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伴随着时光的流逝

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编前语伴随着时光的流逝、人类历史上一个重要的世纪20世纪,在高科技文明的掩映下,正悄然地离我们而去,一个希望与挑战并存的21世纪则满怀着强烈的向我们走来.适逢世纪更迭的关键时刻,我们除了重温以往的舒适与优越之外,更应理智地立足现实,总结过去,展望未来.21世纪将是科技时代的预言已成为人们共知的真理,到那时,现今的中小学生无疑将是驾驭科技的主体.而遍观我国目前的中小学教育,相关的科技内容却十分匮泛、很不利于学生科技意识和能力的培养.基于此,由国家教委普教处和北京市科协组织部分专家学者、从现实出发,选取与我们的关系密切的内容为写作对象,策划编写了《21世纪科技大趋势》丛书.全书分14册、包括气象科学,医疗技术,计算机技术,海洋工程,机器人技术,生物工程,交通科学,军事科技、信息技术,环境科学,航空航天工程,材料科学,能源科学等方面的内容.希望通过这套丛书使同学们从中了解当今科技热点发展的动态及趋势,提高和培养同学们发明创造的素质与能力.当然,由于时间等多方面原因所致,不足之处在所难免、还望同行与读者批评指正.编者1996年12月28日于北京能源科学
1 能源略说自古以来,人类就为改善自身的生存条件,促进社会的经济发展而不懈地奋斗.在这一奋斗过程中、能源一直在扮演着极其重要的角色.简单地说,能源指的是可以提供能量的物质,例如煤炭、石油、天然气、水能,太阳能,核能都是能源.大自然赋予人类的能源多种多样,按照各种能源的开发利用情况和它们在人类社会经济生活中的地位、人们把能源分为常规能源和新能源两类.
一般说来,常规能源指的是技术上比较成熟,使用比较普通的能源,如前面所说的煤炭、石油、天然气、水能等就是常规能源;而新能源指的是新近才利用的或正在开发研究的能源,这种能源包含有太阳能,核能,沼气、风能,氢能,地热能,海洋能,电磁能等.实际上,新能源和常规能源是相对而言的,现在的常规能源在过去也曾是新能源,而今天的新能源在将来肯定也会成为常规能源.例如核能,在许多第三世界和不发达国家中还只能称为新能源,但在某些工业发达国家中、核能的使用已经非常普遍、已经变成了一种常规能源.由于目前使用的能源以常规能源为主,而这些常规能源如煤,石油、天然气等却越用越少,是不能再生的能源,总有一天要用完、加上它们燃烧时污染环境并且热能利用率不高等、世界各国都在加紧研究开发新能源,以满足社会发展对能源日益增长的需要.随着经济的发展和能源消耗量的大幅度增长,能源的储量,生产和使用之间的矛盾将会日益突出、成为世界各国面临的亟待解决的重大问题之一.
现在,能源已向人类发出了挑战:据专家们估计,在前面提到过的世界常规能源中、除煤炭因为储量较多尚可维持较长时间外,目前已探明的石油储量将于2020年左右开采完毕;一些工业发达国家的天然气也将在2020年被用完;而发展中国家在2060年也将会发生天然气短缺.另外,煤炭资源虽然较丰富、但是直接使用煤炭既不能充分利用它的能量和资源,还会对环境造成污染.面对能源紧张的情况,世界各国除了充分利用现有的传统能源外,都在大力研究开发新能源.同时,在开发新能源之即,人们还在寻求各种方法,采取各种措施节约能源,并防止或减轻对环境的污染.在我国,我们正处于能源短缺、能源结构不合理,而对能源的需求却迅速增长的新的历史时期;而要解决能源问题,必须依靠科技进步,特别是应用高新技术加快开发新能源的步伐.在这方面,既要研究以跟上工业化国家的先进水平,也要符合我国作为一个发展中国家的实际国情.我国能源发展的中期战略是开发与节约,能源开发利用以电力为中心、以煤炭为基础、积极开发石油和天然气、大力开发水电资源和有计划地发展核电,提高能源生产利用效率.只有依靠高新技术,才有可能完成能源工业在现代化建设中承担的重要使命.
2 大有潜力的常规能源
2.1 最基本的常规能源煤炭1990年末全世界已经探明的煤炭可采储量为10,787亿吨.我国已探明的煤炭储量为1661.23亿吨,占世界已探明储量的15.4.1990年全世界总计产煤48.27亿吨,我国为10.8亿吨,居世界第一位.尽管如此,煤炭供应不足仍是制约我国国民经济发展的重要问题,因此,应用高新技术进行煤炭的加工转化,提高煤炭的利用效率,减少煤炭燃烧的环境污染,是解决能源缺乏,加速国民经济发展的重要途径之一.煤炭的处理加工及转化(1)选煤技术:选煤是指除去或减少原煤中所含的杂质(包括灰分,矸石,硫分等)、并将处理过的煤分成若干个品种等级,以满足不同用户的需要.物理选煤技术可除去煤中60%以上的灰分杂质及50%的黄铁矿硫杂质.而各种烧煤设备如果使用品种、质量和颗粒大小都符合工艺要求的煤,就可以提高热效率和可靠性,并能大大减少各种有害物质的排放.
(2)洁净煤技术:洁净煤技术是一系列新近开发的煤炭加工,燃烧转化和煤烟通道中的烟道气净化技术的总称.目的是减轻煤炭燃烧对环境的污染,提高煤炭利用效率,并降低成本.洁净煤技术可分为三类.燃烧前、通过选煤或掺合其他物质,以提高燃烧效率并脱除污染物;燃烧中、改变燃烧方式和性质,在燃烧过程中去除污染物;燃烧后,对烟道气进行净化.
(3)型煤及利用:用粉煤或低品位煤制成的具有一定形状的煤制品称为型煤.型煤可以分为民用和工业用两类,前者有煤球和蜂窝煤,后者包括用于工业锅炉、窑炉、蒸汽机车的型煤以及用于汽化,炼铁和铸造的型焦.燃烧型煤可以提高热效率,节约煤炭并降低污染.例如作为我国民用煤主体的蜂窝煤,若配以先进的炉具,热效率比烧散煤高一倍、可节约煤炭20~
30,各种有害物质的排放降低40~80. 型煤的节能率是所有洁净煤技术中最高的,相对环境效益也很高.
(4)煤液混合新型燃料技术:煤液混合新型燃料是一项新技术,这些混合燃料是粉煤在液体中的一种悬浮物,即煤液混合料.目前已有多种混合料经过全面试验、最有工业应用价值的煤液混合料是水煤浆,其典型配方是70%左右的煤,30%的水和不大于1%的化学添加剂,是一种低污染的燃料.
(5)其他的煤炭处理技术:前面的四种煤炭处理技术都属于不改变煤的化学结构而进行的物理处理技术,这些方法虽然经济,操作简单,却只能对煤进行浅度净化,而进行深度净化必须采用化学净化法.其他的煤炭处理转化技术还有生物加工技术,干馏及汽化,液化等新技术,由于其涉及的内容较深,在此就不详细讨论了.
劣质煤转化为优质燃料(1)劣质煤加工成石油:波兰已研制出一种将劣质煤(含硫高,水分多)加工成石油的装置,能够将两吨煤转化成一吨石油.此外,从每吨加工过的煤中、还可得到300公斤的燃料焦炭、使劣质煤转变成清洁的优质燃料.
(2)劣质煤生产合成天然气:劣质煤生产合成天然气是在将劣质煤产生的煤气通过净化,然后把净化的煤气甲烷化.甲烷是合成天然气的主要成分,这种合成天然气有广泛的用途.这一新技术已由德国匹兹堡煤气公司开发成功.
2.2 当代工业的血液石油和天然气石油是现代世界一次能源消费构成中的主要能源,据1990年的资料统计,石油在世界一次能源消费构成中占38.6,居第一位;在我国占16.6,仅次于煤炭居第二位.截止1990年底,世界石油剩余可采储量为1364.9亿吨,1990年全世界原油产量为30.16亿吨,储产比为45.3年,也就是说按现有的开采能力、在不增加新的石油储量的情况下,剩余石油开采45.3年就能开采光.我国已探明的石油可采储量为30.16亿吨,居世界第10位;
1990年原油产量为1.38亿吨,居世界第五位、石油储产比为21.8年.
至1990年底,世界已探明天然气储量大约为亿立方米,在世界一次能源构成中占21.7,次于煤炭和石油、居第三位.我国已探明的天然气储量为9,990亿立方米,居世界第九位.1990年我国天然气产量为147亿立方米,在一次能源消费构成中占2.1,次于煤炭、石油、水电,居
第四位.我国原油加工能力仅次于美国,前苏联、日本,居世界第四位、1990年达到14,400万吨.原油经过加工,形成汽油、煤油、柴油、润滑油、化工轻油和石脑油六大类产品.我国原油加工利用的深度和世界发达国家相比、仍有较大的差距、主要表现为轻质油收率偏低.由于我国原油普遍偏重、近几年来重质油比例不断增加,为了合理利用资源,迫切需要发展石油深度加工技术.石油产品的范围从液化石油气开始,中间是石油化工原料,燃料和润滑油料,一直到沥青.原油在加工过程中还会释放出大量的石油气.石油加工后,可以得到利用率高,经济,合理的各种液体燃料,主要为内燃机燃料,锅炉燃料和灯油三类.其他的石油产品主要有润滑油、蜡,沥青以及石油化工产品如石油溶剂,乙烯,丙烯和聚乙烯等.天然气是一种混合气体,其主要成分为甲烷.天然气作为燃料容易燃烧,清洁无灰渣,热值高而且不污染环境.用天然气加热锅炉生产蒸汽投资省、且热效率高,能够适应突然的负荷变化.用天然气代替焦炭、可提高生产率
30. 天然气和石油一样是非常重要的基本有机化工原料.从天然气中分离出来及从石油炼厂汽中回收和分离的许多物质是最基本的化工原料,并可进一步制造转化出五千多种化工产品、如合成纤维,合成橡胶,合成塑料和化肥等产品.天然气化工产品具有用途广,成本低,产值高和发展快等优点、因此天然气的转化利用对国民经济建设和人民生活都十分重要.
2.3 热能利用和火力发电经济的发展依靠能源.电能是一种最重要的能源,可以方便,高效地转换为其他能源形式.在较长的一段时间内、火力发电仍将是许多发展中国家主要的发电方式.火力发电的主要燃料就是前面我们讲述过的煤炭、有时候也有用油作燃料的.火力发电的基本工作原理可简单地作如下解释:锅炉的工作介质水经高压加热器加热后送进锅炉、在锅炉的省煤器内进一步加热、然后在水冷壁中蒸发产生饱和蒸汽,饱和蒸汽在过热器内加热为温度较高的过热蒸汽,再由管道(主蒸汽管)送往汽轮机.汽轮机和发电机连接在一起,发电机的转子在旋转过程中就将机械能转化成了电能,并通过发电厂内的变压器和输电线路向外界输送电力.根据本世纪末我国工农业总产值应比1980年翻两番的任务以及长远发展的要求,到2000年我国发电设备的装机容量至少应达到26,000万千瓦,年发电量相应为12,000~14,500亿千瓦.我国有丰富的水力资源,但由于水力发电的开发周期长,耗资巨大,不可能发展很快.另外我国在发展核电方面起步较晚,由于核电投资大,周期也较长,在本世纪末至下世纪初我国的核电事业仍然处于初级发展阶段.这些都决定了我国在很长一段时期电力建设的主要任务仍将是发展火力发电.
火力发电设备容量和参数的提高,有一系列问题需要解决,诸如设备的安全和经济运行、燃料及其运输,水源以及对环境的影响等等、因此在许多领域中高新技术的应用必不可少.特别是在当今我们赖以生存的生态环境日趋恶化的情况下,如何降低甚至消除火力发电对环境的污染是一个迫切需要解决的问题.从中也可看出、在未来燃煤火力发电设备中、采取低污染的燃烧方式是必然的发展趋势.
2.4 最干净的常规能源水能水能利用的主要方式是发电.水力发电就是利用河流中蕴藏着的水能来产生电能,其中最常用的方法就是在河流上建筑拦河坝、将分散在河段上的水能资源集中起来,然后靠引水管道引取集中了水能的水流去转动设在厂房中的水轮发电机组,在机组运转的过程中、就将水能转变成了电能.因为利用的是水能,而水流本身并无损耗,仍可以为下游用水部门所利用.
水力发电有以下特点:
(1)水作为一种资源可由自然界水循环中的降水补充、使水能资源成为不会枯竭的再生能源,所以其发电成本非常低.
(2)水力发电事业和其他水利事业可以互相结合.为了使水能产生电能,常常要修建水库,而水库可作为防洪,供水,发展航运事业等多种任务.
(3)水电站中装设的水轮机开启方便,灵活,适宜于作为电力系统中的变动用电器,有利于保证供电质量.
(4)水电站建成后,能够连续提供廉价的电力.
(5)水力发电不污染环境、是一种公认的清洁能源.当然水力发电也有其固有的缺点、在修建大型水库时,常要搬迁相当数量的库区群众,既要增加投资,也要增加一系列的移民安置工作量,这是建设大型水电站特有的问题.但是,它的优点仍然值得人们注意.正因为水力发电有许多优点、所以优先发展水电是世界各国能源开发中的一条重要途径,只有当水能源开发程度较高时,才能多建火电,核电站.
在水力发电事业发展较快的前九个国家中、法国,意大利的水能开发程度已大于90;美国,加拿大,日本,挪威的开发程度为40~60;前苏联、巴西约为15~20,我国则不到5.世界上发达国家的水能资源开发程度平均为40%以上,发展中国家平均为7.世界上有35个国家的水力发电量占总电量的23以上,其中挪威、加纳,赞比亚的水力发电量占这些国家总发电量的99,而我国水力发电量仅占全国总发电量的20.为充分利用我国的水力资源,缓解电力缺乏的问题,国务院批准了兴建三峡水电站的建议.正在兴建的三峡水利枢纽,坝址在湖北宜昌县三斗坪镇,属西陵峡河段,距葛洲坝水利枢纽38公里、是一座具有防洪,发电,航运,供水等巨大综合利用效益的特大型水利工程.在三峡工程众多的综合效益中、最直接,最显著的经济效益是发电,其发电量约相当于1991年全国总发电量的18.三峡水电站将是世界上规模最大的水电站,发电量相当于10座大亚湾核电站或15座120万千瓦的火电站.三峡电站的强大电力主要供应经济发达,能源缺乏的华中、华东及川东地区、这对于这些地区的经济发展和进一步改善人民生活无疑有重大的意
义.此外,三峡电站用水电代替火电,每年可节省大量的原煤,从而减少许多环境污染.三峡工程地理位置优越,能够有效地控制上游各支流水库以下至坝址约30方平方公里暴雨所产生的洪水,这是其他防洪措施难以替代的.三峡工程可改善长江通航条件,提高运输能力、万吨级船队有半天时间可直达重庆,为发展西南地区的经济和繁荣长江航运事业创造了有利条件.
三峡工程还有利于沿江城镇的供水,并有灌溉、水产旅游等效益;还有利于南水北调、缓解北方地区缺水问题
3 充满希望的新能源
3.1 世纪之交的能源新课题在我们前面所提到过的常规能源中、除水能具有天然的自我恢复能力外,其它的能源都是不能再生的,也就是说,像煤,石油、天然气这些能源一旦被消耗,便越用越少,不可能自我恢复.而随着经济的发展和能源消耗量的大幅度增长,特别是在即将进入21世纪的高科技技术时代,能源的储量,生产和使用之间的矛盾日益突出、成为世界各国面临的急待解决的重大问题之一.另外,随着21世纪的日益临近,人们对未来生活的环境更加关注,环境问题成了困扰人们的另一个重大问题.而常规能源中除水能外,其余的能源在利用时都会或多或少地造成污染,对周围环境造成了很大的破坏,因此,寻找对环境无污染或者污染很少的新能源也成了世纪之交这特殊时期中科学家们的重要任务之一.随着科学技术的发展,人类社会正在跨入高科技时代.代表这一时代科技发展水平的高科技、将作为强大的生产力、直接影响着人类的生产和生活方式,并推动社会走向未来的新世纪.能源作为所有高新技术产业的能量源泉、其发展水平绝不能落后于依赖它的高新技术,所以在21世纪技术突飞猛进的同时,能源的发展也必须跟上时代的步伐.现代高科技的发展序列是,以信息技术为先导,以新材料技术为基础、以新能源技术为支柱,沿微尺度领域向生物技术开拓,沿宏尺度领域向海洋和空间技术扩展.由此可见、新能源技术在现代高科技中占有多么重要的地位.为了推动高科技的发展,解决能源供应所面临的问题,人们投入了很多的人力和物力、积极寻求新能源.随着高新技术领域中的新材料技术,信息技术,海洋技术和空间技术等的发展,一批新能源如太阳能,核聚变能,氢能,海洋能,风能和生物质能等方面的研究已经取得重大突破,并展示出令人鼓舞的发展前景.例如,超导材料和超导技术的进一步发展将为核聚变装置提供强大的磁场、并使人们早日掌握渴望已久的核聚变技术;利用超导技术还可研制出实用的超大型蓄电池,将会极大地促进太阳能,海洋能,风能等新能源的发展.可以预料,新能源的应用与发展,不仅会推动社会生产力的发展,而且将使人类从有限的一次性能源的使用,转向多样化的,再生的,取之不尽的洁净能源的使用.这样,在未来世纪中、人们可以不再为能源的枯竭、环境的污染和生态的破坏而担忧.为了使读者朋友们对新能源有一个具体的了解,在接下来的部分中我们将详细介绍21世纪会得到广泛应用的新能源,其中包括最干净的能源太阳能;最神奇的能源核聚变能和磁流体发电;最理想的能源氢能以及超导技术在能源发展中的地位等等.
3.2 21世纪的主要能源太阳能太阳是一个炽热的气体球、蕴藏着无比巨大的能量.地球上除了地热能和核能以外,所有能源都来源于太阳能,因此可以说太阳能是人类的能源之母.没有太阳能,就不会有人类的一切.自古以来,人们就注意利用太阳能.早在几千年前、我们的祖先就曾用阳燧这种简单的器具向太阳取火、开辟了人类利用太阳能的新时代.据说古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光、一举烧毁了敌人的帆船队.然而、人们对太阳能的深刻认识和开发利用,直到最近的二三十年内才真正开始.1945年,美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电池,开创了现代人类利用太阳能的新纪元.人们利用太阳能的方法主要有三种、一种是使太阳能直接转换成电能,即光电转换.太阳能电池就属于这种转换方式;第二种是使太阳能直接转变成热能,即光热转换,如太阳能热水器等;第三种是使太阳能直接转变成化学能,即光化学转换,如太阳能发动机等.实际上,人类有意识地利用太阳能,首先是从取暖,加热、干燥和采光等太阳能的热利用开始的.近十多年来,太阳能的光热利用发展很快、已经制成了式样繁多的各类太阳能集热器,将太阳光的热能用于取暖,制冷,通风,烘干,冶炼,洗浴,灌溉、养鱼,发电等许多方面,节省了大量的其他能源,并为能源短缺地区提供和解决了所需要的能源.要将太阳光直接转换成电能,就需要采用能量转换装置,太阳能电池实际上就是一种光电能量转换器.有了太阳能电池,就为太阳能的利用开辟了广阔的途径,人造卫星和宇宙飞船探测宇宙空间时用上了重量轻,使用寿命长和耐冲击振动的太阳能电池.卫星和飞船的巨大铁翅膀上就密密麻麻排满了太阳能电池,组成了太阳能电池板.此外,太阳能飞机、太阳能汽车,太阳能汽艇等、都是由于装上了太阳能电池板才能飞翔和行驶;还有如太阳能电话、太阳能彩色电视机、太阳能电视差转机等、都是使用太阳能电池而工作的.目前、世界各国都在大力研究新型太阳能电池,提高光电转换率,使太阳能的开发利用进一步深化.太阳能的开发方兴未艾,研制出的太阳能新产品层出不穷.例如,英国研制成功一种太阳能冰箱有九块吸热板,晴天时它可以向冰箱的蓄电池充电,一天的充电量足够冰箱使用五天.瑞士发明了一种太阳能热水瓶,仅重400克,通过装在瓶底部的像镜子似的折叠铝叶板吸收太阳能,用来烧开水.有阳光时,烧一瓶水仅需要半小时左右.对太阳能这种新能源的开发利用,当前还仅处于初始阶段.随着科学技术的发展和人们对能源日益增长的需求,太阳能的开发利用必将出现一个蓬勃发展的新局面.我国幅员辽阔、有着得天独厚的太阳能资源,全国大部分省市地区的年日照时间平均可达2000小时以上.太阳每年投射到我国广大国土上的能量,约有一亿亿千瓦时,差不多相当于20,000亿吨标准煤所具有的能量.
我国很早就对太阳能进行了开发利用,并取得了显著的成果.例如,我国研制的单晶硅太阳能电池,于1971年成功地应用在我国发射的第二颗人造卫星上.1985年10月,我国第一座太阳能电站在甘肃省榆中县建成,电站装有多晶硅电池板,能将吸收的太阳光能转换为电能,并储存在蓄电池内、即使有六、七天不出太阳也能照常供电.未来时代将是太阳能大显身手的时代,在我国的现代化建设中、太阳能也将发挥越来越重要的作用.太阳是人类的能源宝库太阳给人类带来了光明和温暖,并给人类以生命,以及维持生命活动的各种物质.可以说,没有太阳便没有人类;没有太阳,也不会有今天物质世界的一切.太阳一刻不停地向宇宙空间中发送着大量的能量.据计算,仅一秒钟发出的能量就相当于1.3亿亿吨标准煤燃烧时所放出的热量.太阳发送到地球上的能量虽然很多,但只占它向外辐射能量的22亿分之一.由于地球表面大气层的反射和吸收,真正到达地球表面的太阳能,大约相当于目前全世界所有电站发电能力总和的20万倍.地球每天接收的太阳能,相当于全球一年所消耗的总能量的200倍.太阳发光放热的历史已达四十多亿年以上,据科学家们预计,太阳释放巨大能量的时间还将持续几十亿年.因此,太阳可称得上是人类取之不尽,用之不竭的能源宝库.对人类来说,太阳释放的能量还包括地球上的各种能源,例如煤炭、石油以及风能,海洋能,地热能等、它们都是由太阳能转化而成的.另外,与
其他能源相比、太阳能具有独特的优点:
(1)它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣,因而不污染环境、被称作干净能源.
(2)到处都可以得到太阳能,使用方便,安全.
(3)成本低廉、可以再生.现在,人们越来越认识到太阳能的重要价值.特别是在当前世界各国面临能源日益紧缺的情况下,人们已把太阳能作为开发利用的现代主要新能源之一、因此,向太阳这个取之不尽的能源宝库索取能量实现人类历史上的能源变革,已成为今后能源开发的主要趋向.随着科学技术的不断发展,人们对太阳能的利用也日益广泛和深入.现在,太阳能的利用已扩展到科学研究,航空航天,国防建设和人们日常生活的各个方面.尽管人们对太阳能的开发利用方式如此丰富多样,然而直到目前为止,所利用的太阳能与太阳照射到地球上的能量相比、仅是沧海一粟,而且使用效率较低,规模也较小,致使大自然赐予的这种宝贵能源大部分损失掉了.
所以,用现代化方法大规模地开发利用太阳能,已成为摆在人们面前的一项重要任务.太阳能电站通常人们所说的太阳能电站,指的是太阳能热电站.这种发电站先将太阳光转变成热能,然后再通过机械装置将热能转变成电能.
太阳能电站能量转换的过程是:利用集热器(聚光镜)和吸热器(锅炉)把分散的太阳辐射能汇聚成集中的热能,经热换器和汽轮发电机把热能变成机械能,再变成电能.它与一般火力发电厂的区别在于,其动力来源不是煤或燃油、而是太阳的辐射能.一般来说,太阳能电站多数采用在地面上设置许多聚光镜,以不同角度和方向把太阳光收集起来,集中反射到一个高塔顶部的专用锅炉上,使锅炉里的水受热变为高压蒸汽,用来驱动汽轮机、再由汽轮机带动发电机发电.另外,太阳能电站的独特之处还在于电站内设有蓄热器.当用高压蒸汽推动汽轮机转动的同时,通过管道将一部分热能储存在蓄热器中.如果在阴天,雨天或晚上没太阳时,就由蓄热器供应热能,以保证电站连续发电.世界上第一座太阳能热电站,是建在法国的奥德约太阳能热电站,这座电站当时的发电能力仅为64千瓦,但它却为以后太阳能热电站的建立和发展打下了基础.1982年,美国建成了一座大型塔式太阳能热电站,这座电站用了1818个聚光镜,塔高80米,发电能力为10,000千瓦.它利用太阳能把油加热、再用高温油将水变成蒸汽,利用蒸汽来推动汽轮发电机发电.
太阳能热电站不足之处在于:一是需要占用很大地方来设置反光镜;二是它的发电能力受天气和太阳出没的影响较大.虽然热电站一般都安装有蓄热器,但不能从根本上消除影响.因此,人们设想把太阳能热电站搬到宇宙空间去,从而能使热电站连续不断地发电,满足人们对能源日益增长的需要.
太阳能热管热管通常又叫真空集热管,它在结构上与我们平常所用的热水瓶相似,但热水瓶只能用来保温,而太阳能热管却能巧妙地吸收太阳的热能,即使阳光很微弱,它也能达到较高的温度,比一般太阳能集热器的本领强多了.
热管之所以有这么大的本领,主要是因为它的结构较特殊,能充分地吸热和保温.热管有一个透明的壳,里面密封着能装液体或气体的吸热管,两管之间抽成真空.这样,在吸热管周围形成了性能良好的真空绝热层,这和热水瓶胆的内外层之间保持真空的原理是一样的,都是为了防止热量散失出去.吸热管的材料可以是金属,也可以是玻璃、在它的外表面涂有选择性的吸热涂层.当阳光照在热管上,吸热管的涂层就能大量吸收光能,并将光能转变成热能,从而使吸热管内装的液体或气体的温度升高.热管的特殊结构使它一方面通过吸热管外壁上的涂层尽可能吸收更多的阳光、并及时转变成热能;另一方面,在能量吸收和转换中最大限度地减少热量损失.也就是说,它用抽真空等办法堵死了热量散失的一切渠道.因此,在阳光很微弱的情况下,热管也能将阳光巧妙地集聚和保存起来,从而达到较高温度.太阳能热管不仅集热性能好,而且拆装方便,使用寿命长,因而获得了人们的好评.它可以单个使用,如用在太阳能灶上,代替平板式集热器;也可根据需要、用串联或并联的方式将几十支热管装在一起使用.热管在一天之内可以提供大量的工业用热水,又能一年四季不断地为它的主人供应所需要的热能.此外,热管还广泛用于海水淡化,采暖,空调、制冷,烹调和太阳能发电等许多方面,是一种深受人们欢迎的太阳能器具.
太阳池发电水平如镜的水池也能用来发电,这可能是许多人没有想到的.因此,利用水池收集太阳能发电,可以说是迄今为止将太阳辐射能转换为电能的最美妙的构想之一.太阳池就是利用水池中的水吸收阳光、从而将太阳能收集和贮存起来.
这种太阳能集热方法,与太阳能热水器的原理相似,但是,用太阳能热水器贮存大量的热能,需要另设蓄热槽,而太阳池的优越之处在于,水池本身就可充当贮存热能的蓄热槽.一般的水池,当阳光照射时,池水就会发热、并引起水的对流、即热水上升,冷水下沉.当温度较高的水不断从底部上升到池面时,通过蒸发和反射将热能释放到空气中.这样,池中的水大体上保持着一定的温度,但无论天气多么热、经过的时间如何长,水温总达不到气温以上.为了提高池中的水温,人们想了许多办法,其中最引人注目的就是利用盐水蓄热.这种提高水温的办法,是受到一种自然现象的启发而产生的.早在1902年,科学家们考察罗马尼亚一个浅水湖时发现,越是靠近湖底,水温就越高,即使在夏末时,水温有时可高达70℃.这种现象是如何产生的呢原来,湖底水温之所以高,是因为水中含有盐分,而且越是靠近湖底的水,其所含盐分的浓度就越大.通常、湖底处的热水会因密度变小而升到水面,从而形成对流.但是当水中的盐分浓度很高时,水的密度就会随之增大,这样热水就难以升到水面,从而打乱了水热升冷降的循环过程.由于湖水无法形成对流、热量便在湖底处蓄积起来,而湖面上较轻的一层水,就像锅盖一样将池底的热能严严实实地封住.结果,湖底的水温就会越来越高.目前、世界上许多国家对太阳池发电很感兴趣,认为它提供了开发利用太阳能的新途径,而且这种发电方式比其他利用太阳能的方法优越.同太阳热发电,太阳光发电等应用太阳能的技术相比、太阳池发电的最突出优点是构造简单,生产成本低;它几乎不需要价格昂贵的不锈钢,玻璃和塑料一类的材料,只要一处浅水池和发电设备即可;另外它能将大量的热贮存起来,可以常年不断地利用阳光发电,即使在夜晚和冬季也照常可以利用.因此,有人说太阳池发电是所有太阳能应用中最为廉价和便于推广的一种技术.
美国对这项利用太阳能的新技术十分重视,一个由政府资助的科学家组织对全国进行了调查,以确定太阳池发电计划和建造发电站的地方.至今美国已修建了10个太阳池,以便进行研究试验.在澳大利亚,已建成了一个面积为3000平方米的太阳池,并将用它发电,以便为偏僻地区供电,并进行海水淡化和温室供暖等.日本农林水产省土木试验场已建有四个8米见方、深2.5~3米的太阳池,用来为温室栽培和水产养殖提供热能.人们在太阳池发电的推广使用中、对其可能出现的问题能够及时地予以研究解决.例如,起初人们估计铺在池底的薄膜会发生破裂,从而使盐水流出、污染水池下面的土壤;但是实践证明,薄膜的防渗漏性能很好,没有出现上述问题.对于太阳池发电所需要的大量盐,则可以利用太阳池的热能去带动海水淡化装置来解决.就当前的实际应用情况来看,太阳池在供热和发电方面还存在一些不足之处.但我们相信,随着科学技术的进步,在不久的将来,太阳池发电将作为一种廉价的电源得到普遍应用.太阳能气流电站利用太阳能发电的方式很多,其中最为新奇的是太阳能气流发电.由于这种电站有一个高大的烟囱,所以也被称作太阳能烟囱电站.太阳能电站既不烧煤,也不用油、所以这个烟囱并非是用来排烟的,而是用它抽吸空气、所以确切点说应称其为太阳能气流电站.太阳能气流电站的中央,竖立着一个用波纹薄钢板卷制而成的大烟囱,在烟囱的周围,是巨大的环形曲面半透明塑料大棚,在烟囱底部装有气轮发电机.当大棚内的空气经太阳曝晒后,其温度比棚外空气高约20℃.由于空气具有热升冷降的特点、再加上大烟囱向外排风的作用,就使热空气通过烟囱快速地排出去,从而驱动设在烟囱底部的汽轮发电机发电.由于太阳能气流电站占地较大,所以今后的气流电站将要建在阳光充足,地面开阔的沙漠地区.另外,塑料大棚内的地方很大,温度又较高,可利用起来作暖房,种植蔬菜和栽培早熟的农作物.太阳能气流电站的建造成功,使人类利用太阳能的技术得到进一步的提高,并为利用和改造沙漠创造了良好的条件.太阳能电池要将太阳向外辐射的大量光能转变成电能,就需要采用能量转换装置.
太阳能电池实际上就是一种把光能变成电能的能量转换器,这种电池是利用光生伏打效应原理制成的.光生伏打效应是指当物体受到光照射时,物体内部就会产生电流或电动势的现象.单个太阳能电池不能直接作为电源使用.实际应用中都是将几片或几十片单个的太阳能电池串联或并联起来,组成太阳能电池方阵,便可以获得相当大的电能.太阳能电池的效率较低,成本较高,但与其他利用太阳能的方式相比、它具有可靠性好,使用寿命长,没有转动部件,使用维护方便等优点、所以能得到较广泛的应用.太阳能电池最初是应用在空间技术中的,后来才扩大到其他许多领域.
据统计,世界上90%的人造卫星和宇宙飞船都采用太阳能电池供电.美国已于近来研究开发出性能优异的太阳能电池,其地面光电转换率为35.6,在宇宙空间为30.8.澳大利亚用激光技术制造的太阳能电池,在不聚焦时转换率达24.2,而且成本较低,与柴油发电相近.在太阳能电池方阵中、通常还装有蓄电池,这是为了保证在夜晚或阴雨天时能连续供电的一种储能装置.当太阳光照射时,太阳能电池产生的电能不仅能满足当时的需要、而且还可提供一些电能储存于蓄电池内.有了太阳能电池,就为人造卫星和宇宙飞船探测宇宙空间提供了方便,可靠的能源.1953年,美国贝尔电话公司研制成了世界上第一个硅太阳能电池.而到1958年,美国就发射了第一颗由太阳能供电的先锋1号卫星.
现在,各式各样的卫星和空间飞行器上都安装了布满太阳能电池的铁翅膀、使它们能在太空里远航高飞.卫星和飞船上的电子仪器和设备,需要使用大量的电能,但它们对电源
的要求很苛刻:既要重量轻,使用寿命长,能连续不断地工作,又要能承受各种冲击,碰撞和振动的影响.而太阳能电池完全能满足这些要求,所以成为空间飞行器较理想的能源.通常、根据卫星电源的要求将太阳能电池在电池板上整齐地排列起来,组成太阳能电池方阵.当卫星向着太阳飞行时,电池方阵受阳光照射产生电能,供应卫星用电,并同时向卫星上的蓄电池充电;当卫星背着太阳飞行时,蓄电池就放电,使卫星上的仪器保持连续工作.我国在1958年就开始了太阳能电池的研究工作,并于1971年将研制的太阳能电池用在我国发射的第三颗卫星上,这颗卫星在太空中正常运行了八年多.太阳能电池还能代替燃油用于飞机.世界上第一架完全利用太阳能电池作动力的飞机太阳挑战者号已经试飞成功,共飞行了四个半小时,飞行高度达4000米,飞行速度为每小时60千米.在这架飞机的尾翼和水平翼表面上,装置了16,000多个太阳能电池,其最大能量为2.67千瓦.它是将太阳能变成电能,驱动单叶螺旋桨旋转,使飞机在空中飞行的.以太阳能电池为动力的小汽车,已经在墨西哥试制成功.这种汽车的外型像一辆三轮摩托车,在车顶上架了一个装有太阳能电池的大篷.在阳光照射下,太阳能电池供给汽车电能,使汽车以每小时40公里的速度向前行驶.
由于这辆汽车每天所获得的电能只能驱动它行驶40分钟,所以在技术上还有待于进一步改进.1984年9月,我国也试制成功了太阳能汽车太阳号,这标志着我国太阳能电池的研制已经达到国际先进水平.此外,我国还将太阳能电池用于小型电台的通讯机充电上.当在野外工作无交流电源可用时,就可启用太阳能电池小电台充电器.这种充电器使用方便,操作简单,因而深受用户欢迎.
太阳能电池在电话中也得到了应用.有的国家在公路旁的每根电线杆的顶端,安装着一块太阳能电池板,将阳光变成电能,然后向蓄电池充电,以供应电话机连续用电.蓄电池充一次电后,可使用26个小时.现在在约旦的一些公路上,已安装有近百台这种太阳能电话.当人们遇有紧急事情时,可随时在公路边打电话联系,使用非常方便.由于太阳能电话安装简单,成本较低,又能实现无人管理,还能防止雷击,所以很多国家都相继在山区和边远地带,特别是沙漠和缺少能源的地区、安装了许多以太阳能电池为电源的电话.芬兰曾经制成一种用太阳能电池供电的彩色电视机.它是通过安装在房顶上的太阳能电池供电的,同时还将一部分电能储存在蓄电池里、供电视机连续工作使用.太阳能电池很适合作为电视差转机的电源.电视差转机是一种既能接收来自主台的电视信号,又能将这种信号经过变频,放大再发射出去的电视转播装置.我国地域辽阔、许多远离电视发射台的边远地区收看不到电视节目,就需要安装电视差转机.但是,电视差转机一般都建在高山上,架设高压输电线路供电很困难,投资很高,所以最适合使用太阳能电池供电.电视差转机使用太阳能电池作电源,既建设快捷,投资节省、而且维护使用方便,还可以做到无人指导管理.目前、我国许多地方已建成用太阳能电池作电源的电视差转台,很受人们欢迎.正是由于太阳能电池具有许多独特的优点、因而其应用十分广泛.从目前的情况来看,只要是太阳光能照射到的地方都可以使用,特别是一些能源缺少的孤岛、山区和沙漠地带,可以利用太阳能电池照明,空调、抽水,淡化海水等、还可以用于灯塔照明,航标灯,铁路信号灯,杀灭害虫的黑光灯,机场跑道识别灯,手术灯等、真可以说是一种处处可用的方便电源.太阳能的储存太阳能是一种很有发展潜力的新能源,然而它只能在白天和晴天使用,而且稍纵即逝、结果有时想用却没有、有时又多得用不完.于是,人们就想将它像煤炭、石油、天然气那样储存起来,或者如蓄电池那样把电能积蓄起来,以便随时使用.随着科学技术的发展,现在已经出现了除太阳能电池以外的一些储存太阳能的方法,为充分利用太阳能创造了有利的条件.目前、使用比较普遍的储存太阳能的方法是,先将太阳能变成热能,然后再将热能储存在密封、隔热的水池中、以供需要时使用.储存太阳能的方法很多,而且随着太阳能的进一步开发利用,必将出现更多,更先进的太阳能储存方法.太阳能空间电力站在太阳能利用中、发展前景最为诱人的要算在宇宙空间建立太阳能电力站的宏伟计划了.众所周知,太阳光经过大气层到达地球表面时,已经大大减弱.而到达地面的阳光、又有三分之一被反射回空间.因此,在大气层以上接收的太阳能要比在地球上接收的多四倍以上.在这种情况下,人们就萌发了一个大胆
的设想:要把太阳能发电站搬到宇宙空间去,以便得到更多的太阳能.而且这样还能避免地面太阳能电站接收太阳光时断时续的缺点.要达到这一目的,就必须研制一种太阳能动力卫星,并把它发送到距地面3.5万多公里的高空、而且与地球同步的轨道上(在这一轨道上,卫星绕地球飞行一圈的时间,正好与地球自转一周的时间相同)、这样就可以用它把太阳能直接引到地球上.在动力卫星上装有巨大的太阳能电池板,能把太阳能直接转换成电能,然后再将电能转换成微波束发回地面.地面接收站通过巨型天线,可将动力卫星送回地面的微波能重新转换成电能.当然,就目前来说实现大型太阳能空间电力站计划还存在一定的技术难关.比如,一个发电能力为一千万瓦的空间电力站,它上面的太阳能电池板面积已达64平方公里;而把微波能发送到地面的列阵天线,其占用面积约达两平方公里.此外,巨大的动力卫星需要分成部件运送到太空进行组装;卫星安装后,还需要定期进行保养和检修,这就需要一种像航天飞机一样能往返于地球和太空的运输工具.现在,担负运输任务的航天飞机已奔忙于太空和地球之间,随着航天技术的飞速发展,以及太阳能利用水平的不断提高,科学家们满怀信心地预言、到本世纪末有可能通过航天飞机将第一个大型动力卫星送入轨道,为人类利用太阳能揭开新的篇章.
3.3 魔鬼与天使核能从1954年前苏联建成世界上第一座核电站以来,人类和平利用核能的历史还不到半个世纪;然而、核能的发展却异常迅速.特别是近20年来,它以极大的优势异军突起,成绩卓著,已成为世界能源舞台上一个引人注目的角色.到1991年底,全世界有近30个国家和地区拥有近420座核电站,另有76座正在建设中.我国首座核电站秦山核电站,已于1991年正式投入运行、这标志着我国核能利用已经进入了一个新阶段.目前、核能发电可满足世界电力需要的20%左右.据专家们预计,到2000年全世界核电站的总发电量可达72,000~95,000万千瓦,届时核能发电量将是世界总发电量的30~50.到21世纪中叶,核能将会取代石油等矿物燃料而成为世界各国的主要能源.核能的发展之所以如此迅速,主要是因为它有着显著的优越性:其一、它的能量非常巨大,而且非常集中.其二、运输方便,地区适应性强.有人
曾将核电站与火电站作了个形象的比较:一座20万千瓦的火电站,一天要烧掉3000吨煤,这些燃料需要用100辆铁路货车来运输;而发电能力相同的核电站,一天仅用一公斤铀就行了.这么一点铀燃料只有三个火柴盒那么大,运输起来自然就省力多了,而且可以建在电力消耗大的地方、以减少输电损失和运输费用.其三、储量丰富、用之不尽.核能资源广泛分布在世界的陆地和海洋中.储藏在陆地上的铀矿资源,约990~2410万吨,其中最多的是北美洲,其次是非州和大洋洲.
海洋中的核能资源比陆地上要丰富得多.拿核聚变的重要燃料铀来说,虽然每1000吨海水中才有三克铀、然而海洋里铀的总储量却大得惊人、总共达四十多亿吨,比陆地上已知的铀储量大数千倍.此外,海洋中还有更为丰富的核聚变所用的燃料重水.如果将这些能源开发出来,那么即使全世界的能量消耗比现在增加100倍、也可保证供应人类使用10亿年左右.
从目前情况来看,世界各国的核能发电技术已相当成熟,大量投入使用的单机容量达百万千瓦级的发电机组,使核电站得到了迅速的发展.近十多年来,人们已经成功地研制出能充分利用铀燃料的核反应堆,这就是被称为明天核电站锅炉的快中子增殖核反应堆.这种核反应堆能使核燃料增殖,也就是说,核燃料在这种锅炉里越烧越多.如果能大量使用快中子增殖核反应堆,不仅能使铀资源的有效利用率增大数十倍、而且也将使铀资源本身扩大几百倍.因此,包括我国在内的世界各国,今后将着重发展这种先进的核反应堆以便充分地利用核燃料,提高核电站的经济性.1991年,欧洲联合核聚变实验室首次成功地实现了受控核聚变反应、使人类在核聚变研究方面取得了重大突破,为今后利用储量极为丰富的重水建造核聚变电站打下了初步的基础.另外,近年来在激光核聚变,核电池,太空核电站和海底核电站等研究试验方面也都取得了一定的成果,促进了核能发电技术的进一步提高.
核能对于我国在21世纪的经济发展有着重要的意义.根据中央提出的社会主义现代化经济建设分三步走的战略目标,到下世纪中期,预计我国能源年需求总量为40~50亿吨标准煤.要满足如此大的能源消耗量,除了大力开发包括三峡水电在内的水力资源外,大部分的电力要依靠煤电和核电.一座大型核电站的发电量几乎相当于葛洲坝水电站,因此,发展核电不仅可减少储量已不多的煤炭的消耗,而且可减少环境污染,缓和运煤带来的交通运输紧张状况.核能与核反应堆核能也叫做原子能或原子核能,它是由人眼看不见的小小的原子核内释放出来的巨大能量.一克铀原子核裂变时所放出的能量,相当于燃烧2.5吨煤所得到的热能.这种核能,是核燃料通过核反应堆所产生的.我们都知道,世界上的物质都是由原子构成的,原子由原子核和围绕核旋转的电子组成,原子本身已经很小,而原子核的直径仅仅是原子直径的十万分之一.可是,这么微小的原子核却集中了几乎整个原子的质量.原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的,质子和中子统称为核子.由于质子带一个单位的正电荷,中子不带电,而质子和中子的质量又几乎相等、都等于一个质量单位、所以原子核的电荷数等于它的质子数,原子核的质量数则等于质子数和中子数之和.具有相同质子数的原子,它们原子核外的电子数也相等、因而它们有着相同的化学性质,属于同一种元素,但对于中子数不一样的原子,称为同位素.从上面可以知道,原子核的半径是非常小的,在这样小的原子核内、却拥挤着许多带正电的质子,它们之间必然要产生很大的相互排斥的静电力.
但是,通常的原子核却是很稳定的,原子核内的质子和中子能和平共处,共聚一堂.这是因为除了质子之间相互排斥的静电力外,核内各粒子之间还存在着强大的吸引力、这种吸引力、通常叫做核力.人们通过实验发现,在原子核内的质子和质子之间,中子和中子之间,质子和中子之间都存在着很强的核力.然而、核力只在很短的距离(大约2×10-15米)内起作用,超过了这个距离,核力就迅速降低到零.由于质子和中子的半径大约都为0.8×10-15米,所以质子或中子只跟与它相邻的质子或中子起作用.在原子核内的核子之间存在着十分强大的核力情况下,如果在某种条件下原子核内的质子和中子发生了变化,那么它们之间的核力也会相应地发生改变,并把一部分能量释放出来.这种由核子结合成原子核释放出的能量或者由原子核分解为核子时吸收的能量,称为原子核的结合能或原子核能,也就是我们通常所说的核能.前面我们提到,一克铀原子核裂变时所放出的能量,相当于燃烧2.5吨煤所得到的热能.两者释放的能量之所以相差如此之大,关键在于煤放出来的是化学能,而铀放出来的是原子核能.煤在燃烧时,只是碳原子和氧原子的核外电子进行相互交流、生成二氧化碳分子,这种变化是一种化学变化,所放出的能,就是化学能;而铀放热是原子核内发生了变化.在核反应中、铀原子核分裂成两个较小的原子核、并释放出大量的核能,这也就是核能比化学能大得多的秘密所在.目前、使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来,主要有两种方法:一种是将较重的原子核打碎,使其分裂成两半,同时释放出大量的能量,这种核反应叫核裂变反应、所释放的能量叫做裂变核能.现在各国所建造的核电站,就是采用这种核裂变反应的;用于军事上的、也是核裂变反应产生的结果.第二种方法是,把两种较轻的原子核聚合成一个较重的原子核、同时释放出大量的能量,这种核反应叫核聚变反应、就属于这种核反应.不过它是在极短的一瞬间完成的,人们无法控制.近年来,受控核聚变反应的研究已经使核能控制显露出希望的曙光.核电使用的安全性由于核电技术日趋成熟和它具有突出的优点、加上世界能源供应的紧张形势,使核电得到越来越迅速的发展.法国政府已宣布、今后只建核电站而不再建火电站.到2000年,法国核电站装机容量将占总装机容量的90.
意大利国家电力公司决定,今后几十年内新建电站全部或绝大部分是核电站.一些第三世界国家如印度,阿根廷,巴基斯坦和巴西等国同样对核电很重视,已建成了自己的核电站,其他发展中国家也在加紧筹建核电站.我国自行设计建造的秦山30万千瓦的压水堆核电站已投入运行、在广东省还将引进两座90万千瓦的核反应堆,并决定在华东地区建设大型核电站.然而、在这大力发展核电站热潮的背后,却有不少人对核电站的发展担心、特别是1979年3月美国三里岛核电站和1986年4月前苏联切尔诺贝利核电站发生事故以来,已经引起世界各国的关注,人们担心这个核老虎会伤人.其实,核能是种安全,清洁的新能源.从第一座核电站建成以来,全世界已投入运行的核电站已近450座,三十多年来基本上是安全正常的.
核电站对环境的污染也比火电站小得多.火电站在工作时,它肚子里存不住东西,不断向大气里排放大量的二氧化硫和一氧化氮等有害物质,而且煤里的少量铀、钍和镭等放射性物质也会随着烟尘飘落到火电站的周围,污染环境、影响人们健康.核电站就不同了,它肚子里的脏东西由于设置了层层屏障而被严严实实地包在里面,基本上不排放污染环境的物质,就是放射性污染也比烧煤电站少得多.据统计,一座100万千瓦的烧煤电站通过烟囱排放的放射物质剂量比核电站大三倍左右.实际上,核电站正常运行时,一年给居民带来的放射性影响、还不到一次X光透视所受的剂量,所以不会对人体造成损害.为了防止核反应堆里的放射性物质泄露出来,人们给核电站设置了四道
屏障:一是对核燃料芯块进行处理,拔掉它的核牙齿.现在的核反应堆都采用耐高温,耐腐蚀的二氧化铀陶瓷型核燃料芯块,并经烧结,磨光后,能保留住98%以上的放射性物质不泄露出去;二是用锆合金制作包壳管.将二氧化铀陶瓷型芯块装进管内、叠垒起来,就成了.这种用锆合金或不锈钢制成的包壳管,能保证在长期使用中不使放射性裂变物质逸出、而且一旦管壳破损能够及时发现,以便采取必要的措施;三是将封闭在严密的压力容器中.这样,即使堆芯中有1%的核燃料元件发生破坏,放射性物质也不会泄露出来;四是把压力容器放在安全壳厂房内.通常、核电站的厂房均采用双层壳件结构,对放射性物质有很强的防护作用.万一放射性物质从堆内泄露出去,有这道屏障阻挡,就会使人体免受伤害.事实证明,核电站的这些屏障是十分可靠和有效的,即使像美国三里岛核电站那样大的事故、也没有对环境和居民造成危害.核电与其他能源相比、也是最安全的能源之一.有人将核能与煤,石油、天然气、风,太阳能等能源单位输出能量造成的总危险性进行了比较、发现天然气发电的危险性最低,其次是核电站,第三位是海洋温差发电.其他大多数能源都有较大的危险性,其中煤和石油的危险性约为天然气的400倍.
一些新能源如风能,太阳能等之所以危险性较大,是因为它们的单位能量输出需要大量的材料和劳动.风能和太阳能是发散性的能,很微弱,要积聚大量的能量就需要相当大的收集系统和储存系统.根据计算表明,天然气发电需要的材料最少,建造的时间也最短;风能发电需要的材料最多,而太阳能电站需要建造的时间最长.由于需要大量的材料和很长的建造时间,就意味着要进行开采,运输,加工和建造等大量的工业活动.而每种工业活动都有一定的危险性,将所有的危险性加起来,其总危险性自然就相当大了.
综合上述可以看出、与人们的直观感觉正相反、太阳能,风能和常规能源中的煤,石油等的总危险性都是很高的,而许多人担心的核电站的总危险性却低得多.因此,使用核电站是非常安全的,这已为多年的使用实践所证明.海底核电站海底核电站是人们随着海洋石油开采不断向深海海底发展而提出的一项大胆设想.实际上,本世纪70年代初期,独特新颖的海底核电站的蓝图已经绘制出来.此后,世界上不少国家都在积极地进行研究和实验、提出了各种设计方案.在勘探和开采深海海底的石油和天然气时,需要陆地上的发电站向海洋采油平台远距离供电.为此,就要通过很长的海底电缆将电输送出去.这不仅技术上要求很高,而且要花费大量的资金.如果在采油平台的海底附近建造海底核电站,就可轻而易举地将富足的电力送往采油平台,而且还可以为其他远洋作业设施提供廉价的电源.海底核电站在原理上和陆地上的核电站基本相同、都是利用核燃料在裂变过程中产生的热量将冷却的水加热、使它变成高压蒸汽,再去推动汽轮发电机组发电.但是,海底核电站的工作条件要比陆地上的核电站苛刻得多.
首先,海底核电站的所有零,部件要能承受几百米深的海水所施加的巨大压力;二是要求所有设备密封性好,达到滴水不漏的程度;三是各种设备和零,部件都要具有较好的耐海水腐蚀的性能.因此,海底核电站所用的反应堆都是安装在耐压的堆舱里、汽轮发电机则密封在耐压舱内、而堆舱和耐压舱都固定在一个大的平台上.为了安装方便,海底核电站可在海面上进行安装.安装完工后,将整个核电站和固定平台一起沉入海底,座落在预先铺好的海底地基上.当核电站在海底连续运行数年以后,像潜水艇一样可将它浮出海面,以便由海轮拖到附近海滨基地进行检修和更换堆料.人们预计,随着海洋资源特别是海底石油和天然气的开发,将进一步促进海底核电站的研究与进展.在不久的将来,这种建造在海底的特殊核电站就会正式问世.海上核电站在海上建造核电站,有其独特的优点.其一、核电站的造价要比陆地上的造价低,这一点很吸引人、因为在同样的投资条件下可以建造更多的海上核电站;其二、在选择核电站站址时,不像陆地上那样要考虑地震,地质等条件,以及是否在居民稠密区等各种情况的影响、因而选择的余地大;其三、海上的工作条件几乎到处都一样.不存在陆地上那种因地而异的种种问题.这样,就可以使整个核电站像加工产品一样,按标准化要求以流水线作业方式进行制造,从而简化了生产过程,便于生产和使用,可大大降低制造成本,缩短建造周期.由于人们对海上核电站的安全性等问题的看法不同、所以海上核电站虽然有许多特长但仍然没有得到迅速的发展和应用.有人可能担心海上核电站的安全问题,认为核反应堆会将放射性的物质排入海水,影响水中生物和人类的生存与安全.其实,这种忧虑完全是多余的,因为海上核电站和陆地上的核电站一样,都有专门处理废水,废料的措施和方法,绝不会把带放射性物质的废水直接排放到海水中.从世界上第一座核电站的建立到现在,几十年的实践证明,核电站是很安全的,没有出现过类似的污染现象.而且与人们担心的情况相反、由于海上核电站建有较高大的防波堤,能引来鱼,虾的回游、对于海洋生物的养殖和捕捞非常有好处.
目前、人们已对这种优点突出的海上核电站发生了浓厚的兴趣,特别是象英国,日本,新西兰等岛国,陆地面积小,适宜建造核电站的地方少,但海岸线却很长,就可以充分利用这一优势,大力发展海上核电站.在太空中建立核电站人们已经在陆地上建造了几百座核电站,后来又计划在海上和海底建核电站,接着又将核反应堆搬上太空、建立起太空核电站.早在1965年,美国就发射了一颗装有核反应堆的人造卫星.1978年1月,前苏联军用卫星宇宙254号也装有核反应堆,因控制机构失灵而坠入大气层,变成许多小碎片,散落在加拿大的西北部地区.由于碎片会污染环境、影响人体健康和生物的生存,加拿大政府就此事向前苏联提出,并要求赔偿损失.人们由这一事件开始知道,核反应堆已在超级大国的空间争夺战中开始发挥重要作用.将核反应堆装在卫星上,主要因它重量轻,性能可靠,而且使用寿命长,成本较低.在人造卫星上通常都装有各种电子设备,包括电子计算机、自动控制装置,通信联络机构,电视摄象机和发送系统等、需要大量使用可靠的电能.
对于用来探测火星,木星等星体的星际飞行器,配备的电子设备就更多更复杂,而且来回航程要几年到十几年,在此期间,还要与地球保持不断的联系.
因此,这种太空飞行器上所用的电源,要求容量更大,性能更加可靠.
起初、人们在卫星和太空飞行器上使用燃料电池,这种电池虽然工作稳定可靠,能提供所需要的电能,但它的成本高,使用寿命较短、不能满足长期使用的需用.后来,人们又采用太阳能电站作为卫星和太空飞行器的电源,然而、当卫星运行到地球背面或具有漫长黑夜的月球上(一个月夜相当于地球上的14个昼夜),或者向远离太阳的其他行星飞行过程中、太阳能电池就根本无法工作.此外,即使在有阳光的条件下使用太阳能电池,当需要提供大容量的电能时,仅电池的集光板就大到上千平方米,这在太空飞行中显然是难以做到的.人们最后终于找到了比较理想的卫星和太空飞行器用的电源空间核反应堆.在采用核反应堆作为太空飞行器电源之前、还广泛使用了核电池.直到现在,一些太空飞行器还广泛采用这种核电源.核电池的使用寿命一般可达5~10年以上,电容量可达几十至上百瓦.然而、它的电容量与太空核反应堆比起来就显得微不足道了.太空核反应堆的电容量可达几百瓦至几千瓦,甚至可高达百万瓦.这样,对于要求电源容量越来越大的一些太空飞行器来说,就理所当然地选用核反应堆作为电源了.太空核反应堆在工作原理上与陆地上的基本一样,只是前者由于在太空飞行中使用,要求反应堆体积小,轻便实用.实际上,太空核反应堆不仅可用作太空飞行器和卫星的主要电源,而且还是未来用于考察和开采月球矿藏的理想电源.
3.4 前景诱人的海洋能辽阔浩瀚的海洋,不仅使人心旷神怡,而且使人迷恋和陶醉.然而、大海最诱人的地方、还在于它蕴藏着极为丰富的自然资源和巨大的可再生能源.那波涛汹涌的海浪;一涨一落的潮汐;循环不息的海流;不同深度的水温;河海水交汇处的盐度差,都具有可以利用的巨大能量.另外,从占地球表面积约70%的海水中、还可以取得丰富的热核燃料和氢.海洋能主要来源于太阳能.它的分布地域广阔、能量比较稳定,而且变化有一定规律,可以准确预测.例如,海水温差和海流随季节而变化,而潮汐的变化则具有一定的周期性.目前、世界各国有关海洋能源的研究和利用还处于初始阶段,因而海洋能属于有待开发利用的新能源.其中、对于潮汐能的开发技术比较成熟,已进入技术经济评价和工程规划阶段;波浪能的利用处于试验研究阶段;海洋热能的利用正在进行工程性研究;海流和盐度差能的利用,仅处于原理研究阶段.我国海洋能资源非常丰富、而且开发利用的前景十分广阔.全国海岸线长达一万八千多公里、还有五千多个岛屿,其海岸线长约一万四千多公里、整个海域达490万平方公里.如果将我国的海洋能资源转换为有用的动力值,至少可达1.5亿千瓦,相当于目前我国电力总装机容量的两倍多.在海洋能的开发利用方面,当前我国还仅仅处于起步阶段,一些沿海地区先后研制成了各种试验性的发电装置,并建成了试验性的潮汐电站,为今后进一步开发利用海洋能源打下了初步的基础.全世界海洋能的总储量,约为全球每年耗能量的几百倍甚至几千倍.这种海洋能是取之不尽,用之不竭的新能源.在不远的将来,海洋能在造福于人类方面,将发挥巨大而重要的作用.海洋潮汐发电你听说过吗大海也会进行呼吸.那一望无际、水天相连的海面上,万顷波涛汹涌、巨浪此起彼伏.奔腾不息的海水,时而拍打海岸、激起雪白的浪花;时而又远离海岸、露出大片的海滩.海水这种按一定时间作有规律的涨落活动,就好像海洋在有节奏地进行呼吸、这就是人们常说的潮汐现象.海洋的潮汐,是由

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