新型发电技术

新型发电技术电气13-2在可再生能源及其发电技术课程中我们学习了风力发电、太阳能发电、生物质能发电、小水力发电、海洋能发电以及地热能发电等一系列当前主流的新能源发电技术，本文将介绍一下除上述几种发电技术以外的新型发电技术。随着科技的进步以及人们对能源需求的日益提高，相信会有更多的新技术用于电力领域，为人类社会持续发展提供足够的清洁能源。一、月球能源发电我们现在在地球上已经利用太阳能发电，但由于地球裹着一层厚厚的大气，过滤掉不少阳光，因此太阳能发电的效率始终不高。但在月球上利用太阳能发电，效率就大不一样了。月亮表面几乎不存在大气，所以太阳辐射可以长驱直入。每年到达月球的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，相当于地球上一年消耗各种能量总和的2.5倍！而且因为月球自转周期与其绕地球公转周期的时间几乎相等，黑白天各占14.5天，一天相当于地球一个月的长度，而这又可以让它获得更多的太阳能。在月球表面建立全球性的并联式太阳能发电站，可以令太阳能电池板的效率最大化，这样就能获得极其丰富而稳定的太阳能。这不但解决了未来月球基地的能源供应问题，而且在未来还有望利用微波技术传播太阳能直接向地球输送能源。日本建筑公司清水公司近日就提出了一个雄心勃勃的所谓的“月环计划”，对太阳能的利用规模预计将超过以往的任何计划：围绕月球约1.1万公里长的赤道建一条太阳能发电带，再将电能转化为微波束和激光束，然后传回地球的接收站。在此期间，无线电导航台会确保微波束和激光束被准确输送至地面接收站。“月环计划”的最大优势在于它可以24小时不断地接受清洁能源。其一年的发电规模相当于17亿吨石油或者1.3万个核电站的年发电量，按目前的能源消耗速度计算，够地球使用30年。日本的公司正在集中力量攻克“月环工程”中的一系列技术难题，将于2035年正式启动这项计划。这项雄伟的计划一旦实现，将会有助于人类从传统资源到新资源进行顺利过渡。月球上还有丰富的氦-3资源。作为氦的同位素之一，氦-3含有两个质子和一个中子，氘和氦-3进行核聚变的发电效能超过石油的千万倍。据科学家们统计，月球土壤中的氦-3含量预计达100万吨，转化为核能后将足够地球“享受”1万年。利用氦-3发电可以既安全又环保。对于如何利用氦-3，目前科学家们主要有三种设想：第一，在月球上建立氦-3采掘场，将采掘加工出来的氦-3运往地球发电；第二，在月球上建立氦-3核聚变发电厂就地发电，并设法送回地球使用；第三，直接用氦-3，或者是采用加工氦-3过程中产生的氢气作火箭和飞机的燃料。总而言之，月亮即将成为未来人类世界的“能源之星”。而且，如果在月球上开采矿产资源，就更加可以直接利用月球上的能源来发电了。利用月球上的能源冶炼月球上的矿产资源，再运回地球供人类使用，不仅为人类提供源源不竭的丰富资源，还保护了地球的环境。二、太阳能卫星发电太阳能发电卫星、又称为轨道发电机（SBSP），自1970年代早期已在构想中的一种太阳能发电系统，在卫星轨道上的太阳能收集器，将从太阳光收集所得的能量以微波或激光传送到地球，在地球表面接收后转化为电能。其优势是在太阳与太阳能收集器之间无大气层阻碍，因此效率较高，并且不受昼夜周期的影响。是一种可再生能源。目前的造价仍非常高，不俱经济效益，有可能在技术进一步发展或能源价格进一步上涨后被建造。1968年，美国工程师格拉舍在《自然》杂志上发表文章《来自太阳的能源：它的未来》，首次提出了卫星太阳能电站的设想。●运行轨道应保证接受面能始终对准太阳，传输装置能把能量向任何希望点发射。●光电转换元件应能达到最大的理论效率。●传输装置能将电能转换后送回地面，而传输频率满足大气吸收量最小。●地球接受器能够以需要的能量密度接收，并且能够传输到用户那里。他选择的是地球同步轨道，并且为保证24小时工作，应当在同步轨道上布置两个卫星太阳能电站。●光电转换元件选择比较成熟的硅光电池，其理论上的最大效率为24%，并把太阳能转化成电能供地球使用。三、新型量子热晶体管发电法国普瓦提埃大学和国家科学研究院（CNRS）研究人员设计出一种能像电子晶体管控制电流那样控制热流的量子热晶体管，能从发电站及其他能源系统收集并循环利用余热。目前虽有传输和引导余热的方法，但无法对热流进行有效控制，量子热晶体管做到了这一点。虽然这不是第一个热晶体管，但是第一个由量子物体制造的热晶体管，而其他热晶体管多是用宏观材料如固体或相变材料制造。这种量子热晶体管由3个二态系统组成，可以通过自旋运作，有上下两种状态，每个自旋系统都能控制热流向其他两个流动。研究人员在最近发表于《物理评论快报》上的论文中指出，热晶体管是一个量子系统，由3个相互作用的子系统构成，每个子系统与热储层耦合。这种热晶体管就像电子三极管，在基极加热流时，集热极、发射极能控制热流的收集和发出。研究人员从理论上证明了晶体管可以在两个状态之间转换自旋，产生晶体管效应，从而对热流进行调制、放大和控制。将来这种晶体管可用在多种量子纳米设备中控制热流。普瓦提埃大学研究人员卡尔·尤莱恩说：“人们可以用电子二极管、晶体管和放大器来管理电流，希望用同样方式来管理热流。我们想制造一种逻辑热线路，就像人们设计的逻辑电路那样，以这种方式来引导、放大、开关或调制余热。”他表示，他们今后的计划是将设备最优化，并寻找合作伙伴进行量子水平的实验。四、新型的生物发电技术——MRC美国宾夕法尼亚大学的科研小组发明了一种新型的发电技术，即微生物逆向电渗析电池(MRC)。这一技术由两个不同的技术结合而成。该小组扬长避短，规避了这两个技术的局限性，开发出效率更高、成本更低且十分方便的电池技术。这两个技术分别为微生物燃料电池(MFC)，即利用生活废水中自然存在的细菌发电，以及逆向电渗析(RED)，也就是利用淡水和盐水之间的盐度梯度来发电。该科研小组负责人、能源与环境研究专家布鲁斯·罗根表示：“这两个技术每个都存在优点和弊端，把它们结合在一起，取其优点，结合之后，效果更佳。”科研小组研究指出，把生活废水中的细菌降解，再结合淡水和海水之间的盐度梯度来发电，优势更加明显。另外，废水中蕴含有大量以有机物形式存在的能量，而这些能量是处理这些废水所需能量的10倍之多。通常我们不利用这些能量，而是简单地放任自流，浪费很多能量。而生活废水加上家畜和食品生产过程中产生的废水所蕴含的全部能量几乎可以维持全美水利基础设施的运行。预计通过MRC技术，可为美国带来17吉瓦的电力，而一座核反应堆一年发电能力也只有1吉瓦左右。科研小组的MRC技术的发电原理报告显示，在使用RED技术时，淡水和海水会被水泵压过两个膜片，这对膜片与带相反电荷的电极相连，会让正负电荷分别朝不同的方向行进，当离子朝它们各自的电极移动时，就会产生电流。但这一方法需要使用很多膜片，因此成本很高。而MFC的技术，则是利用微生物群来分解和氧化有机物，此过程会释放出向阳极移动的电子，而这时水中的氢离子则会通过质子交换膜并进入独立的阴极，这样一个从阳极到阴极的游走产生了电力。而氢离子还会与周围的氧相结合，形成清洁的水。科研小组把一个由几对膜片组成的RED模块置于一个MFC的阴极和阳极之间，以此形成MRC技术。两者结合可获得更高的能量密度。五、磁流体发电技术磁流体发电是一种新型的高效发电方式，其定义为当带有等离子状态，是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引，使物质呈为正负带电粒子状态存在。是导体流体以一定的速度垂直通过磁场进而以感生电动势产生电功率，能量从内能直接转化为电能。磁流体发电按其工作物质的循环方式可分为开式循环方式、闭式循环方式和液态金属循环方式。通常在高温和高速下，通过把钾、铯等碱金属加入到惰性的工作物质中来使其具有足够的电导率。和普通的风力、水利和核能发电，优点表现的很突出，其一是利用磁流体发电机发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，就可以使发电机功率达到1000万KW，这就满足了一些需要大功率电力的场合。其二是节约燃料%25~%20，甚至更多，这是个巨大的数字，具有重要的经济意义。其三是污染少也是与普通火力发电比较而言。磁流体发电有“种子”回收装置，起自动脱硫作用，大气污染大为减少；联合循环热效率高，热污染比火力发电减少三分之一，比原子能发电减少一半，大大减少冷却水的用量。此外，还有单机容量大，可达千万千瓦1台；起动快，可在几秒钟内达到满负载；比功率很大，发电机体积和重量相对比较小等。六、超导发电技术超导发电机是由一组直流线圈和输出接线端与多组交流线圈和输出接线端构成的内口为方型或其它形状中空的线圈组与插在中空腔内的截面为方型或其它形状的长条型超导磁体构成。超导磁体的输入端分别与直流启动电源开关相接并与直流线圈输出接线端相接，输出端设有与负载相接的接线端，该装置发电时，无污无污染、无噪音、无能耗、无机械磨损，是人类最理想的能源装置，它可取代一切现有的能源装置向人类提供永久电能。染、无噪音、无能耗、无机械磨损，是人类最理想的能源装置，它可取代一切现有的能源装置向人类提供永久电能。各国都在开发超导发电机，但是研制安装在转动体上的超导线圈是研究的关键。由日本一些大的电机、电线制造和电力公司组成的超导发电机器和材料技术研究机构，1991年2月宣布在开发高速旋转状况下稳定发挥作用的超导发电机用超导线圈方面取得进展。该研究组研制成功的7万千瓦级超导发电机上使用的最小型超导线圈，实验结果达到了预期的目标性能。在这项成果的基础上，下一个目标是制造超导发电机的转动部分的样机，最终实施7万千瓦级超导发电机的验证试验。1991年7月，美国俄亥俄州克利夫兰的信实电气公司展示了一种装有超导线圈的工作电机。这种超导线圈是由马萨诸塞州沃特敦的美国超导体公司制造的，必须将它冷却到－200℃方可工作，用0．5安电流可产生25瓦功率。这种线圈使用的是美国超导体公司制造的挠性新型高温陶瓷超导线材，该线材绕在一个金属芯上。