新能源的開(kāi)發(fā)和利用

張勤昌

常規(guī)能源是指人類已經(jīng)利用了多年的傳統(tǒng)能源，如煤、石油、天然氣等。新能源又稱非常規(guī)能源，是傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，指剛開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源。廣義來(lái)說(shuō)，有別于傳統(tǒng)依靠礦物質(zhì)原料燃燒的能源都稱之為新能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電能、生物能、核能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、氫能等。相?duì)于傳統(tǒng)能源，新能源具有污染少、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，對(duì)于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和資源枯竭問(wèn)題具有重要意義。

目前，除水能資源的開(kāi)發(fā)利用程度較高外，風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)?、潮汐能以及生物質(zhì)能資源的開(kāi)發(fā)利用率非常低。據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到2020年世界能源消費(fèi)總量中，新能源的比重提高到1～20%，2050年新能源的比重爭(zhēng)取達(dá)到50%。實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)換，是人類社會(huì)和科技進(jìn)步的一個(gè)長(zhǎng)期的艱巨的奮斗過(guò)程，但又必須從現(xiàn)在開(kāi)始立即行動(dòng)去實(shí)施的一項(xiàng)全球性的任務(wù)。

我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)政策是：積極開(kāi)發(fā)水電，優(yōu)化建設(shè)煤電，加快核電建設(shè)，鼓勵(lì)新能源和可再生能源發(fā)電。在新能源開(kāi)發(fā)方面我國(guó)現(xiàn)在有四個(gè)第一：水電裝機(jī)全球第一，太陽(yáng)能熱水器的利用規(guī)模全球第一，核電在建規(guī)模全球第一，風(fēng)電裝機(jī)的增速全球第一。下面介紹的幾種能源有可能就是未來(lái)的理想能源。

一、太陽(yáng)能

太陽(yáng)照耀著地球，送來(lái)了光，也送來(lái)了熱。取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能是一種可廣泛利用的清潔能源。太陽(yáng)能的利用有三種方式，一是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如太陽(yáng)能熱水器。二是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，如太陽(yáng)能電池。三是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，如植物進(jìn)行光合作用。如圖1a所示是太陽(yáng)能發(fā)電示意簡(jiǎn)圖，圖1b所示是我國(guó)徐州大型地面光伏電站。

二、風(fēng)能

風(fēng)能是一種干凈的、儲(chǔ)量豐富、可再生的能源。風(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能。風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累計(jì)小時(shí)數(shù)。風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方，和空氣密度成正比關(guān)系。中國(guó)陸地10m高度層的風(fēng)能總儲(chǔ)量為32.26億kW，實(shí)際可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為2.53億kW，近海風(fēng)場(chǎng)的可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源是陸上的3倍，據(jù)此，我國(guó)可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源約為10億kW。在風(fēng)力資源豐富的地方，可利用風(fēng)車帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。如圖2a所示為風(fēng)能發(fā)電示意簡(jiǎn)圖，圖2b所示是聚風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電裝置。

三、生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是以生物為載體，將太陽(yáng)能以化學(xué)形式貯存的一種能量，它直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用，其蘊(yùn)藏量極大，僅地球上的植物，每年生產(chǎn)量就相當(dāng)于目前人類消耗礦物能的20倍。生物質(zhì)能是貯存的太陽(yáng)能，是一種可再生能源，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。據(jù)估計(jì)地球每年植物光合作用固定的碳達(dá)2×1011噸，所含能量達(dá)3×1021焦。

生物質(zhì)能的利用方式有：農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電、沼氣工程、生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)氣化、生物液體燃料等。

1. 生物質(zhì)秸稈燃燒發(fā)電：利用農(nóng)作物秸稈、林木剩余物，通過(guò)燃燒來(lái)產(chǎn)生熱能、蒸汽或電能。如圖3a所示是一種經(jīng)過(guò)加工的農(nóng)林廢棄物發(fā)電原料。

2. 生物質(zhì)氣化發(fā)電：將生物質(zhì)原料加熱，使較高分子量的有機(jī)碳?xì)浠衔镦溋呀?，變成較低分子量的CO、H2、CH4等可燃性氣體。生物質(zhì)氣化后用于電力生產(chǎn)，如集成式生物質(zhì)氣化器和噴氣式蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電裝置。

3. 沼氣工程：對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物、糞便、污水或城市固體廢物等進(jìn)行厭氧消化，生產(chǎn)沼氣。沼氣是一種燃?xì)?，也可以照明。如圖3b所示是沼氣利用示意簡(jiǎn)圖。

4. 生物液體燃料：利用農(nóng)作物可以生產(chǎn)生物柴油、乙醇等液體燃料。

（1）生物柴油：以餐飲業(yè)廢油、榨油廠油渣、油料作物為原料生產(chǎn)生物柴油。

（2）乙醇：種植快速成長(zhǎng)作物（如高粱、木薯等非糧作物），種樹（木小桐子等含油植物），用糖與淀粉作物來(lái)制造乙醇。但種植這些作物和植物應(yīng)堅(jiān)持 “不與民爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地”原則。

四、核能

原子核是可以改變的，而且在有些改變過(guò)程中還會(huì)釋放出巨大的能量——核能。獲得核能有兩種途徑，一種是原子核的裂變，另一種是原子核的聚變。原子核裂變的能量緩慢釋放控制技術(shù)相對(duì)原子核的聚變成熟。用人工方法控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并獲得核能的裝置，叫作核反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆的用途非常廣泛，可以作為核動(dòng)力來(lái)發(fā)電，推進(jìn)火箭、飛機(jī)、潛艇、水面艦艇、淡化海水等。

核能發(fā)電是利用核反應(yīng)堆中核裂變釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式，利用鈾原料進(jìn)行核分裂連鎖反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。核電站可以大大減少燃料的運(yùn)輸量。據(jù)計(jì)算，一個(gè)一年耗掉80噸核燃料的發(fā)電廠，如果換成煤做燃料大約需要515萬(wàn)噸。如圖4a為核電站原理示意圖，圖4b是我國(guó)大亞灣核電站。

五、水能

水能資源或稱水力資源，指水體的動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能等能量資源，是自由流動(dòng)的天然河流的儲(chǔ)力和能量。廣義的水能資源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量資源。我國(guó)的江河水能理論儲(chǔ)藏量為6.91億kW，可開(kāi)發(fā)的水能資源約3.82億kW。如圖5a為水力發(fā)電示意簡(jiǎn)圖，圖5b是我國(guó)三峽發(fā)電站的大壩。

六、地?zé)崮?/p>

地?zé)崮苁且环N可再生的清潔能源。地?zé)崮苁怯傻貧こ槿〉奶烊粺崮?，這種能量來(lái)源于地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，是引致火山爆發(fā)及地震的能量。高溫的熔巖將附近的地下水加熱，這些加熱了的水最終會(huì)滲出地面。

對(duì)地?zé)岬睦弥饕墙⒌責(zé)岚l(fā)電站用于發(fā)電、采暖、溫室種植、花卉栽培、地?zé)崴怼＠玫責(zé)徇€可以開(kāi)發(fā)溫泉旅游業(yè)，建設(shè)溫泉賓館或溫泉療養(yǎng)院，應(yīng)用于療養(yǎng)、保健項(xiàng)目。如圖6a所示是地?zé)岚l(fā)電結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖，圖6b是我國(guó)西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電廠，圖6c是羊八井地?zé)峋畤姟?/p>

七、潮汐能

發(fā)生潮汐時(shí)，大量水流動(dòng)，蘊(yùn)含著巨大的能量。潮汐能的利用是發(fā)電，讓水流帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。如圖7a和7b是潮汐能發(fā)電原理示意簡(jiǎn)圖。

八、氫能

氫氣作為一種可燃?xì)怏w，燃燒時(shí)可放出熱，與其他燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔铩U化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理也不會(huì)污染環(huán)境，且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用，產(chǎn)物水無(wú)腐蝕性，對(duì)設(shè)備無(wú)損。氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運(yùn)輸都很方便。液態(tài)的氫既可用作汽車、飛機(jī)的燃料，也可用作火箭、導(dǎo)彈的燃料。美國(guó)飛往月球的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船和我國(guó)發(fā)射人造衛(wèi)星的長(zhǎng)征運(yùn)載火箭，都是用液態(tài)氫做燃料的。如圖8所示是以超導(dǎo)托卡馬克聚變堆為基礎(chǔ)的未來(lái)聚變能電站。

人教版物理九年級(jí)全一冊(cè)第二十二章《能源與可持續(xù)性發(fā)展》課外閱讀延伸