书城教材教辅青少年科普知识阅读手册——能源科学知识
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第16章

热喷涂是一种表面强化技术,是表面工程技术的重要组成部分,一直是我国重点推广的新技术项目。它是利用某种热源(如电弧、等离子弧或燃烧火焰等)将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面,沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。

热核实验反应堆

欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国代表达成协议,决定法国南部马赛附近的卡达拉舍成为国际热核实验反应堆的建设地。热核反应堆项目是利用核聚变技术获得能源。与目前核电站利用重金属元素原子核发生裂变反应而获得巨大能量不同的是,核聚变反应主要借助氢同位素。

专家估计,1千克核聚变燃料相当于1000万千克的石油燃料。此外,核聚变不产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,也不产生温室气体,基本不污染环境。因此,核聚变被认为是未来解决世界能源和环境问题最重要的途径之一。国际热核实验反应堆计划前期投资约46亿美元。工程建设从2005年开始,8~10年完成,最终总投资预计超100亿美元。这将是除国际空间站外规模最大的国际科技合作项目。

热辐射光源

热辐射光源利用物体通电加热至高温时辐射发光原理制成。这类灯结构简单,使用方便,在灯泡额定电压与电源电压相同的情况下即可使用。常用的有:

(1)白炽灯

内装钨质灯丝,发光效率为10~15流/瓦,色温2800开左右,显色性好,额定寿命为1000小时,中国已有由220伏15瓦~220伏1000瓦不同规格的系列产品。灯头形式有螺口式和卡口式两种。常用于室内一般照明,还可用于照度要求较低的室外照明。反射型白炽灯的光束定向发射,光能利用率高,一般用于橱窗、展览馆和需要聚光照明的场所。

(2)卤钨灯

内装钨质灯丝,并充以一定量的碘和溴或它们的化合物。卤钨灯利用卤钨循环化学反应原理,大大减少了钨丝的蒸发和灯泡发黑程度。卤钨灯的发光效率和额定寿命都比白炽灯高。卤钨灯常做成管状,尺寸小,功率为300~1000瓦,色温为2800~2900开,显色性好,额定寿命约1500小时,光通量稳定。多用于室内外大面积照明。

燃料电池

燃料电池可以用氢、联氨、甲醇、甲醛、甲烷、乙烷等做燃料,以氧气、空气、双氧水等为氧化剂。现在我们可以利用微生物的生命活动产生的所谓“电极活性物质”作为电池燃料,然后通过类似于燃料电池的办法,把化学能转换成电能,成为微生物电池。

燃料油

燃料油的性质主要取决于原油本性以及加工方式,而决定燃料油品质的主要规格指标包括粘度、硫含量、倾点等供发电厂等使用的燃料油,还对钒、钠含量作了规定。燃料油是成品油的一种,广泛用于电厂发电、船舶锅炉燃料、加热炉燃料、冶金炉和其他工业炉燃料。燃料油主要由石油的裂化残渣油和直馏残渣油制成的,其特点是粘度大,含非烃化合物、胶质、沥青质多。

燃气-蒸汽轮机

燃气-蒸汽轮机联合循环,是把燃气轮机和蒸气轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置,有时也简称为联合循环。为了提高热机的效率,应该尽可能地提高热机中的加热温度和降低排热温度。但蒸汽轮机和燃气轮机的热力循环都不能很好满足上述要求。如把它们结合起来,以燃气轮机的排热来加热蒸汽,就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。

联合循环的理论基础早已建立。热力学奠基人之一卡诺就提出过联合循环的概念。但是直到20世纪中叶,才开始有实用的联合循环动力装置。发展联合循环的关键是要研制出高温、高性能、大功率的燃气轮机。为了适应石油短缺的形势,在燃气轮机中有效烧煤也是一项关键技术。目前,世界各先进工业国家均已有定型联合循环机组产品。其中功率最大的已超过60万千瓦,最高热效率已高达47%以上。它作为热电并供机组使用,燃料利用率可高达80%左右,单机组最长运行时间已超过10万小时。热机的热效率要提高1%都是非常困难的,而联合循环却只要把燃气轮机和蒸汽轮机结合起来就可以大幅度节约能源。

人体能

科学家们发现,人类自身的生物能也是一种尚待开发的新能源。经精确测算:一个人在一昼夜浪费的能量,如转化为热能,可以把等于他体重的水由零度加热到50℃。一个人在一生中有1/3以上的能量被浪费了。如果将40亿人的这些能量加起来,相当于10座核电站发出来的电力。为此,科学家积极设法利用这种人体能。

美国的一家电信电话公司设计、建造了一座新颖的办公大楼,它利用在大楼里工作的3000多职工散发的热能,收集转换为电能,用来照明、打字,甚至还用来调节室内的温度,使之保持在18~29℃。

美国桑托斯公司的超级市场出入口处,装有转动门,地下室有一套能量收集器、转换器等装置,顾客在进出时推动转动门的能量即被收集起来。由于每天顾客很多,每年可以为该公司提供很大一部分电力。

人造太阳伞

1993年2月4日,俄罗斯科学家成功地在离地面350千米处张开一把特制的太阳伞,把阳光反射到地球上来,犹如在太空升起了一颗“人造月亮”。其亮度相当于月亮光2~3倍,在短短的6分钟里,它向处于黑夜的欧洲地区反射了一道约数千米宽的光带,从南向北依次照亮了里昂、日内瓦、伯尔尼、慕尼黑和白俄罗斯,6分钟后自行烧毁,完成神圣的使命。这是人类历史上利用太阳伞首次成功地反射阳光,它揭开了人类照明和能源史上的新的一页。

太阳伞其实是用很薄的涤纶反光膜制成,由无人驾驶“进步”号货运飞船携带到“和平”空间站后,在离“和平”站160米处,飞船头部卷筒以每秒570°的速度旋转,在离心力作用下将薄膜太阳伞打开,这顶太阳伞直径为22米,这时太阳伞距离“和平”号空间站320米,此时飞船卷筒旋转速度为每秒84°,足以使太阳伞绷紧,整个太阳伞重40千克,薄膜只重4000克。

人类平均能耗

世界各国能源消费水平有很大差距。据能源经济学者分析,现代化社会人口平均最低限度的能源消费量为1615千克标准煤,而美、英、德、法等国能源消费量平均每年每人为6700千克,超过最低限度4倍以上,美国超过7~8倍。这些发达国家人口只占世界人口的10%,而能源消费已达世界总能耗的40%。中国人口平均能耗仅有620千克,仅为最低限度的2/5。资料表明,现代化社会每年每人平均最低能耗1615千克标准煤中,衣108千克,食323千克,住323千克,行215千克,其他646千克。

人工能源

人工能源(二次能源)是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源,如煤气、汽油、煤油、柴油、电力、蒸汽、热水、氢气、激光等。其中,已被人类广泛利用并在人类生活和生产中起过重要作用的能源,称为常规能源,通常是指煤炭、石油、天然气、水能4种。而新近才被人类开发利用,有待于进一步研究发展的能量资源称为新能源,相对于常规能源而言,在不同的历史时期和科学技术水平情况下,新能源有不同的内容。

据世界能源会议统计,世界已探明可采煤炭储量共计15980亿吨,预计还可开采200年。探明可采石油储量共计1211亿吨,预计还可开采30~40年。探明可采天然气储量共计119万亿立方米,预计还可开采60年。探明可采铀储量合计235.6万吨(未包括中央计划国家),如果利用得好,可再用2400~2800年。全世界可开发水电装机容量共计22.6亿瓦,年发电量可达9800瓦,可长期开发利用。

为了缓解能源的供需矛盾,世界各国都在积极研究开发新能源,特别是再生能源,以保证人类长期稳定的能源供应。这方面的措施主要有,发展核能和利用太阳能、生物能、氢能、地热能、风能、潮汐能、海洋温差、波浪发电等。

人造能源“树”

德国人亨特·维格纳发明了一种人造能源“树”,“树”上的15片大叶子是聚酯制成的。他用这棵“树”来供应他家的暖气并使一个小游泳池保持一定的温度。叫它“树”是因它的样子像树。

能源树的供暖原理是:在有温差的情况下,热向冷转化。“树”本身中空,叶子中间也是空的,里面有一种水和防冻剂的混合液体。设在房子里的靠小量电能推动的热泵使液体温度始终比外界温度低5℃。

15片叶子从外界潮湿的气流中吸收热量,热泵又使液体温度重新下降,进行循环,由此获得的热量被输送到暖气片上或输入热储存器里储存。在外界温度接近0℃而潮湿空气能在叶子表面呈结晶状态时,能源树发挥的功能最佳。该树已经于1982年成批生产。

染料敏化电池

染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太阳电池,其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单,在大面积工业化生产中具有较大的优势,同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的,部分材料可以得到充分回收,对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M.Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来,欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。

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三相四线

在低压配电网中,输电线路一般采用三相四线,其中三条线路分别代表A,B,C三相,不分裂,另一条是中性线N(区别于零线,在进入用户的单相输电线路中,有两条线,一条我们称为火线,另一条我们称为零线,零线正常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路,而三相系统中,三相自成回路,正常情况下中性线是无电流的),故称三相四线制;在380V低压配电网中为了从380V相间电压中获得220V线间电压而设N线,有的场合也可以用来进行零序电流检测,以便进行三相供电平衡的监控。

三地率

依照现行体制,我国的成品油定价是以目标市场的成品油交易价格为基础,根据典型运杂费及国内关税,加上由国家确定的成品油流通费用,形成由国家发改委颁布的国内成品油零售中准价;再由中石油与中石化在中准价上下浮动8%的范围内,制定出旗下石油销售单位具体的成品油零售价格。这个目标市场价格是纽约、新加坡及鹿特丹三地市场前一个月成交价格加权平均后得出的价格(简称三地率)。当三地率波动超过8%时,国家发改委应相应调整国内零售中准价。

酸化

酸化是强化采油(EOR)的一种措施。酸化施工使用诸如水泥车、泵车一类的施工车辆,将酸性水溶液(如,盐酸、氢氟酸、有机酸)注入地层。注入的酸液会溶解地层岩石或胶结物,从而增加地层渗透率,使油气的产出、驱替水注入更加方便。在酸化施工中,为了提高酸化效果,可以采用聚合物稠化酸注入、有机缓速酸注入、变粘酸酸化、粘弹性表面活性剂酸化等新工艺。

生物质热裂解

生物质热裂解(又称热解或裂解),通常是指在无氧环境下,生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程,是生物质能的一种重要利用形式。

生物质热裂解技术是目前世界上生物质能研究的前沿技术之一。该技术能以连续的工艺和工厂化的生产方式将以木屑等废弃物为主的生物质转化为高品质的易储存、易运输、能量密度高且使用方便的代用液体燃料(生物油),其不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧,而且可通过进一步改进加工使液体燃料的品质接近于柴油或汽油等常规动力燃料的品质,此外还可以从中提取具有商业价值的化工产品。相比于常规的化石燃料,生物油因其所含的硫、氮等有害成分极其微小,可视为21世纪的绿色燃料。

生物油

生物质快速热解过程中,生物质原料在缺氧的条件下,被快速加热到较高反应温度,从而引发了大分子的分解,产生了小分子气体和可凝性挥发分子以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体,称之为生物油或焦油。生物油为深棕色或深黑色,并具有刺激性的焦味。通过快速或闪速热裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征:高密度(约1200Kg/m3);酸性(pH值为2.8~3.8);高水分含量(15%~30%)以及较低的发热量(14~18.5MJ/Kg)。

生物质

生物质是植物通过光合作用生成的有机物,它包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。生物质的能源来源于太阳,所以生物质能是太阳能的一种。生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器,生物质通过光合作用能够把太阳能富集起来,储存于有机物中,这些能量是人类发展所需能源的源泉和基础。生物质是地球上最广泛存在的物质,它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。各种生物质都具有一定能量。以生物质为载体,由生物质产生的能量便是生物质能。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,直接或间接来源于植物的光合作用。地球上的植物进行光合作用所消费的能量,占太阳照射到地球总辐射量的0.2%,这个比例虽不大,但绝对值很惊人:光合作用消费的能量是目前人类能源消费总量的40倍。可见,生物质能是一个巨大的能源。生物质能的主要来源有薪柴、牲畜粪便、制糖作物、城市垃圾和污水、水生植物等。

生物质能的利用

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计,生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分,到21世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

目前人类对生物质能的利用,包括直接用做燃料的有农作物的秸秆、薪柴等;间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等,它们通过微生物作用生成沼气,或采用热解法制造液体和气体燃料,也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。