太阳能和地热能

约翰·塔巴克，纽约州立大学石溪分校研究员，获美国伦斯勒理工学院数学博士学位。其著作有“数学之旅丛书”（六本）、《重要的姿势：美国手语史》等。

序

致谢

前言

第一部分 太阳能

第一章 太阳能简史

第一节 阳光与热

专栏一 光电话：一种太阳能电话

第二节 早期光伏技术

第二章 阳光与几何学

第一节 电磁波谱

第二节 几何结构和阳光

专栏二 太空太阳能

第三章 光伏太阳能

第一节 光vs电

第二节 相关技术

专栏三 光子与电

第三节 净用电计量法

第四章 热机和太阳能

第一节 热能转换为电能

第二节 CSP技术的利弊

专栏四 存储太阳能

第五章 另外两种重要的太阳能技术

第一节 太阳能热水器

专栏五 需求管理

第二节 绿色建筑

第六章 太阳能的经济和环境效应

第一节 太阳能动力的供需匹配

专栏六　电力生产者和消费者的纽带——一个案例分桎

第二节 有效能源

第七章 政府策略和太阳能

第一节 美国的太阳能策略

专栏七 分布式发电系统

第二节 德国的太阳能

第二部分 地热能

大事记

术语表

参考文献2100433B

目前，中国已成为全球太阳能电池生产的大国，而且太阳能被作为保证能源安全的战略措施纳入发展计划。但是，现实是我们依然是太阳能消费的小国。这大部分归因于太阳

能的特性：分散、不稳定、转换效率低、生产成本高。地热能在开发上也存在类似的问题。因此，了解这些能源的潜能和缺点，对今后的正确利用，有着特殊的意义。

2017年1月23日，国家发展改革委、国家能源局和国土资源部印发了《地热能开发利用“十三五”规划》（发改能源〔2017〕158号）。其中，重点任务和重大项目布局均涉及了地热能转换。

地热能转换重点任务

1.积极推进水热型地热供暖：按照“集中式与分散式相结合”的方式推进水热型地热供暖，在“取热不取水”的指导原则下，进行传统供暖区域的清洁能源供暖替代，特别是在经济较发达、环境约束较高的京津冀鲁豫和生态环境脆弱的青藏高原及毗邻区，将水热型地热能供暖纳入城镇基础设施建设中，集中规划，统一开发。

2.大力推广浅层地热能利用：在“十三五”时期，要按照“因地制宜，集约开发，加强监管，注重环保”的方式开发利用浅层地热能。通过技术进步、规范管理解决浅层地热能开发中出现的问题，并加强我国南方供暖制冷需求强烈地区的浅层地热能开发利用。在重视传统城市区域浅层地热能利用的同时，要重视新型城镇地区市场对浅层地热能供暖(制冷)的需求。

3.地热发电工程：在西藏、川西等高温地热资源区建设高温地热发电工程;在华北、江苏、福建、广东等地区建设若干中低温地热发电工程。建立、完善扶持地热发电的机制，建立地热发电并网、调峰、上网电价等方面的政策体系。

地热能转换重大项目布局

1.水热型地热供暖：根据资源情况和市场需求，选择京津冀、山西(太原市)、陕西(咸阳市)、山东(东营市)、山东(菏泽市)、黑龙江(大庆市)、河南(濮阳市)建设水热型地热供暖重大项目。采用“采灌均衡、间接换热”或“井下换热”的工艺技术，实现地热资源的可持续开发。

2.浅层地热能利用：沿长江经济带地区，针对城镇居民对供暖的迫切需求，加快推广以热泵技术应用为主的地热能利用，减少大规模燃煤集中供暖，减轻天然气供暖造成的保供和价格的双重压力。以重庆、上海、苏南地区城市群、武汉及周边城市群、贵阳市、银川市、梧州市、佛山市三水区为重点，整体推进浅层地热能供暖(制冷)项目建设。

3.中高温地热发电：西藏地区位于全球地热富集区，地热资源丰富且品质较好。有各类地热显示区(点)600余处，居全国之首。西藏高温地热能居全国之首，发电潜力约3000MW，尤其是班公错—怒江活动构造带以南地区，为西藏中高温地热资源富集区，区内人口集中，经济发达，对能源的需求量巨大，是开展中高温地热发电规模开发的有利地区。

根据西藏地热资源勘探成果和资源潜力评价结果，以当地电力需求为前提，优选当雄县、那曲县、措美县、噶尔县、普兰县、谢通门县、错那县、萨迦县、岗巴县9个县境内的羊八井、羊易、宁中、谷露、古堆、朗久、曲谱、查布、曲卓木、卡乌和苦玛11处高温地热田作为“十三五”地热发电目标区域，11处高温地热田发电潜力合计830MW，“十三五”有序启动400MW装机容量规划或建设工作。

4.中低温地热发电：在东部地区开展中低温地热发电项目建设。重点在河北、天津、江苏、福建、广东、江西等地开展，通过政府引导，逐步培育市场与企业，积极发展中低温地热发电。

5.干热岩发电：开展万米以浅地热资源勘查开发工作，积极开展干热岩发电试验，在藏南、川西、滇西、福建、华北平原、长白山等资源丰富地区选点，通过建立2-3个干热岩勘查开发示范基地，形成技术序列、孵化相关企业、积累建设经验，在条件成熟后进行推广。

地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。

地热能储量比人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。高压的过热水或蒸汽的用途最大，但它们主要存在于干热岩层中，可以通过钻井将它们引出。

地热能的利用自古时候起人们就已将低温地热资源用于浴池和空间供热，近来还应用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热。在商业应用方面，利用干燥的过热蒸汽和高温水发电已有几十年的历史。利用中等温度（100℃）水通过双流体循环发电设备发电，在过去的10年中已取得了明显的进展，该技术已经成熟。地热热泵技术后来也取得了明显进展。

意大利的皮也罗·吉诺尼·康蒂王子于1904年在拉德雷罗首次把天然的地热蒸气用于发电。地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能。在这过程中，将一部分没有利用到的水蒸气或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复。1990年安装的发电能力达到6000MW，直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。

地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下 ：

200～400℃直接发电及综合利用；

150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；

100～150℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品；

50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；

20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。

许多国家为了提高地热利用率，而采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。

地热能转换地热热泵系统

地热热泵系统，又称为地源热泵(Ground Source heat pump)，是以地源能(土壤、地下水、地表水、低温地热水和尾水)作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，同时是实现采暖、制冷和生活用热水的一种系统。地源热泵的工作原理比较简单。夏季运行时，热泵机组的蒸发器吸收建筑物内的热量，到达制冷空调，同时冷凝器通过与地下水的热交换，将热量排到地下；冬季运行时，热泵机组的蒸发器吸收地下水的热量作为热源，通过热泵循环，由冷凝器提供热水向建筑室内供暖。

它用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式，是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径，也是国内地源能利用的一个新发展方向。

地热能转换地热发电

地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。