• • • • • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 核能 太阳能 风能 地热能 海洋能 生物质能 氢能

　　• “核能”来源于将核子(质子和中子)保持 在原子核中的一种非常强的作用力—— 核力。 • 核力和人们熟知的电磁力以及万有引力 完全不同，它是一种非常强大的短程作 用力。

　　• 当中子和质子形成原子核时，会放出能 量，这种能量称为该原子核的结合能。 • 结合能的大小可以通过爱因斯坦的质能 关系式求得： ΔE=Δmc2 式中 ΔE——结合能，J； Δm——质量亏损，kg； c——光速，m/s； • 不同原子核俘获中子后得到的结合能不 同。

　　• 当质量数小于 60或大于60的 原子核由于某 种原因向质量 数等于60这个 方向变换时， 比结合能增大。 也就是说，在 这样的变换中 必定伴随着能 量的释放。

　　• 太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热 水箱和连接管道组成。按照流体流动的 方式分类，可将太阳能热水器分成三大 类：闷晒式、直流式和循环式。

　　• 太阳能采暖可以分为主动式和被动式两 大类。主动式是利用太阳能集热器和相 应的蓄热装臵作为热源来代替常规热水 （或热风）采暖系统中的锅炉。而被动 式则是依靠建筑物结构本身充分利用太 阳能来达到采暖的目的，因此它又称为 被动式太阳房。

　　• 太阳能光利用最成功的是用光－电转换 原理制成的太阳电池（又称光电池）。 太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室， 随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星 的电源上了天。

　　• 太阳电池是利用半导体内部的光电效应， 当太阳光照射到一种称为“P－N结”的 半导体上时，波长极短的光很容易被半 导体内部吸收，并去碰撞 硅原子中的 “价电子”使“价电子”获得能量变成 自由电子而逸出晶格，从而产生电子流 动。

　　• 太阳内部有“里三层”，从中心向外， 依次是核反应区，这里是太阳热能产生 的基地；辐射区，太阳能先通过这里传 播出去；对流区，太阳能经过这里向太 阳表层传播，它们是“输送带”。

　　• 太阳外部有“外三层”。依次为光球层、 色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮 表面就是光球层，我们所见到太阳的可 见光，几乎全是由光球发出的。光球层 厚约500 km，温度为5 762 K，密度为10-6 g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太 阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射 的。

　　• 中国是季风盛行的国家，风能资源量大 面广。风能理论总储量约为16×1011W， 可利用的风能资源约2.5×1011W。据气 象部门多年观测资料，中国风能资源较 好的地区为东部沿海及一些岛屿；内陆 沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风 能资源也较丰富。平均风能密度150～ 300 W/m2，一年中有效风速超过3 m/s的 时间为4 000～8 000小时。

　　• 为了降低塔式太阳能热动力系统的投资， 发展了一种太阳坑发电技术。它是在地 面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反 射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜， 它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温 蒸汽。博乐体育试验证实太阳坑发电的方案是可 行的。由于其技术简单，成本低，有巨 大的市场潜力。

　　• 另一种有前途的太阳能热动力发电技术 是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形 土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟 囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻 璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被 抽走，驱动风力透平机发电。这种发电 装臵简单可靠，在西班牙已建有一座容 量为50 kW的试验电站。显然这种发电 方式非常适合于我国广大的西部地区。

　　• 近十年来，全球的风电发展迅速，自 1995年以来，世界风能发电以48.7％的速 率增长，即几乎增加近5倍。去年年底全 球装机容量为13 932 MW(5个半核电厂)， 自20世纪90年代以来，全球风电的增长， 每年为40％(和行动电话的成长可比美)， 仅德国去年一年就装了1 568 MW(半个 核电厂)，超过了其他传统的发电总合。

　　• 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。 它资源丰富，既可免费使用，又无需运 输，对环境无任何污染。

　　• 但太阳能也有两个主要缺点：一是能流 密度低；二是其强度受各种因素的影响 不能维持常量。这两大缺点大大限制了 太阳能的有效利用。

　　• 人类对太阳能的利用已有悠久历史。太 阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳 能光利用。 • 太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、 供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药 材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热 动力发电等。 • 太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和 太阳能制氢。

　　• 太阳是一个炽热的气态球体，它的直径 约为1.39×106 km，质量约为2.2×1019亿 吨，为地球质量的3.32×105倍，体积则 比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的 l／4。其主要组成气体为氢（约80%） 和氦（约19%）。

　　• 由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的 核聚变反应，所以不断地释放出巨大的 能量，并以辐射和对流的方式由核心向 表面传递热量，温度也从中心向表面逐 渐降低。 • 由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大 能量的同时，每1 g质量将亏损0.0072 g。 根据目前太阳产生核能的速率估算，其 氢的储量足够维持100亿年，因此太阳能 可以说是用之不竭的。

　　• 风力泵水从古至今一直得到较普遍的应 用。 • 现代风力泵水机根据用途可以分为两类： 一类是高扬程小流量的风力泵水机，它 与活塞泵相配提取深井地下水，主要用 于草原、牧区，为人畜提供饮水；另一 类是低扬程大流量的风力泵水机，它与 螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水， 主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。

　　• 近年来世界各国对太阳能干燥进行了许 多研究。太阳能干燥不但可以节约燃料， 缩短干燥时间，而且由于采用专门的干 燥室，因此干净卫生，必要时还可采用 杀虫灭菌措施，既可提高产品质量，又 可延长产品贮存时间。 • 太阳能干燥器按干燥器（或干燥室）获 得能量的方式可分为：集热器型干燥器， 温室型干燥器，集热器－温室型干燥器。

　　• 太阳能海水淡化装臵中最简单的是池式 太阳能蒸馏器 。 • 还有另一类多效太阳能蒸馏器。它是一 种间接太阳能蒸馏器，主要由吸收太阳 能的集热器和海水蒸发器组成，并利用 集热器中的热水将蒸发器中的海水加热 蒸发。 • 在干旱的沙漠地带，将咸水淡化和太阳 能温室结合起来非常有前途。

　　• 地球上的水资源中，含盐的海水占了 97%，随着人口增加，大工业发展，使 得城市用水日趋紧张。为了解决日益严 重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。 • 世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞 典工程师威尔逊设计、1872年在北智利 建立的，面积为44 504 m2，日产淡水 17.7吨。这座太阳能蒸馏海水淡化装臵一 直工作到1910年 。

　　• 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温 度恒定的黑体，而是一个多层的有不同 波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳 能利用中，通常将它视为一个温度为 6 000 K，发射波长为0.3～3μm的黑体。

　　• 太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热 能的设备，它是太阳能热利用中的关键 设备。太阳能集热器按是否聚光这一主 要特征可以分为非聚光和聚光两大类。 • 平板集热器是非聚光类集热器中最简单 且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射 的面积与采集太阳辐射的面积相等，能 利用太阳的直射和漫射辐射。

　　• 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。 尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为 其总辐射能量（约为3.75×l026 W）的22 亿分之一，但已高达1.73×1017 W，换句 话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量 就相当于500万吨煤。

　　• 地球上的风能、水能、海洋温差能、波 浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来 源于太阳；地球上的化石燃料从根本上 说也是远古以来贮存下来的太阳能。

　　• 为了更有效地利用太阳能必须提高入射 阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集 热面上，以获得较高的集热温度，并减 少散热损失，这就是聚光集热器的特点。 • 聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、 吸收器和跟踪系统。其工作原理是：自 然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加 热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统 则根据太阳的方位随时调节聚光器的位 臵，以保证聚光器的开口面与人射太阳 辐射总是互相垂直的。

　　• 太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要 研究方向，根据太阳能热动力发电系统中所采 用的集热器的型式不同，该系统可以分为分散 型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物 面聚光器配臵成很多组，然后把这些集热器串 联和并联起来，以满足所需的供热温度。集中 型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面 镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些 定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场 地中心附近的高塔顶端的接受器上。

　　• 风能利用历史悠久， 我国是世界上最早利 用风能的国家之一。 • 风能是利用风力机将 风能转化为电能、热 能、机械能等各种形 式的能量，用于发电、 提水、助航、致冷和 致热等。

　　• 风力发电通常有三种运行方式：一是独 立运行方式，它用蓄电池蓄能，以保证 无风时的用电；二是风力发电与其他发 电方式相结合；三是风力发电并入常规 电网运行。

　　• 太阳光从上而下照射大气层，使之升 温。又由于地球的自转和公转，地面 附近各处受热不均，大气温差发生变 化，引起空气流动。空气在水平方向 上的流动就形成了风。

　　• 由于风有一定的质量和速度，并且有 一定温度，因此它具有能量。太阳辐 射到地球的光能大约有2％转变为风能。 尽管如此，风能的数量依然很大。它 相当于全球目前每年耗煤能量的1 000 倍以上。

　　• 太阳热水器于20年代流行于美国的西南 部地区。随着石油和电力价格的上升， 更有效率的「太阳能热水器」和「太阳 能热暖器」亦随之产生。20世纪70年代 在澳大利亚、日本、以色列和前苏联就 已普遍地使用。在美国北部，每平方公 尺的太阳能热接收器，每6个月可节省 30.5公升的热气用的汽油，或是215kW•h 的电力。

　　• 核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常 由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量 的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7％； 还有极少量的铀-234。

　　• 核电站和火电站的主要区别是热源不同， 而将热能转换为机械能，再转换成电能 的装臵则基本相同。 • 火电站靠烧煤、石油或天然气来取得热 量，而核电站则依靠反应推中的冷却剂 将核燃料裂变链式反应所产生的热量带 出来。

　　• 常用太阳电池按其材料可以分为：晶体硅电池、 硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶 硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。 • 太阳电池重量轻，无活动部件，使用安全。单 位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组 合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向 各行各业，走向千家万户，太阳能汽车、太阳 能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机都相继问 世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳 站。 • 太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能 源状况，人类都期待这一天的到来。

　　• 根据这一原理，核能的实际利用有两种 方法：一是目前已达到实用阶段的重核 裂变方法，这就是核裂变反应堆的原理； 二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚 变方法，这就是核聚变反应的原理 。

　　• 核裂变的核燃料 核裂变的核燃料主要是铀。 • 核聚变的核燃料 最容易实现的热核反应是氘(dao)和氚(chuan) 聚合成氦的反应。 作为核燃料之一的氘，地 球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034 g，地球上有15×1014亿吨海水，故海水中的氘 含量即达450亿吨，因此几乎是取之不尽的。