探究提高能源利用率的方法

1、探究提高能源利用率的方法班級 12052311學(xué)號 12051238姓名xx2015.06.02前言能源有很多種定義，但歸根到底，能源就是自然界中能為人類提供某種形式 能量的物質(zhì)資源。能源是社會存在與發(fā)展永遠(yuǎn)不可或缺的必須品，是國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。 它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會的三大支柱。能源科技的每一次突破，都帶來了生 產(chǎn)力的巨大飛躍和進(jìn)步。三次能源危機(jī)的歷史教訓(xùn)告訴我們，能源關(guān)乎著一個國家的經(jīng)濟(jì)，政治命脈。 而現(xiàn)如今，作為基礎(chǔ)能源的化石能源，是不可再生的能源，隨著人類的不斷開采， 化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世紀(jì)將被開采殆盡。從另一方 面看，由于化石能源的使用過程中會新增

2、大量溫室氣體c02,同時(shí)可能產(chǎn)能一些 有污染的煙氣，威脅全球生態(tài)。因而，我們亟需這個問題的解決方案。一種方案 是開發(fā)更清潔的可再生能源，從口前的情況來看，這是今后能源科技的主要發(fā)展 方向。而另一種方案，那就是提高能源的有效利用率。自從開爾文提出了熱力學(xué) 第二定律，宣判了第二類永動機(jī)的死刑之后，這一種方案就變得沒有那么受重視。為了解決能源低效這個問題，上個世紀(jì)出現(xiàn)了一種叫做“絕熱發(fā)動機(jī)”的熱 機(jī)模型，就是用耐熱性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、膨脹系數(shù)低的高級陶瓷合成材料制造氣 缸蓋、氣缸體和活塞等受熱部件。但結(jié)果卻令人失望，他并沒有像預(yù)測的那樣提 升發(fā)動機(jī)的效率。原因在于熱機(jī)做功的原理是燃料產(chǎn)熱等價(jià)于微觀粒子

3、的無序運(yùn) 動。這個熱運(yùn)動，平均在三維空間上每個方向的能量各占1/3,而熱機(jī)做有用功 的也就三維方向中的一個方向維度。其他二維方向上的能量只好作為廢熱浪費(fèi)掉! 而“絕熱發(fā)動機(jī)”只是減少了熱傳導(dǎo)的消耗，并沒有實(shí)質(zhì)性的改變熱能的利用 方式，還是以做功的形式把最多1/3的熱能轉(zhuǎn)化為其他能量。這意味著古典熱 力學(xué)機(jī)理模型（可以理解為熱機(jī)）岀現(xiàn)了問題，只要是熱做功，在熱機(jī)的前提下， 它的效率就被這1/3的瓶頸給禁錮了。這個問題，不論對新能源還是舊能源都 是一個嚴(yán)重影響其利用效率的因素。1 提高能源利用率的必要性1.1 舊能源的現(xiàn)狀對于不可再牛能源，在許多領(lǐng)域都有涉及，在此，我就不籠統(tǒng)的來看待這種 能源利用

4、的情況了，就拿一個汽車的能源利用率的具體情況來分析。在發(fā)達(dá)國家，能源總量的40%左右消耗在交通運(yùn)輸業(yè)上，而各種汽車消耗的 能量乂占全部交通工具能耗總量的73%o在我國，汽車保有量迅速增加，許多 城市其至實(shí)行了單雙號限行政策來緩解城市的交通壓力。汽車能源消耗、尾氣污 染也大幅度上升。一輛汽車以80公里每小時(shí)的速度行駛時(shí)，每10公里耗油約為1l。根據(jù)汽 油的燃燒值進(jìn)行簡單的計(jì)算得知，這時(shí)消耗的功率約為70kwo這70kw是個什 么概念呢？他可以點(diǎn)亮100w的照明燈700個。假設(shè)一個家庭有10個照明燈, 那這些能量就是70戶人家的口常用電功率。如此高的能量，那它在汽車上的利用率如何呢？平均說來，在這

5、70kw中，lkw由于汽油的蒸發(fā)而消失，當(dāng)然不是真的消失， 這lkw的碳?xì)浠衔镏皇欠稚⒌酱髿忮浠瘜W(xué)能無法利用，而且還成了化學(xué) 污染源，剩下的69kw進(jìn)入發(fā)動機(jī)，大約有17kw用于做功，而其余的52kw包 括了排氣管排出的廢棄熱和散熱器的熱量散失，兩者約各占一半。這是最大的一 筆能量損耗。廢氣的主要成分是二氧化碳和水以及一些有毒物質(zhì)，這對環(huán)境造成 了嚴(yán)重的破壞。損耗了這么多的能量，只剩下17kw用于做功，但真正用于汽車 驅(qū)動的能量更少：約5kw用于發(fā)動機(jī)的水箱循環(huán)和空調(diào)，約3kw消耗于傳動裝 置，最后只有9kw到達(dá)驅(qū)動輪，而這9kw就是汽車克服空氣阻力和滾動摩擦用 于驅(qū)動的能量。這一賬算下

6、來，一輛車的總效率只有大約13%o可見，對于舊 能源而言，即使有33.3%的利用率上限，但還是連一半的利用率都沒有達(dá)到，可 見提高其利用率是多么的重要，更不用談改變其熱利用方式了。12 可再生能源的現(xiàn)狀也許有人會有疑問，對于可再生能源，既然是可以循環(huán)再生的，述有必要提 高它的能源利用率嗎？答案是肯定的，所謂的可再牛能源指的是在自然界可以循 環(huán)再生的能源，重點(diǎn)在于再生。那就仍存在許多問題，例如再生時(shí)間，再生成本， 再生能源的提取時(shí)間，提取成本等等。拿中國現(xiàn)在的可再生能源發(fā)展的問題和障 礙和全球的可持續(xù)能源發(fā)展障礙結(jié)合來看，主要的共同問題有以下兒點(diǎn)：(1) 高成本(2) .市場發(fā)展緩慢(3) .并

7、網(wǎng)難(4) 技術(shù)難點(diǎn)多(5) 相關(guān)政策少(6) 各地區(qū)相關(guān)技術(shù)發(fā)展不均衡等諸多的問題限制著可再生能源的發(fā)展速度，使得現(xiàn)今的社會，還是一個以化 石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)。因此，在我看來，如今解決能源資源緊張的問題的根本 方法，并不是尋找新能源來代替舊能源，而是改變傳統(tǒng)熱機(jī)的熱利用方式。尋找 新能源只是一條避開改變傳統(tǒng)熱機(jī)的熱利用方式這個高成本，高技術(shù)方法的另一 條蹊徑。但不能回避的是，新能源也面臨著利用率的問題，如果還是用傳統(tǒng)的熱 機(jī)做功。那將會和舊能源一樣，資源浪費(fèi)還是一個大問題。這就像一個富家子弟， 很喜歡花錢，一開始家里有金山銀山(指舊能源)，隨著時(shí)間推移，家底變得單 薄，為了能讓自己的子孫后

8、代有錢花，他去尋找新的金山銀山(新能源)，但他 還是那么的會揮霍。一代接著一代，最后，他的子孫把金山銀山都挖空了，才意 識到，自己祖先的解決之道，只是臨時(shí)的，根本的方法是要改變自己的消費(fèi)習(xí)慣， 祖先們因?yàn)檎驹诮鹕街畮p，看不到這個問題，但如果真等到我們站在“山坡之頂” 才意識到這個問題，那時(shí)候我們估計(jì)已經(jīng)變成乞丐了。2.提高能源利用率的可行性在熱能轉(zhuǎn)化成其他能量的過程中，傳統(tǒng)上有兩種方法可以提高其轉(zhuǎn)化效率, 一種是降低其熱量在熱傳遞過程中的損失，比如在前言中描述的“絕熱發(fā)動機(jī)” 就是這種方法的具體實(shí)現(xiàn)，另一種就是提高熱做功的效率，減少無用功的出現(xiàn), 舉些最簡單例子：在燒煤的過程中，如果煤炭足夠碎

9、，在熱機(jī)中的燃燒面積足夠 大，那么煤炭的利用率就會越高；減少熱機(jī)的摩擦生熱等等。而在本篇論文屮，探討的是一種基于新型熱機(jī)：“無熱發(fā)動機(jī)”的高利用率 方法。傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)都是依靠熱做功來產(chǎn)生機(jī)械能，一旦熱產(chǎn)生，熱運(yùn)動就會開 始，微觀上，空氣中的微觀粒子就會開始無序運(yùn)動，這個時(shí)候，2/3的能量損耗 過程就不可避免的開始了。而“無熱發(fā)動機(jī)”沒有產(chǎn)熱，舊能源(包括新能源)沒 有產(chǎn)熱，新引擎100%做功才會成為可能！也就是舊、新能源微觀做有序的一維 運(yùn)動，發(fā)動機(jī)的效率才能突破1/3的瓶頸。除此之外，沒有了產(chǎn)熱，由燃燒所 產(chǎn)生的廢氣也不會排放到大氣中，環(huán)境也會改善。那么怎么才能實(shí)現(xiàn)“無熱發(fā)動機(jī)”呢？很遺憾，

10、目前，述沒有投入使用的該 類型發(fā)動機(jī)，但是在實(shí)驗(yàn)室中，這種發(fā)動機(jī)已經(jīng)有了雛形。我們都知道，記憶合 金在外力作用下會發(fā)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來 的形狀。美國發(fā)明家班克斯就利用記憶合金制成了一臺熱機(jī)，它既不需要燃料, 也不需要電能，而且不排放廢氣，只需要兩個有一定溫差的水域，當(dāng)u形的記 憶合金絲從冷水進(jìn)入熱水時(shí)，它就憑著記憶突然彈開，彈力的一部分可驅(qū)動其他 連帶的裝置運(yùn)動，當(dāng)彈開的記憶合金絲回到冷水時(shí)，它憑著“記憶”又彎曲起來， 回到原來的u形形狀。報(bào)告中只是說他利用了記憶合金彈開時(shí)的勢能，而沒有 提及恢復(fù)時(shí)的能量的使用，如果能將u形記憶合金絲恢復(fù)形狀吋的能量也加以 利用，那便可以產(chǎn)生更多的能量。報(bào)告中最神奇也是最有爭議的一點(diǎn)，就是它違 背了能量守恒定律。我們都知道，能量不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能 從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn) 化過程屮其總量保持不變。但在這個模型屮，維持兩個水槽z間溫差所消耗的能 量，遠(yuǎn)小于熱機(jī)裝置輸出的能量，那到底是我們忽略了哪個環(huán)節(jié)，還是說神圣的 能量守恒定律被撼動了，還有待時(shí)間公平的檢驗(yàn)。如果說這個模型真正存在著問 題，那也不要緊，它至少給我們提供了一個“無熱發(fā)動機(jī)”的研究方向，尋找改 變傳統(tǒng)熱機(jī)熱做功的方式。3 總結(jié)綜上所述，現(xiàn)代社會，開發(fā)新能源勢在必行，而提高