书城科普读物新能源(科学探究丛书)
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第19章 开发节能新技术造福人类(2)

能源经济效益不断提高,单位产值能耗逐年下降。1990年每万元国民生产总值(GNP)耗标准煤5.32吨,比1980年的7.64吨下降了30%,年平均节能率3.6%,10年累计节能2.7亿吨标准煤。1991年节能2200万吨标准煤,1992年节能8000万吨标准煤,12年累计节能3.7亿吨标准煤。

能源消费增长率显著降低。1981年~1990年间,能源消费年平均增长率由前28年的9.34%,下降到5.06%,而同期的GNP年平均增长率相应由5.8%上升到8.9%,因而使能源消费弹性系数由前28年间的1.62下降到0.57。主要耗能产品单耗有所下降。10年间国家考核的83项重点产品能耗指标中,有67项下降,占80%,降幅1%~53%。

建成一批节能项目和生产能力,加快新能源开发和农村节能。

2.节能政策政府及时制定了“开发与节约并重,近期把节约放在优先地位”的方针,确立了把节能作为一项长期战略任务的地位。这是指导节能工作的总方针。在贯彻执行节能中的具体政策主要有:调整产品、产业、企业结构,实现结构节能;制定产业政策,规定在一定时期内发展、限制或淘汰的产品、工艺技术、原料路线、生产规模等;发布节能技术政策;能源替代和压缩烧油政策;经济扶持和节能效益与个人分配挂钩政策,包括节能项目予以低息贴息贷款,节能产品定期免税,对节能有功人员发放节能奖金;科学管理,在完善定额、标准、能量审计的基础上,重点开展全能量系统管理。

3.节能措施节能措施除20多条法规、条例外,主要包括两大方面,一是建立节能体系;二是制定节能管理法规、标准。

已实施的法规、标准主要有《节约能源管理暂行条例》、《关于进一步加强节约用电的若干规定》、《关于基本建设、技术改造工程设计增设节能篇(章)的规定》。

4.节能潜力中国能源利用效率仅30%左右,与发达国家比,目前宏观节能潜力约3.5亿~4.0亿吨标准煤。如果工作得力,中近期内拿下一半,即2亿吨左右标准煤的潜力是可以预期的。

节能潜力在哪里呢?按主要耗能设备或工艺系统分:工业锅炉(潜力3000万吨标准煤);工业窑炉(潜力3500万~4000万吨标准煤);余热、余能回收(潜力3000万~4000万吨标准煤);炼油、交通运输(潜力2000万吨标准煤);风机、水泵节电(潜力800万吨标准煤);建筑节能(潜力1000万吨标准煤);民用、市场(潜力1500万吨标准煤);乡镇工业(潜力1000万吨标准煤)等。

按耗能产品分:如炼钢吨钢能耗下降0.15吨标准煤的节能潜力为1600万吨标准煤;电力供电煤耗下降60克/千瓦时潜力为5000万吨标准煤;合成氨耗能大厂降0.1吨标准煤,小厂降0.3吨,潜力为800万吨标准煤。

大力研究开发节能新技术能取得明显的节能效果

1.电力电子技术的推广应用带来极大的节能效益

应用电力电子技术改造传统设备,单台节电率平均可达20%左右。如在全国推广,节电量将达500亿千瓦时,相当于全国总发电量的1/10。

采用巨型晶体管(GTR)等功率集成器件的交流高效调速装置,可使风机和泵类设备调速运行的耗电量比传统的节流方式要少30%左右。我国现有风机和水泵2000多万台,总耗电量占全国发电量的30%以上,其中70%靠调节挡板或阀门变流量运行。如有1/3改造为调速运行,即可节电150亿千瓦时。如果交流电力机车也采用变频调速,可节电近30亿千瓦时。

用栅极可关断晶闸管(GTO)开发的直流高效调速方式的载波调波装置,以取代电阻器,用于城市电车、工矿电机车和电瓶车调速运行,可节电20%左右。沈阳市改造了500辆无轨电车,年节电400多万千瓦时。如将GTO载波技术推广到全国,则可节电10亿~30亿千瓦时。

采用静电感应晶闸管(SITH)或功率MOS场效应晶体管(MOSFET开发的)、能可靠地工作于50kHz的高频镇流器替代工频电感镇流器,可节电20%以上;若用稀土三基色高效荧光灯和电感镇流器则可节电50%。我国照明用电占全国总发电量的8.0%以上,如能改造2/3,则可节电130亿千瓦时。采用MOSFET开发的逆变式电焊机,电工频交流和直流弧焊机节电30%~40%,省材3/4。改造1万台直流弧焊机则可节电1亿千瓦时。若使工频电炉高频化,则效率将由50%提高到70%以上。

采用不对称晶闸管(ASCR)或MOSFET、SITH,使中频电源高频化,不仅可提高电热转换效率,而且可扩大应用领域。我国正在运行的12000台标准高频电炉(以100千瓦为基准),由于高频振荡器仍沿用电子管,因此,整机效率只有50%左右。若用静电感应晶体管(SIT)代替电子管,则效率可达80%左右(其中高频功率转换效率可达90%左右),微观节电30%~40%,宏观节电量达10亿千瓦时左右。

全国配电变压器若有70%配装无功补偿自控装置,则可节电100亿千瓦时。

若采用双向晶闸管(BSCR)开发大功率交流过零无触点开关,不但可大大降低用电设备的起停冲击能耗,并可延长设备的使用寿命。

2.建筑节能大有潜力可挖世界各国对建筑节能都非常重视,把改善建筑物的保温隔热物作为控制和降低能耗的基本有效措施,并制定了建筑节能法。

实践证明,建筑物通过外墙损失的热量占建筑物总能耗的35%~49%。

对于采暖建筑而言,关键是室内热量储存的时间应长。因此,许多国家除了发展低能耗墙体材料以降低能耗外,都非常重视外墙的保温隔热性能,以降低采暖的能耗。国内外经验证明,提高建筑围护结构的保温性能,是减少建筑物热损失的最经济有效的方法。

在建筑节能领域已经出现了许多新技术和新产品。例如,“涂上复合涂料的窗户”,冬天可把热引进来,夏天又使阳光射不进来;“相变材料”,可贮存和放出大量热能,白天蓄能晚上放能,使室温稳定;“可变换窗户”,按能量需要,用电子方法使窗户变暗或变亮;“塑料管和全息照相涂料”,把阳光引至大楼深处,减少人工照明;“超绝热房屋”,用身体、灯泡和器具的温热来加热房子等。

一些国家根据各自的需要,在建筑节能方面进行了探索,并建造了几座新型的节能建筑,现介绍如下:

(1)节能大厦

美国将投资700万美元,采用先进技术在佛罗里达州建造一座面积2万平方米、耗能很少的节能大厦。

节省能源首先从光线着手,整座大楼的设计都是以取得最多的自然光为目标,采用超级窗户,窗户的玻璃既可让光线几乎完全透过,又能产生隔热作用,使电灯和空调的耗电量大减。

新大楼装有感应器的光管,电灯能按室内光量度变化而自行调节光线强度,而且当房间内无人时,感应器会自动切断电源关灯,到有人再进房时再自动亮灯。

其他新式设备还有高度绝缘的墙壁和天花板,反射热量的屋顶和外墙,以及高效能的空调系统等。

(2)能量管理住宅

日本九州电力公司电力综合研究所建造了一栋所谓能量管理住宅。该住宅结构为八角形,表面积比传统结构的住宅减少约10%,在屋顶内、地板下均装有冷暖气循环系统,所采用的绝热、保温材料厚度比现有住宅增加一倍。此外,在屋顶上安装整体屋面型太阳能发电板。整个住宅的耗能比传统住宅约减少40%。

(3)生态能源住宅

我国浙江永康唐光镇金畈村,有一幢用玻璃马赛克装饰一新的三层平顶楼房,这是我国第一幢生态能源住宅楼。它占地111.9平方米,三层砖混凝土结构。住宅地下建有沼气池、过滤井、净水井;底层设禽畜圈、水泵房及工副业生产用房;二层建有厨房、卧房、客厅和卫生间;三层为学习、娱乐和科研用房;屋顶按防渗漏标准要求施工后,上面培土20厘米,建成屋顶高质量菜园。屋顶种菜养花,肥水怎么解决呢?原来,在屋顶建有一沼肥贮存池,池里黑呼呼的液体就是肥料,它是用小水泵从地下沼气池中抽上来的沼液,是一种优质的有机肥,一扭开关就自动上来了。如遇天旱,打开另一个阀门,可以人工降雨浇灌、滴灌或自流。这幢生态能源住宅楼,以沼气为纽带,5根大小不等的室内管道搞循环,厨房废水、下脚料作饲料,人畜粪便自动流入沼气池。厌氧发酵产的沼气,用来点灯、烧饭。沼气渣做肥料,生活污水打上去沉淀后浇菜。

到盥洗室打开水龙头,热水即流出,原来是屋顶安装了圆钢瓶般的太阳能热水器,供应家庭热水。只要天晴,寒冬腊月照常可舒舒服服地洗上热水澡。

这种由人、生物与居住环境空间构成良性循环的农村住宅,具有良好的社会、经济、生态、能源效益。

建筑中,窗户关系到房屋的采光、保暖,与节能有密切关系,所以一些国家的各种节能窗相继问世。

(4)节能玻璃窗美国加利福尼亚州圣地亚哥的九层楼公共住宅,由于采用了大型玻璃窗,不仅海洋和街道的景致显得更优美了,更由于改进了窗户玻璃的安装角度,在节省能源方面显示了良好效果。这种玻璃窗的下部是垂直的,可开可关,其上方向外倾斜,顶部角度为45°,并且一直伸至天花板附近。倾斜45°部分的玻璃为双层玻璃,并使用着色玻璃。在玻璃窗垂直部分的下方,有一混凝土的层檐,其厚度为1米,伸出长2米,起到支持下一层楼的倾斜45°窗的上部和屋檐的作用。

省能的效果表现在:寒冷时,从较低角度射入的太阳能,几乎全部透过玻璃进入室内;中等气温时,太阳热量从倾斜的玻璃表面部分反射至下方,被下部的混凝土屋檐吸收,夜间可释放进室内;夏天高照的太阳光被屋檐遮住,不能进入室内,而西照的阳光又被倾斜的窗户反射到下方,故热量向室内的侵入较少。

此外,这个建筑物又由于积极地采用了利用太阳热的冷暖气设备,估计所耗能量约为同类建筑物的70%。

(5)玻璃窗装上太阳能电池板

瑞士联邦工学院研制成功一种新型透明太阳能电池板,它装在窗户上可使太阳光能变成电能,这种太阳能电池板成真空管热水系统本只为现行的硅基太阳能电池的1/5~1/10,但效率却完全一样。该成果已获专利。这种电池板夹层的配置(上层为碘基电解质溶液,中间为染料层,下层为二氧化钛半导体薄膜)原理与植物通过光合作用从光中获取能量制造其养料的原理相似。

该太阳能电池板的优点是,除了构成夹层“面包”的专用传导玻璃(涂在玻璃内面上还有氧化锡导电薄膜)外,该板完全是用普通材料制作的。此外,这种太阳能电池板易于安装,用约2个小时即可。

(6)太阳能中温集热器

据称,该太阳能电池板能将照射在其上面的阳光的7.1%~7.9%能量转换为有用的电能,每平方米的这种电池板产生约150瓦的电能。据介绍,一般硅电池板的每瓦成本在400美元左右,而瑞士的这种太阳能电池板的每瓦成本只为40~80美元。

英国研制成功一种新颖的玻璃窗式太阳板。不用玻璃,而用一块新型的透明太阳板,把它安装在建筑物的窗户上,就可使建筑物的热效率更高。这种太阳板比目前的硅太阳电池,要便宜80%~90%,而光变电的效率是相同的。这种多层排列的太阳板,也是模拟植物的办法,即通过光合作用把阳光当做养料。

(7)高级节能塑钢窗这是一种用导热系数较低的改性PVC材料、腹腔内铆嵌槽钢组合而成的单扇双玻璃保温型钢窗。它有密封性和隔音性好、刚性强、防腐蚀、易清洗、保温节能、启闭灵活等特点,可在-40~70℃条件下使用不变形。这种门窗在西欧、美国、澳大利亚、日本等国家使用呈上升趋势,目前已达20%。目前,我国沈阳市辽青塑钢制品厂已投入生产,质量达国内同类产品先进水平。

3.开发高效节能灯具取得明显节能效果民用照明耗电量在各国发电总量中均占有一定的比例,如我国约占全国发电总量的7%左右,而美国占了电能消耗总量的25%。在相当长的时期内,人们照明使用的大多是普通白炽灯,由电能转化为光能的转化率只有5%,所以各国均寻求节能灯具,积极进行开发研制。现在,经过几代变革,已经发明出许多节能灯具,为节能作出了很大贡献。

(1)白炽灯的节能发展

白炽PAR灯:这是利用铝反射器将白炽灯的光线集中到某一立体角内进行照明,提高了光线的利用率,但并没有从本质上改变白炽灯的光效和寿命。

卤钨白炽灯:提高了灯丝的工作温度,光效由普通白炽灯的每瓦10流明左右提高到每瓦20流明以上,同时由于灯内充有含卤素的混合气体进行卤钨循环,大大延长了灯丝寿命,达到白炽灯的两倍以上,而且体积小,有利于照明设计。但由于工作电压低,必须配变压器才能工作,影响推广使用。

卤钨PAR灯:用卤钨灯作为灯芯制成PAR灯,保留了卤钨灯的一切优点,直接使用可节电,与使用普通白炽灯一样方便,克服了低压卤钨灯的缺点,同时又提高了光线的利用率。奥斯兰·斯凡尼亚公司声称他们生产的60瓦卤钨PAR灯可替代150瓦白炽PAR灯,节能60%。

红外反射膜卤钨PAR灯:利用涂在玻璃壳上的一种选择性反射膜,可将灯丝发出的光的红外部分反射回灯丝,并为灯丝所吸收,而可见光可顺利透过,从而进一步提高了光效,寿命也更长,而且输出光为冷光。GE公司生产的这种灯,寿命延长50%,光输出多33%。

(2)荧光灯进一步向节能化发展荧光灯的电能转化为光能的转化率比白炽灯高得多,但也在不断改进中,发展节能型荧光灯的趋势是减小管径,而且又有新的品种。

紧凑型荧光灯:这种灯的光效比普通荧光灯提高20%,显色指数达到80以上,体积小,寿命达1万小时。我国有多种产品。

反射紧凑荧光灯:Lumatech公司生产的这种灯,外形与PAR灯相似,螺口接头,灯芯用四管紧凑型荧光灯,反射罩和透镜都用计算机设计,反射罩由许多小反射面构成,现有5瓦、9瓦、13瓦、19瓦等,13瓦灯的光输出可替代100瓦白炽灯,可节能85%,寿命长5~10倍。GE公司生产的反射紧凑荧光灯,节能75%,寿命1万小时,显色指数为82,功率因数大于0.90,谐波畸变小于33%。

(3)高强度放电灯的发展已成热门

高强度放电灯作为大功率、长寿命、高光效照明光源最近几年发展也很快。它从高压汞灯、高压钠灯、f低压钠灯、金属卤化物灯发展为紧凑型金属卤化物灯。