可再生能源（一）

王 洪 郝 梅

生物質能及其利用

所謂可再生能源，就是指那些不會隨著其本身的轉化或者人類的利用而日益減少的能源。這類能源具有天然的自我恢復的能力，它們能夠源源不斷地從自然界中得到補充。像太陽能、海洋能、生物質能、風能、水能、地熱能、氫能等，都具有這種特點。

一 綠色能源——生物質能

所謂生物質能，是指太陽能通過光合作用而以生物的形態儲存的能量，包括農、林、牧以及水生作物資源等所含的能量。

作為能源資源而加以利用的生物質，一般包括林產品的下腳料、薪柴、農作物的秸稈及皮殼、水生作物，作為沼氣資源的人畜糞便、城市生活及生產過程中的某些廢棄物等。

方便而經濟的新能源——沼氣

顧名思義，沼氣就是從沼澤中產生的一種可燃氣體。沼氣廣泛地存在于自然界。科學家們通過研究以后發現像牛羊之類的反芻動物，它們的胃里也會產生沼氣。于是，科學家仿照這種機理，制成了一種“消化器”，有意識地生產沼氣來作為燃料，這便是今天廣泛使用的沼氣池。由于這樣生產沼氣的過程是在缺氧的條件下進行的，所以這種發酵過程叫做“厭氧發酵”。

用來進行發酵的主要原料是人類糞便、秸稈、雜草和含有機物質的廢水、廢渣等。在沼氣池中除了甲烷菌之外，還有纖維素分解菌、半纖維素分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌和乙酸菌等多種菌群，它們按各自的功能把不同的有機物質分解成氨基酸、乙酸、氫和二氧化碳等，直接或間接地為甲烷菌提供養料，以促進甲烷的生成。沼氣的主要成分就是甲烷。

關于利用微生物來生產沼氣的研究，已經有100多年的歷史。早在1866年，有位名叫勃加姆波的西方科學家就明確指出：甲烷的形成是微生物作用的過程。在這以后，科學家們通過多年的研究，才逐步確立了通過“厭氧發酵”來制取沼氣的工藝。不過，人類真正用生物質來轉化為沼氣，并且把沼氣作為一種可供使用的氣體燃料，則是最近幾十年之內的事情。

我國早在20世紀30年代就開始了對水壓式沼氣池的研究，當時上海、江蘇、浙江及武漢等地均有沼氣池。不過當時主要是用沼氣來點燈，由于當時電燈很少，沼氣燈備受青睞，它可以與煤油汽燈媲美。

到上個世紀70年代，在我國農村中已出現了實用的水壓式沼氣池。這種沼氣池的基本特點是發酵間和貯氣間合為一體，以發酵液面為界，上部為貯氣間，下部為發酵間，其所產沼氣一般足夠5口之家使用。

這種水壓式沼氣池多采用水泥來建造，因此農民們也稱它為水泥沼氣池。目前在我國農村中推廣使用的水壓式沼氣池已基本標準化了，這樣就可以采用水泥預制構件，不但建池速度較快，成本較低，質量也較好。

我國四川、廣西一帶廣泛使用的三聯式沼氣池，是由普通的水壓式沼氣池發展而來的。它把廁所、豬圈與沼氣池連在一起，進料管可以隨時進料，人畜糞便可以直接進行發酵，這樣就能殺滅糞便中98%～99%的寄生蟲多。

生物質的氣化和液化

所謂生物質氣化，是指在氧氣的作用下，將固體生物質轉變為可燃氣體。

目前生物質的氣化裝置主要是氣化爐。適合于氣化的生物質非常多，如木材、樹皮、鋸末、松球、秸桿、玉米芯、果殼、稻殼、牛糞等，甚至城市垃圾也可以進行氣化。

以稻殼為例，可以建立以稻殼為燃料的發電站。目前，美國、日本、德國、意大利及東南亞各國，都在發展稻殼氣化發電，我國也不例外。我國的一些比較集中的大型米廠，每年可以收集的稻殼總計在2000萬噸以上。每噸稻殼可以代替110～140千克柴油，平均每發1度電約需稻殼2～2.5千克。這樣，我國利用稻殼的發電總量就可達1000萬度以上。從經濟上說，建造一套160千瓦的稻殼氣化發電裝置，大約5年左右即可收回全部建設投資。并且，稻殼在氣化過程中所排放的污染物很少，對環境的影響不大。

所謂生物質液化，是指以固體的物質及原料來制取液體燃料，如甲醇、乙醇（酒精）以及人造石油等。例如，以甜高粱稈或甜玉米稈制取酒精，可以達到糧（食）能（源）并舉，特別適合于耕地不多的國家。

作為副產品的莖稈，可以用作飼料或燃料，也可以加工成纖維板。

用生物質原料進行高溫分解，它的基本原理是：生物質受高溫加熱后，生成可燃氣體、液體及固體。其主要生成物為：生物質燃料油占30%，生物炭占30%，可燃氣體占40%。

利用城市垃圾來生產酒精，實質上是將纖維素物質連續進行稀酸水解，進而發酵，以制成酒精。除了獲得酒精之外，還可以回收許多其它終端產物，如各種有機酸、多元醇、丙醇、羥甲基糖醛和多種聚合物。總之，城市垃圾具有變廢為寶的誘人的開發利用前景。

二 取之不盡的風能

人類對于風能的利用是比較早的。早在三四千年之前，我國就已經有了風車。在2000多年以前，我國已有了利用風力的帆船。到了19世紀末，人們開始研究風力發電機。1891年，丹麥建成了世界上第一座試驗性的風力發電站。到本世紀初，一些歐洲國家，如荷蘭和法國等，都紛紛發起對風能發電的研究。

第二次世界大戰期間，出現了使用小型螺旋槳式風車來進行發電的裝置，它在風速為7～15米／秒的風力下，可發出300～500瓦的電能，可以用它來給蓄電池充電，也可以用它來供照明或開動小型機器設備。

上世紀70年代中期以來，由于能源供應日趨緊張，加之石油、煤炭的燃燒對環境的污染越來越嚴重，所以很多國家開始重視對風能的開發利用，除了研究風能發電之外，還廣泛展開了風能在海水淡化、航運、提水、供暖、制冷等諸多方面的研究，使得風能的利用范圍越來越廣。但其中最主要的還是風力發電，其次才是利用風能作動力。

要利用風能，首先要將變化無序的流動空氣所具有的風能，變換成運動有序的機械旋轉動能，這就需要借助于風力機，也就是通常所說的風輪或風車。風力機有水平軸和垂直軸兩種類型。

水平軸風力機的旋轉軸與迎面的氣流平行，包括荷蘭式、農莊式（又稱美洲式）、槳葉式和自行車輪式等。荷蘭式和農莊式是早期大量使用的兩種風力機，而槳葉式風力機是目前廣泛使用的一種機型。用于發電的槳葉式風力機一般采用1～3片槳葉，而制造槳葉的材料包括木材、鋁、鋼、塑料和玻璃纖維等。自行車輪式風力機由輪轂、輻條和外圈組成，中空的槳葉套在輻條上。這種風力機結構簡單，起動力矩大，風能利用率較高。

垂直軸風力機的旋轉軸重垂于地面，所以又叫做立軸風力機。它不像水平軸風力機那樣隨風向來改變轉子的方向，其設計、制造、安裝和運行都比水平軸風力機簡單而方便，很有發展前途。

風車

國外大量使用風車提水大約是在16～18世紀。荷蘭、丹麥、德國、英國、美國、墨西哥、澳大利亞、印度、巴基斯坦和肯尼亞等國，都曾擁有過大量的風力提水機。

中國風能資源的分布

荷蘭人在16世紀曾大量使用風力提水機來排除低洼地的海水，以擴大陸地面積，所以有“上帝造海，荷蘭人造陸”之說，無怪乎人們常以風車來作為荷蘭的象征。

目前在北歐一些國家還能見到荷蘭式風車，它不僅用于排水，還用于榨油、造紙和鋸木等行業。

我國早在14世紀就有關于風力提水的記載。中國傳統式風車為“立帆式”，也叫“走馬燈式”，是由古代的帆演變而來的。它由一根木質主軸和6～8根支桿組成，每根支桿上懸掛一個布帆，風力推動布帆旋轉，主軸以木齒輪連接提水機具。布帆可根據風力大小而升降，以調節風車的轉速。

據有關資料介紹，目前世界上有100多萬臺風力提水機在運轉。澳大利亞的許多牧場，都設有這種風力提水機。有些風力資源豐富的國家，還利用風力發動機來鍘草、磨面和加工飲料等。

在日本，已有人直接利用風力來燒水煮飯。其工作原理是：風力裝置的推進器（其直徑可達14米）使空氣壓縮機工作，通過壓縮空氣而獲得高達170℃的高溫。這種直接把風能變成熱能的方法，其效率非常高。

瑞典研制出一種用風力驅動的電冰箱，很適合于海邊及草原上的居民使用。它的壓縮機由風力（風車）來驅動。當風速為4米／秒時，電冰箱開始制冷；當風速為7米／秒而風車葉片長2.8米時，電冰箱制冷的效果最佳。

我國黑龍江省研制出一種風力滅火機。這種機械將空氣中的氧氣分離出來以后，將無氧空氣儲存起來。在滅火時，用氣泵將這種無氧的混合氣體吹噴出來，以控制火勢。通過1988年撲滅大興安嶺森林火災的實踐，證明這種滅火機噴出氣體的風力可達12級。

利用風力發電，以丹麥起步最早。1910年，丹麥就已有數百座容量為5～25千瓦的風力發電站。到上世紀50年代中期，丹麥有上千個農莊利用風力發電來照明并提供所需電力。美國曾經制造過一臺發電能力達1250千瓦的風力發電機，但由于其葉片太重（達8噸）而被折斷，只運行了一年多時間就不得不停止了試驗。法國、德國等也相繼建造了發電能力達幾百千瓦的風力發電站。

俄羅斯的空氣動力研究所，目前正在研制一種性能優異的空氣渦輪交流發電機，用以提高“風力汽車”對風能的利用效率，它能使風力汽車的速度達到100千米／小時。瑞典目前正在一段50千米長的鐵路線兩側建造5座風力發電站，專門為即將投入運行的風力電氣化列車提供所需的電力。

風能在船舶上的應用前景同樣極其誘人。例如，英國已造出了節能風帆輪船，其工作原理和飛機的機翼相似，只是通過風帆上的氣流是產生推力而不是產生升力；日本目前已有十幾艘以風力為輔助動力的貨船在海上作業；另外，由環境保護者組成的國際綠色和平組織，也擁有以風能作動力的船只。科學家們預言：風動力船必將成為未來的航海工具。

我國風能資源的分布，大致可以劃分為四個區域：①風能豐富區。我國東南沿海、山東半島和遼東半島及其附近的海島，內蒙古北部和松花江下游地區，新疆和甘肅的部分地區。②風能較豐富區。從汕頭海岸向北沿東南沿海約20～50千米地帶和東海、渤海沿岸地區，從東北的圖們江口向西，沿燕山北麓經河西走廊，過天山到艾比湖南岸，橫穿我國東北、華北、西北的廣大地區，以及青藏高原的中部和北部地區。③風能可利用區。南嶺以南離海岸約50～100千米的地帶，大、小興安嶺山地，三北（華北、東北、西北）地區中部，黃河和長江中下游以及川西和云南的部分地區。④風能貧乏區。除上述三類地區以外，我國的其余地區均屬于風能貧乏區，主要是內陸山地和盆地。