能源的利用与开发

17-5能源的利用與開發我們使用的能源，大部分是由石油、天然氣和煤等天然資源轉換而來，現在我們也已利用核能來發電。除此之外，我們致力研究汽電共生的發電方式以及太陽能、風力、潮汐、地熱等能源的開發與利用。I.重要的能源A.煤1.形成：煤是古代生長在沼澤中的植物，埋在地下後，因細菌的生化作用及地下的高溫、高壓作用，經過極長的歲月，逐漸變化而成。2.成分：（1）煤的主要成分是碳，它也含氫、氧、氮、硫的有機物及無機礦物質。（2）煤中的碳不揮發稱為固定碳，含固定碳成分愈高而含水及其他揮發成分愈低的煤，煤質愈好，燃燒時火力愈強。（3）無煙煤含固定碳量在90%以上，是最高級的煤3.用途：（1）煤的主要用途是做為能源，煤燃燒時放出大量的熱，是火力發電廠用來發電的燃料之一。（2）煤經乾餾會得到煤焦油等物質，分離後可以煉製許多化學品，是重要的工業原料。（3）煤燃燒後，煤中的碳、氮、硫等成分的氧化物溶於水會形成酸雨，而煤中的無機礦物質及未燃燒完全的煤會形成飛灰造成空氣污染。B.石油、天然氣1.形成：石油和天然氣是古代動植物的屍體，埋在地下後，因細菌的生化作用及地下的高溫、高壓作用，經過極長的歲月，逐漸變化而成。2.成分：（1）石油和天然氣都是由多種碳氫化合物混合的，另外也含少量的氧、氮、硫等。（2）石油中所含的碳氫化合物，其碳數較多，燃點和沸點較高，故為液態。天然氣中所含的碳氫化合物，其碳數較少，燃點和沸點較低，故為氣態而且非常易燃。3.用途：（1）石油和天然氣是能源（燃料）的主要來源。（2）石油和天然氣經分餾後會得到許多物質，可以煉製各種化學品，同時也是重要的工業原料。以石油和天然氣為原料的工業稱為石化工業其產品及原料的範圍很廣，包括食衣住行育樂各方面都有。C.核能與核能發電1.核能的發現：（1）有些原子的原子核並不穩定，會自然的衰變而放出輻射，直到變成其他穩定的元素為止。（2）由實驗結果發現，衰變後的總質量會小於衰變前的總質量，愛因斯坦認為輻射的能量就是由這些減少的質量轉換而來的。2.質能互換：（1）物質的質量可能在核反應的過程中轉換成能量。而在質能互換的過程中，物質遵守質能守恆，但質量不守恆、能量也不守恆。（2）質能互換公式（愛因斯坦提出）~（3）由公式可得知，1公克的物質若完全轉換為能量，會產生9×1013焦耳的能量，約相當於燃燒3百萬公斤的煤所放出來的熱，但是，這種轉換必須在許多限制下，才有可能發生。（4）核反應可以分為核分裂和核融合兩種方式，兩種反應都會損耗質量、產生能量，而且以核融合的反應較為激烈，損耗質量較多，產生能量較大。3.核能發電：（1）目前世界各國的核能發電都是採用核分裂的形式。（2）我國的核能發電是以3%的鈾-235（23592U）原子核做為核反應器所使用的燃料，再以慢中子（經過減速的中子）撞擊，使之分裂放出能量。反應式~能量nKrBanU1039236141561023592（3）當鈾-235的原子核受到中子的撞擊時，鈾-235會分裂成兩個不同元素的原子核及2至3個中子，並產生一些熱。若是將鈾-235密集在一起，分裂出來的中子會撞擊尚未反應的鈾-235，於是分裂出更多的中子，繼續撞擊尚未反應的鈾-235。就是說發生一系列連續的反應，我們稱為連鎖反應，而產生的熱也會增加許多。（4）核能電廠是利用核反應器中連鎖反應所產生的大量的熱來加熱水成為水蒸汽，再以水蒸汽推動汽輪機，帶動發電機而產生電力。（5）核能電廠的建築，必須使用各種遮蔽物質，將所產生的放射線遮蔽，如目前興建中的核四廠，使用約18公分厚的碳鋼合金做反應爐的外殼，防止放射性物質外洩；並在反應爐外建造鋼筋混凝土的雙層圍阻體，厚度約1~2公尺，萬一意外發生時，有多一層的保護，以使廠外不會受到放射線的污染。另外，核原料鈾-235分裂後的生成物稱為核廢料，含有放射性物質，必須妥善處理。E=mc2E：產生的能量，單位~焦耳m：損失的質量，單位~公斤c：光速，c=3×108m/sII.能源的有效利用和開發1.在能的轉換過程中，部分能量都會變成一些散亂的熱能而無法利用，所以能量經轉換後，我們能夠利用的部分，只會減少，而不可能增加，因此我們應有效的利用與使用能源。2.發電廠產生的電能，如不利用，則需將它轉換成其他形式的能量加以儲存。3.民國74年9月開始運轉的大觀發電廠二廠，即在深夜用電量較少的離峰時間，利用所剩餘的電能，將比日月潭低300公尺處水里溪水壩中的水抽取上來，儲存於日月潭中，等到白天及傍晚用電多的尖峰時間，再由日月潭放水發電，並將水儲存於水里溪水壩中，如此循環使用，達到有效利用能源的目的。4.石化、鋼鐵、造紙等工廠的生產過程中，工廠的經營者為了節約耗電成本，於是自行建造發電機組，利用蒸汽來發電。發電後剩餘的水蒸汽可提供工廠生產過程所需，另外，將生產過程所產生的廢熱回收，可用來再次發電。此種發電方式稱為汽電共生，對於節約能源及有效的利用能源方面有很大的貢獻。某些工廠以及近年啟用的台北北投垃圾焚化廠，都設有汽電共生系統。汽電共生所產生的電力，可以供給工廠內部的用電需要，如有剩餘尚可回售給台灣電力公司。近年來，用戶的用電量持續攀升，各工廠汽電共生所產生的電力，可以彌補台灣電力公司在尖峰用電時供電不足的部分，是政府鼓勵的能源政策之一。5.目前台灣地區主要的發電方式有火力發電、核能發電和水力發電，其中發電量的大小：火力發電＞核能發電＞水力發電。6.目前台灣地區的用電是以工業用電、家庭用電和商業用電來區分，其中用電量的大小：工業用電＞家庭用電＞商業用電。7.隨著世界人口的增加，以及人們生活品質的提高，對於能源的需求也逐年的增加，然而煤、石油和天然氣等資源是有限的，總有一天會用盡，因此，節省並有效利用現有的能源，並積極尋求、開發新能源，是人類所面臨的一個重要課題。現在人類除了利用火力、水力及核能發電所產生的電能外，對於太陽能、風力、潮汐、地熱等能源的開發與利用也在持續進行。