能源的利用和开发

第二节　能源的利用和开发

一、热能及其到机械能的转换

（一）蒸汽机的发明

蒸汽机是将热能转换为机械能的动力机械。1712年，英国人托马斯·纽科门发明了最早的工业用蒸汽机，但是这种蒸汽机耗煤量大、热效率低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，因此只在煤价低廉的产煤区才得到推广。1764年，英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特在修理纽科门蒸汽机时，注意到了这一缺点，对其进行了改进，使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。此后，蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中也获得迅速推广。

蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和惯性轮等部分组成。在蒸汽锅炉中，通过燃烧将水变为水蒸气，然后将水蒸气通过管道送到汽缸。阀门控制水蒸气到达汽缸的时间，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。水蒸气在汽缸内推动活塞做功，冷却的水蒸气通过管道被引入冷凝器重新凝结为水。这个过程在蒸汽机运动时不断重复，不断将热能转化为机械能。

蒸汽机的强大动力为机器大生产奠定了基础，同时还引起了交通运输的革命。美国人富尔顿发明的轮船，英国人斯蒂芬森发明的火车都是用它带动的。它开辟了整整一个蒸汽时代，直到今天，蒸汽机仍然在某些工业、交通运输部门继续发挥着作用。

瓦特和瓦特蒸汽机模型

（二）热机效率

1765年和1782年，瓦特两次改进蒸汽机的设计，使蒸汽机的应用得到较大发展，但效率仍然不高。这是因为大量的热量还是从低温热源中损失掉了，加上散热、漏气、摩擦等其他多种因素也要损耗热量，因此，当时的蒸汽机效率只能达到4％（现在蒸汽机效率可达30％以上）。

我们将如蒸汽机这样利用燃烧燃料产生热量对外做功的机器称为热机，通常热机效率η定义如下：

式中Q₁为吸收的热量，Q₂是损失的热量，W是对外做的功，W＝Q₁－Q₂。

摆在科学家面前的问题是如何设法提高热机的效率呢？另外，能否从理论上来确定蒸汽机可达到的最高效率呢？

蒸汽机要使热能转变成做功，要有一个高温热源（供吸热）和一个低温热源（供放热）。另外，必须有工作物质，一般为气体或水蒸气。人们容易想到，能否使从单一热源吸收的热量Q₁，全部转化为做功，即效率η＝1而不引起其他变化？单从能量角度看，上述想法并不违反能量守恒。然而，大量实验事实表明上述想法不可能实现。1851年英国物理学家开尔文男爵在总结、概括大量事实的基础上提出了“热力学第二定律”的一种表述：“不可能从单一热源吸取热量，使之全部转变成有用的功而不产生其他影响。”这个定律不是从其他物理定律推理出来，而是在大量实验事实基础上总结出来的。定律的正确性，表现在它的所有推论都与实验事实相符。热力学第二定律的另一种表述是德国物理学家克劳修斯于1850年提出的：“热可以自发地从高温物体传到低温物体，但不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。”上述两种表述是两人独立提出的，但可以证明彼此是完全等价的。热力学第二定律告诉人们热机效率是有上限的。

年轻的法国工程师卡诺于1824年通过理论研究，提出了著名的卡诺定理：对于一个理想热机（假定没有任何散热、漏气和摩擦等损耗，仅有向低温热源的热量流失），其效率为

式中Q₁是吸收的热量，T₁是高温热源的绝对温度，Q₂是放出的热量，T₂是低温热源的绝对温度。

由于各种损耗，所有非理想的热机效率都低于η_理，此式表明：两种热源温差越大，可能达到的效率就越高。任何一台实际的热机都无法将低温热源取消而能有效地工作，即任何一台热机，其效率都无法达到百分之百。

假如高温端工质绝对温度T₁在1000开（约700摄氏度）、低温端（环境）绝对温度T₂在300开（约30摄氏度）时，卡诺热机的最大热功转换效率是1－T₂/T₁＝70％！因此，寻找高热值的燃料和放热多的化学反应、发展高效的热机技术等是热能开发的重要方面。

（三）天然气

天然气用作燃料有更长的历史，中国人约在3000年前已用竹管引出天然气来熬盐，比煤的使用还早1000年。天然气是存在于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称，主要成分是甲烷。作为燃料，它的优点是干净（污染极少）、有效（热值高）、开采成本低、运输和使用都很方便。利用天然气发电的电厂大大减少了对大气的污染，其产生的二氧化碳仅为煤的40％，产生的二氧化硫也很少。

目前，天然气主要用于以下几个方面：发电，天然气发电具有投资少，上网电价低，环境污染少的优点；居民用气，城市用气中的50％被用于居民生活；汽车动力，以天然气代替汽油为动力源的汽车有利于节约用油和减少汽车尾气污染。

（四）地热能

地热能是指地球内部可释放出来的能量，主要来源于地球深处的压力和地球内部放射性元素衰变所放出的能量。

地球内部的温度随距地表的深度增加而递增，平均每深入1千米，温度升高30摄氏度。某些地方，地下热水和地热蒸汽埋藏在地壳较浅的部分，甚至窜出地表，从而形成温泉。

地热能的利用可分为地热发电和直接利用，高于150摄氏度的高温热源一般可用于发电，低温热源可直接用于加热，如工业加工、区域供热、温室加热、食品干燥和水产养殖等。

地热能的利用

发电是地热能应用的主要方面。世界上已有10多个国家的100多座地热电站投入运行，其中美国居首位。我国地热资源也非常丰富，已在西藏、河北、湖南、江西、辽宁、福建等地建成了多座地热能发电站，其中最大的是西藏的羊八井地热电站，是拉萨市用电的主力电网之一，目前装机容量已达25.15兆瓦。

二、水力发电

水力发电原理很简单，让水流从高处落下，势能转变为动能，冲击水轮机，带动发电机发电。水力发电在某种意义上讲是水的势能转变成动能，再转变成电能的过程。而交流电技术的出现，实现了电能的远距离输送，使得水力发电迅速发展起来。

水力发电对环境冲击较小，发电价格低、蕴藏量可观，而且水力发电可与其他水利工程相结合，建水电站要造拦河坝、修建水库，这又可担负防洪、供水、发展航运事业等多种任务。

我国水能资源理论蕴藏量为6.76亿千瓦，占世界第一位，其中可开发量3.78亿千瓦，年发电量19200亿千瓦时，占全世界可开发水能资源总量的16.7％，居世界第一位。西南地区有许多重要河流（如金沙江、岷江、怒江、澜沧江等）坡度陡、水流急，蕴藏着丰富的水力，正在不断开发利用。长江三峡水电站规模宏大，世人瞩目。它的拦河大坝长1983米，高185米，正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，坝下安装有26台发电机组，单机容量70万千瓦，总容量达1820万千瓦，年平均发电量为847亿千瓦时，相当于目前全国发电量的1/9。

三、海洋能

海水运动产生海洋能

海洋能是海水运动过程中产生的可再生能源，主要以温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等形式存在于海洋之中。潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他天体的引力，其他海洋能均源自太阳辐射。海洋能有三个显著特点：蕴藏量大，并且可以再生不绝；能流的分布不均、密度低；能量多变、不稳定。

各种海洋能的蕴藏量巨大，据估计有780多亿千瓦，科学家作过估算，海洋沿岸各国尚未被利用的潮汐能比目前世界全部的水力发电量大一倍。从各国的情况看，潮汐发电技术比较成熟，波浪能、盐差能、温差能等海洋能的利用还不够成熟，目前仍处于研究试验阶段。

1.潮汐能

月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量成为潮汐能。在涨潮过程中，汹涌而来的潮水具有很大动能，随着海水水位升高，就把海水的巨大动能转化为势能，在落潮过程中，海水水位降低，势能又转化为动能。

潮汐能利用的主要方式是发电，其原理与普通水力发电原理类似。潮汐电站利用天然海湾筑坝拦截潮水形成水库，涨潮时将海水储存在水库中，以势能形式保存，在落潮时放出海水，利用高、低潮位落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。

月球的引力变化引起潮汐现象

潮汐电站

2.波浪能

波浪能发电

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是一种在风的作用下产生的，以势能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。有人计算，1平方千米海面上的波浪能可以达到25万千瓦的功率。波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能发电是通过波浪能装置将波浪能首先转换为机械能（液压能），然后再转换成电能。小功率的波浪能发电，已在导航浮标、灯塔等装置中获得推广应用。我国有广阔的海洋资源，波浪能的理论存储量约为7000万千瓦，沿海的波浪能能流密度大约为每米2～7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸线外波浪的能源就足以为20个家庭提供照明。

3.温差能

海水温差能是指表层海水和深层海水之间水温差的热能。海水表面吸收了太阳辐射后，温度一般可达到25～28摄氏度，而深层海水温度只有3～6摄氏度，从而形成了大约20摄氏度的垂直温差。温差储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比。通过热力循环方式可将其转变为机械能，再转换为电能。目前不少国家正在积极研究海水温差发电技术，我国也有研究计划。

海水温差发电技术，是以海洋受太阳能加热的表层海水（25～28摄氏度）作高温热源，而以500～1000米深处的海水（4～7摄氏度）作低温热源，用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。其基本原理就是借助一种工作介质，使表层海水中的热能向深层冷水中转移，从而做功发电。例如使用低沸点的二氧化硫、氨或氟利昂作介质，在表层温水热力作用下气化、沸腾，带动汽轮发电机发电，再利用深层冷水把工作介质凝结成液态。如此循环不息，保持发电机运行。

用海水温差发电，还可以得到副产品——淡水，所以说它还具有海水淡化功能。一座10万千瓦的海水温差发电站，每天可产生378立方米的淡水，可以用来解决工业用水和饮用水的需要。另外，由于电站抽取的深层冷海水中含有丰富的营养盐类，因而发电站周围就会成为浮游生物和鱼类群集的场所，可以增加近海捕鱼量。

温差发电示意图

4.盐差能

盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，是以化学能形态出现的海洋能，主要存在于河海交接处。同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。

利用大海与陆地河口交界水域的盐度差所潜藏的巨大能量一直是科学家的理想。盐差能的利用主要是发电，其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电。

据估计，世界各河口区的盐差能可达30×10¹²瓦，其中可能利用的有2.6×10¹²瓦。我国的盐差能估计为1.1×10⁸千瓦，主要集中在各大江河的出海处，同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。盐差能的研究以美国、以色列为先，中国、瑞典和日本等也开展了一些研究，但总体上，对盐差能这种新能源的研究还处于实验室水平，离示范应用还有较长的距离。

5.海流能

海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量，是另一种以动能形式出现的海洋能。

海流发电

海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，风力发电机是靠风吹着转动的，海流发电则是依靠海流的冲击力使水轮机的螺旋桨旋转，带动发电机发电。目前，海流发电站多是浮在海面上的，用钢索和锚加以固定。全世界海流能的理论估算值约为10⁸千瓦量级，中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4×10⁷千瓦，属于世界上功率密度最大的地区之一。

四、风　能

风能是由于太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，从而引起的空气流动所产生的能量。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同产生温差，引起大气的对流运动从而形成风。据估计，到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×10⁹兆瓦，其中可利用的风能为2×10⁷兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

我国是利用风能最早的国家，早在2000多年以前，利用风力驱动的帆船已经在江河中行驶，明代开始应用风力水车灌溉农田，并且出现了用于农产品加工的风力机械。现代风能利用主要是风力发电，依据目前的风车技术，大约是每秒3米的微风便可以开始发电，风力发电正在世界上形成一股热潮。

丹麦是世界上最早利用风能的国家，目前风力发电为丹麦提供了7％的电力，这个比例占世界领先地位。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天，十分适合发展风电。风电与煤电、水电相比的竞争优势在于，发电能力每增加一倍，成本就下降15％，2008年中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1％。

风力发电

五、太阳能

太阳是一个巨大的能源库，其内部持续不断地进行着核聚变反应，不停地释放出巨大的能量，向宇宙空间辐射，这就是太阳能。

太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接收的太阳能就相当于1700亿吨标准煤。相对于煤、石油等能源，太阳能具有无可比拟的优势，它既是一次能源，又是可再生能源，对环境无任何污染，使用范围又广，太阳能的开发利用已然是当今国际的一大热点。

专家们预测，到21世纪太阳能将成为人类的主要能源之一。如何直接利用太阳能呢？下面三种方式可将太阳能转换为其他能量储藏起来，加以利用。

太阳能电池

1.光电转换方式——利用太阳能电池可将太阳辐射能转换成电能使用。太阳能电池是通过光电效应将太阳能转化为电能。太阳辐射出不同频率的电磁波，当这些电磁波照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。电磁波的频率越高，所具有的能量就越大，但是并非所有频率的电磁波都能转化为电能，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。

目前用半导体材料制成的太阳能电池已进入实用阶段，如单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、硫化镉电池、砷化锌电池等。这些太阳能电池常被作为手表、收音机、灯塔、边防哨所的电源，还常用作汽车、飞机和卫星上的电源。

2.光热转换方式

太阳能光热转换的基本原理是将太阳辐射能收集起来，将光能转化为热能加以利用。黑色粗糙表面在阳光下易变热，因此太阳能设备中的吸收表面一般都涂以黑色涂层或其他采光涂层。

在太阳能热力利用中，关键是将太阳能转换为热能，由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以集热器是太阳能利用装置的关键部分。太阳能集热器通常以空气或液体（如水）为传热介质，这种装置一般可分为两种类型。

（1）平板集热器：平板集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。用平板集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。当其工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热介质，使传热介质温度升高，作为集热器的有用能量输出。平板集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构简单，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。但由于集热面积与散热面积大体相当，所以不可能达到很高温度。

（2）聚光集热器：聚光集热器用反射镜或透镜聚集太阳光，能产生很高温度，但造价昂贵。如太阳能聚光灶，太阳炉。

另外，利用太阳能进行热发电，在技术上也是可行的，在世界上已建立了不少试验性的太阳能热发电工厂。

聚光集热器

3.光化学转换方式

光化学转换是将太阳能转化为化学自由能，光化学电池就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。植物光合作用是自然界最成功的光化学转换方式，每年通过光合作用储藏的太阳能相当于全球能耗的10倍左右。利用太阳能分解水制氢，是人工光化学转换较理想的方法，因为氢用作燃料具有无污染、热值高等优点。

目前，太阳能光伏发电和太阳能热发电成本高、效率低的问题有待解决。因此太阳能的利用也对物理学提出了挑战，如何制出价廉而高效的太阳能电池将是太阳能开发利用的关键性问题。随着人们环保意识的提高，太阳能发电将会占据越来越大的市场。

六、干净的氢能

氢能是氢的化学能，是通过氢气和氧气反应所产生的能量。由于氢气必须从水、化石燃料等物质中获得，因此属于二次能源。氢能有以下优点：

氢燃料电池车

（1）氢的热值高，除核燃料外，它的燃烧热值要比其他化石燃料高，每千克可高达6900千焦耳，约是汽油热值的3倍。

（2）易燃烧、燃烧速度快，有利于获得高的功率。

（3）氢来源广，除了存在于空气中外，还主要存在于水中。在水分子中，氢的质量比例约为11％，海水中的氢可以说是取之不尽的。

（4）氢燃烧后只生成水和少量氮的氢化物，没有化石燃料燃烧所放出的有害气体和铅化物等污染物质。而少量的氮的氢化物，经处理后也不会污染环境，所以氢是一种非常干净的燃料。

七、生物质能

生物质能是以生物为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍。在各种可再生能源中，生物质能是唯一一种可再生的碳能源。

生物质能的开发和利用具有巨大的潜力，目前主要有三个方面：

生物质能

（1）建立以沼气为中心的农村新的能量、物质循环系统，使秸秆中的生物能以沼气的形式缓慢地释放出来，解决燃料问题。

（2）建立“能量林场”、“能量农场”、“海洋能量农场”。建立以植物为能源的发电厂，变“能源植物”为“能源作物”，如“石油树”、绿玉树。

（3）种植甘蔗、木薯、海草、玉米、甜菜、甜高粱等，既有利于食品工业的发展，植物残渣又可以制造酒精以代替石油。