探究提高能源利用率的方法

1、探究提高能源利用率的方法班級 12052311學(xué)號 12051238 姓名 XX2015.06.02前言能源有很多種定義，但歸根到底，能源就是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。能源是社會存在與發(fā)展永遠(yuǎn)不可或缺的必須品，是國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會的三大支柱。能源科技的每一次突破，都帶來了生產(chǎn)力的巨大飛躍和進(jìn)步。三次能源危機(jī)的歷史教訓(xùn)告訴我們，能源關(guān)乎著一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)，政治命脈。而現(xiàn)如今，作為基礎(chǔ)能源的化石能源，是不可再生的能源，隨著人類的不斷開采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世紀(jì)將被開采殆盡。從另一方面看，由于化石能源的使用過程中會新增大量溫室

2、氣體CO2，同時(shí)可能產(chǎn)能一些有污染的煙氣，威脅全球生態(tài)。因而，我們亟需這個(gè)問題的解決方案。一種方案是開發(fā)更清潔的可再生能源，從目前的情況來看，這是今后能源科技的主要發(fā)展方向。而另一種方案，那就是提高能源的有效利用率。自從開爾文提出了熱力學(xué)第二定律，宣判了第二類永動(dòng)機(jī)的死刑之后，這一種方案就變得沒有那么受重視。為了解決能源低效這個(gè)問題，上個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)了一種叫做“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”的熱機(jī)模型，就是用耐熱性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、膨脹系數(shù)低的高級陶瓷合成材料制造氣缸蓋、氣缸體和活塞等受熱部件。但結(jié)果卻令人失望，他并沒有像預(yù)測的那樣提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。原因在于熱機(jī)做功的原理是燃料產(chǎn)熱等價(jià)于微觀粒子的無序運(yùn)動(dòng)。這個(gè)熱運(yùn)動(dòng)

3、，平均在三維空間上每個(gè)方向的能量各占1/3，而熱機(jī)做有用功的也就三維方向中的一個(gè)方向維度。其他二維方向上的能量只好作為廢熱浪費(fèi)掉！而“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)” 只是減少了熱傳導(dǎo)的消耗，并沒有實(shí)質(zhì)性的改變熱能的利用方式，還是以做功的形式把最多1/3的熱能轉(zhuǎn)化為其他能量。這意味著古典熱力學(xué)機(jī)理模型(可以理解為熱機(jī))出現(xiàn)了問題，只要是熱做功，在熱機(jī)的前提下，它的效率就被這1/3的瓶頸給禁錮了。這個(gè)問題，不論對新能源還是舊能源都是一個(gè)嚴(yán)重影響其利用效率的因素。1.提高能源利用率的必要性1.1.舊能源的現(xiàn)狀對于不可再生能源，在許多領(lǐng)域都有涉及，在此，我就不籠統(tǒng)的來看待這種能源利用的情況了，就拿一個(gè)汽車的能源利用率的

4、具體情況來分析。在發(fā)達(dá)國家，能源總量的40%左右消耗在交通運(yùn)輸業(yè)上，而各種汽車消耗的能量又占全部交通工具能耗總量的73%。在我國，汽車保有量迅速增加，許多城市甚至實(shí)行了單雙號限行政策來緩解城市的交通壓力。汽車能源消耗、尾氣污染也大幅度上升。一輛汽車以80公里每小時(shí)的速度行駛時(shí)，每10公里耗油約為1L。根據(jù)汽油的燃燒值進(jìn)行簡單的計(jì)算得知，這時(shí)消耗的功率約為70kW。這70kW是個(gè)什么概念呢？他可以點(diǎn)亮100W的照明燈700個(gè)。假設(shè)一個(gè)家庭有10個(gè)照明燈，那這些能量就是70戶人家的日常用電功率。如此高的能量，那它在汽車上的利用率如何呢？ 平均說來，在這70kW中，1kW由于汽油的蒸發(fā)而消失，當(dāng)然不

5、是真的消失，這1kW的碳?xì)浠衔镏皇欠稚⒌酱髿庵?，其化學(xué)能無法利用，而且還成了化學(xué)污染源，剩下的69kW進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，大約有17kW用于做功，而其余的52kW包括了排氣管排出的廢棄熱和散熱器的熱量散失，兩者約各占一半。這是最大的一筆能量損耗。廢氣的主要成分是二氧化碳和水以及一些有毒物質(zhì)，這對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。損耗了這么多的能量，只剩下17kW用于做功，但真正用于汽車驅(qū)動(dòng)的能量更少：約5kW用于發(fā)動(dòng)機(jī)的水箱循環(huán)和空調(diào)，約3kW消耗于傳動(dòng)裝置，最后只有9kW到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，而這9kW就是汽車克服空氣阻力和滾動(dòng)摩擦用于驅(qū)動(dòng)的能量。這一賬算下來，一輛車的總效率只有大約13%?？梢?，對于舊能源而言，即使有

6、33.3%的利用率上限，但還是連一半的利用率都沒有達(dá)到，可見提高其利用率是多么的重要，更不用談改變其熱利用方式了。1.2.可再生能源的現(xiàn)狀也許有人會有疑問，對于可再生能源，既然是可以循環(huán)再生的，還有必要提高它的能源利用率嗎？答案是肯定的，所謂的可再生能源指的是在自然界可以循環(huán)再生的能源，重點(diǎn)在于再生。那就仍存在許多問題，例如再生時(shí)間，再生成本，再生能源的提取時(shí)間，提取成本等等。拿中國現(xiàn)在的可再生能源發(fā)展的問題和障礙和全球的可持續(xù)能源發(fā)展障礙結(jié)合來看，主要的共同問題有以下幾點(diǎn)： (1).高成本(2).市場發(fā)展緩慢(3).并網(wǎng)難(4).技術(shù)難點(diǎn)多(5).相關(guān)政策少(6).各地區(qū)相關(guān)技術(shù)發(fā)展不均衡等

7、 諸多的問題限制著可再生能源的發(fā)展速度，使得現(xiàn)今的社會，還是一個(gè)以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)。因此，在我看來，如今解決能源資源緊張的問題的根本方法，并不是尋找新能源來代替舊能源，而是改變傳統(tǒng)熱機(jī)的熱利用方式。尋找新能源只是一條避開改變傳統(tǒng)熱機(jī)的熱利用方式這個(gè)高成本，高技術(shù)方法的另一條蹊徑。但不能回避的是，新能源也面臨著利用率的問題，如果還是用傳統(tǒng)的熱機(jī)做功。那將會和舊能源一樣，資源浪費(fèi)還是一個(gè)大問題。這就像一個(gè)富家子弟，很喜歡花錢，一開始家里有金山銀山（指舊能源），隨著時(shí)間推移，家底變得單薄，為了能讓自己的子孫后代有錢花，他去尋找新的金山銀山（新能源），但他還是那么的會揮霍。一代接著一代，最后，他

8、的子孫把金山銀山都挖空了，才意識到，自己祖先的解決之道，只是臨時(shí)的，根本的方法是要改變自己的消費(fèi)習(xí)慣，祖先們因?yàn)檎驹诮鹕街畮p，看不到這個(gè)問題，但如果真等到我們站在“山坡之頂”才意識到這個(gè)問題，那時(shí)候我們估計(jì)已經(jīng)變成乞丐了。2. 提高能源利用率的可行性在熱能轉(zhuǎn)化成其他能量的過程中，傳統(tǒng)上有兩種方法可以提高其轉(zhuǎn)化效率，一種是降低其熱量在熱傳遞過程中的損失，比如在前言中描述的“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”就是這種方法的具體實(shí)現(xiàn)，另一種就是提高熱做功的效率，減少無用功的出現(xiàn)，舉些最簡單例子：在燒煤的過程中，如果煤炭足夠碎，在熱機(jī)中的燃燒面積足夠大，那么煤炭的利用率就會越高；減少熱機(jī)的摩擦生熱等等。而在本篇論文中，探討

9、的是一種基于新型熱機(jī)：“無熱發(fā)動(dòng)機(jī)”的高利用率方法。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)都是依靠熱做功來產(chǎn)生機(jī)械能，一旦熱產(chǎn)生，熱運(yùn)動(dòng)就會開始，微觀上，空氣中的微觀粒子就會開始無序運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候，2/3的能量損耗過程就不可避免的開始了。而“無熱發(fā)動(dòng)機(jī)”沒有產(chǎn)熱，舊能源(包括新能源)沒有產(chǎn)熱，新引擎100%做功才會成為可能！也就是舊、新能源微觀做有序的一維運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率才能突破1/3的瓶頸。除此之外，沒有了產(chǎn)熱，由燃燒所產(chǎn)生的廢氣也不會排放到大氣中，環(huán)境也會改善。那么怎么才能實(shí)現(xiàn)“無熱發(fā)動(dòng)機(jī)”呢？很遺憾，目前，還沒有投入使用的該類型發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在實(shí)驗(yàn)室中，這種發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有了雛形。我們都知道，記憶合金在外力作用下會發(fā)

10、生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來的形狀。美國發(fā)明家班克斯就利用記憶合金制成了一臺熱機(jī)，它既不需要燃料，也不需要電能，而且不排放廢氣，只需要兩個(gè)有一定溫差的水域，當(dāng)U形的記憶合金絲從冷水進(jìn)入熱水時(shí)，它就憑著記憶突然彈開，彈力的一部分可驅(qū)動(dòng)其他連帶的裝置運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈開的記憶合金絲回到冷水時(shí)，它憑著“記憶”又彎曲起來，回到原來的U形形狀。報(bào)告中只是說他利用了記憶合金彈開時(shí)的勢能，而沒有提及恢復(fù)時(shí)的能量的使用，如果能將U形記憶合金絲恢復(fù)形狀時(shí)的能量也加以利用，那便可以產(chǎn)生更多的能量。報(bào)告中最神奇也是最有爭議的一點(diǎn)，就是它違背了能量守恒定律。我們都知道，能量不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中其總量保持不變。但在這個(gè)模型中，維持兩個(gè)水槽之間溫差所消耗的能量，遠(yuǎn)小于熱機(jī)裝置輸出的能量，那到底是我們忽略了哪個(gè)環(huán)節(jié)，還是說神圣的能量守恒定律被撼動(dòng)了，還有待時(shí)間公平的檢驗(yàn)。如果說這個(gè)模型真正存在著問題，那也不要緊，它至少給我們提供了一個(gè)“無熱發(fā)動(dòng)機(jī)”的研究方向，尋找改變傳統(tǒng)熱機(jī)熱做功的方式。3.總結(jié)綜上所述，現(xiàn)代社會，開發(fā)新能源勢在必行，而