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第16章 能源高新技术(3)

纽约电力局负责研究工作的沙洛姆·策林格说,在1998年实施的发电工程中,他们把原本将在空气中自白烧掉或随风飘走的20多吨废气转化成了电力,同时生成的热水可用来加热有助于废物分解的菌类。

策林格说,燃料电池采用的燃料是氢,诸如天然气和汽油之类的标准矿物燃料以及甲烷中都含有氢。由于燃料电池是利用一种化学反应从氢中获取能源,而不是燃烧氢,因此它们不会产生任何大的污染。

电力局的负责人说,从中获益最大的是污水处理厂,厂里的设备可利用大量不花钱的甲烷废气,替代天然气或其它一些必须花钱购买的燃料。这些设备还可以用来自垃圾填埋场的沼气发电。

纽约市负责环境的官员在检查了这些新型设备后表示,他们希望在纽约14家污水处理厂的一些厂里安装燃料电池,以期对一部分废气加以循环利用。目前这些污水处理厂每年产生16亿立方英尺的废气,但大部分都在厂内白白烧掉。

成本低廉的太阳光(热)发电

地球所接受的太阳能功率,平均每平方米为1353千瓦,这就是所谓的“太阳常数”。也就是说,太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量,这些能量比目前全世界人类的能耗量大3.5万倍。但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量,使其成为本世纪的一大可利用能源,是新能源开发中的一个重要课题。

太阳能转换为电能有两种基本途径:一种是把太阳辐射能转换为热能,即“太阳热发电”;另一种是通过光电器件将太阳光直接转换为电能,即“太阳光发电”。

太阳热发电,全世界以以色列的技术最为先进。在吸取加州的技术的基础上,巴西、印度、摩洛哥正在计划进行设备的建设,世界银行已开始提供资金给开发中的国家。因为入射到地球表面的太阳能是广泛而分散的,要充分收集并使之发挥热能效益,就必须采取一种能把太阳光发射并集中在一起,变成热能的系统。一种方法是采用细长的太阳光聚集管子,将管中流动的液体用太阳热集中加热,转换成为高温水蒸汽,以蒸汽涡轮机变换为电。也可以采用抛物面型的聚光镜将太阳热集中,使用计算机让聚光镜追随太阳转动。

除了太阳热发电技术外,目前人类社会也在大力开发太阳光技术。太阳辐射的光子带有能量,当光子照射半导体材料时,光能便转换为电能,这个现象叫“光生伏打效应”。太阳电池就是利用光生伏打效应制成的一种光电器件。太阳电池与普通的化学电池(干电池、蓄电池)完全不同,是一种物理性质电源。虽然太阳光——照射太阳电池就能发电,但它与一般的发电机大相径庭,它无旋转和磨损,能静悄悄地发电。目前采用光电池利用太阳光的方式还是小规模的分散方式。对人类的贡献而言,太阳光技术可能是至今最优秀的技术,短期的最大功效就是给发展中国家中20亿以上的农村人口带来恩惠。虽然现在的送电网是大规模集成方式的,这并不会使事态变得悲观,因为随着电池效率的提高,制造工程的改善,以及大规模发电所带来的成本降低,在2000年实现每千瓦小时10美分,到2020年预计达到每千瓦小时4美分。

美国利用各种能源发电的成本目前已接近采用天然气和煤炭发电的成本,因此,太阳热发电具有广阔的前景。

尚未成熟的风能风力发电

早在2000多年前,风能就通过帆船风车等装置变换成机械能的形式得到广泛的利用。1890年,丹麦首先利用风能进行发电以来,100多年后的今天,风力发电成为风能利用的最普及的方法。许多风力资源丰富的国家利用这绿色能源来发电,用作通信中转站、航标灯、家庭广告等的电源。

风能即是流动空气的动能。理论上,风能与空气的密度,迎风面积及风速的3次方成正比。但实际上,由于流过风车后的气流不可能完全静止,理论风能不能得到全部的利用。通常只有60%左右的风能能够转换为机械能。风轮的迎风面与风向垂直时,风能能够得到最大的利用。通过风轮后面的机尾,可以随时调整风轮的朝向,使迎风面尽量与风向垂直。风力发电就是首先将风能变换成机械能,然后由发电机将机械能变换为电能。

风能的利用形式有以下三种:

(1)机械能风力抽水排水,粮食加工等,是风能的最早利用形式。

(2)电能小型风力发电系统通过蓄电池等将电能转变为化学能蓄藏起来保证稳定的供电。而中大型风力发电系统直接将电能输入电网进行利用。

(3)热能通过摩擦等方法产生热量加热流体来加以利用。由于风能几乎100%可以变为热能,利用效率最高。

风能是一种自然能源,由于风的方向及大小都是变幻不定,它的经济性和实用性由风车的安装地点、风向、风速等条件综合决定。

利用海洋温度差发电的新技术

海洋表面水深0~100米的表层部分,每天吸收大量的太阳辐射热。使海洋表层的温度要比海洋深处的温度高出20摄氏度左右。这一温度差所产生的能量被称作海洋温度差能量。因此海洋可以认为是太阳能的巨大蓄存池。

如何有效地利用海水温度差能量来为人类服务呢?法国的Ar-sened’.Arsonval于1881年首次提出海洋温度差发电的构想。1930年Claude在古巴的近海,首次利用海洋温度差能量发电成功,但是,由于发电系统的水泵等所耗电力比其所发出电力的更大,结果纯发电量为负值。然而人们并没有泄气。1979年,夏威夷的MINI—OTEC发电系统第一次发出了15千瓦的纯发电量。

海洋温度差发电的过程是:①将海洋表层的温水抽到常温蒸发器,在蒸发器中加热氨水,氟利昂等流动媒体,使之蒸发成高压气体媒体。②将高压气体媒体送到透平机械,使透平机械转动并带动发电机发电,同时高压气体媒体变为低压气体媒体。③将深水区的冷水抽到冷凝器中,使由透平机械出来的低压气体媒体冷凝成液体媒体。④将液体媒体送到压缩器加压后,再将其送到蒸发器中去,进行新的循环。

海洋温度差发电与其他的发电形式相比,具有如下的特点:①海洋占地球表面的70%。由于这个能量来自太阳,可以说取之不尽,用之不绝。②海水温度差只有20摄氏度且属于低品位能量,最大转换效率只有4%左右。③属于自然能源,不会造成环境污染,与其他自然能源相比,可以不分昼夜,不受时间季节气候等条件的限制,能量供应稳定。④由于海水具有腐蚀性,生物污损性,因此设备应考虑使用耐腐蚀少污染材料,同时要考虑耐生物污损的对策,由于深海抽上来的海水含有较多的营养成分,有利于提高海洋渔业产量。

鉴于上述特点,美国、日本等海洋资源丰富的国家,目前正在积极研究及应用海洋温差发电系统,使之在资源短缺的今天,成为人类的有力选择。

神奇的原子能发电

一提起“原子弹”,人人可知它的巨大威力。其实,原子能同样也有和平的用途,那就是原子能发电,即利用原子核裂变产生的核能发电的方法。原子能发电所用的燃料是具有发射性的铀-235(或钚-239)。与火力发电相比,它具有以下特点:

燃料用量少,易于运输和储存;

燃料更换次数少,一般一年更换一回;

无空气污染,属于清洁型能源;

经济。

目前,应用原子能发电最多的国家是美国、法国、前苏联和日本。中国正处于大力发展的过程中。

原子能发电与利用煤炭和石油等作为燃料的火力发电原理上是一样的,都是利用蒸汽驱动涡轮发电机来发电,不同的只是用原子反应堆取代了火力发电的锅炉。

原子反应堆是进行核裂变并将核裂变产生的热能提取出来的装置,是原子能发电的核心装置。其构成要素主要有以下部分:

原子燃料(如铀-235);

减速材料,用于减缓核裂变产生的高速中子,以便于更容易进行下一步的核裂变;

冷却材料,用于取出核裂变产生的热能;

控制棒,用于控制核裂变;

防护材料,用于阻挡放射线外泄。

根据原子反应堆构成要素的不同,有不同的分类。其中,轻水反应堆是目前世界上应用最多的一种,占80%以上。

原子能发电因其洁净、经济而成为未来的主要新能源。但原子能发电站的建设和维护,需要较高的技术,目前世界上只有少数几个国家掌握了此项技术。中国是其中之一。

我们都知道,核燃料具有放射性。因此,原子能发电站的建设和运营要充分考虑到安全因素。

不可思议的航天器对接

1995年6月27日,载有7名宇航员的美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机,从卡纳维拉尔角升空,并开始追赶俄罗斯“和平”.号空间站。最后,以每秒钟不超过3厘米的速度靠近“和平”号”……成功了!成功了!时间定格在了格林尼治时间1995年6月29日13时。

100吨重的航天飞机,123吨重的空间站,两个庞然大物对接组成了有史以来最重的航天器。它们在预定的轨道上,以相对于地面2.8万千米/小时的速度飞行。当人们在夜晚用望远镜观察这壮美的景象时,航天器里的宇航员们正在紧张地工作……

在“亚特兰蒂斯”号与“和平”号里工作的,有来自美国、俄罗斯、加拿大和德国四国的宇航员。对接成功后,他们联合开展了一系列空间医学实验。

7月4日,“亚特兰蒂斯”号与“和平”号脱离。经过“亚特兰蒂斯”号的补给,“和平”号带着充足的资源继续飞行。乘“亚特兰蒂斯”号航天飞机升空的两名俄罗斯宇航员留在了“和平”号上继续飞行,而原在“和平”号上的3名宇航员则乘“亚特兰蒂斯”号,返回了地面。这就使得这架美国航天飞机在返回时的乘客增至8名。7月7日,“亚特兰蒂斯”号按原定计划返回了地面,并带回了“和平”号上的部分实验标本。

回溯历史,美俄(苏)航天器的第一次空间对接发生在20年前。1975年,美国“阿波罗”飞船和苏联“联盟”号飞船,曾在宇宙中共同飞行了两天。而1995年美国“亚特兰蒂斯”号的这次飞行,也是美国的第100次载人航天飞行。历史发展到今天,航天技术正以日新月异的姿态阔步向前。科学是没有国界的,人类在空间活动中的国际合作作为一种趋势,正越来越受到世人的瞩目。

明察秋毫的“千里眼”

航天遥感是航天技术最主要的组成部分之一,相当于电视台摄制节目的技术。

任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特性。航天遥感技术就是利用安装在航天器上的遥感器,来感测地物目标的电磁辐射特点,并将其记录下来,进行识别和判读。遥感器就像电视台的摄像机,它可分为两种:一种是胶片型的,一种是传输型的。

胶片型遥感需要将航天器(如返回式卫星)回收下来,再对胶,片进行冲洗判读,破译各种信息资料;而传输型遥感则不同,它不需要回收航天器,而是将遥感资料通过电波不断地传到地面。当装有遥感器的航天器经过接收站的上空时,地面接收站对航天器发射的电波信号加以捕捉和接收。航天遥感器分辨率已由最初的几十米、十几米发展到现在的1米以内。

航天遥感能从不同高度、大范围、快速和多光谱段地进行感测,获取大量信息。航天遥感器还能周期性地得到实际地物的资料,因此航天遥感技术在国民经济建设和军事抗争等很多方面,都获得了广泛的应用。例如应用于气象观测(气象卫星)、资源考察(资源卫星)、地图测绘(测地卫星)和军事侦察(侦察卫星)等等。

早在1984年,科学家就已经利用陆地卫星上的多光谱红外探测器识别出隐埋古物的特性,在尤卡坦半岛的热带丛林中,发现了玛雅文化的遗址。

航天遥感技术真不愧是明察秋毫的“千里眼”。

飞向月球的轨道

对月球进行探测的无人航天器,我们通称为月球探测器。

以大椭圆轨道绕地球飞行的航天器,当它的远地点正好朝向月球方向时,也可对月球进行就近探测。但是,一般的月球探测器,或者绕月飞行进行探测,或者在月球上着陆进行探测,由于月球本身处在地球的引力范围内,所以飞向月球的探测器,不必达到第二宇宙速度,只要初始速度大于10.848米/秒,就可飞向月球。飞向月球的探测器,在离月球6.6万千米以前,主要受地球引力作用,它的飞行轨道,是相对地球的椭圆轨道。离月球6.6万千米以后,主要受月球引力作用,飞行轨道是双曲线。

为了节省能量,飞向月球的探测器,一般先进入绕地球飞行的停泊轨道,然后进入过渡轨道飞向月球,接近月球时,或者绕月飞行进行探测,或者从绕月轨道上下降,在月球上着陆。有的在月球上着陆的探测器,不进入绕月飞行的轨道。而直接从过渡轨道下降,在月面着陆。月球上没有可用作减速的大气,所以着陆探测器要么直接撞向月面(硬着陆),要么用火箭减速,实现软着陆。

一箭多星的发射技术

传统的卫星发射方式是用一枚火箭发射一颗卫星,用一枚火箭同时发射多颗卫星进入轨道,是一种先进的航天发射技术。

一箭多星技术一般采用两种发射方式,一是将多颗卫星一次投放,进入一条近似相同的运行轨道,卫星之间相距一定的距离;另一种是利用多次起动运载火箭的末级发动机,分次分批地投放卫星,使各颗卫星分别进入不同的运行轨道。显然,后者的技术就更为高超。

为了实现一箭多星,需要解决许多技术关键。首先是要提高火箭的运载能力,以便把质量更大的数颗卫星送入轨道。其次是需要掌握稳定可靠的“星—箭分离”技术,做到万无一失。运载火箭在最后的飞行过程中,卫星按预先设计的程序从卫星舱里分离出来,既不能相互碰撞,又不允许相互污染。还需选择最佳的飞行路线和确定最佳分离时刻,使多颗卫星在各自的轨道上运行。

另外,还必须考虑运载火箭装载多颗卫星以后,火箭结构角度和重心分布发生变化,会使火箭在飞行中难以稳定,多颗卫星和火箭在飞行中,所载的电子设备可能会发生无线电干扰等特殊问题。

最早实现一箭多星技术的国家是美国。1960年,美国率先用一枚火箭成功发射了两颗卫星。1961年,又实现了一箭三星。前苏联也多次用一枚火箭发射了八颗卫星。中国于1981年9月20日开始,用“风暴1号”火箭发射了三颗科学试验卫星,成为世界上第四个掌握一箭多星技术的国家。目前,我国的一箭多星技术已达到相当高超的水平。

用飞机发射卫星

人们从电视上看到过人造卫星发射的壮观场面。那装载着卫星的巨型多级火箭,耸立在高高的发射塔上,在“轰隆”一声巨响中,火箭尾部喷吐出鲜红的火舌,火箭随即在烟雾中脱离发射架徐徐上升,然后直向蓝天飞去……