高中物理 第四章 机械能和能源 6 能源的开发与利用素材 教科版必修2.doc

6 能源的开发与利用浅谈新能源的开发利用能源，是人类赖以生存和进行生产的不可缺少的资源。近年来，随着生产力的发展和能源消费的增长，能源问题已被列为世界上研究的重大问题之。解决世界能源问题的根本途径，主要有两个方面：其一是认真节流，其二是广泛开源。所谓节流，就是要大力提倡节约能源。节能是世界上许多国家关心和研究的重要课题，甚至有人把节能称为世界的“第五大能源”，与煤、石油和天然气、水能、核能等并列。在节能方面，在有计划地控制人口增长的同时，重点要发挥先进科学技术的优势，提高各国的能源利用效率。如果世界各国家和各地区都能改进各种用能设备，不断提高能源的质量标准和降低单位产品的能耗，加强科学管理，适当控制生活能源的合理使用，就能使能源更加有效地用于生产和生活之中，从而解决人类面临的能源问题。所谓开源，就是积极开发和利用各种能源。在继续加紧石油勘探和寻找新的石油产地的同时，积极开发丰富的煤炭资源，还要大力开发水能、生物能等常规能源，加强核能、太阳能、风能、沼气、海洋能、地热能以及其他各种新能源的研究和利用，从而不断扩大人类的能源资源的种类和来源。下面重点介绍一下太阳能、核能、生物质能、海洋能、以及可燃冰这些能源在将来的发展，以及它们在解决能源问题上所起的至关重要的作用。1.太阳能太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等都来自太阳能，太阳能的总量很大，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。我国太阳能资源十分丰富，全国有2/3 以上的地区，年辐照总量大于502 万千焦/ 米2，年日照时数在2000 小时以上，陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700 亿吨标准煤，但十分分散，能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000瓦左右。同时，地面上太阳能还受季节、昼夜、气候等影响，时阴时晴，时强时弱，具有不稳定性。太阳能开发利用是当今国际上一大热点，经过最近20 多年的努力，太阳能技术有了长足进步，太阳能利用领域已由生活热水、建筑采暖等扩展到工农业生产许多部门，人们已经强烈意识到，一个广泛利用太阳能和可再生能源的新时代太阳能时代即将来到。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11 亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用也有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1 平方米的面积所接受的能量只有1 千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置的面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。利用太阳能分为：太阳热能和太阳光伏太阳热能：现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。目前太阳热能应用已比较广泛，发展相对成熟。太阳能光伏：光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年来天文台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。2.核能核能是一种清洁能源已为世人所共识，增加核能的使用不仅可以帮助解决全世界日益增长的电力需求，而且可以帮助持续降低温室气体的排放，从而减缓气候变暖的速度。无论出于何种目的，世界都不得不迎来一个核反应堆建造的高潮。据统计，到2030年，全球电力需求估计将比现在增加一倍。到2050年，全球每年温室气体排放量也将增加一倍，从目前的70亿吨增加到140亿吨。若利用核能发电，因其不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，所以不会造成空气污染，不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。同时，核燃料能量密度比起化石燃料要高上几百万倍（1千克铀可供利用的能量相当于燃烧2250吨优质煤），所以相应的燃料体积要小得多，这样运输与储存都很方便。一座一百万千瓦的核能发电厂一年只需30吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送；而同样规模的煤电厂，一年要耗煤约300万吨，煤的运输压力很大。此外，核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途；而煤可以作为重要的化工原料，其燃烧发电是最低级的利用。因此，核能发电比燃煤发电好处多多。当人类迈入21世纪的时候，当常规能源出现短缺的时候，是核能为人类提供了广阔的发展空间。虽然如此，但是核能也具有起缺陷性：（1）资源利用率低（2）反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决（3）反应堆的安全问题尚需不断监控及改进（4）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制（5）核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大。3.生物质能生物质能是来源于动植物的能量资源! 动物以植物为生而绿色植物通过光合作用将太阳能转变为植物的化学能。所以归根结底生物质能都来源于太阳能。地球上生物质资源十分丰富。据估计全球植物每年产生的生物质约1400-1800 亿吨， 其贮存的能量相当于目前世界年总能耗量的10倍，而实际被利用的只有它的1%-2%。另外，现在绝大部分植物的光合作用效率仅为1.5%，与正常能达到的5%还有很大的距离。 由此可见，生物质能开发与利用的潜力很大。但是生物质能资源比较分散，不利于收集和运输，而且一般植物含水率较高，热值低，不宜直接利用。所以，要合理#有效地利用生物质能，应重视发展先进、实用的生物质能利用技术。当前生物能源的主要形式有沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇。沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。我国已有许多地方的农村和畜牧场使用了沼气。沼气的推广使用节约了资源，保护了环境，也提高了农民的生活质量。目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。氢气的燃烧产物只有水，因此氢气是最清洁的能源。氢气可以利用生物质通过微生物发酵得到，这一过程被称为生物制氢。目前我国科学家已获得了能高效产氢的微生物，可以小规模地进行生物制氢，但要实现生物制氢的产业化，还有许多技术和经济问题需要解决。生物柴油是利用生物酶将植物油或其他油脂分解后得到的液体燃料，作为柴油的替代品更加环保。欧洲已专门种植油料作物用来生产生物柴油，形成了一定规模，美国也有生物柴油的小规模生产。生物柴油所遇到的问题是作为原料的植物油成本较高。在我国，已有多个科学家小组在从事生物柴油的研究开发。最近，科学家发现，一些微生物也能合成油脂，这也许可以为克服生物柴油的原料问题起到重要作用。燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物能源。乙醇俗称酒精，以一定的比例掺入汽油可作为汽车的燃料，不但能替代部分汽油，而且排放的尾气更清洁。我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三。4.海洋能海洋能通常是指海洋本身所蕴藏的能量, 它包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能和化学能，不包括海底或海底下储存的煤、石油、天然气等化石能源和“可燃冰”，也不含溶解于海水中的铀、锂等化学能源。海洋能有如下特点: (1) 可再生性, 由于海水潮汐、海流和波浪等运动周而复始, 永不休止, 所以， 海洋能是可再生能源；( 2) 属于一种洁净能源；(3) 能量多变,，具有不稳定性, 运用起来比较困难； (4) 总量巨大，但分布分散、不均,，能流密度低，利用效率不高，经济性差。潮汐能是海水受到月球、太阳等天体引力作用而产生的一种周期性海水自然涨落现象。海水垂直涨落运动称为潮汐，海水水平运动叫潮流。人们通常把潮汐和潮流中所包含的机械能统称为潮汐能。潮汐能主要分布在一些浅窄的海峡、海湾和江河口区域，潮差最高可达1916 m( 北美芬地湾蒙克顿港) ，我国杭州湾潮差有8193 m。潮汐能是人类认识和利用最早的一种海洋能。潮汐能发电与水力发电的原理、组成基本上是一样的，也是利用水的能量使水轮发电机发电。问题是如何利用海潮所形成的水头和潮流量，去推动水轮发电机运转。潮汐流量虽然很大，但它的水头很低，所以发电机的转速并不高。因此，用于发电的潮汐必须是幅度足够大( 至少要几m 高)，海岸边地形必须能储蓄大量的海水，并可以进行土建施工的地方。波浪能是由大气层和海洋在相互影响的过程中，由于在风和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波动的波浪，这种波浪具有一定的动能和势能。波浪能是一种可再生能源，它的大小与波高的平方和波动水域面积成正比。海洋波浪能总量很大，整个不冻海洋的波浪能大约为2.7 109kw, 每km2海面的波浪蕴藏的能量有20 万kw,海浪最高时有二三十米, 最大的冲击力可达60 t/m2 以上, 能把117 万t 的巨轮推到岸边。波浪能属于一种低品位能源, 全世界可以开发的波浪能仅仅是其总量的1%。在自然状态下, 大部分波浪运动并没有周期性