书城童书科普知识百科全书——《能源知识篇》(上)
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第16章 新颖的发电技术(2)

所谓“铁电体爆电换能发电”,就是利用铁电体材料的特性,把炸药爆炸的化学能转换成电能。目前使用的“铁电体”是锆钛酸铅陶瓷。这种材料是经过特殊方法冶炼合成的,它有一种独有的特性,就是当把它放在直流电场中被极化之后,当电场撤除而极化并不随之消失,且还能十分稳定地保持其剩余极化性质。利用这种剩余极化的铁电体作为一种能量载体,当它受到炸药爆炸的冲击作用时,炸药的化学能在其内部形成冲击波。在冲击波产生的压力和温度作用下,贮藏于铁电体内部的能量便可以电能的形式在外负载上释放出来。它的能量转换程式可概括为“较小的电能——化学能——很大的电能”。

利用这种程式转换的电能最大特点是功率高,而电源装置重量轻。经实验表明,锆钛酸铅陶瓷材料极化之后,其能量贮存密度一般为每立方厘米十几焦耳,在爆炸冲击波作用下,只要在微秒级的时间内就可完成能量释放。如体积为30立方厘米,功率大于10瓦,总能量可达数百焦耳,而铁电体的重量很轻(为300克),工作介质炸药约40克,电源总重不超过05公斤。

这项技术在我国研究很早,60年代初在著名科学家王淦昌组织推动下,就开始了这项新技术的研究开发。目前,在材料制作工艺和装置工程设计方面,都已达到实用化水平。这种发电方式可用于引爆炸药、产生激光、加速带电粒子等技术过程,为之提供电源,尤其适用于空间、航空、海上,水下等机动装置的电源供应系统。

鲜为人知的余水发电技术

所谓“余水发电”,就是在已按原定设计建成的水电站大坝上再开孔钻洞,利用多余的水资源发电。日本的“一招鲜”,为充分利用水力资源开发水力发电又开辟了一条新路。

日本静冈县天龙川水电站,是在80年代修建的,它的水资源已为装机容量分别为35万千瓦和45万千瓦的两座水电站所利用。经过精确计算,认为尚有余量可以利用。为进一步开发电力,80年代未,日本电源开发公司决定建造一座新的电站。原来的天龙川中游秋叶水坝高为89米,专家们确定在67米高处,挖一个直径65米、长21米的圆洞,从这个新洞泻下的水最大流量每秒可达116立方米,利用这股强大的水流驱动设在20米高处的水轮发电机组,从而新建成了装机容量为47万千瓦的第三座水电站。这就是世界上第一座现代化的余水发电站,按计划于1991年夏季运行发电。

日本为这项工程投资共用去172亿日元,比新建一座常规水电站要节省近一半资金。为开发这项新技术,专家们要攻克许多技术难关。其中最大的一项是在水坝上钻洞,因为这样对水坝强度会有影响,稍有不慎就有使水坝完全崩溃的危险!为此,专家们进行了精确的强度计算,采用了能够最大限度地控制挖掘时产生的冲击和振动的施工方法,有效地解决了这个大难题。

与众不同的电气体发电技术

这种“电气体发电技术”非同一般,它是靠高速气流在克服静电场做功的过程中而发电的。

这种发电技术的本质,是以一定压力、温度的运动流体(气体或液体)作为能源,使低品位能(如热能、动能)转变成电能的过程。

在一定的压力和温度下,工作介质发生电离。一个高压电源的两个极分别接在离子发射极N和吸引极A上,发射极是一种针形金属棒,吸引极是金属环。在高压作用下,N极与A极之间产生尖端放电,并使通过的高速电介质流体(通常是燃气)部分电离。当N极是正极时,流体中的电子和负离子被吸引,负离子在N极放出电子而呈中性。正离子被排斥,流回吸引极。

但由于高速流体的带动,正离子未能被吸引极吸住,而流回集电极M,使电流等于零。集电极M上由于正离子集积而电位升高,当接有外负载时,就产生了电流。在单元体中静电场要阻止正离子向集电极M流动,而高速流体带动正离子流向集电极M,所以这时就产生了电流。

这就是高速气流克服静电场所做功而转换成电能的基本原理。目前,这种发电方式,只是处于基础研究阶段,尚未进入实际试用阶段。但作为一种能量转换形式,仍是可以继续发展下去的。

率先登月的燃料电池发电技术

在1969年随同美国阿波罗飞船登上了月球的电源装置,是以其独特性能而引起世人瞩目的“燃料电池”。随后,到70年代初这种电源才逐步转为民用,并得到了突飞猛进的发展。20年过去了,燃料电池发电技术在美、日等国已进入到商业化阶段,并已制成1万千瓦级的大容量电池,同时还出现了燃料电池——燃气轮机——汽轮发电机联合运转的发电厂。

所谓“燃料电池”,从原理上讲,和传统的化学电池基本相同,也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是:传统电池的内部物质事先充填好,化学反应结束后,不能再供电;而燃料电池进行化学反应所用的物质是由外部不断充填的,因此,它能够源源不断地发电。这是燃料电池最显著的特征。

燃料电池的工作原理是,作为反应物的原燃料,天然气、石油、甲醇等,经过“燃料改质装置”分离出氢后,进入电池本体,另一端的空气中氧也进入电池本体,分别供给电池的电极,通过电解质使氢氧发生电化学反应,产生电位差,而形成低压直流电输出。

由于燃料电池是将物质的化学能直接转变为电能,因此其效率较高,按理论计算可以达到90%。但实际上燃料电池在进行化学反应中还有“费功”损耗,因此,最高只能达到60%~70%。

燃料电池主要由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成。它所使用的燃料十分广泛,例如,天然气、石油、甲醇、液氨、肼、烃、氢等。这种电池可以根据需要设计不同的容量,主要取决于“单片电池”的数量。单片电池由正极(接空气极板)、负极(接燃料极板)和电解质容器以及上下绝缘隔板4部分组成。根据需要,把单片电池串联起来,就可得到所需电压和功率数。

这种电池的化学反应过程简单地说就是:在负极(氢极)一侧,依靠催化剂(白金电极)使氢(H2)离子化,成为易于反应的(H+)状态,这些分离出的氢离子通过电解液:例如苛性钾(KOH)等输送到正极(氧极即空气极),而被分离开的电子则经过外部电路也移到正极上,电子移动的过程就是产生电流过程,而在正极上氧分子和氢离子化合,产生水——这样一个过程就完成了产生电能的过程。

负极和正极分别由外部连续不断地供应氢(燃料)和氧(空气),这种反应连续不断地进行,在外部电路中电子也不断地流动,这就是我们所需要的电流。

说起来,燃料电池的基本原理和化学反应机理虽不难懂,但真正作为系统工作,其工艺设计自然也是非常复杂的。

燃料电池所用的电解质对燃料电池的发电性能,特别是效率影响很大。

目前最多用的是磷酸质,其发电效率为40%左右。这是被划为第一代燃料电池的代表型产品。目前正在研究的新的电解质有碳酸盐,被划为第二代,即2000年前后可正式投入使用的燃料电池;还有一种以氧化锆、氢氧化钾作电解质的,被划为第三代,即21世纪才能投入使用的燃料电池。据预测,第二代和第三代电池的发电效率可达到45%~60%。

作为将化学能直接转换成电能的新型发电技术的应用,燃料电池具有许多独特优点:

一是热损耗小,发电效率高,一般可达到40%~50%,最高可望达到60%~70%,而且不受负荷变动的影响。目前,国际上火电厂的效率不超过40%,在我国的燃煤电厂效率才27%~28%。

二是低污染,燃料电池在发电过程中,既不需要锅炉、燃烧器等燃烧设备,也不需要汽轮机等高速旋转设备,因此,既不排放温室效应物质和有毒物质,也没有噪音干扰。

三是原燃料适应性强,燃料电池所用燃料可以多种多样,它都能“消化”,煤、油、气等都可以。

四是用途广,可用于宇宙航天、航空和地面动力供电,适于布置在城乡、海岛、居民区和企业内部热电负荷区。