第四章 三、新能源的开发

人类目前利用的主要能源,是史前时期地壳变迁形成的。过去覆盖在地球表面的原始森林,在地壳变化时埋在地下,经过几百万年的炭化而形成了煤。石油和天然气则是在相同条件下掩埋在地下的动物尸体形成的。煤、石油、天然气不可再生,只会越用越少,而随着人类进入工业社会,人们对能源的消耗却越来越多。人类即将面临传统能源枯竭的威胁,因此未雨绸缪已成当务之急。

人类能源利用史上的一个重大转折发生在18世纪,这就是蒸汽机的应用。蒸汽机把蕴藏在煤中的能量转化为动力,应用于工业、交通运输等方面。在提高蒸汽机效率的过裎中,热力学得到了发展;热力学的发展又为各种热机效率的提高提供了理论基础。

人类利用燃料能源的主要阶段

资源利用

柴薪

石油

核能

出现年代

五六十万年前

2000年前

19世纪80年代

20世纪50年代

图示

柴薪

煤

石油

核能

19世纪电能的出现,为能源的利用开辟了更广阔的天地。人们根据电磁学的理论,制造出了发电机和电动机。在掌握了远距离输送电能的技术之后,电力成为方便、廉价、不受自然条件限制的新动力。

20世纪初,随着物理学在微观领域的进展,人们发现了原子核的裂变和聚变现象。物理学家的研究从理论上为核能的开发与利用奠定了基础。20世纪50年代,世界上出现了第一座核电站,标志着人类进入了和平利用核能的时代。

物理学是能源开发与利用的理论基础。物理学曾经为能源开发与利用做出过巨大贡献,在当今从以化石能源(煤、石油、天然气等)为主的常规能源时期,向以核能及可再生能源(太阳能、风能、生物质能等)为主的新能源时期的过渡中,物理学仍将发挥指导作用。

太阳能

光热转换在利用太阳能的各种方式中,技术最为成熟、成本最为低廉,应用也最为广泛。目前使用较多的太阳能热利用装置有两种:平板集热器和聚光式集热器。太阳能热水器、太阳能温室、太阳能干燥器等是平板集热器,也叫非聚光式集热器。反射式太阳灶、高温太阳炉是聚光式集热器。

非聚光式太阳能设备离不开“热箱”:箱体的四个侧面和底部都用绝热性能非常好的材料密封,箱的顶部用玻璃盖好,密封。太阳光透过玻璃射入箱内,涂黑的内表面吸收太阳辐射能而使箱内温度上升。玻璃可以阻挡箱内热量向外散失。这样,箱内温度会升得很高。

热箱可以做成“箱式太阳灶”。经大阳照射2~3小时,箱内温度可达150℃。这样的热箱能用来蒸馒头、蒸米饭,还可用做消毒箱。

图4.3-1
图4.3-1 箱式太阳灶

现在的新式太阳能热水器采用真空玻璃管集热。集热管是里外套着的双层玻璃管,外管透明、内管涂黑,内管里面是待加热的水,两管之间抽成真空,以在内管周围形成绝热层。阳光照到内管上,内管上的涂层吸收太阳能使管中水温上升。、

聚光式太阳灶把阳光反射后聚集到灶具上,可以获得比箱式太阳灶更高的温度,锅底温度可达400~ 500℃。这类太阳灶还可以安装跟踪器,用来调整聚光器的位置,使太阳灶始终对着太阳,获得充分的太阳能。

图4.3-2
图4.3-2 聚光式太阳灶

光电转换是指把太阳辐射的能量直接转换为电能的过程。太阳电池是光电转换的基本方式,技术已经成熟,应用较广。

图4.3-3
图4.3-3 太阳电池供电的信号灯。可以看到,这个供电组件是由许多单片硅太阳电池组成的。

太阳电池是1954年由美国贝尔实验室发明的。目前使用的太阳电池多是用硅半导体制成的。单片硅太阳电池受太阳光辐射时,工作电压为0.4~1 V,每平方厘米产生的电流为20~40 mA。实际使用中可以将几片或几十片单个的太阳电池串联或并联起来,构成太阳电池的组件,还可以将组仲连接成阵列,用于大功率供电。

太阳电池因使用简便,易于维护,适用于电子仪表、高山气象站、输油输气管道的维护等许多方面,尤其可以分散地用在高山、沙漠、海岛等地,这样可以避免铺设输电线路。90%的人造卫星和宇宙飞船都采用太阳电池供电。太阳电池不能大规模使用的原因是它的成本太高。为发展太阳能光电转换技术,科技人员正在改进制造工艺、设计新的电池结构、开发新的电池材料,力图降低制造成本,提高光电转换效率。

图4.3-4
图4.3-4 太阳能热电站的塔式集光阵

光化学转换是指将太阳能转换为化学能的过程。绿色植物的光合作用是光化学转换的主要途径。

绿色植物吸收太阳辐射的能量,以二氧化碳和水为原料,生产出有机物质并放出氧。这个过程就是光合作用。这个过程生成的碳水化合物(糖类),在生物体内供给生命活动所需的能量。光合作用把不能被生物利用的太阳能转化为可以被生物利用的化学能。

图4.3-5
图4.3-5 地球上的绿色植物是有机物的制造者,它们把太阳能变成化学能储存在自己的身体里。

太阳能也存在着明显的缺点。

1.分散性。到达地球表面的太阳辐射能虽然总量很大,但是能流密度比较低。

2.间断性。由于昼夜、季节、地理纬度和地形等自然条件的限制,以及天气等随机因素的影响,地球上接收到的太阳辐射是不连续的、不稳定的。

这对太阳能的大规模利用提出了挑战。怎样高效利用太阳能仍是科学研究的课题。

大家谈

如果同学家里装有利用大阳能的装置,可以去参观,讨论使用上的特点。

风能

风是由于空气的流动而形成的,风具有能量,是一种天然能源。风能蕴藏量丰富,可以再生,永不枯竭,没有污染,随处都可以开发利用。从短时间上看,风是忽大忽小、忽左忽右,具有不可控的特性;但从长时间上看,风能在一定程度上是可预测的、可利用的。总的来说,风的能量很大,全世界每年燃烧煤炭得到的能量还不到一年内刮风能量的1 %。风能是地球上可利用的重要的能源之一。

早在公元前2000多年,中国和波斯就开始利用风车提水,灌溉农田。到13世纪,风车已在欧洲得到广泛应用。1890年,丹麦制造了世界上第一台风力发电机。

图4.3-6
图4.3-6 荷兰古磨坊用的风车

风能的直接利用是把风能转变为机械能,例如利用风帆助航、多叶片风车带动水泵抽水、风力机带动锯木机等。

随着发电技术的进步,风力发电成为风能最重要的应用。风力发电场上安装多台大型并网的风力发电机,它们按照地形和主风向排成阵列,共同向电网供电。发电场上的风力发电机像庄稼一样排列着,人们常常形象地把它们叫做“风车田”。

风能突出的弱点是密度低、不稳定、地区差异大。但是,在重视环境保护的时代,使用风能这种“绿色”能源,对改善地球生态环境、减少空气污染有着非常积极的价值。

图4.3-7
图4.3-7 草原上的风电机

生物质能

由生物体产生的能量就是生物质能。生物质能是以化学能的形式储存在生物体中的太阳能,来源于植物的光合作用。地球上的植物进行光合作用所消费耗能量,占太阳照射到地球总辐射量的0.2%。虽然比例很小,但它是目前人类能源消费总量的40倍。可见,生物质能是一个巨大的能源,是仅次于煤、石油、天然气的第四位的能源。

图4.3-8
图4.3-8 生物质能循环图

生物质能主要来源于柴薪、人畜粪便、城市垃圾和水生植物等。除柴薪可以直接燃烧外,利用生物质能的技术还有沼气生产、酒精制取、人造石油的制造、生物质能发电等。现在全世界家用沼气池大约530万个,中国占了其中的92%。农村沼气池的主要填料是秸杆、牲畜粪便、污泥和水。建立以沼气为中心的农村新能源和物质循环系统,使秸秆中的生物质能以沼气的形式缓慢地释放出来,在解决我国农村能源方面具有巨大的潜力。

图4.3-9
图4.3-9 沼气的利用

生物质热分解是一项很有潜力的技术,可以制取人造石油、生物炭和可燃气体,使生物质得到充分利用。

目前,生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一。

地热能

地热能是由地球内部释放出来的内能。一般认为地热来源于地球深处熔融岩浆和放射性物质的衰变。地球内部是高温高压的世界,是一个大“热库”,蕴藏着无比丰富的热量。如果把地球上煤炭储量全部燃烧得到的热量作为1,那么石油储量约为8%,目前可利用的核燃料的储量约为15%,而地热能的总量则为1.7亿!

可以通过地下蒸汽、地热水(温泉)、地下干热岩体来得到地热能。地热能可直接用于采暖、水产养殖、温室养殖,以及医疗等方面。天然温泉与人工开采的地下热水,已经广泛使用。据联合国统计,世界地热水的直接利用远远超过地热发电,中国的地热水直接利用居世界首位。

图4.3-10
图4.3-10 我国西藏羊八井地热电站外观

地热发电是以地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术,基本原理与火力发电类似——用地下蒸汽推动汽轮机,再由汽轮机带动发电机。

地热电站的发电成本比火电、核电及水电都低;地热能比较干净,对环境的影响很小;发电用过的蒸汽和热水,还可以用于取暖、洗浴、医疗、化工生产等。

氢能

无论核能还是太阳能,都不便于储存和携带。目前迫切需要一种能替代石油、储量丰富、不污染环境的燃料。这种理想的燃料就是氢。

关于用纯氢作为能量载体的最早设想,出现在19世纪70年代法国科幻小说家凡尔纳(Jules Verne,1828 - 1905)写的科学幻想小说《神秘岛》中。凡尔纳借用小说人物之口,说道:“我相信总有一天可以用水来做燃料,组成水的氢和氧可以单独地或合起来使用。这将为热和光提供无限的来源,所供给光和热的强度是煤炭所无法达到的。所以我相信,一旦煤矿枯竭了,我们将会用水来供热和取暖。水是未来的煤炭。”

1960年,氢-氧燃料电池在阿波罗登月计划中的应用,为氢燃料的应用开辟了新的领域。1970年前后,许多科学家已经认识到氢能源将是解决能源短缺和解决化石燃料所造成的环境污染的有效途径。从此,氢能源的研究与开发受到关注。

氢的热值比化石燃料高,约是汽油的3倍。液氢的密度是汽油的1/10,便于携带和运送。氢燃烧的生成物是水,不会产生烟尘和有害气体,是一种非常干净的燃料。

图4.3-11
图4.3-11 实验用的氢燃料汽车

作为潜在的能源,氢能的开发利用需要解决两个难题。一个难题是氢的制备,需要一种价廉易行的方法;二是氢的储存和运输要比较方便。目前,科学家们对这两个难题已经做了一些探索。关于氢的制备,用电解水的办法可以得到氢,但是所消耗的能量会大于氢燃烧放出的能量,显然不合算。可以利用聚焦太阳能获得高温来分解水,从而得到氢,这是廉价制氢的最有希望的方法。关于氢的储存,有三种方式。一是气态储运,将氢气储存在钢瓶中;二是液态储运,将液氢储存在大罐内;三是“金属储氢”,就是使氢与一些合金发生化学反应,生成金属氢化物,这一反应是可逆的,在一定温度、压力下,金属氢化物将重新分解出氢供使用,这是目前公认最有前途的一种方法。

这里讲到了几种新能源,它们并不是新能源的全部。新能源与常规能源是一个相对的概念,随着科学技术的进步,它们的内涵会不断地变化。

STS

中国的风能资源

中国地域辽阔,风力资源丰富。我国可利用的风能资源约为1.6亿~2.5亿千瓦,列世界第3位。即使利用率为l/100,那也将是一个非常可观的能量来源。

我国有两大风带,即沿海风带和三北风带。沿海风带覆盖广西、广东、福建、台湾、浙江、江苏、山东,以及与这些省区相邻的华中各省。我国东南丘陵地带人口众多,煤炭、石油资源相对短缺,而城镇密集、产业发达,风能的利用有良好的前景。三北风带覆盖东北、华北、西北地区,其范围超过国土面积的一半。从风能利用的意义上说,这两大风带及其影响的地区波及我国绝大部分省区,使我国绝大部分省区都存在利用风能的可能性。

要准确地反映某地的风况,必须有足够长时间的观测资料。一般来说,需要有5~10年的观测资料才能比较客观地反映该地区的真实状况。为此,必须进行数量庞大的资料收集和计算。

对于缺水和交通不便的地区,利用风电无疑是解决能源和保护环境的一个重要途径,风电应是我国西部和沿海地区电力资源的重要组成部分。

问题和练习

1.了解周围家庭太阳能利用的情况。例如,有多少使用太阳能集热器的用户?他们通过什么途径利用太阳能?

2.调查本地市场上太阳能热水器的种类、构造、基本原理以及销售情况。比较太阳能热水器、煤气热水器和电热水器的优缺点。讨论各类热水器的发展前景。

3.分析风能的优缺点,分析我国哪些地区适合发展风电。

4.了解你所在地区是否有风能、生物质能或地热能的应用,写一份调查报告。报告要涉及利用的方式、经济效益等多方面的问题。

5.通过网络等途径,了解关于氢能利用的最新研究进展。

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发布时间:2020-1-26 17:20:16  阅读次数:286

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