王 洪 郝 梅

生物質(zhì)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(zhuǎn)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(fù)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(zhì)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、氫能等，都具有這種特點。

一 綠色能源——生物質(zhì)能

所謂生物質(zhì)能，是指太陽能通過光合作用而以生物的形態(tài)儲存的能量，包括農(nóng)、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(zhì)，一般包括林產(chǎn)品的下腳料、薪柴、農(nóng)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(chǎn)過程中的某些廢棄物等。

方便而經(jīng)濟的新能源——沼氣

顧名思義，沼氣就是從沼澤中產(chǎn)生的一種可燃氣體。沼氣廣泛地存在于自然界?？茖W(xué)家們通過研究以后發(fā)現(xiàn)像牛羊之類的反芻動物，它們的胃里也會產(chǎn)生沼氣。于是，科學(xué)家仿照這種機理，制成了一種“消化器”，有意識地生產(chǎn)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(chǎn)沼氣的過程是在缺氧的條件下進行的，所以這種發(fā)酵過程叫做“厭氧發(fā)酵”。

用來進行發(fā)酵的主要原料是人類糞便、秸稈、雜草和含有機物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(yǎng)料，以促進甲烷的生成。沼氣的主要成分就是甲烷。

關(guān)于利用微生物來生產(chǎn)沼氣的研究，已經(jīng)有100多年的歷史。早在1866年，有位名叫勃加姆波的西方科學(xué)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(xué)家們通過多年的研究，才逐步確立了通過“厭氧發(fā)酵”來制取沼氣的工藝。不過，人類真正用生物質(zhì)來轉(zhuǎn)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(nèi)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(nóng)村中已出現(xiàn)了實用的水壓式沼氣池。這種沼氣池的基本特點是發(fā)酵間和貯氣間合為一體，以發(fā)酵液面為界，上部為貯氣間，下部為發(fā)酵間，其所產(chǎn)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(nóng)民們也稱它為水泥沼氣池。目前在我國農(nóng)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(yù)制構(gòu)件，不但建池速度較快，成本較低，質(zhì)量也較好。

我國四川、廣西一帶廣泛使用的三聯(lián)式沼氣池，是由普通的水壓式沼氣池發(fā)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(fā)酵，這樣就能殺滅糞便中98%～99%的寄生蟲多。

生物質(zhì)的氣化和液化

所謂生物質(zhì)氣化，是指在氧氣的作用下，將固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細怏w。

目前生物質(zhì)的氣化裝置主要是氣化爐。適合于氣化的生物質(zhì)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(fā)電站。目前，美國、日本、德國、意大利及東南亞各國，都在發(fā)展稻殼氣化發(fā)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(fā)1度電約需稻殼2～2.5千克。這樣，我國利用稻殼的發(fā)電總量就可達1000萬度以上。從經(jīng)濟上說，建造一套160千瓦的稻殼氣化發(fā)電裝置，大約5年左右即可收回全部建設(shè)投資。并且，稻殼在氣化過程中所排放的污染物很少，對環(huán)境的影響不大。

所謂生物質(zhì)液化，是指以固體的物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)原料進行高溫分解，它的基本原理是：生物質(zhì)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(zhì)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(chǎn)酒精，實質(zhì)上是將纖維素物質(zhì)連續(xù)進行稀酸水解，進而發(fā)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(chǎn)物，如各種有機酸、多元醇、丙醇、羥甲基糖醛和多種聚合物?？傊鞘欣哂凶儚U為寶的誘人的開發(fā)利用前景。

二 取之不盡的風(fēng)能

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

第二次世界大戰(zhàn)期間，出現(xiàn)了使用小型螺旋槳式風(fēng)車來進行發(fā)電的裝置，它在風(fēng)速為7～15米／秒的風(fēng)力下，可發(fā)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(shè)備。

上世紀70年代中期以來，由于能源供應(yīng)日趨緊張，加之石油、煤炭的燃燒對環(huán)境的污染越來越嚴重，所以很多國家開始重視對風(fēng)能的開發(fā)利用，除了研究風(fēng)能發(fā)電之外，還廣泛展開了風(fēng)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(fēng)能的利用范圍越來越廣。但其中最主要的還是風(fēng)力發(fā)電，其次才是利用風(fēng)能作動力。

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

水平軸風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)軸與迎面的氣流平行，包括荷蘭式、農(nóng)莊式（又稱美洲式）、槳葉式和自行車輪式等。荷蘭式和農(nóng)莊式是早期大量使用的兩種風(fēng)力機，而槳葉式風(fēng)力機是目前廣泛使用的一種機型。用于發(fā)電的槳葉式風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機結(jié)構(gòu)簡單，起動力矩大，風(fēng)能利用率較高。

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

風(fēng)車

國外大量使用風(fēng)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(fēng)力提水機。

中國風(fēng)能資源的分布

荷蘭人在16世紀曾大量使用風(fēng)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(fēng)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(fēng)車，它不僅用于排水，還用于榨油、造紙和鋸木等行業(yè)。

我國早在14世紀就有關(guān)于風(fēng)力提水的記載。中國傳統(tǒng)式風(fēng)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(zhì)主軸和6～8根支桿組成，每根支桿上懸掛一個布帆，風(fēng)力推動布帆旋轉(zhuǎn)，主軸以木齒輪連接提水機具。布帆可根據(jù)風(fēng)力大小而升降，以調(diào)節(jié)風(fēng)車的轉(zhuǎn)速。

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

在日本，已有人直接利用風(fēng)力來燒水煮飯。其工作原理是：風(fēng)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(fēng)能變成熱能的方法，其效率非常高。

瑞典研制出一種用風(fēng)力驅(qū)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(fēng)力（風(fēng)車）來驅(qū)動。當風(fēng)速為4米／秒時，電冰箱開始制冷；當風(fēng)速為7米／秒而風(fēng)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(fēng)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(zāi)的實踐，證明這種滅火機噴出氣體的風(fēng)力可達12級。

利用風(fēng)力發(fā)電，以丹麥起步最早。1910年，丹麥就已有數(shù)百座容量為5～25千瓦的風(fēng)力發(fā)電站。到上世紀50年代中期，丹麥有上千個農(nóng)莊利用風(fēng)力發(fā)電來照明并提供所需電力。美國曾經(jīng)制造過一臺發(fā)電能力達1250千瓦的風(fēng)力發(fā)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(fā)電能力達幾百千瓦的風(fēng)力發(fā)電站。

俄羅斯的空氣動力研究所，目前正在研制一種性能優(yōu)異的空氣渦輪交流發(fā)電機，用以提高“風(fēng)力汽車”對風(fēng)能的利用效率，它能使風(fēng)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(cè)建造5座風(fēng)力發(fā)電站，專門為即將投入運行的風(fēng)力電氣化列車提供所需的電力。

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

我國風(fēng)能資源的分布，大致可以劃分為四個區(qū)域：①風(fēng)能豐富區(qū)。我國東南沿海、山東半島和遼東半島及其附近的海島，內(nèi)蒙古北部和松花江下游地區(qū)，新疆和甘肅的部分地區(qū)。②風(fēng)能較豐富區(qū)。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(qū)，從東北的圖們江口向西，沿燕山北麓經(jīng)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(qū)，以及青藏高原的中部和北部地區(qū)。③風(fēng)能可利用區(qū)。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(qū)中部，黃河和長江中下游以及川西和云南的部分地區(qū)。④風(fēng)能貧乏區(qū)。除上述三類地區(qū)以外，我國的其余地區(qū)均屬于風(fēng)能貧乏區(qū)，主要是內(nèi)陸山地和盆地。