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第13章 清洁环保的新型能源(2)

太阳能发电

太阳能发电系统科学家们一致认为,利用太阳能气流发电是一种最经济最高效的发电方法。在一座用透明塑料板盖成的巨大温室的顶棚中心,竖立着风筒,当温室里的空气被太阳加热到比外面空气温度高60℃~67℃时,外面的冷空气就会推压温室内的热空气,使它沿着长长的风简上升而形成一股强大的气流,推动安装在风筒上的叶轮而带动发动机发电。

太阳能使海水淡化

在茫茫的大海中航行,或在荒寂的孤岛上居住,如果淡水用完了,那可是要命的事。但是,太阳能能够帮助我们,这就是太阳能海水蒸馏器。

这种蒸馏器以涂上黑色的水泥做的浅池为基础,上面用玻璃顶棚盖起来。把海水灌进水泥池,当阳光被黑色池底吸收后,海水就被加热、蒸发,水蒸气在玻璃顶棚上冷凝成水,顺顶棚流入水泥池周围的集水槽。集水槽是和池子分开的,这样就得到了淡水。当然,这种利用太阳能制造淡水的办法并不是临渴掘井想出来的,而要事先有所准备。再说,这种蒸馏器占地面积很大,效率也不高。但是,它不需要其他能源,运转费用低,只要不是临渴掘井,而是未雨绸缪,还是能够解决大问题的。

多种多样的其他新能源

氢能

氢能汽车在众多的新能源中,氢能以其重量轻、热值高、无污染、应用面广等优点,被誉为21世纪的理想能源。前苏联在1989年成功地将液态氢用于重型飞机的飞行。德国的科学家计划在19世纪末让第一架用氢气驱动的“空中客车”飞机飞上蓝天。美国已研制成世界上第一辆以氢气为动力的汽车。值得一提的是,美国国家航空航天局正计划把一种光合细菌——红螺菌带上太空,用它所释放出的氢气来作为能源,供航天器使用。这种红螺菌生产成本低,生长繁殖快,在农副产品加工厂的废水、废渣中均可以进行培养。科学家们已研制出利用阳光分解水来制氢的方法。就是在水中加入催化剂,在阳光照射下,产生光化学反应而分解出氢。

煤层气

在煤的形成过程中伴随着3种副产品生成——甲烷、二氧化碳和水。由于甲烷是可燃性气体,又深藏在煤层之中,所以人们称它为“煤层气”。

甲烷一旦产生,便吸附在煤的表面上。甲烷的产生量与煤层深浅有关。一般来讲,煤层越深,煤层气越多。

理想的煤层气条件是:煤层深度300米~900米,覆盖层厚度超过300米,煤层厚度大于1.5米,吨煤含气量大于8.51立方米,裂缝密度大于1.5米/条为好。

开采甲烷的关键问题有2个:一是使甲烷从煤的表面解吸下来,一般是靠降低煤层压力来解决,主要办法是通过深水移走来降低压力;二是让从煤层表面解吸下来的甲烷顺利穿过裂缝进入井孔。

煤层气如果得不到充分利用,会带来2大害处:一是在煤层开采过程中以瓦斯爆炸的形式威胁矿工的生命安全;二是每年全球有上千亿立方米的瓦斯进入大气中,对环境造成巨大污染。所以,在很早以前人们就想把煤层气作为资源加以利用,让它化害为利,这便是人们开发利用煤层气的最初动因。

进入20世纪70年代后,受能源危机的影响,人们在寻找新能源方面的积极性空前高涨。在有天然气资源的地方,天然气备受青睐;在没有天然气的地区,煤层气便成为人们寻找中的理想新能源。此外,随着开采和应用技术的进步以及显著的经济效益,又给煤层气的开发利用注入了新的动力。

开发煤层气在经济上的优越性表现在几个方面:勘探费用低、利润高、风险小、生产期长。其勘探费用低于石油的勘探费用,生产气井的成本也较低。一般来讲,煤层气的钻井成功率可达到90%以上,打一口井只需要2~10天。浅层井的生产寿命为16~25年,4米井的生产寿命为23~25年。

现有资料表明:全世界煤层气资源为113.2×1012~198.1×1012立方米。国外对煤层气的小规模开发利用始于上个世纪50年代,大规模开发利用则是从80年代开始的。

目前,美国煤层气的开采在世界上居领先地位,每天煤层气产量已超过2800万立方米。中国煤炭储量为1×1012吨,产量居世界首位,煤层气资源为35×1012立方米,相当于450亿吨标准煤,与中国常规天然气资源相当,已成为世界上最具煤层气开发潜力的国家之一。

金属能源

由于人们对能源的需求量越来越大,科学家们正在寻找新的能源,其中有一种金属能源给人类带来了希望。

铝是一种新型的燃料,现在人们已经制成了以铝为燃料的铝空气电池。这种电池的阳极是用铝做成的,空气为阴极,将纯铝溶解在电解质(一种盐)中,电池便可发出500瓦的电。铝空气电池主要用作汽车的动力,它的体积小,连同马达在内仅相当于汽车内燃机和油箱的大小;它释放的能量很大,按体积计算是汽油的4倍,而且电流很强;在使用的过程中只需加少量的水,偶尔添加铝皮就够了,用过的铝还可以回收反复使用。铝一空气电池除了用在汽车上外,还广泛用于紧急照明灯、收音机、野营炊具、便携式钻机和焊合机械等。

锂电池钛不仅具有良好的机械性能和耐蚀性,还具有记忆、超导和吸氢3种特殊功能。科学家利用镍钛合金的记忆性能制作了镍钛锘热机,将热能转换成机械能,不仅效率高,而且成本低、坚固耐用。科学家利用钛铁合金吸氢的特性制作的贮氢材料,不仅能安全地贮存和运输氢气,还可多次反复吸氢和放氢,利用它在贮氢时吸热和放氢时放热的性能制成的贮热器,用于回收利用冶金厂、化工厂、火力发电厂排出的余热。

金属锂是高能电池最理想的负极材料。目前一次锂电池已用于手表、计算器、心脏起搏器、存贮电路和照相机等,二次锂电池将可用来贮存电能和推进车辆。高能锂电池用作火箭、导弹的加速、爬升和控制操纵以及鱼雷推进的动力电源。另外,锂具有最大的中子浮获面,是氘-氚反应中最理想的氚的增殖材料,以锂为燃料的氘-氚聚变反应堆将在下世纪初开始使用。

幔汁能源

地球内部结构图在地球内部地壳、地幔和地核3部分中,地幔这部分最大,里面的宝贝也真多,其中有大量的氢、卤素、碱金属、碳、氧、硫、氮,它们往往是以热流体的形式存在,共处在地幔中,被统称作幔汁。幔汁中蕴藏的能源将成为今后一个世纪人类发掘的目标。

幔汁能源的数量是相当可观的,如华北平原靠近渤海湾8800平方千米的地下3千米深处就蕴藏着很多很多热水,其能量相当于120亿吨以上的标准煤。再如,很多地方的地下富含氢气、甲烷或天然气,如大庆油田的地下深处估计有1000亿立方米天然气,内蒙古鄂尔多斯高原也发现了世界级天然气田。随着科学技术的发展,这些现在看起来太深而不好开采的矿物能源,将来终究会被人们“请”出来为人类造福的。

橘子植物能源

从橘子皮中提取燃料油

橘子皮即中药中的陈皮。橘子皮除入药以外,还可加工成食品,如九制陈皮,也可以提取燃料油。

将橘子皮捣碎,压榨、过滤分离、蒸馏,所得的液体是一种很好的橘子皮燃料油。这种燃料油极易燃烧,火焰鲜明,其挥发点为46℃~68℃,沸点为85℃~98℃,密度为0.824克/立方厘米,燃烧性质与煤油相似,是一种极有用的工业燃烧用油。

知识点光合细菌

光合细菌是自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物。它能以光作为能源,在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用。光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处,主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。

光合细菌的适宜水温为15℃~40℃,最适水温为28℃~36℃,能够降解水体中的亚硝酸盐、硫化物等有毒物质,具有净化水质等功能。光合细菌适应性强,能忍耐高深度的有机废水和较强的分解转化能力,对酚、氰等毒物有一定的忍受和分解能力等特点,它的诸多特性,使其在无公害水产养殖及未来的科研中具有巨大的应用价值。

地热能的开发与利用

地热作为一种新能源,以其干净、无污染、成本低而日益受到人们的青睐。地热能在地下的贮存形式有热水型、蒸汽型、干热岩型、地压型、岩浆型等多种形式。现在,人们除了用热水型地热能来发电、洗浴、取暖和灌溉之外,为了更充分地利用分布很广的干热岩型地热能,还在广泛地开凿人造热泉。美国于20世纪70年代建成世界上第一眼人造热泉,每小时可回收149℃~156℃的热水20吨,美国还在建造发电能力为50兆瓦的人造热泉热电厂。法国开凿了6眼人造热泉,其中第二眼井深达6000米,每小时可供应200℃的热水100吨。

地热奇观实际上,人们是通过利用各种温泉、热泉来认识地热能的。2000多年前,我国东汉时期大科学家张衡就曾采用温泉水治病。此外,我们的祖先很早就利用温泉的热水进行洗浴和取暖等。

1904年,意大利人拉德瑞罗利用地热进行发电,并创建了世界上第一座地热蒸气发电站(装机容量为250千瓦)。由于当时技术条件的限制,此后很长时间内地热在发电方面的应用一直停步不前。

20世纪60年代以来,由于石油、煤炭等各种能源的大量消耗,美国、新西兰、意大利等国又对地热能重视起来,相继建成了一批地热电站,总计约有150多座,装机总容量达3500兆瓦。

利用地热发电,是地热能利用的最重要和最有发展前途的方面。与其他电站比较,地热电站具有投资少、发电成本低和发电设备使用寿命长等优点,因而发展较快。

地热电站的工作原理与一般的火电站相似,即利用汽轮机将热能转换成机械能,再由发电机变成电能。由于地热资源有高温干蒸汽、高温湿蒸汽和热水等不同种类,所以地热发电的方法也不同。

以高温干蒸汽为能源的地热电站,一般采用蒸汽法发电。它的发电的工作过程是,当把地热蒸汽引出地面后,先进行净化,即除掉所含的各种杂质,然后就可送入汽轮发电机组发电。如果地热蒸汽中的有害及腐蚀性成分含量较多时,也可以把地热蒸汽作为热源,用它来加热洁净的水,重新产生蒸汽来发电。这就是二次蒸汽法地热发电站。目前全世界约有3/4的地热电站属于这种类型。

美国加州的盖瑟斯地热电站,就是二次蒸汽法地热电站的典型代表。它的装机容量达500兆瓦以上,是目前世界上最大的地热电站。

以高温湿蒸汽为能源的地热电站,大多采用汽水分离法发电。这种高温湿蒸汽是兼有蒸气和热水的混合物,通过汽水分离器把蒸汽和热水分开,蒸汽用于发电,热水则用于取暖或其他方面。

以地下热水为能源的地热电站,通常用地下热水为热源来加热低沸点的物质如氯乙烷或氟利昂等,使它们变成蒸汽来推动汽轮发电机组发电。这就是通常所说的低沸点工质法地热发电。

低沸点工质法地热发电所用的地热水的温度,通常低于100℃。用这种热水来将低沸点物质加热变成蒸汽,它们在推动汽轮发电机组发电后,在冷凝器中凝结,再用泵重新打回热交换器,从而反复使用。

俄罗斯在堪察加半岛南部建造的低沸点工质法地热电站,所用的地热水温仅有70℃~80℃,以低沸点的氟利昂(沸点为零下29.8℃)为工质,在1.9兆帕(18.8大气压)的压力和地热水的温度为55℃的条件下,低沸点工质便可沸腾,产生蒸气来发电,其总装机容量为680千瓦。

地热能除了用来发电外,人们还把它用于工农业生产、沐浴医疗、体育运动等许多方面。

在工业上,地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。在农业生产上,地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如,地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜、水果、花卉和香蕉,近年来又栽培了咖啡、橡胶等热带经济作物。在浴用医疗方面,人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等,不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。

地热在世界各地的分布是很广泛的。美国阿拉斯加的“万烟谷”是世界上闻名的地热集中地,在24平方千米的范围内,有数万个天然蒸汽和热水的喷孔,喷出的热水和蒸汽的最低温度为97℃,高温蒸汽达645℃,每秒喷出2300万升的热水和蒸汽,每年从地球内部带往地面的热能相当于600万吨标准煤。新西兰约有近70个地热田和1000多个温泉。横跨欧亚大陆的地中海—喜马拉雅地热带,从地中海北岸的意大利、匈牙利经过土耳其、俄罗斯的高加索、伊朗、巴基斯坦和印度的北部、中国的西藏、缅甸、马来西亚,最后在印度尼西亚与环太平洋地热带相接。

我国是一个地热储量很丰富的国家,仅温度在100℃以下的天然出露的地热泉就达3500多处。在西藏、云南和台湾等地,还有许多温度超过150℃以上的高温地热资源。西藏羊八井建有我国最大的地热电站。这个电站的地热井口温度平均为140℃,装机容量为10兆瓦。

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