1.2　当前能源利用概述

地球拥有十分丰富的能源资源，且存在方式多样。如何利用能源收集和转化设备将这些储存的资源转化为我们日常生活中所用的能量形式，并清洁节约可持续高效利用是一个十分关键的环节。能源作为经济发展的直接驱动力，从蒸汽机时代煤炭的大规模应用，到石油对煤炭大规模替代，其后都伴随着整个产业的蓬勃发展。而今一旦在新能源技术领域取得重大突破，将直接改变人们传统的能源使用方式，并带动整个产业链的规模发展。就目前而言，能源与动力工程学科涉及的能源收集和转化应用技术可大致概述如下。

1.2.1　锅炉燃烧及燃煤发电概述

如图1-1所示，给出了以天然气（煤等矿物）为燃料的火力发电工作原理图。该系统主要由：a.燃烧室；b.涡轮机：c.锅炉；d.冷却塔；e.发电机五个主要部件组成。其工作原理可大致描述为：

①首先燃料气体和空气经过加压混合后在燃烧室里燃烧，释放的能量产生高压热气；

②高压热气冲击第一级涡轮机并带动涡轮机叶片旋转；

③涡轮机带动发电机转子旋转切割磁力线发电；

④高热气体经过涡轮机后进入锅炉，并将热量传递给管路中的液态水，液态水吸热蒸发膨胀，产生高压蒸汽；

⑤高压蒸汽冲击第二级涡轮机，带动涡轮机叶片旋转，带动发电机发电；

⑥最后，经过第二级涡轮机的热蒸汽，进入冷却塔冷凝为液态水，重新回到锅炉中进行下一轮循环。

以固体燃煤为燃料的火力发电装置，也具有类似的工作流程。由燃烧室的燃煤燃烧直接给锅炉供热，水受热膨胀为蒸汽，蒸汽冲击涡轮机带动叶片旋转，涡轮机带动发电机转子切割磁力线发电，最后经过涡轮机的蒸汽直接经由冷却塔冷却进入下一个循环。从整个工作流程来看，其能量转化过程可简单用下式描述。

1.2.2　太阳能直接热利用概述

根据爱因斯坦的质能方程，1kg氢元素聚变成氦的质量损耗约为0.7％，可释放出6.3×10¹⁴J的能量。按太阳每秒消耗氢燃料6×10¹¹kg计算，则太阳的辐射功率约为3.8×10²⁶W。已知太阳到地球的距离约为1.5×10⁸km，地球的直径约为6.37×10³km，故根据圆周角并以47％的大气透光率计算可得，全年到达地球的太阳光总能量高达×10¹⁷kW·h。相当于燃烧74万亿吨标准煤的热值。可见太阳光中蕴含着大量的能量。从广义上讲，太阳能是除了地热以外地球上绝大部分能量的最终源泉。从狭义的太阳能利用讲，主要包括，太阳能直接热利用和太阳能光伏发电两方面。

就目前而言，涉及的太阳能直接热利用设备主要有太阳能热水器（包括太阳能落差式热水器、太阳能承压式热水器）、太阳能制冷机，太阳能热动力发电（包括塔式太阳能热动力电站、槽式太阳能热动力电站、碟式太阳能热动力电站）及太阳能烟囱等几种能源利用形式。大体概述如下。

（1）太阳能热水器

如图1-2（a）所示，给出了一种一体式落差式太阳能热水器的简单示意图。其核心部件主要包括：支架；真空集热器；漫反射板；储水箱。工作过程如下。

①首先，当太阳光照射集热器时，集热器吸收太阳能给冷水加热，穿过的阳光在漫反射板的作用下再次经过集热器被二次吸收；

②其次，利用集热器中水温与储水箱中水温的差别形成自然对流［如图1-2（b）所示]，将集热器中的热水输送到储水箱，并将储水箱中的冷水输入集热器；

③最后，当用户需要热水时，通过控制系统放热水，并补充一定量的冷水到储水箱进行加热。

承压式太阳能热水器也有相似的工作过程，其差别在于落差式热水器采用的是一个液体循环回路；而承压式热水器则通过一个热交换器把热质和水分在两个回路中，从而保证热水出口水压与进口冷水水压的一致。

集热器是太阳能热水器的一个核心能量转化部件，其作用是将太阳能转化为热能并带走。目前我国使用的太阳能集热器主要有两大类：①平板型太阳能集热器，②全玻璃真空管型太阳能集热器。两者的结构组成和工作过程相似，图1-3平板型太阳能集热器，其核心部件主要包括：吸热体；玻璃盖板；保温层；外壳四个部分。这四个部件都有其自身的作用。

①吸热体主要由吸热板和载热流体管路两部分组成：吸热体的主要作用是尽可能多地吸收太阳辐射能量，并转化为热能，最后将热能传递给载热管路；而载热流体管路的作用则是用流体工质，并把热能带到储水箱（热能储存作用）。

②玻璃盖板的作用：一方面是让太阳光辐射透过；另一方面是与吸热体之间形成一个真空空腔，从而减小吸热体对环境的放热。

③保温层的作用是：减小集热器底部向周围环境的散热，从而提高集热器的热效率。

④外壳的作用主要是：将吸热板、盖板、保温材料组成一个整体，并保持一定的刚度和强度。

总体而言，整个太阳能热水系统的能量转化过程可通过下式进行描述。

（2）太阳能制冷机

与传统的制冷机类似，太阳能制冷循环也包括①空气压缩制冷循环，②蒸汽压缩制冷循环，③吸附式制冷循环三种不同的类型。图1-4给出了相应的太阳能吸附式制冷机的大致工作原理。

吸附式太阳能制冷系统的部件组成主要包括：a.太阳能集热器；b.蒸汽发生器；c.减压阀；d.溶液泵；e.吸收器；f.蒸发器；g.节流阀；h.冷凝器等部件组成。吸附式太阳能制冷技术与常规能源驱动的吸附式制冷装置基本一致，主要创新点在于采用太阳能集热器收集热能并给传统吸附式制冷机的蒸汽发生器供热。其工作原理可简述如下。

首先，通过太阳能集热器收集并将太阳能转化为热能，并传递给工质。

其次，载热工质将热量传递给蒸汽发生器，并加热蒸汽发生器里面的稀溴化锂溶液，将其中的水汽化为较高温度和压力的水蒸气。与此同时，发生器中由于水蒸发而变浓的浓溴化锂经减压后也流入吸收器。

第三，高温水蒸气进入冷凝器通过向冷却水放热而降温，凝结成饱和水。

第四，饱和水经节流阀降压降温后进入蒸发器吸热汽化，成为饱和蒸汽，随后送入吸收器。

第五，吸收器吸收由蒸发器来的饱和蒸汽，生成稀溴化锂溶液，再由液体泵加压进入发生器。从而达到对蒸发器（冷藏室）的制冷作用。

由其工作过程可见，该能量收集和转化装置的工作过程中同时涉及到流体的传热传质过程，欲对其装置进行优化设计必然需要具备较好的流体和传热传质的工程分析背景。

（3）集热型太阳能热动力发电

将吸收的太阳辐射热能转换成电能的发电技术称为太阳能热动力发电技术。太阳能热动力发电又称为集光型太阳能发电（concentrated solar power），英文缩写为CSP。如图1-5所描述的，太阳能热动力发电技术与传统发电方式相类似，其创新点在于采用太阳能集热器和蓄热器来替代传统的矿物燃烧室。总体的工作过程可大致描述如下。

①集热器将太阳辐射能集中并变成热能，经由蓄热器向蒸汽发生器（锅炉）供热。

②冷凝器的液态工质从蒸汽发生器中吸热蒸发为高温高压蒸汽。

③蒸汽通过喷管加速后驱动涡轮机叶轮旋转。

④涡轮机带动发电机切割磁力线发电。工质离开涡轮机进入冷凝器向冷却介质释放潜热，并凝结为液体重新回到蒸汽发生器中循环使用。

典型太阳能热动力发电系统除包括蒸汽发生器、涡轮机、发电机、冷凝器外，还包括聚光集热子系统以及蓄热子系统。由于太阳能是一种能量密度偏低的能量，因此需要利用集热器把大范围的低密度能量聚集到有限面积上形成高密度的优质能量。就太阳能热动力系统而言，其聚光集热子系统一般包括：聚光器、接收器、跟踪装置三个部分。

聚光器主要是用于收集阳光，并将其聚集到一个有限尺寸接收器上，从而提高单位面积上的太阳辐射强度。目前聚光型热动力发电系统主要根据不同的集热器和接收器划分为三大类型。①槽式发电站主要采用抛物柱面槽型反射镜作为聚光器，其对应的接收器设在圆柱中轴位置，形状为管状［如图1-6（a）所示]；②碟式发电系统主要采用凹碟状反射镜作为太阳能聚光器，其对应的接收器设在抛物面的焦点处［如图1-6（b）所示]；③塔式发电站主要采用平面镜做为聚光器，其对应的接收器固定在塔的顶部［如图1-6（c）所示]。这三种不同的热动力发电系统其工作原理较为相近，以下以塔式太阳能热动力系统为例对其工作过程进行简单描述。

如图1-6（d）所示，一个典型的塔式太阳能热动力发电系统主要由：a.定日镜、b.太阳能接收器、c.塔架、d.热盐槽、e.冷盐槽、f.蒸汽发生器、g.汽轮发电机组（也就是涡轮机和发电机组），以及h.冷凝器等几个部件组成。其与传统矿物发电系统相比最大的独特之处在于用一个太阳能吸收器取代火力发电站的锅炉，同时多了一个蓄热系统。

塔式太阳能热动力系统前置部分主要由太阳能集热子系统和蓄热子系统两个部分组成。其工作过程大致描述如下。

①首先，塔式发电系统利用定日镜将阳光聚焦到塔顶的接收器上，接收器将太阳光转化为热量。

②并将热量传递给冷盐槽进来的低温盐液，低温盐液吸热后变为高温盐液体，并传输到热盐槽储存，因此热盐槽实际上充当了蓄热器的功能。

③热盐槽的高温盐液进入蒸汽发生器向工质释放热量，加热并汽化与涡轮机相连的液体工质。

④最后，热盐液在蒸汽发生器释放热量后重新回到冷盐槽，进入新一轮的循环。

系统的后半部分主要就是热机，由蒸汽发生器、汽轮发电机组以及冷凝器三个主要部件组成。这部分子系统的运行过程与传统的矿物燃料发电系统是一样的。

⑤首先，液态工质经过蒸汽发生器，吸热后产生高温蒸汽，高温蒸汽推动涡轮机，并带动发电机发电。

⑥最后经过涡轮机的蒸汽进入冷凝器并释放潜热冷凝回液态，重新进入蒸汽发生器循环。

（4）太阳能烟囱发电

太阳能烟囱发电系统也是太阳能热力发电的另一大类型，其部件主要由太阳能集热棚、太阳能烟囱以及涡轮机发电机组三个基本部分构成。如图1-7所示，其制作过程包含三个步骤：

①将太阳能集热棚建在一块太阳辐照强的土地上；

②集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统；

③集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。

工作原理可简单描述如下。

①太阳光照射集热棚，集热棚内的空气温度升高，密度下降，集热棚中的空气沿着烟囱上升。由于集热棚内的空间很大，而烟囱底部的截面积相对很小，因此当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在此处形成强大的气流。

②这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。同时，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。

太阳能烟囱在工作过程包含有三个能量转换过程：利用集热棚加热空气，将太阳能转化为空气内能；利用温差自然对流原理，当空气在烟囱内上升流动时，空气内能转变为动能；最后，当空气流过涡轮机时，气流推动涡轮机转子转动，并将流体动能转化成目标电能。

1.2.3　太阳能光伏发电概述

太阳能光伏发电是太阳能直接利用的另一种主要能量收集、转化技术。就目前而言，主要包括①单晶硅太阳能电池、②多晶硅太阳电池、③化合物薄膜太阳电池、④染料敏化纳米晶太阳电池等几种形式。其核心工作原理为利用半导体pn结的光伏效应直接将太阳光能转化为输出电能。总的来说，这几类太阳能光伏电池具有类似的工作过程，以单晶硅太阳能电池为例（如图1-8所示），其基本结构从下到上分别由金属正电极、p型半导体、n型半导体、防反射保护膜以及金属网格负电极五个主要部件组成。

其中，由于半导体硅的表面非常光亮，会反射掉大量太阳光，因此需给它涂上一层反射系数小的保护膜，将反射损失控制在5％以内。半导体pn结是太阳能光伏转化的核心部件，如图1-8（b）所示。当半导体受光后，pn结附近的空穴向p型区移动，电子向n型区移动，形成从n型区到p型区的内部电流。由于半导体不是电的良导体，所以电子在通过pn结后需要金属电极将其导出，因此在太阳电池的正负两侧需要加上金属电极作为电流收集作用。对于背光一侧而言，一般镀上一层金属薄膜作为电极；而在受光一侧，如果pn结上层全部涂上金属，阳光就不能通过并照射到pn结，电流也就不会产生。因此一般用金属网格覆盖pn结，同时兼顾透光和传导电子的作用。

如图1-8（b）所示，就晶硅太阳能光伏电池而言其光电转化主要包括两个过程：

①当光线照射掺杂半导体时：一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给价带的电子，使得电子越迁到导带，从而在半导体中形成自由电子和空穴对。光子能量转化为自由电子能量，即光生电过程。

②被激发的电子－空穴对传递到pn结区域，并在pn结内生电场的作用下空穴沿电场方向向p型区移动，而电子逆着电场方向往n型区移动。从而形成从n型区指向p型区的“内电流”。

当外电路导通时就形成了太阳电池输出电流。

1.2.4　核能发电技术概述

核能又称原子能，特指原子核结构发生变化时释放的能量。核能的释放方式主要包括核裂变（一个原子量较大的重原子分裂成两个或多个较轻原子核并释放大量能量，如）和核聚变（两个较轻原子核聚合成一个较重的原子核，并释放大量能量，如）。目前而言，核能发电技术主要以核裂变为主。核裂变的主要原料铀-235具有放射性，在中子的撞击下分裂成两个更小的原子，释放出热量和两到三个快速中子；这些中子和邻近的铀-235原子核发生碰撞，引发后者的分裂，并产生更多的能量和更多的中子；如果提供的铀-235足量，就会引发链式反应，释放出极大的能量。如果不对这种链式反应加以控制。中子数量会持续增加，使得短时间内参与核裂变的原子数剧增，大量的能量瞬间释放，从而发生核爆。相反，如果对过量的中子数目加以吸收，进而控制中子的产生速度，就可维持参与核裂变的原子数目恒定。从而维持恒定的能量释放，这是核能发电的主要形式。因此说，核能发电是一种受控的核聚变过程。

核电站就是利用动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆、改进型气冷堆以及快堆等多种形式。但使用最广泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。

核能发电站与传统的矿物燃料发电站结构组成和工作原理十分相似，其创新之处在于采用核反应堆来替代传统的矿物燃烧室。

如图1-9所示，为压水堆及核发电系统的工作过程示意图。压水反应堆以轻水为中子慢化剂和载热剂。主要由两个回路系统组成。①核岛：主要包括压水反应堆，蒸汽发生器；②常规岛：与火电站类似，包括蒸汽发生器、涡轮机、发电机和冷凝器。其基本的工作过程可简述如下。

①铀-235燃料在核反应堆内发生核裂变释放大量热量。

②反应器向周围的热载体（高压水）释放热量，并通过换热器给蒸汽发生器提供热量。

③热载体将热量传递给蒸汽发生器，将液态工质汽化为高压蒸汽。

④高压蒸汽驱动涡轮机。

⑤涡轮机带动发电机发电。

⑥高压蒸汽经过冷却后，重新进入系统循环。

其中核反应堆是整个核能发电系统的核心部件，其组成部件及作用描述如下。

①燃料棒是其核心部件，也称核燃料：主要为核能的释放提供充足的可裂变物（一般采用铀-235）。

②控制棒：主要用于吸收过量的中子数目，从而保证产生的中子和损失的中子数相互抵消，而保证参与核裂变的铀-235原子核数目恒定，控制核裂变的速度，维持恒定的能量释放。

③中子减速剂：主要作用是将铀-235裂变过程中产生的快中子的运动速度降低到接近分子热运动中的热中子速度，从而增加中子撞击周围放射铀原子的概率。

④载热剂：一般与中子减速剂采用同一种物质。作用是将核裂变反应释放的热能收集起来用于对发电系统的蒸汽发生器供热。

1.2.5　燃料电池发电技术概述

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能的发电设备。由于燃料电池发电过程中主要是通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为输出电能，其整个过程中不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受热机效率的限制，从理论上讲是一种更高效的能源使用技术。从原理上讲，燃料电池技术的核心思想是利用电化学反应将反应物中的化学能直接释放为电能的一种技术，从而避开了经由燃烧释放化学能的传统能源使用方式。

以氢氧反应为例，电化学反应工作原理与普通化学反应的主要区别如下。

①化学反应过程中（如氢气在氧气中的燃烧），电荷直接从还原物H₂转移到氧化物O₂，；

②电化学反应过程中需要先把化学反应中失去电子的还原物和得到电子氧化物分隔在两个区域内，并通过电解质承担还原物与氧化物之间的离子传导路径，采用电极和外电路导线承担还原物与氧化物之间的电子传导路径。如图1-10所示，从而把一个完整的化学反应分成两个相对独立的半反应，避开燃烧过程而直接将化学能释放为电能。

从理论上讲，对于同样的一个化学总反应而言，采用不同的电解质材料（即不同离子的传导路径）将导致完全不同的电化学半反应组合，进而形成不同的能量转化过程和电化学性能。因此，燃料电池的主流分类主要根据不同的电解质材料划分为：①碱性燃料电池、②熔融碳酸盐燃料电池、③磷酸盐燃料电池、④质子交换膜燃料电池、⑤固体氧化物燃料电池、⑥直接甲醇燃料电池以及⑦微生物燃料电池等几种类型。

以固体氧化物燃料电池为例，图1-11（a）是一个典型的固体氧化物燃料电池（SOFC）单体形貌，图1-11（b）为其相应的侧面扫描隧道显微镜形貌图。一个典型的SOFC单体一般包括：①阴极电流收集层、②阴极反应间隙层、③致密电解质层、④阳极反应间隙层以及⑤阳极支撑层。

固体氧化物燃料电池全固态组件的特点决定了其可以有不同的结构构型设计。如图1-12所示目前而言主要有：（a）平板型SOFC、（b）管状SOFC、（c）独石型SOFC以及（d）基片式SOFC等多种结构。

1.2.6　海洋能（潮汐能、波浪能、洋流能、海洋温差能）利用概述

地球的海洋面积约为3.6亿万平方公里，覆盖地球总面积的71％，是吸收太阳光的最大宝库，蕴藏着丰富的可再生能源。目前可用于发电的几种海洋能应用形式包括有：潮汐能、波浪能、洋流能以及海洋温差能。

（1）潮汐及潮汐能发电

潮汐是太阳、月亮作用在地球上的万有引力与地球自转运动的相互作用，使海水涨潮和退潮，海洋水位出现高低变化，动能和势能相互转变的过程。在涨潮时，海水动能转化为势能；而对应的在退潮时，海水的势能又将重新转化回动能。目前对潮汐能的能源利用形式主要是潮汐能发电（tide power），如图1-13所示为利用潮汐能进行发电工作过程的简单示意图，其工作过程可简述如下。

①通过建造拦水坝，在涨潮时将海水引入储存于内池，此时海水动能被转化为海水势能。

②在退潮时，海水势能被释放为流体动能，流动的海水冲击涡轮机叶片并将动能传递给涡轮机形成旋转机械能。

③最后旋转的涡轮机带动发电机转子切割磁力线发电，从而最终将机械能转化为输出电能。

（2）波浪及波浪能发电

波浪能发电（wave power generation）是以波浪的能量为动力生产电能。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，正弦波浪每米波峰宽度的功率P≈HTkW/m。式中，H为波高，T为波周期。通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、汽轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。

波浪能发电原理主要是将振动水波转化为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。主要包括：①振荡水柱式装置、②摆式装置及③聚波水库式装置三种主要形式。以①振荡水柱式装置为例，如图1-14所示，其工作原理可简单描述如下。

①当波浪上升时，将空气室内的空气顶出，被压空气穿过正压水阀室进入正压汽缸，并驱动发电机轴伸端上的空气透平。

②当波浪落下时，空气室内形成负压，使大气中的空气被吸入汽缸，并驱动发电机另一轴伸端上的空气透平。

（3）洋流能及洋流能发电

洋流是海水吸收太阳能及风力作用形成的常年稳定的水体流动。利用洋流进行发电的基本原理与风力发电类似，如图1-15所示，主要利用水轮机叶片接收洋流流动的动能，利用流体动能带动涡轮机旋转切割磁力线发电。

（4）海洋温差能及温差能发电

海洋温差能是指表层海水和深层海水之间水温差的热能，是海洋能的一种重要形式。低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度差，储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比。在阳光的照射下，海洋表面温度在25℃左右，而海底1km深度的温度大约只有5℃左右。

如图1-16所示，其发电原理类似于一个热机的工作过程。

①利用表层海水的高温蒸发低沸点的工质（如液氨、丙烷等）。

②蒸气推动涡轮机发电。

③通过涡轮机的蒸气经过底层海水冷却回液态，重回循环。

1.2.7　水力能、风能、生物质能、地热能利用概述

（1）水力能及水力发电

水力能本质上主要来源于太阳能，因此可认为是一种可再生能源。水力能的形成原理如图1-17（a）所示。

①太阳照射海面，将水汽蒸发。

②由于空气各部分温度不同，形成空气对流，水蒸气通过水汽输送被传递到大陆。

③在尘埃和冷空气作用下凝结成水珠并形成降雨。

④雨水汇集成河水，并最终流入大海，形成水力循环。

利用水力能进行发电的原理过程如图1-17（b）所示，可简单描述如下。

①利用筑坝拦水的方式积累水的势能。

②发电时，将水放出，水从高处往下流动时，蕴含在水中的势能转变为动能。如1kg水从100m的高度落下将释放mgh≈1000J的势能并转化为动能。

③流动的水推动处于下游的水轮机叶片，将动能传递给水轮机。

④水轮机带动发电机发电。

其对应的能量转化过程为，首先利用涡轮机将流体机械能转化为旋转机械能，最后利用发电机将旋转机械能转化为输出电能。

（2）风能及风能发电

从本质上讲，风能的形成过程主要也是来源于太阳的辐射能。一方面，从纵向上讲，当太阳照射地表并加热地表空气后，膨胀变轻的热空气上升，同时高空低温较重的冷空气便会流入空缺，从而形成空气的流动。此外，地球的自转也会促使风的形成。另一方面，从横向上讲，太阳照射地球表面，使得地球表面各处受热不同，产生温差，进而导致不同区域之间冷热空气之间的流动，如图1-18（a）所示。风力发电原理可简单描述为：主要是借着空气的流动带动叶片旋转，再通过加速机，将旋转的速度提升，进而推动发电机产生电力。

风机是目前用于接收风动能的主要设备，根据旋转轴的不同风机可分为：水平轴风机和竖直轴风机两大类型，如图1-18（b）、（c）所示。以水平轴风机为例，其风力机的构造主要包括：①叶片、②变速齿轮、③发电机、④塔架、⑤基座5个部分。其中塔架和机座主要起固定作用。工作过程中：首先，风力推动叶片旋转，将风的动能传递给叶片，其次通过变速齿轮加速转动速度后，带动发电机转子切割磁力线发电。假定，风机叶片半径为r，风速为u，空气密度为ρ，则单位时间内风机叶片所接收到的风的动能可大概估计为p=πr²ρu³/2。

（3）生物质能及生物质能发电

生物质能指通过绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学能后固定和储存在生物体内的能量。凡是动植物衍生的能量都属于生物质能的范畴。其具体形式泛指由生物产生的除化石燃料外的有机物质，包括：

①木材与林业废弃物；

②农作物与农业废弃物；

③畜牧业废弃物；

④垃圾掩埋场，污水处理厂处理污泥所产生的沼气；

⑤工业有机废弃物，如有机污泥，废塑料及废纸等。

使用生物质能具有诸多的优点：第一，生物质能来源于空气中CO₂，水和太阳光的光合作用，属于可再生能源的范畴；第二，生物质能在使用过程中环保，对改善大气酸雨环境，减少大气中的CO₂含量有明显效果。使用生物质能，几乎不产生污染，使用过程中几乎没有SO₂产生，产生的CO₂气体与植物生长过程中吸收的CO₂气体在数量上平衡，因此也称为CO₂中性的燃料；第三，生物质能源来源广泛，便于就地利用：除了绿色作物外，包括动物粪便和生活垃圾等也可作为燃料。

图1-19以垃圾掩埋场生物质能发电为主大致展示了利用生质能发电的方法：

①在垃圾填埋区域埋设生质气体收集管路，收集生物质气体；

②将收集的生物质气体引入燃烧室进行燃烧，并给热机提供热量；

③利用热机将生物质气体燃烧热能转化为机械能；

④带动发电机转子切割磁力线将机械能转化为输出电能。

（4）地热及地热能发电

地热是唯一一种不是来源于太阳能的可再生能源形式。地热资源在地球上的分布主要可分为四类。

①热液地热能：是指地表浅处（0.4～4.5km）裂缝较多的岩层中，储集的热水及蒸汽。

②地压地热能：指在某些大型沉积盆地深处存在的高温高压流体。

③干热岩地热能：指在地壳浅层的熔岩或尚未冷却的高热岩体，需通过人工注水的方法才能将热量取出。

④岩浆地热能：指储存在高温熔融岩浆体中的巨大热能。

目前应用最广的地热能主要为储存在地热田内的热液地热能。地热田是地表下热源的集中处，是地热能的主要形式。图1-20（a）简单描述了其形成原理。

①首先，雨水降到地面，并渗入地表成为地下水。

②其次，地下水经过地热加热后，大部分热水会储存在渗透性良好的储集层，即形成地热田。

③最后，小部分热水会继续上升，涌出地表，形成温泉或喷气孔。

利用地热能进行发电的过程如图1-20（b）所示。

①从地热储集层引出热水和蒸汽。

②通过汽水分离器分离出热蒸汽。

③热蒸汽推动涡轮机将流体动能传递到涡轮机。

④涡轮机带动发电机转子切割磁力线发电，将旋转机械能转化为输出电能。