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6章

固态照明

近10年来,电光源技术发生了显着变化,尤其在固态照明方面取得了突破性的进展和创新。传统的灯泡和灯管时代将逐渐被超高亮度LEDs(发光二极管)所取代。超高亮度LEDs正迅速普及,并应用于各种场合——户外广告,建筑、标志与景观照明,交通信号,LCD背景光,医疗诊断仪器,医学牙科应用,航海仪器、机场以及飞机内部的照明,灯塔,汽车内部及外部照明,各种便携式设备——手电、自行车灯、提灯、工作灯、装饰及娱乐照明,并正越来越多地被考虑在通用照明场合下使用。

固态氧化物燃料电池(SOFC)

固态氧化物燃料电池使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质。其工作温度位于800℃~1000℃之间。在这种燃料电池中,当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上,减少进入的氧,从而完成循环。

固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右,可供工业用来发电和取暖,同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。对于溶化的碳酸盐燃料电池而言,高温意即这种电池能抵御一氧化碳的污染,一氧化碳会随时氧化成二氧化碳。这便省却了外部重整从燃料中提取氢,而且这种电池还可以再直接使用石油或天然气。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质,这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定,然而它们用来承受所产生的高温的建造材料却要昂贵得多。

国际热核计划

国际热核计划的全称是国际热核聚变实验反应堆(ITER),主要是为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性,其原理类似于太阳发光发热,即在上亿摄氏度的高温条件下利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变能源使用的氘、氚可从海水中提取,而且不产生温室气体及高放射性核废料。因此被认为是人类未来能源的希望。

国际能源署

国际能源署是由经济合作发展组织于1971年设立的政府问组织,总部设于法国巴黎。国际能源署致力于预防石油供给的异动,同时亦提供国际石油市场及其他能源领域的统计情报。国际能源署有26个成员国:澳大利亚、奥地利、比利时、加拿大、捷克、丹麦、芬兰、法国、德国、希腊、匈牙利、爱尔兰、意大利、日本、韩国、卢森堡、荷兰、新西兰、挪威、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士、土耳其、英国、美国。

高效节能白炽灯

新型高效节能白炽灯是在白炽灯的玻壳内,镀敷红外反射膜,使红外线反射回灯后提高灯丝温度的节能新产品。白炽灯的主要功能是产生可见光,用于照明,但白炽灯总能量中仅有15%左右产生可见光,75%的能量产生红外线辐射出去。新型白炽灯是在灯泡的玻壳内涂敷一层选择性涂层(起滤光作用),使可见光通过,使红外反射回灯丝,提高灯丝的温度。这样就可以使灯丝在通以较小电流的情况下,得到较大电流才能达到产生可见光所需的温度,也就是得到同样亮度的光。因此具有明显的节能效果,节能可达60%。

高压开关柜的“五防”

(1)高压开关柜内的真空断路器小车在试验位置合闸后,小车断路器无法进入工作位置。(防止带负荷合闸)

(2)高压开关柜内的接地刀在合位时,小车断路器无法进合闸。(防止带接地线合闸)

(3)高压开关柜内的真空断路器在合闸工作时,盘柜后门用接地刀上的机械与柜门闭锁。(防止误入带电间隔).

(4)高压开关柜内的真空断路器在工作时合闸,合接地刀无法投入。(防止带电挂接地线)

(5)高压开关柜内的真空断路器在工作合闸运行时,无法退出小车断路器的工作位置。(防止带负荷拉刀闸)

葛洲坝水利枢纽

葛洲坝水利枢纽是中国长江干流上的第一座大型水利枢纽,是三峡水利枢纽工程的反调节工程。位于湖北省宜昌市境内。长江出三峡南津关后到葛洲坝,江水被江中的葛洲坝和西坝两岛分为3段,从右到左分别称为大江、二江和三江,葛洲坝水利枢纽就建于此处。

葛洲坝水利枢纽主要由大坝、船闸、发电站、泄水闸、冲沙闸及挡水建筑物组成。坝顶全长2606.5米,坝顶高70米,控制流域面积100万平方千米,总库容量15.8亿立方米。整个工程分两期。

一期工程包括二江的发电站、泄水闸和三江的二、三号船闸、冲沙闸及其他挡水建筑物。二江电站装有7台水轮发电机组,一、二号机组容量为17万千瓦,其余5台机组容量为12.5万千瓦。工程于1970年12月30日开工,1981年1月3日大江开始截流。6月21日三江船闸正式通航,7月31日二江电站一号机组并网发电。

二期工程包括大江电站、一号船闸、大江冲沙闸和混凝土挡水坝等。电站设计装机14台,机组容量12.5万千瓦。1988年葛洲坝工程全部完成,水电站设计总装机容量271.5万千瓦,平均年发电量141亿千瓦时。是中国大陆装机容量最大的水电站(截至1998年)。

光伏发电技术

将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。在国际上,光伏发电技术的研究已有100多年的历史。目前这一能源高端产品已经成熟。我国于1958年开始研究太阳电池,1971年首次成功地应用于我国发射的“东方红”二号卫星上。1973年开始将太阳电池用于地面。2002年,国家有关部门启动“送电到乡工程”,在西部七省区的近800个无电乡所在地安装光伏电站,该项目拉动了我国光伏工业快速发展。截止到2004年底,我国太阳电池的累计装机已经达到6.5万千瓦。

光能利用率

光能利用率一般是指单位土地面积上,农作物通过光合作用所产生的有机物中所含的能量,与这块土地所接受的太阳能的比。理论计算值:一般可达6.0%~8.0%,而实际生产中仅为0.5%~1.0%,最大可达2%。

光能利用率=有机物所含能量/土地所接受的太阳能

光合作用

光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素,在可见光的照射下,将二氧化碳和水转化为葡萄糖,并释放出氧气的生化过程。植物之所以被称为食物链的生产者,是因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用,食物链的消费者可以吸收到植物所贮存的能量,效率为30%左右。对于生物界的生物来说,这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环,光合作用是必不可少的。

光电转换

光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。这一过程有两种解决途径,最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置,另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量。染料分子吸收光子能量后将使半导体中的带负电的电子和带正电的空穴分离。

光电池

光电池也叫太阳能电池,可以直接把太阳辐射的光能转变成电能。1839年,安托石·贝克雷尔制造出了最早的光电池。贝克雷尔电池是一个圆柱体,内装硝酸铅溶液,溶液中浸入一个铅阳极和一个氧化铜阴极。这种电池一经阳光照射,就会供给电流。1875年,德国技师维尔纳·西门子试制成第一个硒光电池,并提议用于光量测定。西门子的光电池是根据1873年英国人史密斯发现的“内光电效应”提出的。L.H.亚当斯于1876年指出,硒在光的作用下,不仅出现电阻变化,而且在一定条件下还出现电动势,从而发现了“阻挡层效应”。阻挡层效应则成了光电池的基本原理。光电池被广泛地用于自动控制技术、信息电子学和测量技术。自20世纪50年代起,这些元件的性能因半导体技术的发展而得到显着改善。

光发电的分类

光发电也有两种类型。一种是光生伏打电池,俗称太阳电池。一般由具有扩散结类型的半导体制成,是一种物理电池,只起能量转换作用,不发生化学变化,这种电池,目前已在人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机中用作主电源。

另一种是光生伽伐尼电池(光化学电池)它由两个浸于电解液的电极组成,当光照射一电极时,器件便产生电动势,这种电池目前还在探讨中。

锅炉停用保护

对停止运行期间的锅炉进行防腐蚀保护。常用的方法有十八胺停炉保护、冲氮保护、热风烘干等方法。十八胺停炉保护是将十八胺乳液加入锅炉,形成一种保护膜,起到防腐蚀的作用。

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航天太阳能

1981年6月,美国航空工程专家波尔·马克利迪的一架只使用太阳能的飞机从巴黎飞往伦敦。这是世界上第一次有人驾驶的太阳能飞机作远距离飞行。这架飞机名为“太阳先锋”号的太阳能飞机,长约9米,翼展14米,是用最先进的人造薄膜、人造纤维和塑料制成的,重量只有90千克。飞机机翼表面共装有15000多个太阳能电池。这些电池接受阳光,并将其变为2.67千瓦电能。电池所产生的电流,为一部带动螺旋桨的小型电动机提供动力,螺旋桨旋转速度为每分钟300转。“太阳先锋”号不携带蓄电池或其他储存能源的装置,如果太阳钻入云中,飞机就像滑翔机那样慢慢降落或等到太阳出来。

1980年12月,“太阳先锋”号已在美国西南部的亚利桑那州进行过试验,飞行了近32千米,高度达900米以上。在从巴黎到伦敦的飞行中,该机的航程增加9倍,高度增加3倍。

在“太阳先锋”号之前曾制造的一架太阳能飞机叫“飘忽秃鹰”号,飞机体积比这一架小得多,构造也简单得多。根据设计,飞行高度只有几米。1980年8月,“飘忽秃鹰”号在加利福尼亚州的爱德华兹空军基地进行试飞获得成功。“飘忽秃鹰”号和“太阳先锋”号两架飞机的驾驶员是32岁的珍妮·布朗女士。她是加利福尼亚州某校的教师。

海流能

海流能是指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量,是另一种以动能形态出现的海洋能。

海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言,海流能的变化要平稳且有规律得多。潮流能随潮汐的涨落每天两次改变大小和方向。一般来说,最大流速在2米/秒以上的水道,其海流能均有实际开发的价值。

海上油井

世界上已探明的海上石油储量占地球石油总储量的25.2%,天然气储量占26.1%。海上石油储量有55%~70%在水深小于200米的大陆架范围内。1897年,美国最先在加利福尼亚州西海岸用木栈桥打出第一口海上油井。1920年,委内瑞拉在马拉开波湖利用木制平台钻井,发现了一个大油田。1922年,前苏联在里海巴库油田附近用栈桥进行海上钻探成功。1936年以后,美国又在墨西哥湾的海上开始钻第一口深井,1938年建成世界上最早的海洋油田。

20世纪40~60年代,随着焊接技术和钢铁工业的发展,相继出现了钢质固定平台、坐底式平台、自升式平台等钻井装置,使海上油气开采扩大到30米水深的海域。1950年,出现了移动式海洋钻井装置,大大提高了钻井效率。1951年,沙特阿拉伯发现了世界上最大的海上油田。

20世纪60年代后,随着电子计算机技术和造船、机械工业的发展,建成各种大型复杂的海上钻井、采集、储输设施,促进了海上油气开采的迅速发展。目前世界上有近千座海上石油钻井平台,遍及世界各大洋。墨西哥湾是世界上钻井最活跃的近海区域,目前作业的就有19000多口井。在海湾地区作业的近海钻井船120多艘。美国路易斯安那州沿岸有钻机近百座。挪威、巴西等国的海上石油钻探很兴旺,有钻井平台数十座,还有大量供应船、直升飞机在近海作业。

20世纪80年代时,海上勘探的国家已逾100个,海上产油国超过40个。近20年中,海洋原油产量的比重在世界总产油量中增加了1倍。

海水温差能

海水温差能是指涵养表层海水和深层海水之间水温差的热能,是海洋能的一种重要形式。海洋的表面把太阳的辐射能大部分转化为热水并储存在海洋的上层。另一方面,接近冰点的海水大面积的在不到1000米的深度从极地缓慢地流向赤道。这样,就在许多热带或亚热带海域终年形成20℃以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力循环并发电。

海水温差发电

利用海水表层(热源)和深层(冷源)之间的温度差发电的电站,叫海水温差发电站。

把热能转变成机械能必须具备三个基本条件:热源、冷源和工质。普通热机用水作工质,热源加热工质,产生蒸汽,驱动汽轮发电机发电,排出废汽被冷凝器冷却,凝结水送回锅炉,继续被加热,循环使用。海洋热能主要来自太阳能。世界大洋的面积浩瀚无边,热带洋面也相当宽广。海洋热能用过后即可得到补充,很值得开发利用。海水温差发电技术,是以海洋受太阳能加热的表层海水(25~28℃)作高温热源,而以500~1000米深处的海水(4~7℃)作低温热源,用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。从高温热源到低温热源,可能获得总温差15~20℃左右的有效能量。最终可能获得具有工程意义的11℃温差的能量。

从南纬20°到北纬20°的区间海洋洋面,只要把其中一半用来发电,海水水温仅平均下降1℃,就能获得600亿千瓦的电能,相当于目前全世界所产生的全部电能。专家们估计,单在美国的东部海岸由墨西哥湾流出的暖流中,就可获得美国在1980年需用电量的75倍。

据海洋学家估计,全世界海洋中的温度差所能产生的能量达20亿千瓦。

海洋盐差能

在海水和江河水相交汇处,还蕴含着一种鲜为人知的盐差能。据估算,地球上存在着26亿千瓦可利用的盐差能,其能量甚至比温差能还要大。

盐差能发电的原理是:当把两种浓度不同的盐溶液倒在同一容器中时,那么浓溶液中的盐类离子就会自发地向稀溶中扩散,直到两者浓度相等为止。所以,盐差能发电,就是利用两种含盐浓度不同的海水化学电位差能,并将其转换为有效电能。

科学家经过周密的计算后发现在17℃时,如果有1摩尔盐类从浓溶液中扩散到稀溶液中去,就会释放出5500焦的能量来,科学家由此设想:只要有大量浓度不同的溶液可供混合,就将会释放出巨大的能量来。经过进一步计算还发现,如果利用海洋盐分的浓度差来发电,它的能量可排在海洋波浪发电能量之后,比海洋中的潮汐和海流的能量都要大。

海底石油资源