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能源家族的两个“新”能源:引力能和氢能源

2016-12-19 09:42:48 中国能源网   作者: 秦京午  

引力能

史蒂芬·霍金认为,宇宙中有两种能量,一种是动能,而另一种就是引力能。其实还存在着占已知宇宙约75%的“暗能量”(反引力能),目前人类所知全部物质与能源仅占宇宙5%左右,其余为暗物质。引力能顾名思义来自引力的生成,微观上应该是分子的一系列运动导致一种宏观的吸引,以场的的形势由引力子作为媒介.引力能来源于宇宙中的物质,一个物体因为它的质量,扭曲了它附近空间,对其旁边的物质产生了吸引,造成了一个向心力。产生时空涟漪和“场”,并影响时间维度。

引力能因为物质的存在而散布到了其周围的区域之中,它不像动能,是不能随意的去传递的,所以对于任意一个物质来说,它的引力能是永恒地属于其本身,不会因为什么原因而散失掉。引力能的大小和其质量是成正比例关系的,引力定律:两物体间的引力与它们的质量成正比,与距离的平方成反比。引力是质点吸引其他质点而本身受到的力。

运算公式:F=GMm╱R^2(其中F为引力能,M、m为各自质量R为距离)。相传牛顿从苹果落地发现万有引力定律,有效范围500光年。

当前利用:(参见海洋能中潮汐能。潮汐能归入海洋能受当时人类知识局限。无引力则有海洋而无潮汐,无海洋如大型湖泊和大气也有潮汐力。)

纯引力能利用目前广泛用于宇宙空间探索

旅行者1号(英语:Voyager1)是由美国宇航局研制的一艘无人外太阳系空间探测器。重815千克,于1977年9月5日发射,截止到2014年10月仍然正常运作。它曾到访过木星及土星,是提供了其卫星高解像清晰照片的第一艘航天器。现时,它是离地球最远的人造飞行器。旅行者1号现时已经进入太阳系最外层边界,目前处于太阳影响范围与星际介质之间。旅行者1号与它之前发射的旅行者2号的设计利用了新技术引力加速。极其幸运的是,这次任务刚巧碰上了176年一遇的行星罕见几何排列。太空船只需要少量燃料以作航道修正,其余时间可以借助各个行星的引力加速,以一艘太空船就能造访太阳系里的四颗气体行星:木星、土星、天王星及海王星。两艘姊妹船的发射时间,是精确计算过以便尽量充分利用所有可利用的行星引力。亦拜这次机会所赐,两艘太空船只需要用上12年的时间就能造访四个行星,而非通常的30年时间。耗时只有不用引力能40%,平均速度加快2.5倍,所载电池,均能够提供足够电力至2025年。目前已确切发现姊妹船有现知所有理论无法解释的空间、时间、位置“误差”,或许正是暗能量(通俗说法是反引力能)、暗物质影响所致。

“真正意义上的永动机”

目前旅行者姊妹船正以每年3.3天文单位(日地距离,约1.5亿公里)的速度飞速甚至于加速前进,只要不落入或毁灭于其它星体,她们将永远利用途经星体引力加速前进、再加速前进直到宇宙末日或另一个宇宙。

引力能遍布宇宙,她的对立面或“姊妹船”暗能源(反引力能)之令人难以想象的巨大能源及探索利用,令人产生无限的暇思与憧景。

2013年国家专利局已受理利用引力能和“第一推动力”专利,据专利所有人称只需再投资二三万元人民币即试验出结果。

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上图为美国宇航局新视野探测器利用行星引力能示意图。

下图为旅行者一号、二号利用引力能示意图。

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氢能源发电介绍

1.氢能源概况

氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能,氢在地球上主要以化合态的形式出现,是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%。氢能源是二次能源,它是通过一定的方法利用其它能源制取的,而不像煤、石油、天然气可以直接开采。ResearchandMarkets新能源研究公司在以《全球氢发电市场-趋势与预测》为主题的全球氢气产量报告中公布了新一期的全球氢气储量:到2011年全球氢气的年产量到达了创纪录的5300万吨。

2.氢能源发电原理

氢能发电,指利用氢气和氧气燃烧,组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发结构动机配以发电机,它不需要复杂的蒸汽锅炉系统,因此简单,维修方便,启动迅速,要开即开,欲停即停。在电网低负荷时,还可吸收多余的电来进行电解水,生产氢和氧,以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。另外,氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况,提高电站的发电能力。

3.氢能源分类

常见的氢能发电方法有:燃料电池、氢直接产生蒸汽发电、氢直接作为燃料发电。储能。循环能源。

(1)氢燃料电池也就是使用氢作为原料的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极,从而产生出电能。

(2)氢直接产生蒸汽发电在德国宇航中心试验室,正在发展一种直接燃烧氢并生成蒸汽的发电方法。这是一种紧凑、高效、无污染的产生蒸汽的新装置,它以按化学比例配合的氢与氧的直接燃烧(最高温度可达2800C)再加水稀择,以增加热贵的流量,并可适当降低温度,使之适合汽轮机的要求。

(3)氢直接作为燃料发电在普通内燃机中以氢为燃料,可使内燃机直接带动发电机发电。可分为全氢燃料内燃机发电,或在汽(柴)油中加5%(重量百分比)氢作为燃料开动内燃机发电。后一种方式,可节省汽(柴)油25%-30%,总功率可提高14%。

4.氢能源案例展示

全球典型案例

(1)韩国ix35FCV现代汽车

2013年2月26日,ix35FCV现代汽车韩国蔚山工厂正式下线,成为世界上第一辆量产版氢燃料电池车。ix35FCV车身由后部的氢储存区、中部的电池及逆变器、前部的燃料电池及动力总成组成。其工作流程是氢气和氧气在燃料电池堆栈里发生反应,产生电能,热量和水;燃料电池产生出的电能用于驱动车辆电动机以及储存于电池组中;经过一系列的反映后,最后排除的只有水。

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(2)日本将在2018年用氢作为燃料为神户部分地区供电

日本的大林组和川崎重工业将在2018年用氢作为燃料为神户市部分地区供电。这是世界上首次引入氢能为城区供电。该计划将于2017年施工,2018年内开始运转。投资额预计约20亿日元。该项业务得到日本关西电力和神户市的配合,将向伫立着神户波多比亚酒店和神户国际会议中心的人工岛地区约25公顷的区域供电。供电量可满足约1万人上班的商务区用电,氢的年使用量相当于2万辆燃料电池车的年使用量。发电时产生的热量还可输送到酒店等,用作热水的热源。

相关机构将在神户设置功率1000千瓦级的川重制造的涡轮发电厂。最初是将氢和天然气按2:8的比例混合起来发电。由于氢在发电时不产生二氧化碳,因此可减少20%的二氧化碳排放。并探讨将来只用氢进行发电。

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(3)欧洲PlugPower公司氢燃料电池叉车

2016年6月,PlugPower公司宣布将参与欧洲一个全部由使用PlugPower氢燃料电池叉车的物流配送中心项目,这将是欧洲第一个由氢燃料电池叉车搬运货物的物流中心,2016年预计投入40辆,到2017年达到60辆。这个示范项目将于本月在法国瓦地区圣西的Prelocentre配送中心启动,旨在让物流企业和地方政府看到以氢燃料电池叉车组成的物流配送中心的运营可行性和环保可持续性。该项目在欧洲氢燃料电池叉车历程中具有重要里程碑意义,这将向当地其他企业展示氢燃料电池叉车的经济性和环保性优势,进而提升PlugPower在欧洲市场的占有率。

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中国典型案例

(1)北京奥运会燃料电池轿车

“2008年北京奥运会燃料电池轿车”专项计划于2007年8月启动,这是上海市政府为响应“科技奥运、绿色奥运、人文奥运”而实施的重要举措。2008年7月6日下午,我国自主研制的氢燃料电池轿车在同济大学新能源汽车工程中心举行了发车仪式,走出实验室,驶进奥运会场。此20辆氢燃料电池轿车,是由整车企业牵头,利用大众帕萨特领驭车型,通过集成最新一代燃料电池轿车动力系统技术平台而成功研制出来的。与以前的样车相比,它的工程化、产品化程度更高。为确保其安全性、可靠性,前5辆车每辆均已完成3000公里的实际道路行驶试验,另外15辆车也已完成相当量的行驶里程。

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(2)上汽荣威950插电式燃料电池车

2015年13日,上汽集团股份有限公司公布了一款氢燃料电池车——荣威950插电式燃料电池车。这是上汽自主研发的第四代燃料电池轿车,该车充满氢只需要几分钟,一次能开400多公里,最高时速达160km/h。它还能给其他电器包括电动轿车充供能。这款燃料电池车采用动力蓄电池+燃料电池系统的双动力源,具备-20环境下的整车启动性能,系国内首家。

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(3)中国首个非并网风电海水淡化示范工程

2010年底,作为我国首个非并网风电多元化应用、“中国-加拿大政府国际科技合作项目”风电海水淡化示范工程在江苏盐城沿海建成,日产100吨淡水风电海水淡化装置和日产120立方米氢气的风电制氢系统同时成功运行。清澈透明的淡水电导率为16mS/cm,达到了国家纯清水的重要指标;氢气纯度达到99.99%。该示范工程突破了大规模风电并网的单一应用模式,是我国“973”计划风能项目基础研究和产业化应用相结合的创新成果,具有完整、系统的自主知识产权,在创立中国特色风电多元化发展之路上迈出重要一步。

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5.氢能源未来技术发展方向

(1)氢的制取与储运;

(2)燃料电池性能的提高与成本的降低;

(3)加氢站的建设;

(4)氢能助推可再生能源的发展,解决氢的经济性制取及大规模输运是关键,其中,将可再生能源制得的氢气掺入到现有天然气管道的输送方式被认为是现阶段最有效的输氢方式,但选取合适的掺氢体积分数受多种因素影响,因地而异。

6.氢能源未来发展方向

涵盖能源和化工领域的氢能利用是推动氢能全面发展的重要途径,其主要包括在清洁能源、能源载体以及化工原料3个方面的应用。

(1)氢作为清洁能源的利用是当今世界上发展最快、环境效益最佳的氢能利用途径,也是目前推动氢能快速发展的主要动力;

(2)氢作为能源载体用来消纳可再生能源的利用已在全球开始推广,有助于可再生能源和氢能的协同发展,利用前景广阔;太阳能、风能、地热、核能、电能等等均可以转化成氢加以储存、运输或直接利用,是一种理想的载能体。氢能还是目前唯一可利用的循环能源,可取自于水,燃烧后又变成无任何污染的纯净水,循环往复以致无穷。

(3)最后,氢气作为化石能源清洁利用的重要原料,需求量巨大,是现有条件下加速氢能规模化利用的关键。

7.氢能源与文明的关系

全球变暖和环境污染对能源的使用提出了新的要求,由其导致的超强台风、飓风、海啸等灾害,暴雨、暴雪、高温、雾霾、酸雨等极端天气时有发生,控制温室气体和污染物的排放已迫在眉睫。面对全球日益严峻的减排任务,氢能,作为理想的清洁能源,被誉为21世纪最具发展前景的二次能源,它有助于解决能源危机、全球变暖以及环境污染,其开发利用得到了世界范围内的高度关注。风能、太阳能的开发利用受间歇性和不可预测性的影响,造成大量能源的浪费,严重制约了它们的发展。但通过比较发现,当氢储能技术的成本得到控制,相较于其他储能技术,将具有明显的优势。

8.中国对氢能的研究与发展概述

中国对氢能的研究与发展可以追溯到上世纪60年代初,中国科学家为发展国家的航天事业,对作为火箭燃料的液氢的生产、H2/02燃料电池的研制与开发进行了大量有效的工作。上世纪7O年代,将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发。2003年11月中国加入了“氢能经济国际合作伙伴”,成为其首批成员国之一。在中国公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《国家“十一五”科学技术发展规划》中都列入了发展氢能和燃料电池的相关内容。目前中国已在氢能相关技术的研发领域取得了多方面的进展。在国家科技部和各部委基金项目的支持下,中国已初步形成了一支由高等院校、中科院、能源公司、燃料电池公司、汽车制造企业等为主的从事氢能与燃料电池研究开发及利用的专业队伍,研发领域涉及氢经济相关技术的基础研究、技术开发和示范试验等方面。特别是国家“973”项目“氢能规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”和“利用太阳能规模制氢的基础研究”参与单位众多,影响较大。




责任编辑: 李颖

标签: 引力能 氢能源

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