书城教材教辅能源科学知识(青少年科普知识阅读手册)
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第20章

科学家的研究发现,淡水湖在白天经过太阳晒之后,夜晚会将积蓄的热散掉。表面的湖水先冷却,比重就加大而下沉,下面的水温高,相对来说比重小就上浮,并把热量散掉,这样循环的结果,湖水上下温度就逐渐一样了。而盐水湖就不同,表面的水即使温度下降也不下沉,因为下层的湖水含盐量高,比重大,不会上浮,这样,湖底的热量就带不到湖面向空气中散失。因此,盐水湖被太阳晒久了,湖底的温度会越积越高,而难以通过湖水将热再散发出去。根据这一不同,科学家可以利用盐水湖储存太阳能。意大利的一名女物理学家赞格拉多还建造了一项创世界纪录的人工盐水湖,竟使湖底水温达到105℃,达到了水的沸点以上。

太阳能发电厂

太阳能发电厂是一种用可再生能源——太阳能来发电的工厂,它利用把太阳能转换为电能的光电技术来工作的。目前德国利用太阳能来发电可供55万个家庭用电所需,是利用太阳能发电的世界冠军。

目前,太阳电地主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅3种。单晶硅太阳电池变换效率最高,已达20%以上,但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低,但价格最便宜,今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到10%,每瓦发电设备价格降到1~2美元时,便足以同现在的发电方式竞争。

太阳能熔炉

1947年,法国科学家特朗比尝试把军用探照灯的反射镜用在太阳熔炼炉上,1952年,在蒙特路易的比利牛斯山上,特朗比建造了世界上第一台功率为75千瓦的大型太阳能冶炼炉,把一小撮白色粉末举到一个大型抛物面聚光镜的焦点处,白粉末刚一达到焦点上,就见闪起一束眩目的白亮光芒,白粉是用来熔炼锆金属的原料二氧化锆。这时,从辐射高温计上可观察到焦点处的温度达到了3000℃以上。参观的专家们戴着深色墨镜,看到二氧化锆粉末立刻熔成一小块像遥远的地质时代火山爆发时喷出的岩浆状东西。顿时,掌声雷动,特朗比的太阳炉成功了。特朗比希望建立更大的太阳炉。他选择离蒙特路易10千米处的奥代罗小镇,在20世纪70年代建成了一座功率为1000千瓦的巨型太阳炉,奥代罗被称为法国的太阳城。特朗比建立的这座太阳炉像一座超现代化的多层楼房,在楼房对面的小山上,竖立着好几十个大得令人吃惊的反射镜排成一行,把一束束阳光反射到太阳能炉的一个直径50米的抛物面聚光镜上,这个聚光镜经过再聚焦,可以把聚集起来的阳光的温度加热到3500℃。用这座太阳炉每天可以生产2.5吨锆。其纯度比用一般电弧炉中熔炼的锆还高。

太阳炉

太阳炉是利用太阳能的一种加热炉。它由抛物面镜反射器、受热器、支持器、转动机械及调整装置组成。物料位于反射镜的焦点处,太阳光线射到抛物面镜反射器上,聚焦在被加热物料上,使物料加热。反射镜可由机械转动和调整装置跟踪太阳转动,以便充分接受太阳能。温度可达3500℃。可在氧化气氛和高温下对试样进行观察,不受电场、磁场和燃料产物的干扰。可用于高温材料的科学研究。

太阳能蒸汽灶

太阳能蒸汽灶是利用会聚的阳光,把水变成蒸汽用于蒸饭、烧水等,也可用它来制蒸馏水,供医疗、化工部门使用。这种蒸汽灶适合集体单位使用。

碳水化合物

碳水化合物亦称糖类化合物,是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物。葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等都属于糖类化合物。糖类化合物是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源。它不仅是营养物质,而且有些还具有特殊的生理活性。例如,肝脏中的肝素有抗凝血作用;血型中的糖与免疫活性有关。此外,核酸的组成成分中也含有糖类化合物——核糖和脱氧核糖。因此,糖类化合物对医学来说,具有更重要的意义。

碳循环过程

碳在生物圈中就是不断循环的,只要有生命,就会有二氧化碳的排放。实际上生物排放二氧化碳的最主要形式还是呼吸,不仅动物要呼吸,植物也要呼吸,只不过植物还有光合作用,能把二氧化碳加以利用。而二氧化碳本身也就是植物的更本能量来源,是绝对不能少的。而在碳循环的过程中,二氧化碳的排放和利用的强度是大体相当的,不过有些碳在逐渐地被固定在化石能源中,因为这个速度很慢,几乎可以忽略。而我们利用化石能源,就一下子把上亿年固定下来的碳都释放出来了,所以才使二氧化碳大量增加。

碳交易

碳交易是一种减少全球二氧化碳排放的机制。工业化国家可据此通过向发展中国家支付费用,用于减少后者的二氧化碳排放,减排的额度则可以算在付款方账上。而各国的排放额度是经由谈判,通过《京都议定书》签订的。

天然气管道

我国是最早用木竹管输送天然气的国家。我国现代天然气运输管道,多集中在天然气主要产地四川省。1983年已建成从川东经重庆、泸州、威远至成都、德阳等地,沟通全省的输气管道网,管径426~720毫米,全长2200多千米,设有集配气站178座,年输量50亿~60亿立方米。

1983年时,世界输气管道总长达到91.34万千米。长距离输气管道普遍采用压气机增压输送。输气管道在管材选用、提高输送效率、实现全线自动化等方面的技术也有了迅速的发展。管材广泛采用8-60低合金钢(度极限41,160帕),并开始采用8-65、8-70等更高强度的材料。为降低管道内的摩擦阻力,426毫米以上的新钢管已普遍采用内涂层。此外还开展了不同物性的气体在同一管道中顺序输送,以及-70℃低温、75460帕高压的气态和液态天然气管道输送试验。

天然气田

天然气田,简称气田,是富含天然气的地域。通常,有机物埋藏在1~6千米深,温度在65~150℃,会产生石油,而埋藏更深、温度更高的会产生天然气。埋藏越深,天然气越“干”,即condensate含量越低。

天然能源

天然能源是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源,又称一次能源。包括化石燃料(如原煤、原油、天然气等)、核燃料、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。天然能源又分为可再生能源和不可再生能源,前者指能够重复产生的天然能源,如太阳能、风能、水能、生物质能等,这些能源均来自太阳,可以重复产生;后者用一点少一点,主要是各类化石燃料、核燃料。20世纪70年代出现能源危机以来,各国都重视非再生能源的节约,并加速对再生能源的研究与开发。

天然矿物

天然矿物是指在地壳各种物质的综合作用下(称地质作用)形成的天然单质或化合物,并具有化学式表达的特有的化学成分和相对固定的化学成分。现已从地壳中发现矿物约3000种,其中绝大多数是固态无机物(如磁铁矿、石英、方解石等),也有液态的(如自然汞、水等)和气态的(如火山喷出气中的二氧化碳、水蒸气等),而有机矿物仅占极少数的几十种(如琥珀等)。

天然气水合物

天然气水合物因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧,所以又被称做“可燃冰”。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用M·nH2O来表示,M代表水合物中的气体分子,n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。

形成天然气水合物的主要气体为甲烷,对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下,一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,因而其是一种重要的潜在未来资源。

土坯煤

土坯煤是以普通泥土、原煤、煤矸石、煤泥、工业炉渣、稻壳等为原料,选取其中2~3种(必须包括煤的成分)经粉碎后压制成的新型煤燃料。它可代替民用型煤或工业型煤,其含煤量仅是普通蜂窝煤1/3,燃烧效果和其他性能指标却与普通蜂窝煤相当。因此,土坯煤可节约原煤60%以上,成本相应降低。土坯煤燃烧过程中,二氧化硫的排放量比普通型煤低50%以上,减少了环境污染;可选择原料较多,可以根据各地原料情况选择配方。因此这是一项节能降耗、减少污染、经济实用的技术。

陶瓷膜

陶瓷膜也称CT膜,是固态膜的一种,最早由日本的大日本印刷公司和东洋油墨公司在1996年开发引入市场。陶瓷膜主要是Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等无机材料制备的多孔膜,其孔径为2~50毫米。具有化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂;机械强度大,可反向冲洗;抗微生物能力强;耐高温;孔径分布窄,分离效率高等特点,在食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域得到了广泛的应用,其市场销售额每年以35%递增。陶瓷膜与同类的塑料制品相比,造价昂贵,但又具有许多优点,它坚硬、承受力强、耐用、不易阻塞,对具有化学侵害性液体和高温清洁液有更强的抵抗能力,其主要缺点就是价格昂贵且制造过程复杂。

特殊电池

世界上最小的电池可能是美国一所大学的化学家们新发明的一种电池,它的体积仅仅是人体红血球的1/100,它最长的尺寸仅为10米。专家们认为,这种电池是迄今为止世界上最小的电池了。制造这种电池要在显微镜下才能进行。首先把细胞般大小的电池装置涂附于炭精表面,材料有银和铜两种,在显微镜下看起来像一个个小圆柱。当炭精上涂满了这些银的或铜的小圆柱后,再浸入稀释的硫酸铜电镀液中,铜圆柱溶解,而铜离子附着到银圆柱的表面。这一反应过程可连续45分钟产生0.05毫伏的电压。

这种电池的工作过程证明了专家们称之为低电势贮存的电化学现象:两种金属的电子存在着差别极小的势能,而这个势能差可驱动铜离子附着到银质终端上,直到银质终端上附着的铜原子达到8万个后,电池就停止工作。

科学研究表明,橡胶不仅能做汽车的轮胎或防撞器,将来也可能作为汽车的动力,正在研究发明中的“橡胶电池”,将可为电动汽车的发展带来新的动力。在着重环保的今天,电动汽车被视为最理想的陆上交通工具。然而,若想普遍采用电动汽车,还有待革命性的电池技术出现。目前出售的电动汽车多用铅酸电池,成本比用汽油的汽车贵3倍。虽然可以用固体材料如陶瓷或玻璃来取代液体材料,但陶瓷和玻璃脆弱,不宜用做汽车电池。美国亚利桑那州大学的研究员安格尔发现了一种“橡胶电解质”,这种东西可以传导电流。虽然还要进一步研究,才能制造出较完善的橡胶电池,但苏格兰阿伯丁大学的化学家安格林说:“这将是电动汽车革命性的新动力。”

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乌鲁木齐煤田

乌鲁木齐煤田是中国西北部重要的侏罗纪煤田。它位于新疆准噶尔盆地南鼽平面呈长条状,东西长约400千米,乌鲁木齐市居煤田中部偏东。下分5个煤产地,自东而西依次为水西沟、社康、乌鲁木齐、玛纳斯、四苏木。煤田东部的乌鲁木齐煤产地为当前主要生产矿区所在。

乌鲁木齐煤田地质构造

乌鲁木齐煤田处于准噶尔中生代、新生代盆地南——西向线状挠曲及褶曲发育,褶曲轴面向南南东倾斜,局部地层直立或倒转,中、小型断裂构造中等至简单。煤系属中、下侏罗统,下部为早侏罗世八道湾组,由陆相砂岩、泥岩夹煤层组成,厚1000米左右,含煤层10~19层,平均可采煤层总厚度10.70~16.41米;中部为早侏罗世三工河组,主要由陆相砂岩、粉砂岩组成,仅局部含煤,一般无开采价值,厚500米左右;上部为中侏罗世西山窑组,由砂岩、泥岩夹煤层的陆相岩组组成,含煤层28~39层,平均可采煤层总厚度97.88~134.70米。煤层多为中厚一厚煤层,但普遍发育1~3层特厚煤层,厚度可达30~50米。煤层以乌鲁木齐煤产地最发育,向东、西两侧延伸含煤性逐渐变差。

乌鲁木齐煤田煤炭资源

乌鲁木齐煤田的煤炭资源量约100Gt,已探明煤炭储量约4Gt。大部分煤种为长焰煤,部分为弱黏煤或不黏煤,局部有少量气煤;煤一般为低灰分、低硫分,少数属中等灰分,是一种比较优良的燃料用煤。煤田南侧晚二叠世芦草沟组内夹有5~23层油页岩,总厚度34~66米,有开发利用前景。

乌鲁木齐煤田开采条件

乌鲁木齐煤田的煤炭资源丰富,含煤密度高达60Mt/km2,地理位置比较优越,煤层虽多属急倾斜至倾斜煤层,但煤层厚度大,构造尚较简单,顶板比较稳定,开发条件甚好,部分区段的浅部尚可进行露天开采。矿井水大多属裂隙充水,且主要由地表水顺煤层走向补给,水文地质条件简单。矿井瓦斯含量不高,一般属低瓦斯矿井。煤尘有一定的爆炸危险,九道湾矿曾发生过煤尘爆炸。煤的自燃现象普遍,现有生产井浅部基本上皆有火区存在。

微型燃气轮机

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机,其单机功率范围为25~300千瓦,基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环。据认为,微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮,从而成为21世纪能源技术的主流。

先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征,除了分布式发电外,还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等,是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式,无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外,微型燃气轮机在民用交通运输(混合动力汽车)以及军车以及陆海边防方面均具有优势,受到美、俄等军事大国的关注,因此,从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。

微生物电池