太阳能
太阳能在太阳的电磁辐射中，以较窄的光谱范围到达地球表面（见图3.2）。由于现有技术（及科学理解）认为电磁辐射是能量流，因此，如果不转换成其他形式就无法储存。被看做是能量包的光子能以多种方式同物质发生相互反应，它们可以撞击核子，使其产生更快的振动，进而使物质生热，以这种方式加热的空气就产生了风。光子还可以和电子发生反应，向电子施加能量，如果是硅和其他半导体，则外围的电子价基本上为全价，不易流动，但如果电子从光子接收了1.1电子伏特以上的值，则电子就会跳出价电子轨道进入导电带，产生电流。图3.3给出了太阳能启动电子流的过程，光电系统就是利用了这一原理将入射的太阳辐射即时转换成电能（注14）。
图3.2 电磁光谱资料来源：Jack Kraushaar and Robert Ristinen， Energy and Problems of a Technical Society， p. 149.到达地球表面的太阳辐射集中于可见光谱部分，其中大部分又从地球表面以红外光谱的形式再次放射出来
图3.3 电子能带资料来源： Jack Kraushaar，Robert Ristinen， Energy and Problems of a Technical Society， p. 176.光子向价电子施加了恰到好处的能量，电子进入导电带，电子流产生电流存储
太阳辐射与植物中的叶绿素和其他色素相互作用，使能量流转换成化学能，存储在进行光合作用的植物组织中，以及以这些植物为食物的动物身体中。一般情况下，穿过电子云的光能向电子施加足够的能量，使电子充分移动，结合成高能分子，这是一种非常有效的储存过程，这种储存过程不仅生产出地球上所有的生物燃料能量，而且经过世世代代的变迁，还储存了所有的化石燃料能量。这种天然的存储过程是人工光合作用无法比拟的，但以化学能形式进行储存具有强制性，且因传输过程中没有损失，故可无限存储。
即使是用于居室取暖的被动太阳能应用，也能达到白天储存热量、夜晚释放热量的效果。最简单的应用方法可在玻璃窗对面放置一大块暗墙，因为颜色暗，所以不反射光谱的可见光部分（可见光谱占太阳辐射的大部分），而是吸收了大量的太阳能，吸收的太阳能存储在墙体材料的焓中。如果用被动太阳能取暖，存储墙一般都是涂黑的木墙或石墙，当周围温度降到储存物质温度以下时，墙体就向外散发出热量，保持一种更为恒定的温度。
该技术的一个变化形式是特朗布墙[Trombe，以其发明者菲力克斯·特朗布（Felix Trombe）博士的名字命名］，具体内容是将大面积的黑色墙体置于玻璃墙后，二者相对距离较近，均位于朝南曝光位置，黑色墙体上有通风孔，可使对流空气通过。大气温度较低时，顶部和底部的通风孔都打开，暖空气通过顶部通风孔进入居室，冷空气通过底部通风孔进入墙体与玻璃墙之间的空间按受太阳加热，日落后，通风孔关闭，墙体中存储的热量可向居室内散发（部分热量不可避免地向南辐射，一部分还会透过玻璃窗外溢）。特朗布墙的一个优点是：夏季，顶部通风孔可关闭，底部通风孔及玻璃墙顶部的一个通风孔都可打开，两墙之间的受热空气上升，通过玻璃墙顶部通风孔排出，它起到了烟囱的作用，等于将北面的窗子打开，让凉空气进入居室，替换屋内从底部通风孔排出的空气。试验表明，朝向正南的房子，加上特朗布墙，冬季太阳能取暖效果达100%，问题是夏季会出现热量积累，需加强通风（注15）。如各方面因素比较适合，特朗布墙的造价不贵，只比砌一堵朝南的石墙外覆温室膜贵一点点。特朗布墙看起来只是一堵光秃秃的、刻板的墙，审美问题可能是最主要的限制因素。
还有一种更为有效的储热方法利用了物理相态变化。当固体溶化或液体气化时，需要大量的能；相反，气体冷凝成低能量液态或液体冻结变成更低能量固态时，也会释放出大量的能。这样，如果大面积的暗色物体中含有一种固体，其熔点接近室温，则该固体吸收太阳辐射后就会融化，当它（在室温下）再次变为固态时，就会将相态变化阶段存储的能量释放到室内。芒硝（硫酸钠＋水合物）是这些材料中最为有效的一种，其熔点为93华氏度，融化热量（固体转换成液体或反向转换所需的热量）为100英热单位／磅，大大超过了单位重量（或体积）水的热容量（注16）。该技术最简单的方法是在室内放一只装满芒硝的黑色桶，其放置位置应能使其接收大量的冬日阳光，桶吸收光热，桶内芒硝存热，当温度开始下降时，芒硝就把储存的热散发出来。不过居室内摆一只黑桶有碍观瞻，可努力把桶改成具有装饰特点的摆设，一个解决办法是采用黑色空心柱，里面装满所选材料；另外，经过较长时间以后，芒硝或其他相态变化材料会降解，无法重新结晶。
运输
太阳能可以用来产蒸汽（或使其他挥发性液体气化），驱动透平，将能量转换成电，这一过程被称为热电转换（STEC）。电是STEC和光电应用过程中产生的能量载体，STEC的优点是：由于发电过程中采用透平，故可直接产生交流电。交流电可传输至几英里以外，而光电电池产生的直流电无法长距离传输。
介质流体（水或空气）分子吸收的热可短距离传输。和探讨地热资源时详细讨论的那样，传热过程中，热扩散不可避免，振动的高温分子接触管线或其他密封装置材质，将其热量传给该材质，该材质又将新获得的热量扩散到周围，将载热流体的热量传走。因此，当所需要能量为热量时，只能在很短距离内有效传输。
用太阳能给水加热是收集太阳能热量的一种应用形式，可短距离输送到储存点，再短距离输送到需要的热水水龙头处。为了达到这一目的，大部分太阳能热水系统都采用了电动泵，泵将水打入储罐或加热器内，这一过程中，水流经太阳能收集板，泵消耗的能量远低于常规的水加热炉，但这种应用耗电产生一定费用。
意识到这一成本效率问题后，研究人员设计了一种不带泵的水循环系统。水受热后，会稍稍膨胀，以此来带动循环，这一工艺被称为热虹吸现象，即将储罐置于集热盘管之上，可以不用泵就使水循环。这些系统有自定的能量周期，因此均属于被动太阳能应用系统。
风力
风，即流动空气的动能，可以以其原始形式储运，人们将风的动能集于一点来做功已有几百年的历史，现代应用也极有潜力。如果对这部分能量加以储存和输送，一般是先将其转换成多功能载体——电，然后再对电进行储存和输送。
多数乡间风力泵系统都包括能量储存部分，泵将水打入储罐，这一过程向水施加了动能，在水抽出之前，动能又作为势能储存。储存的能量表现为水龙头处的压力，这样就可在水罐出口处放置一个透平利用水中的动能。利用水储存风力而产生动力的储存原理目前正日益受到关注。
水动力
水的动能就像风力一样，可直接用来做功如水磨。由于水的流动包含了势能转换成动能的过程，那么就可以用水坝将有一定落差的水拦住，这其实就是把水的势能集中并储存起来。这种储存过程的效率在热动力学允许的范围内几近完美，但需要储存的水量大，需要容纳这一大部分水的地表面积会对环保产生一些不利影响，具有环保破坏性的大坝尤为如此。大型水坝因为储水能力强，动力强度大，其规模效益好，由于成本可分摊到巨大的发电量中，故生产的电力价格低廉。很明显，大型水坝可存储大量的水和更多的势能，同理，较高的大坝和较深的水库可更为迅速地产出更多的能量。
可以假定通过开凿河流的方式将这部分能量输送到消耗点。但是，开凿一定规模的河流是一项庞大的工程，对环境造成的影响非同小可，因此，将这种能量传送给消费者之前还是需要转换成电。
潮汐资源的开发与常规的河流水力资源的开发相同，但波浪的动力不同于用大坝储存的势能，这两种海洋动力（潮汐和波浪）的储存均与7力的势能储存不同，波浪的强度虽然随时间变化所不同，但它有连续性，潮汐能量则呈有规律的间歇性，确实需要短时的储存来消除这种间歇性。
水力发电也可以作为二次能量载体来储存。间歇性能源的额外动力（如太阳能或风能）可以用来驱动泵，将水打入水库或高架罐，有效地将剩余动力作为势能储存起来。同理，非高峰时间产出的能量，其多余部分也可以储存起来备用，需求量达到高峰或一次能量不够用时，就可以让水再向下流过透平发电，这种系统的净效率可高达64%，如果是商业规模的应用，就必须建两个大水库，二者之间要有充分高差。目前规模最大的这种设施在密执安州的路丁顿（Luddington），该项目在海拔高于密执安湖250英尺处建了一座大人工湖，非高峰期时，将密执安（Michigan）的湖水打入人工湖中，高峰期需要更多动力时，使这部分水就经透平再流回密执安湖，可生产2000兆瓦的能量，其最高储存能力可达15000兆瓦小时。目前还有几处正在建的地下蓄水库，以达到同样目的（注16，原书有两处注16），这些项目由于地形的原因，成本是很严重的制约因素。
地热
顾名思义，地热能量的表现形式就是热，要想有效地储运非常困难。确实，该能量形式有一个很大的限制因素，热量一般从高温处向低温处流动，这样，传输介质不可避免地将热量向周围扩散，隔热措施也只是材质散热速度慢而已，就像把稻草垫在漏水的桶底部——它可以放慢损失速度，但无法消除损失，所以，用稻草补过的水桶还需要快速移动才行。即使在井简内，生产初期产出的蒸汽或水也会向井简周围扩散大量的热，造成热损失，一段时间之后，井简周围岩石热量累积，热损失大大降低。将热流体输送到发电机地面管网的过程中热损失更为严重，且不会随时间的推进而有所好转，蒸汽管线周围的空气流动，迅速将热量带走，持续较高的温差，又加剧了热损失。
如前所述，管线热膨胀与热损失是需要同样关注的问题。地热蒸汽使钢受热，造成井口膨胀，高出地面，同样也使得井口到电厂的蒸汽管线产生膨胀。如果生产管线为两端固定的直管线，则膨胀后就会弯曲，因此，地面管网施工时，一定要留出膨胀余地，采用膨胀圈或者采用平口管。膨胀圈是预制成环形的管节，形状类似于过山车轨道，出现热膨胀时，环形管两端的管趋于聚到一起，使回路增大；平口管也是一种管节，两端的连接处均旋转90°，管节连接的一端是母螺纹接箍（螺纹在内侧），另一端是公螺纹接箍（螺纹在外），管节连接时，母螺纹接头（凸起端）与公螺纹接头（凹陷端）实行螺纹连接，使连接的两端紧密结合，这种连接密封性好，连接的两根管相互又可转动。平口管连接时，由于管端弯曲90°，膨胀时连接的两根管节呈剪刀式移动，一组这样的管连接就形成了平口管连接（蚱蜢腿连接），管膨胀时，管支架部分一起弯曲。很明显，无论采用哪种膨胀连接形式，膨胀时，管线的管体都要能前后移动。专门设计的管线还采取了隔热措施，降低热损失。所有这些设计都增加了管线成本，目的都是为了降低传输过程中不可避免的能量损失，因此，蒸汽的传输距离都不是太远。
利用地热的目标是尽可能在近井地带将热量转换成电能，然后像利用其他非可燃资源一样，以电的形式传送给消费者。
核动力
就像可燃资源一样，裂变物质也可以通过简单的机械方法集输。储存过程中，自然放射性衰变会引起损失，同样不稳定的核子使物质发生裂变，造成放射性衰变趋于变成稳定的核质量和核配置。衰变本身呈指数特点，用半衰期计量，半衰期就是一种同位素的一半衰变成其下一等级所需的时间。铀235这种天然放射性元素，其裂变同位素的半衰期超过70万年，所以存储过程中的损失可忽略不计，只占年存储量的十万分之一。
要想提高效率，就需要在铀矿现场或附近处理矿石，因为只有少部分的纯铀含有裂变同位素，如果运送含有杂质的铀矿石，会耗费大量的能量。因此，就像前一章所描述的那样，一般都是在铀矿现场对矿石提纯并富化，富化的热产品被装入铅衬容器，每个容器都要小心地固定好，以防发生自发连锁反应。
大型兆瓦核裂变反应堆年耗燃料量仅为5000吨，故总的运输成本远低于其他常规的化学可燃燃料。比如，当量兆瓦发电站年燃煤量超过200万吨，足可装满200辆运煤专列，每周要有4趟运煤专列到达该电厂（假设该电厂以其发电能力70%的平均水平运行）（注17）。
利用核动力的每一步都涉及环保和健康问题。普遍的观点认为放射性极其致命，因此要采取超常的预防措施防止存储及运输的放射性物质发生泄漏。放射性物质必须装在辐射无法穿透的密封容器中，就像腐蚀性化学物质所用的容器一样，确实，高强度辐射非常危险，需要像搬运剧毒化学品那样小心。
核动力必须用于和平的发电用途。
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）