书城科普大自然的奥秘
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第21章 如何让能源持续发展(4)

其实天然气是一种稀缺的资源,尽管我国的天然气总体上较为丰富,但储量在世界天然气总量中却只有3%。还有一个不容忽视的问题是,我国缺少特大型气田,许多气田已进入中后开采期:天然气资源探明程度较低。特别是资源丰富的西部气区和近海气区可采储量的探明率更低。此外。目前世界天然气消费占一次能源23%,而我国却只有2.8%,到2015年才达到8%~10%。正是资源勘探程度和探明率较低,以及我国今后将加大天然气在一次能源中的比重,为今后天然气探采业的发展留下了巨大空间。

我们的生活离不开天然气,天然气利用领域非常广泛,除了能用于炊事外,还可广泛作为发电、石油化工、机械制造、玻璃陶瓷、汽车、集中空调的燃料或原料。随着科技的发展,在未来的世界里人类肯定会找到比天然气更为理想的能源。但不管将来谁取代天然气,天然气将起到向新能源迈进的不可替代的重要的桥梁作用。

无处不在的太阳能

太阳能一般是指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应,不停地释放出巨大的能量,并不断向宇宙空间辐射能量,这种能量就是太阳能。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期,就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火;利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代,太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有光化学反应,被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式。

使用太阳电池,通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能,使用太阳能热水器,利用太阳光的热量加热水,并利用热水发电,利用太阳能进行海水淡化。现在,太阳能的利用还不很普及,利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题,但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。

就目前来说,人类直接利用太阳能还处于初级阶段,主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。

太阳能本身既有优点,也有不足之处。优点如下:

(1)普遍:太阳光普照大地,没有地域的限制无论陆地或海洋,无论高山或岛屿,都处处皆有,可直接开发和利用,且勿须开采和运输。

(2)无害:开发利用太阳能不会污染环境,它是最清洁的能源之一,在环境污染越来越严重的今天,这一点是极其宝贵的。

(3)安全:核能发电会有核泄漏的危险,一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机,而太阳能绝对没有这种情况,是十分可靠的。

(4)巨大:每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤,其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

(5)长久:根据目前太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持上百亿年,而地球的寿命也约为几十亿年,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是用之不竭的。

缺点:

(1)分散性:到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大,但是能流密度很低。平均说来,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,正午时太阳辐射的辐照度最大,在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右;若按全年日夜平均,则只有200W左右。而在冬季大致只有一半,阴天一般只有1/5左右,这样的能流密度是很低的。因此,在利用太阳能时,想要得到一定的转换功率,往往需要面积相当大的一套收集和转换设备,造价较高。

(2)不稳定性:由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,所以,到达某一地面的太阳辐照度既是间断的,又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源,就必须很好地解决蓄能问题,即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来,以供夜间或阴雨天使用,但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。

(3)效率低和成本高:目前太阳能利用的发展水平,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置,因为效率偏低,成本较高,总的来说,经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展,主要受到经济性的制约。

太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

取之不尽的风能

在自然界中,风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机,各国都在加紧对风力的开发和利用,尽量减少二氧化碳等温室气体的排放,保护我们赖以生存的地球。

风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比,具有明显的优势,它蕴藏量大,是水能的10倍,分布广泛,永不枯竭,对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。风力发电,是当代人利用风能最常见的形式,自19世纪末,人们认识到石油等能源或许会枯竭,才重视风能的发展,利用风来做其它的事情。

那么,风能是如何产生的呢?由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同,因而引起各地气压的差异,在水平方向高压空气向低压地区流动,即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率,与风速的三次方和空气密度成正比关系。

据估算,全世界的风能总量约1300亿千瓦,中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大,世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带,如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家,中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。

风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式,其中又以风力发电为主。风能作动力就是利用风来直接带动各种机械装置,如带动水泵提水等。这种风力发动机的优点是:投资少、工效高、经济耐用。目前,世界上约有一百多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场,都设有这种风力提水机。在很多风力资源丰富的国家,科学家们还利用风力发动机铡草、磨面和加工饲料等。

利用风力发电,以丹麦应用最早,而且使用较普遍。丹麦虽只有500多万人口,却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国,世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦,世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术,是名副其实的“风车大国”。

截止到2008年底,世界风力发电总量居前3位的分别是德国、西班牙和美国,三国的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。此外,风力发电还逐渐走进居民住宅。在英国,迎风缓缓转动叶片的微型风能电机正在成为一种新景观。家庭安装微型风能发电设备,不但可以为生活提供电力,节约开支,还有利于环境保护。堪称世界“最环保住宅”就是由英国著名环保组织“地球之友”的发起人马蒂·威廉历时5年建造成的,其住宅的迎风院墙前就矗立着一个扇状涡轮发电机,随着叶片的转动,不时将风能转化为电能。

我国风力资源丰富,可开发利用的风能储量为10亿千瓦。对风能的利用,特别是对我国沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,具有十分重要的意义。

由于风电属于新能源范畴,无论是成本还是技术同传统的火电、水电相比还有较大的差距,因而风电的快速发展需要国家政策的大力扶持。纵观风电发展迅速的国家如德国、西班牙、印度,无一例外地都给予风电产业巨大的政策优惠。我国对风电的政策支持由来已久,力度也越来越大,政策支持的对象也由过去的注重发电转向了注重扶持国内风电设备制造。国家的政策支持将是风电设备制造业迅猛发展的根本保障,随着中国国产风机设备的自主制造能力不断加强,国家的政策支持力度也将越来越大,风电设备制造业面临难得的历史发展机遇。

现在,无论是在广阔的草原,还是在杲杲的山岭,我们都会看到一座座能抗风暴袭击而稳定运行的风力发电站。每当大风来临,收集机就会自动调转方向,迎接风的犀利,任凭风力有多大,来势有多猛,它一概取之,转成电能储存起来,为人们提供电力。这样,即使在远离城市的乡村和牧场都可以用上电,过上幸福的生活。

探寻形形色色的新能源

新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源。因此,煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源,新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说,新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源,新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。同时,由于很多新能源分布均匀,对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。

我们平常所说的新能源除了前面所提到的太阳能和风能,经常被人们提及的还有以下几种:

(1)水能

水能是一种可再生能源,是清洁能源,是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源;狭义的水能资源指河流的水能资源。是常规能源,一次能源。水不仅可以直接被人类利用,它还是能量的载体。太阳能驱动地球上水循环,使之持续进行。地表水的流动是重要的一环,在落差大、流量大的地区,水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少,水能是非常重要且前景广阔的替代资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水运动均可以用来发电。

(2)海洋能

海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源,包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点,是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。

波浪发电,据科学家推算,地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。目前,海上导航浮标和灯塔已经用上了波浪发电机发出的电来照明。大型波浪发电机组也已问世。我国在也对波浪发电进行研究和试验,并制成了供航标灯使用的发电装置。

潮汐发电,据世界动力会议估计,到2020年,全世界潮汐发电量将达到1000~3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站,发电能力24万千瓦,已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站,总容量达到3000千瓦。

(3)氢能

在众多新能源中,氢能以其重量轻、无污染、热值高、应用面广等独特优点脱颖而出,将成为21世纪最理想的新能源。氢能可应用于航天航空、汽车的燃料,等高热行业。

随着能源危机日益临近,新能源已经成为今后世界上的主要能源之一。其中太阳能已经逐渐走入我们寻常的生活,风力发电偶尔可以看到或听到,可是它们作为新能源如何在实际中去应用?新能源的发展究竟会是怎样的格局?这些问题将是我们在今后很长时间里需要探索的。

(4)海洋渗透能

如果有两种盐溶液,一种溶液中盐的浓度高,一种溶液的浓度低,那么把两种溶液放在一起并用一种渗透膜隔离后,会产生渗透压,水会从浓度低的溶液流向浓度高的溶液。江河里流动的是淡水,而海洋中存在的是咸水,两者也存在一定的浓度差。在江河的入海口,淡水的水压比海水的水压高,如果在入海口放置一个涡轮发电机,淡水和海水之间的渗透压就可以推动涡轮机来发电。

(5)生物质能

生物质能来源于生物质,也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式,它直接或间接地来源于植物的光合作用。生物质能是贮存的太阳能,更是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态或气态的燃料。地球上的生物质能资源较为丰富,而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10~20倍,但目前的利用率不到3%。

(6)地热能

地球内部热源可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。放射性热能是地球主要热源。我国地热资源丰富,分布广泛,已有5500处地热点,地热田45个,地热资源总量约320万兆瓦。