能源发展对自然环境的影响因素及改善措施

刘建生

The Impact Factors And Improvement Measures Of Energy Development On The Natural Environment

Liujiansheng

（China Datang Group Institute of Technology and Economics Co., Ltd Beijing 10040）

摘 要：能源发展能够改善工业发展、城乡经济，提高居民生活水平。不同能源的开发利用对自然环境有着不同的影响，一般认为环境恶化主要原因是化石能源过度应用，风电光伏利用则会改善自然环境。但近些年新能源开发逐渐增多，自然灾害并没有减少，反而呈现多变的趋势，本文从多角度对能源利用、环境变化等方面进行研究，提出合理开发新能源，研究更加高效的能源获取途径，通过能源开发改善自然环境，创造更加宜居的城乡格局是十分必要的。

关键词：能源；发展；自然环境；影响因素；改善措施

Abstract: Energy development can improve industrial development, urban and rural economy, and enhance residents' living standards. The development and utilization of different energy sources have different impacts on the natural environment. It is generally believed that the main cause of environmental degradation is the excessive use of fossil fuels, while the utilization of wind and solar power can improve the natural environment. However, in recent years, the development of new energy has gradually increased, and natural disasters have not decreased. Instead, they have shown a changing trend. This article studies energy utilization, environmental changes, and other aspects from multiple perspectives, proposes the rational development of new energy, and studies more efficient ways to obtain energy. It is necessary to improve the natural environment through energy development and create a more livable urban-rural pattern.

Keywords: energy; development; Natural environment; Influencing factors; Improvement measures

能源电力为国家社会发展做出了巨大贡献，“工业发展，电力先行”仍然是工业文明发展的表征之一，研究国家综合发展状况首先会看能源电力工业的发展，但能源电力发展推动工业发展的同时，也会对自然环境带来负面影响，并可能导致生态环境向坏的方向变化，这种影响有时是不可逆转的。

近年来，能源电力的快速发展对自然环境的影响已逐渐表现出来。庞大资本的介入，让风力、光伏等新能源建设过于火热，某些地区的自然环境已产生急剧变化，气象灾难逐渐增多，上述问题已得到了部分专家学者的关注，但如何破局，仍需要进行大量的研究实践。

1.自然环境的形成

地球环境由陆地和海洋组成，并与包容这个世界的大气层是一个整体。太阳光到达地球，首先到达大气层，对大气层和地表、海洋进行辐射加热，大气层被加热之后，在地球表面形成一个温暖的大气屏障。在地球引力的作用下，高密度的空气位于地表，并在地表形成较高的温度，为人类和自然界的动植物提供了一个良好的生存环境。

空气由氮气、氧气及少量的其他气体组成，空气吸收太阳光的辐射热量，并作为热容器，在地表周围形成温暖的温度带，这些构成了我们的生存空间，形成人类社会赖与生存的城市、乡村环境，因此保护地球，保护我们的生存环境是十分重要的。

在农耕文明时代，人类的活动对自然环境的影响较小，但在进入工业革命之后，蒸汽机等机械设备的大规模应用，大量的煤炭、天然气等化石能源被消耗，造成大量的二氧化碳等温室气体被排放，对自然环境造成了不可逆的影响，大气环境受到破坏，地表气温不断上升，已逐渐对人类生存，对社会发展产生不利影响。

2.能源发展对自然环境的影响

2.1 热力发电对环境的影响

无论燃煤或燃气发电机组，大量的煤炭、天然气被消耗，造成大量的二氧化碳排入大气，二氧化碳是温室气体，会造成气温上升这已是人们的共识。另一方面，对于燃煤发电机组，在热力循环过程中，会有大量的热量排入大气，一是汽轮机低压缸排汽损失，一是烟囱排放的高温烟气，两者占化石能源总热量的50-60%。对于目前动辄百万机组，排入大气的热量也将达到百万千瓦，对于大中型城市周边环绕的千万发电机组，也将受到千万千瓦热量的影响，并且这一状态是后天形成的，并且是连续的。

核电的能量来自于原子间的撞击、裂变过程，产生大量的热量用于发电，后置的发电流程和煤电的火力发电过程是相似的。核电由于污染物排放很少，一般被称作清洁能源，发出的电通过线路送到各个城市，也会有大量的电力在城市工业生产、居民生活中消耗，最终大部分形成热量排入到大气环境中，造成城市形成一个大的热源。

千万千瓦发电机组发出的电送入城市，并消耗到工业生产、居民生活中，如夏季空调降温，厨具使用，除极小部分被工业储能、化学工艺利用外，绝大部分会形成剩余热量排入大气环境中。这样就会有两千万千瓦的热量留在城市及其周边，基本和化石能源的总热量相当。这部分庞大的热量会笼罩在城市，并形成热岛效应，把城市变为热浪滚滚的熔炉，严重影响人们的生存和生活。

城市热岛效应，会造成城市级上部温度升高，空气密度下降，气压降低，与城市外围及远处形成较大的空气压差，外部的高密度低温空气对城市空间形成挤压，形成快速的气流流动，形成大风、飓风，并将空气中的水蒸气快速凝结，形成暴雨。如果高空零度以下的低温气流在高速气流的裹挟作用下到达低层，就会快速形成冰雹，造成更为严重的城市自然灾害。如果城市位于山区，就会形成暴雨、泥石流、洪水的严重的自然灾害。

2.2 光伏发电对会环境的影响

小量光伏的安装对自然环境的影响较小，大量光伏的安装会对自然环境和生态带来一定的影响。太阳光照热量到达地表，并通过反射、折射等作用加热大气层的空气，形成热量平衡。在安装光伏之后，这部分太阳光被部分吸收储存，并通过电力线路送至城市。

按当前光伏发电设备效率，约有超过20%的光照辐射被吸收，会造成该处地表温度的降低，同样会引起空气密度的逐渐升高，并与城市等空气密度较低区域形成空气对流，改变原有的大气流动方向和大小，形成局部空气环流（如图1），对自然环境造成影响。如某些地方因降雨减少土地沙化，农田荒芜，某些地方由沙漠变绿洲，也和大面积的光伏建设有关。近些年某些正面报道较多，荒漠成绿洲一方面和光伏的阳光遮挡，地表温度降低作用有关，另一方面则和大气流动方式发生改变有关。

光伏发电后的电量送至城市，造成城市热量的增加，热岛效应更加严重，城市内部及周边的原有的大气环境受到破坏，并形成大风、暴雨等新的自然灾害。

图1 局部空气环流的形成

2.3 风电对环境的影响

风电会对大气环境及自然生态产生不利影响，这已得到社会的共识，大面积，数百万千瓦风电，千万千瓦风电基地的建设，对自然环境的影响更为深远。

首先风电杆塔动辄100多米，尤其是大型风电机组，杆塔与叶片的组合高度达到200-300米，会对北方广袤的大风形成阻挡作用。300米以下的气流被阻挡，会形成原有气流上扬，边界层变高，冬季冷空气升高，上部空气密度升高，会造成城市上部高密度气流下降，影响城市地表及高空的环境温度，改变原来的雨、雪频率及降水量。

其次，风机的阻挡作用，造成地表低空气流速度变慢，在风机群后部形成阻滞区，对后部的城市造成一定影响，风力显著变小，雾霾天气增加。当然，如果通过风力机组运行方式调节，通过风机的停备、运行可以对该状况进行改善。

同样与光伏发电一样，风机发电后的电量送至城市，造成城市热量的增加，热岛效应更加严重，城市内部及周边的原有的大气环境受到破坏，形成大风、暴雨等新的自然灾害。

风机的大量安装会对原始生态带来不利影响，高大的风机对鸟类的正常迁徙带来不可逆转的影响；风机的低频噪声会造成动物减少，甚至灭绝，同样低频噪声也会对草木等植物生长造成不利影响。

2.4 人类社会发展对自然环境的影响

对于整个地球环境而言，人类改造自然、各项生存活动均会改变自然环境，在农耕时代影响较小，但到了工业革命以后，大量的化石能源、原子能源被使用，新能源发电的增多，这些电量集中到城市消耗，造成城市及周边的热量巨幅增加，形成过热型城市（图3）。

图2 电站电量转化为城市热岛效应

由于城市空间空气密度下降，会造成其他地区低温高密度气流的冲击，当前全球大中型城市骤增，造成地表城市热点增多，环境越来越复杂。整体而言，近300年地球大量化石能源被开发利用，大气环境从一个相对稳定的平衡状态向不平衡状态过度（图3），大量的热量被释放，并通过大气层外围向宇宙散失。

图3 人类社会发展中地球热量的变化

在地球整体热量向大气散失中，会在热量集中区域形成多个热点，并会影响大气对流层、平流层、中间层的流动，破坏原有的平衡结构，并会在人类所居住的对流层形成大规模的热量转移。在对流程热量转移中，空气密度、气压、温度等均会发生剧烈变化，改变原有的平衡，造成含有大量水汽空气云层活动频繁，产生雷暴、暴雨、飓风等恶劣天气，对人类居住的城市、乡镇产生不利影响，形成严重的自然灾害。

3.通过城市格局和能源结构改善环境

大中型城市人口众多，一旦发生暴雨或连续降雨将会造成那个巨大的经济损失，但由于城市电力能源消耗量大，大量的电量最终变成热量散发到外界环境中，最终造成整个城市的温度升高。温度升高后热气上升，并会改变大气流动。冷暖气流的交互作用，就会形成严重的天气变化，带来大风大雨。

3.1 城市格局的影响

随着自然科学研究的不断进步，通过城市规划改善生存环境越来越得到重视，关于优化城市格局在十多年前专门写过一些文章，主要是通过对城市街道、楼群的合理设置，改善城市风向、风量，形成更加舒适的环境。如根据风向设置街道，通过楼群建设进行分流，合理设置公园，景观带，利用水系改善环境等等，并通过城市大气流动分析，热量分析合理进行布置，来改善环境。

城市环境可以通过人为进行合理调节来改善（图4），通过建设楼群，合理布置高低楼群，街道，让城市阳光、风力、水资源得到合理分配，居民的生存环境将会得到改善。这些还未在当前的城市规划中获得应用，无序建设造成了城市环境复杂，某些地区夏天局部过热，冬天过冷现象突出，严重影响居民的舒适度。

图4 合理规划城市布局

3.2 能源结构的影响

在当前的技术条件下，合理布置能源电力位置已成为可能。在发电厂、光伏站建设前进行规划，并将对自然环境的影响作为一个专有课题，对周边城市布局、山川河流进行合理分析，做预见性的前期工作是十分必要的。

如通过对光伏、风电发电集群对环境的影响进行评估，核算对大气环流带来的影响，并合理调整位置和容量，减小对城市的影响，通过能源电力合理的规划建设，来改善对城市环境。

当前很多城市出现很多的暴雨、雷暴甚至冰雹天气，造成街道被淹。造成了巨大的经济损失，这些都和风电、光伏的无序建设息息相关。大量资本的涌入，造成光伏产业急剧膨胀。光伏场站的大量出现，造成城市周边的山脉、山地及丘陵被光伏所覆盖，该处气温降低，高气压形成对城市的不断冲击，城市上空云层既有构成受到破坏。城市高空气流的交错、撞击造成雷暴，大规模的降雨，并形成很多的次生灾害。这些暴雨呈现出明显的规律性，如大风暴雨天气多发生在傍晚时分，当时太阳落山，大气温度急剧下降，会形成各种不同方向的大气流动，气流云层的活动造成雷暴，暴雨，在城市及周边形成大量降水，导致城市被淹，农田被破坏。

如果合理利用光伏新能源建设，并能够利用光伏支架进行调节，对城市周边的大气流动进行检测，开发卫星气压、气流遥感装置，就能营造更加合理且宜居的生存环境。

对于风电对自然环境的影响，前面已有所提及。风电的合理利用，在合理的条件下适当的弃风弃电也是必要的。

4.构建合理的新能源利用方案

光伏、风电新能源利用对能源电力工业生产产生着不可或缺的推进作用，合理开发利用是最关键的，当前新质生产力发展的关键就在于此。

4.1 建立新能源建设的评估

当前光伏、风电新能源建设基本处于开放状态，地方能源审查机关，建设单位更多考虑原有火电项目的各种内外部条件，对建设投产后的环境影响评估是明显不够的。

即使在西部广袤的沙戈荒地区，也应做全面的生态影响评估，使光伏、风电建设趋于合理。尤其是光伏建设，在现有技术条件下，在建设后难于调节，大面积的光伏建设，将会对光伏区域上部的大气环境造成严重影响。因辐射热量减少该处上空温度降低，会造成空气密度增大，并形成初始风力，并会在空气流动的过程中形成加速度，在远处形成八级九级，或十级以上更强的风力，如果接近城市，将会造成灾难性的影响。

反之，在部分山区、荒漠地区合理选择区域，通过适量的光伏建设，还能对大气环境起到改善作用。如增加部分城市的风力、雨量，长期提供舒适的生存生活环境，提供有利于农作物生长的多雨环境。

4.2 新能源发电的合理调配

在光伏风电建设后，对于光伏发电，风力发电，可以通过合理调配改善环境。如对于风电，停运后有利于空气气流的顺利通过，大风来临时投运可以起到一定的阻滞作用，为后部城市提供一道人工屏障，并能进行调节，这对城市环境是有利的。

4.3 改善城市生态环境

建立完善的城市规划建设体系，通过城市建设形成风力供应廊道、水资源渠道，建设完整的城市环境监控和调节体系，并与新能源的投运调配进行合理配合，有利于改善城市区域的人居环境。

通过对风电、光伏的合理规划、建设，并进行调节，为某些省份、区域的农业发展区域提供更好的风力和雨量供应，甚至改善西北地区，沙戈荒的地区的自然环境，为恢复、重建当地生态创造条件。

5.研究发展更加合理的能源供应体系

由于当前的自然环境和社会环境已经形成，最为合理的能源供应体系应在现有状况进行统一规划，并使之向更好的状态发展。积极研究新型能源供应方案是十分必要的，通过从环境中获取能源并在利用后进行释放是最为理想的途径，如建筑空调消耗电力，将室内热量排到室外，室外的热量会缓慢通过墙壁返回室内。对于风电、光伏等新能源，应进行全面统筹，形成更好的人居和自然生态环境。如西部干旱缺水地区，应建立水资源节约、复生的供应环境，通过引入气流，带入更多的雨量和风量。

5.1 研究新型能源供应技术方案

在上述条件下，个人认为应更好的研究发展新质能源供应体系，利用水体或新的冷媒进行能量的转换，以最小的环境影响提供更多的能源供应，并形成良性循环。这就要利用水或其他工质的相变规律。假设环境温度40℃，通过建立真空，在低压下利用水的相变从环境中吸取热量变为蒸汽1（约40℃），由于水产生相变，1kg水将吸收2400kJ的热量，然后用其他方式将蒸汽温度升高至200℃（将吸收220KJ的热量），形成蒸汽2，在略低于该温度190℃下通过表面式加热器对部分蒸汽1进行加热，形成190℃的蒸汽3（压力温度均得到升高），利用蒸汽3推动轮机做功，产生一定的电力，这部分电力一部分用于提供200KJ的热量用于维持循环，另一部分用于供电。

如用研究采用其他冷媒工质可以实现更低环境温度下的热量交换，通过工质相变技术，将低位能源转换为高位能源，将大气环境的中的热能，转化为能够多维度利用的电能（图5）。通过以上方式，实现从城市空间获取冷源或热源，降低室温或提供暖气，利用之后再放回自然环境中，不改变原有的自然平衡，减小对自然环境的影响。

图5 空气能源转换框图

为了更好的对城市环境进行调节，需研究开发以省份、国家乃至全球大气环境的软件，通过CFD模拟软件对各种能源供应方式进行模拟、规划，并在运行中进行调节，更好的利用社会资本，避免某些产业无需发展，最终实现能源的合理供应，为人类提供更好的生存环境。

5.2 避免化石能源的大量利用

在新技术尚未研究开发或技术尚未成熟阶段，利用化石能源用于工业发展和城市建设是时分必要的，但要逐渐减少化石能源的应用，适当减少碳排放，这和维持人类的生存环境息息相关。如温室气体排放过多，地表温度升高，海平面上升，沿海城市将会面临巨大危机，当然我们也可以着手在沿海沿线和重要城市建立隔离带，如提前规划建设百米高的围护大堤，改变地表的河流湖泊以降低影响。

化石能源的利用其实是在攫取地球亿万年前所储备的资源，这些资源储存在地表以下并固化或液化。这些资源被取出并加以利用，如煤炭、石油或天然气，是不可再生的，除了能源供应，还要利用其提供更多的生产生活原料，所以减少化石能源的使用也是必要的。

5.3 大气环境监测手段研究的必要性

在化石能源，风电、光伏等能源开发利用较少的情况加，虽然有寒流低温流动、夏季海洋气候的影响，大气环境整体呈一个相对稳定的状态。海洋、湖泊蒸发形成的水蒸气上升至天空的对流层，形成透明的水蒸气，并在预冷凝结后表现为不同的云层，在更低的温度下，随着水蒸气的逐渐增多形成较大的水珠，并落到地表形成雨。

在能源被大量获取利用后，城市热岛效应、新能源温变效应，大气环境变得更为复杂，气流温度变化导致空间中气压发生急剧变化，在水蒸气并没有转化为云的情况下突然预冷，造成局部地区产生大雨、急雨天气。由于水蒸气未能在天空形成云，所以天气监测困难，常规的卫星观测手段受到限制。目前人类尚未掌握高空中空气的压力、温度、密度和水蒸气含量的手段，造成近些年天气预报不准，大雨大风电气无法进行准确的预报，降低暴雨冰雹等气候带来的危害。

综上所述，深入对大气环境进行研究显得尤为重要，只有掌握了空气的具体情况，才能更好的进行预防，并通过各种手段进行调节。气象气球布设成本较低（图6），是研究不同高度大气压力、流速的有效方式，通过安装传感器可以实时监测大气中水蒸气的含量，通过数据分析、对流畅进行模拟，可以实现更加精准的对环境进行分析，对风雨天气更好的进行预测。如在城市周边网格化布设气球，实时对空气流动状态进行数据采集研究，能更好的对恶劣天气进行预警，准确的估算雨量、风力，并采取各种有效措施。在全国或更大范围内布置气球对空气流动状况进行监测，通过大数据分析，则能更好的掌握全国气压、风力、日照、雨量的分布，形成一个更全面的数据网，更好掌握气象情况，使有效的预警减灾成为可能。

随着技术进步，卫星遥感技术也将深入，逐步开发远程测试技术，对大气流动通过光谱，微观波纹变化对流速、密度进行分析（图7），结合空间三维对地表至一定高度的云层的微观状态进行研究。通过数据整合，对大数据进行加工处理，对不同区域的大气流场进行模拟，对一定时段大气流动方向的预测，能够实现对天气更加准确的预报。并能根据预测情况为新能源发电的调节控制提供依据，最终实现大气流场趋于合理，减小南部地区等的风雨和洪涝灾害，最终将富含水汽的湿润气流引向西部、西北等内陆干旱地区，从而改善自然生态环境。

图6 高空气球传感器测量流速、密度 图7 卫星高空探测器利用空三数据分析风速

5.4 研究发展能源综合利用体系

为了更好的对城市环境进行调节，需研究开发以省份、国家乃至全球大气环境的应用软件。通过软件对大气流场进行分析，对各种能源供应方式进行规划，实时对各区域大气环境进行CFD软件工程模拟。通过模拟结果实现对风电、光伏等发电产业进行合理布置，用于改善新能源利用布局，并在运行中进行实时调节。如通过停运城市周边运行的风电机组，增强城市通风；调节光伏的电力供应，提高该区域空气的温度；适当调节降低夏季炎热时期城市周边工业产能，减小城市的热岛效应等。

因此对自然资源进行统筹，更好的利用社会资本，避免某些产业无序发展是十分必要的。通过对光资源、风资源的的利用，研究新型能源电力获取方式，最终实现能源的合理供应，不仅能够获取所需的能源电力，还能改善城市自然环境，优化城乡、山区、湖泊等地区的生态结构，为人类提供宜居舒适的生存环境。

参考文献

无

作者简介：

刘建生(1977-)，男，河北唐山，本科，正高级工程师。研究方向：主要从事汽轮机、燃气-蒸汽联合循环机组的设备管理工作。

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中国大唐集团技术经济研究院

作者系正高级工程师，中国工程院能源与矿业学部专家。