能源发展对自然环境的影响因素及改善措施

刘建生

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，反而呈现更多的趋势，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

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。

一、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。

原生态的宜居环境

二、能源发展对自然环境的影响

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。

热力发电厂

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.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。

光伏电站

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，并与温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，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。

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。

风力发电

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。

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。

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，大量的热量被释放，并通过大气层外围向宇宙散失。

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。

三、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。

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。

城市建筑环境

城市环境可以通过人为进行合理调节来改善，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。

合理规划城市布局

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。

城市中的暴雨天气

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。

四、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。

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。

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。

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。

城市电力供应场站

五、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。

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。关于详细过程，在其他文章中有相应描述。

相变循环的合理利用

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。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。

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。

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。

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，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。

用于监测空气流场的气象气球

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。

合理的能源综合利用体系

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，为人类提供更好的生存环境。

作者系正高级工程师，中国工程院能源与矿业学部专家。