燃料電池和蓄電池混合動力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(zhì)資源。

自古以來，材料、能源、資訊是人類社會進(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)，它的開發(fā)和利用狀況是衡量一個時代、一個國家經(jīng)濟發(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.與太陽有關(guān)的能源

地球每天接收的太陽能，相當(dāng)於全球一年所消耗的總能量的200倍。太陽發(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，太陽釋放巨大能量的時間還將持續(xù)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。2023/2/73太陽能的優(yōu)點：

1）它沒有一般煤炭、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(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。地球上的地?zé)豳Y源儲量也很大，按目前鑽井技術(shù)可鑽到地下10km的深度，估計地?zé)崮苜Y源總量相當(dāng)於世界年能源消費量的400多萬倍。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?nèi)剂献銐蛉祟愂褂玫接泳圩兡艿牡絹怼＞圩內(nèi)剂现饕请弯?，海水中氘的含量?.03g／L，據(jù)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2000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?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倍。按目前世界能源消費的水準(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-太陽相互聯(lián)繫有關(guān)的能源

地球、月亮、太陽之間有規(guī)律的運動，造成相對位置週期性的變化，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，而實際可用的只是淺海區(qū)那一部分，每年約為6000萬t煤。2023/2/771．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(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探索和開發(fā)新能源

所謂新能源指的是新近才利用的或正在開發(fā)研究的能源，這種能源包含有：太陽能核能沼氣風(fēng)能氫能地?zé)崮芎Ｑ竽?、地磁能?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)開拓，沿宏尺度領(lǐng)域向海洋和空間技術(shù)擴展。由此可見，新能源技術(shù)在現(xiàn)代高科技中佔有多麼重要的地位。新能源的應(yīng)用與發(fā)展，不僅會推動社會生產(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

太陽是一顆熾熱的恒星，蘊藏著無比巨大的能量。地球上除了地?zé)崮芎秃四芤酝?，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。

5.2太陽能的利用2023/2/711“陽燧取火”2023/2/712從太陽光譜分析中發(fā)現(xiàn)，氫和氦占整個太陽品質(zhì)96％，太陽能的來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(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8萬倍。2023/2/713我國戰(zhàn)國時代就已經(jīng)用金屬凹面鏡（即陽隧）聚焦太陽光用以點火，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光而點火。1837年英國天文學(xué)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(xiàn)了用拋物面反射陽光裝置，可使聚焦面溫度達(dá)500oC。1875年又出現(xiàn)了太陽能集能器。要充分收收集並使用太陽光發(fā)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(tǒng)，還要有把收集的熱能加以儲存和熱交換的設(shè)備。5.2.1光熱轉(zhuǎn)換1．太陽能光熱轉(zhuǎn)換的基本原理光熱轉(zhuǎn)換是把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成熱能，就是設(shè)法使太陽光聚集，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(gòu)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(yīng)用在太陽能聚光灶和太陽能高溫爐。2023/2/715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

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2．光熱轉(zhuǎn)換的應(yīng)用（1）太陽能熱電站。光熱轉(zhuǎn)換的最典型應(yīng)用是太陽能熱電站。這種既可發(fā)熱又可發(fā)電的裝置先將太陽光轉(zhuǎn)變成熱能，然後再通過機械裝置將熱能轉(zhuǎn)變成電能。其能量轉(zhuǎn)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(jīng)熱換器和汽輪發(fā)電機把熱能變成機械能，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(shù)採用在地面上設(shè)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?yōu)楦邏赫羝脕眚?qū)動汽輪機，再由汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。2023/2/717圖5-4太陽能熱電站2023/2/718（2）太陽能熱管。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(dá)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(dāng)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(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。

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5.2.2光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換就是把太陽的輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，所利用的原理就是“光電效應(yīng)”。太陽能電池就是利用光電效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，分結(jié)晶太陽能電池和非結(jié)晶太陽能電池兩種。（1）光伏電池，光生伏打效應(yīng)是指當(dāng)物體受到光照射時，物體內(nèi)部就會產(chǎn)生電流或電動勢的現(xiàn)象。（2）太陽能電池是半導(dǎo)體材料內(nèi)部光電效應(yīng)的產(chǎn)物，當(dāng)太陽光照射到矽半導(dǎo)體的pn結(jié)上時，波長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電子，價電子得到能量成為自由電子而逸出晶格，產(chǎn)生電子流動。2023/2/720

圖5-5太陽能電池板圖5-6裝有太陽能電池板的飛行器2023/2/721

以太陽能電池為動力的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。

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光化學(xué)轉(zhuǎn)換是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換方式主要是利用植物的光合作用。但通過綠色植物實現(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現(xiàn)。5.2.3光化學(xué)轉(zhuǎn)換2023/2/7235.2.4太陽能的其他應(yīng)用方式1．太陽池發(fā)電太陽池是吸收太陽能水池的簡稱。水準(zhǔn)如鏡的水池也能用來發(fā)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(fā)電，可以說是迄今為止將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的最美妙的構(gòu)想之一。太陽池發(fā)電的最突出優(yōu)點是構(gòu)造簡單，生產(chǎn)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(fā)電設(shè)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(fā)電，即使在夜晚和冬季也照?？梢岳?。因此，有人說太陽池發(fā)電是所有太陽能應(yīng)用中最為廉價和便於推廣的一種技術(shù)。2023/2/7242．太陽能氣流電站利用太陽能發(fā)電的方式很多，其中最為新奇的是太陽能氣流發(fā)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(yīng)稱其為太陽能氣流電站。

3．太陽能空間電力站把太陽能發(fā)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(xù)的缺點。

2023/2/7255.3核能的開發(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(qū)438座核電站在運行，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，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(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，並計算出反應(yīng)過程中釋放出了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(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾原子核，除產(chǎn)生兩個裂變原子核並釋放出能量外，還會產(chǎn)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(shù)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(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮哪芰酷尫懦鰜?，即核能?！版準(zhǔn)椒磻?yīng)”的發(fā)現(xiàn)為人類利用核能開闢了通路。核能的開發(fā)和利用就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。2023/2/7281905年，愛因斯坦提出質(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(xiàn)了它的和平利用，最主要的是通過核電站發(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?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：一是用強磁場把低密度的高溫重氫原子核長時間約束在容器內(nèi)使其發(fā)生聚變反應(yīng)，稱為磁約束受控核聚變。二是利用運動慣性把高密度的高溫重氫原子核在短時間內(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。

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新一代核聚變實驗裝置2023/2/7335.3.3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(shè)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(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，可以不靠人為操作或外部設(shè)備的強制性干預(yù)，而是依靠反應(yīng)堆的自然安全性和非能動安全性，使反應(yīng)堆趨於正常運行或完全停閉。2023/2/7345.4其他新能源的開發(fā)利用

5.4.1風(fēng)能

風(fēng)是地球上常見的一種自然現(xiàn)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(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)差異性大等特點從而影響了它的發(fā)展。2023/2/735風(fēng)能是蘊藏量大、分佈廣、可再生、無污染的能源，據(jù)估算，全世界可開發(fā)的風(fēng)力達(dá)2×1010kW，比地球上可開發(fā)的水力資源大10倍；據(jù)2005年的能源資源調(diào)查，我國的鋒利資源達(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)部蘊藏著巨大的熱能，人類很久以前開採溫泉洗澡、取暖、醫(yī)療等，但是把它視為一種儲量巨大、有經(jīng)濟競爭力的能源，特別是用來發(fā)電，還是20世紀(jì)初才開始的。地?zé)醽碓挫兜厍騼?nèi)部，地球是一個平均半徑為6370km的實心橢圓球體，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^機械能的中間轉(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美國加利福尼亞州的地?zé)岚l(fā)電廠圖5-14我國西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電

2023/2/7402．地?zé)釖衽責(zé)崮茉吹睦?，除用於發(fā)電外，地?zé)崮芄帷⒐┡?、供水是僅次於發(fā)電的地?zé)崮芾梅椒?。地?zé)崮茉谟脕頀衽⒐崾亲罱?jīng)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(jì)40年代就實現(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”，它是指通過植物的光合作用而將太陽的輻射能量以一種生物質(zhì)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(chǎn)生的排泄物和代謝物。生物質(zhì)能來源於太陽輻射能，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的太陽輻射能是當(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。這是最簡單的方法，但轉(zhuǎn)換效率很低，且污染環(huán)境，目前有的國家研究生物質(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)實途徑，而且潛力很大。據(jù)推測，我國的農(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，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、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(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，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(tài)儲存于水中。（5）品質(zhì)最純潔，本身無色、無臭、無毒，十分純淨(jìng)，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(chǎn)生熱能，也可以通過燃料電池和燃?xì)狻羝麥u輪發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。（7）儲運方便，可以用氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物形態(tài)加以運輸和儲存。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，必須通過科學(xué)方法，利用其他能源來制取。（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，高速通過磁場，切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，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)計將來還會再提高。（2）啟動快。在幾秒鐘的時間內(nèi)，磁流體發(fā)電就能達(dá)到滿功率運行，這是其他任何發(fā)電裝置無法相比的，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)洞試驗電源、鐳射武器的脈衝電源等。2023/2/751（3）去硫方便，對環(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也將硫回收了。從這一點來說，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）無高速旋轉(zhuǎn)部件，雜訊小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，體積和重量也大大減小。由於磁流體發(fā)電時的溫度高，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燃料電池和傳統(tǒng)電池的原理基本相同，也是通過電化學(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：（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)計將來可達(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)過程中只產(chǎn)生水蒸汽，所以不會污染環(huán)境，由於它沒有運動部件，自然不會產(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)電站用的時間短，而且還可根據(jù)需要隨時擴大規(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，可大大縮短建站時間，而且電站規(guī)?？呻S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(xiàn)大功率供電。目前，燃料電池主要在宇航工業(yè)、海洋開發(fā)和電氣貨車、通信電源等方面得到實際應(yīng)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。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)模實證示範(fàn)運行階段，預(yù)計將成為未來家庭的熱電聯(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）可用于新型車用動力，也是極有前途的動力裝置。2023/2/757

圖5-21質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機圖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)上把電流通過金屬導(dǎo)體時沒有電阻的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)。

電在金屬材料內(nèi)部流動時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，它們的電阻小到幾乎沒有。2023/2/7595.5.2超級電容技術(shù)及其應(yīng)用日益嚴(yán)重的石油危機與環(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(xiàn)已銷售1028萬輛。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(tǒng)。目前已研發(fā)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。2023/2/760

圖5-24超級電容動力模組圖5-23超級電容的工作原理2023/2/761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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)可達(dá)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(jīng)常性維護。（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）可實現(xiàn)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(shù)高。長期使用免維護，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。（8）清潔、環(huán)保。超級電容器所使用的活性炭材料無重金屬物質(zhì)，使用過程和使用後不會對環(huán)境造成二次污染。2023/2/7635.6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(qū)蘊藏量估計達(dá)數(shù)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巖芯。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(jīng)驗和技術(shù)。人們正在研究開採方法?？梢灶A(yù)料，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不