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世界科技全景百卷书: 21世纪能源展望
“反物质”能源 1908年6月30日清晨，俄罗斯西伯利亚通古斯地区发生了一场前所未有的大爆炸，它的威力相当于2000颗巨型原子弹同时爆炸，一时间爆炸的巨响震憾着万里长空，声音传到1000千米之外，炽热的火球在空中翻滚，熊熊烈焰把2000平方千米范围内的树木全部烧毁，巨大的气浪冲击着四面八方，100平方千米以内的房屋屋顶全都被掀掉。这场威力无比的大爆炸是怎样发生的？几十年来一直是个难解的谜。 1965年，美国科学家李比博士发表文章，认为通古斯大爆炸的起因是“反物质”引起的。反物质经茫茫的宇宙，进入由正物质组成的世界，在正物质的引力作用下，落到西伯利亚的上空，跟正物质相撞，一瞬间，正反物质全部转化为巨大的能量，周围大气的温度急剧上升，产生剧烈膨胀而发生大爆炸。正反物质的这种反应叫做“湮没”反应，在反应过程中全部物质都转化为能量。湮没反应产生的能量非常巨大，至少比核反应产生的能量大100倍，而且不产生放射性。 什么是反物质？它为什么会有这么巨大的威力？这就得从科学家爱因斯坦的一个著名的公式说起。爱因斯但认为运动的物体都有能量，当它的总和是一个正值时，这种物质就是我们在生活中看到的各种物质。但是，当运动的物体所具的能量的总和是一个负值时，情况就完全两样了，物质的性质跟我们日常见的正好截然相反，那种物质就称为反物质。 反物质的内部组成跟正物质正好相反。正物质的原子是由带正电荷的质子和带负电荷的电子组成的，而反物质的原子却是由带负电荷的质子和带正电荷的电子组成的。所以，反物质受力后，它的运动方向跟正物质的运动方向完全相反。当你向前推它，它却往后靠；当你往南推它，它却向北移动。 正反物质在短距离内是“水火不相容”的，它们很难同时存在，一旦相遇，就相互吸引，通过碰撞而同归于尽，同时放出大量的能量。在我们所处的半个宇宙中，只有正物质存在，而离我们非常遥远的另半个宇宙中，却是反物质的世界。 这是神话故事，还是科学？这是科学！因为经过科学家几十年的努力，现在已经找到各种反粒子和反物质。1932年，科学家在宇宙射线实验中，发现了正电子。正电子是电子的反粒子。1955年，科学家获得了反质子和反中子。反质子是质子的反粒子；反中子是中子的反粒子。1965年，科学家得到了世界上第一个反物质，由反质子和反中子组成的“反氘”，后来，又得到了反物质“反氢”。 既然反物质确实存在，那么，利用反物质的特性，利用物质和反物质在湮没过程中释放的巨大能量，把反物质作为未来能源，前景是太美妙了。把反物质跟化学燃料相比较，需要使用的量相差得实在太大了。比如，把航天飞机、巨型火箭送上太空，使用液体化学燃料大概是200吨，如果换用反物质，只需10毫克（相当于小小的一粒盐）就足够了。 但是，现在要充分利用反物质还有许多困难。要得到反物质，除了研制技术上的难度非常大外，生产费用也大得惊人。初步估计，生产1克反物质，至少要花费10亿美元。 另外，反物质的贮存、运输也是一大难题，它只要一接触普通的物质，就会立即爆炸。 目前，研究反物质还只是在探索阶段，要把反物质作为未来的能源，只能说是一个美好的理想。 在21世纪，经过科学家的不懈努力，反物质之谜将会被彻底揭开，它为人类服务的时代也将会来到。 地球的发电机 我们的地球是一个庞大的天然磁体，它的磁场却比较弱，总磁场强度不过0.6奥斯特。地球磁场的强度由奥斯特换算为伽玛，则是6×104伽玛，即6万伽玛。然而，地球却在不停地转动，它每23小时56分便自转1周，所具有的动能是一个很大的数值，为2.58×1029焦耳。 具有磁场的天体旋转时，由于单极感应作用，就会产生电动势。如果我们把整个地球作为发电机的转子，以南北两极为正极，以赤道为负极，理论上可以获得10万伏左右的电压。这便是人们把地球本身当作一个巨大的发电机的一种设想。不过，如何把地球自转发出来的电引出来使用，还须有另外的方案或设想。 电磁感应定律告诉我们，导体在磁场中作切割磁力线的运动便会产生感应电流。由于地球本身具有磁性，所以，在地球及其周围空间存在着地磁场。地球上的河流和海洋也是导电体。随着地球的自转，它们自然而然地就相对于地磁场产生了切割磁力线的运动。那么，河流和海洋中就有地磁场的感生电流了。要知道，光海洋就覆盖着地球表面的71％呢！如果想办法把河流和海洋中的感生电流引出来，不就有巨大的电能供我们使用了吗？显然，这是利用地球发电机的另一种方案。 还有，地球本身又是一个巨大的蓄电池。它经常被雷雨中眩目的闪光充电。雷雨云聚集和储存的大量负电荷，使云层下面的大地表面感应出正电荷。两种不同极性的电荷互相吸引，就驱使电子从云层奔向大地，形成闪电给地球充电。据估算，每秒钟约有100次闪电袭击地球，其闪光带长度从300米到2750米不等。一次闪电电压可达1亿伏，电流可达16万安培，可以产生37.5亿千瓦的电能，比目前美国所有电厂的最大容量之和还多。但闪电持续时间很短，只有若干分之一秒。闪电中大约75％的能量作为热耗散掉了，它使闪电通道内的空气温度达到15.000℃。空气受热迅速膨胀，就像爆炸时的气体一样，产生震耳欲聋的雷声，在30千米以外都能听到。 1752年，伟大的富兰克林曾带着他的儿子在雷雨中用风筝捕捉闪电。他的不怕牺牲、勇于探索的精神实在可嘉；但是他的实验结果，除了导致避雷针的发明外，在利用闪电方面却影响不大，至今还没有人找到利用闪电能的有效途径。在地球表面产生的具有强大能量的闪电，能不能直接用来为人类造福呢？已转化为热能的 75％的闪电能是否也可利用呢？有没有办法使闪电不把那么多的能量转化为热能，仍保持电能的状态为我们所用呢？能不能撇开上述思路另辟蹊径，譬如，既然闪电已把电能传给了地球，我们能不能从利用蓄电池的角度，把地球当作一个巨大的蓄电池，想办法把电能引出来使用呢？这些答案恐怕要由未来的科学家们给出了。 此外，极光又是“地球发电机”以另一种形式发出的“希望之光”，也是一种威力巨大的“天然发电站”。 在地球的南、北两极，高阔的天幕上，竞相辉映着五彩缤纷的光弧。有的像探照灯的光芒在空中晃动，有的像彩带在空中飞舞，有的像帷幕随风飘拂，有的像成串的珍珠闪闪发光……光弧的颜色或红或绿，或蓝或紫，时明时暗，构成一幅瑰丽的景观。这就是极光。它是地球两极特有的自然现象，多出现在3月、4月、9月和10月四个月份。那么，极光是怎样发生的呢？它对人类又有什么用处呢？ 我们已经知道，太阳的内部和表面进行着剧烈的热核反应，不断地产生出强大的带电微粒流——电子流。这种电子流顺着地磁场的磁力线，来到地磁极附近，以光的速度向四面八方散射。其中一部分电子流射入大气层时，使大气中的气体分子和原子发生电离，产生出大量的带电离子，发出光和电来。极光爆发时，会产生强烈的磁暴和电离层扰动，使无线电通讯和电视广播等受到干扰破坏，使飞机、轮船上的磁罗盘失灵。尽管如此，作为一种未来很有希望的新能源，它将给人类带来巨大的好处。有人推算过，极光发射出的电量高达1亿千瓦，相当于目前美国全年耗电量的100倍以上。有的科学家设想，将来在北极或南极地区，建造一座高达100千米的巨型塔架，用适当的方法把高空中极光的电能接收下来，供人们使用。这种办法能成功吗？未来的科学家们，你是否打算研究出其他更好的方案和办法呢？ 更先进的发电技术 你是否知道，现在的火力发电要白白损失70％的能量，也就是说，燃烧100千克煤，最多只有30千克煤真正被利用，其余70千克浪费掉了？很多年以来，各国科学家一直在寻找能够提高发电效率的方法，经过长期努力，终于找到了磁流体发电的方法。 磁流体发电，通俗地讲，就是使气体在磁场作用下发电。我们知道，金属是导电的，那是因为金属导体内有自由移动的电子，所以，发电机通过用金属做成的线圈，在磁场内转动，就会发出电来。可是，气体是绝缘体，气体的流动是气体分子在运动，分子内的电子受原子核的“约束”，不能自由移动，所以，怎么能利用气体发电呢？ 科学家们研制的磁流体发电机使用的气体是经过高温处理的气体。在高温下，一般气体都会发生电离，也就是组成气体分子的每一个原子，它们外层电子不再受原子核的约束，而能自由自在地向各个方向移动。气体就从不导电的绝缘体变成了导电的流体，当它们高速经过强磁场时就会发出电来。 普通气体大约在7000℃以上才能变成磁流体发电所需的导电气体。经过科学家的研究，找到了“种子物质”钾、钠、铯等，如果撤下少量的这种物质，就可以在3000℃的高温下使气体成为导电气体。由于现在开发的地热、海洋热等还不能产生几千度的高温，只能用煤、石油、天然气等化石燃料，所以，目前的磁流体发电又叫做燃煤磁流体发电。只有随着高温原子核反应堆技术的发展，核燃料的废热得到充分利用时，才能实现原子核磁流体发电。磁流体发电是一种直接的发电方式，它的排气温度很高，可以用排出的废气来产生高温高压的蒸汽，推动汽轮机，带动普通发电机发电，它的发电效率可以达到60%，从而节约大量的能源。 磁流体发电同火力发电相比，除了热效高外，还有很多优点。它的发电机组结构紧凑，没有高速转动部件，所以体积小，结构很简单，使用寿命长。磁流体发电机启动很迅速，从点火到大量发电，仅仅需要几十秒钟，要使它停止运动，也只需很短的时间。 现在，磁流体发电的基础研究已基本结束，进入了工业性试验的阶段，尽管如此，磁流体发电机还有许多问题有待进一步解决。 “超寻”研究成功 电是什么？电是电子的流动。有些材料允许电顺利通过，有些材料却不允许，正如有些马路允许车辆行驶，有些马路不允许车辆通过一样。允许电顺利通过的材料叫导体，很难让电通过的材料叫绝缘体。一般来说，金属都是导体，非金属都是绝缘体。 船在水中航行要克服水的阻力，飞机在空中飞行有空气阻力，人在地上行走要克服鞋与地面之间产生的阻力——摩擦力。同样，电在金属材料内部流动时也有阻力，这种阻力叫做电阴。电阻大小跟温度高低密切相关，例如，水银、铅的电阻的随着温度降低而逐渐变小，到了-269℃时，它们的电阻小到几乎没有。 金属没有电阻现象的，科学上把它叫做超导。这种超导现象，早在 100多年前就被荷兰科学家昂尼斯发现了。 多年来，随着科学的发展，人们做了大量的工作，探索超导的奥秘。 曾有一位美国科学家用铅作为材料，做了一个封闭的圆环，并把它放在超低温的环境中，也就是使铅处于超导的状态，接着，他又将一定量的电流通入铅环，然后切断电源，使电流在铅环中没有休止地流动下去。过了几年，当这位科学家再去测量铅环的电流时，他惊异地发现，电流依旧跟过去一样，没有明显的减弱。这说明了电流在超导体中没有损耗，是可以永远地保存下去的。 这个实验给人们非常巨大的启示。在日常生活中，一天24小时里的用电量是不相同的，白天和傍晚用电量最大，到了深夜就大大地减少了。我们现在的发电厂，不可能做到白天发电多、深夜发电少，所以到了深夜，发出来的电往往会浪费掉。假如有一个很大的电力仓库，能够及时地把余下的电能储存起来，到了需要的时候再放出来，那该有多好啊！ 科学家设想在地下很深的地方挖一个大坑，它的直径有100多米，又分成上中下三层，在里面充满着超低温的液态氦气，把超导金属做成的线圈浸没在里面。平时，可以把多余的电能储存到超导线圈里去，当需要时，再把电取出来使用。由于电能没有损耗，所以能长期地储存下去。 科学家已着手研究、制造可以储存100万度电的超导设备，只要制造成功，人们就再也不会为用电的不平衡而伤脑筋了。 电是从发电厂的发电机发出来的，由于发电机所用的导线是用金属铜、铝制成，在常温下电在金属导线中流过时，会因电阻而使导线发热，变成热量，无形中能量跑掉了。所以，发电厂发出来的电只有90％供我们使用，10％被发电机本身消耗掉了。 如果发电机的导线是用超导金属做成的，就可以使发电机的效率提高到98％，而且发电机也不必造得很大。目前世界上已经制造成功1万千瓦功率的超导发电机，到本世纪末，会有2000万千瓦大功率超导发电机问世。它可以供应一个现代化大城市的全部用电。 21世纪，输电线和变压器都可能用超导金属制成，超导电缆和超导变压器的问世，更能为人类节约巨大的电能。 束 能 在当今世界，不管我们在地球上哪一个角落，打开收音机，就能聆听到自己喜爱的新闻、音乐、戏曲等各种节目。在收听这些节目时，不知你们是否想到过：这节目是从哪儿来的，是谁把它们送到我们耳朵里的？ 这些节目是由电台预先制作好，然后，由无线电发射机，以无线电波的形式定向传播出去。无线电波的波长有不同，人们把它们分为长波、中波、短波、微波等。收音机接收不同波长的无线电波，把它们变成节目。 如果我们用放大镜把太阳聚成一点，提高太阳光的能量，就能点燃火柴、纸片。同样，科学家通过聚焦技术，把无线电波紧缩在一起，成为一种能，这种能叫做束能。 束能理论最早是在19世纪，由大科学家赫兹和泰拉斯提出来的。现在，这个理论已发展成熟，进入实用阶段。 微波是波长很短的无线电波。第二次世界大战后，随着微波技术的发展，科学家首先对微波聚焦，使它们成为微波束能。20世纪70年代，美国计划在卫星上建造太阳能电站。电站上有两块巨大的矩形电池帆板，它们将太阳光转换成电。在电池帆板之间的微波辐射无线将电通过波发生装置变成微波能，再由微波天线聚成微波束能，发射到地面。地面接收站把接收天线收到的微波束能转换成电，供人们使用。 目前，科学家对束能的研究，主要集中在建立地面微波束能站方面，为各种飞行器提供束能动力。 加拿大制造了一架利用微波束能作燃料的试验飞机。飞机机翼下面有天线，专门接受地面微波站发射的微波束能，然后，将微波束能转变成电，用作飞机动力。这架飞机在空中飞行几个月，像一个低空飞行的通信卫星，既可以监视地球大气层中的各种危险气体，又可成为无线电通信转播站。 美国航天署打算设计一种小型束能宇宙飞船，能载5名宇航员，船重6吨，升空十分方便，从简易场地起飞，只需三四分钟就可以进入运行轨道。美国科学家还设计了一种大型无人驾驶束能飞机，能在离地面19.2千米的高空飞行，携带67.5干克重的各种仪器设备，持续飞行90天。这架束能飞机的任务是监测地球环境。 束能是一种新型能源，正受到人们越来越多的重视。 潜 能 天上星星亮晶晶，数也数不清。科学家们把这些星分成恒星、行星、卫星、彗星、流星等。 恒星本身发出光和热，我们的太阳就是恒星。由于过去人们认为恒星的位置是固定不动的，所以，把它们叫做恒星，实际上，恒星也在运动。许许多多的恒星组成一个集合体，就像动物世界中的动物群、密林里的植物群，科学家们把它们称为星系，比如银河系。 我们知道，自然界的生物都有生有死，只是各种生物的寿命长短不一样。其实，自然界的物质都在不停地运动着，恒星也不例外，它们也有产生的过程，也有消亡的过程。 我们日常生括中，除了用煤气、液化气烧菜煮饭以外，还有许多家庭在使用煤炉，比如用煤做成煤饼或煤球放在炉内作为燃料燃烧，放出光和热。当煤燃烧完了，就不会产生光和热，而变成一堆煤灰了。恒星能发出光和热，也是因为它内部的燃料在燃烧。恒星内部的燃料不是煤，而是原子核，通过原子核的聚变反应，产生大量的光和热。当恒星内部的核燃料用完了，它的剩余物质被紧紧地挤压在一起，压缩得非常紧密，连光都只能进，不能出，不能离开它们的表面。科学家把这种剩余物质叫做黑洞。恒星老了，衰退了，收缩成黑洞。 在漫无边际的宇宙中，黑洞是一个孤立的天体，只有网球那样大小，但它的重量却跟地球差不多。人的肉眼是看不见它们的，即使科学家用天文望远镜也看不见它们，人们只能通过黑洞的巨大吸引力，才能确定它的存在。 黑洞有巨大的吸引力，如果宇宙飞船、航天飞机飞过黑洞，就会立刻消失。凡是在黑洞附近的物质，都被它吸进去，消失得无影无踪。 黑洞似乎很可怕，可是，经过科学家们的研究，找到了一种开发和利用黑洞的能量的方法：把生产原子能的核反应堆放到黑洞上去。人们把核燃料发射到黑洞上，由黑洞内巨大的引力压缩核燃料，迫使其实现核聚变反应，释放巨大的能量，人造卫星电站接收能量反射到地面。科学家把这种能量称做潜能。 潜能的开发利用，是一项巨大的星际工程。为使这一工程成功，人类要付出惊人的代价。尽管科学家在地球上还没有实现这样的任务，但是，一旦这项工程成功了，那就能源源不断地获得非常巨大的能量，而且是一本万利的。 节约能源新技术 能源与国家的经济建设和人民的物质、精神生活密切相关，我国虽然是能源大国，但由于人口众多，人均资源占有量在世界上居第80位，因此节能任务十分艰巨和紧迫。 我国的能源利用年平均为30％左右，远比工业发达国家低，主要原材料成材率低，利用率低，单位国民生产总值的能耗与原材料消耗高于发达国家，产品单耗从总体上比国外高30～90％。此外，资源综合利用率低，对高耗能设备和落后工艺控制不利，再生资源回收率仅有30％，比国外低30％左右；如将能源有效利用率提高到工业发达国家水平，每年可少用三亿多吨标准煤。 从温室效应看，在使全球气候变暖的温室气体排放中，能源生产和消费活动占57％。据报道，1988年矿物燃料的燃烧向大气排入了55亿吨煤，其中美国占20％，前苏联占17％，中国占9％，位居第三位。若按单位国民生产总值产生的二氧化碳衡量，中国则是发达国家的3～6倍。环境问题引出了节能的新意义，如不重视节能，2000年我国将成为世界上第一大的排碳国。 节能是一项综合性的事业，涉及到生产、生活及社会的各个方面，不仅仅是我国而且也是世界各国经济发展的一项长远战略方针。对节约能源新技术的研究和开发利用已被提到世界各国日程上。 热电联供 在火力发电生产中，主要的热损失是在冷凝器中排走的冷源热损失。所以，若将汽轮机做过功（即发过了电）的部分或全部蒸汽的热能作为供生产或生活用汽的热源，并拆除这些生产或生活用热所需的额外锅炉，就可使发电生产中的热能得到合理的利用，这就是所谓的热电联供技术。 热电联供技术主要有以下几种： （1）背压式热电联供系统。背压式热电联供系统汽轮机排汽的热量不是放给冷源，而是供给热用户使用，燃料的热量可得到充分利用。这种系统的特点是其热经济性高，发电煤耗低，节能效果明显；另外，机组本身结构简单、投资少。但由于这种系统以供热为主要目的，发电量受热用户的热负荷限制。当外界用汽量减少时，发电设备的发电量也随之下降，增加电网的负担，因此这种机组对蒸汽负荷变化的适应性较差。 （2）抽凝式热电联供系统。抽凝式热电联供系统带有凝汽器，也有冷源热损失，但比只发电不供热的普通发电设备热损失明显减少。因为做过功的蒸汽有一部分从汽轮机中某个部位抽出，不流向凝汽器而供应外界用户用热，因而减少了这部分蒸汽的冷源热损失。抽凝式发电设备的热能利用率和供外界用热的抽汽量与凝汽器中凝结的蒸汽量的比例，以及抽汽在汽轮机中所做功的大小等因素有关。不供热的普通火力发电设备的热效率一般介于25～45％之间，而我国热电联供发电设备的热效率一般处在78～86％的范围内。 （3）裕压发电。一般热源供汽包括热电厂供汽和自备锅炉供汽，其压力较高，而许多工业部门需要大量压力不高的用汽，因此在供汽与用汽设备之间就存在一定的压差，利用这一压差发电就称为裕压发电。裕压发电的原理是将从热源来的蒸汽先进入背压式汽轮机发电，再将所排汽供应热设备使用，可使热能得到充分利用，这样就提高了能源利用效率。裕压发电采用背压式机组，与同参数的凝汽式机组相比可节煤60％，与高参数凝汽式机组相比，可节煤35％，节能效果十分明显。 余热利用 余热资源指的是在生产过程中由各种热能转换设备、用能设备和化学反应设备中产生而未被利用的热能，其数量大得惊人。据美国在70年代统计，每年被排弃的余热为用能总量的74％。我国建材、冶金行业的余热占燃料消耗的比例在30％以上，化工、机械、造纸、纺织等行业也在10％以上，可见余热资源的潜力是非常大的。 余热的来源主要有工业排气余热、高温产品及炉渣的余热、冷却介质的余热、化学反应过程中生成的弃热、可燃废气、废液、废料的热能以及废汽、废水的余热。 余热资源只有具备一定数量才有回收的可能，同时还必须根据其能量品位的高低评价其回收价值。余热的品位由温度、压力、化学潜热共同构成。温度、压力越高，化学潜热越大，则品位越高。 余热利用是节能中的一个重要课题，它具有很高的经济效益和社会效益。 围绕余热利用的新技术有余热发电、低沸点有机工质循环、热管、热泵等。根据热力分析，利用余热发电或作为动力直接去拖动机械是最有效的余热利用方式。 电力负荷控制 电力负荷的大小随时间而异，负荷随时间变化的轨迹称为负荷曲线，最大负荷称为高峰负荷，最小负荷称为低谷负荷。由于工业电能不能存储，电力部门的发电功率必须实时跟踪负荷的变化，即高峰负荷时，必须要有和高峰负荷相当的发电容量，而在低谷负荷时，则要停掉很多机组。这种按最大负荷确定装机容量的作法是很不经济的，而且机组频繁地启动和停止对运行也十分不利。因为水轮发电机启动比较简单，所以目前广泛采用水电调峰的办法；另外，可利用抽水蓄能机组在低谷时抽水填谷，在高峰时发电调峰，也就是说，在负荷处于低谷时，抽水机是用电设备，它将电能转变成水的势能暂时存储起来；一旦用电处于高峰，再将这部分水的势能变成电能并入电网。总之，所有的这些措施都是以大于高峰负荷的总装机容量为前提，以调整发电机组的运行为手段的。 负荷控制利用限制负荷或调整部分负荷用电时间的方法控制高峰负荷，减小高峰负荷和低谷负荷的差值，以平滑负荷曲线。 在电力系统装机容量一定的情况下，通过合理调整用电时间，为更多用户供电。在电力系统负荷增长的情况下，通过合理调整用电时间，推迟新机组的装机时间；在严重缺电，电力供需矛盾突出的情况下，通过将用户分类，能停则停，保证对重点用户供电的可靠性。 电力负荷控制在西方虽然应用较早，但真正受到重视是在70年代石油危机以后。石油危机的出现，使人们真正认识到节能的重要性。负荷控制可以平滑负荷曲线，提高能源利用的效率，甚至可以通过合理设计负荷、减少电力系统的备用容量，推迟新建电站的建设时间，因而对于电力部门有很大的吸引力。 配电网自动化包括配电线自动化和用户自动化两个方面，前者指对配电线路开关的监控和配电线管理信息的处理，后者指对用户用电量的自动测量和对用户负荷的控制。前者的控制对象是供电部门本身，后者的控制对象是用户。虽然控制对象不同，但两者是紧密相关的。 美国在70年代后期至80年代以负荷控制为核心，对配电网自动化问题进行了大量开发工作。例如由美国电力科学院和能源部资助的配电网自动化通信系统研究，投资1000万美元，包括五个工程，每个工程的控制对象至少为700个。该项目于1976年开始，1980年完成，取得了很好的结果。1980年完成的由通用电气公司和联合爱迪生公司负责的PROBE计划在系统构成和多种功能配合方面也取得了很好的经验。1984～1988年间，电力科学院协调开展了一系列配电网自动化的研究工作，其中五个最大配电网自动化的投资超过1500万美元。 如果说70年代的石油危机给了配电网自动化和负荷控制强大的推动力，那么80年代微电子及微型计算机的发展又提供了强有力的手段。目前已经进入了综合配电线自动化和用户自动化两个领域并包含其它功能的配电网综合自动化阶段。这个阶段的主要特点是应用计算机网络技术构成分层分布监控系统，集负荷管理、配电线控制、信息管理、电费结算、规划、运行等于一个系统；软件和硬件都采用国际标准；使用具有微处理机的智能终端；将人工智能等新技术用于供电故障点检查及恢复供电操作，提高了供电的可靠性和缩短故障停电时间；及利用地理信息系统对供电设备进行管理等。 我国电力供应长期短缺，负荷的监督和控制尤其显得重要。目前不少地方采用的在高峰时强行拉路的分片轮流停电的办法，给用户带来了极大的不便，对有些重要用户造成经济损失。在用户方面，由于电力使用不合理，浪费能源的现象也十分严重。因而有关方面对电力负荷控制十分重视，原国务院电振办曾出资支持了四个试点，取得了可喜的效果。如今，以配电线载波、有线通信和无线电为通道的系统均有运行。在分散控制方面，我国自行研制的电力定对开关和电力定量器都是适合我国国情的产品。但总的说来，我国的负荷控制水平和工业化国家的差距还是比较大的。 节约用电 电能是经过一次能源转换而成的二次能源，转换的效率很低，一般火力发电的能源利用效率只有20～40％，其代价十分昂贵。发展电力工业，不管用非再生能源还是再生能源，都会对环境造成污染，并在一定程度上影响生态平衡，代价很高，因而世界各国都对节电问题十分重视。由于我国的电力供应长期不能满足工农业迅速发展的要求，节约用电具有巨大的经济和社会效益。 （1）电力系统电能损失的构成： 电力系统由发电、输电和配电三个环节组成，每个环节都有电能损失，电力系统的电能损失是上述三个环节损失的总和。电力系统的总损耗高达25～34％，这是一个相当可观的数字。其中发电损耗和输配电损耗是电力部门可以控制的，如电力部门已经要求把输电损耗降至7.8％以下，而12～14％的用电损耗则应该由用户控制。 （2）主要节电措施大致有以下几种： ①降低线路损耗。 线路损耗和线路电阻的一次方及所传输的电流的平方成正比，电阻和电流越小，则线损越小。缩短动力线的传输距离，增大导线的截面，可以减小线路电阻；在传输功率不变的条件下，提高输电线路的电压等级可以减小传输电流。我国很多城市配电网及农村配电网在电压等级的选择、变压器的布点、配电线路的走经和导线选择方面均存在不少问题。近几年城网改造引起了供电部门的高度重视，有的城市已经取得了明显成效。农网和用电大户厂内用电系统量大面广，应当引起关注。 说起降低线路损耗，我们不能不提一下超导技术。 电是依靠导体来传送的，所有的金属都能导电，但实际用来作导线的只有铜、铝、铁等为数不多的金属。另外，电解液以及电离状态的空气也能导电。由于电阻的存在，电在导体内流通会产生损耗，引起发热，这就限制了导体通电的能力。 1911年初，有人在-269℃的环境温度下，测量汞的电阻值时，发现电阻指示值为零，当时还以为测量仪表发生了故障，但经各种仪表校核，确证汞确实消失了电阻。以后人们又陆续地发现一些金属在一定的温度下，电阻也会突然消失。金属电阻完全消失这一特殊现象，称为超导电性，具有超导电性的金属、合金和化合物为超导体。80年代中期以来，超导的研究进展得相当快，许多国家都集中人力、投入重金，力争在超导研究的国际竞争中取胜，超导成了科技界的热门话题。 超导技术的应用将使电力工业产生根本性的变革。利用常规导线作为输电线，电能的损耗极为严重，为了提高送电效率，只能向超高压输电方向发展，但损耗仍然很大。由于超导体几乎可以无损耗地输送直流电，而且目前对超导材料的研究已经可以使交流电损耗降到很低的水平，所以利用超导体制作的电缆将节省大量能源，而且可以实现远距离送电，建设跨国、跨洲的大电网。 目前，电力生产只能是需要多少生产多少，无法储存，超导体的出现将解决这一难题。由于超导体能使电流无限通过，因此利用超导体制成线圈可以大量储存电能。这种储能装置既可以用作特殊电源，也可似用来调节电力系统的负荷，以充分利用发电设备。 超导材料还可用于电机制造。普通发电机由于各种限制，单机最大输出功率不能超过150万千瓦，而超导材料由于无电阻而且载流能力大，用来制造电机可使功率损失减少到普通发电机的一半以下，并能简化普通发电机庞大而复杂的冷却系统。 超导技术的应用将会给产业界带来一场革命。超导材料可广泛应用于交通、医学、计算机、精密仪器、军事、机械制造等各个领域，对能源工业也将产生巨大冲击。人类将最终解决能源问题的希望寄托在实现核聚变，而核聚变要达到实用比，必须依靠超导体。目前国际能源机构正在组织应用超导体实现核聚变的国际合作，一旦人类掌握了这一技术，将彻底摆脱能源危机的困扰。 ②合理使用变压器。 变压器中的损耗由铁损耗和铜损耗两部分组成。铁损是变压器一次侧加压时，磁通在铁芯中磁滞的涡流所致，当电压不变时为常数，与负载的大小无关，但一次电压越高，其值越大。铁损在变压器的副方开路时测量，故又称开路损失。铜损由一次侧及二次侧的电流分别通过一次及二次线圈时的电阻所致，与通过电流的平方成正比。铜损在将变压器的副方短路时测得，故又称短路损失。 为了提高变压器的效率，除了注意选择低耗变压器外，还应使其负荷系数在0.4～0.6的范围之内。负载太小时，铁损所占比例太大；负载太大时铜损迅速增大。 ③合理使用电动机。 电动机是工业上使用最多的一种电力驱动设备，而且绝大部分为异步电动机。和变压器比较，异步电动机除了有铁损和铜损之外，因为是旋转机械，还有机械损耗。 ④家用电器节能。 家用电器是一种量大面广的耗能器具，节能潜力相当可观。近15年来，国外家用电器的耗电量不断下降，洗衣机平均降低33％，电冰箱平均降低25％，冷冻箱平均降低40％，热水器和电视机平均降低70％。 近年来，我国电冰箱、洗衣机、电风扇、电视机和其它小型家用电器的社会拥有量迅速增长。按照我国2000年工农业总产值翻两翻、人民生活达到小康水平的战略目标，电力部门预测，届时中国城镇生活用电将占总发电量的10％以上，城市居民基本上可以普及电视机、洗衣机和电冰箱，但大多数家庭还不能使用电炉、电灶和空调设备；全国农村基本上都能用上电，部分农村也可以用上电视机、电冰箱等家电电器。在小水电资源丰富的地区，还可以使用电炉、电灶等。根据这样的预测，并考虑到其它制约因素，我国应发展耗电不多、能有效减轻家务劳动、节省时间、改善家庭环境的节能型家用电器。 目前，有些单位研制的节能家电产品迟迟不被生产厂家所采用，除了节能产品性能上尚有不足外，在税收、价格上没有优惠也是原因之一。因此，制订家用电器节能的技术经济政策和法规是刻不容缓的。 随着家用电器用户的增多，使用中节能问题会变得越来越突出。因此，必须向广大用户普及正确使用家用电器的知识，提高节能意识。应该利用电视、广播、报刊、杂志、举办展览等宣传手段，促进家庭节能。 人类只拥有一个地球，几十亿人生活在这个星球上，每个人都对保护地球的环境负有一份不可推卸的责任。全球气温变暖、极地上空大气层的臭氧洞、酸雨以及日益增多的自然灾害是世界上所有国家都面临的严重问题，而这一切有绝大部分是由能源消耗所导致的环境污染直接或间接引起的。我们在毫无顾忌地消耗着有限的常规能源时，似乎从来没有考虑过几十年甚至几百年后，我们给子孙后代留下的是一个什么样的世界。为了给子孙后代造福，为了节约有限的常规能源，已经有不少科学家在努力探索寻求可再利用、无污染的新能源。可以这样说，探索寻求新能源是时代赋于人类的新的历史使命。 另外，从高科技方面看，高科技和高科技产业的发展已经成为经济发展的生产力、政治上的影响力、军事上的战斗力和社会发展的推动力。现在世界上各工业国家对高新技术的研究与发展，主要集中在新能源、信息技术、新材料、生物技术、工业自动化和机器人以及航天技术等领域中，而且已经取得了重大成果。而这些领域的每项成果，又可推动其他领域的发展和进步。作为现代高科技重要组成部分的新能源技术，是维持和发展社会生产和生活的物质动力源泉，与高新技术其它领域的发展密切相关。可以预见，21世纪科技的大发展必将引发一场新的能源革命，因此，从现在起，我们应该努力探索寻求新能源，为跨入21世纪做好准备。 当然，我们也应该清醒地认识到，发展和应用新能源并非一蹴而就的事，它需要经过数代人的艰苦努力，并以高新的科学技术发展为基础才能取得成功。因此，可以说，探索寻求新能源是时代赋予青少年朋友们的一项重要的历史使命，唯有刻苦地学习科学文化知识，认清人类所面临的处境，才能无愧于时代，无愧于子孙后代，挑起压在双肩上的担子。希望所有的青少年朋友们能够不辱历史赋予的特殊使命，成长为掌握精深的科学技术的跨世纪人才。 继往开来 到这里，我们已在能源技术百花园里匆匆地走一圈。但毕竟是走马观花，一晃而过。对前面所介绍的内容，在您的记忆中虽不至于已成过眼云烟，但也不能对园内一草一木都印象很深刻，甚至就连其中的奇葩 （pa）异草恐怕也难一一记清。为了加深印象，巩固知识，让我们一起回味一下本书的主要内容，并进一步鉴往观来，作一个概括的分析和预测吧。 火，本是一种自然现象。当人们发现它是摄取和转换能量的最基本的形式，并加以利用以后，人类便在文明的康庄大道上迅猛前进了。到目前为止，人类对一切能源的利用，归根结底，或从引伸意义上讲，都是以火或用燃烧的形式来实现的。人类日常生活中使用的许多能源，大都通过燃烧取能。火力发电将化石燃料和木材，城市垃圾中的有机物质等生物质能转换成电能等等，都是直接以火的形式来利用能源。而风能、水能和生物质能等本身呢，实质上是太阳熊熊燃烧之后辐射能量所转化出来的。当然，太阳的光和热，不用说，更是烈火高温的直接产物了。核电站燃烧核燃料，通过裂变链式反应产生很高的温度，将水变成蒸汽，推动涡轮机发电，实质上，它还是以燃烧形式从核燃料中取能。即使是燃料电池，尽管并不产生很高的温度，也看不到火光，但本质上依然是燃烧，科学家们将其称之为“冷燃烧”。没有能源，人类便不能生存，更不能发展。因此，完全可以说，人类正是在火的光辉照耀下，迈出了一个又一个大发展的步伐，日益文明昌盛起来。 人类对常规能源的利用，无论是在开源方面，还是在节流方面，都在不断进步。对于煤炭、石油和天然气等化石燃料，从勘探、开采、运输到使用，技术不断进步，日新月异，令人目不暇接。这对能源本身的盛衰与荣辱，不但没有影响，反而进一步促进了与这些常规能源有关的能源技术的进步和发展。于是，资源卫星勘探技术、煤炭地下气化技术、二次三次采油技术、煤炭液化和气化技术、磁流体发电和燃料电池等直接发电技术，以及高效大容量输电和余热利用等等新节能技术相继诞生并发展起来，而且已经和正在给人类带来极大的社会与经济效益。人们对水力能的利用，已经今非昔比，走上了大规模、经济地开发和系统设计、综合利用的轨道。在常规能源技术领域，目前，磁流体发电技术、燃料电池、水力能源综合利用工程、高效大容量输电技术和余热利用技术等已成为人们关注的热点。 本世纪中叶以来，人们对核聚变能、太阳能、地热能、海洋能、风能和生物质能等等新能源的研究开发和利用付出了辛勤的劳动，坚持进行着孜孜不倦的研究，并取得了许多可喜的成果与重大突破。 如果从50年代初算起，人们研究和开发核聚变能已经有40年了。人们已攻克了许多难关，虽然尚未达到受控热核聚变的目标，但是正在一步步地逼近实现受控热核聚变的临界条件。随着托卡马克和磁镜约束聚变反应装置，以及激光驱动等惯性约束聚变反应装置的不断改进，对于等离子体温度、粒子密度和持续时间等实现聚变的主要条件已达到或接近受控热核聚变必须的临界条件；这使我们已经看到受控热核聚变航船的桅杆和旌旗出现在地平线上。而且，据目前发展来看，惯性约束反应堆有可能比磁约束聚变反应堆更早一些实现商业应用规模。对低温核聚变——冷核聚变的研究，道路虽然曲折坎坷，甚至在1989年还出了一场闹剧，但是，它毕竟是许多科学家所梦寐以求的；在几十年的研究和试验过程中，有失败的痛苦，也有胜利的喜悦，并积累了可靠的科学数据。所以，尽管许多议论纷纷，仍然有很多科学家和工程师在坚持研究，它目前依然是开发和研究核聚变能的一个热点。 在大规模地利用太阳能方面，近20年来发展很快。目前，世界上已经建立起许多装机容量相当可观的太阳热试验电站；还有不少功率已达数十万千瓦至上百万千瓦的太阳能发电站也陆续建造成功。随着宇航技术的高度发展，到太空去建造卫星发电站，非但不是遥远的将来才能办到的事，而且很有可能成为能源技术今后的主攻方向之一。发射“人造月亮”——在几千千米的高空布设太空伞，不但已指日可待，而且许多国家都在近几年内竞相将它发射上天，已成为近期内开发和利用太阳能的一个热点。这项技术起初可能是以做试验和解决照明为主，将来会逐步发展到与地面大规模太阳能发电结合起来。 “地球是个庞大的热库，有源源不绝的热流。”（李四光）目前，世界上凡是有条件的地方，利用地下热水和地热蒸汽取暖、洗澡、医疗、做饭，温室种植、禽类孵养、水产培育等等已经相当普遍了。地下热水和地热蒸汽在纺织、造纸、制革和制冷等工业领域也已得到了大量应用。自本世纪初意大利建成第一座地热蒸汽发电站以来，经过70年代后的大发展，地热发电技术也有了长足进步。世界上的地热发电站越来越多，近十年来正以20％左右的年增长率发展着。然而，地热蒸汽和地下热水的形成需要一定的地质和地理条件，不是任何地方都有这种资源。不过，在地球上干热岩到处都有。因此，开井汲取干热岩中的热能技术受到人们的重视，正在迅速发展起来。目前，世界上利用干热岩发电的试验电站，装机容量最大的已达20万千瓦。预计在今后20年内，数十万至几百万千瓦的干热岩发电站将可进入实用化阶段。 覆盖着地球表面71％的海洋中蕴藏着巨大而丰富的能源。波浪能、潮汐能、海流能、海水温差能、海水盐浓度差能、海洋生物质能和海水中的氢能等等应有尽有，丰富多彩。对海洋能的利用，目前只有对潮汐能的利用比较成熟。潮汐发电技术发展较快，已达到大规模商业开发阶段。其中，法国朗斯潮汐电站和我国江厦潮汐电站是世界上最大的潮汐发电站。对海洋波浪能、海流能、海水温差能和海水盐浓度差能等等其他形式海洋能的大规模开发利用，目前仍处在研究试验阶段。其中，对波浪能和海水温差能的开发研究进步较快，已建成一些试验发电站或效率较高的发电装置，估计到下个世纪初可达到大规模商业应用阶段。在海洋生物质能的利用方面，虽然也有人建立过种植巨藻的“海洋农场”，但因成本昂贵和管理上的困难，一直未能发展起来。从海水中提取氢、氘和氚，尽管可以实现，也有人在做，但还谈不上大规模地应用。也许将来有一天，热核聚变发电站大批建立起来了，人们会到海水中去寻求大量的氘和氚。 对风能和生物质能的开发，实质上是对太阳能的间接利用。 利用风能虽然是一个古老的课题，但是，真正大规模地开发利用不过是近几十年来的事。风力发电技术近期内有了崭新的发展和飞跃。目前，从几十千瓦到数千千瓦的大型风力发电站已在世界各地运行之中。特别是“风力田”的开发，为大规模提供稳定电能的风力发电技术找到了一条经济可行的途径。另外，建立海上风力发电站和空中风力发电站 （会飞的风力发电站）的设想，虽然有很多难题待攻克，但前景还是十分诱人的。预计在不久的将来，这会有重大突破。 “农业别动队”是近期崛起的开发利用生物质能的劲旅。植物的光合作用具有了不起的功能，它能够轻松自如而又非常有效地把太阳能转换成丰富的生物质能。在植物中，不但有可直接作为食物或饲料的碳水化合物淀粉、糖分和纤维素等——这些成分都可通过微生物的作用，把他们转变成液态或气态的石油代用品；还有类似石油成分的碳氢化合物——它们有的可直接作为柴油等液体燃料，有的则可通过化学加工变成各种石油产品。种植薪炭林得到的木柴、农业秸秆等有机废物和城市垃圾中的有机物质等等都可直接用来燃烧发电。这些生物质能为火力发电提供廉价的可再生燃料。因此，许多国家正在研究和开发这类能源。目前，人们在培育优良“石油植物”方面亦已取得了很好的成绩。试验性的“能源农场”和利用各种生物资源生产油类或酒精等石油代用品的生物燃料工厂，也正在世界各地如火如荼地发展起来。种植“氢树”和模拟叶绿素的光合作用直接生产氢能等设想，既美妙而又艰难，最近也有了一定的突破。完全可以相信，人们的这些愿望，将来一定能够实现。 对动物发电机、地球发电机、夸克结合能和潜在的理想燃料反物质等名副其实的未来能源，您也许会感到有点渺茫，但是，它们也决非海市蜃楼。它们之中至少有一两种，很可能会像太阳光卫星发电技术和太空伞技术一样，成为能源技术的主攻方向。 能源系统工程是能源技术的运筹帷幄之术，既可以用于广泛开源，又可以用于有效节流。它从整体或全局的观点、历史发展和辩证的观点，运用系统科学，“软硬兼施”，综合利用软科学技术和硬科学技术，最优地实现对能源系统的技术经济管理。 读完这本启蒙书，您或许要产生这样的想法，目前世界上流行着的一种观点——“人们越来越感到能源紧缺”，是不够恰当和不够科学的。是的，这正是作者所期望读者应该得到的结论之一。这种说法，至少是有点“近视”，有点表面化地看问题。其实，能源无处不有，任何物质都有可能变成能源。人类缺少的不是能源，而是技术和时间。如果我们有足够的时间，开发出高度发达的精湛技术，那么，在我们的地球上和我们的宇宙空间里，就会有取之不尽用之不竭的能源供人类使用。只要现在的科学家和工程师们，还有你们——未来的科学家和工程师们继往开来，努力奋斗，许许多多经济、清洁、安全而又经久耐用的新能源便会展现在人们面前。 |
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