第一节 上天赐予的能量
一、风力机械
风力机械有风帆、风车(风力机)、风磨，广义地说，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，风力机械同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。据估计，地球上蕴有风能约达10000GW(1GW=1000000kW)，已经利用的不及百分之一，故风能大有开发的前景。
1.风力机械的发展历史
人类利用风能的历史可以追溯到公元前，我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面和利用风帆推动船舶前进。东汉刘熙在《释书》一书中曾写“帆泛也，随风张幔曰帆”，表明中国1800年前已开始利用风帆驾船。宋朝是我国应用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车一直沿用至今。
在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66kW以上的风车。18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。
风力机用于发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划。到1918年，丹麦已拥有风力发电机120台，额定功率为5～25kW不等。第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件。1931年，前苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机，风速为13.5m/s时，输出功率达100kW，风能利用系数提高到0.32。在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3m的风力发电机，当风速为13.4m/s时输出功率达1250kW。图8-1为风力发电机群图片。
中国利用风车的历史至少不晚于13世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到20世纪50年代仍可见到“走马灯”式风车。
图8-1 风力发电机群
2.风力机械的构成和分类
风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构件都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。
风力机大多按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构(图8-2、图8-3)和垂直轴结构(图8-4、图8-5)两类。以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平轴风轮式(转轴平行于气流方向)、侧风水平轴风轮式(转轴平行于地面、垂直于气流方向)和垂直轴风轮式(转轴同时垂直于地面和气流方向)。广义风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。人们还提出了许多新的设想，如旋涡集能式风力机，据估计，这种系统的单机功率将100～1000倍于常规风力机。无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。
图8-2 水平轴结构及水平轴风机
图8-3 水平轴发电机原理图
图8-4 垂直轴结构
图8-5 垂直轴发电机原理图
3.风力机械的发展应用情况
近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。20世纪70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。作为可再生的、无污染的自然能源，风能又重新引起了人们的重视。新一代高速风力机的特点:
(1)增强抗风暴能力;
(2)风轮叶片广泛采用轻质材料，如玻璃纤维复合材料等;
(3)运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到0.45左右;
(4)用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态;
(5)发展风力机阵列系统;
(6)风轮结构形式多样化。
世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥作用。改进能量输出的稳定性，提高大型风力机的利用率，是风力机械技术发展的方向。
二、水力机械
1.水力机械的发展历史
人类开发利用水能的历史很悠久，早在2000多年前，在埃及、中国和印度已出现水车、水磨等利用水能的方式。我国水车灌溉使用甚早。水车又称孔明车，相传为汉灵帝时华岚造出雏形，经三国时孔明改造完善后在蜀国推广使用，隋唐时广泛用于农业灌溉，至今已有1700余年历史。《宋史·河渠志五》:“地高则用水车汲引，灌溉甚便。”
早期的水车、水磨仅将水能转化为机械能(图8-6)，新型水力站是18世纪30年代随着工业发展开始出现的，到18世纪末，这种水力站发展成为大型工业的动力，用于面粉厂、棉纺厂和矿石开采。直到19世纪末，远距离高压输电技术发展、水力交流发电机发明，水力站发展到水电站，水能才被大规模开发利用。
图8-6 水车
水能资源最显著的特点是可再生、无污染。开发水能对江河的综合治理和综合利用具有积极作用，对促进国民经济的发展，改善能源消费结构，缓解由于消耗煤炭、石油资源所带来的环境污染有重要意义。因此世界各国都把开发水能放在能源发展的优先地位。
2.水轮机
现代的水力机械主要是指利用水力发电的水轮机。水轮机是把水流的能量转换为机械能然后再将机械能通过发电机转换为电能，这一过程都是在水电站中完成的。
水电站主要由水库、引水道和电厂组成(图8-7)。水库具有储存和调节河水流量，获得最大发电效率的功能。拦河筑坝形成水库以提高水位，河道落差是水电站发电的必备条件。水库工程除拦河大坝外，还有溢洪道、泄水孔等安全设施。引水道的主要功能是传输水量至电厂，推动水轮机发电。电厂则主要由水轮发电机组及相应的控制设备和保护装置、输配电装置组成。
图8-7 水电站工作原理
水力发电的原理是利用河流、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，将其中所含位能转换成水轮机的动能，再以水轮机为原动力，推动发电机产生电能。
(1)水轮机的工作原理。现代水轮机大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。做完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。
(2)水轮机的分类。水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。
冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换。冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。
①切击式(水斗式)水轮机(图8-8)。早期的冲击式水轮机水流在冲击叶片时，动能损失很大，效率不高。1889年，美国工程师L.A.佩尔顿发明了水斗式水轮机。它有流线型的收缩喷嘴，能把水流能量高效率地转变为高速射流的动能。它的转轮周围装有双U形断面的水斗。双U形的中央设有分水刃，使进入水斗的射流能量损失减到最小限度。这些改进使效率大大提高，因此，水斗式水轮机得到了迅速推广。20世纪80年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的悉·西马电站，于1980年投入运行。水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，1959年投入运行。
②斜击式水轮机。斜击式水轮机(图8-9)的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。
图8-8 切击式水轮
图8-9 装配中的斜击式水轮机
反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。
①混流式水轮机。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮。混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机。结构较简单，最高效率也比轴流式水轮机高，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。
②轴流式水轮机。在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮。轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机高。
③斜流式水轮机。在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮(图8-10)。斜流式水轮机由瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机。
④贯流式水轮机。在贯流式水轮机中(图8-11)，水流沿轴向流进导叶和转轮。贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高。
图8-10 斜流式水轮机
图8-11 贯流式水轮机
各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。图8-12所示为水轮机的蜗壳。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40m以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成;水头高于40m时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。
在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，图8-13是安装在中国三峡左岸电站5号机组的水轮发电机转轮。三峡水电站是目前世界上最大规模的水电站，总装机容量达1820万kW，年发电量846亿kWh。三峡水轮机转轮是混流式转轮，重量近500t，最大外径10m左右，高度5m左右，其叶片厚度达300mm，居世界首位。
图8-12 水轮机的蜗壳
图8-13 三峡电站水轮机转轮
20世纪以来，利用水轮机发电的水电站日益增多，因为水电站具有运行费用低、无污染、取用不竭等优点。中国水能蕴藏量约为680兆瓦，居世界之首，很有开发和利用的余地。
三、太阳能
太阳能是地球上各种能源的直接来源，尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达174000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油等)从根本上说也是远古时代贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
1.太阳辐射
太阳每秒钟向外发射的能量约为3.74×1026J，相当于每秒钟燃烧1.28×1016t标准煤所放出的能量。尽管太阳所辐射出来的总能量中只有二十二亿分之一到达地球大气层上界，但其能量可不小，约为1.73×1017W，相当于1.73亿个百万千瓦级电厂发出的总功率。
太阳辐射的能量(图8-14)主要集中在波长0.15～4μm之间。在这段波长范围内，又可分为三个主要区域，即波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区和介于二者之间的可见光区。太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的50%，后者占43%。紫外区只占能量的7%。在波长0.475μm的地方，太阳辐射的能力达到最高值。由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，然而，由于日地间距离太大，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。经过测定，国际学术界一致将“太阳常数”取为1357W/m2。
图8-14 太阳辐射能力
太阳辐射进入地球大气层后，经过云层、空气和水汽等的反射、散射和吸收后强度显著减弱，辐射到地球的太阳热量中的热量反射回太空，热量被大气层吸收，通过大气层到达地面。也就是说，大概只剩下4亿分之一的太阳热量达到地面。但还是比目前人类每年所用的各种类型的能源总和大许多倍。
2.太阳能的利用
(1)光热利用原理。用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。
①低中温利用。太阳能热水器(图8-15)。这目前使用最普遍的太阳能产品，工作原理是利用太阳辐射将水加热，提供生活用水。按集热器类型不同分为平板式太阳能热水器和真空管式太阳能热水器。
太阳房(图8-16)。太阳房就是利用太阳能采暖和降温的房子，分为被动式太阳房和主动式太阳房。被动式太阳房不需要安装复杂的太阳能集热器，更不用循环动力设备，完全依靠建筑结构造成的吸热、隔热、保温、通风等特性来达到冬暖夏凉的目的。主动式太阳房一般由集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源系统构成。
图8-15 太阳能热水器原理
图8-16 太阳房原理
太阳能海水淡化。利用集热器收集太阳能对海水进行蒸馏，以达到分离盐分的目的。
太阳能空调。利用太阳能集热器收集的热能驱动制冷机达到制冷的目的。
太阳能游泳池。利用太阳能吸热板来收集阳光，吸热板吸收的阳光使流动在吸热器中的水受热，再经过循环流入游泳池中，如此循环就会使游泳池中的水变热，达到使人舒服的温度。
太阳能干燥。热空气从待干物品中抽取并带走水分。加热空气可用直接或间接两种方法。直接加热是在放置待干物品的干燥室箱内进行的。间接加热需要利用太阳能空气加热器，以提高空气的温度并降低其相对湿度。
②高温利用。太阳能灶:因收集太阳辐射的方式不同分为“聚光式太阳灶”和“闷晒式太阳灶”两大类。聚光式太阳灶的工作原理:聚光式太阳灶的表面形状为旋转抛物面凹面，上面为反光材料，太阳光经其反射都通过其焦点，在这里形成太阳光线的高密集区，达到加热炊具的目的。闷晒式太阳灶的工作原理是太阳光透过透光率很高的平板玻璃后进入保温箱体，然后被太阳辐射吸收层吸收转变为热能，箱内温度随之上升达到加热目的。
光热发电系统。太阳能热发电即利用太阳辐射产生的热能发电，一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。一般分为:太阳能槽式发电系统、太阳能塔式发电系统和太阳能蝶式发电系统。
太阳能槽式发电系统工作原理。采用线性抛物面反射聚焦太阳光到集热管上，经过传热加热工质驱动汽轮机并带动发电机发电，镜面采用自动跟踪系统跟踪太阳光。
太阳能塔式发电系统工作原理。采用安装了自动跟踪系统的反射器阵列反射太阳光到塔上的接收器，驱动机器运转并带动发电机发电。
太阳能蝶式发电系统的工作原理。采用蝶式反射镜面反射太阳光并聚焦到聚焦面上产生高温，热量通过吸热器传递给发动机，发动机带动发电机发电。
(2)光伏利用。太阳能光伏发电的基本原理:利用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能，即当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被太阳能材料吸收，光子激发电子跃迁成为自由电子。于是不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生了电位差。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流。太阳光光伏发电过程其实就是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程。
光伏电池分类:晶体硅电池和薄膜电池。
①晶体硅太阳能电池(图8-17)包括单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池，其中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。
②薄膜电池(图8-18)顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有三种:硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe)。
图8-17 单晶硅太阳能板
图8-18 薄膜电池
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