現(xiàn)代新能源

現(xiàn)代新能源 現(xiàn)在隨著 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的利用和開(kāi)發(fā)成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的科技水平的標(biāo)準(zhǔn)。所以各個(gè)國(guó)家高度注重科學(xué)的使用能源，開(kāi)源節(jié)流，開(kāi)發(fā)新能源，節(jié)約現(xiàn)有能源，提高現(xiàn)有能源的利用，調(diào)整和優(yōu)化原結(jié)構(gòu)，降低燃煤在能源結(jié)構(gòu)中的比例，節(jié)約汽油資源，加強(qiáng)科技投入，加快開(kāi)發(fā)水電核電和新能源。由于能源問(wèn)題得不到良好解決，而造成現(xiàn)在戰(zhàn)征的突發(fā)和經(jīng)濟(jì)危機(jī)的出現(xiàn)。 為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，滿足不斷增大的能源需求，目前人類(lèi)正在探索的新能源有；核能、太陽(yáng)能、海洋能、氫能、地?zé)崮堋⒊毕?、風(fēng)能等。這些新能源的特點(diǎn)是資源豐富，有些可以再生，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染或污染小。 核 能 1905年9月，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論，并在他的題為“物質(zhì)的慣性與他的能量有關(guān)嗎？”的論文中，揭示了質(zhì)量和能量的關(guān)系，提出著名的質(zhì)能公式E=MC2這就從理論上預(yù)言原子能內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大能量，能否開(kāi)發(fā)和利用這些巨大能量？當(dāng)時(shí)很多人抱有悲觀的能量，甚至連大科學(xué)家們也認(rèn)為“通過(guò)原子變換去探索能源，那簡(jiǎn)直是無(wú)稽之談?！?然而，人類(lèi)的認(rèn)識(shí)是不會(huì)停滯的，科學(xué)技術(shù)必然是不斷發(fā)展的，1909年3月，物理學(xué)家蓋革和馬斯頓進(jìn)行著名的粒子散射實(shí)驗(yàn)，有些大科學(xué)家了解到了這次實(shí)驗(yàn)，他們則認(rèn)為原子內(nèi)部處在強(qiáng)電場(chǎng)的觀點(diǎn)，探索粒子散射的內(nèi)在原因，推斷出原子由帶負(fù)電的電子和帶正電的電子核構(gòu)成，并據(jù)此提出1911年的原子核結(jié)構(gòu)，確立了“原子核”念；1913 年波爾以這些科學(xué)家原子模型量子化原子模型；1919年科學(xué)家有用天然放射的粒子來(lái)轟氫，這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了原子核的人工衰變，也證明原子核中有呈現(xiàn)中性的質(zhì)子，也第一次用人工方法把一種元素轉(zhuǎn)化成另一種元素，從而開(kāi)辟了認(rèn)為邊個(gè)原子核的途徑。人們又原子核的組成進(jìn)行探究，1902年科學(xué)家在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的一次演講中，大膽的提出了可能從在的一種中性粒子，其質(zhì)量和粒子質(zhì)量大體質(zhì)量相等。此后，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室用了10年尋求中性粒子，但卻一無(wú)所獲。1932年3月27日NATURE刊登了物理學(xué)家查德崴克的一篇論文，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了一種新粒子，此新粒子不帶電荷，因此取名為“中子”,有此物理學(xué)家則提出了質(zhì)子中子模型。1934年約里奧、居里夫人再用粒子轟擊鋁靶時(shí)，得到一種天然不存在的新放射性元素，這是歷史上第一種人造的放射性同位素，這邊引起科學(xué)界的“核力”念。在1933-1939年間的中子質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)確定了合理的基本性質(zhì)。約里奧、居里夫人的實(shí)驗(yàn)促使科學(xué)家們?nèi)ソ沂驹雍说膴W秘，1934年費(fèi)米等用中子照射軸，企圖使軸核俘獲中子，在經(jīng)過(guò)粒子的衰變得到原子序數(shù)為93或更高的超軸元素，在實(shí)驗(yàn)室中，他們偶爾發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)快慢化得中子反而比快中子更好的引起反應(yīng)。在1933年9月居里夫人的女兒伊莉芙、居里和薩維奇合作，應(yīng)用放射化學(xué)方法分析中子轟擊軸的產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)半衰期為3.5h的放射性的元素，其化學(xué)性質(zhì)與元素鑭相近，但鑭的原子序數(shù)為57，恰在周期中間，絕不會(huì)是“超軸”的元素，伊倫居里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起了德國(guó)的奧托、哈恩的注意，他與斯特拉斯曼重做了一系列試驗(yàn)后提出：所謂鐳和錒實(shí)際是原子質(zhì)量遠(yuǎn)小于他們的鑭和鋇如何解釋這種現(xiàn)象？他們認(rèn)為只有假設(shè)原子核分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上的碎塊，才能給予解釋?zhuān)@種分裂過(guò)程稱(chēng)為“核裂變”；1939年貝爾在原子核液滴模型和統(tǒng)計(jì)的理論基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了原子核裂變的過(guò)程，奠定了核裂變理論的基礎(chǔ)，掌握了核裂變和核能的釋放。約里奧、居里夫人、費(fèi)米、西拉德都證實(shí)了在鈾和分裂試產(chǎn)生2-3個(gè)中子，同時(shí)釋放大量的能量，這就在理論上得到了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是能夠發(fā)生的。原子的人工衰變、熱中子核反應(yīng)、重核反應(yīng)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等重大發(fā)現(xiàn)，卻首先轉(zhuǎn)向戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)。此時(shí)正值二戰(zhàn)時(shí)期，由于核裂變首先被德國(guó)發(fā)現(xiàn)，因此德國(guó)首先核武器的研究，消息泄露之后。1942年8月美國(guó)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)以研究原子核為內(nèi)容的“曼哈頓計(jì)劃”。1942年12月，在費(fèi)米、西拉德、奧本海默、弗蘭克等眾多科學(xué)家共同協(xié)作下，在美國(guó)芝加哥大學(xué)建立了世界上第一座核反應(yīng)堆，首先實(shí)現(xiàn)了人工控制核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。1945年7月16日，美國(guó)在新墨西哥灣爆炸了世界上第一顆原子彈，從此開(kāi)始了核武器使用的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。在和平利用原子能方面，核電的建立是其中的一個(gè)重要標(biāo)志，1954年6月，前蘇聯(lián)建成了：第一個(gè)原子能發(fā)電站，首先突破了核能源實(shí)際有效利用的新技術(shù)；1956年英國(guó)建成了第一座天然鈾石墨冷氣發(fā)電互換兩用堆；1957年12月美國(guó)也建成實(shí)驗(yàn)性壓水堆核電站。20世紀(jì)50年代，各國(guó)核發(fā)電站的發(fā)展基本上是有可能性；60年代以后，核電站進(jìn)入了實(shí)用階段。以上幾種堆型技術(shù)越來(lái)越成熟，優(yōu)越性也熱已顯露出來(lái)，其中清水堆是目前世界占首位的堆型，裝容量約占全部核電站容量的80%，到了70年代，其中單堆功率以從前第一代的20萬(wàn)千瓦左右提高到了130萬(wàn)千瓦左右。發(fā)電效率有了很大提高，平均燃料、發(fā)電成本一比普通發(fā)電站低，核電站可利用率以同現(xiàn)代最新的發(fā)電站相當(dāng)。目前，世界上最大激光輸出功率達(dá)到100億瓦，足以“點(diǎn)燃”核聚變，除激光外利用超高額微波加熱法，也可達(dá)到新“點(diǎn)火”溫度。世界上不少的國(guó)家都在積極研究受控?zé)岷朔磻?yīng)。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和研究的受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“中國(guó)環(huán)流器一號(hào)”,已在四川省樂(lè)山地區(qū)建成，并與1984年9月順利啟動(dòng)，它標(biāo)志我國(guó)研究受控核裂變的實(shí)驗(yàn)手段又有了新的發(fā)展和提高，并將為人類(lèi)探究新能源事業(yè)做貢獻(xiàn)，美中兩位科學(xué)家分別于1993年和1994年在這個(gè)領(lǐng)域的研究和實(shí)驗(yàn)中取得新成果。目前，美、英、俄、德、法、日等國(guó)都在競(jìng)相開(kāi)展核聚變電場(chǎng)，科學(xué)家們估計(jì)，到2050年以后，核聚變發(fā)電廠才有可能投入商業(yè)運(yùn)行。核聚變反應(yīng)燃料是氫的同素氕、氘、氚及惰性氣體3He，氕，氘， 氚在 地球含量極高，據(jù)測(cè)，每1L 海水可產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300L汽油的能量，一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年耗氘 量只需304Kg。氘 的發(fā)熱量相當(dāng)于煤的200萬(wàn)倍， 天然從在于海水中的氘有45億噸，把海水通過(guò)核聚變轉(zhuǎn)化為能源，按目前世界能源消耗水平，可供人們用上億年，氕是核聚變實(shí)現(xiàn)純氘反應(yīng)的過(guò)渡性輔助“燃料”世界上的氕足夠用12萬(wàn)年，我國(guó)將塘高原礦占世界的一半。可科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，以3He為燃料的核聚變反應(yīng)比氫、氚聚變更清潔、效益更高，而且放射性更低，氚不同的是3He是一種惰性氣體，操作安全，獲得諾貝爾獎(jiǎng)金的科學(xué)家伯格，美國(guó)總統(tǒng)軍備控制顧問(wèn)保羅，尼采1991年撰文說(shuō)，沒(méi)有其他能源像3He那樣幾乎無(wú)污染。二十一世紀(jì)，人類(lèi)將在月球上開(kāi)采地球上不從在的3He礦藏，用于代替氚，從而使世界各地建造實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)可以攻破關(guān)鍵性難題，使其走上商用成可能。地球上不從在天然的3He,作為核武器研究的副產(chǎn)品，美國(guó)每年大約生產(chǎn)20千克，月球上的礦中大約有100萬(wàn)噸的3He，其能量相當(dāng)與地球上有史以來(lái)所開(kāi)發(fā)礦物燃料的10倍以上。日本比美國(guó)在3He巨變項(xiàng)目投資要多出100倍。1986 年起美國(guó)威斯康利州的麥迪遜成立了3He研究中心，只要月球運(yùn)回二十五噸3He就滿足美國(guó)大約一年的需求。目前全國(guó)每年的能源消耗大約1000萬(wàn)兆瓦時(shí)，聯(lián)合國(guó)于1900年公布的數(shù)字到2050會(huì)名增至3000萬(wàn)兆瓦時(shí)，地球上不可能滿足這么大的能源需求，則必須從月球上采取1500噸3He。按上述開(kāi)采量推算，月球上的3He至少可供地球使用700年，但木星和土星上的3He幾乎取之不盡，用之不竭。綜上所述可以看出，核聚變?yōu)槿祟?lèi)拜托能源危機(jī)展現(xiàn)了良好的前景。 太陽(yáng)能 生生不息的太陽(yáng)能太陽(yáng)表面溫度高達(dá)6000，內(nèi)部不斷進(jìn)行核聚變反應(yīng)，并且以輻射方式向宇宙發(fā)射出巨大的能量，據(jù)統(tǒng)計(jì)每三天太陽(yáng)向地球放射的能量就相當(dāng)于地球所有礦物質(zhì)燃燒能量總合，太陽(yáng)系已經(jīng)從在了大約五十億年。估計(jì)還回從在六十億年以上，因此，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能可謂取之不盡用之不竭。太陽(yáng)能具有清潔使用方便的優(yōu)點(diǎn)，加之它“送貨上門(mén)啊”，既不用開(kāi)采，也不要用輸，所以太陽(yáng)的開(kāi)發(fā)和利用，已經(jīng)引起各國(guó)政府和科技工作者的重視。 光能轉(zhuǎn)化光能轉(zhuǎn)化即靠各種集熱器把太陽(yáng)能收集起來(lái)為人類(lèi)服務(wù)。早期最廣泛的太陽(yáng)能應(yīng)用是將水加熱，現(xiàn)在全世界已有數(shù)百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能熱水裝置，太陽(yáng)能熱系統(tǒng)主要包括收集器、儲(chǔ)存裝著及循環(huán)管三部分。利用太陽(yáng)能做冬天采暖裝置，在許多寒冷地區(qū)已經(jīng)使用多年，因?yàn)楹畮У貐^(qū)氣溫甚低室內(nèi)必須有暖氣裝置，若要節(jié)省化石能源的消耗，可設(shè)法利用太陽(yáng)能。大多太陽(yáng)能暖房使用人水系統(tǒng)，也有熱空氣系統(tǒng)的例子。太陽(yáng)能暖房系統(tǒng)及室內(nèi)有太陽(yáng)能收集管、熱存貯系統(tǒng)輔助能源系統(tǒng)及室內(nèi)暖房風(fēng)扇系統(tǒng)組成。太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)收集器內(nèi)的工作流體貯藏，然后向房間供熱。反射式太陽(yáng)灶可獲得更高的溫度。我國(guó)上海市自造的太陽(yáng)灶是其中一種，它的凹面鏡直徑為1.6米左右鏡面用涂鋁膜制成，可收可張，靈活輕便。目前世界上大的反射式太陽(yáng)能高溫爐建筑在法國(guó)的比利中斯山山坡上凹面聚光鏡有9層樓房高，表面積約有2500平方米，輸出功率1000千瓦，聚焦溫度達(dá)4000攝氏度，可以用來(lái)進(jìn)行高溫理化試驗(yàn)和加工特殊材料，制造超純物質(zhì)河內(nèi)高溫材料。 光電轉(zhuǎn)化光電轉(zhuǎn)化即將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成太陽(yáng)能，目前，太陽(yáng)能用于發(fā)電機(jī)的途徑有兩個(gè)，一是熱發(fā)電，就是先用聚熱器把太陽(yáng)能變成熱能，在通過(guò)汽輪即將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?0世紀(jì)70年代日本和法國(guó)先后建成了幾十千瓦太陽(yáng)能發(fā)電裝置，以及80年代美國(guó)在加利福尼亞建成的10000千瓦的實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能熱電站。都采用的是這種方法。二是光發(fā)電，就是利用太陽(yáng)能電池的光電效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為電能。太陽(yáng)能電池主要使用半導(dǎo)體材料，較薄的N型半導(dǎo)體置于較厚P型半導(dǎo)體上，當(dāng)光子裝在該裝置表面時(shí),P型和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面有電子擴(kuò)散生成電流，可利用上下兩端金屬導(dǎo)電電流引出利用。目前，太陽(yáng)能電池的成本很高，要達(dá)到足夠功率，需要相當(dāng)大的面積的電池。1953年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一個(gè)硅太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)化率為0.5%，1994年太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率以提高到17%。 光化轉(zhuǎn)化光化轉(zhuǎn)化即先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，在轉(zhuǎn)化成電等其他能量，實(shí)現(xiàn)自身繁衍與生長(zhǎng)。若能揭示光化轉(zhuǎn)化的奧秘，便可實(shí)現(xiàn)人造葉綠素發(fā)電。目前，太陽(yáng)能光化轉(zhuǎn)化正在積極探索、研究中。以上諸類(lèi)裝置雖然各有特色，但有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是夜間和陰天都不能正常工作，因此，科學(xué)家正在設(shè)想建立衛(wèi)星能電站，用宇宙火箭或航天飛船把建站部件送上太空進(jìn)行組裝，上面有兩個(gè)巨大型太陽(yáng)能電池板，banshang2裝有幾十億個(gè)硅太陽(yáng)能電池板組成的光電池列陣，經(jīng)陽(yáng)光照射產(chǎn)生電流，然后轉(zhuǎn)成微波送回地面。太空中沒(méi)有晝夜交替，沒(méi)有云層和塵埃，天空中太陽(yáng)能電站可以不停地工作，源源不斷的以穩(wěn)定的功率向地面提供電能。到那時(shí)，太陽(yáng)能的看法和利用將會(huì)進(jìn)入一個(gè)新階段。 地?zé)崮艿厍蛏匣鹕絿姵龅娜蹘r溫度高達(dá)1200-1300攝氏度，天然溫度大多在60攝氏度以上，有的甚至高達(dá)100140攝氏度。這說(shuō)明地球是一個(gè)龐大的熱庫(kù)，蘊(yùn)藏巨大的能量，那么地球熱量從何而來(lái)呢？ 地球可看作半徑約為6370千米的實(shí)心球體。它的就像一個(gè)半熟的雞蛋，主要分三層。地球外表相當(dāng)于蛋殼，這部分叫“地殼”,它的厚度各處很不均一，由幾千米到70千米不等。地殼的下面是“中間層”相當(dāng)于雞蛋白，也叫“地幔”，它主要是由熔融狀態(tài)的巖漿構(gòu)成，厚度約為2900千米。地殼的內(nèi)部相當(dāng)于蛋黃的部分叫做“地核”，地核又分為外地核和內(nèi)地核。地殼的每一層溫度是很不相同的。以地表以下每下降100千米溫度升高3攝氏度，在熱帶異常區(qū)，溫度隨深度增加而增加。我國(guó)華北平原某地一個(gè)鉆井，鉆到1000米時(shí)溫度為46.8攝氏度；鉆到2100米時(shí)，溫度升高到84.5攝氏度。另一鉆井，深達(dá)5000米，井底溫度為180攝氏度。根據(jù)各種資料推斷，地殼底部和地幔上部溫度約為11001300攝氏度，地核約為2000-5000攝氏度。地球內(nèi)部的溫度這樣高，它的能量是哪里來(lái)的呢?一般認(rèn)為，是由于地球物質(zhì)中所含的放射性元素衰變所產(chǎn)生的熱量，平均為每年50000億開(kāi)爾文，這么就打的熱源啊。1981年8月，在肯尼亞首都內(nèi)羅畢召開(kāi)了聯(lián)合國(guó)能源會(huì)議，具會(huì)議技術(shù)報(bào)告介紹，全地球熱能的潛在資源約為41019千瓦|小時(shí)，相當(dāng)于現(xiàn)在全球能源消耗總量的45萬(wàn)倍。 海洋溫差發(fā)電潮起潮落，日復(fù)一日，年復(fù)一年，海洋蘊(yùn)藏的巨大能量吸引著人們?nèi)ヌ剿?，去開(kāi)發(fā)。潮汐發(fā)電作為海洋能利用技術(shù)，規(guī)模最大的一種，已為許多人所熟知。而說(shuō)起海洋溫差發(fā)電，知道的人恐怕要少得多。海洋溫差發(fā)電主要采用開(kāi)式和閉式兩種循環(huán)系統(tǒng)，在開(kāi)設(shè)循環(huán)系統(tǒng)中，表層溫海洋水在閃蒸蒸發(fā)器中由于閃蒸而產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，做工后進(jìn)入凝汽器，有來(lái)自海洋深處的冷水將其冷卻。在閉式循環(huán)系統(tǒng)中了，來(lái)自海洋深層的溫海水先在熱水交換器中將能量傳給丙烷，氨等低沸點(diǎn)物質(zhì)，使之蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)器輪機(jī)做工作后，在又冷海水冷卻。利用海洋溫差發(fā)電最早于11881年提出，但世界上大部分科技發(fā)達(dá)的國(guó)家處于緯度較高的溫、寒帶地區(qū)，或者是內(nèi)陸國(guó)，沒(méi)有發(fā)展海洋溫差發(fā)電的基本條件，直到1979年在美國(guó)夏威夷建成了世界上的第一座海洋溫差發(fā)電裝置后，各國(guó)才開(kāi)始注意著一種新方法。目前日本在海洋能發(fā)電開(kāi)發(fā)利用方面十分活躍，專(zhuān)門(mén)成立了海洋溫差發(fā)電研究所，并在海洋能發(fā)電系統(tǒng)和熱交換器技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先美國(guó)，1991年11月，日本和印度聯(lián)合進(jìn)行的1000KW海洋溫差發(fā)電事業(yè)成功，推動(dòng)了該技術(shù)的實(shí)用化。據(jù)日本讀賣(mài)新聞報(bào)道，兵庫(kù)縣明石村的一家從事環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)投資企業(yè)佐賀大學(xué)共同開(kāi)發(fā)了一套系統(tǒng)，計(jì)劃于2009年2月在印度南部海域進(jìn)行試驗(yàn)。該裝置繞在70M，寬16M的設(shè)備船上，并安裝了佐賀大學(xué)校長(zhǎng)上元春男研究的熱交換器。印度近海約為30的海水會(huì)使液態(tài)氨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，推動(dòng)器輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而從水深1000M處抽上來(lái)海水溫度只有6，能使蒸汽重新冷凝成液體。海洋溫差發(fā)電由于冷熱溫度相差不大，其效率僅為3%左右，遠(yuǎn)低于普通火力發(fā)電設(shè)備，這對(duì)這一點(diǎn)上元春男等人采取了在業(yè)態(tài)暗中混入少量水，使用2個(gè)汽輪機(jī)的方法來(lái)提高發(fā)電效率，他們開(kāi)發(fā)這套系統(tǒng)據(jù)說(shuō)能為2000人提供日常用電。除了效率低，由于海洋溫差小所需換熱面積達(dá)，建設(shè)費(fèi)用大，海水腐蝕和海洋生物吸附以及遠(yuǎn)離陸地輸電困難等不利因素都制約這種方法的發(fā)展，但海洋能是自然贈(zèng)與人們免費(fèi)資源，據(jù)估