能源是人类生存和发展须臾不能离的物质基础国家的能源-20

第七章能源能源是人类生存和发展须臾不能离的物质基础。国家的能源结构、能源政策、能源储备不仅与人民日常生活息息相关，也维系着国家安全和命运。§7-1实用的能量转化第一章指出，能量是物质运动的一种量度，对应物质的不同运动形式有不同形式的能量。物体具有能量，就具有作功的本领。能源：拥有人类有能力利用的能量的物体。能源科学：有关认识、开发、利用能源的科学知识体系。从物理学的角度看认识和开发能源是通过实验和理论上的探索发现新的储能方式和储能物体。利用能源是使能源储存的能量转换为其它形式储存的能量，并在转换过程中获所需的功。经典力学阐明能量守恒定律：在与外界没有能量交换的系统，能量形式可以转化，但总量不变。热力学第二定律指出能量有退化的趋势。实用的一些能量转化装置:一.热机热机是将燃料燃烧释放的能量——热能转换为机械能的装置。热机一般由五大部分组成：工作物质;加热部分；输出机械能部分;冷却部分；加压部分，输水泵或压缩机等。加热部分冷却部分加压部分输出机械能部分Q1Q2工作物质输出机械能部分锅炉燃烧燃料获得热能，热能通过转换装置将水变为有一定压力和温度的高温高压蒸汽，蒸汽膨胀获得动能，推动活塞作功是蒸汽机；推动叶轮再带动机械转轴旋转作功是汽轮机。内燃机是汽油、柴油、轻油等液体或气体燃料在燃烧室内点火燃烧，燃烧产生的高温高压气体在气缸内膨胀，推动活塞作功获取机械能。按热力学过程不同，常见的有奥托循环和狄塞尔循环。二.发电机电动机发电机是将机械能转化二次能源——电能的装置。依据法拉第电磁感应定律，发电机的线圈（转子）在磁场（定子）中旋转产生电动势。例如可将水的势能转变为动能（mgH=mv2/2）驱动水轮机，运动气流驱动汽轮机，风力驱动风车等，这些装置的转动部分带动转子而发电。常用的是三相两极交流发电机。我国规定，工业用发电机转子转速3600转/分，定子产生频率为50Hz交流电。目前最好的火力发电机效率约为40%。现发展的磁流体发电机，是直接把热能转化为电能的装置。由燃烧室、通道和磁体三大部分组成。燃料和氧化剂通过喷嘴注入燃烧室，点火后产生约3000K高温燃气，经喷管加速到约800m/s，气体分子电离成自由电子和正离子组成的导电气流（等离子体）。通道管放置在磁体的磁场中，且与磁场方向垂直。当导电气流进入通道时，在垂直于磁场和气流的方向产生感生电动势，实现热能直接转化为电能。与火力发电相比，省去锅炉和蒸汽管道系统，用导电气流取代转子，用磁体取代定子，省去机械转动部件，从而造价只有同容量火力发电机的1/4，效率达60%，热污染也小1/3左右。气体电离所需的高温与须承受3000K高温材料间的矛盾，使磁流体发电实用化遇到困难。电动机是发电机的逆装置，也主要由两线圈组成。一组固定称为定子，用来产生磁场；另一组旋转称为转子，转子通以电流，在定子的磁场中受到磁力矩作用发生旋转，将电能转化为机械能输出。三．电能转化为热能焦耳给出电能与热能间的转化关系：电流强度为I的电流，通过电阻为R的导线，通电时间为t，则释放的热能（焦耳热）为Q=I2Rt这是最常见的电-热转换。电弧式热转换是利用两电极电压升高时，电流急剧加大，极间气体形成热等离子体，电子、正离子与阳极、阴极相互碰撞产生高温（一般在3000K以上）。电弧式热转换是利用两电极电压升高时，电流急剧加大，极间气体形成热等离子体，电子、正离子与阳极、阴极相互碰撞产生高温（一般在3000K以上）。电弧炼钢就是一例。大块导体放在高频率变化电流产生的磁场中时，在导体上产生感应电流——称为涡电流。有很强的热效应。冶金用的高频炉达到精炼目的。高频率变化电流有在导体表面薄层流动的特性（趋肤效应），因而可使热处理元件表面温度升高，实现表面淬火。市售的新型炊具电磁炉也是利用了涡电流的热效应。各种照明设备还可方便地将电能转换为光能。相对论给出质能关系式E=mc2，指出质量的变化必然伴随着能量的变化ΔΕ=Δmc2，从而揭示了利用核能的可能性，人类在20世纪下半叶从电气时代进入到核能时代。§7-2常用能源一.能源分类地球上的能源按来源可分为三类：来自地球以外的,地球本身的,地球与其他天体的相互作用。第一类是来自地球外天体的能量，主要是太阳辐射能。传统能源煤、石油、天然气、生物质能也都间接地来源于太阳。第二类是地球本身蕴藏的能量。如地球内部的地热能，地壳中保留的核燃料（铀、钍、锂等）所储存的核裂变能，海洋中氘、氚储存的核聚变能等。第三类是由于地球和月亮、太阳等天体相互作用所产生的能量，如风能、潮汐能等。按能源是否可从自然界得到补充，又可分为可再生能源和非再生能源两大类。太阳能、水能、生物质能（柴草）、风能、潮汐能、地热等可以从自然界得到补充，称为可再生能源；煤炭、石油、天然气等化石燃料，铀、钍等核燃料是亿万年前地壳运动形成，用一点少一点，称为非再生能源。二.常用能源目前煤炭、石油、天然气，水力，核能在能源结构中占主要地位。煤炭是远古时代广袤的森林，石油、天然气则是低等动物在地壳变动时埋于地下，处在缺氧、高温、高压环境下，历经漫长的地质年代演变而成。煤炭主要成分碳占60-90%，氧占4-8%，每燃烧1kg煤大约可产生1.08×107-3.34×107J的热量。煤炭既是燃料又是重要的化工原料。第一次工业革命使世界能源结构发生重大转变，即从以木材等薪炭为主转到以煤炭为主。1.煤炭20世纪20年代，世界能源结构发生第二次大转变，即从以煤炭为主转向石油、天然气。到20世纪中叶，在工业化国家煤炭退位于石油、天然气。面临能源危机，许多国家又把希望寄托于煤炭。世界探明的煤炭储量比石油丰富得多,但是我们在下面会讨论到煤炭运输成本高，燃烧时带来的大气污染问题，为此研发煤的汽化和液化技术。煤的汽化：是在一定的温度和压力下，通过汽化剂以一定的流动方式将煤转化成可燃气体的过程，煤气中有用的成分是H2、CO、CH4（甲烷）等。煤空气、水蒸汽低热值煤气（民用煤气）煤氧气、水蒸汽中热值煤气甲烷高热值煤气煤炭的汽化可将所有种类的煤转化为用途广泛的民用煤气、化工合成原料气、工业燃料气等。煤的液化：直接液化是煤在适当的温度和压力下，催化加氢裂化成液态烃，在反应过程中脱除氮、氧、硫等。间接液化是利用煤炭汽化产品为原料气，经净化后进行改质反应，调整H2与CO的比例，制成液体产品。2.石油主要成分是碳氢化合物和少量氧化物、硫化物等的混合物。燃烧一公斤石油可产生4.090×107-4.514×107J的热量，热值比煤高。用蒸馏和裂化等方法可提炼出汽油、煤油、柴油、重油等不同沸点的石油产品。19世纪末以来，石油的需求量大增。据估计，世界大型和超大型油田的储量正以每年4%到6%的平均速度减少（2004.4.8《南方周末》报）。目前人们已经向海底寻找开采石油，利用煤炭生产石油。煤炭和石油都是以碳和氢为主的化石燃料，煤经液化后可以相应分馏出各种石油产品。还可以从植物中、废弃物中提取石油。快速增长的中国经济对石油的需求越来越大，2003年GDP增长9.1%，是建立在日消耗石油达546万桶基础上。这个数字意味着，中国的石油消耗量位于全球之二，仅次于美国。2003年中国进口9100万吨原油，较2002年增长31%。据估计，交通领域消耗了我国50%的石油用量。提高能源使用效率，减少在汽车方面的能耗，采用燃料电池为主发展汽车工业可能是一条路。燃料电池是将燃料的化学能直接转变成电能的发电方法。燃料电池由燃料、氧化剂、电极、电解液四部分组成。燃料有氢、甲醇、液氨、天然气等。燃料、氧化剂在电极上与电解液进行氧化-还原反应，在反应中放出电子，形成电流。就产生电流上燃料电池与一般电池类似。只是一般电池的反应物是预先放在电池中，消耗完电池的寿命结束；而燃料电池的反应物质是贮存在电池以外，当燃料和氧化剂源源不断地输入电池时，电流连续输出。三.天然气天然气是可燃的低分子量的烷烃气体混合物，主要成分是甲烷、乙烷和少量丙烷、丁烷。天然气燃烧时不产生灰渣，产生的二氧化碳量少（比石油少50%，比煤炭少75%）使用方便、可液化，即可瓶装也可经管道输送。西气东送。4.水力水能是天然水流具有的势能和动能。地球上的水在太阳的照射下受热蒸发，水汽上升到高空成为云，在一定条件下凝成雨、雪落到地面汇集成江、河，形成循环的可再生能源。水力发电是让水冲击水轮机转动带动发电机发电。随着水轮机技术的改进，尤其是发电机和输电技术的发展，水力发电已成为电力的重要组成部分。我国的水力资源大量蕴藏在西南地区，在西部大开发中建设梯级水电站和坑口电厂，实施西电东送工程，将有助解决东部能源问题。5.生物质能生物质能又称为“绿色能源”，它是指通过植物的光合作用，将太阳的辐射能量以生物质能的形成固定下来，生物质能来源于太阳能，是取之不尽的可再生能源。地球上的生物质能种类繁多，木材、农作物秸杆、动物排泄物、江湖沉积物、农产品加工的有机废料、垃圾中的有机物等，生物质能的转换技术大体分为三类：(1)直接燃烧获取热量这是最简单的方法，如柴草灶、垃圾发电。但转换效率低，污染环境。(2)生物转换技术以自然或人工方法，将生物质通过微生物发酵转换为液体或气体燃料。我国农村广泛使用的“沼气”是以农作物秸杆、动物排泄物、农产品加工后的有机废料通过甲烷细菌发酵后产生的以甲烷为主，含有二氧化碳、氮气等的混合物。这是解决农村能源的最有效的办法。按2004年的报道，我国农村已有一千多万户使用沼气，位居世界第一。我国在吉林建设了60万吨乙醇生产线，原理是用玉米发酵生产乙醇，将乙醇添加汽油变性生成乙醇燃料，再以10%的比例兑到普通汽油中生成乙醇燃料汽油。(3)化学转换技术通过化学方法使生物质转换成燃料物质，化学方法目前有三种：有机溶剂提取法、汽化法、热分解法。§7-3能源危机和新能源开发一.能源危机资源枯竭环境污染资源枯竭资源不可再生。高品质的能量转变为低品质的能量是不可逆的。环境污染：污染物主要是CO2，SO2，NO等温室效应CO2浓度升高，妨碍地球散热，导致全球变暖。SO2造成酸雨危害。NO等氮氧化合物破坏臭氧层。目前最关注的新能源是，太阳能、氢能和核能。二.太阳能、氢能和核能1.太阳能太阳是一颗炽热的恒星，辐射功率为3.8×1023KW，到达地球表面的辐射功率达8×1013KW，相当于目前地球上总发电功率的8万倍。太阳能是清洁的可再生能源。太阳能的直接利用大致有三种形式：(1)光电转换利用太阳能电池可将太阳辐射能转换为电能，用半导体材料制成的光电池已进入实用阶级。如单晶硅电池、多晶硅电池、硫化镉电池、砷化锌电池等。我国1971年发射的第二颗人造卫星上已开始使用太阳能电池，高效砷化镓电池已在1990年发射的风云一号气象卫星上使用。较常用的是硅电池，转换效率可达13%-17%。在宇宙空间的效率可更高。照射在沙漠上的太阳能十分丰富，如果利用照射在撒哈拉沙漠太阳能的1%，就可获得比现在全世界能耗大得多的能量。(2)光热转换昆明几乎家家都用的太阳能热水器就是直接利用太阳的辐射能量的光-热转换装置。装置又可分为平板式和聚光式两种。太阳能热水器的集热器是平板式的，用水作为传热的介质。太阳灶和太阳能高温炉是抛物面型反射聚光式的，利用抛物面反射镜使聚焦处得到较高温度。为提高光-热转换效率，在集热器表面涂上涂层。在利用太阳能发电时，为克服夜间阴天无阳光的困难，采用“熔盐储能”的方式。在晴天时，把热能输入熔盐，使熔盐吸热熔化，把太阳能储存起来；当熔盐凝结时，贮存的热量释放出来，达到均衡供电。(3)光化学转换光化学电池是利用光照引起化学反应，使电解液内形成电流而供电的电池。利用太阳能分解水制氢也是较理想的方法，因为氢是一种无污染的高效能源。另外植物的光合作用对太阳能的利用率极高，采用仿生技术，模拟光合作用一直是科学家追求的目标，一旦对光合作用的模拟成功，就可使人造粮食，人造燃料获成功。人们还设想，建立“宇宙太阳能站”收集阳光。宇宙太阳能站，按一定轨道运转，太阳能通过光电池转换为电能，用微波发生器把电能转换为微波，以集束的形式把微波发回地面接收站，地面再将微波转为电能。2．氢能①热值高。除了核能之外燃