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· 正 · 文 · 来 · 啦 · 同学们好！ 本节的内容是能源开发，关于能源的定义，约有20种。我们今天不想拘泥于这些定义，也不想人云吾云地讨论有关能源危机的问题，而只想放眼未来，讨论一下能源开发的现状。 从根本上来说，宇宙从来不缺乏能源，我们缺乏的，是可以直接或者通过转换提供人类所需的能源，而且这个能源最好是能够受人类控制的，在需要的时候使用。广义上说，世界上一切形式能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射性源以及太阳系行星的运行。而我们的世界，实际使用中的主要能源物质是：煤、石油和天然气等化石燃料。不过，近些年来，不管是中国还是全球，煤炭利用比重都有所下降，能源的消费构也向多样化方向发展。我们今天主要想讨论的就是这些多样化的能源。 近些年，我们时常听到的一个词是新能源。说是新能源，当然是与常规能源比较而存在的。常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，相对来说呢，新能源就是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及氢能等作为新能源。随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，作为一种能源资源化利用的物质而受到深入的研究和开发利用，因此，废弃物的资源化利用也可看作是新能源技术的一种形式。 作为常规能源的煤、石油、天然气以及大中型水电，我不想做更多介绍了，因为大家对这方面的了解，已经非常多了。 而新的能源形式，比如太阳能、风能、生物柴油和燃料电池正在逐渐成为重要的替代能源。自20世纪90年代以来，太阳能和风能发电的年均增长率在30％以上。 同时，得益于水平井及水力压裂等技术的突破，从美国开始的“页岩气革命”，正在使世界能源格局发生改变；可燃冰的储量庞大，科学家估计海底可燃冰足够人类再使用1000年。干热岩资源储量异常丰富，储存集中，如果能够规模化开发，则水热型地热发电在目前所处的资源困境，将不再是问题。 正如我们前面的课程所说，太阳能优缺点明显。总量大，取之不尽，用之不竭，任何地方都可以取用，而且是免费的，无需运输；清洁，无任何污染及废弃物，可方便转化为热能、电能和化学能。但无法储存、能量密度低，不稳定，受季节、地点、气候等条件的影响。中国近几十年来，太阳能资源的开发利用，成效显著，10年前，中国太阳能热水器就占世界使用量的60%以上；同时，中国的光伏发电也成为世界第一生产大国。太阳能的利用，包括：光－热转换、光－电转换两个方面。 太阳能的光-热转换，也就是直接利用太阳的热能。比如，塑料大棚充分保持住冬天的太阳能，促进作物的生长；太阳能热水器和太阳灶直接用于加热水和食物；太阳能住宅解决寒冷地区采暖的需要。
当然，你如果到野外去，能享受这样一顿烧烤，也是非常不错的美味佳肴了。
太阳能的光－电转换，也就是利用太阳能来发电，这并不新鲜了，已经在许多地方有了规模化运行了。
地面上有昼夜变化，如果将太阳能光伏装置放置在距离地面三万多公里高空的同步卫星上，就能每天24小时连续发电了，而且效率高，是地面的10倍。然后，太空电能可以通过对人体无害的微波输送到地面。
太阳能帆板，应用于飞船和卫星上，已经有相当长时间的历史了。所以，你这么厉害，怎么不上天呢？对太阳能开发来说，已经不是个事儿了。但是，航天器在稳定运行中，一般并不需要太多能源。太阳能，能否用于常规交通工具呢？有人做了一些设想。这是太阳能自行车，这是太阳能汽车，还有太阳能火车，甚至太阳能飞机。是不是很高大上？
同样，中国的风能发电呀，在过去几十年，也是连续多年的增长，而且增长速度很快。风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台，在一百多年的发展中，一直是新能源领域的独孤求败，由于它造价相对低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选，然而，随着大型风电场的不断增多，占用的土地也日益扩大，产生的社会矛盾也日益突出。
风是很不稳定的，在夜间也就没有阳光了，如果能够利用风能和太阳能资源的互补性，构造出一个系统，那就是风光互补发电系统。最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合。近几年，随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包，通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。
传统生物质能的利用，也就是利用废弃物中还蕴含的有机物能源，继续提炼出来使用。
而乙醇汽油呢，是一种混合使用方式。乙醇属于可再生能源，是由高粱、玉米、薯类等经过发酵而制得。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成，从实际用量来看，其实也并没有替代太多。不过，乙醇汽油出现了一些新的特性，比如它可增加汽油中的含氧量，使燃烧更充分，降低尾气中有害物质含量，同时提高汽油的标号，使发动机运行更平稳；据说还能消除发动机内积炭，延长发动机寿命。
通过光合作用，太阳能被转化为化学能储存在生物质中，这是自然界利用太阳能最成功的例子。地球上每年通过光合作用储藏的太阳能相当于全球能源年消耗量的10倍左右。生物质能在经过了几十年的探索后，国内外许多专家都表示这种能源方式不能大力发展，为发展生物质能而发展生物质能，不但会抢夺人类赖以生存的土地资源，更将会导致社会不健康发展。
地球上地热资源的储量也是很丰富的。粗略估计，全球地热总能量约为全球煤矿燃烧后所转换热能的1.7亿倍。它可以使用蒸气推动涡轮旋转，与火电、核电的方法相同，但不需锅炉、燃料，所以成本低廉。但是，地热能的大规模开发，会导致区域地面表层土壤环境遭到破坏，地热开发中的蒸气，可能会带有毒性的气体；热水也可能会溶有重金属等有害物质。
地球对人类恩赐的能量中真正取之不尽的，除了每天准时升起的太阳，就是时刻波动起伏的广阔海面。太阳能设备还要受夜晚及阴雨天的限制，而海洋中蕴涵着的才是真正意义上的无穷能量——只要我们头顶的月球还存在，潮汐就不会停止。潮汐发电作为一种新能源与普通水力发电原理类似，通过水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以水的势能形式保存起来，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。除此之外，海洋还提供给我们波浪能、温差能、盐差能、海流能。这些能量也非常丰富，据说，如果能将全世界不到0.1％的海浪能量转换成电力，就能提供全球能源所需量约为五倍的能量。
燃料电池被称为第四种电力，前三种电力，分别为火电、水电和核电。燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池理论上可接近100%的能量转化效率，但目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，又加上装置系统的耗能，总的转换效率多在45%～60%范围内，如果考虑排热利用，则最终的转化效率可达80%以上，因此具有很高的经济性。
有人说，燃料电池其实并不是电池，而是一个发电机，我并不同意这种说法。传统的发电机，是先将化学能，转化成热能，热能转化为机械能，然后再转化为电能。而燃料电池，则是利用水电解反应的逆过程，由正极、负极和夹在正负极中间的固体电解质板所组成的。工作时向负极供给燃料氢，向正极供给氧化剂空气。在催化剂的帮助下，氢在负极分解成氢离子和电子。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极，氧与电解液中的氢离子，吸收通过回路抵达正极上的电子，形成水。所以，从结构上来看，燃料电池里面并没有传统发电机的机械运动，从原理上来讲，与化学电池更接近。
燃料电池的商业化运用，其实已经越来越近了。甚至有人认为，燃料电池将主导新能源汽车。2017年是中国燃料电池的元年。在第十九届中国国际工业博览会上，不少车企都将燃料电池视为未来发展的重要方向之一。这图上的照片，是上汽集团在博览会上展出的燃料电池新车型，据说只要5分钟就可将氢罐加满，能行驶430公里，每公里3毛钱的成本，低于燃油车，而且速度上呢又比电动汽车更快。
可是，可是，可是，重要的事儿说三遍。氢燃料电池说的这么好，那么，原料氢从哪里来呢？从我们前面的课程中，我们知道，虽说宇宙并不缺乏氢，但地球上并不多呀。况且以单质氢存在的氢气更是少之又少。目前呢，地球上产氢，大概有这么几个来源。第一，副产品氢气，氢气在很多行业以一种副产品的形式存在，但由于氢气并不是最终的生产目标，所以导致所产生的氢气在规模、成本和品质方面有一定的差距。第二，化石燃料反应和电解水。你也许会说，打住！这两个方法，有什么意义吗，我何不直接利用化石软料和电解水呢？这不是多此一举吗？好，如果不考虑氢燃料电池其他方面的性能，这一条暂且不算。第三，生物制氢。非光合生物可降解大分子物质产氢，光合细菌可利用多种低分子有机物光合产氢，而蓝细菌和绿藻可光裂解水产氢，依据生态学规律将之有机结合的共产氢技术已引起人们的研究兴趣。第四，太阳能的光电化学反应制氢，其主要依据特殊的化学电池，另外还有模拟植物光合作用分解水制氢，该技术尚处在起步阶段。但我们也看到了不少希望。
比如，美国埃克森美孚公司研发的新一代生物燃料，不依赖粮作物，而是让藻类生物生成生物燃料。单位面积上藻类所能生产出来的能源比传统的生物燃料要多出30倍。利用海洋，不与农业生产争夺土地或淡水资源。据估计，一个5平方千米的藻类农场所生产的燃料就足够大约24000辆汽车跑上整整一年！
另外，在美国太阳计划2030中，美国麻省理工学院利用碳纳米管收集太阳能，使得太阳能电池板的效率比传统模式提高了100倍。计划中正在设计的人工光合作用，其效率比植物光合作用高10倍以上，能直接将阳光、水和二氧化碳转化成可储存、转运的燃料，几乎可以完全取代化石燃料。
今天的课，我们介绍了许多新型的能源开发技术，许多是正在发展中的，也许明天也会认为这些技术并不合适，或者会出现目前根本无法预测的技术。正如许多技术一样，是5年还是50年取代，那是很难确定的。好，同学们，这节课就到这里，再见！
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