新能源技术

第四节　新能源技术

科学赐予人类的最大礼物是什么呢？是使人类相信真理的力量。

——康普顿（美国）

当代新能源的大量使用，一方面造成了全球环境的污染，另一方面也使人类面临能源资源短缺甚至枯竭的挑战。世界能源结构仍以核能与核电站、煤炭、石油等矿物燃料为主，洁净、高效和转化是其发展方向。随着矿物燃料的不断消耗和人们对可持续发展的不断追求，太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等新能源的高效利用备受关注，核能利用将向更安全的方向发展。

（一）核能和核能的和平利用

图10-6　原子弹爆炸后形成的蘑菇云

（1）核能

核能又称原子能，是原子核结构发生变化时放出的能量。实际上是指重元素的原子核发生裂变时和轻元素的原子核发生聚变时所释放的巨大能量，它们分别被称为裂变能和聚变能。裂变能是指重元素（铀或钍等）在中子的轰击下，原子核发生裂变反应时所释放的热量。核聚变能是指轻元素（氘和氚）的原子核发生聚变反应时所放出的能量。

①裂变能。某些重核原子如铀（-235）等，在高能中子的轰击下，原子核发生裂变反应，产生质量相差不多的两种元素和几个中子，同时，释放出大量的能量。据测算，1千克铀（-235）全部裂变放出的能量，相当于2.7千吨的煤全部燃烧所释放出的能量。在链式反应中，从一个原子核开始裂变起放出中子，到引发下一代原子核的裂变，只需1纳秒时间。在核变反应的一瞬间，在有限的空间内，集中释放了巨大的能量，必然会产生剧烈的爆炸。原子弹就是根据这种不控制的链式反应的原理制成的。

②聚变能。它是由两个或几个轻元素的原子核，如氢的同位素氘或氚的原子核，聚合成一个较重的原子核的过程中所释放出的巨大能量。据测算：每克氘聚变时所释放的能量为5.8×10⁸千焦。氢弹的制造原理，就是利用一个小的原子弹作为引爆装置，来引发氘的核反应。

（2）核能的和平利用

1942年12月2日15点20分，著名物理学家费米点燃了世界上第一座原子反应堆，为人类打开了原子世界的大门。第二次世界大战以后，各大国很快自行研制出了原子弹，打破了美国的核垄断和核威胁，中国也于1964年10月16日成功地试爆了第一颗原子弹。随后，世界局势趋于缓和，原子能的和平利用被提上议事日程上来。1954年，前苏联建成了第一座小型的原子能发电站，1956年和1957年，英国和美国也建成了核电站。

图10-7　氢弹爆炸后形成的蘑菇云

图10-8　核反应堆结构图

核电站的工作原理，就是要按人们的意愿，有控制地使铀核分步反应，将释放的能量转换成电能。核电站的中心装置是由核燃料和控制棒组成的反应堆，它是一个能维持和控制核裂变反应的装置，在这里实现核能势能转换。其中关键设备是在核燃料中插入一定量的控制棒。一般控制棒是用能够吸收中子的材料制成，如硼、镉合金等，用它们具有吸收中子的特性，来控制核燃料裂变链式反应的速度。原子核反应堆分为两类：一是热中子反应堆，它是利用普通水或重水或石墨作为慢化剂和冷却剂，把快中子的速度降低为热中子再利用热中子去诱发原子核链式反应。按照使用的慢化剂不同，热中子反应堆又分为轻水堆、重水堆和石墨气冷化堆三大类。二是快中子反应堆，它是直接利用核裂变时放出的高速度、高能量快中子，来引发链式反应。目前技术上较成熟的是热中子反应堆。世界上60%的核电站是压水堆型的。世界上最大的快中子增殖堆电站是法国的“超凤凰”核电站，装机容量120万千瓦。

（二）太阳能的开发和利用

（1）太阳能的特点

据估计，太阳表面温度6000℃左右，其中心温度高达1500～2000万℃。太阳向宇宙空间的能量辐射功率为3.8×10^2　3千瓦，而到达地球大气层的能量仅为十亿分之一，但也已高达380万千瓦，相当于目前地球上总发电功率的8万倍。

图10-9　法国“超凤凰”钠冷快中子堆核电站

太阳能的优势：①储量丰富；②分布广泛，除白昼与黑夜、晴天与雨日变化之外，是惟一能为世界各国共享的能源；③对环境基本无害。但由于受一定条件的限制，其开发利用尚有困难。

（2）太阳能转换技术

当前，人类直接利用太阳能用化学、物理学的原理，将太阳能收集起来并转换成其他形式的能量，再加以利用。常用方法有：光-热转换；光-电转换；光-化学转换三类。提高光电转换率和寻求太阳能的广泛应用是太阳能研究的主攻方向。

①光-热转换技术。光-热转换就是将太阳能直接转换成热能，光-热转换装置的基本设计思想是：设法把太阳辐射的能量收集起来，然后用一种集热装置转变为热能。其中的关键是要有一种收集的热能加以储存和热交换的装置。目前，太阳能的光-热转换应用非常广泛，常见的转换装置有平板式集热器和聚光式集热器。

图10-10　太阳能热水器

②光-电转换技术。就是把太阳辐射直接转换成电能，其基本原理是利用“光电效应”。

③光-化学转换技术。是将太阳能直接转换成化学能。

（三）生物质能与氢能

（1）生物质能的利用

生物质能，在学术上称为“以生物为载体的能量”，是可再生的“绿色能源”。实质上，它是太阳能以生物质形式，固定下来的能源，包括动物、植物和微生物，以及由这些生物产生的排泄物和代谢产物。生物质能的种类繁多，目前可利用的大致有六大类：木质素、农业废弃物、水生植物、油料作物、加工废弃物和粪便。

（2）氢能的利用

氢是一种燃料，热值高，燃烧时没有烟尘。氢能是最清洁、又可再生的新能源。

氢能可作为石油的替代燃料。燃氢轿车，国外已试运用，在航天事业上其利用最多，液氢燃料的推力，将火箭、宇宙飞船升上太空。

图10-11　高能动力镍氢电池

氢作为发电燃料，通过燃料电池或燃气-蒸汽涡轮发电装置来发电，其能量转换效率高达60%～70%。

氢能作为家用燃料也正在开发，如燃气的家用热水器、取暖器和炊灶等，都具有良好的开发前景。

（四）风能、地热能和海洋能

（1）风能

风是由太阳辐射引起的，太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能大约有0.2%转化为风能，但其总量仍十分可观。风能目前的利用主要有：风力提水；风力发电；风帆助航；风力致热。

（2）地热能

是来自于地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。据估计全球的地热资源的总量大约有14.5×10^2　5焦耳，相当于4.95×10^1　5吨煤炭燃烧时放出的热量。在地质学上，常把地热资源分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型五大类。使用最广泛的是前两种，后三种尚处于试验阶段。

图10-12　地源热泵机组

地热能的主要应用有：地热发电；地热取暖；地热务农；地热行医。

（3）海洋能

太阳到达地球的能量，大部落在海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的海洋能。海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以波浪、潮汐、温度差、盐度梯度和海流等形式存在于海洋之中。“无风三尺浪”，1平方千米的海面上，运动着的海浪平均约蕴藏20万千瓦的能量；潮水涨落，蕴藏着大约10亿千瓦的能量，比全世界河流总能量（8.5亿千瓦）还多。海水还储存着丰富的太阳能，如果热带地区的海洋有一半用来温差发电，那么1度的温差就能发出600亿千瓦的电力，比现在全世界的总发电能力还要高出许多倍。入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差，其能量大约为300亿千瓦；流动的海水也蕴含着约6亿千瓦能量。

这些不同形式的能量有的已被人类利用，有的已列入开发利用计划，但人们对海洋能的开发利用程度至今仍十分低。

进一步了解核能和其他能源的有关知识，请登陆：

http://www.atominfo.com.cn/know-home.aspx

http://www.china5e.com/knowledge/newdefault.htm

【思考题】

1.什么是核能？核电站的主要工作原理是什么？

2.试以当代几种新能源技术为例说明其基本原理和使用过程。