热能与动力工程导论课件.ppt

内燃机部分 张文孝 2003年10月 热能与动力工程导论 热能与动力工程所包含的领域 蒸汽机 锅炉 火车 汽轮机与水力发电厂 燃气轮机与热力发电厂 流体机械 内燃机 汽车 涡轮机 蒸汽透平 船舶辅助机械 船舶动力装置 船舶电气设备与系统 核反应堆 核电站 制冷与空调 能源工程与新能源 主要内容 船舶柴油机简介内燃机技术的诞生 发展与趋势国内外内燃机主要企业国内内燃机主要研究机构内燃机技术专题燃气轮机简介论文写作格式与要求新能源技术简介 学习要求 讲授4学时写2000字左右的论文一篇 亦可选其它部分内容 A4纸打印 船舶柴油机的最新发展技术综述 现代轿车新技术综述 汽车排放与环境 汽车节能与能源危机 参考题目 内燃机技术的诞生 发展与趋势 内燃机的诞生 内燃机技术发展的两次飞跃 内燃机今后的发展趋势 内燃机的诞生 1860年 莱诺依尔 J J E Lenoir 首先发明了一种大气压力式内燃机 煤气和空气在活塞的上半个行程被吸入气缸 然后被火花点燃 后半个行程为膨胀行程 燃烧的煤气推动活塞下行膨胀做功 热效率 5 最大功率4 5kw 1867年 奥托 NicolausA Otto 和浪琴 EugenLangen 发明了更成功的大气压力式内燃机 热效率达11 内燃机的诞生 1876年 奥托又提出了一种四冲程循环的内燃机 使热效率提高到14 而质量减少了近70 1890年 英国的克拉克 DugaldClerk 罗伯逊 JamesRobson 和德国的卡尔 奔驰 KarlBenz 发明了二冲程内燃机 1892年 德国工程师鲁道夫 狄塞尔 LudolfDiesel 提出了柴油机的专利 并在5年后变成了现实 1957年 由汪克尔发明了转子发动机 赛车上用 燃料的发展也促进了内燃机的一步步发展 内燃机技术发展的两次飞跃 50年代的增压技术70年代的电子与计算机技术 内燃机今后的发展趋势 能源工程 节能环境工程 改善排放 具体有如下发展方向 多气门可变进气系统 进气道设计 电子控制燃油喷射技术 电控点火定时与爆燃控制 电控EGR技术 增压技术 汽油机稀燃 速燃技术 汽油机缸内喷射分层燃烧技术 代用燃料 排气后处理技术 柴油机的直喷化 米勒循环发动机 陶瓷材料 CAD技术 混合电动汽车 燃烧室 内燃机今后的发展趋势 内燃机产业关键技术分析 内燃机工程1999年第2期 上海内燃机研究所翁祖亮对 十五 规划期间我国应优先发展的9类内燃机关键技术进行了分析 并提出了各类技术应研究的主要内容及目标建议 1 内燃机现代设计技术借助计算机分析设计方法设内燃机设计优化 借助软 硬件支撑使设计工作更快 更准确 设计文件通过计算机网络使各项计算分析工作和各种零部件设计平行进行 从而缩短设计过程 还可以利用各种快速成型技术 直接由计算机辅助设计 CAD 制成零件样品和加工工具 现代设计技术的应用使研制阶段所需进行的修改工作大大减少 1 计算机辅助设计 CAD 2 快速成型技术 3 有限元分析 4 可靠性分析 5 发动机循环模拟 6 计算流体动力学 CFD 7 磨损预测 8 轴承轨迹分析 9 运动学和动力学分析 内燃机今后的发展趋势 2 车用柴油机废气净化技术柴油机是经济性最好的热能动力机械 广泛用于国民经济的各个领域 但是在柴油机气缸内燃烧所产生的HC CO NOx和颗粒物PM等有害排放物 已成为城市大气的主要污染源 通过采用机内和机外净化技术措施 使车用柴油机有害废气排放减少到国家排放法规要求的水平 国外现在控制柴油机有害排放物的重要技术 1 降低NOx的技术 2 减少HC排放的技术 3 减少PM排放的技术 4 达到极低排放值时需采取的措施 5 机外净化措施主要研究内容及目标 1 柴油机排放生成机理和控制技术的研究 2 高压喷射技术的研究 3 高速直喷燃烧技术的研究 4 涡轮增压和中冷技术的研究 5 电控技术的研究 6 多气门 顶置凸轮配气系统的研究 7 低硫分柴油的开发 8 机外净化措施的研究目标是在2000年使我国车用柴油机达到欧洲I号排放法规的要求 在2005年达到欧II排放法规的要求 内燃机今后的发展趋势 3 车用发动机增压技术涡轮增压技术是通过涡轮增压器提高进气密度可以全面改善发动机的动力性 经济性以及排放指标等综合性能 给内燃机发展注入强劲动力 被誉为内燃机发展史上的一个里程碑 4 气体燃料内燃机技术5 车用柴油机电控技术6 柴油机共轨式喷油技术7 多气门和顶置凸轮轴技术8 内燃机噪声控制技术9 汽油喷射技术 内燃机今后的发展趋势 国际汽车界看好中国内燃机市场姜微2001 05 1009 11 45美国福特汽车公司专家吉姆 克拉克在今天开幕的中国国际内燃机及制造技术研讨暨展览会上说 中国汽车工业巨大的市场潜力 将极大地拉动内燃机产业的发展 并将加速提高中国汽车工业和内燃机制造业的技术水平 现任福特公司研究实验室动力工程部主任的克拉克认为 随着中国汽车需求的持续增长 中国的内燃机工业面临着前所未有的发展机遇 据悉 美国等发达国家已决定自二 四年起实施新的尾气排放标准 重新划定轿车 轻型卡车 重型货车和柴油发动机汽车等的尾气排放限额 届时轿车的排放将比现有标准再降低百分之七十 目前 各汽车厂商除了寻找新的可替代能源外 更多地把突破的重点放在发动机性能的改善上 研讨会上 来自德国大众 沃尔沃 博世等著名汽车及零部件企业的专家分别作了世界内燃机发展趋势对中国汽车工业的影响 未来十年的内燃机先进技术 现代柴油喷射技术等专题报告 专家一致认为 中国内燃机工业有望与汽车行业同步实现发展和提高 内燃机今后的发展趋势 过去一年中 中国汽车用柴油机 汽油机增势明显 内燃机总产量达一百八十一点五万台 销售为一百零一点二六万台 均达到了两位数以上的增幅 专家预测 今年中国汽车市场总需求将达到二百三十七万辆左右 中国内燃机市场的需求也将呈现较大的增长 美国西南研究院发动机部总监罗赫特 费歇说 中国政府对环保的要求及新排放标准的实施 新能源的不断开发和应用 将对中国内燃机工业实施 绿色动力 的目标产生深远影响 这使中国汽车工业中的发动机市场 日益成为全球汽车制造商关注的焦点 福特 德国大众 上汽 一汽等百余家汽车企业的组团参展并洽谈 显示了这些企业对汽车动力及其技术性能的关注 以及对中国汽车市场的信心 内燃机今后的发展趋势 10年内 汽车动力将发生新的技术革命中国汽车工程学会名誉理事长张兴业访谈录当前 我们正处在一个创新的时代 以电子和信息技术为核心的汽车工业技术革新 技术发明层出不穷 日前 张兴业理事长在中国汽车工程学会举办的汽车技术年会上指出 预计在21世纪第一个十年内 世界汽车业的科技进步将由量变到质变 发生新的技术革命 那时 人们看到的技术创新将比过去100年还要多 内燃机今后的发展趋势 节能和环保推动汽车技术创新目前 世界各国都把节约燃料和降低排放作为研究的重点并取得令世人注目的成绩 德国将在2005年生产百公里油耗仅1升的经济型轿车 届时 欧洲将执行欧IV标准 HC NOx PM是现行的1 5 美国将执行Tier2标准 达到ULEV 加州从2003年起 提高零排放和接近零排放标准车的比重 因此可以预言 未来的10年中 现代小型直喷柴油机 混合动力驱动系统 氢燃料电池和复合火花点火汽油机将成为世界汽车技术研究的主要对象 内燃机今后的发展趋势 计算机控制技术的创新将引起汽车结构的重大变化张兴业在谈到未来世界汽车工业的技术革命时指出 快速作用的 以传感器为基础的计算机控制的发动机 变速箱 制动及转向 将引起汽车结构的重大变化 他说 SiemensVDO汽车公司提供给 宝马 的电子气门机构 能够连续改变进气门升程 从0 3 9 7mm 可以分别适应怠速 减速和全负荷运转等各种工况 特别在低速时消除节气门 可降低泵气损失 增加发动机的效率 VDO供应的电子气门控制器与40 MHz 32 bit发动机的主计算机形成网络 可以在0 3秒内改变气门升程从最小到最大 以及一系列的发动机控制系统 并且还与其他控制系统连接在一起 形成总线 CAN 控制 这种线控制系统已开始在生产中采用 并实现了制动的智能化 国外内燃机主要企业 宝马欧宝福特大众现代本田凌志奥迪尼桑林肯马自达保时捷通用克莱斯勒劳斯莱斯蓝波基尼古典野马底特律柴油机公司康明斯发动机卡特批勒泰勒达因 大陆发动机公司日本电装公司日本KKK京都陶瓷英国Lucas德国MTU德国曼海母德国Deutz瑞典苏尔寿英国罗尔斯 罗依斯发动机公司日本三菱公司法国Uni 国内内燃机主要企业1 国内内燃机主要企业2 国内内燃机研究机构 国内内燃机高校名录 内燃机技术专题 陶瓷发动机 空气发动机 永动机 天然气汽车 电动汽车 声能发动机 内燃机零部件强度研究 声能发动机 美国科研人员正在设法用声音来启动发动机 新墨西哥州洛斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研小组已经研制出有利于环境保护 没有运转部件 靠声能发动的发动机 这种名为 热声学斯特令热发动机 的新型发动机是用钢做的管道制成的 成本较低 有一个长的 棒球棍状的共振器与一个椭圆形的容器组成 没有把柄 发动机内盛有经过压缩的氦 当氦被加热时 就会产生声波 形成声能 这种声能可以启动活塞 产生电力 洛斯阿拉斯莫斯国家实验室的科研人员正在试用相同的方法为电冰箱制冷 声能发动机的发明者之一称 常规的发动机受热力学及发动机复杂性的限制 典型的 最有效的发动机是用于发电站的 巨大的涡轮机 而现在由他们研制成功的小型声能发动机比最大型的 最有效的涡轮机的效力大10 这主要得益于声能发动机的简便 没有运转部件 不必维护 内燃机零部件强度研究 随着柴油机强化程度的不断提高 其主要零部件的强度问题日益突出 直接影响到了整机的工作可靠性与寿命 因此 零部件的结构强度和寿命评价问题成为现代柴油机研制的关键之一 以活塞为例 活塞是柴油机中工作条件较为恶劣的零件之一 同时承受着较大的机械负荷和热负荷 对柴油机工作可靠性与使用寿命有很大的影响 柴油机的 起动 停车 过程可以看作是一次低周疲劳过程 由它所造成的损伤最为严重 强度分析可以归结为预测低周疲劳寿命 本文以6110型柴油机活塞为例 探讨了低周疲劳寿命的评价方法 内燃机零部件强度研究 一 用软件进行有限元网格划分ADINAT ADINA SAP PRO ENGINEERING FATIGUE等ADINAT是AutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysisofTemperature的缩写 可用来求解工程中各种场的问题 该程序可实现稳态解和瞬态解 可实现线性和非线性解 本研究是求解活塞的三维稳态非线性解 其导热系数是随温度变化的 ADINA是AutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysis的缩写 是对固体 结构及结构 流体系统作静 动位移和应力应变分析的一个计算机程序 它能用来执行线性和非线性分析 并且包含10种单元类型和7种材料模式 即硬化模型和本构关系 ADINA是一个芯外存贮的解题程序 其平衡方程是按块处理的 因此 它可以求解很大的有限元系统 内燃机零部件强度研究 二 求解温度场1 温度波形和机械载荷波形由于 起动 停车 是一次低周疲劳过程 造成的损伤最为严重 因此在分析寿命时采用三角波形 见图 其中 i代表活塞稳定运转时网格单元节点i的温度 p为作用在活塞顶和环槽上的燃气压力 t代表时间 由于 停车 状态活塞处于常温 取为50 且不受载 燃气压力为零 起动 后稳定运转时活塞的温度分布为 i且承受一定的燃气压力p 为负值 因此 图中基本上反映了活塞的实际最大受载状况 内燃机零部件强度研究 二 求解温度场2 温度场计算利用ADINAT有限元程序和热边界条件计算出了活塞三维稳定温度场 即求出了波形图中的 i 热边界条件按如下方法求出 先按有关经验公式求出活塞边界周围介质温度和边界表面的换热系数 用ADINAT有限元程序进行温度场解析 然后用一些特征点的实测温度与计算温度对比 再修正和调节边界条件重新进行温度场求解 在与实测值对比 如此反复进行 直到计算的温度分布中一些特征点的温度值与实测值一致为止 用这种方法求出的换热系数均在历来的文献中所指出的数值范围内 也说明物理上是正确的 内燃机零部件强度研究 三 求解应力应变场根据有限元分析模型和计算的活塞稳定温度场 采用ADINA有限元程序计算了活塞的三维循环应力及应变场 得到了空间分布的应力和应变分量 应变分量包括弹性 塑性和蠕变 为了进行模拟试验和寿命评价 根据高温强度理论 3 分析了VonMises当量应力 eq 和当量应变 eq 分布 其计算公式为 1 2 内燃机零部件强度研究 四 试件模拟实验与分析1 试验条件和方法为了分析活塞的低周疲劳强度和评价寿命 进行了试件疲劳寿命模拟试验 试验材料选用铝合金 与活塞材料性能完全相同 试件结构见下图 采用带缺口的圆柱形试件是模拟活塞的三维应力应变分布状态 使之在单向加载条件下能产生复杂的三维应力状态 并且避免使用造价昻贵的多轴试验机 采用5种不同缺口型式的试件 用以考察结构和尺寸对寿命评价方法的影响 试验是在电液伺服式热疲劳试验机上进行的 采用高温炉式加热 控制方式为轴向应变控制 试件标定段的应变范围称为加载应变范围 t 应变波形为拉伸 压缩双振幅应变波形 根据柴油机 起动 停车 波形和活塞温度场 应进行热机械疲劳模拟试验 考虑到热机械疲劳试验的费用较大 同时根据高温强度理论可以用当量温度下的定温低周疲劳代替热机械疲劳 而当量温度的计算依据之一即是上下限温度的平均值 据此 进行了温度为300 活塞顶部温度分布的平均值 的定温低周疲劳模拟试验 破坏寿命Nf定义为应力范围 减小到最大值的25 时的循环数 此时试件缺口表面已出现裂纹 认为试件已破坏 内燃机零部件强度研究 四 试件模拟实验与分析2 试件与结果根据试验数据 将各试件的疲劳破坏寿命Nf与加载应变范围 t的对应关系整理在双对数坐标系中 如下图所示 可见 不同的缺口型式其 t Nf关系曲线均不相同 说明用加载应变范围 t表征疲劳破坏寿命Nf时与试件的缺口型式有关 另外 试件在达到本文定义的破坏寿命时停止实验 然后将试件拉断 从中央横断口可以看出 裂纹已在缺口表面产生并扩展 裂纹发生点位于试件横断面积最小 即中央横断面 的缺口根部 由图还可看出 当加载应变范围 t相同时 缺口角 越大的试件其破坏寿命Nf越低 内燃机零部件强度研究 四 试件模拟实验与分析2 实验结果 360 240 180 120 60 t Nf 次 内燃机零部件强度研究 五 寿命评价方法1 试件应力应变分析根据对称性 取试件的二分之一结构进行网格划分 划分的结果如图所示 根据有限元网格模型 利用ADINA程序计算了5种试件在不同的加载应变范围下的三维循环应力 应变场 得到了空间分布的应力应变分量 应用式 1 和 2 可计算出当量应力和当量应变 利用ADINA程序的后处理程序可以分析试件表面和剖面的应力分量 应变分量及当量应力应变的分布情况 从而分析整个试件的受力情况 找出危险点即裂纹发生点 分析结果表明 试件中央横剖面 该剖面的截面积最小 的缺口根部的当量应力和当量应变值最大 也与试验结果中的裂纹发生部位一致 因此可通过当量应力和当量应变值的大小判断危险点 同时用当量应力和当量应变值可进行寿命预测 内燃机零部件强度研究 五 寿命评价方法2 试件网格划分 内燃机零部件强度研究 五 寿命评价方法3 多维疲劳寿命评价方法通常对多维低周疲劳寿命预测采用当量应变范围方法 即 eq法 由下式计算 eq 2 eq max 3 式中 eq max为试件在最大加载应变时中央横剖面的缺口根部的最大当量应变 对零部件来说为危险点的当量应变 将 eq与模拟试验测得的寿命 f的关系整理在双对数坐标系中 见下图 可以发现二者成直线关系且收敛得很理想 说明 eq f的关系不受试件结构和尺寸的影响 当量应变范围可以用来评价多维低周疲劳寿命并可进行工程应用 通过最小二乘法对下图的曲线进行回归 可得出铝合金材料试件在300 下的低周疲劳寿命评价方程 eq f1 070 61 803 4 内燃机零部件强度研究 五 寿命评价方法4 评价结果图 360 240 180 120 60 t Nf 次 内燃机零部件强度研究 六 活塞低周疲劳寿命预测1 预测结果如上所述 试件危险点的当量应变范围 eq与断裂寿命 f的拟合曲线关系不受试件结构和尺寸的影响 因此可用当量应变范围来评价相同材料的活塞的疲劳寿命 根据6110型柴油机活塞危险点的当量应变范围 由式 3 知 eq 1 14 和上述铝合金材料试件的寿命评价方程即式 4 预测出了活塞的疲劳寿命 结果为 f 3089 次 2 预测结果分析根据预测结果 为保证安全 6110型柴油机活塞的疲劳寿命约为3000次循环 也就是该柴油机的许用 起动 停车 次数为3000次 这也符合我国发动机热冲击实验规范中的规定值 因此 本文的分析和模拟试验为替代热冲击实验提供了一种途径 同时也说明本文的研究方法是合理的 可行的 燃气轮机简介 燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机 它的结构与飞机喷气式发动机一致 也类似蒸汽轮机 主要结构有三部分 1 燃气轮机 透平或动力涡轮 2 压气机 空气压缩机 3 燃烧室 其工作原理为 叶轮式压缩机从外部吸收空气 压缩后送入燃烧室 同时燃料 气体或液体燃料 也喷入燃烧室与高温压缩空气混合 在定压下进行燃烧 生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工 推动动力叶片高速旋转 乏气排入大气中或再加利用 燃气轮机具有效率高 功率大 体积小 投资省 运行成本低和寿命周期较长等优点 主要用于发电 交通和工业动力 燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机 轻型燃气轮机为航空发动机的转型 如LM6000PC和FT8燃气轮机 其优势在于装机快 体积小 启动快 简单循环效率高 主要用于电力调峰 船舶动力 重型燃气轮机为工业型燃机 如GT26和PG6561B等燃气轮机 其优势为运行可靠 排烟温度高 联合循环组合效率高 主要用于联合循环发电 热电联产 论文写作格式与要求 题目 自拟 作者姓名所在班级 大连水产学院机械工程学院热动2003 1班 摘要 100字以内 关键词 3 5个 1 引言2 分题目13 分题目2 6 结论7 参考文献 1 李文 船舶柴油机的发展趋势 内燃机工程 2002 3 1 23 55 英文题目 作者 学校院班级AbstractKeyWords 2000字左右 A4纸打印稿 课程结束后交院办公室 新能源技术简介 人类生活在一个能源世界里 人类的衣 食 住 行 哪一项也离不开能源 可以说 没有能源就没有人类的一切 但有限的能源储量已无法满足人类日益增长的需求 随着经济的发展和能源消耗量的大幅度增长 能源供应不足的矛盾将会日益突出 更使人们感到不安的是 人类所消耗的碳载体矿物燃料 每年向大气排放的二氧化碳达210亿吨 并呈上升趋势 而且还伴随有其他有毒物质 给人类的生存环境带来了巨大的灾难 面对能源供应紧张和生态环境破坏等情况 充分利用现有的传统能源 研究节能新技术 积极开发新能源 以及研究能源与环境的关系等 已成为世界各国面临的亟待解决的课题 新能源技术简介 据预测 我国2010年石油需求量约2 5亿吨 而我国石油工业在进入90年代以后 老油区稳产难度增大 新油区上产不到位 且石油资源形势严峻 出现了可采储量入不敷出 增产幅度不大的形势 我国已由石油输出国转变为进口国 到2010年 我国的石油缺口将近1亿吨 随着国民经济的持续快速稳定发展 我国能源需求与供应的紧张矛盾将长期存在 同时我国能源储量的人均占有量也远低于世界上人均占有量 因此 我国应从保障21世纪经济可持续发展的战略角度出发 全面规划能源政策 传统能源与新能源 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大类 通常 将技术上比较成熟和使用比较普遍的能源称为常规能源 如石油 天然气 煤炭 水力能等 而新近才利用的或正在开发研究的能源称为新能源 如太阳能 核能 风能 沼气 氢能 海洋能 地热能 电磁能等 常规能源和新能源是相对而言的 一些新能源将随着科学技术的发展而逐渐变成常规能源 如美 法等一些核电应用普遍的国家 目前已将通常作为新能源的核能定为常规能源 为了迎接能源的挑战 人们应用现代高新技术对新能源进行开发利用已取得重要成果 有的还获得了突破 使新能源的研究开发进入了一个新阶段 新能源的迅速崛起 1 核能研究和利用获得重大进展目前 世界上几十个国家已建成和正在建设的核电站约500座 核电可满足世界电力需求的20 左右 核能开发利用已成为世界各国21世纪能源战略的发展重点 快中子增殖反应堆作为第二代核电站的主要堆型 现在已成为各国建造电站优先选用的先进核反应堆 我国也在研究开发先进的 快堆 技术 计划于2000年前后建成2万千瓦功率的实验 快堆 为21世纪核能利用和发展打下基础 更令人鼓舞的是 人们渴望实现的可控核聚变已显露出希望的曙光 1993年12月10日 普林斯顿大学等离子体物理实验室继1991年欧洲联合核聚变实验室首次可控核聚变试验之后再次成功地进行了试验 试验产生了相当于5 6兆瓦的聚变能量 人类实现解决能源问题的理想又向前迈出了一大步 到21世纪中叶 人类所用的电除了来自 火电站 水电站 耳熟能详的将是 聚变能电站 受控聚变反应堆核电站 这是原中国核工业总公司科技局副总工程师冯运昌和核工业西南物理研究院石秉仁研究员等专家 对21世纪人类新能源的一个大胆预测 新能源的迅速崛起 1 核能研究和利用获得重大进展 1 火力发电使用的石油和天然气经长期消耗 会越来越少 据估计 已经探明的石油和天然气储量可能在今后的几十年内耗尽 水力 太阳能 风能等能源 由于受气候及自然环境的影响 只能解决部分地区的需求 而且开发起来也受到技术和环境的制约 新能源的迅速崛起 1 核能研究和利用获得重大进展 2 目前 最有希望的新能源是核能从理论上讲 核能有两种 裂变核能和聚变核能 可开发的核裂变燃料资源可使用上千年 核聚变资源可使用几亿年 新能源的迅速崛起 1 核能研究和利用获得重大进展 3 聚变能电站以氢的两种同位素氘和氚作为燃料氘是天然同位素 在海水中含量极为丰富 其潜在储能可供人类使用几亿年 可谓取之不尽用之不竭 氚在自然界中不存在 需从裂变反应堆中生产 但这种方法成本昂贵 如果利用氚聚变反应中产生的快中子与锂的反应 就可以 就地 再生氚 所以实际消耗的燃料是锂 锂在自然界中的储量相当丰富 我国目前锂的探明储量居世界第一位 可供聚变使用上万年 除了燃料丰富这个优点外 石秉仁研究员说 聚变能还有几个特点 燃料价格低廉 聚变核电站是一次性投资 燃料费用约占1 左右 与裂变核电站相比 聚变核电站的燃料几乎是不花什么钱的 不污染环境 运行安全可靠 聚变和裂变相比 其放射性是微乎其微的 它还消化裂变的污染源 几乎没有废料 可直接转化成电能等 专家说它是人类最理想的能源 新能源的迅速崛起 月球可助人类克服能源危机 来自月球的 原料 众所周知 用核反应堆获得电力的方法常常产生大量放射性废料 废料的处理是个大问题 而且铀的储量远不是无止境的 目前正加速发展的利用重氢和超重氢反应的热核反应堆也遇到某些困难 在这种反应堆中形成了非常强大的中子辐射 这意味着使用这些材料的反应堆也存在放射性问题 另一途径是 可以建立使用 氦 3 同位素的热核反应堆 在这种反应堆中没有中子辐射 也意味着没有放射性污染 不会给环境造成危害 新能源的迅速崛起 月球可助人类克服能源危机 来自月球的 原料 但地球上 氦 3 同位素的储量不大 无法大量生产能源 自动飞行器和登上月球的美国宇航员获取的资料表明 月球上具有足够的 氦 3 这种地球上稀有的元素在月球表面的尘埃中多达百万吨以上 据库尔恰托夫研究所首席专家尤里 斯米尔诺夫介绍 月球上的 氦 3 储量足够人类使用1000年 值得指出的是 科学家对从月球上获取 氦 3 解决地球能源问题的方案进行了经济上的论证 用这种方法获取的每度电的成本完全可以与现行方法竞争 现在 俄罗斯的三大公司 在核研究领域卓有成效的库尔恰托夫研究所 研制太空设备的拉沃奇金科学生产联合公司和太空研究所正与美国威斯康星大学的转专家协作 对这一独特主张进行全面论证 新能源的迅速崛起 月球可助人类克服能源危机 来自月球的 原料 在利用月球上的 氦 3 获取热核能源方案中 目前尚未发现技术上不可克服的难题 科学家计划发射太空飞行器 用其携带的设备收集月球表面的尘埃 从中分离出 氦 3 使其变成液态后带回地球 除了利用月球 原料 之外 不排除今后出现其它更有效的解决未来能源问题的办法 但是 现在就应对地球利用月球上 氦 3 方案进行研究 实践表明 要探索到一种新的能源方案需要50年左右 能源危机迫在眉睫 拖延探索和推广新的有效能源方案将给今后几代地球村民带来麻烦 新能源的迅速崛起 热聚变和冷聚变 虽然大多数物理学家认为不可能实现的冷聚变并没有获得多少研究经费 但是仍然有一小批满怀激情的科学家相信 冷聚变将会成为一种取之不尽的廉价能源 曾经在麻省理工学院和哈佛大学深造的新罕布什尔州康科德科学家叶夫根尼 马洛夫是主张进行冷聚变研究的人士之一 他在谈到创造能源的问题时说 我认为世界上没有免费的午餐 但是 我对新型能源的诞生充满了信心 在这些新型能源中 我有百分之百把握的就是冷聚变 我认为从事这一研究的数百位科学家与我持同样的看法 新能源的迅速崛起 热聚变和冷聚变 虽然犹他大学的物理学家庞斯博士和弗莱希曼博士在10年前宣布的冷聚变研究成果未能得到世人的认可 但是位于厄巴纳 尚佩恩的伊利诺伊大学的核物理学家 电学和计算机工程学教授乔治 米利说 他正在利用一种他认为比庞斯博士和弗莱希曼博士使用的手段 还要奇异 的冷聚变方法制造出可以测量到的能量 他采用的 低能量核反应 方法是将钯 镍 钛和从氢气中提取的质子混合到一起 米利博士说 他计划组建一家公司 以便为他的研究提供资金并开发可以在市场销售的派生产品 为米利博士筹措资金的芝加哥生物物理学家刘易斯 拉森说 他检查了米利博士的研究成果 并决定为之筹集风险资金 他的目标是在3年内使该公司的股票首次公开上市发行 拉森说 米利博士 确实是个天才 米利博士说 他并不期望公众会对他的研究工作给予多大的支持 尽管他确实已经从美国能源部下设的核能研究计划得到了研究经费 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 来自天空的电力 科学家开发利用太空太阳能 主张开发太空太阳能者认为 同卫星通讯一样 将太阳能同太空技术结合的概念使人们可以考虑把太阳能直接传送到地球的某些地区 如发展中国家或孤立的岛屿 这种理论是美丽的 实现或实施这一理论的结果可能导致一场革命 然而实施要面临一些困难 在15年内 这种设想在商业上不会是可行的 太阳能卫星的概念是美国科学家彼得 格拉泽于1968年提出的 美国能源部和航天局在70年代展开了深入研究 随后 由于各种原因 这一工作停顿下来 其中包括在当时冷战仍然盛行的时期 从这一具有军事意义的计划中获取能源的价格过于昂贵 现在 由于人们对温室效应和气候变暖的忧虑 全世界对能源需求的增长和在太阳能及太空领域技术的进展 形势发生了很大的变化 美国航天局近年来已投入大量资金 在许多企业的配合下 从重新开始研究这一课题 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 来自天空的电力 科学家开发利用太空太阳能 目前 一颗太阳能卫星可以提供数兆瓦的电能 这种卫星最先进的设计得到了 太阳能塔 的美名 其构造是一根长柱 四周装有太阳能浓缩器 人们目前正在努力设计一种不需太空运载的原型 也就是说 可通过市场现有的火箭发射 可独自进入轨道 接收太阳能后的下一步是向地球传送 此项试验正在地球上进行 因为这一技术也适用于把能源从地球的一地传送到另一地 收集的太阳能可通过磁控管变成微波射线 经根据传送能源特点该进的天线 直接传送到地球表面 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 来自天空的电力 科学家开发利用太空太阳能 在法国国家航天研究中心的援助下 目前正在印度洋岛屿留尼汪岛上进行最尖端的试验 试图将10千瓦电能传送到距离仅700米但非常难以进入的村庄中 另外 美国航天局正在研究如何把来自太空的电力并入墨西哥韦拉克鲁斯市目前的电力供应网 广泛使用太阳能的关键 在于提高太阳能的转换效率和降低成本 美国波音公司已研制出高性能的串联型太阳能电池 其光电转换效率高达30 左右 澳大利亚利用激光技术制成的太阳能电池 在不聚焦时光电转换效率达24 2 其成本降低到与柴油发电相当 美国研制成的新型太阳能接收器 其热能转换率达90 美国还在莫哈韦沙漠建造世界上设备最先进的太阳能电站 其发电能力达10兆千瓦 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 来自天空的电力 科学家开发利用太空太阳能 科学研究表明 太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦 相当于燃烧90兆吨优质煤的热量 为了利用这些无污染的能源 科学家设计的发电卫星长6公里 宽3公里 可发电5千兆瓦 发电量相当于5个地面核电站 空间发电站利用微波输电系统向地面输送电能 微波通过大气传播损失极小 据测算 在良好的气候条件下 太空束能损失不足2 一旦建成空间电站 人类就可以不断获得能源 地球能源利用将产生革命性变化 21世纪 人类将使用一种取之不竭的无污染新能源 太空束能 束能 是19世纪德国物理学家海因里希 雷茨提出的新概念 意思是 射来的能源 80年代 加拿大科学家成功地研制了人类航空史上第一架束能飞机 它不带任何飞行燃料 利用飞机上的仪器接收地面站定向发出的微波 转化为电能作为飞行动力 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 太阳能传输卫星 太阳能是本世纪70年代的标志之一 尽管这一标志并不十分引人注目 科学家和工程师们如今已经制定出一些利用太阳能的宏伟计划 他们并不是要制造人们比较熟悉的安装在地面的太阳能电池板 而是设想制造出能围绕地球轨道运行或者安装在月球表面 用于输送太阳能的巨型人造卫星 这种卫星可以不断地捕获太阳的能量 并且利用激光或微波将能量输送给地面的接收器 然后再把能量转变成电能 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 太阳能传输卫星 一些人认为 可以在一代人的时间里找到一种可行的方法 马萨诸塞州剑桥的阿瑟 利特尔咨询公司前副总裁彼得 格拉泽是公认的最早提出这种太阳能传输卫星概念的 他说 我们早就在利用许多与太阳能传输卫星有关的技术了 他指出 在能源短缺的日本 科学家前不久发射了一颗试验型微波能量传送卫星 格拉泽博士说 利用太阳能的基本物理学原理已经有一百年的历史了 但是一直很难让非科学界公众接受这一想法 公众担心将太阳能传回地球可能会导致围绕地球运行的 死光 的出现 这种担心变成了推动太阳能传送概念的巨大障碍 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 太阳能传输卫星 波音公司下属的波音幻影工厂 目前正在研究自己的太阳能传送卫星 电气工程师詹姆斯 麦克斯帕登说 这种技术不是科学幻想 目前我们正在努力于此项技术的研究 他说 只要我们进行坚持不懈的努力 就有可能在20年时间里开发出一套可行的系统 前苏联航天机构 设在莫斯科的俄罗斯能源科技生产公司现在是一家商业企业 目前该公司正在试验 阳光反射镜 这种反射镜可以将阳光反射到地球上以便延长农业耕作区的日照时间并为冬季没有阳光照射的北部城市提供照明 去年2月 俄罗斯能源科技生产公司试图利用 进步 火箭在太空展开一面直径82英尺的演示反射镜 此次试验是为某商业企业进行的 但是用金属箔制成的镜子未能展开 最后只得抛弃在太空 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 太阳能传输卫星 但是俄罗斯能源科技生产公司驻弗吉尼亚州亚历山德里亚办事处的高级顾问杰弗里 曼弗说 该公司并没有放弃 他说 该公司计划继续进行这方面的研究 同时开展其它的商业太空应用研究 并且希望该公司的股票可以在纽约证券交易所上市 曼弗说 我不是在假装知道自己了解这方面的市场行情 但是直觉告诉我 这种技术一定会有市场需求 微波和反射镜并不是将太阳能传送到地球表面的唯一设想 许多理论科学家 其中包括航天局前官员贝基 已经在探索研制一条长达2 2万英里的延长绳路的可能性 从本质上说 这条延长绳路是地球与位于地球同步轨道上的太阳能传输人造卫星之间的连接装置 新能源的迅速崛起 2 太阳能开发不断深化 太阳能传输卫星 贝基说 形成绳路的超导 豆茎 管的直径将为1 4英寸 由一种被称为 巴基管 的碳纤维材料制成 这种材料的重量比钢轻得多 硬度却超过钻石 所以实际上这条绳路看上去就像一根绝对僵直的柱子 它比人的小指还要细 一直延伸到遥远的太空 尽管这种纤维目前只是在实验中进行小批量生产 但是贝基说 人们确实可以在太空收集能源 并通过电源插头在地球上使用这些能源 估计实现这种纤维的大规模制造还需要10至15年的时间 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人海洋中蕴藏着极为丰富的可再生能源 永不停息的海浪 潮汐和海流 以及海水温差能和海水压力能等 都能向人们贡献出巨大的能量 据计算 全世界海洋潮汐能的总储量为27亿千瓦 海流的动能储量约为50亿千瓦 海浪能为25亿千瓦 而海水温差能为20亿千瓦 目前 世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站 其装机总容量为24万千瓦 英国于1991年建成一座装有韦尔斯气动涡轮机的海浪发电站 是当前世界上最先进的海浪发电设备 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 俗话说 水火不相容 可当今世界上却有许多海洋科学家正在为埋在海底的能燃烧的 冰 而忙碌 这 冰 被称为天然气水合物 天然气水合物是一种白色固体物质 外形像冰雪 有极强的燃烧力 可作为上等能源 天然气水合物由水分子和燃气分子 主要是甲烷 组成 此外还有少量的硫化氢 二氧化碳 氮和其它烃类气体 在低温 10 10 和高压 100个大气压以上 条件下 甲烷气体和水分子能够合成类冰固态物质 具有极强的储载气体的能力 一个单位体积的天然气水合物可储载100 200倍于这个体积的气体储载量 即1立方米的固态水合物包容有180立方米的甲烷气体 这意味着气体水合物的能量密度是煤和黑色页岩的10倍 是传统天然气的2 5倍 在海洋中 约90 的区域都具备天然气水合物生成的温度和压力条件 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 天然气水合物是近二十年来才被人们发现的 由于其能量高 分布广 埋藏浅 规模大等特点 极有可能成为21世界的重要能源 全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料 煤 石油 高烃天然气等 含碳总量的两倍 世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里 储存在水深300米至500米 海底之下500米至1000米范围以内 海洋里天然气水合物的资源量约为1 8亿亿立方米 约合1 1万亿吨 是陆地资源量的100倍 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 1994年 美国能源部制订了国家项目 甲烷水合物研究计划 1995年 国际深海钻探组织在美国东海岸外 大西洋西部海底的布莱克海台处 打了一系列深海钻孔 首次证明该处海底的天然气水合物具有商业开采价值 并初步估算出该区水合物的资源量多达100亿吨 可满足美国105年的天然气需要 1998年5月 美国参议院通过决议 把天然气水合物资源作为国家发展的战略能源列入国家的长远计划 决议批准每年用于天然气水合物资源研究开发的资金为2000万美元 并要求能源部和地质调查局等有关部门组织力量进行深入研究 希望2015年进行商业开采 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 日本于1994年制定出庞大的研究计划 投巨资对日本周边海域 特别是南海海槽和鄂霍茨克海开展了海底天然气水合物的大规模调查 初步估算调查区水合物的资源量可满足日本100年的能源消耗 并于1999年进行了海底水合物的钻探实验 到目前为止 世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾 加勒比海 南美东部陆缘 非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台 西太平洋海域的白令海 鄂霍茨克海 千岛海沟 冲绳还槽 日本海 日本南海海槽 苏拉威西海和新西兰北部海域等 东太平洋海域的中美海槽 加洲滨外的秘鲁海槽等 北极的巴伦支海和波弗特海 以及大陆内的黑海和里海等 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 最初 国外开展天然气水合物研究是由于高压输气管道中常常遇到天然气水合物堵塞问题而引起的 对天然气水合物的成因 科学家认为需要三个条件 一是足够低的温度 二是较高的压力 三是原始物质 气和水的足够的富集 这可从几乎所有著名的海底天然气水合物都位于大陆斜坡 岛坡 岛基中得到证实 而且通常均贮藏在具有较厚和较年轻盖层的沉积盆地内 这与海洋沉积层和有关的有机质环大陆分布有关 对这种具有巨大潜力和前景的新能源矿产 一些发达国家已经开始进行开发性研究 初步找出可从中获取可燃性气体 主要是甲烷 的工艺技术 从目前情况看 开发成本相对较高 对环境的影响问题也未解决 但因日本等国的重视和对实验研究的积极投入 可望较快取得突破 尽早实现商业性开发 使之真正成为21世纪的新型能源 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 世界各国海洋权益的竞争 其实是海洋资源的竞争 西方各国已十分重视海底天然气水合物的研究与开发 不仅把海底天然气水合物当做21世纪具有商业开发前景的海洋能源 而且在战略上将其视为争夺海洋权益的重要因子 认识到海底天然气水合物潜在的战略意义 美国 加拿大 德国 英国 欧共体 日本等发达国家和组织从能源战略角度考虑 纷纷制订了长远发展规划 深入开展了海底天然气水合物物理性质 勘探技术 开发工艺 经济评价 环境影响等方面的研究工作 发展中国家如印度 巴西 韩国等也已行动起来 分别制定了本国的研究开发计划 目前国际上已经形成了一个天然气水合物研究的热潮 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 此外 海底天然气水合物对人类生存环境及海底工程设施的灾害影响 也引起科学家们和各国政府的关注 天然气水合物中的甲烷 其温室效应为二氧化碳的20倍 世界上海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷容量的3000倍 一旦让海底天然气水合物中的甲烷大量逃逸到大气中去 会造成大气温度的升温 使陆地的冰川融化 海平面上升 将产生无法想象的灾难性后果 对我们赖以生存的环境造成具大的威胁 再有 如条件变化使甲烷气体释放出来 会使海底软化 并出现大规模的海底滑坡 会毁坏海底工程设施 如破坏海底输电或通讯电缆及海洋石油钻井平台 甚至产生严重的地质灾害 还有的科学家正在试图用海底天然气水合物的释放来解释百慕大三角的秘密 新能源的迅速崛起 3 海洋能开发前景诱人 可燃烧的 冰 我国的海洋学家也开始了对这一海底资源的探索 中国大洋协会紧紧把握海底资源研究开发的新动态 在李廷栋 金翔龙院士等专家的倡议下 开展了海底天然气水合物信息 资料的收集调研 编写了天然气水合物找矿前景与方法调研报告 计划进一步安排天然气水合物资源经济评价研究 勘探技术开发 环境影响研究等有关工作 并着手海上航行 对天然气水合物的成矿前景进行初步调查 新能源的迅速崛起 4 地热能的利用进一步扩展地热作为一种新能源 以其干净 无污染和成本低等优点受到人们的重视 美国于20世纪70年代建成了世界上第一眼人造热泉 每小时可回收149 156 的热水20吨 法国已开凿了6眼人造热泉 其中1眼井深6000米 每小时可获得200 的热水100吨 另外 美国还在建造发电能力为5万千瓦的人造热泉热电厂 地热能的储量非常丰富 据计算 如果按照目前世界动力消耗的速度只消耗地热能 那么即使用4100万年后 地球的温度也只降低1 新能源的迅速崛起 4 地热能的利用进一步扩展利用地热发电 是地热能利用的最重要和最有发展前途的方面 美国加州的盖瑟斯地热电站 装机容量达50万千瓦以上 是目前世界上最大的地热电站 地热能除了用来发电外 近年来已扩大到工业上的加热 干燥 制冷 脱水加工 提取化学元素 海水淡化 以及农业生产上的温室育苗 栽培作业 养殖禽畜和鱼类等 有着广阔的发展前景 新能源的迅速崛起 5 燃料电池异军突起燃料电池是一种直接利用氢和氧进行电化学反应的直接发电方式 其发电效率高达40 60 预计将来可达70 80 美国和日本研制的第一代磷酸燃料电池已进入实用阶段 其输出功率为11000千瓦 第二代 第三代燃料电池也已研制成功 其中第三代的固体电解质型燃料电池 功率达25千瓦 20世纪90年代 燃料电池汽车已在美国华盛顿 洛杉矶和加拿大温哥华等城市出现 1996年 美国芝加哥市以燃料电池作动力的公共汽车 取代现有的公共汽车 美国克莱斯勒汽车公司计划在2005年之前制造出以燃料电池为动力的电动汽车样车 这种燃料电池汽车比内燃机汽车可节省50 的燃料 新能源的迅速崛起 6 风能的开发利用有了新进展风能在新能源中占有重要地位 据计算 地球上的风能约相当于10800亿吨煤所具有的能量 这一数值约为目前全世界一年消耗能量的100倍 目前 世界上最大的风力发电装置是安装在丹麦日德兰半岛的风力发电机 其发电能力达2000千瓦 俄罗斯还在研究试验一种由气球运载的利用10千米高空风力发电的发电站 发电容量为2000千瓦 新能源的迅速崛起 6 风能的开发利用有了新进展日本的山形县立川町是日本屈指可数的强风地带之一 该町提出了 风车村构想 自1993年起开始建立以风车为主的新能源体验学习设施 自1994年以来 到立川町观光的游客人数每年都达10 11万人 比建立风车村前增加了50 左右 此外 以风车为主题的地区产业群也应运而生 使因人口短缺和老龄化问题而头疼的本地居民增强了自信和自豪 新能源的迅速崛起 7 生物能源的利用在以林业和畜产为主要产业的地区 人们正在考虑使用生物能源 包括有效利用废料和家畜粪便等森林资源和畜产资源 如果能源供给形态转变为供热和供电并举的 发电和废热供暖系统 那么就有可能使余热在地区内的家庭和公共设施以及温室农业等本地产业中得到有效利用 为地区的经济振兴作出贡献 新能源的迅速崛起 8 氢能利用取得重大成果氢能以其重量轻 热值高 无污染 来源丰富和应用面广等优点 被人们称为21世纪的理想能源 美国已研制成功世界上第一辆以氢为燃料的汽车 可将60 80 的氢能转换成动能 其能量转换率比普通内燃机高一倍以上 氢能广泛应用的关键 在于研制出成本低的制氢技术 1989年 美国太平洋能源公司发明了能大量生产廉价氢燃料的新技术 可用自来水 雨水 海水等任何水制氢 其方法是 在水中加入一种价钱便宜的化学催化剂 用这种方法分解出来的氢成本很低 因而成为世界上最便宜的燃料 新能源的迅速崛起 8 氢能利用取得重大成果德国宝马汽车公司在 1996年世界氢能大会 上提出了研制新型小轿车的计划 这种小轿车将由高效率的氢燃料电池驱动 一次加注燃料可行驶1000公里 美国已把洛杉矶作为应用氢的示范区 计划在近年内将10万辆汽车改用氢燃料作动力 在21世纪初 氢燃料汽车将会获得迅速的发展 并会成为汽车家族中的佼佼者 未来能源的希望与探索 矿物燃料是人类