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2022/11/31現代科學技術通論現代科學技術通論 2022/11/32第5章 能源科學與新能源技術l能源科學的內涵？能源科學的內涵？l何謂新能源？何謂新能源？l新能源有那些主要特徵？新能源有那些主要特徵？l新能源的類型？新能源的類型？l怎樣開發利用新能源？怎樣開發利用新能源？2022/11/335.1能源概說能源概說 能源是自然界中能為人類供应某種形式能源是自然界中能為人類供应某種形式能量的物質資源。能量的物質資源。自古以來，材料、能源、資訊是人類社自古以來，材料、能源、資訊是人類社會進步發展的三大要素，其中能源是人類生會進步發展的三大要素，其中能源是人類生存和發展不行缺少的物質基礎，它的開發和存和發展不行缺少的物質基礎，它的開發和利用狀況是衡量一個時代、一個國家經濟發利用狀況是衡量一個時代、一個國家經濟發展和科學技術水準的重要標誌，干脆關係到展和科學技術水準的重要標誌，干脆關係到人們生活水準的凹凸。人們生活水準的凹凸。2022/11/34能源的分類能源的分類 1.與太陽有關的能源與太陽有關的能源 地球每天接收的太陽能，相當於地球每天接收的太陽能，相當於全球一年所消耗的總能量的全球一年所消耗的總能量的200倍。倍。太陽發光放熱的歷史已達四十多億年太陽發光放熱的歷史已達四十多億年以上，據科學家們預計，太陽釋放巨以上，據科學家們預計，太陽釋放巨大能量的時間還將持續幾十億年。因大能量的時間還將持續幾十億年。因此，太陽可稱得上是人類取之不盡、此，太陽可稱得上是人類取之不盡、用之不竭的能源寶庫。用之不竭的能源寶庫。2022/11/35太陽能的優點：太陽能的優點：1）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產生的有害氣體和廢渣，因而不料產生的有害氣體和廢渣，因而不污染環境，被稱作污染環境，被稱作“潔淨能源潔淨能源”。2）太陽能到處都可以獲得，运用便）太陽能到處都可以獲得，运用便利、平安。利、平安。3）成本低廉，可以再生。）成本低廉，可以再生。2022/11/362與地球內部的熱能有關的能源與地球內部的熱能有關的能源 地球是一個大熱庫，從地面对下，地球是一個大熱庫，從地面对下，隨著深度的增加，溫度也不斷增高。從隨著深度的增加，溫度也不斷增高。從地下噴出地面的溫泉和火山爆發噴出的地下噴出地面的溫泉和火山爆發噴出的岩漿就是地熱的表現。地球上的地熱資岩漿就是地熱的表現。地球上的地熱資源儲量也很大，按目前鑽井技術可鑽到源儲量也很大，按目前鑽井技術可鑽到地下地下10 km的深度，估計地熱能資源總的深度，估計地熱能資源總量相當於世界年能源消費量的量相當於世界年能源消費量的400多萬多萬倍。倍。2022/11/37 3與原子核反應有關的能源與原子核反應有關的能源 這是某些物質在發生原子核反應時釋放的能量。這是某些物質在發生原子核反應時釋放的能量。原子核反應主要有裂變反應和聚變反應。目前在世界原子核反應主要有裂變反應和聚變反應。目前在世界各地運行的各地運行的440多座核電站就是运用鈾原子核裂變時多座核電站就是运用鈾原子核裂變時放出的熱量。世界上已探明的鈾儲量約放出的熱量。世界上已探明的鈾儲量約490萬萬t，釷儲，釷儲量約量約275萬萬t。這些裂變燃料足夠人類运用到迎接聚變。這些裂變燃料足夠人類运用到迎接聚變能的到來。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量能的到來。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量為為0.03gL，據估計地球上的海水量約為，據估計地球上的海水量約為138億億億億m3，所以世界上氘的儲量約，所以世界上氘的儲量約40萬億萬億t；地球上的鋰儲量；地球上的鋰儲量雖比氘少得多，也有雖比氘少得多，也有2 000多億多億t，用它來製造氚，足，用它來製造氚，足夠人類過渡到氘、氚聚變的年头。這些聚變燃料所釋夠人類過渡到氘、氚聚變的年头。這些聚變燃料所釋放的能量比全世界現有能源總量放出的能量大千萬倍。放的能量比全世界現有能源總量放出的能量大千萬倍。按目前世界能源消費的水準，地球上可供原子核聚變按目前世界能源消費的水準，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類运用上千億年。的氘和氚，能供人類运用上千億年。2022/11/38 4與地球與地球-月球月球-太陽相互聯繫有關的太陽相互聯繫有關的能源能源 地球、月亮、太陽之間有規律的運地球、月亮、太陽之間有規律的運動，造成相對位置週期性的變化，它動，造成相對位置週期性的變化，它們之間產生的引力使海水漲落而形成們之間產生的引力使海水漲落而形成潮汐能。潮汐能。與上述三類能源相比，潮汐能的與上述三類能源相比，潮汐能的數量很小，全世界的潮汐能折合成煤數量很小，全世界的潮汐能折合成煤約為每年約為每年30億億t，而實際可用的只是淺，而實際可用的只是淺海區那一部分，每年約為海區那一部分，每年約為6 000萬萬t煤。煤。2022/11/39l1非再生能源資源面臨枯竭的危險l 像煤炭、石油、自然氣及鈾之類的能源只能是越消耗越少，屬於非再生能源資源。l2干脆燃燒化石燃料對環境構成嚴重威脅l 燃燒化石燃料給環境造成的危害是當今世界性的嚴重問題。常規能源的生產和利用是產生公害的重要缘由。l 常規能源中煤、石油耗量的增加導致大氣中二氧化碳濃度相應增加，使全球氣溫隨之上升，即產生“溫室效應”。人類面臨著能源挑戰人類面臨著能源挑戰2022/11/3105.1.3探究和開發新能源探究和開發新能源 所所謂謂新新能能源源指指的的是是新新近近才才利利用用的的或或正正在開發探讨的能源，這種能源包含有：在開發探讨的能源，這種能源包含有：太陽能太陽能 核能核能 沼氣沼氣 風能風能 氫能氫能 地熱能地熱能 海洋能、地磁能等海洋能、地磁能等2022/11/311l現代高科技的發展序列是：現代高科技的發展序列是：l 以以資資訊訊技技術術為為先先導導，以以新新材材料料技技術術為為基基礎礎，以以新新能能源源技技術術為為支支柱柱，沿沿微微尺尺度度領領域域向向生生物物技技術術開開拓拓，沿沿宏宏尺尺度度領領域域向向海海洋洋和和空空間間技技術術擴擴展展。由由此此可可見見，新新能能源源技技術術在在現現代代高科技中佔有多麼重要的地位。高科技中佔有多麼重要的地位。l 新新能能源源的的應應用用與與發發展展，不不僅僅會會推推動動社社會會生生產產力力的的發發展展，而而且且將將使使人人類類從從有有限限的的一一次次性性能能源源的的运运用用，轉轉向向多多樣樣化化的的、再再生生的的、取取之之不不盡盡的的潔潔淨淨能能源源的的运运用用。這這樣樣，在在未未來來世世紀紀中中，人人們們可可以以不不再再為為能能源源的的枯枯竭竭、環環境境的的污污染染和和生生態態的的破破壞壞而而擔擔憂。憂。2022/11/312 太陽是一顆熾熱的恒星，蘊藏太陽是一顆熾熱的恒星，蘊藏著無比巨大的能量。地球上除了地著無比巨大的能量。地球上除了地熱能和核能以外，全部能源都來源熱能和核能以外，全部能源都來源於太陽能，因此可以說太陽能是人於太陽能，因此可以說太陽能是人類的類的“能源之母能源之母”。地球上萬物生長地球上萬物生長都依賴太陽的光和熱，沒有太陽能，都依賴太陽的光和熱，沒有太陽能，就不會有人類的一切。就不會有人類的一切。5.2太陽能的利用太陽能的利用2022/11/313“陽燧取火陽燧取火”2022/11/314l從太陽光譜分析中發現，氫和氦占整個太從太陽光譜分析中發現，氫和氦占整個太陽品質陽品質96，太陽能的來源主要是氫原，太陽能的來源主要是氫原子核間的高溫熱核聚變反應所釋放的輻子核間的高溫熱核聚變反應所釋放的輻射能，這種熱核反應不停地進行著，所射能，這種熱核反應不停地進行著，所以太陽不斷地向宇宙空間輻射出巨大的以太陽不斷地向宇宙空間輻射出巨大的能量。其輻射功率約為能量。其輻射功率約為3.81023 kW。能。能達到地球大氣層的能量僅占總輻射能的達到地球大氣層的能量僅占總輻射能的二十億分之一，而其中的二十億分之一，而其中的30被大氣層被大氣層反射回宇宙空間，反射回宇宙空間，23被大氣層吸取，被大氣層吸取，真正能夠達到地面的輻射功率仍高達真正能夠達到地面的輻射功率仍高達8.01013 kW，相當於目前地球上總發電，相當於目前地球上總發電功率的功率的8萬倍。萬倍。2022/11/315l我國戰國時代就已經用金屬凹面鏡（即陽隧）聚我國戰國時代就已經用金屬凹面鏡（即陽隧）聚焦太陽光用以點火，又據晉代博物志記載；焦太陽光用以點火，又據晉代博物志記載；“消冰命圓、舉以向日，以艾承其影，則得火消冰命圓、舉以向日，以艾承其影，則得火”。l將冰製成凸透鏡也可以聚焦陽光而點火。將冰製成凸透鏡也可以聚焦陽光而點火。l1837年英國天文學家赫胥黎在去非洲探險途中首年英國天文學家赫胥黎在去非洲探險途中首先运用太陽灶燒飯。先运用太陽灶燒飯。l1860年出現了用抛物面反射陽光裝置，可使聚焦年出現了用抛物面反射陽光裝置，可使聚焦面溫度達面溫度達500C。l1875年又出現了太陽能集能器。要充分收收集並年又出現了太陽能集能器。要充分收收集並运用太陽光發揮熱能效益，就必須採取能把太陽运用太陽光發揮熱能效益，就必須採取能把太陽光反射並集中在一起、變成熱能的系統，還要有光反射並集中在一起、變成熱能的系統，還要有把收集的熱能加以儲存和熱交換的設備。把收集的熱能加以儲存和熱交換的設備。5.2.1光熱轉換光熱轉換1太陽能光熱轉換的基本原理太陽能光熱轉換的基本原理光熱轉換是把太陽輻射能干脆轉換成熱能，就光熱轉換是把太陽輻射能干脆轉換成熱能，就是設法使太陽光聚集，用以加熱某物體獲得熱是設法使太陽光聚集，用以加熱某物體獲得熱能。能。2022/11/316l聚光裝置有平板型集熱器和抛物面型反射聚光器。太陽能熱水器就是最簡單的平板型集熱器，它由塗黑的采熱板及與采熱板接觸的水構成，用透亮蓋層與外界隔開，防止散熱。輸人冷水後，可以得到較高溫度的水。l利用平板型太陽集熱器可以製造各種太陽能熱水器滿足各方面的熱水须要。截止1994年底，我國安裝太陽熱水器面積近3.00106m2，居世界首位。l聚光型集熱器是利用光線的反射和折射原理，採用反射或折射器使陽光改變方向，集中照射在吸熱物體上，吸熱體面積小於採光面積，聚焦處可得到較高溫度，一般應用在太陽能聚光灶和太陽能高溫爐。2022/11/317l圖圖5-2立柱式單碟太陽能聚光器立柱式單碟太陽能聚光器 圖圖5-3槽式太陽能聚光器槽式太陽能聚光器 2022/11/318 2光熱轉換的應用光熱轉換的應用 （1）太陽能熱電站。光熱轉換的最典型應用是太）太陽能熱電站。光熱轉換的最典型應用是太陽能熱電站。這種既可發熱又可發電的裝置先將太陽能熱電站。這種既可發熱又可發電的裝置先將太陽光轉變成熱能，然後再通過機械裝置將熱能轉變陽光轉變成熱能，然後再通過機械裝置將熱能轉變成電能。其能量轉換的過程是：利用集熱器（聚光成電能。其能量轉換的過程是：利用集熱器（聚光鏡）和吸熱器（鍋爐）把分散的太陽輻射能彙聚成鏡）和吸熱器（鍋爐）把分散的太陽輻射能彙聚成集中的熱能，經熱換器和汽輪發電機把熱能變成機集中的熱能，經熱換器和汽輪發電機把熱能變成機械能，再變成電能。它與一般火力發電廠的區別在械能，再變成電能。它與一般火力發電廠的區別在於，其動力來源不是煤或燃油，而是太陽的輻射能。於，其動力來源不是煤或燃油，而是太陽的輻射能。一般來說，太陽能電站多數採用在地面上設置許多一般來說，太陽能電站多數採用在地面上設置許多聚光鏡，以不同角度和方向把太陽光收集起來，集聚光鏡，以不同角度和方向把太陽光收集起來，集中反射到一個高塔頂部的專用鍋爐上，使鍋爐裡的中反射到一個高塔頂部的專用鍋爐上，使鍋爐裡的水受熱變為高壓蒸汽，用來驅動汽輪機，再由汽輪水受熱變為高壓蒸汽，用來驅動汽輪機，再由汽輪機帶動發電機發電。機帶動發電機發電。2022/11/319圖圖5-4太陽能熱電站太陽能熱電站2022/11/320（2）太陽能熱管。又叫真空集熱管，它在結構）太陽能熱管。又叫真空集熱管，它在結構上與平常所用的熱水瓶相像，但熱水瓶只能用來上與平常所用的熱水瓶相像，但熱水瓶只能用來保溫，而太陽能熱管卻能奇妙地吸取太陽的熱能，保溫，而太陽能熱管卻能奇妙地吸取太陽的熱能，即使陽光很微弱，它也能達到較高的溫度。即使陽光很微弱，它也能達到較高的溫度。熱管有一個透亮的玻璃管殼，裡面密封著能裝液體或氣體的吸熱管，兩管之間熱管有一個透亮的玻璃管殼，裡面密封著能裝液體或氣體的吸熱管，兩管之間抽成真空。這樣，在吸熱管周圍形成了性能良好的真空絕熱層，防止熱量散失出去。抽成真空。這樣，在吸熱管周圍形成了性能良好的真空絕熱層，防止熱量散失出去。吸熱管的材料可以是金屬，也可以是玻璃，在它的外表面塗有選擇性的吸熱塗層。當吸熱管的材料可以是金屬，也可以是玻璃，在它的外表面塗有選擇性的吸熱塗層。當陽光照在熱管上，吸熱管的塗層就能大量吸取光能，並將光能轉變成熱能，從而使吸陽光照在熱管上，吸熱管的塗層就能大量吸取光能，並將光能轉變成熱能，從而使吸熱管內裝的液體或氣體的溫度上升。熱管內裝的液體或氣體的溫度上升。2022/11/321 5.2.2光電轉換 光電轉換就是把太陽的輻射能干脆轉換成電能，所利用的原理就是“光電效應”。太陽能電池就是利用光電效應將太陽輻射干脆轉換成電能的裝置，分結晶太陽能電池和非結晶太陽能電池兩種。（1）光伏電池，光生伏打效應是指當物體受到光照射時，物體內部就會產生電流或電動勢的現象。（2）太陽能電池是半導體材料內部光電效應的產物，當太陽光照射到矽半導體的pn結上時，波長極短的光很简洁被半導體晶體內部吸取。並去碰撞矽原子中的價電子，價電子得到能量成為自由電子而逸出晶格，產生電子流動。2022/11/322 圖圖圖圖5-55-5太陽能電池板太陽能電池板太陽能電池板太陽能電池板圖圖圖圖5-65-6裝有太陽能電池板的飛行器裝有太陽能電池板的飛行器裝有太陽能電池板的飛行器裝有太陽能電池板的飛行器2022/11/323 以以太太陽陽能能電電池池為為動動力力的的j轎轎車車，已已經經在在墨墨西西哥哥試試製製成成功功。這這種種汽汽車車的的外外形形像像一一輛輛三三輪輪摩摩托托車車，在在車車頂頂上上架架了了一一個個裝裝有有太太陽陽能能電電池池的的大大篷篷。在在陽陽光光照照射射下下，太太陽陽能能電電池池供供給給汽汽車車電電能能，使使汽汽車車以以40km/h的的速速度度向前行駛。向前行駛。2022/11/324 光化學轉換是將太陽輻射能干脆轉換為化學能，實現這種轉換方式主要是利用植物的光合作用。但通過綠色植物實現光化學轉換不能完全受人限制，是非完全可控的能量轉換過程。完全可控的光化學轉換只有類比綠色植物的光合作用才能實現。光化學轉換光化學轉換2022/11/325 5.2.4太陽能的其他應用方式太陽能的其他應用方式1太陽池發電太陽池發電太陽池是吸取太陽能水池的簡稱。水準如鏡的水池也太陽池是吸取太陽能水池的簡稱。水準如鏡的水池也能用來發電，這可能是許多人沒有想到的。因此，能用來發電，這可能是許多人沒有想到的。因此，利用水池收集太陽能發電，可以說是迄今為止將太利用水池收集太陽能發電，可以說是迄今為止將太陽輻射能轉換為電能的最奇妙的構想之一。陽輻射能轉換為電能的最奇妙的構想之一。太陽池發電的最突出優點是構造簡單，生產成本低；太陽池發電的最突出優點是構造簡單，生產成本低；它幾乎不须要價格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑膠一類它幾乎不须要價格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑膠一類的材料，只要一處淺水池和發電設備即可；另外它的材料，只要一處淺水池和發電設備即可；另外它能將大量的熱儲存起來，可以常年不斷地利用陽光能將大量的熱儲存起來，可以常年不斷地利用陽光發電，即使在夜晚和冬季也照常可以利用。因此，發電，即使在夜晚和冬季也照常可以利用。因此，有人說太陽池發電是全部太陽能應用中最為廉價和有人說太陽池發電是全部太陽能應用中最為廉價和便於推廣的一種技術。便於推廣的一種技術。2022/11/326l2太陽能氣流電站太陽能氣流電站l 利用太陽能發電的方式很多，其中最利用太陽能發電的方式很多，其中最為新颖為新颖 的是太陽能氣流發電。由於這種電的是太陽能氣流發電。由於這種電站有一個高大的站有一個高大的“煙囪煙囪”，所以也被稱作太陽，所以也被稱作太陽能煙囪電站。太陽能電站既不燒煤，也不用能煙囪電站。太陽能電站既不燒煤，也不用油，所以這個煙囪並非是用來排煙的，而是油，所以這個煙囪並非是用來排煙的，而是用它抽吸空氣，所以確切點說應稱其為太陽用它抽吸空氣，所以確切點說應稱其為太陽能氣流電站。能氣流電站。l 3太陽能空間電力站太陽能空間電力站l 把太陽能發電站搬到宇宙空間去，以把太陽能發電站搬到宇宙空間去，以便得到更多的太陽能。而且這樣還能避开地便得到更多的太陽能。而且這樣還能避开地面太陽能電站接收太陽光時斷時續的缺點。面太陽能電站接收太陽光時斷時續的缺點。2022/11/3275.3核能的開發和利用核能的開發和利用l核能俗稱原子能，它是指原子核發生裂變或聚變時核能俗稱原子能，它是指原子核發生裂變或聚變時所放出的能量。所放出的能量。核能分為兩類核能分為兩類:l一類叫核裂變能，是指重元素（鈾或鈈等）的原子一類叫核裂變能，是指重元素（鈾或鈈等）的原子核發生裂變時放出的能量。核發生裂變時放出的能量。l另一類叫聚變能，是指輕元素（氘和氚）的原子核另一類叫聚變能，是指輕元素（氘和氚）的原子核發生聚變反應時放出的能量。發生聚變反應時放出的能量。核能是人類解決能源問題的希望核能是人類解決能源問題的希望!截止截止2006年年12月，全世界已有月，全世界已有37個國家或地區個國家或地區438座核電站在運行，正在建立核電站座核電站在運行，正在建立核電站61座，座，核發電量占世界總發電量的核發電量占世界總發電量的17以上以上。2022/11/328l一切物質都是由原子組成的，原子由居於中心一切物質都是由原子組成的，原子由居於中心帶正電的原子核與核外帶負電的電子組成。原帶正電的原子核與核外帶負電的電子組成。原子核體積很小，只占原子體積的千億分之一。子核體積很小，只占原子體積的千億分之一。原子核由不同數量的質子與中子組成，質子與原子核由不同數量的質子與中子組成，質子與中子統稱為核子，核子間靠核力緊密結合在一中子統稱為核子，核子間靠核力緊密結合在一起。把這種使核子凝合在一起的能量稱為起。把這種使核子凝合在一起的能量稱為“結結合能合能”，原子只有在受外力作用時，才能釋放，原子只有在受外力作用時，才能釋放出能量。出能量。l1898年年12月，波蘭科學家居里夫人發現放射性月，波蘭科學家居里夫人發現放射性元素鐳，並發現鐳在蛻變時伴隨著能量的釋放。元素鐳，並發現鐳在蛻變時伴隨著能量的釋放。核裂變能核裂變能2022/11/329鏈式反應鏈式反應用用高高速速運運動動的的帶帶電電粒粒子子轟轟擊擊原原子子核核可可使使能能量量釋釋放放出出來來，但但命命中中率率太太低低，直直到到1938年年12月月22日日德德國國放放射射化化學學家家哈哈恩恩和和奧奧地地利利籍籍猶猶太太人人邁邁特特納納兩兩位位科科學學家家在在自自然然上上發發文文確確認認：鈾鈾核核在在中中子子的的轟轟擊擊下下分分裂裂成成了了品品質質相相近近的的兩兩塊塊碎碎片片，並並計計算算出出反反應應過過程程中中釋釋放放出出了了2 MeV的的能量。能量。居居里里夫夫人人的的女女兒兒伊伊倫倫約約裡裡奧奧居居裡裡和和費費米米等等人人此此前前也也在在著著手手從從裂裂變變中中尋尋找找自自由由中中子子，並並幾幾乎乎與與之之同同時時得得到到确确定定的的答答案案。他他們們發發現現用用中中子子轟轟擊擊鈾鈾原原子子核核，除除產產生生兩兩個個裂裂變變原原子子核核並並釋釋放放出出能能量量外外，還還會會產產生生出出兩兩三三個個新新的的中中子子來來，這這兩兩三三個個中中子子再再轟轟擊擊兩兩三三個個鈾鈾核核，再再分分裂裂出出更更多多的的中中子子。如如此此按按幾幾何何級級數數陡陡增增的的眾眾多多中中子子可可使使鈾鈾核核瞬瞬間間全全部部分分裂裂，在在這這過過程程中中，失失去去的的品品質質轉轉變變為為巨巨大大的的能能量量釋釋放放出出來來，即核能。即核能。“鏈鏈式式反反應應”的的發發現現為為人人類類利利用用核核能能開開闢闢了了通通路路。核核能能的的開開發發和和利利用用就就是是在在這這樣樣的的基基礎礎上上產生和發展起來的。產生和發展起來的。2022/11/330 1905年，愛因斯坦提出質能關係式年，愛因斯坦提出質能關係式:E=mv2 從從理理論論上上預預示示了了核核能能利利用用的的可可能能性性，為為核核能能的的利利用用打打開開了了大大門門。核核能能的的成成就就雖雖然然首首先先用用於於軍軍事事目目的的，但但此此後後很很快快就就實實現現了了它它的的和和平平利利用用，最最主主要要的的是是通通過過核電站發電。核電站發電。2022/11/331核反應堆2022/11/332圖圖5-10正在建設的熱中子轉換堆正在建設的熱中子轉換堆2022/11/3335.3.2核聚變能核聚變能核聚變能是利用輕原子核（氘一氘或核聚變能是利用輕原子核（氘一氘或氘一氚）在極高溫（幾千萬度或上氘一氚）在極高溫（幾千萬度或上億度）下聚合成較重原子核（如氦）億度）下聚合成較重原子核（如氦）過程中釋放出來巨大能量。過程中釋放出來巨大能量。建立受控熱核聚變反應裝置，使核聚建立受控熱核聚變反應裝置，使核聚變順從地在人為的限制下進行變順從地在人為的限制下進行。兩種可能的途徑：兩種可能的途徑：一是用強磁場把低密度的高溫重氫一是用強磁場把低密度的高溫重氫原子核長時間約束在容器內使其發原子核長時間約束在容器內使其發生聚變反應，稱為磁約束受控核聚生聚變反應，稱為磁約束受控核聚變。變。二是利用運動慣性把高密度的高溫二是利用運動慣性把高密度的高溫重氫原子核在短時間內約束住，使重氫原子核在短時間內約束住，使其形成微型爆炸式的聚變反應，稱其形成微型爆炸式的聚變反應，稱為慣性約束核聚變。為慣性約束核聚變。2022/11/334 新新一一代代核核聚聚變變實實驗驗裝裝置置2022/11/3355.3.3核能利用的平安性核能利用的平安性（1）核核電電站站不不會會像像原原於於彈彈那那樣樣爆爆炸炸，建建立立核核電電站站的的設設計計和和运运用用的的材材料料、燃燃料料等等都都與與原原子子彈彈完完全全不不同同，其其工工作作方方式式和和介介質質也也不不一一樣樣，不行能發生核爆炸。不行能發生核爆炸。（2）核核能能應應用用的的平平安安保保障障措措施施：今今後後發發展展的的先先進進核核反反應應爐爐是是“固固有有平平安安性性”的的反反應應堆堆，即即當當反反應應出出現現異異常常情情況況時時，可可以以不不靠靠人人為為操操作作或或外外部部設設備備的的強強制制性性干干預預，而而是是依依靠靠反反應應堆堆的的自自然然平平安安性性和和非非能能動動平平安安性性，使使反反應應堆堆趨趨於正常運行或完全停閉。於正常運行或完全停閉。2022/11/3365.4其他新能源的開發利用其他新能源的開發利用風能風能l 風是地球上常見的一種自然現象，它是由風是地球上常見的一種自然現象，它是由太陽輻射熱引起的。地球各處受熱情況不同，太陽輻射熱引起的。地球各處受熱情況不同，由溫差而形成大氣壓差，形成地表大量空氣的由溫差而形成大氣壓差，形成地表大量空氣的流動。流動。西元前，風車提水、磨米和風帆助航等是西元前，風車提水、磨米和風帆助航等是人類利用風能的較早形式。風能存在能量密度人類利用風能的較早形式。風能存在能量密度低、不穩定、地區差異性大等特點從而影響了低、不穩定、地區差異性大等特點從而影響了它的發展。它的發展。2022/11/337l風能是蘊藏量大、分佈廣、可再生、無污風能是蘊藏量大、分佈廣、可再生、無污染的能源，據估算，全世界可開發的風力染的能源，據估算，全世界可開發的風力達達21010 kW，比地球上可開發的水力資，比地球上可開發的水力資源大源大10倍；據倍；據2005年的能源資源調查，我年的能源資源調查，我國的鋒利資源達國的鋒利資源達10億億kW的資源潛力。在的資源潛力。在現代科技的支持下，風能正在成為新能源現代科技的支持下，風能正在成為新能源的重要成員。的重要成員。2022/11/338l風能的利用主要有以下幾種形式：風能的利用主要有以下幾種形式：l（1）風能轉換成機械能。）風能轉換成機械能。l（2）風能轉換成電能）風能轉換成電能。2022/11/339地熱能地熱能l地球內部蘊藏著巨大的熱能，人類很久以前地球內部蘊藏著巨大的熱能，人類很久以前開採溫泉洗澡、取暖、醫療等，但是把它視開採溫泉洗澡、取暖、醫療等，但是把它視為一種儲量巨大、有經濟競爭力的能源，特為一種儲量巨大、有經濟競爭力的能源，特別是用來發電，還是別是用來發電，還是20世紀初才開始的。世紀初才開始的。l地熱來源於地球內部，地球是一個平均半徑地熱來源於地球內部，地球是一個平均半徑為為6 370 km的實心橢圓球體，其構造分為三的實心橢圓球體，其構造分為三層，地殼、地幔、地核。地殼厚度不均，幾層，地殼、地幔、地核。地殼厚度不均，幾千米至幾十千米。地球內部熱量來自地殼下千米至幾十千米。地球內部熱量來自地殼下放射性元素緩慢放射性衰變不斷釋放的熱量。放射性元素緩慢放射性衰變不斷釋放的熱量。2022/11/340l1地熱發電地熱發電l 地熱發電的基本原理和一般人力發電地熱發電的基本原理和一般人力發電一樣，是利用地熱能通過機械能的中間轉一樣，是利用地熱能通過機械能的中間轉換產生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱換產生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱能干脆取自於地熱流體。能干脆取自於地熱流體。l （1）地熱幹蒸汽發電。）地熱幹蒸汽發電。l （2）地下熱水（濕蒸汽）發電。）地下熱水（濕蒸汽）發電。2022/11/341圖圖5-13美國加利福尼亞州的地熱發電廠美國加利福尼亞州的地熱發電廠圖圖5-14我國西藏羊八井地熱發電我國西藏羊八井地熱發電 2022/11/3422地熱採暖地熱採暖地熱能源的利用，除用於發電外，地熱地熱能源的利用，除用於發電外，地熱能供熱、供暖、供水是僅次於發電的能供熱、供暖、供水是僅次於發電的地熱能利用方法。地熱能在用來採暖、地熱能利用方法。地熱能在用來採暖、供熱是最經濟、最簡便、最有效的用供熱是最經濟、最簡便、最有效的用途，採用這種利用方式的國家很多，途，採用這種利用方式的國家很多，最典型的國家是冰島，首都雷克雅維最典型的國家是冰島，首都雷克雅維克在克在20世紀世紀40年头就實現了年头就實現了“自然暖氣自然暖氣化化”，是世界最清潔的城市之一。，是世界最清潔的城市之一。2022/11/3435.4.3生物質能和石油植物能源生物質能和石油植物能源1生物質能生物質能 生物質能又稱生物質能又稱“綠色能源綠色能源”，它是指通過，它是指通過植物的光合作用而將太陽的輻射能量以一植物的光合作用而將太陽的輻射能量以一種生物質形式固定下來的能源。它包括世種生物質形式固定下來的能源。它包括世界上全部的動物、植物和微生物，以及這界上全部的動物、植物和微生物，以及這些生物產生的排泄物和代謝物。生物質能些生物產生的排泄物和代謝物。生物質能來源於太陽輻射能，是取之不盡的再生能來源於太陽輻射能，是取之不盡的再生能源，據推算，地球上每年由植物固定下來源，據推算，地球上每年由植物固定下來的太陽輻射能是當今世界年能耗總量的的太陽輻射能是當今世界年能耗總量的10倍多。倍多。2022/11/344生物質能的轉換技術：生物質能的轉換技術：（1）干脆燃燒，獲取熱量。這是最簡單）干脆燃燒，獲取熱量。這是最簡單的方法，但轉換效率很低，且污染環境，的方法，但轉換效率很低，且污染環境，目前有的國家探讨生物質壓塊燃料以提目前有的國家探讨生物質壓塊燃料以提高熱效。高熱效。（2）生物轉換技術。通過微生物發酵方）生物轉換技術。通過微生物發酵方法將生物質轉換成液體或氣體燃料。我法將生物質轉換成液體或氣體燃料。我國農村廣泛运用的國農村廣泛运用的“沼氣沼氣”就是這種轉就是這種轉換。沼氣發酵原料特别廣泛而豐富，這換。沼氣發酵原料特别廣泛而豐富，這是解決農村能源和處理城市垃圾變廢為是解決農村能源和處理城市垃圾變廢為寶的現實途徑，而且潛力很大。據推測，寶的現實途徑，而且潛力很大。據推測，我國的農作物廢棄物和人畜糞便等如全我國的農作物廢棄物和人畜糞便等如全部入池發酵，每年可制取部入池發酵，每年可制取1011 m3沼氣。沼氣。從從20世紀世紀80年头以來，沼氣的利用已從年头以來，沼氣的利用已從生活領域走向生產領域，從農村走向城生活領域走向生產領域，從農村走向城鎮。鎮。（3）化學轉換技術。通過化學方法使生）化學轉換技術。通過化學方法使生物質轉換成燃料物質，化學方法目前有物質轉換成燃料物質，化學方法目前有三種：有機溶劑提取法、氣化法、熱分三種：有機溶劑提取法、氣化法、熱分解法。解法。2022/11/345l2石油植物石油植物l 所謂所謂“石油植物石油植物”，是指那些可以干脆，是指那些可以干脆生產工業用生產工業用“燃料油燃料油”，或經發酵加工可生，或經發酵加工可生產產“燃料油燃料油”的植物的總稱。例如，現已發的植物的總稱。例如，現已發現的大量可干脆生產燃料油的植物，主要現的大量可干脆生產燃料油的植物，主要分佈在大戟科，如綠玉樹、三角戟、續隨分佈在大戟科，如綠玉樹、三角戟、續隨子等。這些石油植物能生產低分子量氫化子等。這些石油植物能生產低分子量氫化合物，加工後可合成汽油或柴油的代用品。合物，加工後可合成汽油或柴油的代用品。2022/11/346圖圖5-15種植的石油植物種植的石油植物 圖圖5-16狗仔花狗仔花一種石油植物一種石油植物2022/11/3475.4.4氫能氫能1氫能的特點氫能的特點 在眾多的能源品種中，人們始终在選擇能量最大、运用在眾多的能源品種中，人們始终在選擇能量最大、运用便利、來源豐富和沒有污染的长久能源，這就是氫能。氫便利、來源豐富和沒有污染的长久能源，這就是氫能。氫在常溫常壓下是氣體狀態，在超低溫高壓下又可成為液態。在常溫常壓下是氣體狀態，在超低溫高壓下又可成為液態。（1）品質最輕，它的原子序數為）品質最輕，它的原子序數為1。（2）熱值高，是汽油熱值的）熱值高，是汽油熱值的3倍。倍。（3）爆發力強，極易燃燒，且燃燒速度快。）爆發力強，極易燃燒，且燃燒速度快。（4）來源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態儲存）來源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態儲存于水中。于水中。（5）品質最純潔，本身無色、無臭、無毒，特别純淨，燃）品質最純潔，本身無色、無臭、無毒，特别純淨，燃燒後生成們水而無碳化物污染。燒後生成們水而無碳化物污染。（6）能量形式多，可通過燃燒產生熱能，也可以通過燃料）能量形式多，可通過燃燒產生熱能，也可以通過燃料電池和燃氣電池和燃氣蒸汽渦輪發電機轉換成電能。蒸汽渦輪發電機轉換成電能。（7）儲運便利，可以用氣態、液態或固態金屬氫化物形態）儲運便利，可以用氣態、液態或固態金屬氫化物形態加以運輸和儲存。加以運輸和儲存。2022/11/348l2氫的制取氫的制取l 自然的純氫畢竟是有限的，氫自然的純氫畢竟是有限的，氫一般屬於二次能源。要大量的利用氫一般屬於二次能源。要大量的利用氫能，必須通過科學方法，利用其他能能，必須通過科學方法，利用其他能源來制取。源來制取。l （1）水解法制氫。）水解法制氫。l （2）生物制氫技術。）生物制氫技術。2022/11/349圖圖5-17生物制氫的反應過程生物制氫的反應過程圖圖5-18生物制氫裝置生物制氫裝置2022/11/3505.4.5磁流體發電技術磁流體發電技術磁流體發電是一種牢靠的新發電技磁流體發電是一種牢靠的新發電技術，可以將燃料熱能干脆轉變成術，可以將燃料熱能干脆轉變成電能。電能。磁流體發電是首先對燃料（石油、磁流體發電是首先對燃料（石油、自然氣、煤）進行高溫加熱，直自然氣、煤）進行高溫加熱，直至電離成導電的等離子氣體，高至電離成導電的等離子氣體，高速通過磁場，切割磁感應線產生速通過磁場，切割磁感應線產生感應電動勢，這樣干脆將熱能轉感應電動勢，這樣干脆將熱能轉換成電能。由於磁流體發電排氣換成電能。由於磁流體發電排氣溫度很高，假如與常規汽輪發電溫度很高，假如與常規汽輪發電廠聯合迴圈發電，可將燃料熱能廠聯合迴圈發電，可將燃料熱能利用率從利用率從40提高到提高到60。磁流體發電技術是一種新的能源轉磁流體發電技術是一種新的能源轉換方式，它不僅熱效率高，而且換方式，它不僅熱效率高，而且在很大程度上降低了排入大氣中在很大程度上降低了排入大氣中的粉塵和二氧化硫等有害氣體，的粉塵和二氧化硫等有害氣體，可大大減輕對大氣的污染。可大大減輕對大氣的污染。2022/11/351圖圖5-19磁流體發電工作原理圖磁流體發電工作原理圖2022/11/352磁流體發電的優越性：磁流體發電的優越性：（1）綜合效率高。磁流體的熱效）綜合效率高。磁流體的熱效率可以從火力發電的率可以從火力發電的30%40提高到提高到50%60，預計將來還，預計將來還會再提高。會再提高。（2）啟動快。在幾秒鐘的時間內，）啟動快。在幾秒鐘的時間內，磁流體發電就能達到滿功率運行，磁流體發電就能達到滿功率運行，這是其他任何發電裝置無法相比這是其他任何發電裝置無法相比的，因此，磁流體發電不僅可作的，因此，磁流體發電不僅可作為大功率民用電源，而且還可以為大功率民用電源，而且還可以作為高峰負荷電源和特殊電源运作為高峰負荷電源和特殊電源运用，如作為風洞試驗電源、鐳射用，如作為風洞試驗電源、鐳射武器的脈衝電源等。武器的脈衝電源等。2022/11/353l（3）去硫便利，對環境污染少。磁流體）去硫便利，對環境污染少。磁流體發電雖然也运用煤炭、石油等燃料，但發電雖然也运用煤炭、石油等燃料，但由於它运用的是細煤粉，而且高溫氣體由於它运用的是細煤粉，而且高溫氣體還摻雜著少量的鉀、鈉和銫的化合物等，還摻雜著少量的鉀、鈉和銫的化合物等，简洁和硫發生化學反應，生成硫化物，简洁和硫發生化學反應，生成硫化物，在發電後回收這些金屬的同時也將硫回在發電後回收這些金屬的同時也將硫回收了。從這一點來說，磁流體發電可以收了。從這一點來說，磁流體發電可以充分利用含硫較多的劣質煤。另外，由充分利用含硫較多的劣質煤。另外，由於磁流體發電的熱效率高，因而排放的於磁流體發電的熱效率高，因而排放的廢熱也少，產生的污染物自然就少多了。廢熱也少，產生的污染物自然就少多了。l（4）無高速旋轉部件，雜訊小，設備結）無高速旋轉部件，雜訊小，設備結構簡單，體積和重量也大大減小。由於構簡單，體積和重量也大大減小。由於磁流體發電時的溫度高，所以可將磁流磁流體發電時的溫度高，所以可將磁流體發電與其他發電方式聯合組成效率高體發電與其他發電方式聯合組成效率高的大型發電站，作為經常滿載運行的基的大型發電站，作為經常滿載運行的基本負荷電站。本負荷電站。2022/11/354燃料電池發電技術燃料電池發電技術l1燃料電池的工作原理與特點燃料電池的工作原理與特點 燃料電池和傳統電池的原理基本相同，燃料電池和傳統電池的原理基本相同，也是通過電化學反應把物質的化學能轉換也是通過電化學反應把物質的化學能轉換成電能。所不同的是，傳統電池是將內部成電能。所不同的是，傳統電池是將內部物質事先充填好，而燃料電池進行化學反物質事先充填好，而燃料電池進行化學反應所用的物質則是由外部不斷充填，就像應所用的物質則是由外部不斷充填，就像往爐膛裡添加煤和油等燃料一樣，因此，往爐膛裡添加煤和油等燃料一樣，因此，它能夠源源不斷地發電，所以人們稱它為它能夠源源不斷地發電，所以人們稱它為燃料電池。燃料電池。2022/11/355圖圖5-20燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理2022/11/356燃料電池優點：燃料電池優點：（1）發電效率高，而且穩定。一般）發電效率高，而且穩定。一般的火力發電的能源轉換效率只有的火力發電的能源轉換效率只有30%40，而燃料電池在全部的，而燃料電池在全部的發電裝置中轉換效率是最高的，目發電裝置中轉換效率是最高的，目前已達到前已達到50%70，預計將來可，預計將來可達到達到80。（2）工作牢靠，不產生污染和雜訊。）工作牢靠，不產生污染和雜訊。燃料電池在反