在科学的入口处——30位能源科学家的贡献
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作者： 陆刚主编
出 版 社： 湖北少儿出版社
出版时间： 2008-1-1字数：版次： 1页数： 168印刷时间： 2008/01/01开本： 18开印次： 1纸张： 胶版纸I S B N ： 9787535340221包装： 平装编辑推荐
本书是“20世纪科学史丛书——在科学的入口处”之一，该书全面而系统地向少年儿童介绍了20世纪科技史。书中萃取了30位能源科学领域科学家的杰出贡献与感人故事，将人类科学发展史上的成就、发展历程、科学家的献身精神一一呈现在孩子们面前，激励和打动着孩子们的心。
内容简介
马克思说：“在科学的入口处，正像在地狱的入口处一样，必须提出这样的要求：‘这里必须根绝一切犹豫；这里任何怯懦都无济于事。’”
20世纪能源科学技术的发展使人类社会发生了翻天覆地的变化。20世纪前，人类就已掌握了使用煤、石油、水力能、太阳能（太阳能千燥作物）和生物质能的基本技术；在20世纪中，进一步在核能、大规模电力系统、高效燃烧技术、太阳能利用技术等方面取得重大进展。
在20世纪能源发展的历史长河里，涌现出30个作出了重大贡献的科学家或科学家群体。他们发现了可以燃烧的冰块——可燃冰，采掘出生物本身所富含的能源，依靠“反物质”获取了未来能源……本书将带你来到20 世纪科学的入口处，在这里回望20世纪能源发展的历史，了解你想知道的 20世纪能源发展的一切。
作者简介
陆刚，上海市人。青岛海洋大学毕业。现任职于上海科技馆、上海自然博物馆，研究员。长期从事青少年科学的普及工作，出版过多部科普读物。
目录
前言
绝对环保的能源——波浪能的开发和利用
海洋中取之不尽的能量——潮汐能
雪花带来的启发——温差能的利用
老颜换新貌——水能利用的发展
可以燃烧的冰块——可燃冰
新时代的“古老”能源——风能的开发和利用
“工业粮食”——煤炭能量的利用
石油——现代社会的血液
能源家庭中的特殊成员——石油植物
与石油并列的重要能源——天然气的开发和利用
生物提供的能源——沼气的开发和利用
来自地球深处的力量——地热能的开发和利用
取之不尽的能源——硅
变废为宝——垃圾能的利用
“洛伦玆力”的实际应用——磁流体发电
上天的恩赐——雷电能的利用
科学的双刃剑——原子能的利用
能源革命与人类文明
来自月球的新能源——氦能的开发与利用
取之不尽的氢
源于百年前的“新”能源——燃料电池
起源于饮料的能源——燃料乙醇
最广泛存在的能量源——生物质能的利用和开发
太阳能——新时代的能源
传送电能的好手——束能的开发与利用
人体能——失落的能源
最大的发电机——地球的天体能利用
“反物质”能源
不可能存在的能量——幻想的“永动机”
书摘插图
绝对环保的能源——波浪能的开发和利用
如果你去过海边，一定不难发现，辽阔的海面一刻都不会静止不动。那里总会有一个个或大或小的浪头，一个接一个不停地往前翻滚。即使当时周围一丝风也没有，海面上也会有波浪出现，这就是所谓的“无风三尺浪”。那么其原因又是什么呢？
原来，地球表面约有71％的面积都是浩淼的海洋。当我们把这洋面想像成一汪池水，那么，往池子里投下一颗石子，所激起的波纹一定会一圈圈越扩越大，传播到彼处。大海也是这样，一处海面有风，新产生的波浪也会连绵不断，紧紧相随，传播到很远很远的地方。
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经科学测试，海浪对海岸产生的冲击力平均每平方米可达20-30吨，大的还可超过60吨。在1平方米这块小小的海面上，一起一伏的波浪中就蕴有250瓦的功率。如果用来发电，一天可发6千瓦时电，足够一个普通家庭一天的用电量。地球上海洋面积有3.6亿平方千米，全球波浪的平均总功率就有90万亿千瓦，一年就可发电567亿亿千瓦-时，这是当前全世界一年发电总量130万亿千瓦时的4万多倍。
波浪能量如此巨大，存在又如此广泛，因此自古就吸引着众多沿海的人们想尽各种办法，试图驾驭海浪为人所用。自20世纪70年代爆发石油危机后，世界各国开始把注意力转移到利用本地资源，大力支持开发新型洁净无污染的可再生源，众多沿海国家更是把希望寄托在汹涌澎湃的巨浪上。与太阳能或风能相比较，波浪能有以下几个优点：在最耗费能源的冬季，可以利用的波浪能量最大，而太阳能则恰恰相反；波浪随时可以利用，海面极少平静，而风则时有时无。
波浪发电装置的发展
最早的波浪能利用机械发明专利是1799年由法国人吉拉德父子获得的。这是一种气动式波力装置。其实就是利用波浪上下起伏的力量，通过压缩空气，推动汲筒中的活塞往复运动而做功。这种装置由波能吸收器、送气管、定压化罐和压缩空气发电机组等部分构成，输出功率为30千瓦。其最大特点在于使用了定压化罐，可将压缩空气作处理后送人压缩空气发电机组，以收到比较稳定而价廉的优质电力。1910年，法国人布索白拉塞克也在其海滨住宅附近建了一座气动式波浪发电站，供应其住宅1 000瓦的电力。这个电站装置的原理是：与海水相通的密闭竖井中的空气因波浪起伏而被压缩或抽空，驱动活塞做往复运动，再转换成发电机的旋转运动而产生电能。
20世纪60年代，日本研制成功了一种用航标灯浮体上的气动式波力来发电的装置。该产品发电的原理就像一个倒置的打气筒，靠波浪上下往复运动的力量吸、压空气，推动涡轮机发电。1985年，英国在苏格兰的艾莱岛建造了一座75千瓦的振荡水柱波力电站。
20世纪80年代，19本“海明”号波浪发电试验船又取得了年发电19万度的良好成绩，实现了海上浮体波浪电站向陆地小规模送电，这艘波浪发电船也因此被列为“离岛电源”的首选方案。然而该系统完全建在海中，所生产的电能需要通过预设的电缆送到岸上，因此在组装以及海中铺电缆的技术上遇到许多麻烦。2007年，俄罗斯科研人员研制出了一种原理简单、成本较低的实验型波浪能发电系统。
这种波浪能采集装置系统，是被安装在距海岸不远而且固定在海底的支架上的。装置上部有一根杠杆，较长的杠杆臂上有一个浮标，较短杠杆臂则与一台水泵的活塞相连。当波浪推动浮标上下移动时，较短的杠杆臂就会控制水泵的活塞，将海水通过管道一直压入位于岸上的一个蓄水塔里。此后，海水会在重力作用下从蓄水塔内涌出，推动水力发电机的涡轮叶片转动并产生电能。这一发电系统的动力组件除需要源源不断的波浪外，不需要其他能源，这也可以说是一项绝对环保的能源利用设计了。
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在海洋上，航行在波浪中的巨轮就像一个小木片上下漂荡。大浪可以倾覆巨轮，也可以把巨轮折断或扭曲。假如波浪的波长正好等于船的长度，当波峰在船中间时，船首船尾正好是波谷，此时船就会发生“中拱”。当波峰在船头、船尾时，中间是波谷，此时船就会发生“中垂”。一拱一垂就像折铁条那样，几下子便把巨轮拦腰折断。
除此之外，人们还根据各地不同的情况设计出了许多其他样式的波浪能发电装置，例如：环礁式波力发电装置、筏垫式波力发电机、水塔式波力发电机、转子式波力发电机以及最新式的三角式波力发电机。其中，环礁式波力发电装置的设计应该说是最具有想象力的。
它的形状很像人造环礁，直径可达上百米，只有顶部露出水面，“环礁体”和“环礁腹”浸在水中，内部则被分隔成许多带有进水阀门的舱室，每间舱室又都分别同辐射状排列的导管相通，导管内设有单向阀，引导水流向中央喷13流动。当海浪；中击“环礁”四周的“礁壁”时，波浪就会进入到那些分舱进水阀门，再由导管将其输送至喷口涌出。由于它可以把“环礁”周围任何时间、任何方向上冲击“环礁”的波浪吸人，并汇集到中央喷口后不断涌出，因此水流便可无间歇地驱动水轮机发电。
到今天，全世界波浪利用的机械设计数以千计，获得专利证书的也达数百件。1854年至1973年的119年间，仅在英国就登记了波浪能发明专利340项，美国为61项。在法国，则可查到有关波浪能利用技术的600种说明书。另外，利用海洋里的波浪能进行海水淡化，制造淡水，还可以解决海岛缺水问题。海水淡化需要能量，正好成为波浪能独立发电系统能量调节的手段之一。从季节看，冬季波浪能较大，雨水较少，用波浪能制造出淡水，刚好可以补充雨水的不足；在夏季偶然出现大浪时，也可以将多余的波浪能用于海水淡化，解决能量过剩问题。
作为在波浪能开发利用技术上，走在世界前列的中国科学家们，为了实现这一目的，研制出了波浪能驱动的海水淡化装置。该装置可日产2吨淡水，可以为远离大陆的守岛部队提供充足的淡水。
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出航的海员们都知道，在普通波浪中，可能会突然出现25米到30米的巨浪。与强烈的海底地震产生的海啸不同，这种巨浪是在由海风形成的普通海浪中出现的。这种巨浪多年来被认为是许多海难发生的原因。而且众所周知，许多沿海国家的那些海上钻井台，偶尔也会被这些巨浪袭击。那么这种巨浪是如何形成的呢？现在，一群瑞典科学家研究发现，由海风产生的普通的随机波浪，之所以能够在短时间里突然成长为巨型波浪，是由于在达到合适的条件时，这些巨型波浪会从周围的波浪中“借”走能量。这些波浪成长为巨浪的速度比人们以往认为的要快得多。
海洋中取之不尽的能量——潮汐能
那些蕴藏在海洋中的所有可再生能源，包括波浪能、海流和潮汐能、海洋温差能和海洋盐度差能，统称为海洋能。潮汐能，是众多海洋能中的一种，是来自月球和太阳引力作用所引发的一种能量。以上这5种海洋能可再生资源总量约为788亿千瓦，就目前人类所掌握的技术，可利用其中64亿千瓦的能量。
但是由于海洋能的能量密度较小且不稳定，随时间变动大；海洋环境复杂，海洋能装置又要有能抗风暴、抗海水腐蚀、抗海生生物附着的能力。因此，目前只有潮汐发电技术和小型波浪发电技术开始进入实用阶段，其他几种仍在研究试验阶段。
取之不尽的潮汐能
潮汐能是一种以位能形态出现的海洋能，是指海水在潮涨和潮落过程中所形成的水的势能。
海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动，以及它们之间的相互作用而引起的。月球引力和地球自转形成的离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力。世界上潮差的较大值约为13至15米，但一般说来，平均潮差在3米以上就有实际应用价值。如果利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电，那么，将全球海洋潮汐蕴藏的约为27亿千瓦时能量，全部转化为电能后，发电量就会达到1.23亿度！此外，在海洋各种能源中，潮汐能的开发利用最为现实、最为简便。
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大家知道，月球对地球上的物体会产生一种引力，而这种引力会使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的自转，这种水位的上升会以周期为12小时25分和振幅小于1米的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似，但是作用力小些，其周期为12小时。当太阳、月球和地球运行到一条直线上时，就会产生大潮；当它们成直角时，就会产生小潮。
虽然各地的潮汐都是从深海潮波获取能量的，但又具有各自独具的特征。要想利用潮汐能量发电的话，只有在出现大潮，能量集中时，并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方，这种构想才有可能实现。虽然这样的场所并不是到处都有，但世界各国已选定了相当数量的适宜开发潮汐能的站址。例如，中国东南海岸、加拿大芬迪湾、英国塞文港湾、法国西北海岸和俄国鄂霍次克海这5个地方的潮汐能占了全世界可开发潮汐能的一半以上。
20世纪初，欧、美一些国家开始研究潮汐发电。第一座具有商业实用价值的潮汐电站是1968年建成的法国郎斯电站。该电站位于法国圣马洛湾郎斯河口。郎斯河口最大潮差13.4米，平均潮差8米。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。
中国早在20世纪50年代就已开始利用潮汐能，是世界上起步较早的国家之一。1956年建成的福建省浚边潮汐水轮泵站就是以潮汐作为动力来扬水灌田的。到了1958年，潮汐电站便一下子在全国遍地开花。当年10月份还召开了世界上第一次全国性开发利用潮力发电的会议——全国第一次潮力发电会议。中国浙江乐清湾的江厦潮汐电站也是亚洲最大的潮汐电站。
日新月异的潮汐能技术
潮汐能是潮差所具有的势能，开发利用的基本方式同建水电站差不多：先在海湾或河口筑堤设闸，涨潮时开闸引水人库，落潮时便放水驱动水机组发电，这就是所谓“单库单向发电”。但是这种类型的电站只能在落潮时发电，一天两次，每次最多5小时。为了提高潮汐的利用率，尽量做到在涨潮和落潮时都能发电，人们便使用了巧妙的回路设施或双向水轮机组，以在涨潮进水和落潮出水时都能发电，这就是“单库双向发电”，像中国的江厦潮汐电站就属这种类型。
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利用潮汐发电必须具备两个物理条件：首先，潮汐的幅度必须大，至少要有几米；第二，海岸地形必须能储蓄大量海水，并可进行土建工程。潮汐发电的工作原理与一般水力发电的原理是相近的，即在河口或海湾筑一条大坝，以形成天然水库，水轮发电机组就装在拦海大坝里。潮汐电站可以是单水库或双水库。老式的单水库潮汐电站是涨潮时使海水进人水库，落潮时利用水库与海面的潮差推动水轮发电机组，但它却不能连续发电。为了使潮汐电站能够全日连续发电就必须采用双水库的潮汐电站。这种电站建有两个相邻的水库，水轮发电机组放在两个水库之间的隔坝内。一个水库只在涨潮时进水（高水位库），一个水库（低水位库）只在落潮时泄水，这样，两个水库之间就会始终保持有水位差，因此可以全日发电。
然而，这两种类型都不能在平潮（没有水位差）或停潮时，水库中水放完的情况下发出电压比较平稳的电力。于是人们又想出了配置高低两个不同的水库来进行双向发电，这就是“双库双向发电”。这种方式不仅在潮涨潮落全过程中都可连续不断发电，还能使电力输出比较平稳。它特别适用于在那些海中孤岛建立的潮汐能电站，使海岛可随时不问断地得到平稳的电力供应。从总体上看，现今潮汐能开发利用的技术难题已基本解决，全球都有许多成功的实例，技术更新也很快。作为世界相关技术进步标志的法国郎斯潮汐发电站，装有24台具有能正反向发电的灯泡式发电机组，转轮直径为5.35米，单机容量1万千瓦，年发电量达5.4亿千瓦时。
作为潮汐能技术开发强国的中国，自行设计的潮汐电站中，“江厦电站”所采用的技术也是非常成熟。该电站原设计安装6台单机容量为500千瓦的灯泡式机组，但实际上只安装了5台，总容量就达到了3200千瓦。而且，在发电站的海上建筑和机组防锈蚀、防止海洋生物附着等方面以较先进的办法取得了良好效果。
潮汐发电利用的是潮差势能，世界上最高的潮差也不过10多米。在中国，潮差最高才只有9米，因此不可能像水力发电那样利用几十米、百余米的水头发电，潮汐发电的水轮机组必须适应“低水头、大流量”的特点，水轮做得较大。但水轮做大了，配套设施的造价也会相应增加。于是，如何解决这个问题，就成为反映其技术水平高低的一种标志。1974年投产的广东甘竹滩洪潮电站就是一个成功的代表。它的特点是洪潮兼蓄，只要有0.3米高的落差就能发电，甘竹滩电站的总装机容量为5000千瓦，平均年发电1030万千瓦时。它的转轮直径为3米，加上大量采用水泥代用构件，成本较低，对发展小型潮汐电站很有借鉴意义。
潮汐发电虽然看似神秘，但仍须尊重客观规律，才能获得成功，取得良好效益。否则，光凭主观愿望和热情，虽然一时可以建成许多潮汐电站，但最后往往会因为实用价值不大而被弃置。
雪花带来的启发——温差能的利用
你知道吗，雪花不仅形态迷人，而且还蕴藏着巨大的能量，可以利用来发电。煤、石油等燃烧，同样能放出能量，但不是热能，而是“冷能”。生活中的制冷制备如冰箱等，在制冷时要消耗大量电能。
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