燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力說(shuō)課材料

燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力5.1能源概說(shuō)

能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。

自古以來(lái)，材料、能源、資訊是人類社會(huì)進(jìn)步發(fā)展的三大要素，其中能源是人類生存和發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的開(kāi)發(fā)和利用狀況是衡量一個(gè)時(shí)代、一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水準(zhǔn)的重要標(biāo)誌，直接關(guān)係到人們生活水準(zhǔn)的高低。

2023/2/725.1.1能源的分類

1.與太陽(yáng)有關(guān)的能源

地球每天接收的太陽(yáng)能，相當(dāng)於全球一年所消耗的總能量的200倍。太陽(yáng)發(fā)光放熱的歷史已達(dá)四十多億年以上，據(jù)科學(xué)家們預(yù)計(jì)，太陽(yáng)釋放巨大能量的時(shí)間還將持續(xù)幾十億年。因此，太陽(yáng)可稱得上是人類取之不盡、用之不竭的能源寶庫(kù)。2023/2/73太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)：

1）它沒(méi)有一般煤炭、石油等礦物燃料產(chǎn)生的有害氣體和廢渣，因而不污染環(huán)境，被稱作“潔淨(jìng)能源”。2）太陽(yáng)能到處都可以獲得，使用方便、安全。3）成本低廉，可以再生。2023/2/742．與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源

地球是一個(gè)大熱庫(kù)，從地面向下，隨著深度的增加，溫度也不斷增高。從地下噴出地面的溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。地球上的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量也很大，按目前鑽井技術(shù)可鑽到地下10km的深度，估計(jì)地?zé)崮苜Y源總量相當(dāng)於世界年能源消費(fèi)量的400多萬(wàn)倍。2023/2/753．與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源

這是某些物質(zhì)在發(fā)生原子核反應(yīng)時(shí)釋放的能量。原子核反應(yīng)主要有裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)。目前在世界各地運(yùn)行的440多座核電站就是使用鈾原子核裂變時(shí)放出的熱量。世界上已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)t，釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)t。這些裂變?nèi)剂献銐蛉祟愂褂玫接泳圩兡艿牡絹?lái)。聚變?nèi)剂现饕请弯?，海水中氘的含量?.03g／L，據(jù)估計(jì)地球上的海水量約為138億億m3，所以世界上氘的儲(chǔ)量約40萬(wàn)億t；地球上的鋰儲(chǔ)量雖比氘少得多，也有2000多億t，用它來(lái)製造氚，足夠人類過(guò)渡到氘、氚聚變的年代。這些聚變?nèi)剂纤尫诺哪芰勘热澜绗F(xiàn)有能源總量放出的能量大千萬(wàn)倍。按目前世界能源消費(fèi)的水準(zhǔn)，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。

2023/2/764．與地球-月球-太陽(yáng)相互聯(lián)繫有關(guān)的能源

地球、月亮、太陽(yáng)之間有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，造成相對(duì)位置週期性的變化，它們之間產(chǎn)生的引力使海水漲落而形成潮汐能。與上述三類能源相比，潮汐能的數(shù)量很小，全世界的潮汐能折合成煤約為每年30億t，而實(shí)際可用的只是淺海區(qū)那一部分，每年約為6000萬(wàn)t煤。2023/2/771．非再生能源資源面臨枯竭的危險(xiǎn)像煤炭、石油、天然氣及鈾之類的能源只能是越消耗越少，屬於非再生能源資源。2．直接燃燒化石燃料對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅燃燒化石燃料給環(huán)境造成的危害是當(dāng)今世界性的嚴(yán)重問(wèn)題。常規(guī)能源的生產(chǎn)和利用是產(chǎn)生公害的重要原因。

常規(guī)能源中煤、石油耗量的增加導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度相應(yīng)增加，使全球氣溫隨之升高，即產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。

5.1.2人類面臨著能源挑戰(zhàn)2023/2/785.1.3探索和開(kāi)發(fā)新能源

所謂新能源指的是新近才利用的或正在開(kāi)發(fā)研究的能源，這種能源包含有：太陽(yáng)能核能沼氣風(fēng)能氫能地?zé)崮芎Ｑ竽堋⒌卮拍艿?023/2/79現(xiàn)代高科技的發(fā)展序列是：以資訊技術(shù)為先導(dǎo)，以新材料技術(shù)為基礎(chǔ)，以新能源技術(shù)為支柱，沿微尺度領(lǐng)域向生物技術(shù)開(kāi)拓，沿宏尺度領(lǐng)域向海洋和空間技術(shù)擴(kuò)展。由此可見(jiàn)，新能源技術(shù)在現(xiàn)代高科技中佔(zhàn)有多麼重要的地位。新能源的應(yīng)用與發(fā)展，不僅會(huì)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，而且將使人類從有限的一次性能源的使用，轉(zhuǎn)向多樣化的、再生的、取之不盡的潔淨(jìng)能源的使用。這樣，在未來(lái)世紀(jì)中，人們可以不再為能源的枯竭、環(huán)境的污染和生態(tài)的破壞而擔(dān)憂。2023/2/710

太陽(yáng)是一顆熾熱的恒星，蘊(yùn)藏著無(wú)比巨大的能量。地球上除了地?zé)崮芎秃四芤酝猓心茉炊紒?lái)源於太陽(yáng)能，因此可以說(shuō)太陽(yáng)能是人類的“能源之母”。地球上萬(wàn)物生長(zhǎng)都依賴太陽(yáng)的光和熱，沒(méi)有太陽(yáng)能，就不會(huì)有人類的一切。

5.2太陽(yáng)能的利用2023/2/711“陽(yáng)燧取火”2023/2/712從太陽(yáng)光譜分析中發(fā)現(xiàn)，氫和氦占整個(gè)太陽(yáng)品質(zhì)96％，太陽(yáng)能的來(lái)源主要是氫原子核間的高溫?zé)岷司圩兎磻?yīng)所釋放的輻射能，這種熱核反應(yīng)不停地進(jìn)行著，所以太陽(yáng)不斷地向宇宙空間輻射出巨大的能量。其輻射功率約為3.8×1023kW。能達(dá)到地球大氣層的能量?jī)H占總輻射能的二十億分之一，而其中的30％被大氣層反射回宇宙空間，23％被大氣層吸收，真正能夠達(dá)到地面的輻射功率仍高達(dá)8.0×1013kW，相當(dāng)於目前地球上總發(fā)電功率的8萬(wàn)倍。2023/2/713我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代就已經(jīng)用金屬凹面鏡（即陽(yáng)隧）聚焦太陽(yáng)光用以點(diǎn)火，又據(jù)晉代《博物志》記載；“消冰命圓、舉以向日，以艾承其影，則得火”。將冰製成凸透鏡也可以聚焦陽(yáng)光而點(diǎn)火。1837年英國(guó)天文學(xué)家赫胥黎在去非洲探險(xiǎn)途中首先使用太陽(yáng)灶燒飯。1860年出現(xiàn)了用拋物面反射陽(yáng)光裝置，可使聚焦面溫度達(dá)500oC。1875年又出現(xiàn)了太陽(yáng)能集能器。要充分收收集並使用太陽(yáng)光發(fā)揮熱能效益，就必須採(cǎi)取能把太陽(yáng)光反射並集中在一起、變成熱能的系統(tǒng)，還要有把收集的熱能加以儲(chǔ)存和熱交換的設(shè)備。5.2.1光熱轉(zhuǎn)換1．太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的基本原理光熱轉(zhuǎn)換是把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成熱能，就是設(shè)法使太陽(yáng)光聚集，用以加熱某物體獲得熱能。

2023/2/714聚光裝置有平板型集熱器和拋物面型反射聚光器。太陽(yáng)能熱水器就是最簡(jiǎn)單的平板型集熱器，它由塗黑的采熱板及與采熱板接觸的水構(gòu)成，用透明蓋層與外界隔開(kāi)，防止散熱。輸人冷水後，可以得到較高溫度的水。利用平板型太陽(yáng)集熱器可以製造各種太陽(yáng)能熱水器滿足各方面的熱水需要。截止1994年底，我國(guó)安裝太陽(yáng)熱水器面積近3.00×106m2，居世界首位。聚光型集熱器是利用光線的反射和折射原理，採(cǎi)用反射或折射器使陽(yáng)光改變方向，集中照射在吸熱物體上，吸熱體面積小於採(cǎi)光面積，聚焦處可得到較高溫度，一般應(yīng)用在太陽(yáng)能聚光灶和太陽(yáng)能高溫爐。2023/2/715圖5-2立柱式單碟太陽(yáng)能聚光器圖5-3槽式太陽(yáng)能聚光器

2023/2/716

2．光熱轉(zhuǎn)換的應(yīng)用（1）太陽(yáng)能熱電站。光熱轉(zhuǎn)換的最典型應(yīng)用是太陽(yáng)能熱電站。這種既可發(fā)熱又可發(fā)電的裝置先將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成熱能，然後再通過(guò)機(jī)械裝置將熱能轉(zhuǎn)變成電能。其能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程是：利用集熱器（聚光鏡）和吸熱器（鍋爐）把分散的太陽(yáng)輻射能彙聚成集中的熱能，經(jīng)熱換器和汽輪發(fā)電機(jī)把熱能變成機(jī)械能，再變成電能。它與一般火力發(fā)電廠的區(qū)別在於，其動(dòng)力來(lái)源不是煤或燃油，而是太陽(yáng)的輻射能。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電站多數(shù)採(cǎi)用在地面上設(shè)置許多聚光鏡，以不同角度和方向把太陽(yáng)光收集起來(lái)，集中反射到一個(gè)高塔頂部的專用鍋爐上，使鍋爐裡的水受熱變?yōu)楦邏赫羝?，用?lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，再由汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。2023/2/717圖5-4太陽(yáng)能熱電站2023/2/718（2）太陽(yáng)能熱管。又叫真空集熱管，它在結(jié)構(gòu)上與平常所用的熱水瓶相似，但熱水瓶只能用來(lái)保溫，而太陽(yáng)能熱管卻能巧妙地吸收太陽(yáng)的熱能，即使陽(yáng)光很微弱，它也能達(dá)到較高的溫度。

熱管有一個(gè)透明的玻璃管殼，裡面密封著能裝液體或氣體的吸熱管，兩管之間抽成真空。這樣，在吸熱管周圍形成了性能良好的真空絕熱層，防止熱量散失出去。吸熱管的材料可以是金屬，也可以是玻璃，在它的外表面塗有選擇性的吸熱塗層。當(dāng)陽(yáng)光照在熱管上，吸熱管的塗層就能大量吸收光能，並將光能轉(zhuǎn)變成熱能，從而使吸熱管內(nèi)裝的液體或氣體的溫度升高。

2023/2/719

5.2.2光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換就是把太陽(yáng)的輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，所利用的原理就是“光電效應(yīng)”。太陽(yáng)能電池就是利用光電效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，分結(jié)晶太陽(yáng)能電池和非結(jié)晶太陽(yáng)能電池兩種。（1）光伏電池，光生伏打效應(yīng)是指當(dāng)物體受到光照射時(shí)，物體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生電流或電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。（2）太陽(yáng)能電池是半導(dǎo)體材料內(nèi)部光電效應(yīng)的產(chǎn)物，當(dāng)太陽(yáng)光照射到矽半導(dǎo)體的pn結(jié)上時(shí)，波長(zhǎng)極短的光很容易被半導(dǎo)體晶體內(nèi)部吸收。並去碰撞矽原子中的價(jià)電子，價(jià)電子得到能量成為自由電子而逸出晶格，產(chǎn)生電子流動(dòng)。2023/2/720

圖5-5太陽(yáng)能電池板圖5-6裝有太陽(yáng)能電池板的飛行器2023/2/721

以太陽(yáng)能電池為動(dòng)力的j轎車，已經(jīng)在墨西哥試製成功。這種汽車的外形像一輛三輪摩托車，在車頂上架了一個(gè)裝有太陽(yáng)能電池的大篷。在陽(yáng)光照射下，太陽(yáng)能電池供給汽車電能，使汽車以40km/h的速度向前行駛。

2023/2/722

光化學(xué)轉(zhuǎn)換是將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換方式主要是利用植物的光合作用。但通過(guò)綠色植物實(shí)現(xiàn)光－化學(xué)轉(zhuǎn)換不能完全受人控制，是非完全可控的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。完全可控的光化學(xué)轉(zhuǎn)換只有類比綠色植物的光合作用才能實(shí)現(xiàn)。5.2.3光化學(xué)轉(zhuǎn)換2023/2/7235.2.4太陽(yáng)能的其他應(yīng)用方式1．太陽(yáng)池發(fā)電太陽(yáng)池是吸收太陽(yáng)能水池的簡(jiǎn)稱。水準(zhǔn)如鏡的水池也能用來(lái)發(fā)電，這可能是許多人沒(méi)有想到的。因此，利用水池收集太陽(yáng)能發(fā)電，可以說(shuō)是迄今為止將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的最美妙的構(gòu)想之一。太陽(yáng)池發(fā)電的最突出優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低；它幾乎不需要價(jià)格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑膠一類的材料，只要一處淺水池和發(fā)電設(shè)備即可；另外它能將大量的熱儲(chǔ)存起來(lái)，可以常年不斷地利用陽(yáng)光發(fā)電，即使在夜晚和冬季也照?？梢岳?。因此，有人說(shuō)太陽(yáng)池發(fā)電是所有太陽(yáng)能應(yīng)用中最為廉價(jià)和便於推廣的一種技術(shù)。2023/2/7242．太陽(yáng)能氣流電站利用太陽(yáng)能發(fā)電的方式很多，其中最為新奇的是太陽(yáng)能氣流發(fā)電。由於這種電站有一個(gè)高大的“煙囪”，所以也被稱作太陽(yáng)能煙囪電站。太陽(yáng)能電站既不燒煤，也不用油，所以這個(gè)煙囪並非是用來(lái)排煙的，而是用它抽吸空氣，所以確切點(diǎn)說(shuō)應(yīng)稱其為太陽(yáng)能氣流電站。

3．太陽(yáng)能空間電力站把太陽(yáng)能發(fā)電站搬到宇宙空間去，以便得到更多的太陽(yáng)能。而且這樣還能避免地面太陽(yáng)能電站接收太陽(yáng)光時(shí)斷時(shí)續(xù)的缺點(diǎn)。

2023/2/7255.3核能的開(kāi)發(fā)和利用核能俗稱原子能，它是指原子核發(fā)生裂變或聚變時(shí)所放出的能量。核能分為兩類:一類叫核裂變能，是指重元素（鈾或鈈等）的原子核發(fā)生裂變時(shí)放出的能量。另一類叫聚變能，是指輕元素（氘和氚）的原子核發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)放出的能量。核能是人類解決能源問(wèn)題的希望!截止2006年12月，全世界已有37個(gè)國(guó)家或地區(qū)438座核電站在運(yùn)行，正在建造核電站61座，核發(fā)電量占世界總發(fā)電量的17％以上

。2023/2/726一切物質(zhì)都是由原子組成的，原子由居於中心帶正電的原子核與核外帶負(fù)電的電子組成。原子核體積很小，只占原子體積的千億分之一。原子核由不同數(shù)量的質(zhì)子與中子組成，質(zhì)子與中子統(tǒng)稱為核子，核子間靠核力緊密結(jié)合在一起。把這種使核子凝聚在一起的能量稱為“結(jié)合能”，原子只有在受外力作用時(shí)，才能釋放出能量。1898年12月，波蘭科學(xué)家居里夫人發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳，並發(fā)現(xiàn)鐳在蛻變時(shí)伴隨著能量的釋放。5.3.1核裂變能2023/2/727鏈?zhǔn)椒磻?yīng)用高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子轟擊原子核可使能量釋放出來(lái)，但命中率太低，直到1938年12月22日德國(guó)放射化學(xué)家哈恩和奧地利籍猶太人邁特納兩位科學(xué)家在《自然》上發(fā)文確認(rèn)：鈾核在中子的轟擊下分裂成了品質(zhì)相近的兩塊碎片，並計(jì)算出反應(yīng)過(guò)程中釋放出了2MeV的能量。居里夫人的女兒伊倫·約裡奧·居裡和費(fèi)米等人此前也在著手從裂變中尋找自由中子，並幾乎與之同時(shí)得到肯定的答案。他們發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾原子核，除產(chǎn)生兩個(gè)裂變?cè)雍藖K釋放出能量外，還會(huì)產(chǎn)生出兩三個(gè)新的中子來(lái)，這兩三個(gè)中子再轟擊兩三個(gè)鈾核，再分裂出更多的中子。如此按幾何級(jí)數(shù)陡增的眾多中子可使鈾核瞬間全部分裂，在這過(guò)程中，失去的品質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮哪芰酷尫懦鰜?lái)，即核能?！版?zhǔn)椒磻?yīng)”的發(fā)現(xiàn)為人類利用核能開(kāi)闢了通路。核能的開(kāi)發(fā)和利用就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。2023/2/7281905年，愛(ài)因斯坦提出質(zhì)能關(guān)係式:

E=mv2

從理論上預(yù)示了核能利用的可能性，為核能的利用打開(kāi)了大門。核能的成就雖然首先用於軍事目的，但此後很快就實(shí)現(xiàn)了它的和平利用，最主要的是通過(guò)核電站發(fā)電。2023/2/729核反應(yīng)堆2023/2/730圖5-10正在建設(shè)的熱中子轉(zhuǎn)換堆2023/2/7315.3.2核聚變能核聚變能是利用輕原子核（氘一氘或氘一氚）在極高溫（幾千萬(wàn)度或上億度）下聚合成較重原子核（如氦）過(guò)程中釋放出來(lái)巨大能量。建立受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置，使核聚變順從地在人為的控制下進(jìn)行。

兩種可能的途徑：一是用強(qiáng)磁場(chǎng)把低密度的高溫重氫原子核長(zhǎng)時(shí)間約束在容器內(nèi)使其發(fā)生聚變反應(yīng)，稱為磁約束受控核聚變。二是利用運(yùn)動(dòng)慣性把高密度的高溫重氫原子核在短時(shí)間內(nèi)約束住，使其形成微型爆炸式的聚變反應(yīng)，稱為慣性約束核聚變。

2023/2/732

新一代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置2023/2/7335.3.3核能利用的安全性（1）核電站不會(huì)像原於彈那樣爆炸，建造核電站的設(shè)計(jì)和使用的材料、燃料等都與原子彈完全不同，其工作方式和介質(zhì)也不一樣，不可能發(fā)生核爆炸。

（2）核能應(yīng)用的安全保障措施：今後發(fā)展的先進(jìn)核反應(yīng)爐是“固有安全性”的反應(yīng)堆，即當(dāng)反應(yīng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以不靠人為操作或外部設(shè)備的強(qiáng)制性干預(yù)，而是依靠反應(yīng)堆的自然安全性和非能動(dòng)安全性，使反應(yīng)堆趨於正常運(yùn)行或完全停閉。2023/2/7345.4其他新能源的開(kāi)發(fā)利用

5.4.1風(fēng)能

風(fēng)是地球上常見(jiàn)的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射熱引起的。地球各處受熱情況不同，由溫差而形成大氣壓差，形成地表大量空氣的流動(dòng)。

西元前，風(fēng)車提水、磨米和風(fēng)帆助航等是人類利用風(fēng)能的較早形式。風(fēng)能存在能量密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異性大等特點(diǎn)從而影響了它的發(fā)展。2023/2/735風(fēng)能是蘊(yùn)藏量大、分佈廣、可再生、無(wú)污染的能源，據(jù)估算，全世界可開(kāi)發(fā)的風(fēng)力達(dá)2×1010kW，比地球上可開(kāi)發(fā)的水力資源大10倍；據(jù)2005年的能源資源調(diào)查，我國(guó)的鋒利資源達(dá)10億kW的資源潛力。在現(xiàn)代科技的支持下，風(fēng)能正在成為新能源的重要成員。

2023/2/736風(fēng)能的利用主要有以下幾種形式：（1）風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。（2）風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。2023/2/7375.4.2地?zé)崮艿厍騼?nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的熱能，人類很久以前開(kāi)採(cǎi)溫泉洗澡、取暖、醫(yī)療等，但是把它視為一種儲(chǔ)量巨大、有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的能源，特別是用來(lái)發(fā)電，還是20世紀(jì)初才開(kāi)始的。地?zé)醽?lái)源於地球內(nèi)部，地球是一個(gè)平均半徑為6370km的實(shí)心橢圓球體，其構(gòu)造分為三層，地殼、地幔、地核。地殼厚度不均，幾千米至幾十千米。地球內(nèi)部熱量來(lái)自地殼下放射性元素緩慢放射性衰變不斷釋放的熱量。2023/2/7381．地?zé)岚l(fā)電地?zé)岚l(fā)電的基本原理和一般人力發(fā)電一樣，是利用地?zé)崮芡ㄟ^(guò)機(jī)械能的中間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱能直接取自於地?zé)崃黧w。（1）地?zé)釒终羝l(fā)電。

（2）地下熱水（濕蒸汽）發(fā)電。

2023/2/739圖5-13美國(guó)加利福尼亞州的地?zé)岚l(fā)電廠圖5-14我國(guó)西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電

2023/2/7402．地?zé)釖?cǎi)暖地?zé)崮茉吹睦?，除用於發(fā)電外，地?zé)崮芄?、供暖、供水是僅次於發(fā)電的地?zé)崮芾梅椒?。地?zé)崮茉谟脕?lái)採(cǎi)暖、供熱是最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)便、最有效的用途，採(cǎi)用這種利用方式的國(guó)家很多，最典型的國(guó)家是冰島，首都雷克雅維克在20世紀(jì)40年代就實(shí)現(xiàn)了“天然暖氣化”，是世界最清潔的城市之一。

2023/2/7415.4.3生物質(zhì)能和石油植物能源1．生物質(zhì)能生物質(zhì)能又稱“綠色能源”，它是指通過(guò)植物的光合作用而將太陽(yáng)的輻射能量以一種生物質(zhì)形式固定下來(lái)的能源。它包括世界上所有的動(dòng)物、植物和微生物，以及這些生物產(chǎn)生的排泄物和代謝物。生物質(zhì)能來(lái)源於太陽(yáng)輻射能，是取之不盡的再生能源，據(jù)推算，地球上每年由植物固定下來(lái)的太陽(yáng)輻射能是當(dāng)今世界年能耗總量的10倍多。2023/2/742生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換技術(shù)：（1）直接燃燒，獲取熱量。這是最簡(jiǎn)單的方法，但轉(zhuǎn)換效率很低，且污染環(huán)境，目前有的國(guó)家研究生物質(zhì)壓塊燃料以提高熱效。（2）生物轉(zhuǎn)換技術(shù)。通過(guò)微生物發(fā)酵方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體或氣體燃料。我國(guó)農(nóng)村廣泛使用的“沼氣”就是這種轉(zhuǎn)換。沼氣發(fā)酵原料十分廣泛而豐富，這是解決農(nóng)村能源和處理城市垃圾變廢為寶的現(xiàn)實(shí)途徑，而且潛力很大。據(jù)推測(cè)，我國(guó)的農(nóng)作物廢棄物和人畜糞便等如全部入池發(fā)酵，每年可制取1011m3沼氣。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，沼氣的利用已從生活領(lǐng)域走向生產(chǎn)領(lǐng)域，從農(nóng)村走向城鎮(zhèn)。（3）化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)。通過(guò)化學(xué)方法使生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成燃料物質(zhì)，化學(xué)方法目前有三種：有機(jī)溶劑提取法、氣化法、熱分解法。2023/2/7432．石油植物所謂“石油植物”，是指那些可以直接生產(chǎn)工業(yè)用“燃料油”，或經(jīng)發(fā)酵加工可生產(chǎn)“燃料油”的植物的總稱。例如，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的大量可直接生產(chǎn)燃料油的植物，主要分佈在大戟科，如綠玉樹(shù)、三角戟、續(xù)隨子等。這些石油植物能生產(chǎn)低分子量氫化合物，加工後可合成汽油或柴油的代用品。2023/2/744圖5-15種植的石油植物圖5-16狗仔花——一種石油植物2023/2/7455.4.4氫能1．氫能的特點(diǎn)在眾多的能源品種中，人們一直在選擇能量最大、使用方便、來(lái)源豐富和沒(méi)有污染的持久能源，這就是氫能。氫在常溫常壓下是氣體狀態(tài)，在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。（1）品質(zhì)最輕，它的原子序數(shù)為1。（2）熱值高，是汽油熱值的3倍。（3）爆發(fā)力強(qiáng)，極易燃燒，且燃燒速度快。（4）來(lái)源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態(tài)儲(chǔ)存于水中。（5）品質(zhì)最純潔，本身無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒，十分純淨(jìng)，燃燒後生成們水而無(wú)碳化物污染。（6）能量形式多，可通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，也可以通過(guò)燃料電池和燃?xì)狻羝麥u輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。（7）儲(chǔ)運(yùn)方便，可以用氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物形態(tài)加以運(yùn)輸和儲(chǔ)存。2023/2/7462．氫的制取天然的純氫畢竟是有限的，氫一般屬於二次能源。要大量的利用氫能，必須通過(guò)科學(xué)方法，利用其他能源來(lái)制取。（1）水解法制氫。

（2）生物制氫技術(shù)。

2023/2/747圖5-17生物制氫的反應(yīng)過(guò)程圖5-18生物制氫裝置2023/2/7485.4.5磁流體發(fā)電技術(shù)磁流體發(fā)電是一種可靠的新發(fā)電技術(shù)，可以將燃料熱能直接轉(zhuǎn)變成電能。磁流體發(fā)電是首先對(duì)燃料（石油、天然氣、煤）進(jìn)行高溫加熱，直至電離成導(dǎo)電的等離子氣體，高速通過(guò)磁場(chǎng)，切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能。由於磁流體發(fā)電排氣溫度很高，如果與常規(guī)汽輪發(fā)電廠聯(lián)合迴圈發(fā)電，可將燃料熱能利用率從40％提高到60％。磁流體發(fā)電技術(shù)是一種新的能源轉(zhuǎn)換方式，它不僅熱效率高，而且在很大程度上降低了排入大氣中的粉塵和二氧化硫等有害氣體，可大大減輕對(duì)大氣的污染。2023/2/749圖5-19磁流體發(fā)電工作原理圖2023/2/750磁流體發(fā)電的優(yōu)越性：（1）綜合效率高。磁流體的熱效率可以從火力發(fā)電的30%～40％提高到50%～60％，預(yù)計(jì)將來(lái)還會(huì)再提高。（2）啟動(dòng)快。在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)，磁流體發(fā)電就能達(dá)到滿功率運(yùn)行，這是其他任何發(fā)電裝置無(wú)法相比的，因此，磁流體發(fā)電不僅可作為大功率民用電源，而且還可以作為高峰負(fù)荷電源和特殊電源使用，如作為風(fēng)洞試驗(yàn)電源、鐳射武器的脈衝電源等。2023/2/751（3）去硫方便，對(duì)環(huán)境污染少。磁流體發(fā)電雖然也使用煤炭、石油等燃料，但由於它使用的是細(xì)煤粉，而且高溫氣體還摻雜著少量的鉀、鈉和銫的化合物等，容易和硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化物，在發(fā)電後回收這些金屬的同時(shí)也將硫回收了。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，磁流體發(fā)電可以充分利用含硫較多的劣質(zhì)煤。另外，由於磁流體發(fā)電的熱效率高，因而排放的廢熱也少，產(chǎn)生的污染物自然就少多了。（4）無(wú)高速旋轉(zhuǎn)部件，雜訊小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積和重量也大大減小。由於磁流體發(fā)電時(shí)的溫度高，所以可將磁流體發(fā)電與其他發(fā)電方式聯(lián)合組成效率高的大型發(fā)電站，作為經(jīng)常滿載運(yùn)行的基本負(fù)荷電站。2023/2/7525.4.6燃料電池發(fā)電技術(shù)1．燃料電池的工作原理與特點(diǎn)燃料電池和傳統(tǒng)電池的原理基本相同，也是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。所不同的是，傳統(tǒng)電池是將內(nèi)部物質(zhì)事先充填好，而燃料電池進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所用的物質(zhì)則是由外部不斷充填，就像往爐膛裡添加煤和油等燃料一樣，因此，它能夠源源不斷地發(fā)電，所以人們稱它為燃料電池。2023/2/753圖5-20燃料電池的工作原理2023/2/754燃料電池優(yōu)點(diǎn)：（1）發(fā)電效率高，而且穩(wěn)定。一般的火力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換效率只有30%～40％，而燃料電池在所有的發(fā)電裝置中轉(zhuǎn)換效率是最高的，目前已達(dá)到50%～70％，預(yù)計(jì)將來(lái)可達(dá)到80％。（2）工作可靠，不產(chǎn)生污染和雜訊。燃料電池在反應(yīng)過(guò)程中只產(chǎn)生水蒸汽，所以不會(huì)污染環(huán)境，由於它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，自然不會(huì)產(chǎn)生雜訊。（3）使用方便，電損耗低。燃料電池可以安裝在用戶跟前，既簡(jiǎn)化了輸電設(shè)備，又降低了輸電線路的電損耗。2023/2/755（4）建發(fā)電站用的時(shí)間短，而且還可根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)大規(guī)模。燃料電池本身是由模組組合件構(gòu)成的，幾百上千瓦的發(fā)電部件可以預(yù)先在工廠裡做好，然後再把它運(yùn)到燃料電池發(fā)電站去進(jìn)行組裝。因此，可大大縮短建站時(shí)間，而且電站規(guī)模可隨著電力需求量的增加不斷擴(kuò)大。（5）它的體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)，單位體積輸出的功率大，可以實(shí)現(xiàn)大功率供電。目前，燃料電池主要在宇航工業(yè)、海洋開(kāi)發(fā)和電氣貨車、通信電源等方面得到實(shí)際應(yīng)用。例如，美國(guó)的一艘潛艇用燃料電池代替鉛蓄電池後，其潛水時(shí)間增加了3倍。2023/2/7562．質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池又稱為固體高分子燃料電池（PolymerElectrolyteFuelCell，PEFC）是一種中低功率的以氫為燃料的燃料電池。作為固定式燃料電池的發(fā)電裝置已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模實(shí)證示範(fàn)運(yùn)行階段，預(yù)計(jì)將成為未來(lái)家庭的熱電聯(lián)合供應(yīng)裝置，其前景極其廠闊。另一方面中功率質(zhì)子交換膜燃料電池（50～90kW）可用于新型車用動(dòng)力，也是極有前途的動(dòng)力裝置。2023/2/757

圖5-21質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)圖5-22燃料電池堆2023/2/758

5.5節(jié)能技術(shù)5.5.1超導(dǎo)技術(shù)科學(xué)上把電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)沒(méi)有電阻的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)。

電在金屬材料內(nèi)部流動(dòng)時(shí)的電阻大小跟材料的溫度高低密切相關(guān)，例如，水銀、鉛的電阻隨著溫度降低而逐漸變小，到了-269℃時(shí)，它們的電阻小到幾乎沒(méi)有。2023/2/7595.5.2超級(jí)電容技術(shù)及其應(yīng)用日益嚴(yán)重的石油危機(jī)與環(huán)保壓力，世界各大汽車公司紛紛研製各種新能源汽車，包括燃料電池車、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、代用燃料汽車等。1997年豐田汽車公司的混合動(dòng)力（Hybrid）轎車，現(xiàn)已銷售1028萬(wàn)輛。全球各大汽車公司紛紛推出各種混合動(dòng)力汽車。最早豐田汽車公司推出的是汽油機(jī)和蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。目前已研發(fā)的有柴油機(jī)和蓄電池混合動(dòng)力、汽油機(jī)和超級(jí)電容器混合動(dòng)力、柴油機(jī)和超級(jí)電容器混合動(dòng)力、蓄電池和超級(jí)電容器混合動(dòng)力、燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力。2023/2/760

圖5-24超級(jí)電容動(dòng)力模組圖5-23超級(jí)電容的工作原理2023/2/761超級(jí)電容的特點(diǎn)：（1）充電速度快。充電10～600s。超級(jí)電容器可在很短時(shí)間完成一個(gè)充放電迴圈；遠(yuǎn)遠(yuǎn)低於可充蓄電池，可很好滿足電動(dòng)車的起動(dòng)、爬坡要求。（2）迴圈壽命長(zhǎng)。充放電次數(shù)可達(dá)5～50萬(wàn)次，比目前最好蓄電池要高出100倍，在使用過(guò)程中不需要經(jīng)常性維護(hù)。（3）轉(zhuǎn)換效率高。大電流能量迴圈效率高達(dá)90％以上。2023/2/762（4）規(guī)律密度大。超級(jí)電容器放電電流可達(dá)上百安。大電流應(yīng)用，特別是高能脈衝環(huán)境可更好滿足功率要求，相當(dāng)於蓄電池5～10倍。（5）可實(shí)現(xiàn)能量回收利用。車輛制動(dòng)、減速、下坡時(shí)制動(dòng)能量回收。（6）安全係數(shù)高。長(zhǎng)期使用免維護(hù)，安全可靠。（7）適用溫度寬?？稍?0～60℃範(fàn)圍內(nèi)使用低溫特性好?？蓾M足車輛在低溫環(huán)境下起動(dòng)。（8）清潔、環(huán)保。超級(jí)電容器所使用的活性炭材料無(wú)重金屬物質(zhì)，使用過(guò)程和使用後不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。2023/2/7635.6未來(lái)的新能源5.6.1可燃冰能源地球上可燃冰礦的蘊(yùn)藏量十分驚人。美國(guó)和加拿大沿海地區(qū)蘊(yùn)藏量估計(jì)達(dá)數(shù)百億立方米，可供開(kāi)採(cǎi)幾百年。在俄羅斯的裡海、黑海和鄂霍次克海也取出了含可燃冰礦的巖芯。新西蘭、印度、日本等國(guó)都有可燃冰礦存在。只是目前世界上還沒(méi)有開(kāi)採(cǎi)冰礦的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。人們正在研究開(kāi)採(cǎi)方法?？梢灶A(yù)料，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不