家。

作为副产品的茎秆，可以用作饲料或燃料，也可以加工成纤维板。

用生物质原料进行高温分解，它的基本原理是：生物质受高温加热后，生成可燃气体、液体及固体。其主要生成物为：生物质燃料油占30%，生物炭占30%，可燃气体占40%。

利用城市垃圾来生产酒精，实质上是将纤维素物质连续进行稀酸水解，进而发酵，以制成酒精。除了获得酒精之外，还可以回收许多其它终端产物，如各种有机酸、多元醇、丙醇、羟甲基糖醛和多种聚合物。总之，城市垃圾具有变废为宝的诱人的开发利用前景。

二 取之不尽的风能

人类对于风能的利用是比较早的。早在三四千年之前，我国就已经有了风车。在2000多年以前，我国已有了利用风力的帆船。到了19世纪末，人们开始研究风力发电机。1891年，丹麦建成了世界上第一座试验性的风力发电站。到本世纪初，一些欧洲国家，如荷兰和法国等，都纷纷发起对风能发电的研究。

第二次世界大战期间，出现了使用小型螺旋桨式风车来进行发电的装置，它在风速为7～15米／秒的风力下，可发出300～500瓦的电能，可以用它来给蓄电池充电，也可以用它来供照明或开动小型机器设备。

上世纪70年代中期以来，由于能源供应日趋紧张，加之石油、煤炭的燃烧对环境的污染越来越严重，所以很多国家开始重视对风能的开发利用，除了研究风能发电之外，还广泛展开了风能在海水淡化、航运、提水、供暖、制冷等诸多方面的研究，使得风能的利用范围越来越广。但其中最主要的还是风力发电，其次才是利用风能作动力。

要利用风能，首先要将变化无序的流动空气所具有的风能，变换成运动有序的机械旋转动能，这就需要借助于风力机，也就是通常所说的风轮或风车。风力机有水平轴和垂直轴两种类型。

水平轴风力机的旋转轴与迎面的气流平行，包括荷兰式、农庄式（又称美洲式）、桨叶式和自行车轮式等。荷兰式和农庄式是早期大量使用的两种风力机，而桨叶式风力机是目前广泛使用的一种机型。用于发电的桨叶式风力机一般采用1～3片桨叶，而制造桨叶的材料包括木材、铝、钢、塑料和玻璃纤维等。自行车轮式风力机由轮毂、辐条和外圈组成，中空的桨叶套在辐条上。这种风力机结构简单，起动力矩大，风能利用率较高。

垂直轴风力机的旋转轴重垂于地面，所以又叫做立轴风力机。它不像水平轴风力机那样随风向来改变转子的方向，其设计、制造、安装和运行都比水平轴风力机简单而方便，很有发展前途。

风车

国外大量使用风车提水大约是在16～18世纪。荷兰、丹麦、德国、英国、美国、墨西哥、澳大利亚、印度、巴基斯坦和肯尼亚等国，都曾拥有过大量的风力提水机。

中国风能资源的分布

荷兰人在16世纪曾大量使用风力提水机来排除低洼地的海水，以扩大陆地面积，所以有“上帝造海，荷兰人造陆”之说，无怪乎人们常以风车来作为荷兰的象征。

目前在北欧一些国家还能见到荷兰式风车，它不仅用于排水，还用于榨油、造纸和锯木等行业。

我国早在14世纪就有关于风力提水的记载。中国传统式风车为“立帆式”，也叫“走马灯式”，是由古代的帆演变而来的。它由一根木质主轴和6～8根支杆组成，每根支杆上悬挂一个布帆，风力推动布帆旋转，主轴以木齿轮连接提水机具。布帆可根据风力大小而升降，以调节风车的转速。

据有关资料介绍，目前世界上有100多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场，都设有这种风力提水机。有些风力资源丰富的国家，还利用风力发动机来铡草、磨面和加工饮料等。

在日本，已有人直接利用风力来烧水煮饭。其工作原理是：风力装置的推进器（其直径可达14米）使空气压缩机工作，通过压缩空气而获得高达170℃的高温。这种直接把风能变成热能的方法，其效率非常高。

瑞典研制出一种用风力驱动的电冰箱，很适合于海边及草原上的居民使用。它的压缩机由风力（风车）来驱动。当风速为4米／秒时，电冰箱开始制冷；当风速为7米／秒而风车叶片长2.8米时，电冰箱制冷的效果最佳。

我国黑龙江省研制出一种风力灭火机。这种机械将空气中的氧气分离出来以后，将无氧空气储存起来。在灭火时，用气泵将这种无氧的混合气体吹喷出来，以控制火势。通过1988年扑灭大兴安岭森林火灾的实践，证明这种灭火机喷出气体的风力可达12级。

利用风力发电，以丹麦起步最早。1910年，丹麦就已有数百座容量为5～25千瓦的风力发电站。到上世纪50年代中期，丹麦有上千个农庄利用风力发电来照明并提供所需电力。美国曾经制造过一台发电能力达1250千瓦的风力发电机，但由于其叶片太重（达8吨）而被折断，只运行了一年多时间就不得不停止了试验。法国、德国等也相继建造了发电能力达几百千瓦的风力发电站。

俄罗斯的空气动力研究所，目前正在研制一种性能优异的空气涡轮交流发电机，用以提高“风力汽车”对风能的利用效率，它能使风力汽车的速度达到100千米／小时。瑞典目前正在一段50千米长的铁路线两侧建造5座风力发电站，专门为即将投入运行的风力电气化列车提供所需的电力。

风能在船舶上的应用前景同样极其诱人。例如，英国已造出了节能风帆轮船，其工作原理和飞机的机翼相似，只是通过风帆上的气流是产生推力而不是产生升力；日本目前已有十几艘以风力为辅助动力的货船在海上作业；另外，由环境保护者组成的国际绿色和平组织，也拥有以风能作动力的船只。科学家们预言：风动力船必将成为未来的航海工具。

我国风能资源的分布，大致可以划分为四个区域：①风能丰富区。我国东南沿海、山东半岛和辽东半岛及其附近的海岛，内蒙古北部和松花江下游地区，新疆和甘肃的部分地区。②风能较丰富区。从汕头海岸向北沿东南沿海约20～50千米地带和东海、渤海沿岸地区，从东北的图们江口向西，沿燕山北麓经河西走廊，过天山到艾比湖南岸，横穿我国东北、华北、西北的广大地区，以及青藏高原的中部和北部地区。③风能可利用区。南岭以南离海岸约50～100千米的地带，大、小兴安岭山地，三北（华北、东北、西北）地区中部，黄河和长江中下游以及川西和云南的部分地区。④风能贫乏区。除上述三类地区以外，我国的其余地区均属于风能贫乏区，主要是内陆山地和盆地。