FLL機(jī)器人挑戰(zhàn)賽破解能源規(guī)則和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

PAGEPAGE1“FLL”機(jī)器人挑戰(zhàn)賽—破解能源規(guī)則參賽必讀要排除各種疑問并獲得好成績，你必須仔細(xì)閱讀以下4個文件：場地安裝說明、任務(wù)、規(guī)則和網(wǎng)上問答。任務(wù)任務(wù)就是機(jī)器人完成可以獲得分?jǐn)?shù)的工作。機(jī)器人必須從基地出發(fā)并可以多次往返于基地和場地之間，每次出基地后可以嘗試完成1個或者多個任務(wù)。任務(wù)可以按照任意的順序去完成，在規(guī)則允許的情況下可以反復(fù)嘗試去完成任務(wù)。當(dāng)比賽結(jié)束后，裁判根據(jù)場地上每個任務(wù)完成的結(jié)果，給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。比賽在比賽的時候，兩塊比賽場地并排放在一起，兩個參賽隊伍同時在這兩塊場地上進(jìn)行比賽。在2分半鐘的比賽時間里，機(jī)器人通過完成任務(wù)來獲得盡可能多的分?jǐn)?shù)。在比賽期間，計時器不會暫停。至少有三次比賽，每次都有一個新的機(jī)會去獲得最好的分?jǐn)?shù)。每次比賽的分?jǐn)?shù)沒有任何關(guān)聯(lián)，只取三次比賽中最好的一次評表演獎?；睾纤袇①愱犖榘错樞蜻M(jìn)行一次比賽的過程稱為一回合比賽。比賽將進(jìn)行至少三個回合的比賽，在每回合比賽之間，參賽隊伍有時間到調(diào)試區(qū)修改機(jī)器人和程序，但是這個時間有限制，要根據(jù)比賽的時間安排。隊伍組成一個隊伍最多允許有10名成員，不包括教練和領(lǐng)隊。在教練手冊中規(guī)定了參賽選手的年齡。在比賽的時候，只有兩名隊員可以同時上場參加比賽，其他隊員只能站在旁邊。不過臺上隊員和臺下隊員可以隨時調(diào)換。機(jī)器人機(jī)器人的定義是RCX或者NXT以及任何當(dāng)前連接在上面的物體。任務(wù)模型、策略物體、掉落的碎片和分離的機(jī)械裝置不屬于機(jī)器人。器材這條規(guī)則不只是針對機(jī)器人，它是針對從調(diào)試區(qū)帶到競賽區(qū)域的所有物品，包括機(jī)器人、所有的附加裝置，以及所有的策略物體。這些物品都必須完全使用樂高元件制作，并且所有元件都必須是剛出廠時的狀態(tài)（導(dǎo)線和軟管可以剪成需要的長度）。并且每次連接到機(jī)器人上的電子部件的必須符合下面規(guī)定的數(shù)量：RCX用戶NXT用戶電子部件數(shù)量（最多）電子部件數(shù)量（最多）RCX1NXT1馬達(dá)3馬達(dá)3觸動傳感器2觸動傳感器2光電傳感器2光電傳感器2燈2燈2角度傳感器3角度傳感器（包含伺服電機(jī)內(nèi)部的角度傳感器）3第三個觸動或光電傳感器1第三個觸動或光電傳感器1導(dǎo)線和轉(zhuǎn)接線可以隨意使用。在調(diào)試區(qū)可以隨意更換電子部件。不允許使用遙控。樂高非電子原件的數(shù)量、種類以及來源沒有限制?？梢允褂冒l(fā)條/回力馬達(dá)，氣泵。除了在機(jī)器人的隱藏位置用于辨別身份的標(biāo)記物，不允許使用不干膠，油漆，膠帶，膠水，油等等。除了LEGO的標(biāo)簽可以使用外，其它的都不可以使用。軟件機(jī)器人必須使用LEGO套裝所提供的LEGO軟件編寫的程序（任何平臺、任何版本）。程序下載由于下載程序的時候可能會覆蓋其他隊伍的程序。因此，參賽隊伍只能在調(diào)試區(qū)下載程序，同時要注意設(shè)置成低能量下載，并且下載的時候要進(jìn)行屏蔽，盡量避免影響其他隊伍。藍(lán)牙通訊必須關(guān)閉，且機(jī)器人在不使用的時候最好關(guān)閉?；鼗厥菆龅貕|上基地邊界向上延伸40厘米組成的一個虛擬空間（包括邊框的內(nèi)表面）。注意：基地是一個空間而不是平面?；厥亲鳛闇?zhǔn)備機(jī)器人、出發(fā)和維修機(jī)器人的區(qū)域，有時候，基地是得分物體的目標(biāo)。機(jī)器人不一定在完成任務(wù)后回基地，在比賽結(jié)束時也不需要回基地。設(shè)備管理在基地里，任何妨礙機(jī)器人準(zhǔn)備或運動的物體都可以放到基地附近區(qū)域，只要它們不引起場地的變化并且擺放的位置不能具有策略性。操作定義盡管FLL的挑戰(zhàn)任務(wù)非常有趣，但是它畢竟是機(jī)器人技術(shù)，就像所有的科學(xué)技術(shù)一樣，它也有特別的、嚴(yán)格的解釋。為了避免和裁判關(guān)于個別詞語的理解上發(fā)生爭執(zhí)，下面對任務(wù)、規(guī)則和網(wǎng)上問答中存在的物體（機(jī)器人）的位置進(jìn)行定義。當(dāng)看到這些詞匯或反義詞，要看這里對它的解釋。在里面/進(jìn)入/到(把區(qū)域作為目標(biāo))物體的任何一部分只需要越過目標(biāo)的外邊緣。在里面/進(jìn)入(把容器作為目標(biāo))物體被容器所包住，至少有五個方向不能移動。在外面(把區(qū)域和容器作為目標(biāo))物體的任何一部分都不在目標(biāo)里面。注意：這表示物體必須完全在外面。在上面/到上面(把物體作為目標(biāo))目標(biāo)必須能夠支撐物體的所有重量。當(dāng)物體也有被其他物體支撐時，由裁判來評判移開其他支撐物體時，目標(biāo)是否能夠支撐物體的所有重量。脫離/拿走(把物體作為目標(biāo))目標(biāo)在任何方向上都不能支撐物體的重量。接觸(針對任何對象)只有在使用詞語“接觸”的時候。物體本身必須要與對象直接接觸。完全物體的任何一部分都要滿足條件。策略物體策略物體是指參賽隊準(zhǔn)備的物體，但不是機(jī)器人及其附加裝置?？梢栽跍?zhǔn)備模式期間處理，或者由機(jī)器人自動使用。得分物體得分物是根據(jù)他們所在位置能夠獲得分?jǐn)?shù)的物體。要得到分?jǐn)?shù)，每個得分物本身必須滿足任務(wù)得分的要求，不管機(jī)器人或任何策略物體的位置。禁止包住、連接或者互相連接加分物體，但可以把得分物放到策略容器里。游離物體如果由于機(jī)器人的原因造成某些物體阻礙機(jī)器人的運動，只要拿走該物體對得分沒有直接的影響，參賽隊員可以請求裁判將物體拿走。物體位于得分位置上可以移動到附近其它的相同得分的位置上，無用的物體可以從賽臺上拿走。失去接觸如果機(jī)器人處于自主模式，并且與物體失去接觸，那么該物體將被視作策略物體并保留在原地，在機(jī)器人損壞規(guī)則中所描述的情況除外。在過渡模式中失去接觸，隊員可以繼續(xù)對物體進(jìn)行操作。預(yù)備模式在比賽開始前以及在每次啟動前，認(rèn)為機(jī)器人處于預(yù)備模式，這個時候，機(jī)器人必須處于基地中，你可以用手進(jìn)行必要的處理，如維修、更換附加裝置，安裝或卸載物體，調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)，按開關(guān)，給傳感器信號以及瞄準(zhǔn)?？梢允褂妹闇?zhǔn)的裝置，但是在啟動時，機(jī)器人不能與他們接觸。從機(jī)器人上拆卸的物體可以放到基地里或隨時拿到場地外。出發(fā)位置比賽中每次啟動機(jī)器人時，機(jī)器人的每一部分以及與它相連的任何物體必須完全在基地里。啟動程序在被允許啟動之前，機(jī)器人在啟動位置必須是靜止的，參賽隊員不能接觸機(jī)器人任何部分。允許參賽隊伍用以下3種方式啟動機(jī)器人：1）按下按鈕，2）給傳感器信號，3）等待一個正在運行或停止的程序繼續(xù)運行。在整個啟動過程中不允許參賽隊以其它方式操作機(jī)器人。啟動后，機(jī)器人就進(jìn)入過渡模式。過渡模式啟動后到出基地前，機(jī)器人處于過渡模式中，此時，機(jī)器人不能進(jìn)行任何操作但可以攜帶與機(jī)器人已經(jīng)有接觸的物體離開基地。在機(jī)器人處于自主模式（在基地外面）前，根本不允許與物體失去接觸或與物體接觸。在過渡模式中，如果碰到機(jī)器人，那么必須進(jìn)入預(yù)備模式，這時你可以對任何物體進(jìn)行操作。自主模式當(dāng)機(jī)器人在基地外面時，認(rèn)為機(jī)器人處于自主模式，在比賽結(jié)束前或者你觸碰機(jī)器人（或其它任何方式的干擾）之前，可以自由的執(zhí)行允許的動作。如果在自主模式中接觸機(jī)器人（稱為“解救”不管是什么原因），就必須進(jìn)入預(yù)備模式，然后你可以對相關(guān)的物體進(jìn)行任何的操作。但是，裁判可能會拿走加分物，具體情況由任務(wù)說明決定。肌肉動作除了在啟動程序規(guī)則中描述的情況外，不允許讓任何物體（機(jī)器人除外）離開或延長到基地外。允許的動作除了一些明確允許的動作以外，在任務(wù)、規(guī)則或Q&A中沒有明確禁止的動作是允許的（在可逆動作規(guī)則中所描述的情況除外）。因此當(dāng)在規(guī)則、任務(wù)、Q&A中沒有說不可以的時候，你就能做。同樣，如果沒有約束條件限制，在規(guī)則、任務(wù)、Q&A中沒有說必須的時候，你不需要去做（沒有隱藏的要求）。必須的方法 一般完成任務(wù)沒有指定特別的方法，你可以自由的去發(fā)揮想象，當(dāng)完成一個任務(wù)時，有一個具體的方法時，就不能使用其他方法去完成任務(wù)?？赡娴膭幼?如果出現(xiàn)不允許的動作后，裁判恢復(fù)（取消）這個動作，這對分?jǐn)?shù)沒有影響，然后裁判會提醒你這個動作是不允許的。注意允許機(jī)器人出錯，搞亂場地等，但是這些動作是不能恢復(fù)的。機(jī)器人損壞在比賽過程中，因為不是故意地讓機(jī)器人部件掉落而導(dǎo)致機(jī)器人損壞，你可以恢復(fù)機(jī)器人。你可以自己取回也可以請求裁判幫助。場地?fù)p壞你不能將模型拆開或在上面增加部件，不能觸碰基地外的任務(wù)模型，必須使用比賽提供的任務(wù)模型，而不能攜帶相同的復(fù)制品到比賽區(qū)域。不允許機(jī)器人毀壞模型也不能撞擊子母扣。如果由其他情況引起的模型破壞、故障、移動、激活，而非機(jī)器人的正常的動作引起的，裁判應(yīng)該在盡可能快的時間內(nèi)將之恢復(fù)，并根據(jù)情況確定任務(wù)的得分情況。如果任務(wù)模型損壞太嚴(yán)重而難以修復(fù)，場地上的物體根據(jù)游離的規(guī)則來處理。如果得到分?jǐn)?shù)的同時是因為模型設(shè)計、結(jié)構(gòu)、安裝的缺陷造成的任務(wù)模型損壞，你可以得到那些分?jǐn)?shù)。如果任務(wù)模型損壞很明顯是因為隊伍或機(jī)器人引起的，無論是否有意還是無意，將警告一次，即使重做任務(wù)也無法得到分?jǐn)?shù)。干擾 你們的機(jī)器人不允許以任何方式干擾對方的機(jī)器人、場地或者策略物體，除了在完成跨在兩個場地中間的任務(wù)時，要獲得分?jǐn)?shù)，可以進(jìn)行干擾。分?jǐn)?shù)判定為減少比賽期間的爭議，采取該場比賽結(jié)束后，根據(jù)當(dāng)時場地上的情況來判定分?jǐn)?shù)。這就是說如果已經(jīng)完成的任務(wù)被機(jī)器人在比賽結(jié)束前意外破壞了，就無法得到該分?jǐn)?shù)。判罰從寬對一些裁判無法給出準(zhǔn)確裁定的地方，例如瞬間發(fā)生的事情或者場地上線的寬度等，或者因為對規(guī)則理解不清楚而使得某些情況可以有幾種判罰方式，這個時候，裁判將會做出對你們有利的判罰。如果你認(rèn)為裁判的判罰有不合適的地方，你可以向裁判鄭重的提出質(zhì)疑,裁判長和裁判會議討論后給出的判決是最終的。這條規(guī)則不是讓裁判去忽略掉一些必要的判罰尺度，而是讓他們在合理范圍內(nèi)盡可能做出對你們有利的判罰比賽結(jié)束每場比賽結(jié)束后，裁判需要花時間去記錄場地上的情況，因此不允許任何人去碰場地的東西，裁判與參賽隊員一起核對場地上任務(wù)得分情況以及告訴隊員丟分的原因，不要讓隊員帶走任何任務(wù)模型。最后裁判將恢復(fù)場地模型。變數(shù)場地供應(yīng)商、捐贈人、志愿者所做的努力都是為了保證場地的正確和一致性，但是一些變數(shù)還是不可避免的，例如場地的材質(zhì)和平整度，場地墊的褶皺，邊框上的裂紋，場地的照明。雖然機(jī)器人在自主模式中可以伸出邊框，但是可能在場地邊框附近會產(chǎn)生各種各樣的沖突。優(yōu)先權(quán)當(dāng)任務(wù)和規(guī)則發(fā)生沖突的時候，任務(wù)是有優(yōu)先權(quán)的，但是最新的網(wǎng)上問答（應(yīng)該經(jīng)常去核對）具有最高的優(yōu)先權(quán)。注意：在Q&A沒有更新之前，裁判長沒有義務(wù)去考慮前面錦標(biāo)賽的裁決。挑戰(zhàn)問題/支持有關(guān)FLL機(jī)器人挑戰(zhàn)比賽的任何問題，包括特殊的策略和情況，可以發(fā)電子郵件至Support-FL（最有效的）。為了有最好的效果，你最好先閱讀在“必讀”中提到的4個文件。當(dāng)你要發(fā)郵件的時候，請在郵件的標(biāo)題欄中填寫“Challenge”，另外請說明你在隊伍中的角色（隊員、教練、父母、顧問）。如果打電話，請首先在語音信箱中清楚的留下您的聯(lián)系電話，在隊伍中的角色，以及你的問題。注意：flltech不回答關(guān)于機(jī)器人搭建或者編程的問題。注意：FLL論壇是隊伍之間分享信息的地方，但不是一個提供有關(guān)挑戰(zhàn)賽的正確消息的來源的地方。Support-FL提供對LEGO產(chǎn)品的技術(shù)支持。完全開放和透明所有參賽隊伍提出的問題的官方回答都公布在網(wǎng)上Q&A中，包括允許使用的策略。同樣，裁判用來對比賽進(jìn)行管理和裁決的文件，就是所有參賽隊都可以獲得的4個文件。所以如果一個策略對你而言是有疑問的，那么很有可能對裁判而言也是有疑問的，那么你將這個策略用到比賽中將是有風(fēng)險的。在星期五下午三點（美國東部時間）以后不會更新Q&A。教練會議如果在比賽開始前，又有新的問題出現(xiàn)，最后的詢問機(jī)會就是在比賽前最后一次的“教練會議”。在會議中，裁判長將和教練們在比賽開始之前討論和解決各種有爭議的問題。會議結(jié)束后，當(dāng)天的其它時間，當(dāng)你們離開場地時裁判的裁決將是最終的。北北屋頂?shù)奶柲茈姵匕?5分：將太陽能電池板放到海邊房子的房頂上面?zhèn)€人交通工具選擇25分：將氫燃料汽車移動到海邊房屋周圍的白色地塊或者黑色車道上，并將卡車移動到停車場進(jìn)行回收利用或者移動到農(nóng)田。當(dāng)卡車在其中一個目標(biāo)位置時，且將汽車運到指定的位置，才能得到此分。注：停車場是在基地的西面（與基地相鄰）白色區(qū)域。農(nóng)場位于兩條河流之間的白色區(qū)域水壩25分：將水壩放到基地東面的河流兩岸的河堤上。水壩必須是直立的注：當(dāng)比賽結(jié)束的時候，裁判員將洪水放在大壩的上游，如果有任何的房屋被水壩或者洪水接觸到，就會被扣除10分。水壩不作為游離物體。風(fēng)力發(fā)電機(jī)

15分/個：將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放到任意一塊沒有直接與基地接觸的白色空地上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須直立電網(wǎng)接駁5分/塊區(qū)域：將輸電線放到能源工廠所在的白色區(qū)域以及它周圍的居民區(qū)。它必須直立。5分/塊區(qū)域：連接的居民區(qū)與可以得分的水壩或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連（額外的分?jǐn)?shù)）太陽能衛(wèi)星15分：放下一個衛(wèi)星的葉片5分：第一個放下衛(wèi)星葉片的隊伍（額外的分?jǐn)?shù)）波浪發(fā)電機(jī)25分：將你們隊伍設(shè)計的海浪渦輪（每個隊伍一個）運到沙灘正西面的海洋中，海浪渦輪至少由兩個能互相獨立移動的機(jī)構(gòu)組成。渦輪設(shè)計的是否美觀對于得分沒有影響。煤礦10分：讓裝滿煤礦的軌道車沿著鐵軌滑下。只有當(dāng)軌道車接觸到鐵軌終點制動器，參賽隊伍才能用手將車子拿回到基地石油鉆井10分：將所有的油桶（包括紅色的）從鉆井平臺上拿走玉米收割和處理25分：將所有的玉米（包括紅色的）運到基地，玉米在目標(biāo)位置，并且有至少一個油桶被運到農(nóng)田里鈾礦15分：將鈾礦（包括紅色的）移到農(nóng)田外面。植樹10分/棵：將樹移植到主河流北面的任何位置。樹木必須是豎直向上的。樹木可以連接在一起。注：樹木移植到能源工廠按照燃料得分，而不是按照植樹得分。能源工廠供給將燃料送到能源工廠所在的地塊樹木：10分/棵（最多兩棵樹可以作為燃料，其它的樹必須移植）黑色煤：至少有一半的煤才可以獲得10分綠色鈾：10分/個白色油桶：5分/個注：紅色的燃料模型表示沒有效率的或者有負(fù)面的影響，需要將它們降低到最小的程度。在這個任務(wù)中，能源工廠里面必須不能有紅色燃料。從其它燃料中分離（處理）紅色燃料的工作可以由機(jī)器人在任何地方進(jìn)行，或者在基地里手動完成。油桶：10分：任何顏色的油桶在基地里面（或者停車場里面）作為未使用的儲藏能量。但是如果你營救機(jī)器人的時候，基地里有油桶，裁判就會拿走一個，就會丟失一個油桶分?jǐn)?shù)。先拿白色的，再拿紅色的。如果任何一個油桶接觸到水或者房子，則扣除40分。停車場：停車場是作為存放區(qū)域設(shè)計的，與設(shè)備管理規(guī)則相關(guān)，隊員只能在停車場里進(jìn)行存取的動作。機(jī)器人可以進(jìn)入和離開停車場，但是不允許在那里接觸得分物體和策略物體。公平分：根據(jù)2006年錦標(biāo)賽的分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將會對使用RCX的隊伍在他們所獲得的原始分基礎(chǔ)上設(shè)置一個公平分，分?jǐn)?shù)計算方法如下：原始分在5-100之間的分?jǐn)?shù)乘以1.6所得的結(jié)果即為公平分，原始分在105-325之間的分?jǐn)?shù)加上60即為公平分，原始分330-395之間的分?jǐn)?shù)與386-399之間的分?jǐn)?shù)相對應(yīng)（公平分=[原始分-330]/5+386）2007PowerPuzzleProject課題研究注意:陳述時間，包括準(zhǔn)備時間不超過5分鐘。項目介紹今年破解能源挑戰(zhàn)是關(guān)于當(dāng)今世界上每天都在頻繁使用的能源問題，隨著全球在增長和變化，我們能源需求也在增長和變化，破解能源任務(wù)模型要求FLL參賽隊伍只要考慮我們現(xiàn)有的一些能源利用以及這些能源利用如何影響世界。破解能源項目讓學(xué)生有機(jī)會思考各種能源利用，分析可行性，提升能源利用率。無論是環(huán)境、金融、社會或者是文化中能源，每種能源利用在某些方面里有積極的影響，但在其他方面也有消極的影響。該挑戰(zhàn)就是去尋找你周圍實際的解決方案，它對你的生活或周圍世界有較大的影響。當(dāng)你去尋找所有這些問題的平衡點時，你會認(rèn)識到針對家庭，社區(qū)、國家、整個世界的解決方案都是獨特的。當(dāng)我們要去破解這些問題時，我們必須考慮能源使用的各個環(huán)節(jié)，包括能源如何產(chǎn)生、如何存儲，如何處理與它的廢物，如何使用以及有多大消耗。如何破解這些能源問題，你的能源解決方案是什么？項目選擇你所在區(qū)域的一所建筑，評估能源使用,并從能源專家了解關(guān)于能源、能源消耗、能源影響等方面知識。討論你所在區(qū)域使用的不同能源以及當(dāng)前你生活的區(qū)域所面臨的能源問題。選擇你所在區(qū)域的一個建筑，如學(xué)?；驎?，聯(lián)系管理人員。談?wù)撛擁椖坎@得他們的幫助。能源審計。尋找建筑內(nèi)各種使用的能源，如何使用以及使用的數(shù)量。參考其它資源和FLL提供的主題指南作為能源審計所需要的樣本材料和步驟。與該領(lǐng)域的專家交流，調(diào)查不同能源產(chǎn)生的過程以及生產(chǎn)和使用它們的重要影響，如成本、實用性和環(huán)境問題。提出基于搜集的信息的解決方案來減少能源消耗或者提高能源使用率研究改進(jìn)的范圍和替代能源來尋找能源解決方案考慮能源使用效率如何，如何讓它更有效以及能源使用的類型。尋找創(chuàng)新的方法減少能源使用或更換一種可持續(xù)發(fā)展能源。考慮開發(fā)新技術(shù)滿足該建筑的特殊需求或者科學(xué)家或工程師正在研究的新解決方案。提出短期和長期的計劃向可再生能源推進(jìn)或者減少能源消耗。考慮建筑中所有區(qū)域可能影響的改變以及現(xiàn)實中你的解決方案如何，你應(yīng)該正確地展示你的解決方案如何去創(chuàng)造一個積極的變化分享你評估的結(jié)果以及提出的解決方案用一個創(chuàng)造性的方法跟你的周圍的人分享你的工作。展示短期和長期的解決方案和相關(guān)信息來支持你的觀點利用這個項目提供機(jī)會去看看能源對我們的生活有多大的影響。競賽期間，凡是規(guī)則中沒有說明的事項由競賽裁判委員會決定。

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不停地進(jìn)行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達(dá)3,4.5和6億噸,其中進(jìn)口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國的石油進(jìn)口量,這不但會制約我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機(jī)構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟(jì)南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費.目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測,20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計,在20世紀(jì)末,全世界運行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢,我國準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點.(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達(dá)4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳?(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點.(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃?xì)?實現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟(jì)的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟(jì)效益,這是生物質(zhì)能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進(jìn)行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時,相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達(dá)幾百兆瓦,但由于價格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達(dá)到實用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進(jìn)氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進(jìn)入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機(jī)我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的中美雙邊會議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進(jìn)行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進(jìn)氫能時代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進(jìn)展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術(shù)主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān),因此浪費了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲運技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走進(jìn)氫能時代的一個很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進(jìn)氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點,而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達(dá)15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機(jī)等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計,如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達(dá)到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機(jī)要占的面積要有半個加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內(nèi)燃機(jī)成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點.(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進(jìn)氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點.2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點:對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機(jī)50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設(shè)備動力源優(yōu)點:比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達(dá)80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強(qiáng).能量轉(zhuǎn)換率最高,可達(dá)80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動車樣車.電動車樣車.已出現(xiàn)許多電動車樣車我國計劃,年奧運會期間,我國計劃,到2008年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛燃料電池公交到2010年世博會期間,20輛燃料電池公交年世博會期間輛燃料電池出租車,車,300