初中物理教学参考资料 几种值得研发利用的新能源

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文章  淄川区中小学社会实践活动基地　张勤昌
常规能源是指人类已经利用了多年的传统能源，如煤、石油、天然气等。新能源又称非常规能源，是传统能源之外的各种能源形式，指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源。广义来说，有别于传统依靠矿物质原料燃烧的能源都称之为新能源，如太阳能、风能、水电能、生物能、核能、地热能、海洋能、氢能等。相对于传统能源，新能源具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭问题具有重要意义。



目前，除水能资源的开发利用程度较高外，风能、太阳能、地热、潮汐能以及生物质能资源的开发利用率非常低。据联合国预测，到2020年世界能源消费总量中，新能源的比重提高到18—20%，2050年新能源的比重争取达到50%。实现新能源的转换，是人类社会和科技进步的一个长期的艰巨的奋斗过程，但又必须从现在立即行动去实施的一项全球共同性的任务。



我国能源产业政策是：积极开发水电，优化建设煤电，加快核电建设，鼓励新能源和可再生能源发电。在新能源开发方面我国现在有四个第一：水电装机全球第一，太阳能热水器的利用规模全球第一，核电在建规模全球第一，风电装机的增速全球第一。下面介绍的几种能源有可能就是未来的理想能源。

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一、太阳能

太阳照耀着地球，送来了光，也送来了热。取之不尽，用之不竭的太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。太阳能的利用有三种方式，一是太阳能转化为内能，如太阳能热水器。二是太阳能转化为电能，如太阳能电池。三是太阳能转化为化学能，如植物进行光合作用。如图1a所示是太阳能发电示意简图，图1b所示是我国徐州大型地面光伏电站。

二、风能

风能是一种干净的、储量丰富、可再生的能源。风能是地球表面大量空气流动产生的动能。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累计小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。中国陆地10m高度层的风能总储量为32.26亿kw，实际可开发的风能资源储量为2.53亿kW，近海风场的可开发风能资源是陆上的3倍，据此，我国可开发的风能资源约为10亿kW。在风力资源丰富的地方，可利用风车带动发电机发电。如图2a所示为风能发电示意简图，图2b所示是聚风型风力发电装置。

三、生物质能

生物质能是以生物为载体，将太阳能以化学形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍。生物质能是贮存的太阳能，是一种可再生能源，可转化为常规的固态、液态和气态燃料。据估计地球每年植物光合作用固定的碳达2×1011吨，含能量达3×1021焦。

生物能的利用方式有：农林生物质发电、沼气工程、生物质成型燃料、生物质气化、生物液体燃料等。

1．生物质秸秆燃烧发电：利用农作物秸秆、林木剩余物，通过燃烧来产生热能、蒸汽或电能。 如图3a所示是一种经过加工的农林废弃物发电原料

2．生物质气化发电：将生物质原料加热，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变成较低分子量的CO、H2、CH4等可可燃性气体。生物质气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机联合发电装置。

3．沼气工程：对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，生产沼气。利用沼气是一种燃气，也可以照明。如图3b所示是沼气利用示意简图。

4．生物液体燃料：利用农作物可以生产生物柴油、乙醇等液体燃料。

（1）生物柴油：以餐饮业废油、榨油厂油渣、油料作物为原料生产生物柴油。

（2）乙醇：种植快速成长作物（如高粱、木薯等非粮作物），树（木小桐子等含油植物）、糖与淀粉作物来制造乙醇。但种植这些作物和植物应坚持 “不与民争粮、不与粮争地”原则。

四、核能

原子核是可以改变的，而且在有些改变过程中还会释放出巨大的能量——核能。获得核能有两种途径，一种是原子核的裂变，另一种是原子核的聚变。原子核裂变的能量缓慢释放控制技术相对原子核的聚变成熟。用人工方法控制核裂变链式反应并获得核能的装置，叫做核反应堆。核反应堆的用途非常广泛，可以作为核动力来发电，推进火箭、飞机、潜艇、水面舰艇、淡化海水等。

核能发电是利用核反应堆中核裂变释放出的热能进行发电的方式，利用铀原料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核电站可以大大减少燃料的运输量。据计算一个一年耗掉80吨核燃料的发电厂，如果换成煤作燃料大约需要515万吨。如图4a为核电站原理示意图，图4b是我国大亚湾核电站。

五、水能

水能资源或称水力资源，指水体的动能、势能和压力能等能量资源，是自由流动的天然河流的储力和能量。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源。我国的江河水能理论储藏量为6.91亿千瓦，可开发的水能资源约3.82亿千瓦。如图5a为水力发电示意简图，图5b是我国三峡发电站的大坝。

六、地热能

地热能是一种可再生的清洁资源。地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来源于地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。

地热利用主要是建立地热发电站用于发电、采暖、温室种植、花卉栽培、地热水育秧。利用地热还可以开发温泉旅游业，建设温泉宾馆或温泉疗养院，应用于疗养、保健项目。如图6a所示是地热发电结构原理简图，图6b是我国西藏羊八井地热发电厂，图6c是羊八井地热井喷

七、潮汐能

发生潮汐时，大量水流动，蕴含着巨大的能量。潮汐能的利用是发电，让水流带动水轮机转动，继而带动发电机发电。如图7是潮汐能发电原理示意简图。

八、氢能

氢气作为一种可燃气体，燃烧时可放出热，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用，产物水无腐蚀性，对设备无损。氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。如图8所示是以超导托卡马克聚变堆为基础的未来聚变能电站。