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，能源的利用和開發(fā)成為衡量一個(gè)國家或地區(qū)的科技水平的標(biāo)準(zhǔn)。所以各個(gè)國家高度注重科學(xué)的使用能源，開源節(jié)流，開發(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，加快開發(fā)水電核電和新能源。由于能源問題得不到良好解決，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)對能源危機(jī)，滿足不斷增大的能源需求，目前人類正在探索的新能源有；核能、太陽能、海洋能、氫能、地?zé)崮?、潮汐能、風(fēng)能等。這些新能源的特點(diǎn)是資源豐富，有些可以再生，對環(huán)境沒有污染或污染小。 核 能 1905年9月，愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論，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“通過原子變換去探索能源，那簡直是無稽之談?！?然而，人類的認(rèn)識是不會停滯的，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)家在英國皇家學(xué)會的一次演講中，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，絕不會是“超軸”的元素，伊倫居里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起了德國的奧托、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，這種分裂過程稱為“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)爭服務(wù)。此時(shí)正值二戰(zhàn)時(shí)期，由于核裂變首先被德國發(fā)現(xiàn)，因此德國首先核武器的研究，消息泄露之后。1942年8月美國開始實(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，美國在新墨西哥灣爆炸了世界上第一顆原子彈，從此開始了核武器使用的國際競爭。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月美國也建成實(shí)驗(yàn)性壓水堆核電站。20世紀(jì)50年代，各國核發(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)越來越成熟，優(yōu)越性也熱已顯露出來，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20萬千瓦左右提高到了130萬千瓦左右。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。世界上不少的國家都在積極研究受控?zé)岷朔磻?yīng)。我國自行設(shè)計(jì)和研究的受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“中國環(huán)流器一號”,已在四川省樂山地區(qū)建成，并與1984年9月順利啟動，它標(biāo)志我國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、日等國都在競相開展核聚變電場，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，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200萬倍， 天然從在于海水中的氘有45億噸，把海水通過核聚變轉(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)的過渡性輔助“燃料”世界上的氕足夠用12萬年，我國將塘高原礦占世界的一半?？煽茖W(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，美國總統(tǒng)軍備控制顧問保羅，尼采1991年撰文說，沒有其他能源像3He那樣幾乎無污染。二十一世紀(jì)，人類將在月球上開采地球上不從在的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，美國每年大約生產(chǎn)20千克，月球上的礦中大約有100萬噸的3He，其能量相當(dāng)與地球上有史以來所開發(fā)礦物燃料的10倍以上。日本比美國在3He巨變項(xiàng)目投資要多出100倍。1986 年起美國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就滿足美國大約一年的需求。目前全國每年的能源消耗大約1000萬兆瓦時(shí)，聯(lián)合國于1900年公布的數(shù)字到2050會名增至3000萬兆瓦時(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)槿祟惏萃心茉次C(jī)展現(xiàn)了良好的前景。 太陽能 生生不息的太陽能太陽表面溫度高達(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，對于人類來說，太陽能可謂取之不盡用之不竭。太陽能具有清潔使用方便的優(yōu)點(diǎn)，加之它“送貨上門啊”，既不用開采，也不要用輸，所以太陽的開發(fā)和利用，已經(jīng)引起各國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能收集起來為人類服務(wù)。早期最廣泛的太陽能應(yīng)用是將水加熱，現(xiàn)在全世界已有數(shù)百萬個(gè)太陽能熱水裝置，太陽能熱系統(tǒng)主要包括收集器、儲存裝著及循環(huán)管三部分。利用太陽能做冬天采暖裝置，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)法利用太陽能。大多太陽能暖房使用人水系統(tǒng)，也有熱空氣系統(tǒng)的例子。太陽能暖房系統(tǒng)及室內(nèi)有太陽能收集管、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。太陽輻射經(jīng)過收集器內(nèi)的工作流體貯藏，然后向房間供熱。反射式太陽灶可獲得更高的溫度。我國上海市自造的太陽灶是其中一種，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能高溫爐建筑在法國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)化即將太陽能轉(zhuǎn)化成太陽能，目前，太陽能用于發(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能變成熱能，在通過汽輪即將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?0世紀(jì)70年代日本和法國先后建成了幾十千瓦太陽能發(fā)電裝置，以及80年代美國在加利福尼亞建成的10000千瓦的實(shí)驗(yàn)太陽能熱電站。都采用的是這種方法。二是光發(fā)電，就是利用太陽能電池的光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能。太陽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，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一個(gè)硅太陽電池，轉(zhuǎn)化率為0.5%，1994年太陽能電池的轉(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。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，太陽能光化轉(zhuǎn)化正在積極探索、研究中。以上諸類裝置雖然各有特色，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)巨大型太陽能電池板，banshang2裝有幾十億個(gè)硅太陽能電池板組成的光電池列陣，經(jīng)陽光照射產(chǎn)生電流，然后轉(zhuǎn)成微波送回地面。太空中沒有晝夜交替，沒有云層和塵埃，天空中太陽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)，太陽能的看法和利用將會進(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。這說明地球是一個(gè)龐大的熱庫，蘊(yùn)藏巨大的能量，那么地球熱量從何而來呢？ 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?！保饕怯扇廴跔顟B(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)羅畢召開了聯(lián)合國能源會議，具會議技術(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)電主要采用開式和閉式兩種循環(huán)系統(tǒng)，在開設(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，有來自海洋深處的冷水將其冷卻。在閉式循環(huán)系統(tǒng)中了，來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)的國家處于緯度較高的溫、寒帶地區(qū)，或者是內(nèi)陸國，沒有發(fā)展海洋溫差發(fā)電的基本條件，直到1979年在美國夏威夷建成了世界上的第一座海洋溫差發(fā)電裝置后，各國才開始注意著一種新方法。目前日本在海洋能發(fā)電開發(fā)利用方面十分活躍，專門成立了海洋溫差發(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，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，推動了該技術(shù)的實(shí)用化。據(jù)日本讀賣新聞報(bào)道，兵庫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)校長上元春男研究的熱交換器。印度近海約為30的海水會使液態(tài)氨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，推動器輪機(jī)轉(zhuǎn)動，從而從水深1000M處抽上來海水溫度只有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)的方法來提高發(fā)電效率，他們開發(fā)這套系統(tǒng)據(jù)說能為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，但海洋能是自然贈與人們免費(fèi)資源，據(jù)估