书城自然科学求知文库-人类生存之能源
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第15章 捕获新能源(2)

被动式太阳房的推广对于节约常规能源、保护环境有重要的意义。被动式太阳房主要建在中国北方冬季需要采暖的地区,房屋种类不限,有学校、办公楼、商店、宾馆、饭店、医院、邮局和城乡住宅等,一般可以节能60%~80%,投资比普通房屋增加12%~40%,投资收回年限在2.5~10年间。到20世纪90年代初,我国约有30万平方米建筑面积的被动式太阳房,节约了大量采暖用的常规能源。

光伏技术

光伏技术是利用光生伏打效应的技术。光照在半导体PN结上,产生电子——空穴对,在P区和N区间产生电动势,在外部接上负载就可输出电能。

太阳电池就是通过光伏效应把太阳辐射能转换成电能的器件。制造太阳电池可用硅或化合物半导体等。应用最广泛的是硅太阳电池。分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。其中单晶硅太阳电池充电转换效率最高,性能长期稳定,但成本高,非晶硅太阳电池价格便宜,能大面积使用,但需解决长期运行性能衰减的问题。

太阳能光化学转换

太阳光照射在半导体和电解液界面,发生化学反应,在电解液中产生电流,并使水电解直接产生氢,这就是光电化学电池中的太阳能光化学转换。

太阳能应用的远景

国际太阳能会议发表了一个题为“伟大的太阳能挑战”的报告。里面讲到,21世纪应是太阳能世纪,只要把地球接收到的太阳能的0.01%加以利用,就可以满足全世界对能源的需求。一些专家估计,到21世纪中期全世界消耗的电力的20%~30%将由太阳能电池供给。

科学家设想,太阳能电池可以做得很大,建在无人居住的沙漠或荒野上,也可以把太阳能电池板漂浮在海上。这虽然能大面积接收太阳光照,但仍受夜晚、季节和气候的限制。那么,能不能摆脱这些限制呢?有可能!让我们把太阳能电池板像人造卫星一样发射到大气层外面去!巨大的太阳能电池板怎么发射到那么高的同步轨道上去?可以先用航天飞机或大型运载火箭把预制部件送到低轨道上进行装配,再用离子推进装置把装配好的电站送到同步轨道。把太阳能电池发出的电送回地面也不容易,科学家想出的办法是把发出的电转换成微波束,发射到地面的接收装置,再转换成电能,通过电网送给用户。也可以在卫星轨道上装配一个巨大的反射镜,把太阳光直接反射到地面上的接收站,那么,这个地区将永远是白天。不知人们住在这样的地方能否习惯?

另一设想是建立太阳能——氢能系统。接收的太阳能一部分转换成电,更大部分用来制氢。产生的氢能,一部分用于当地夜间或电力高峰负荷时的需要,剩下的氢用管道输送到能源消费中心,然后将氢供民用、工业用或发电用。太阳能制氢的方法有多种,如用太阳能电池发电,再用电来分解水制氢;可聚焦太阳光,产生高温将水直接分解成氢或氧;用半导体悬浮体系的光催化,让太阳光直接分解水,即光催化反应;或应用生物工程方法,通过能利用太阳能藻类或其他植物、微生物进行生物制氢。

这样,我们在将来就有一种可能:不要发电厂和大电网,每家自己发电供自己用!白天,全家人上班、上学,房顶上的太阳能收集器接收了太阳能,自动制氢,再把制好的氢存储起来供人们晚上回来用。一般来说,整个白天接收的太阳能应够一个晚上用的了。如不够,还有像煤气罐一样的储氢罐(用储氢合金来储氢)和像煤气管道一样的输氢管道。汽车也可以用储氢罐取代油箱,储氢罐可像充电电池那样,一旦氢用尽,可自己接通输氢管来充氢。

§§§第4节亟待开发的新能源——地热能

我们居住的地球象个大热水瓶,外凉内热,它所蕴藏的热能相当于全部煤炭储量所含热能的1.7亿倍,或相当于全部石油储量所含热能的50多亿倍。地热发电比风能、太阳能和核能都便宜,具有巨大的开发价值。

地热资源以其存在的形式可划分成5种类型:蒸汽型,一般是150度以上的过热蒸汽,杂有少量其他气体;热水型,分为高温(150度以上),中温(90~150度)和低温(90度以下)热水;地压型,尚有待继续研究的一类地热资源,一般为地压水与碳氢化合物的混合物,所含能量包括机械能(压力)、热能(高温)和化学能(天然气);干热岩型,地下存在的、没有水或蒸汽的、温度高且有开发价值的热岩石;熔岩型(岩浆型),指熔融状态或半熔融状态岩石中蕴藏的巨大能量,温度为600~1500度。当前应用的地热资源主要是蒸汽型和热水型。蒸汽型可用来发电,热水型可直接使用在供热采暖等多种用途上。其他三种地热资源的应用仍在研究之中。

我国地热能资源

世界4个主要地热带是环太平洋型地热带、大西洋中脊型地热带、红海—亚丁湾—东非裂谷型地热带和地中海—喜马拉雅缝合线型地热带。中国的地热资源,特别是高温地热资源主要集中在环太平洋地热带通过的台湾省和地中海—喜马拉雅地热带通过的西藏南部、云南、四川西部。作为中低温地热资源的温泉主要分布在福建、广东、湖南、湖北、山东、辽宁等省。中国各种地热资源总量约320万兆瓦,其中发电潜力估计为1000兆瓦以上。

开发地热资源最有希望的地方是西藏。西藏十分缺乏煤炭、石油等传统能源,水力资源虽然丰富,但开发条件十分恶劣,近期内很难大规模开发。

但是,西藏却有着得天独厚的地热资源。在拉萨西北的羊八井已建成了我国目前装机容量最大的地热试验电站。其他地方有可能建成类似地热试验电站的还有二三十处。偏远的藏北和阿里地区地热资源也有很大潜力,有待于勘探开发。

此外,在我国台湾地区1966年就开始利用地热发电,1980年在清水建立了一座利用高温热水发电的装置,装机容量为3兆瓦。

地热的其他应用

除了发电以外,地热资源还有着多种用途,如:

——工业利用。主要包括染织、烤胶、制革、烘干、造纸以及工业锅炉用水等,还可以用地热制冷、生产冰块和供冷库使用。

——地热温室。全国地热温室总面积在20世纪90年代初达到120万平方米,以北方地区较多,可在严寒的冬季为市场提供新鲜蔬菜。西藏羊八井地热电站利用发电过后的80℃热水,建造了5万平方米的温室,改变了过去吃不到蔬菜的状况。地热温室还可以用于培育良种,育秧育苗,种植蘑菇等。

——地热养殖。中国地热养殖事业发展很快,养殖的动物有非洲鲫鱼、鳗鱼、四大家鱼、虾、甲鱼、蛇和蜗牛等,以福建最多,经济效益很好。

——地热采暖。地热采暖最大的用户在天津。天津地下深处(2000米以下)有温度较高的热水,可为区域采暖提供热源,现总采面积达到将近100万平方米。其他地区也在开始进行地热采暖工程的建设。

——地热浴疗。这是最早开发利用地热的方式,也是发展最快的一种方式。全国已有600个地热浴池,200个地热疗养院。一些地方的地热水像矿泉水一样,对风湿性关节炎、皮肤病、神经官能症等疾病有着一般药物难以取得的疗效。西藏的一些地方在地热泉上建起房屋,冬天,室外温度零下50℃,从室内的热泉中却可以打出50~60℃的热水。

——其他运用。地热资源还可以应用于孵化、灌溉、沼气池加热和提取化学元素等方面,如西藏的地热水中含硼、锂、铷、铯等,具有很大的综合利用前景。

有待进一步解决的问题

地热能的开发会引起一些环境问题。地热水中常常含有一些有害物质,如较多的氟、硼、砷、汞以及重金属铬、镉等。其中还有些钙、镁离子,容易结垢。对于周围没有污水排放条件的地区,水化学污染成了开发地热的严重障碍,有待进一步解决。地热水抽取过多还会引起地面沉降,这样,就要采取回灌措施。要是把会引起污染的地热水灌回去岂不甚好?但要选择适合的回灌方案,不要因回灌了温度较低的水而使得生产井的水温降低。

在地热开发过程中,总会有些从地下出来的气体被排放到大气中。这些气体主要是水蒸气,但往往还有硫化氢和二氧化碳等。硫化氢有恶臭和对金属的腐蚀性。在开发地热田之前、必须设计安装处理硫化氢的装置。这些气体特别是地热蒸汽,从井口喷出时往往发出尖叫声,造成噪音污染,所以在井口要安装能抗腐蚀的消声器。地热水中往往有较多的钙离子等,容易结垢,必须注意除垢。

地热能应用的远景

干热岩体,简称干热岩,一般指的是地下深度在5000米以内,温度在200℃以上,没有水或水蒸气的干燥高温岩体。由于缺乏天然工作流体(地下热水),必须建立人工流体循环系统。这就需要至少打两个钻孔从地面到达干热岩体,一个灌进冷水,冷水被干热岩体加热成蒸汽或热水后从另一个钻孔喷出或抽出,这样就能发电或供热。使用过后的热流可再次灌进钻孔,循环使用。美国在新墨西哥州进行的试验已经取得了成功。