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第5章 能源高新技术(3)

纽约电力局负责研究工作的沙洛姆·策林格说,在1998年实施的发电工程中,他们把原本将在空气中自白烧掉或随风飘走的20多吨废气转化成了电力,同时生成的热水可用来加热有助于废物分解的菌类。

策林格说,燃料电池采用的燃料是氢,诸如天然气和汽油之类的标准矿物燃料以及甲烷中都含有氢。由于燃料电池是利用一种化学反应从氢中获取能源,而不是燃烧氢,因此它们不会产生任何大的污染。

电力局的负责人说,从中获益最大的是污水处理厂,厂里的设备可利用大量不花钱的甲烷废气,替代天然气或其它一些必须花钱购买的燃料。这些设备还可以用来自垃圾填埋场的沼气发电。

纽约市负责环境的官员在检查了这些新型设备后表示,他们希望在纽约14家污水处理厂的一些厂里安装燃料电池,以期对一部分废气加以循环利用。目前这些污水处理厂每年产生16亿立方英尺的废气,但大部分都在厂内白白烧掉。

成本低廉的太阳光(热)发电

地球所接受的太阳能功率,平均每平方米为1353千瓦,这就是所谓的“太阳常数”。也就是说,太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量,这些能量比目前全世界人类的能耗量大3.5万倍。但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量,使其成为本世纪的一大可利用能源,是新能源开发中的一个重要课题。

太阳能转换为电能有两种基本途径:一种是把太阳辐射能转换为热能,即“太阳热发电”;另一种是通过光电器件将太阳光直接转换为电能,即“太阳光发电”。

太阳热发电,全世界以以色列的技术最为先进。在吸取加州的技术的基础上,巴西、印度、摩洛哥正在计划进行设备的建设,世界银行已开始提供资金给开发中的国家。因为入射到地球表面的太阳能是广泛而分散的,要充分收集并使之发挥热能效益,就必须采取一种能把太阳光发射并集中在一起,变成热能的系统。一种方法是采用细长的太阳光聚集管子,将管中流动的液体用太阳热集中加热,转换成为高温水蒸汽,以蒸汽涡轮机变换为电。也可以采用抛物面型的聚光镜将太阳热集中,使用计算机让聚光镜追随太阳转动。

除了太阳热发电技术外,目前人类社会也在大力开发太阳光技术。太阳辐射的光子带有能量,当光子照射半导体材料时,光能便转换为电能,这个现象叫“光生伏打效应”。太阳电池就是利用光生伏打效应制成的一种光电器件。太阳电池与普通的化学电池(干电池、蓄电池)完全不同,是一种物理性质电源。虽然太阳光——照射太阳电池就能发电,但它与一般的发电机大相径庭,它无旋转和磨损,能静悄悄地发电。目前采用光电池利用太阳光的方式还是小规模的分散方式。对人类的贡献而言,太阳光技术可能是至今最优秀的技术,短期的最大功效就是给发展中国家中20亿以上的农村人口带来恩惠。虽然现在的送电网是大规模集成方式的,这并不会使事态变得悲观,因为随着电池效率的提高,制造工程的改善,以及大规模发电所带来的成本降低,在2000年实现每千瓦小时10美分,到2020年预计达到每千瓦小时4美分。

美国利用各种能源发电的成本目前已接近采用天然气和煤炭发电的成本,因此,太阳热发电具有广阔的前景。

尚未成熟的风能风力发电

早在2000多年前,风能就通过帆船风车等装置变换成机械能的形式得到广泛的利用。1890年,丹麦首先利用风能进行发电以来,100多年后的今天,风力发电成为风能利用的最普及的方法。许多风力资源丰富的国家利用这绿色能源来发电,用作通信中转站、航标灯、家庭广告等的电源。

风能即是流动空气的动能。理论上,风能与空气的密度,迎风面积及风速的3次方成正比。但实际上,由于流过风车后的气流不可能完全静止,理论风能不能得到全部的利用。通常只有60%左右的风能能够转换为机械能。风轮的迎风面与风向垂直时,风能能够得到最大的利用。通过风轮后面的机尾,可以随时调整风轮的朝向,使迎风面尽量与风向垂直。风力发电就是首先将风能变换成机械能,然后由发电机将机械能变换为电能。

风能的利用形式有以下三种:

(1)机械能风力抽水排水,粮食加工等,是风能的最早利用形式。

(2)电能小型风力发电系统通过蓄电池等将电能转变为化学能蓄藏起来保证稳定的供电。而中大型风力发电系统直接将电能输入电网进行利用。

(3)热能通过摩擦等方法产生热量加热流体来加以利用。由于风能几乎100%可以变为热能,利用效率最高。

风能是一种自然能源,由于风的方向及大小都是变幻不定,它的经济性和实用性由风车的安装地点、风向、风速等条件综合决定。

利用海洋温度差发电的新技术

海洋表面水深0~100米的表层部分,每天吸收大量的太阳辐射热。使海洋表层的温度要比海洋深处的温度高出20摄氏度左右。这一温度差所产生的能量被称作海洋温度差能量。因此海洋可以认为是太阳能的巨大蓄存池。

如何有效地利用海水温度差能量来为人类服务呢?法国的Ar-sened’.Arsonval于1881年首次提出海洋温度差发电的构想。1930年Claude在古巴的近海,首次利用海洋温度差能量发电成功,但是,由于发电系统的水泵等所耗电力比其所发出电力的更大,结果纯发电量为负值。然而人们并没有泄气。1979年,夏威夷的MINI-OTEC发电系统第一次发出了15千瓦的纯发电量。

海洋温度差发电的过程是:①将海洋表层的温水抽到常温蒸发器,在蒸发器中加热氨水,氟利昂等流动媒体,使之蒸发成高压气体媒体。②将高压气体媒体送到透平机械,使透平机械转动并带动发电机发电,同时高压气体媒体变为低压气体媒体。③将深水区的冷水抽到冷凝器中,使由透平机械出来的低压气体媒体冷凝成液体媒体。④将液体媒体送到压缩器加压后,再将其送到蒸发器中去,进行新的循环。

海洋温度差发电与其他的发电形式相比,具有如下的特点:①海洋占地球表面的70%。由于这个能量来自太阳,可以说取之不尽,用之不绝。②海水温度差只有20摄氏度且属于低品位能量,最大转换效率只有4%左右。③属于自然能源,不会造成环境污染,与其他自然能源相比,可以不分昼夜,不受时间季节气候等条件的限制,能量供应稳定。④由于海水具有腐蚀性,生物污损性,因此设备应考虑使用耐腐蚀少污染材料,同时要考虑耐生物污损的对策,由于深海抽上来的海水含有较多的营养成分,有利于提高海洋渔业产量。

鉴于上述特点,美国、日本等海洋资源丰富的国家,目前正在积极研究及应用海洋温差发电系统,使之在资源短缺的今天,成为人类的有力选择。

神奇的原子能发电

一提起“原子弹”,人人可知它的巨大威力。其实,原子能同样也有和平的用途,那就是原子能发电,即利用原子核裂变产生的核能发电的方法。原子能发电所用的燃料是具有发射性的铀-235(或钚-239)。与火力发电相比,它具有以下特点:

燃料用量少,易于运输和储存;

燃料更换次数少,一般一年更换一回;

无空气污染,属于清洁型能源;

经济。

目前,应用原子能发电最多的国家是美国、法国、前苏联和日本。中国正处于大力发展的过程中。

原子能发电与利用煤炭和石油等作为燃料的火力发电原理上是一样的,都是利用蒸汽驱动涡轮发电机来发电,不同的只是用原子反应堆取代了火力发电的锅炉。

原子反应堆是进行核裂变并将核裂变产生的热能提取出来的装置,是原子能发电的核心装置。其构成要素主要有以下部分:

原子燃料(如铀-235);

减速材料,用于减缓核裂变产生的高速中子,以便于更容易进行下一步的核裂变;

冷却材料,用于取出核裂变产生的热能;

控制棒,用于控制核裂变;

防护材料,用于阻挡放射线外泄。

根据原子反应堆构成要素的不同,有不同的分类。其中,轻水反应堆是目前世界上应用最多的一种,占80%以上。

原子能发电因其洁净、经济而成为未来的主要新能源。但原子能发电站的建设和维护,需要较高的技术,目前世界上只有少数几个国家掌握了此项技术。中国是其中之一。

我们都知道,核燃料具有放射性。因此,原子能发电站的建设和运营要充分考虑到安全因素。

不可思议的航天器对接

1995年6月27日,载有7名宇航员的美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机,从卡纳维拉尔角升空,并开始追赶俄罗斯“和平”.号空间站。最后,以每秒钟不超过3厘米的速度靠近“和平”号”……成功了!成功了!时间定格在了格林尼治时间1995年6月29日13时。

100吨重的航天飞机,123吨重的空间站,两个庞然大物对接组成了有史以来最重的航天器。它们在预定的轨道上,以相对于地面2.8万千米/小时的速度飞行。当人们在夜晚用望远镜观察这壮美的景象时,航天器里的宇航员们正在紧张地工作……

在“亚特兰蒂斯”号与“和平”号里工作的,有来自美国、俄罗斯、加拿大和德国四国的宇航员。对接成功后,他们联合开展了一系列空间医学实验。

7月4日,“亚特兰蒂斯”号与“和平”号脱离。经过“亚特兰蒂斯”号的补给,“和平”号带着充足的资源继续飞行。乘“亚特兰蒂斯”号航天飞机升空的两名俄罗斯宇航员留在了“和平”号上继续飞行,而原在“和平”号上的3名宇航员则乘“亚特兰蒂斯”号,返回了地面。这就使得这架美国航天飞机在返回时的乘客增至8名。7月7日,“亚特兰蒂斯”号按原定计划返回了地面,并带回了“和平”号上的部分实验标本。

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