現代科學技術通論 2017/3/18.

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1 現代科學技術通論 2017/3/18

2 第5章 能源科學與新能源技術 能源科學的內涵？ 何謂新能源？ 新能源有那些主要特徵？ 新能源的類型？ 怎樣開發利用新能源？
2017/3/18

3 5.1能源概說 能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質資源。
自古以來，材料、能源、資訊是人類社會進步發展的三大要素，其中能源是人類生存和發展不可缺少的物質基礎，它的開發和利用狀況是衡量一個時代、一個國家經濟發展和科學技術水準的重要標誌，直接關係到人們生活水準的高低。 2017/3/18

4 5.1.1能源的分類 1.與太陽有關的能源 地球每天接收的太陽能，相當於全球一年所消耗的總能量的200倍。太陽發光放熱的歷史已達四十多億年以上，據科學家們預計，太陽釋放巨大能量的時間還將持續幾十億年。因此，太陽可稱得上是人類取之不盡、用之不竭的能源寶庫。 2017/3/18

5 1）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產生的有害氣體和廢渣，因而不污染環境，被稱作“潔淨能源”。
太陽能的優點： 1）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產生的有害氣體和廢渣，因而不污染環境，被稱作“潔淨能源”。 2）太陽能到處都可以獲得，使用方便、安全。 3）成本低廉，可以再生。 2017/3/18

6 2．與地球內部的熱能有關的能源 地球是一個大熱庫，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噴出的岩漿就是地熱的表現。地球上的地熱資源儲量也很大，按目前鑽井技術可鑽到地下10 km的深度，估計地熱能資源總量相當於世界年能源消費量的400多萬倍。 2017/3/18

7 3．與原子核反應有關的能源 這是某些物質在發生原子核反應時釋放的能量。原子核反應主要有裂變反應和聚變反應。目前在世界各地運行的440多座核電站就是使用鈾原子核裂變時放出的熱量。世界上已探明的鈾儲量約490萬t，釷儲量約275萬t。這些裂變燃料足夠人類使用到迎接聚變能的到來。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量為0.03g／L，據估計地球上的海水量約為138億億m3，所以世界上氘的儲量約40萬億t；地球上的鋰儲量雖比氘少得多，也有2 000多億t，用它來製造氚，足夠人類過渡到氘、氚聚變的年代。這些聚變燃料所釋放的能量比全世界現有能源總量放出的能量大千萬倍。按目前世界能源消費的水準，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。 2017/3/18

8 與上述三類能源相比，潮汐能的數量很小，全世界的潮汐能折合成煤約為每年30億t，而實際可用的只是淺海區那一部分，每年約為6 000萬t煤。
4．與地球-月球-太陽相互聯繫有關的能源 地球、月亮、太陽之間有規律的運動，造成相對位置週期性的變化，它們之間產生的引力使海水漲落而形成潮汐能。 與上述三類能源相比，潮汐能的數量很小，全世界的潮汐能折合成煤約為每年30億t，而實際可用的只是淺海區那一部分，每年約為6 000萬t煤。 2017/3/18

9 5.1.2人類面臨著能源挑戰 1．非再生能源資源面臨枯竭的危險 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環境構成嚴重威脅 燃燒化石燃料給環境造成的危害是當今世界性的嚴重問題。常規能源的生產和利用是產生公害的重要原因。 常規能源中煤、石油耗量的增加導致大氣中二氧化碳濃度相應增加，使全球氣溫隨之升高，即產生“溫室效應”。 2017/3/18

10 5.1.3探索和開發新能源 所謂新能源指的是新近才利用的或正在開發研究的能源，這種能源包含有： 太陽能 核能 沼氣 風能 氫能 地熱能
海洋能、地磁能等 2017/3/18

11 現代高科技的發展序列是： 以資訊技術為先導，以新材料技術為基礎，以新能源技術為支柱，沿微尺度領域向生物技術開拓，沿宏尺度領域向海洋和空間技術擴展。由此可見，新能源技術在現代高科技中佔有多麼重要的地位。 新能源的應用與發展，不僅會推動社會生產力的發展，而且將使人類從有限的一次性能源的使用，轉向多樣化的、再生的、取之不盡的潔淨能源的使用。這樣，在未來世紀中，人們可以不再為能源的枯竭、環境的污染和生態的破壞而擔憂。 2017/3/18

12 5.2太陽能的利用 太陽是一顆熾熱的恒星，蘊藏著無比巨大的能量。地球上除了地熱能和核能以外，所有能源都來源於太陽能，因此可以說太陽能是人類的“能源之母”。 地球上萬物生長都依賴太陽的光和熱，沒有太陽能，就不會有人類的一切。 2017/3/18

13 “陽燧取火” 2017/3/18

14 從太陽光譜分析中發現，氫和氦占整個太陽品質96％，太陽能的來源主要是氫原子核間的高溫熱核聚變反應所釋放的輻射能，這種熱核反應不停地進行著，所以太陽不斷地向宇宙空間輻射出巨大的能量。其輻射功率約為3.8×1023 kW。能達到地球大氣層的能量僅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，真正能夠達到地面的輻射功率仍高達8.0×1013 kW，相當於目前地球上總發電功率的8萬倍。 2017/3/18

15 5.2.1光熱轉換 1．太陽能光熱轉換的基本原理 光熱轉換是把太陽輻射能直接轉換成熱能，就是設法使太陽光聚集，用以加熱某物體獲得熱能。 我國戰國時代就已經用金屬凹面鏡（即陽隧）聚焦太陽光用以點火，又據晉代《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光而點火。 1837年英國天文學家赫胥黎在去非洲探險途中首先使用太陽灶燒飯。 1860年出現了用抛物面反射陽光裝置，可使聚焦面溫度達500ºC。 1875年又出現了太陽能集能器。要充分收收集並使用太陽光發揮熱能效益，就必須採取能把太陽光反射並集中在一起、變成熱能的系統，還要有把收集的熱能加以儲存和熱交換的設備。 2017/3/18

16 聚光裝置有平板型集熱器和抛物面型反射聚光器。太陽能熱水器就是最簡單的平板型集熱器，它由塗黑的采熱板及與采熱板接觸的水構成，用透明蓋層與外界隔開，防止散熱。輸人冷水後，可以得到較高溫度的水。
利用平板型太陽集熱器可以製造各種太陽能熱水器滿足各方面的熱水需要。截止1994年底，我國安裝太陽熱水器面積近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，採用反射或折射器使陽光改變方向，集中照射在吸熱物體上，吸熱體面積小於採光面積，聚焦處可得到較高溫度，一般應用在太陽能聚光灶和太陽能高溫爐。 2017/3/18

17 圖5-2立柱式單碟太陽能聚光器 圖5-3槽式太陽能聚光器
圖5-2立柱式單碟太陽能聚光器 圖5-3槽式太陽能聚光器 2017/3/18

18 2．光熱轉換的應用 （1）太陽能熱電站。光熱轉換的最典型應用是太陽能熱電站。這種既可發熱又可發電的裝置先將太陽光轉變成熱能，然後再通過機械裝置將熱能轉變成電能。其能量轉換的過程是：利用集熱器（聚光鏡）和吸熱器（鍋爐）把分散的太陽輻射能彙聚成集中的熱能，經熱換器和汽輪發電機把熱能變成機械能，再變成電能。它與一般火力發電廠的區別在於，其動力來源不是煤或燃油，而是太陽的輻射能。一般來說，太陽能電站多數採用在地面上設置許多聚光鏡，以不同角度和方向把太陽光收集起來，集中反射到一個高塔頂部的專用鍋爐上，使鍋爐裡的水受熱變為高壓蒸汽，用來驅動汽輪機，再由汽輪機帶動發電機發電。 2017/3/18

19 圖5-4太陽能熱電站 2017/3/18

20 （2）太陽能熱管。又叫真空集熱管，它在結構上與平常所用的熱水瓶相似，但熱水瓶只能用來保溫，而太陽能熱管卻能巧妙地吸收太陽的熱能，即使陽光很微弱，它也能達到較高的溫度。
熱管有一個透明的玻璃管殼，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。當陽光照在熱管上，吸熱管的塗層就能大量吸收光能，並將光能轉變成熱能，從而使吸熱管內裝的液體或氣體的溫度升高。 2017/3/18

21 （1）光伏電池，光生伏打效應是指當物體受到光照射時，物體內部就會產生電流或電動勢的現象。
5.2.2光電轉換 光電轉換就是把太陽的輻射能直接轉換成電能，所利用的原理就是“光電效應”。太陽能電池就是利用光電效應將太陽輻射直接轉換成電能的裝置，分結晶太陽能電池和非結晶太陽能電池兩種。 （1）光伏電池，光生伏打效應是指當物體受到光照射時，物體內部就會產生電流或電動勢的現象。 （2）太陽能電池是半導體材料內部光電效應的產物，當太陽光照射到矽半導體的pn結上時，波長極短的光很容易被半導體晶體內部吸收。並去碰撞矽原子中的價電子，價電子得到能量成為自由電子而逸出晶格，產生電子流動。 2017/3/18

22 圖5-5太陽能電池板 圖5-6裝有太陽能電池板的飛行器 2017/3/18

23 以太陽能電池為動力的j轎車，已經在墨西哥試製成功。這種汽車的外形像一輛三輪摩托車，在車頂上架了一個裝有太陽能電池的大篷。在陽光照射下，太陽能電池供給汽車電能，使汽車以40km/h的速度向前行駛。
2017/3/18

24 5.2.3光化學轉換 光化學轉換是將太陽輻射能直接轉換為化學能，實現這種轉換方式主要是利用植物的光合作用。但通過綠色植物實現光－化學轉換不能完全受人控制，是非完全可控的能量轉換過程。完全可控的光化學轉換只有類比綠色植物的光合作用才能實現。 2017/3/18

25 5.2.4太陽能的其他應用方式 1．太陽池發電 太陽池是吸收太陽能水池的簡稱。水準如鏡的水池也能用來發電，這可能是許多人沒有想到的。因此，利用水池收集太陽能發電，可以說是迄今為止將太陽輻射能轉換為電能的最美妙的構想之一。 太陽池發電的最突出優點是構造簡單，生產成本低；它幾乎不需要價格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑膠一類的材料，只要一處淺水池和發電設備即可；另外它能將大量的熱儲存起來，可以常年不斷地利用陽光發電，即使在夜晚和冬季也照常可以利用。因此，有人說太陽池發電是所有太陽能應用中最為廉價和便於推廣的一種技術。 2017/3/18

26 2．太陽能氣流電站 利用太陽能發電的方式很多，其中最為新奇的是太陽能氣流發電。由於這種電站有一個高大的“煙囪”，所以也被稱作太陽能煙囪電站。太陽能電站既不燒煤，也不用油，所以這個煙囪並非是用來排煙的，而是用它抽吸空氣，所以確切點說應稱其為太陽能氣流電站。 3．太陽能空間電力站 把太陽能發電站搬到宇宙空間去，以便得到更多的太陽能。而且這樣還能避免地面太陽能電站接收太陽光時斷時續的缺點。 2017/3/18

27 5.3核能的開發和利用 核能是人類解決能源問題的希望! 截止2006年12月，全世界已有37個國家或地區
核能俗稱原子能，它是指原子核發生裂變或聚變時所放出的能量。 核能分為兩類: 一類叫核裂變能，是指重元素（鈾或鈈等）的原子核發生裂變時放出的能量。 另一類叫聚變能，是指輕元素（氘和氚）的原子核發生聚變反應時放出的能量。 核能是人類解決能源問題的希望! 截止2006年12月，全世界已有37個國家或地區 438座核電站在運行，正在建造核電站61座， 核發電量占世界總發電量的17％以上 。 2017/3/18

28 5.3.1核裂變能 一切物質都是由原子組成的，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。原子核由不同數量的質子與中子組成，質子與中子統稱為核子，核子間靠核力緊密結合在一起。把這種使核子凝聚在一起的能量稱為“結合能”，原子只有在受外力作用時，才能釋放出能量。 1898年12月，波蘭科學家居里夫人發現放射性元素鐳，並發現鐳在蛻變時伴隨著能量的釋放。 2017/3/18

29 鏈式反應 用高速運動的帶電粒子轟擊原子核可使能量釋放出來，但命中率太低，直到1938年12月22日德國放射化學家哈恩和奧地利籍猶太人邁特納兩位科學家在《自然》上發文確認：鈾核在中子的轟擊下分裂成了品質相近的兩塊碎片，並計算出反應過程中釋放出了2 MeV的能量。 居里夫人的女兒伊倫·約裡奧·居裡和費米等人此前也在著手從裂變中尋找自由中子，並幾乎與之同時得到肯定的答案。他們發現用中子轟擊鈾原子核，除產生兩個裂變原子核並釋放出能量外，還會產生出兩三個新的中子來，這兩三個中子再轟擊兩三個鈾核，再分裂出更多的中子。如此按幾何級數陡增的眾多中子可使鈾核瞬間全部分裂，在這過程中，失去的品質轉變為巨大的能量釋放出來，即核能。 “鏈式反應”的發現為人類利用核能開闢了通路。核能的開發和利用就是在這樣的基礎上產生和發展起來的。 2017/3/18

30 1905年，愛因斯坦提出質能關係式: E =mv2 從理論上預示了核能利用的可能性，為核能的利用打開了大門。核能的成就雖然首先用於軍事目的，但此後很快就實現了它的和平利用，最主要的是通過核電站發電。 2017/3/18

31 核 反 應 堆 2017/3/18

32 圖5-10正在建設的熱中子轉換堆 2017/3/18

33 5.3.2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（幾千萬度或上億度）下聚合成較重原子核（如氦）過程中釋放出來巨大能量。
建立受控熱核聚變反應裝置，使核聚變順從地在人為的控制下進行 。 兩種可能的途徑： 一是用強磁場把低密度的高溫重氫原子核長時間約束在容器內使其發生聚變反應，稱為磁約束受控核聚變。 二是利用運動慣性把高密度的高溫重氫原子核在短時間內約束住，使其形成微型爆炸式的聚變反應，稱為慣性約束核聚變。 2017/3/18

34 新 一 代 核 聚 變 實 驗 裝 置 2017/3/18

35 （1）核電站不會像原於彈那樣爆炸，建造核電站的設計和使用的材料、燃料等都與原子彈完全不同，其工作方式和介質也不一樣，不可能發生核爆炸。
5.3.3核能利用的安全性 （1）核電站不會像原於彈那樣爆炸，建造核電站的設計和使用的材料、燃料等都與原子彈完全不同，其工作方式和介質也不一樣，不可能發生核爆炸。 （2）核能應用的安全保障措施：今後發展的先進核反應爐是“固有安全性”的反應堆，即當反應出現異常情況時，可以不靠人為操作或外部設備的強制性干預，而是依靠反應堆的自然安全性和非能動安全性，使反應堆趨於正常運行或完全停閉。 2017/3/18

36 5.4其他新能源的開發利用 5.4.1風能 風是地球上常見的一種自然現象，它是由太陽輻射熱引起的。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。 西元前，風車提水、磨米和風帆助航等是人類利用風能的較早形式。風能存在能量密度低、不穩定、地區差異性大等特點從而影響了它的發展。 2017/3/18

37 風能是蘊藏量大、分佈廣、可再生、無污染的能源，據估算，全世界可開發的風力達2×1010 kW，比地球上可開發的水力資源大10倍；據2005年的能源資源調查，我國的鋒利資源達10億kW的資源潛力。在現代科技的支持下，風能正在成為新能源的重要成員。 2017/3/18

38 風能的利用主要有以下幾種形式： （1）風能轉換成機械能。 （2）風能轉換成電能。 2017/3/18

39 5.4.2地熱能 地球內部蘊藏著巨大的熱能，人類很久以前開採溫泉洗澡、取暖、醫療等，但是把它視為一種儲量巨大、有經濟競爭力的能源，特別是用來發電，還是20世紀初才開始的。 地熱來源於地球內部，地球是一個平均半徑為6 370 km的實心橢圓球體，其構造分為三層，地殼、地幔、地核。地殼厚度不均，幾千米至幾十千米。地球內部熱量來自地殼下放射性元素緩慢放射性衰變不斷釋放的熱量。 2017/3/18

40 地熱發電的基本原理和一般人力發電一樣，是利用地熱能通過機械能的中間轉換產生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱能直接取自於地熱流體。
1．地熱發電 地熱發電的基本原理和一般人力發電一樣，是利用地熱能通過機械能的中間轉換產生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱能直接取自於地熱流體。 （1）地熱幹蒸汽發電。 （2）地下熱水（濕蒸汽）發電。 2017/3/18

41 圖5-13美國加利福尼亞州的地熱發電廠 圖5-14我國西藏羊八井地熱發電 2017/3/18

42 2．地熱採暖 地熱能源的利用，除用於發電外，地熱能供熱、供暖、供水是僅次於發電的地熱能利用方法。地熱能在用來採暖、供熱是最經濟、最簡便、最有效的用途，採用這種利用方式的國家很多，最典型的國家是冰島，首都雷克雅維克在20世紀40年代就實現了“天然暖氣化”，是世界最清潔的城市之一。 2017/3/18

43 5.4.3生物質能和石油植物能源 1．生物質能 生物質能又稱“綠色能源”，它是指通過植物的光合作用而將太陽的輻射能量以一種生物質形式固定下來的能源。它包括世界上所有的動物、植物和微生物，以及這些生物產生的排泄物和代謝物。生物質能來源於太陽輻射能，是取之不盡的再生能源，據推算，地球上每年由植物固定下來的太陽輻射能是當今世界年能耗總量的10倍多。 2017/3/18

44 生物質能的轉換技術： （1）直接燃燒，獲取熱量。這是最簡單的方法，但轉換效率很低，且污染環境，目前有的國家研究生物質壓塊燃料以提高熱效。
（2）生物轉換技術。通過微生物發酵方法將生物質轉換成液體或氣體燃料。我國農村廣泛使用的“沼氣”就是這種轉換。沼氣發酵原料十分廣泛而豐富，這是解決農村能源和處理城市垃圾變廢為寶的現實途徑，而且潛力很大。據推測，我國的農作物廢棄物和人畜糞便等如全部入池發酵，每年可制取1011 m3沼氣。從20世紀80年代以來，沼氣的利用已從生活領域走向生產領域，從農村走向城鎮。 （3）化學轉換技術。通過化學方法使生物質轉換成燃料物質，化學方法目前有三種：有機溶劑提取法、氣化法、熱分解法。 2017/3/18

45 2．石油植物 　　 所謂“石油植物”，是指那些可以直接生產工業用“燃料油”，或經發酵加工可生產“燃料油”的植物的總稱。例如，現已發現的大量可直接生產燃料油的植物，主要分佈在大戟科，如綠玉樹、三角戟、續隨子等。這些石油植物能生產低分子量氫化合物，加工後可合成汽油或柴油的代用品。 2017/3/18

46 圖5-15種植的石油植物 圖5-16狗仔花——一種石油植物
圖5-15種植的石油植物 圖5-16狗仔花——一種石油植物 2017/3/18

47 （4）來源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態儲存于水中。
5.4.4氫能 1．氫能的特點 在眾多的能源品種中，人們一直在選擇能量最大、使用方便、來源豐富和沒有污染的持久能源，這就是氫能。氫在常溫常壓下是氣體狀態，在超低溫高壓下又可成為液態。 （1）品質最輕，它的原子序數為1。 （2）熱值高，是汽油熱值的3倍。 （3）爆發力強，極易燃燒，且燃燒速度快。 （4）來源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態儲存于水中。 （5）品質最純潔，本身無色、無臭、無毒，十分純淨，燃燒後生成們水而無碳化物污染。 （6）能量形式多，可通過燃燒產生熱能，也可以通過燃料電池和燃氣—蒸汽渦輪發電機轉換成電能。 （7）儲運方便，可以用氣態、液態或固態金屬氫化物形態加以運輸和儲存。 2017/3/18

48 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，必須通過科學方法，利用其他能源來制取。
2．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，必須通過科學方法，利用其他能源來制取。 （1）水解法制氫。 （2）生物制氫技術。 2017/3/18

49 圖5-18生物制氫裝置 圖5-17生物制氫的反應過程 2017/3/18

50 5.4.5磁流體發電技術 磁流體發電是一種可靠的新發電技術，可以將燃料熱能直接轉變成電能。
磁流體發電是首先對燃料（石油、天然氣、煤）進行高溫加熱，直至電離成導電的等離子氣體，高速通過磁場，切割磁感應線產生感應電動勢，這樣直接將熱能轉換成電能。由於磁流體發電排氣溫度很高，如果與常規汽輪發電廠聯合迴圈發電，可將燃料熱能利用率從40％提高到60％。 磁流體發電技術是一種新的能源轉換方式，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，可大大減輕對大氣的污染。 2017/3/18

51 圖5-19磁流體發電工作原理圖 2017/3/18

52 磁流體發電的優越性： （1）綜合效率高。磁流體的熱效率可以從火力發電的30%～40％提高到50%～60％，預計將來還會再提高。
（2）啟動快。在幾秒鐘的時間內，磁流體發電就能達到滿功率運行，這是其他任何發電裝置無法相比的，因此，磁流體發電不僅可作為大功率民用電源，而且還可以作為高峰負荷電源和特殊電源使用，如作為風洞試驗電源、鐳射武器的脈衝電源等。 2017/3/18

53 （3）去硫方便，對環境污染少。磁流體發電雖然也使用煤炭、石油等燃料，但由於它使用的是細煤粉，而且高溫氣體還摻雜著少量的鉀、鈉和銫的化合物等，容易和硫發生化學反應，生成硫化物，在發電後回收這些金屬的同時也將硫回收了。從這一點來說，磁流體發電可以充分利用含硫較多的劣質煤。另外，由於磁流體發電的熱效率高，因而排放的廢熱也少，產生的污染物自然就少多了。 （4）無高速旋轉部件，雜訊小，設備結構簡單，體積和重量也大大減小。由於磁流體發電時的溫度高，所以可將磁流體發電與其他發電方式聯合組成效率高的大型發電站，作為經常滿載運行的基本負荷電站。 2017/3/18

54 5.4.6燃料電池發電技術 1．燃料電池的工作原理與特點
燃料電池和傳統電池的原理基本相同，也是通過電化學反應把物質的化學能轉換成電能。所不同的是，傳統電池是將內部物質事先充填好，而燃料電池進行化學反應所用的物質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電，所以人們稱它為燃料電池。 2017/3/18

55 圖5-20燃料電池的工作原理 2017/3/18

56 燃料電池優點： （1）發電效率高，而且穩定。一般的火力發電的能源轉換效率只有30%～40％，而燃料電池在所有的發電裝置中轉換效率是最高的，目前已達到50%～70％，預計將來可達到80％。 （2）工作可靠，不產生污染和雜訊。燃料電池在反應過程中只產生水蒸汽，所以不會污染環境，由於它沒有運動部件，自然不會產生雜訊。 （3）使用方便，電損耗低。燃料電池可以安裝在用戶跟前，既簡化了輸電設備，又降低了輸電線路的電損耗。 2017/3/18

57 （4）建發電站用的時間短，而且還可根據需要隨時擴大規模。燃料電池本身是由模組組合件構成的，幾百上千瓦的發電部件可以預先在工廠裡做好，然後再把它運到燃料電池發電站去進行組裝。因此，可大大縮短建站時間，而且電站規模可隨著電力需求量的增加不斷擴大。 （5）它的體積小、重量輕、使用壽命長，單位體積輸出的功率大，可以實現大功率供電。目前，燃料電池主要在宇航工業、海洋開發和電氣貨車、通信電源等方面得到實際應用。例如，美國的一艘潛艇用燃料電池代替鉛蓄電池後，其潛水時間增加了3倍。 2017/3/18

58 2．質子交換膜燃料電池 質子交換膜燃料電池又稱為固體高分子燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，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電裝置已經進入大規模實證示範運行階段，預計將成為未來家庭的熱電聯合供應裝置，其前景極其廠闊。另一方面中功率質子交換膜燃料電池（50～90kW）可用于新型車用動力，也是極有前途的動力裝置。 2017/3/18

59 圖5-21質子交換膜燃料電池發動機 圖5-22燃料電池堆
圖5-21質子交換膜燃料電池發動機 圖5-22燃料電池堆 2017/3/18

60 科學上把電流通過金屬導體時沒有電阻的現象叫做超導。
5.5節能技術 5.5.1超導技術 科學上把電流通過金屬導體時沒有電阻的現象叫做超導。 電在金屬材料內部流動時的電阻大小跟材料的溫度高低密切相關，例如，水銀、鉛的電阻隨著溫度降低而逐漸變小，到了-269℃時，它們的電阻小到幾乎沒有。 2017/3/18

61 5.5.2超級電容技術及其應用 日益嚴重的石油危機與環保壓力，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、電動汽車、混合動力汽車、代用燃料汽車等。1997年豐田汽車公司的混合動力（Hybrid）轎車，現已銷售1 028萬輛。 全球各大汽車公司紛紛推出各種混合動力汽車。最早豐田汽車公司推出的是汽油機和蓄電池混合動力系統。目前已研發的有柴油機和蓄電池混合動力、汽油機和超級電容器混合動力、柴油機和超級電容器混合動力、蓄電池和超級電容器混合動力、燃料電池和蓄電池混合動力。 2017/3/18

62 圖5-24超級電容動力模組 圖5-23超級電容的工作原理 2017/3/18

63 超級電容的特點： （1）充電速度快。充電10～600s。超級電容器可在很短時間完成一個充放電迴圈；遠遠低於可充蓄電池，可很好滿足電動車的起動、爬坡要求。 （2）迴圈壽命長。充放電次數可達5～50萬次，比目前最好蓄電池要高出100倍，在使用過程中不需要經常性維護。 （3）轉換效率高。大電流能量迴圈效率高達90％以上。 2017/3/18

64 （4）規律密度大。超級電容器放電電流可達上百安。大電流應用，特別是高能脈衝環境可更好滿足功率要求，相當於蓄電池5～10倍。
（5）可實現能量回收利用。車輛制動、減速、下坡時制動能量回收。 （6）安全係數高。長期使用免維護，安全可靠。 （7）適用溫度寬。可在40～60℃範圍內使用 低溫特性好。可滿足車輛在低溫環境下起動。 （8）清潔、環保。超級電容器所使用的活性炭材料無重金屬物質，使用過程和使用後不會對環境造成二次污染。 2017/3/18

65 5.6未來的新能源 5.6.1可燃冰能源 地球上可燃冰礦的蘊藏量十分驚人。美國和加拿大沿海地區蘊藏量估計達數百億立方米，可供開採幾百年。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岩芯。新西蘭、印度、日本等國都有可燃冰礦存在。 只是目前世界上還沒有開採冰礦的經驗和技術。人們正在研究開採方法。可以預料，隨著科學技術的進一步發展，不遠的將來，這一難題會得到解決。到那時，人類就可以用冰做飯、取暖、煉鋼、發電。 2017/3/18

66 5.6.2地球發電機 地球是一個龐大的天然磁體，但它的磁場卻比較弱，總磁場強度不過0.6 A/m。地球磁場的強度由奧斯特換算為伽瑪，則是6×104 伽瑪。然而，地球卻在不停地轉動，它每23h56min便自轉1周，所具有的動能為2.58×1029J，是一個很大的數值。具有磁場的天體旋轉時，由於單極感應作用，就會產生電動勢。如果我們把整個地球作為發電機的轉子，以南北兩極為正極，以赤道為負極，理論上可以獲得10萬V左右的電壓。這便是人們把地球本身當作一個巨大的發電機的一種設想。 2017/3/18

67 5.6.3束能 通過聚焦技術，把無線電波緊縮在一起，成為一種能，這種能叫做束能。 對微波聚焦，使它們成為微波束能。
20世紀70年代，美國計畫在衛星上建造太陽能電站。電站上有兩塊巨大的矩形電池帆板，它們將太陽光轉換成電。在電池帆板之間的微波輻射無線將電通過波發生裝置變成微波能，再由微波天線聚成微波束能，發射到地面。地面接收站把接收天線收到的微波束能轉換成電，供人們使用。 2017/3/18

68 5.6.4潛能 把核燃料發射到黑洞上，由黑洞內巨大的引力壓縮核燃料，迫使其實現核聚變反應，釋放巨大的能量，人造衛星電站接收能量反射到地面。科學家把這種能量稱作潛能。 2017/3/18

69 “反物質”能源 反物質經由茫茫的宇宙，進入正物質組成的世界，在正物質的引力作用下，與正物質相撞，一瞬間，正反物質全部轉化為巨大的能量，周圍大氣的溫度急劇上升，產生劇烈膨脹而發生大爆炸。正反物質的這種反應叫做“湮沒”反應，在反應過程中全部物質都轉化為能量。 2017/3/18

70 何謂反物質？ 反物質的內部組成與正物質正好相反。正物質的原子是由帶正電荷的質子和帶負電荷的電子組成的，而反物質的原子卻是由帶負電荷的質子和帶正電荷的電子組成的。所以，反物質受力後，它的運動方向跟正物質的運動方向完全相反。當你向前推它，它卻往後靠；當你往南推它，它卻向北移動。正反物質在短距離內是“水火不相容”的，它們很難同時存在，一旦相遇，就相互吸引，通過碰撞而同歸於盡，同時放出大量的能量。在我們所處的半個宇宙中，只有正物質存在，而離我們非常遙遠的另半個宇宙中，卻是反物質的世界。 2017/3/18

71 利用反物質的特性，利用物質和反物質在湮沒過程中釋放的巨大能量，把反物質作為未來能源，前景太美妙了。把反物質跟化學燃料相比較，後者實在相差得太大了。比如，把太空梭、巨型火箭送上太空，若使用液體化學燃料大概需200 t，如果換用反物質，只需10mg（相當於小小的一粒鹽）就足夠了。 2017/3/18