第九章未來的能源供應(yīng)

Nonrenewableresources（不可再生資源）:minerals,fossilfuelsetc.Renewable（可再生資源）:canbereplacedorreplenished(補(bǔ)充）:sunlight,wind,crops,soilIntangibleresources（無形資源）:openspace,beauty,knowledge第九章未來的能源供應(yīng)1、控制人口，減少能源消耗必須控制人口的增長(zhǎng)，同時(shí)也要控制個(gè)人的能量消耗，不能無節(jié)制地提高生活水平或追求個(gè)人舒適與方便，這樣才能使能耗與環(huán)境年能提供的能量相協(xié)調(diào)。一、利用生態(tài)原理解決能源問題2、太陽能是重要的能源化石能源是一種過去儲(chǔ)存下來的太陽能。太陽能是潔凈的、用之不盡的可再生資源生態(tài)農(nóng)場(chǎng)是利用太陽能解決能源需求的成功例子太陽能的缺點(diǎn)：能量分散，能量密度平均僅1KW/m2數(shù)值因地而異，變化輻射很大。太陽能投射到地表的過程中，還常受到不可預(yù)測(cè)的因素的干擾，具有不連續(xù)和不穩(wěn)定的性質(zhì)。3、多渠道解決能源供應(yīng)的平衡

需要多種能源同時(shí)并用。直接利用太陽能間接利用諸如水電、風(fēng)能、潮流能、海洋溫差能，生物質(zhì)能、礦物能（化石燃料和核能）、地?zé)崮芎屠艿?、充分利用能源并減少浪費(fèi)直接燃燒：效率只有15%熱電轉(zhuǎn)換效率平均只有33%將數(shù)量占全國固體廢物80%以上的農(nóng)、牧、漁、副業(yè)廢棄物，直接燃燒或作垃圾漚肥，也是對(duì)能源的極大浪費(fèi)應(yīng)該盡可能飼養(yǎng)家禽以后，再進(jìn)行沼氣化并使有機(jī)、無機(jī)肥料還田。許多產(chǎn)品一次使用后即廢棄掉，從而增加了能源的消耗。二、太陽能的利用太陽是以核聚變反應(yīng)維持其巨大的能量釋放。1.1＊1031KJ/年能量到達(dá)地球的只有其中的22億分之一。太陽常數(shù)：每平方厘米，每分鐘所接受的太陽光能量密度I0。

I0＝1.38w/m2

I隨緯度高低和季節(jié)而變化。太陽輻射自然過程工藝過程生物質(zhì)能海流波浪溫差工藝技術(shù)熱光電有用能植物大氣水圈海洋風(fēng)能水能太陽能利用形式概念圖1、太陽能的直接利用與環(huán)境影響直接利用太陽能的主要設(shè)備有太陽能集熱器、蓄熱水箱、太陽灶、太陽能熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。

太陽能集熱器一般由涂上黑色的金屬板和金屬管，加上玻璃蓋，底層有絕緣材料保溫而組成的。固定式活動(dòng)式太陽能集熱器固定式集熱器能收集到的能量最高可達(dá)到150度。線性聚焦集熱器經(jīng)聚焦后可達(dá)300度。點(diǎn)聚焦后的集熱器可達(dá)到600度以上。

集熱器

蓄熱水箱

太陽能熱水器太陽能光電系統(tǒng)，其核心部件是光電池。

光電池硅、鍺和硫化鎘等半導(dǎo)體材料鋁或銀等金屬＋當(dāng)電池受到光的照射時(shí)，就會(huì)有電子在兩層材料間流動(dòng)而產(chǎn)生電能。太陽電池制造太陽電池的成本高，而且受到砷、硒、鎵、鍺和鎘等材料供應(yīng)的限制。因此發(fā)展不快。適用于過遠(yuǎn)和高山地區(qū)，可為航標(biāo)燈、電視機(jī)等供電太陽能直接發(fā)電在離地球約500KM的高空同步軌道上，建造大型太陽電站，用微波將電力送回地球。一座500萬KW的空間太陽能電站，其連接支撐結(jié)構(gòu)為13.1KM＊4.93KM；天線直徑210米，高5.92KM。我國地處緯度不高，太陽能資源十分豐富。西藏地區(qū)最為突出，能量密度在6.3～10×105焦耳/厘米2..年的范圍內(nèi)。其余地區(qū)也有4.6～5.9×105焦耳/厘米2..年。目前使用比較廣泛的有：西藏的太陽能烤箱。太陽爐、太陽灶等。最簡(jiǎn)便的家用太陽能熱水裝置，只需花幾元錢即可造成。太陽能利用系統(tǒng)對(duì)環(huán)境有好的影響，也有不好的影響

1、無有毒氣體排出，也無可能影響地球氣候的二氧化碳排出。

2、占地面積與化石燃燒及核能電站相當(dāng)。

3、余熱的排出低于其他電站優(yōu)點(diǎn)：太陽能的定日鏡場(chǎng)會(huì)影響反射率、能量平衡、濕度平衡，低空空氣的流動(dòng)方式等，進(jìn)而影響小氣候。太陽能集熱系統(tǒng)吸收太陽能后，減少了地面、建筑物等反射回空間的能量，結(jié)果影響了大氣中的溫度梯度、大氣組成、支層、風(fēng)等。而且還有反饋效應(yīng)，如云量增加，會(huì)影響集熱器的效率。巨大的集熱系統(tǒng)、聚光裝置，嚴(yán)重影響景觀，以致改變建筑風(fēng)格和建筑設(shè)計(jì)規(guī)范。同時(shí)又與大城市發(fā)展屋頂花園，調(diào)節(jié)城區(qū)氣候、維護(hù)生態(tài)平衡發(fā)生矛盾。2、太陽能的間接利用與環(huán)境影響⑴生物質(zhì)能與沼氣①

生物質(zhì)能。生物體直接或間接吸收太陽能并不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，成為維持生命活動(dòng)的能源，就是生物質(zhì)能。利用生物質(zhì)能的對(duì)策通常作能源消耗掉的生物質(zhì)能，經(jīng)過一定的加工而制成醇類、沼氣等薪柴方面，著力培養(yǎng)速生物種。如此紫穗槐、泡桐等發(fā)展和培育能源樹種，對(duì)解決石油的代用能源問題，具有重大的意義。叢粒藻亦蘊(yùn)藏著豐富的碳?xì)浠衔镉皖悺Ｈ诵蠹S便不僅是重要的肥源，而且是一種重要的生物質(zhì)能。國外的速生物種舉例沼氣的利用沼氣的形成過程需要4～30天。好氧分解就是在生酸菌的作用下，反較復(fù)雜的大分子變成較簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)，進(jìn)而在甲烷菌的作用下經(jīng)厭氧分解，而最后得到沼氣。麥芽糖葡萄糖乙醛乳酸丙酸乙酸蟻酸甘油低級(jí)脂肪酸乙醛乙酸脂肪酸丙酸尿素氨基酸亞氨酸丙酮醋酸乙酸淀粉脂肪蛋白質(zhì)有機(jī)廢物甲烷二氧化碳水厭氧分解好氧分解好氧分解就是在生酸菌的作用下，把較復(fù)雜的大分子有機(jī)物變成較簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)，進(jìn)而在甲烷菌的作用下經(jīng)厭氧分解，而最后得到沼氣。由此可見，要使沼氣產(chǎn)量高，就必須適時(shí)地從好氧分解轉(zhuǎn)入?yún)捬醴纸?。也就是說要控制好生酸菌與甲烷菌的比例。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)系統(tǒng)的氧化還原電位低于200～400毫伏時(shí)，最有利于甲烷菌進(jìn)行厭氧分解。影響這個(gè)電位的參數(shù)有四個(gè)：溫度：中溫（30～45℃）；高溫（45～60℃）溫度波動(dòng)不得超過2～5℃，否則甲烷菌便死亡。

密封、缺氧pH=6.7～7.0要有足夠的營(yíng)養(yǎng)素氮與磷碳：氮控制在C：N=30～35：1的范圍內(nèi)。

沼氣的利用實(shí)質(zhì)上是生物質(zhì)能經(jīng)某種工藝過程后的利用，它對(duì)環(huán)境的影響益多于害。它與農(nóng)田、家畜飼養(yǎng)、人類居住、魚塘、發(fā)電系統(tǒng)加工廠等組成的生態(tài)農(nóng)場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。生物質(zhì)能與畜力，又稱生物能。⑵風(fēng)能它直接來自太陽能。據(jù)估計(jì)太陽傳給地球的輻射能約有2%被轉(zhuǎn)換成風(fēng)能；有人認(rèn)為每年有13～1500萬億千瓦小時(shí)（相當(dāng)于電力）。E=0.00066Aυ3(千瓦）E（千瓦）－風(fēng)力具有的能量A（㎡）－受風(fēng)面積υ（米／秒）－風(fēng)速2υ=υ0（h／h0）nυ－標(biāo)高為ｈ處地面的風(fēng)速；υ0－標(biāo)高為h0（地面）的風(fēng)速；n－也是一個(gè)隨高度而變化的數(shù)

n=0.096㏒h+0.016（㏒h）2+0.24全世界可能提供的風(fēng)能估計(jì)數(shù)

年份裝機(jī)容量（千瓦）輸出功率（千瓦小時(shí)/年）19855×1051.5×10919901×1073×101020002×1099×1011風(fēng)能屬潔凈的，取之不盡的能源；但也存在①分散、間歇、能量密度不高，風(fēng)力不均勻等弱點(diǎn)。②風(fēng)能利用的環(huán)境影響，主要是噪聲；③風(fēng)車布置不當(dāng)時(shí)，也會(huì)影響景觀，甚至造成鳥類撞擊傷亡而破壞生態(tài)平衡。④巨型風(fēng)車會(huì)因槳葉強(qiáng)度不夠，或受颶風(fēng)襲擊，部件外拋造成事故等等。我國的風(fēng)能我國屬季候風(fēng)國家，風(fēng)能時(shí)效不穩(wěn)定，大小波動(dòng)及空間分布差異大風(fēng)能含量也低于美、英、蘇諸國不排斥以風(fēng)能高的局部地區(qū)開采利用風(fēng)能⑶海洋能所謂海洋能是指來自海洋的波浪能、海洋溫差能、潮流能以及鹽濃度梯度中的能量，它們均屬直接的太陽能。波泿能是由風(fēng)能衍生而來其能量和動(dòng)力是值得考慮。小裝置供作浮標(biāo)與導(dǎo)航設(shè)施的電源海洋溫差能，主要分布在赤道兩旁南北回歸線之間2000KM寬的海域。深海水的溫度低于海面溫度（15-25度)，這個(gè)溫差可以考慮用作能源。海洋能潮流能：由太陽能引起的海洋中的寒、暖流。滲透壓能：各河流入海處因坡度梯度而造成的潮汐能：由地球－月亮－太陽系統(tǒng)的動(dòng)能與位能衍生出來的。海洋能不是近期利用的重點(diǎn)三、未來的核能1、快中子增殖反應(yīng)堆（Fast－BreederReactor)

及其環(huán)境影響熱中子核反應(yīng)堆所用U－235的儲(chǔ)量很有限。它僅占天然鈾的0.711%，增殖堆的目的就在于利用極為豐富的同位素U-238進(jìn)行裂變反應(yīng)，而使可用的鈾數(shù)量增加約140倍，從而核燃料的供應(yīng)可維持二萬多年。另外增殖堆設(shè)計(jì)的溫度比輕水堆高。（1）增殖堆的核反應(yīng)過程

增殖堆的發(fā)電成本與燃料價(jià)格幾乎無關(guān)。這是因?yàn)樗a(chǎn)生的燃料比所用的多。原因就是增殖堆能將不裂變的鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兊念?239，并在以后參加燃燒，而且所產(chǎn)生的钚-239要比所燃用的鈾-238多。轉(zhuǎn)變率（Conversionratio)或增殖率(Breedingratio)：增殖過程中所產(chǎn)生的易裂變材料與所消耗材料的數(shù)量比（2）增殖堆的操作特點(diǎn)與安全問題

燃料堆芯需用不同的冷卻劑水－氦或液態(tài)鈉輕水堆在水冷卻劑發(fā)生流失事故時(shí)，因缺少慢氧化劑，堆便自動(dòng)停車。增殖堆沒有冷卻劑照樣裂變，可能熔毀。增殖堆中裂變材料的濃度比輕水堆高的多?？梢园l(fā)生小規(guī)模核爆炸。生產(chǎn)和處理大量钚-239的操作特別危險(xiǎn)。钚的生產(chǎn)是原子彈制造中最重要的一個(gè)步驟，大約7～10公斤钚即足夠制造一顆原子彈。2、核聚變能及其環(huán)境影響

核聚變反應(yīng)1、在一定的空間范圍內(nèi)要有足夠多的輕原子核。2、必須使反應(yīng)溫度超過所謂“引燃溫度”。氘－氚反應(yīng)的引爆溫度為109K。要發(fā)生核聚變反應(yīng)，必須具備兩個(gè)條件：利用磁場(chǎng)作用封裝等離子核聚變反應(yīng)61D2－2He4+2P+2n+43.1MeV每個(gè)氘核產(chǎn)生7.2MeV的能量。按些計(jì)算，1升海水提供的能量約與幾百升的石油所提供的能量相當(dāng)。（2）聚變能的環(huán)境問題首先，聚變反應(yīng)不產(chǎn)生裂變碎片其次，聚變反應(yīng)堆不象裂變反應(yīng)堆那樣存在著偏離額定值的所謂功率聚增（Micleavexcursion)事故，也不存在象钚那樣轉(zhuǎn)變?yōu)楹宋淦鞑牧系膯栴}。再次，氘—氚聚變反應(yīng)堆的熱利用率為50%～60%，它的熱污染問題較其它任何發(fā)電方法少。還可以不通過蒸汽回路直接利用聚變能發(fā)電。

聚變能對(duì)環(huán)境的影響大致如下：四、地?zé)崮?。地?zé)岬膩碓磁c分類干蒸汽150度屬于高溫地?zé)崽铮芍苯佑脕戆l(fā)電，量少濕蒸汽90-150度中溫地?zé)崽?，用前必須脫水，副產(chǎn)鹽水熱水90度以下，用于取暖或供水，含量豐富。地?zé)岚l(fā)電利用蒸汽通過汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)組發(fā)電地?zé)嵴羝堑叵滤谀撤N地質(zhì)條件下受地?zé)岬淖饔枚a(chǎn)生的。作為熱源的巖漿侵入地殼某處并加熱不透水的晶型巖層、使其上的地下水升溫到270度左右；但由于巖漿封蓋壓力很高，所以水蒸汽伋處于流體狀態(tài)，需要打井才能噴出地面地?zé)岚l(fā)電站1977年底全世界地?zé)岚l(fā)電站的容量約為146萬KW。據(jù)1980年底統(tǒng)計(jì)，目前世界各國地?zé)岚l(fā)電站的容量達(dá)到380萬KW。全世界可用于地?zé)岚l(fā)電的資源，2000年估計(jì)為50000萬KW。美國地?zé)岚l(fā)電的可能容量地?zé)岚l(fā)電與環(huán)境地?zé)嵴羝臏囟群蛪毫Χ疾蝗缁鹆Πl(fā)電站高，因此地?zé)崂寐实?，以致冷卻水用量多于普通電站，熱污染也比較嚴(yán)重。地?zé)犭娬疽部衫美鋮s塔將余熱釋放到大氣中，以避免熱污染。從冷卻塔排出的廢蒸汽和廢水中的可能含有硫化氫等有毒氣體，應(yīng)予重視并及時(shí)加處理地?zé)釋儆谠偕容^慢的一種資源。由于取用的水多于回注的水，利用地?zé)岚l(fā)電，最后可能會(huì)引起地面沉降。我國的地?zé)豳Y源比較豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國突露地面的地下熱水點(diǎn)有2500多處，其中80度以上的有600多處，遍及全國各省、市、自治區(qū)。大部分屬于低溫?zé)崴?0－40度）全國分布不均，主要重點(diǎn)有京津地區(qū)，東南沿海地區(qū)。其中廣東、福建、臺(tái)灣最多，西藏地區(qū)的地?zé)豳Y源溫度很高。我國的地?zé)岚l(fā)電我國的利用地發(fā)電還剛剛開始近年來在一些地方利用地下熱水建立小型發(fā)電站取得成功地?zé)豳Y源利用的難處蘊(yùn)藏地區(qū)不易找到只有少數(shù)接近地面處蒸汽溫度往往偏低本章總結(jié)人們不必為未來的能源供應(yīng)而悲觀失望，但化石燃料還可以供應(yīng)幾百年，而且能源供應(yīng)渠道甚多，數(shù)量豐富，特別是太陽能，將永遠(yuǎn)為人類提供數(shù)量巨大的，潔凈的，