书城科普读物新编科技大博览(A卷)——日益重要的环境科学
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第26章 绿色革命(6)

芬兰发明一种手提式“家用太阳能电站”,在其蓄电器里装有半导体硅光电网路,藉以吸收太阳光并转换成电能,足够电剃须刀、电脑和电视机等使用3~4小时,同时还能为收音机的干电池充电。

美国加州公用局正在同德克萨斯仪器公司联合开发一种太阳光发电装置,拟在加州的阳光地带推广。每个住户在自家的屋顶上安装一台0.9平方米的太阳光发电装置,每年可发电2000度,相当于每个住房用户平均用电量的1/3,而装置的价格还不足3000美元。

地热能发电

地热能是蕴藏在地球内部的热能,来自核放射性元素的蜕变反应。地热随地下深度而异,每深30米,地下水温约升高1℃,距地面5公里深处的温度可达300℃,距地面35公里处,温度高达1100—1300℃。估计每年从地球内部传到表面的热量相当于370亿吨煤燃烧所放出的热量,是地球全部煤储藏量的几亿倍。在北喷发的火山熔岩。这里蕴藏着巨大的地热资源。

极的冰岛首府,地下就像个大锅炉,到处有热水,居民不用燃煤,也不用石油,可以从深井里抽出热水取暖,烘干谷物和发电照明。所以,地热能的开发和利用有着非常广阔的前景。

利用地热发电,是开发地热能的主要途径。从1904年意大利建成第一座小型地热电站到现在,虽然只有100多年的历史,但发展很快,到1975年,世界上已有30多座地热电站,总容量已达140万千瓦。

地热发电与其他类型的电站相比,具有建设成本低的优点。同时,由于它不需要任何燃料,也就不存在由于燃料的燃烧而引起的污染问题。

根据地热资源的不同情况,地热发电可分为蒸汽型和热水型两种。

蒸汽型发电的蒸汽是地球深部的断层供给的。如果蒸汽不掺杂热水,就可以直接通过地热井引入汽轮机组发电。但这种干蒸汽的地热资源较少,且大多存在于地层较深处,所以开发利用有一定困难。目前,世界上的地热电站大多属于热水型。

热水型地热发电,要求地下热水贮藏深度在1500米左右,温度在150—300℃,溶解盐类的含量不超过一定的百分比。从蒸汽井里喷出的汽水混合物里分离出的蒸汽引入汽轮发电机组即可发电。

我国地热资源非常丰富,仅天然露出的地热泉就有2000多个。北京、天津、西藏、广东、河北、福建、湖南等20个省市都在积极开发利用地热。广东是地下热水最丰富的省分之一,我国最早的地热发电站就建在该省的丰顺县境内。西藏有个羊八井,那里既没有庞大的锅炉,也没有煤栈,却能不断地输送出电来,这就是全国闻名的羊八井地热电站。

生物质能发电

所谓生物质能是指从生物质转化产生的能。常用的生物质包括植物——农作物、薪材、草、木、人畜粪便、工农业有机废物、有机废水等。这些生物质能都直接或间接地(经过人和动物的消化或工农业加工)来源于绿色植物,来源于太阳能,因此,它又称“绿色能源”,实质上它是物化的太阳能。据计算,每年全球靠光合作用可产生生物质能1200亿吨,其所含能量是当前全球能耗总量的5倍。

由于生物质能的数量巨大,同时转化过程中很少或不产生污染物,世界各国都正在开发深度利用高效生物能的转换技术,使生物质成为具有广泛用途的热能、电能和动力用燃料,转化技术有下面两种:

通过液化将生物质转化为酒精。燃烧1千克酒精,可以放出29726千焦的热量,比普通煤的发热量高。而且酒精是液体能源,便于使用、贮存、运输。普通汽油发电机稍加改装,就可以用纯酒精作燃料。如果用汽油和酒精的混合物来开汽车,汽车发电机甚至不需改装就可以使用。1升酒精可以驱动汽车在公路上行使16千米。

酒精是用淀粉、糖等有机物经过微生物发酵作用生产出来的。含有淀粉和糖的生物质很多,包括甘蔗、甜菜、玉米、高粱、木薯、马铃薯以及水草、藻类等,它们都可以是生产酒精的原料。

巴西在这方面获得了巨大的成就,早在1975年,巴西就制定了“酒精计划”,逐步用酒精或酒精和汽油的混合物部分替代了石油,解决了交通用能供应的问题,目前巴西有90%的小汽车用酒精做燃料。美国目前有30%的汽油掺有酒精,酒精的掺入量约为10%左右。

通过发酵过程制作以甲烷为主的沼气。我国每年作为农家燃料烧掉的柴草合标准煤2亿吨,占全国总能耗的15%。但能量的利用效率比较低。

利用人畜粪便和秸秆为主要原料发展沼气池,既解决了家用燃料问题,又保持了农田肥力,减少化肥对水的污染。1990年,我国就有400多万户使用小沼气池,年产沼气10多亿立方米,沼气电站装机2000多千瓦,我国目前是户用沼气池最多的国家。

目前,我国很多的大型城市污水处理厂,利用处理厂中的固体废物进行沼气发酵,产生的沼气用来发电。在英国的5000多个污水处理厂中,有1/3是用通过发酵所产生的沼气作为动力的。法国在南部利摩日地区建造了两座垃圾发酵处理站,每年处理垃圾8.45万吨,每小时生产沼气800立方米,这些沼气已供一些工厂和煤气公司使用。

如过去的10多年中,美国已建成生物发电的容量达400多万千瓦,主要是采用木材及木制品工业废料气化后的气体燃料发电。国外结合治理城市环境污染,开始进行垃圾发电,技术已经成熟。仅日本就运行约100座垃圾电站,并计划把垃圾电站的装机容量发展到400万千瓦。因此,利用生物质能发电是当今新能源发电的新趋势之一。

我国是一个农业国,物质能资源非常丰富,年资源量是薪材3000万吨,秸秆4.5亿吨,稻壳0.15亿吨,另外还产生大量的城市排放的生活污水、垃圾、工业废水等。

利用生物质能发电在我国目前还是小规模、小范围的利用,稻壳转化发电容量只有5000瓦,沼气发电装置140个左右,总容量也只有2000千瓦。另外,我国还引进发电容量为4000千瓦的垃圾发电站。

利用潮汐发电

我们日常使用的电大部分是热电厂(发电厂)发的。这是用燃料把蒸汽能通过推动汽轮发电机变成电能,供人们使用。还有少量的电,由水电供应,即通过水力推动水轮发电机使世界上最大的潮汐电站——法国朗斯河口上的潮汐电站。

水力能变成电能。

目前世界上的水电站大都建在河流的中上游峡谷地段。因为水力发电至少必须具备两个条件:第一要有巨大的落差。在河流比降比较大、河道有狭谷或采用人工筑高坝都可产生大的落差,从而产生强大的向下的冲力和水平流速。第二要有巨大的流量。河流光有落差没有大的流量也不可能形成强大的水力。因此流量加落差是水力是否丰富的主要依据。这里我们利用的水的落差实际上就是利用了水的重力能。

河流是如此,那么海水能不能发电呢?乍一看去,海水和河水是不一样的。海水连成一片,没有“河床”;虽有波动,仍以水平流动为主。流量虽大,但“落差”小。但是,实验告诉我们:能量是可以转换的,任何流体只要在运动,动能就可以转化为其他能。我们可以从风力发电中得到有力的启发。大洋表层海水在永不休止地运动着,它们大致有三种形式:

一种是被盛行风推动的海流;一种是被风或其他能所形成的波浪;一种是由月、日引潮力所引起的潮流。它们大致呈水平状流动,能量是十分巨大的。但由于没有“河床”的约束,海流和波浪的利用在技术上比较困难。目前人们利用较多的是潮能。据估计,世界蕴藏的潮能达10多亿千瓦,相当于近100个三峡电站的能量。

世界上大多数地方是半日潮,海水一天中两涨两落,有潮汐现象的大河河口一般都有可能用来建设潮力发电站。潮能发电主要是利用海水巨大的水平流速所产生的动能来进行的。

通过筑坝,海水涨潮流和落潮流都可推动水轮发电机发电。

潮波推进所引起的潮位升降幅度(即潮差大小)与海岸及海底地形有关。潮差影响流速,水道越狭窄,潮流流速越大。举世闻名的钱塘潮平时流速可达2米/秒以上,最大时可达5米/秒。由于河口呈喇叭形,涨潮时还会发生海水叠置于河水之上的“涌潮”现象,潮高一般在2米以上,最大时可达4米以上,所以钱塘潮的能量不仅来自水平方向,还来自垂直方向。

加上杭州湾的潮水流量壮大,据估计,一次常潮进入杭州湾的海水可达30亿立方。如此大的流量加上巨大的流速,其蕴藏的能量便可想而知。

当然由于技术、资金、设备等多方面的原因,不是所有河口都立即能建设潮力发电站的。当前世界最大的潮汐电站是法国的朗斯电站,装机容量为24万千瓦。我国山东乳山口、浙江乐清湾、广东甘竹滩等也建有中、小型潮汐电站。

由于潮汐能取之不尽,用之不竭,且少污染,因此世界各国都怀着极大的兴趣在研究并进一步开发利用,以缓解石油等能源不足带来的困难。可以相信,月亮和太阳将以无穷的引潮力慷慨地向人类大规模贡献电能的日子不会很远了。

洁净燃料——天然气

天然气是一种蕴藏在地层内的天然气体燃料。它的成因和石油相似,都是由曾经生活在热带海洋中的细小动植物的遗体沉积而成的。

但它分布的范围和生成温度范围要比石油广得多。即使在较低温度条件下,地层中的有机物也能在细菌的作用下形成天然气。有的天然气蕴藏在不含石油的岩层里;有的和石油贮存在一起。钻探石油时发生的井喷,就是由于地层中的天然气在高压下向外喷发的缘故。天然气是一种无色的气体,因此它是看不见、摸不着的。但是它有气味,人们可以凭嗅觉发现它的存在。天然气的主要成分是甲烷,其次是乙烷、丙烷、丁烷,其他还有二氧化碳、硫化氢、氮、氢等气体。

天然气性质活泼,易飘散、燃烧,燃烧时无烟无灰,是较为洁净的燃料。1000立方米一座天然气井群天然气产生的热量,相当于3000公斤煤或6立方米木炭发出的热量。天然气还是制造合成氨、乙炔、氢氰酸、甲醇、酒精、合成纤维、碳黑等的重要化工原料。

据1988年7月公布的统计数字:世界上已查明的天然气储量为107.5万亿立方米。前苏联和伊朗两国占世界总储量的一半以上。其中前苏联居世界第一,储量有41万亿立方米。估计南极大陆天然气的储藏量有3000亿立方米。

中国是天然气资源丰富的国家。据估计,我国大陆及沿海大陆架拥有天然气总资源量超过30万亿立方米。目前已找到16个气量在50亿立方米以上的天然气田。

新型二次电池

一次电池使用后,回收不及时或处理不当,常随普通垃圾一起被丢弃或被填埋,造成资源浪费,同时电池中重金属元素的泄漏也污染了当地的水体和土壤。因此,开发二次新型电池是必要的。

常用二次电池的原理是通过充、放电过程实现的,即放电时通过化学反应可以产生电能,而通过反向电流(充电)时则可使体系回复到原来状态,即将电能以化学能形式重新储存起来的新型电池,它的充、放电反应是可逆的。新型的二次电池对环境的污染较小,可循环使用,性能优良,避免了一次电池的上述弊病。

目前,世界各国都投入极大的人力和物力来发展新型二次电池技术,是导致二次电池迅速发展的主要原因。除此之外,导致二次电池迅速发展的另外一些原因还有以下几点:

①信息技术的发展,特别是移动通信及笔记本计算机等的迅速发展,迫切要求电池小型化、轻型化和更长的服务时间、更长的工作寿命及免维护技术。

②环境保护的呼声愈来愈高。首先要求电池本身无毒和无污染,这就推动了无汞电池和取代镉、镍电池的新型二次电池的发展。同时,为了真正解决汽车尾气污染,发展零排放电动车辆的呼声愈来愈高,极大地推动着高比热能量、长寿命二次电池技术的发展。

③全世界天然能源正在不断消耗,终将枯竭,寻求新能源的呼声愈来愈高。

④航天领域和现代化武器对高性能二次电池的需求非常迫切,诸如:卫星上需求高功率、轻质量的储能电池;野战通信也要求高比热量、长寿命的小型二次电池等。

由于以上一系列的技术、能源及环境保护诸多方面的要求,二次电池得到了很大的发展。目前对二次电池的研究形成了以下的一些新重点:储氢材料及金属氢化物镍电池;锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池;聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。

此外,电池工业界正致力于推动环保无汞碱性锌锰电池及可充电电池和密封铅酸蓄电池的技术发展及扩大市场应用。新型二次电池已经在国际上被公认为应该优先发展的技术。结合我国的国情加速发展新型二次电池及相关原材料等产业已是刻不容缓的任务。

新型二次电池是20世纪90年代刚刚问世便取得迅猛发展,由于他们少有或不含有毒物质,所以又被称为绿色电池。

新型二次电池已经在发展电子信息新能源及环境保护等方面在21世纪的技术领域中具有举足轻重的作用和地位,同时,新型二次电池已广泛用于现代军事装备及交通运输等领域中。基于新型二次电池的重要作用和地位及广阔的市场前景,新型二次电池已被作为面向21世纪具有战略意义的军民两用技术。