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新能源的开发利用(上)

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  新能源的开发利用

  所谓的新能源就是指绿色能源,一般也称清洁能源,是环境保护和良好生态系统的一个象征和代名词。它可分为狭义和广义两种概念。狭义的绿色能源就是指可再生能源,如太阳能、风能、水能、生物能、地热能和海洋能。这些能源消耗之后可以恢复补充,而且很少产生污染。广义的绿色能源则包括在能源的生产及其消费过程中,选用对生态环境低污染或无污染的那些能源,比如天然气、清洁煤和核能等。

  太阳能

  众所周知,太阳是地球的能源之母。太阳给地球带来无穷的光与热,在浩瀚的太阳系里,太阳是唯一能够发出光和热的星体。除了原子能、火山爆发、地热等少数能量外,地球上的大部分能量都直接或间接和太阳有关

  因为含有叶绿素,植物的叶子绝大多数都是绿色的。而叶绿素只有利用太阳光的能量进行光合作用,才能合成生长需要的各种物质。据科学计算,整个世界的绿色植物每天可以产生约4亿吨的蛋白质、脂肪、碳水化合物,与此同时,还能向空气中释放出近5亿吨的氧气,从而为人和动物提供了充足的食物和氧气。煤炭、天然气、石油、油页岩等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代所形成的,实际上它们是古代生物存下来的太阳能。

  太阳表面每平方米面积就相当于一个6万千瓦的动力站。太阳每秒辐射到大空的热量相当于1.28亿吨标准煤完全燃烧产生的热量的总和,这是一个具有3.9x1011万亿千瓦的发动机的功率。因为地球的外部存在厚厚的大气层,像层棉被把地球包裹了起来,太阳光的辐射能量被大气层反射和吸收,所以地球能接受到的只是这些能量的二十二亿分之一。即使这样,到达地球范围内的太阳总辐射能量也高达173万亿千瓦。而那些直接到达地球陆地表面的大约为17万亿千瓦,大约可以占到达地球范围内的太阳总辐射能量的10%。

  就是到达陆地表面的这17万亿千瓦,也相当于现在全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的2.5万多倍。在陆地表面所接受的这部分太阳辐射能中,被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002%,被植物吸收的仅占0.015%,已利用的比重可以说微乎其微。可见,利用太阳能的潜力是非常大的。太阳能无污染,又取之不尽,用之不竭,是最理想的能源。

  与那些常规能源相比较,太阳能资源的优点非常多,一般分为四个方面:时间长久、清洁安全、普照大地、数量巨大。

  太阳能的利用现在涉及很多高精尖的技术问题,但根据大阳能的特点,具有共性的技术目前主要有四项,即太阳能采集、太阳能贮存、太阳能转换和太阳能传输。所以有效利用太阳能的方式就是将这些技术与其他相关技术结合在一起,主要方式有光生物利用、光化学利用、光热利用、光电利用和发电技术等。

  风能

  地球一直围绕大阳不停地运转,由于日地距离和方位的不同,地球上各纬度所接受的太阳辐射强度也就有非常大的差异。在高纬度地区,日照时间短,地面和大气接受的热量少,因而温度较低。而在赤道和低纬度地区,日照时间长,太阳辐射强,地面和大气接受的热量较多,温度也就较高。这种高纬度与低纬度之间的温差,就形成了南北之间的气压梯度,从而引起大气层中空气压力的不均衡,大气的流动也像水流一样从压力高处往压力低处流,引起大气的对流运动,结果就形成风。在北半球等压面向北倾斜,空气向北进行流动,南半球则相反。

  此外,地球大气的运动还受地转偏向力的影响。地球自转所形成地转偏向力,在此力的作用下,北半球气流向右偏转,而南半球气流则向左偏转。

  地面风不仅受这两个力的支配,而且在很大程度上还要受到海洋、地形的影响海陆差异对气流运动也产生一定的影响,以海边为例,因为海水热容量大,接受太阳辐射能后,表面升温慢,而陆地热容量小,升温就比较快。于是在白天,由于陆地空气温度比较高,大陆上的气流受热膨胀上升至高空从而流向海洋,到海洋上空冷却下沉,而在近地层海洋上的气流吹向大陆,补充大陆的上升气流,低层风从海洋吹向大陆则称为海风。反之在夜晚,海水降温慢,海面空气温度都比较高,空气上升而形成由陆地吹向海面的就是陆风。

  海陆风的强度在海岸处显得最大,随着离岸距离的增加而逐渐减弱,通常影响距离约为20~50千米。海陆风最强烈的一些地区,往往也是温度日变化最大及昼夜海陆温差最大的一个地区。海风通常从每天上午开始直到傍晚,风力以下午为最强。海陆的温差,白天大于夜晚,因此海风较陆风强。

  同样,在一些大型湖泊附近,白天有风自湖面吹向陆地,称之为湖风,夜间,风自陆地吹向湖面,称之为陆风,因而合称湖陆风。

  在一些山区,白天时山坡接受太阳光热比较多,空气增温就会多,温度会远远高于山谷上方同一高度的空气温度,山坡上的暖空气就会不断上升,并从山坡上空流向谷地上空,谷底的空气则沿着山坡向山顶补充一些流失的空气,这样就在山坡与山谷之间就形成了一个热力环流,这种由山谷谷底吹向山坡的风我们称为谷风。夜间,山坡因辐射而冷却,其降温速度比同高度谷地上空要快,于是山坡上的冷空气因其密度大,沿坡地向下流入到山谷,这种风就被称为山风。

  风的一个重要特点就是能量非常大。大风所具有的能量是很大的,一般风速9~10米/秒的5级风,吹到物体每平方米面积上的力大约有10千克;风速20米秒的9级风,吹到物体表面上的力,大约每平方米面积可高达50千克左右。由风所激起的汹涌澎湃的海浪,对海岸的冲击力可达每平方米20~30吨的压力而大的甚至可达每平方米60吨左右的压力。据一些专家们估计,风中含有的那些能量,比人类迄今为止所能控制的能量总和都要高得多,由此可以说风能这种看不见的[天然]气比平常说的天然气蕴藏的能量要大得多。不难看出,风能是地球上重要的能源之一。

  风能是一种十分环保的绿色能源,它在使用过程中不会对环境产生任何污染。风能的主要特点还包括洁净,分布广,可再生等。这种看不见的能源分布范围十分的广,而且不像石油、煤炭这些能源用多少就会少多少,只要太阳与大气存在那么,风就不会消失。

  现在,美国、印度、巴基斯坦、英国、荷兰、丹麦、墨西哥等国家都在研究高端的风力提水技术,发展适合自己国情的风力提水机。风力提水和风力发电一样也是人类有效利用风能的一个主要形式,风力提水可广泛用于农田灌溉、滩涂改造、海水制盐、人畜饮水、水产养殖、草场改良等提水作业。

  中国是世界上最早使用帆船的国家之一,唐代有[乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海的诗句,可见那时风帆船就已经被广泛用于江河航运。

  风能发电遇到的最大的一个问题就是风能的间歇性。风速的大小往往不能进行人为控制,风速大的时候风能发电的功率就比较高,反之则小。因风能具有非常强的间歇性,为了稳定风能发电的功率,风力发电系统必须配备蓄电池等一些蓄能装置,或者与柴油发电机或其他发电装置并联互补运行或者进行并网运行。

  风力发电机组是实现风能转换成电能的设备,通常包括风轮机、自动控制装置传动机构、发电机、支撑铁塔等。