通常,人们按容量大小将风力发电站分为大、中、小三种。容量在10千瓦以下的为小型,10—100千瓦的为中型,100千瓦以上的为大型。中小型风力发电站主要用于充电、照明、卫星地面站电源、灯塔和作为导航设备的电源,以及为边远地区人口稀少而民用电力达不到的地方提供电能。大型风力发电站可用来为电网供电。目前,世界上投入运转的最大的风力发电站建造在德国,其发电能力为3000千瓦。
我国地域辽阔,蕴藏着非常丰富的风能资源。据计算,全国风能资源总储量约为每年16亿千瓦,其中近期可开发利用的约为每年1.6亿千瓦。我国东南、华东、华北地区沿海及岛屿的平均风速为6—7米/秒,而这些地区又迫切需要电力;西北牧区,地势较高,风速较大,平均风速在4米/秒以上,但这一带地广人稀,居民点分散,燃料奇缺,也迫切需要电能;西南地区一些山区风口,风速大,风向稳定,有着发展风力发电的优良条件。因此,在我国因地制宜地开发利用风能,不仅可以扩大能源,而且有助于解决边远地区孤立用电户的需要,因而有着现实的重要意义。
我国现在最大的风力发电站,是1983年建造在浙江泗礁岛上的40千瓦风力发电站,现已并网发电。由于内蒙古具有发展风力发电的优越条件,所以目前在这一地区已安装了风力发电机1700多台,装机总容量达19万多千瓦,基本上解决了牧民们用电的需要。
根据我国风能资源分布情况和当前的技术条件,近期开发利用风能的重点将放在内蒙古、东北、西北、西藏和东南沿海,以及岛屿、高山、风口等风能资源丰富的地区。在年平均风速超过6米/秒的地区,特别是电网很难达到的牧区、海岛和高山边远地区,开发利用风能资源更具有深远意义。
地热能
我们居住的地球,很像一个大热水瓶,外凉内热,而且越往里面温度越高。因此,人们把来自地球内部的热能,叫地热能。地球通过火山爆发和温泉等途径,将它内部的热能源源不断地输送到地面。人们所热衷的温泉,就是人类很早开始利用的一种地热能。然而,目前对地热能大规模的开发利用还处于初始阶段,所以说地热还属于一种新能源。
在距地面25—50千米的地球深处,温度为200℃—1000℃;若深度达到距地面6370千米即地心深处时,温度可据估算,如果按照当今世界动力消耗的速度,完全只消耗地下热能,那么即使使用4100万年后,地球的温度也只降低1℃。由此可见,在地球内部蕴藏着多么丰富的热能。温度分布是很规律的,通常,在地壳最上部的十几千米范围内,地层的深度每增加30米,地层的温度便升高约1℃;在地下15—25千米之间,深度每增加100米,温度上升1.5℃;25千米以下的区域,深度每增加100米,温度只上升0.8℃;以后再深入到一定深度,温度就保持不变了。
地球深层为什么储存着如此多的热能呢?它们是从哪里来的?对于这个问题,目前还处于探索阶段。不过,大多数学者认为,这是由于地球内部放射性物质自然发生蜕变的结果。在核反应的过程中,放出了大量的热能,再加上处于封闭、隔断的地层中,天长日久,经过逐渐的积聚,就形成了现在的地热能。值得指出的是,地热资源是一种可再生的能源,只要不超过地热资源的开发强度,它是能够补充而再生的。
通常,人们将地热资源分为四类:
第一类是水热资源。这是储存在地下蓄水层的大量地热资源,包括地热蒸汽和地热水。地热蒸汽容易开发利用,但储量很少,仅占已探明的地热资源总量的0.5%。而地热水的储量较大,约占已探明的地热资源的10%,其温度范围从接近室温到390℃高温。
第二类是地压资源。这是处于地层深处沉积岩中的含有甲烷的高盐分热水。由于上部的岩石覆盖层把热能封闭起来,使热水的压力超过水的静压力,温度约为150℃—260℃之间,其储量约是已探明的地热资源总量的20%。
第三类是干热岩。这是地层深处温度为150℃—650℃左右的热岩层,它所储存的热能约为已探明的地热资源总量的30%。
第四类是熔岩。这是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩,其温度高达650℃—1200℃。熔岩储藏的热能比其他几种都多,约占已探明地热资源总量的40%左右。
到目前为止,对于地热资源的利用主要是水热资源的开发。近年来,一些国家开始进行干热岩的开发研究和试验,开凿人造热泉就是干热岩的具体应用之一。而地压资源和熔岩资源的利用尚处于探索阶段。
我国是世界上开发利用地热资源较早的国家,发展也很快。北京就是当今世界上六个开发利用地热较好的首都之一(其他五个是法国的巴黎、匈牙利的布达佩斯、保加利亚的索菲亚、冰岛的雷克亚未克和埃塞俄比亚的亚的斯亚贝巴)。
北京地热水温大都在25℃—70℃。由于地热水中含有氟、氢、镉、可溶性二氧化硅等特殊矿物成分,经过加工可制成饮用的矿泉水。有些地区的地热水中还含有硫化氢等,因而很适于浴疗和理疗。
目前,北京的地热资源已得到广泛利用。例如,用于采暖的面积已达32万多平方米,可节省建造锅炉房投资三百余万元,年节约煤1.8万吨,而且每年还可减少烧煤取暖带来的粉尘污染7.6吨。现有地热泉洗浴五十多处,日洗浴六万多人次;利用地热水养的非洲鲫鱼,生长快,肉味鲜美。北京一些印染厂还利用地热水进行印染和退浆,每年可节约煤几千吨。
除北京外,我国许多地区也拥有地热资源,仅温度在100℃以下的天然出露的地热泉就有约3500多处。在西藏、云南和台湾等地,还有很多温度超过150℃以上的高温地热田。台湾省屏东县的一处热泉,温度曾达到140℃;在西藏的羊八井建有我国最大的地热电站,这个电站的地热井口温度平均为140℃,发电装机容量为1万千瓦,今后在这里还将建设更大的地热电站。
从温泉分布来看,我国地热资源主要集中在东南沿海诸省和西藏、云南、四川西部等地,形成两个温泉数量多、温度高、埋藏浅的地热带,分别称为滨太平洋地热带和藏滇地热带。前一个地热带共有温泉六百多处,约占全国热水泉总数的,其中温泉水超过90℃的有几十处,有的还超过100℃;后一个地热带是我国大陆上水热活动最活跃的一个地区,有大量的喷泉和汽泉。这一地带共有温泉700多处,其中高于当地沸点的水热活动区有近百处,是一个高温水汽分布带。此外,在我国东部的一些盆地内,也蕴藏着较丰富的地下热水,这一地区的范围很广,北起松辽平原、华北平原,南到江汉平原、北部湾海域。例如,天津市区及郊区附近有总面积近700平方公里的地热带,其中深度超过500米、温度在30℃以上的热水井达380多口,最高水温为94℃,年总开采量近五千万吨,可利用的热量相当于30多万吨标准煤。
地热在世界各地的分布也是很广泛的。美国阿拉斯加的“万烟谷”是世界上闻名的地热集中地,在24平方公里的范围内,有数万个天然蒸汽和热水的喷孔,喷出的热水和蒸汽最低温度为97℃,高温蒸汽达645℃,每秒喷出2300万公升的热水和蒸汽,每年从地球内部带往地面的热能相当于600万吨标准煤。新西兰约有近70个地热田和100多个温泉。温泉的类型很多,有温度可达200℃—300℃的高温热泉;有时断时续的间歇喷泉;还有沸腾翻腾的泥浆地。横跨欧亚大陆的地中海—喜马拉雅地热带,从地中海北岸的意大利、匈牙利经过土耳其、独联体的高加索、伊朗、巴基斯坦和印度的北部、中国的西藏、缅甸、马来西亚,最后在印度尼西亚与环太平洋地热带相接。
有人做过计算,如果把全世界的火山爆发和地震释放的能量,以及热岩层所储存的能量除外,仅地下热水和地热蒸汽储存的热能总量,就为地球上全部煤储藏量的1.7亿倍。在地下三公里以内,目前可供开采的地热,相当于29,000亿吨煤燃烧时释放的全部热量。可以看出,地热能的开发与利用有着广阔的前景。
对于地热能的开发与利用,如果从1904年意大利建成世界第一座地热发电站算起,已有近90年的历史了。但是,只有近二三十年来,地热能的开发利用才逐渐引起世界各国的普遍注意和重视。
据统计,目前世界上已有120多个国家和地区发现或打出地热泉与地热井7500多处,使地热能的利用得到不断地扩大。地热能的利用,当前主要是在采暖、发电、育种、温室栽培、洗浴等方面。美国一所大学有三口深600米的地热水井,水温为89℃,可为总面积达46,000多平方米的校舍供暖,每年节约暖气费25万美元。法国到2000年利用地热为80万套住宅单元供暖,每年可节省燃油一百多万吨。冰岛虽然处在寒冷地带,但有着丰富的地热资源,目前全国人口的70%以上已采用地热供暖。
利用地热能发电,具有许多独特的优点:建造电站的投资少,通常低于水电站;发电成本比水电、火电和核电站都低;发电设备的利用时数较长;地热能干净,不污染环境;发电用过的蒸汽和热水,还可以用于取暖或其他方面。
现在,美国、日本、意大利、冰岛等许多国家都建成了不同规模的热电站,总计约有150座左右,装机总容量达320万千瓦。
地热发电的原理与一般火力发电相似,即利用地热能产生蒸汽,推动汽轮发电机组发出电来。日前,全世界约有的地热电站是利用高温水蒸汽为能源来发电的。这种电站是将地热蒸汽引出地面后,先进行净化,除掉所含的各种杂质,然后就可以推动汽轮发电机发电;以高温蒸汽为能源的地热电站,大多采用汽水分离的方法发电;对于以地下热水为能源的电站,一般通过一定的途径用地下热水为热源产生蒸汽,然后用蒸汽来推动汽轮发电机组发电。
另外,地热能在工业上可用于加热、干燥、制冷与冷藏、脱水加工、淡化海水和提取化学元素等;在医疗卫生方面,温泉水可以医治皮肤和关节等的疾病,许多国家都有供沐浴医疗用的温泉。
由于天然热泉较少,而且不是各地都有的,因而在一些没有天然热泉的地区,人们就利用广泛分布的干热岩型地热能人工造出地下热泉来。人造热泉是在干热岩型的热岩层上开凿而成的,世界上最早的人造热泉是在美国新墨西哥州北部开凿的,井深达3000米,热岩层的温度为200℃。
美国已建造了人造热泉热电厂,发电量为5万千瓦。另外,还在洛斯阿拉莫斯国立实验所钻了两眼深4389米的地热井,先把水泵入井内,12小时后再抽上来,这时水温已高达375℃。法国先后开凿了六眼人造热泉,其中每眼井深六千米,每小时可获得温度达200℃热水100吨。
目前,美国的地热发电站的装机容量已达930万千瓦,到2020年将增加到:3180万千瓦。
现在,随着科学技术的发展,人们开始在岩浆体导热源周围建立人工热能存积层,以便开发利用热源蒸汽的高温岩体来发电。人们预计,现在全世界地热发电的总能力可达一亿千瓦。