1、探究提高能源利用率的方法班级 12052311学号 12051238姓名 XX2015.06.02前言能源有很多种定义，但归根到底，能源就是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。能源是社会存在与发展永远不可或缺的必须品，是国民经济运行的物质基础。它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和进步。三次能源危机的历史教训告诉我们，能源关乎着一个国家的经济，政治命脉。而现如今，作为基础能源的化石能源，是不可再生的能源，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。从另一方面看，由于化石能源的使用过程中会新增大量温室气
2、体 CO2，同时可能产能一些有污染的烟气，威胁全球生态。因而，我们亟需这个问题的解决方案。一种方案是开发更清洁的可再生能源，从目前的情况来看，这是今后能源科技的主要发展方向。而另一种方案，那就是提高能源的有效利用率。自从开尔文提出了热力学第二定律，宣判了第二类永动机的死刑之后，这一种方案就变得没有那么受重视。为了解决能源低效这个问题，上个世纪出现了一种叫做“绝热发动机”的热机模型，就是用耐热性好、导热系数小、膨胀系数低的高级陶瓷合成材料制造气缸盖、气缸体和活塞等受热部件。但结果却令人失望，他并没有像预测的那样提升发动机的效率。原因在于热机做功的原理是燃料产热等价于微观粒子的无序运动。这个热运动
3、，平均在三维空间上每个方向的能量各占 1/3，而热机做有用功的也就三维方向中的一个方向维度。其他二维方向上的能量只好作为废热浪费掉！而“绝热发动机” 只是减少了热传导的消耗，并没有实质性的改变热能的利用方式，还是以做功的形式把最多 1/3 的热能转化为其他能量。这意味着古典热力学机理模型(可以理解为热机)出现了问题，只要是热做功，在热机的前提下，它的效率就被这 1/3 的瓶颈给禁锢了。这个问题，不论对新能源还是旧能源都是一个严重影响其利用效率的因素。1.提高能源利用率的必要性1.1.旧能源的现状对于不可再生能源，在许多领域都有涉及，在此，我就不笼统的来看待这种能源利用的情况了，就拿一个汽车的能
4、源利用率的具体情况来分析。在发达国家，能源总量的 40%左右消耗在交通运输业上，而各种汽车消耗的能量又占全部交通工具能耗总量的 73%。在我国，汽车保有量迅速增加，许多城市甚至实行了单双号限行政策来缓解城市的交通压力。汽车能源消耗、尾气污染也大幅度上升。一辆汽车以 80 公里每小时的速度行驶时，每 10 公里耗油约为 1L。根据汽油的燃烧值进行简单的计算得知，这时消耗的功率约为 70kW。这 70kW 是个什么概念呢？他可以点亮 100W 的照明灯 700 个。假设一个家庭有 10 个照明灯，那这些能量就是 70 户人家的日常用电功率。如此高的能量，那它在汽车上的利用率如何呢？ 平均说来，在这
5、 70kW 中，1kW 由于汽油的蒸发而消失，当然不是真的消失，这 1kW 的碳氢化合物只是分散到大气中，其化学能无法利用，而且还成了化学污染源，剩下的 69kW 进入发动机，大约有 17kW 用于做功，而其余的52kW 包括了排气管排出的废弃热和散热器的热量散失，两者约各占一半。这是最大的一笔能量损耗。废气的主要成分是二氧化碳和水以及一些有毒物质，这对环境造成了严重的破坏。损耗了这么多的能量，只剩下 17kW 用于做功，但真正用于汽车驱动的能量更少：约 5kW 用于发动机的水箱循环和空调，约3kW 消耗于传动装置，最后只有 9kW 到达驱动轮，而这 9kW 就是汽车克服空气阻力和滚动摩擦用于
6、驱动的能量。这一账算下来，一辆车的总效率只有大约13%。可见，对于旧能源而言，即使有 33.3%的利用率上限，但还是连一半的利用率都没有达到，可见提高其利用率是多么的重要，更不用谈改变其热利用方式了。1.2.可再生能源的现状也许有人会有疑问，对于可再生能源，既然是可以循环再生的，还有必要提高它的能源利用率吗？答案是肯定的，所谓的可再生能源指的是在自然界可以循环再生的能源，重点在于再生。那就仍存在许多问题，例如再生时间，再生成本，再生能源的提取时间，提取成本等等。拿中国现在的可再生能源发展的问题和障碍和全球的可持续能源发展障碍结合来看，主要的共同问题有以下几点： (1).高成本(2).市场发展缓
7、慢(3).并网难(4).技术难点多(5).相关政策少(6).各地区相关技术发展不均衡等诸多的问题限制着可再生能源的发展速度，使得现今的社会，还是一个以化石燃料为主的能源结构。因此，在我看来，如今解决能源资源紧张的问题的根本方法，并不是寻找新能源来代替旧能源，而是改变传统热机的热利用方式。寻找新能源只是一条避开改变传统热机的热利用方式这个高成本，高技术方法的另一条蹊径。但不能回避的是，新能源也面临着利用率的问题，如果还是用传统的热机做功。那将会和旧能源一样，资源浪费还是一个大问题。这就像一个富家子弟，很喜欢花钱，一开始家里有金山银山（指旧能源） ，随着时间推移，家底变得单薄，为了能让自己的子孙后
8、代有钱花，他去寻找新的金山银山（新能源） ，但他还是那么的会挥霍。一代接着一代，最后，他的子孙把金山银山都挖空了，才意识到，自己祖先的解决之道，只是临时的，根本的方法是要改变自己的消费习惯，祖先们因为站在金山之巅，看不到这个问题，但如果真等到我们站在“山坡之顶”才意识到这个问题，那时候我们估计已经变成乞丐了。2. 提高能源利用率的可行性在热能转化成其他能量的过程中，传统上有两种方法可以提高其转化效率，一种是降低其热量在热传递过程中的损失，比如在前言中描述的“绝热发动机”就是这种方法的具体实现，另一种就是提高热做功的效率，减少无用功的出现，举些最简单例子：在烧煤的过程中，如果煤炭足够碎，在热机中
9、的燃烧面积足够大，那么煤炭的利用率就会越高；减少热机的摩擦生热等等。而在本篇论文中，探讨的是一种基于新型热机：“无热发动机”的高利用率方法。传统的发动机都是依靠热做功来产生机械能，一旦热产生，热运动就会开始，微观上，空气中的微观粒子就会开始无序运动，这个时候，2/3 的能量损耗过程就不可避免的开始了。而“无热发动机”没有产热，旧能源(包括新能源) 没有产热，新引擎 100%做功才会成为可能！也就是旧、新能源微观做有序的一维运动，发动机的效率才能突破 1/3 的瓶颈。除此之外，没有了产热，由燃烧所产生的废气也不会排放到大气中，环境也会改善。那么怎么才能实现“无热发动机”呢？很遗憾，目前，还没有投
10、入使用的该类型发动机，但是在实验室中，这种发动机已经有了雏形。我们都知道，记忆合金在外力作用下会发生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。美国发明家班克斯就利用记忆合金制成了一台热机，它既不需要燃料，也不需要电能，而且不排放废气，只需要两个有一定温差的水域，当U 形的记忆合金丝从冷水进入热水时，它就凭着记忆突然弹开，弹力的一部分可驱动其他连带的装置运动，当弹开的记忆合金丝回到冷水时，它凭着“记忆”又弯曲起来，回到原来的 U 形形状。报告中只是说他利用了记忆合金弹开时的势能，而没有提及恢复时的能量的使用，如果能将 U 形记忆合金丝恢复形状时的能量也加以利用，那便可以产生更多的
11、能量。报告中最神奇也是最有争议的一点，就是它违背了能量守恒定律。我们都知道，能量不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移或转化过程中其总量保持不变。但在这个模型中，维持两个水槽之间温差所消耗的能量，远小于热机装置输出的能量，那到底是我们忽略了哪个环节，还是说神圣的能量守恒定律被撼动了，还有待时间公平的检验。如果说这个模型真正存在着问题，那也不要紧，它至少给我们提供了一个“无热发动机”的研究方向，寻找改变传统热机热做功的方式。3.总结综上所述，现代社会，开发新能源势在必行，而提高能源利用率也刻不容缓。我的建议是，要充分利用好旧能源，不要把资金都投放在开发新能源上，也可以把研发重心放在提高能源利用率的方法上，改变古典热机的能量转化方式上，也许这条道路比较崎岖，但一旦将它贯穿到底，这对于能源科学界将是一场颠覆。4.参考文献1.中国可再生能源产业发展现状分析,2.班克斯热机 （互动百科）,3.从热机效率谈节能策略 。
