科普-中华学生百科全书-第161章

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原子核的聚变反应，产生大量的光和热。当恒星内部的核燃料用完了，它的
剩余物质被紧紧地挤压在一起，压缩得非常紧密，连光都只能进，不能出，
不能离开它们的表面。科学家把这种剩余物质叫做黑洞。恒星老了，衰退了，
收缩成黑洞。
　　　　在漫无边际的宇宙中，黑洞是一个孤立的天体，只有网球那样大小，但
它的重量却跟地球差不多。人的肉眼是看不见它们的，即使科学家用天文望
远镜也看不见它们，人们只能通过黑洞的巨大吸引力，才能确定它的存在。
　　　　黑洞有巨大的吸引力，如果宇宙飞船、航天飞机飞过黑洞，就会立刻消
失。凡是在黑洞附近的物质，都被它吸进去，消失得无影无踪。
　　　　黑洞似乎很可怕，可是，经过科学家们的研究，找到了一种开发和利用
黑洞的能量的方法：把生产原子能的核反应堆放到黑洞上去。人们把核燃料
发射到黑洞上，由黑洞内巨大的引力压缩核燃料，迫使其实现核聚变反应，
释放巨大的能量，人造卫星电站接收能量反射到地面。科学家把这种能量称
做潜能。
　　　　潜能的开发利用，是一项巨大的星际工程。为使这一工程成功，人类要
付出惊人的代价。尽管科学家在地球上还没有实现这样的任务，但是，一旦
这项工程成功了，那就能源源不断地获得非常巨大的能量，而且是一本万利
的。

　　　　　　　　　精打细算话节能

　　　　当今世界，人们一方面感到能源紧张，另一方面却又在“耗油如水”，
浪费能源的现象比比皆是。近几十年来，人们虽然已经注意节能，但还远远
不够。在节能方面，蛇倒是冠军。
　　　　让我们先来看一些实验结果吧。把刚寻来的小蝮蛇关起来，不给食也不
给水，它能饿　107　天；若只给水，它能坚持　392　天。在日本，一个实验室内
关着两条眼镜蛇，在只给水的情况下，饿了　3　年零　2　个月还安然无恙。巴黎
动物园的一条蟒蛇连续饿了　4　年零　1　个月，依然还活着。可见，蛇减少能量
消耗的本领是多么高超呵！而且，这种本领与其体重成正比，体重越大，减
少能量消耗的本领越强。蛇为什么具有这种超常的节能本领呢？首先，它能
充分利用能源。它从得到的能源中吸收能量的效率是非常高的。以蝮蛇为例，
它吃进一只小动物，几天之后，体重就净增加了小动物体重的　1／3　左右。其
次，它又能充分节能。为了节能，它实行冬眠制。比如安徽的红点锦蛇，历
时　5　个多月的冬眠后，其体重只减少了　2％。此外，它的体温是可变的，这
就又省却了为调节体温而消耗的能量。为什么给水后它就能更好的节能呢？
因为，水是运送能量，完成新陈代谢必不可少的“润滑剂”。若不给水，它
就只能从“库存”的蛋白质等特质中“挤”出水来使用。我们能不能从仿生

学的角度，在能源技术领域发挥聪明才智，研究出一些更科学更有效的节能
之术呢？能或否，有的答案在现在的科学家的头脑里，有的却可能在你们—
—可爱的读者，21　世纪的科学家手里。
　　　　目前，人们普遍把节能看做是与石油、天然气、煤炭和核能并列的第五
大能源。世界各国都已把节能作为重要国策，正在积极研究和开发节能新技
术。
　　　　提到节能，人们首先会想到在工业、农业、交通运输、商业和日常生活
中节约用电和节约用油等。是的，这里面也确实大有文章可做。在　1973　年的
能源危机中，许多国家这样做了，也的确取得了很大的成绩。然而，必须指
出，节能并不是强迫忍耐、缩减需求，降低正常的生产和生活水平，而是依
靠技术开发，减少能量损失，提高能源利用率。也就是说，节能技术的实质
和核心是不断提高能源的利用效率。有人作过估算，“如果美国打算认真致
力于节能，就有可能比现在少消耗　30％～40％的能量，而且依然能享受同样
的、甚至更高标准的生活内容。”
　　　　事实也告诉我们，要想大量节能，实现真正有效的节能，也必须在提高
能量转换效率上找出路。目前，燃料能源的浪费最大。目前能量的使用通常
是将燃料的热能先转换成机械能，再变为电能。可是热机把热转换成机械能
的效率非常低，虽然不断改进和提高，所获热能仍然只有　25％～30％，大部
分热能都因散失而白白浪费掉了。从热力学上分析，热机效率不可能提高到
50％以上。所以，必须开发能量转换新技术。从迄今为止已研究出来的成果
看，有希望取代热机的新技术是磁流体发电和燃料电池。磁流体发电的热电
转换效率可达　55％以上，燃料电池的化学能转换成电能的效率则高达　75％以
上。
　　　　煤炭的气化和液化是通过革新燃烧技术提高能源利用效率的另一个有效
途径。煤直接燃烧缺点很多。首先是燃烧不完全，热能利用率低；其次是体
积大、笨重，运输、储存、加工和使用都很不方便，在我国，煤炭的运输量
就占去了大约　60％的运输力；此外，煤直接燃烧，还会造成大面积的环境污
染，因为煤在燃烧过程中有大量的二氧化碳和二氧化硫等有害气体逸出。大
气中的二氧化碳浓度增加会使地球温度升高；二氧化碳会形成酸雨降落到地
面，使湖泊里的水生物死亡，甚至绝迹，以及使土质恶化，农作物显著减产。
如果把煤炭变成气体或液体就能较好地解决这些问题。
　　　　怎样才能把煤炭变成气体或液体呢？现在人们已经研究出了很多方法。
其中，最常用的工艺是：先将煤块粉碎成极细的粉末，然后放入气化炉中，
通入蒸汽和氧气，加热到　1100℃，产生出氢和一氧化碳的混合物，叫做“合
成气”。这样的合成气用起来跟天然气一样。合成气还可以进一步与催化剂
一起放入反应器中进行化学反应，变成液态的碳氢化合物，如酒精、汽油、
柴油和润滑油等。
　　　　其实，早在第二次世界大战期间，纳粹德国迫于运油困难，就开发出了
用煤炭合成汽油的技术，并建有　9　个煤制合成油工厂。战后，因无法与廉价
的石油竞争，工厂遂全部关闭停产了。南非富产煤炭而无石油资源，在其特
殊的政治和资源条件下，于　50　年代初就建成了一个小型合成油工厂。1981
和　1982　年相继建成两个大型煤制合成油工厂，其规模相同，各产出发动机燃
料　150　万吨。
　　　　煤炭气化和液化的另一种方法是“氢化分解法”——应用空间时代的火

箭技术，将碎成粉状的煤与高温氢气混合，在高压条件下产生高质量的无污
染的气态或液态的碳氢化合物。
　　　　有了这些气化和液化技术，别说燃烧值很低的油页岩，就连极不易燃的
煤矸（gān）石也可变为优质燃料了。可是，上述煤的气化和液化方法都涉及
化学加工过程，需要破坏和重新调整煤的分子结构。这种过程，工艺比较复
杂，投资大，成本高，特别是液化，暂时还不具备大量建厂投产的条件。能
不能不对煤开肠剖肚，重新组构，即不让它改变化学成分，不发生“脱胎换
骨”的变化，而只进行改变其形态的物理加工，就做成液态燃料呢？能！瑞
典的科学家首先回答了这个问题。1973　年，他们研究出了一种比上述气化液
化技术要方便得多、也经济得多的制煤浆技术。他们先把煤块研磨成直径　90
微米以下的极细微粒，然后通过浮选除去灰份和有害杂质，再把它们同水混
合到一起，水与煤的比例可达　25∶75。最后加进一种叫做表面活性剂的特殊
添加剂，就制成了一种廉价而清洁的、胶体状的代油燃料——煤浆。它可以
用作工业和铁路机车的锅炉燃料、水泥窑燃料、冶金加热炉燃料、合成氨造
气原料，以及船用柴油机燃料等等。
　　　　余热利用技术、综合发电、高效大容量输电技术，以及将微计算机引入
能源管理系统等，也是能源技术中近期蓬勃发展起来的、很有效的节流之术，
并且已经取得了相当可观的实效。
　　　　能量守恒和转换定律告诉我们，在任何与周围隔绝的物质系统（称作孤
立系统或封闭系统）中，不论发生什么变化，能量的形态可能发生转换，但
能量的总和却永恒不变。非封闭系统能与外界发生能量交换，因而它的能量
会有改变，但它增加（或减少）的能量值一定等于外界减少（或增加）的能
量值。所以，从总体上来看，其能量之和仍然是恒定不变的。可见，能量既
不能创生，也不能消灭，只能在各部分物质之间传递，或者由一种形态转换
成另一种形态。因此，某一装置、过程或系统所用的全部能量在完成某种功
能后，剩余的能量最终总表现为热能。可惜，这些热能绝大部分被当作废热
给排放掉了，或者作为余热任其自然散失。譬如，刚刚炼出的赤热的焦炭，
温度高达　1000℃左右；工业用炉体的温度有　700℃～900℃；高温废气大都在
150℃以上，甚至有的高达七八百度；还有废热水，温度高的为　60℃～90℃，
低的也有　30℃～60℃。这些都是宝贵的能源，应该、也能够加以利用。比如，
综合发电就是利用高温废气和高温废水，提高能源利用效率的好办法。70　年
代以来，日本在节能上狠下功夫，取得了很大进展：1979　年制订的规划中要
求，节能率　1985　年为　10％，1990　年为　14．8％，1995　年为　17．1％；实际上，
到　80　年代后期，日本的总体能耗水平，按单位产值能耗计，几乎降低　20％。
1978　年，日本政府制定的节能计划——“月光计划”，就以大型节能技术为
重点，其中又以余热利用为首选项目。从日本人的节能实践活动效果看，其
能耗的降低，很大一部分是由余热的利用带来的。由此可见余热利用在提高
能源利用效率中的重要作用。
　　　　随着现代科学技术的高度发展，新型电力电缆和新型输电方式将产生明
显的经济效益和节能效果。电力电缆主要采用油浸电缆和聚乙烯电缆。现在
已研制成功的油浸电缆可耐压　500　千伏，聚乙烯电缆可耐压　275　千伏。今后
将采用管线充气输电电缆、极低温电阻电缆及超导电缆进行　100　万千伏以上
的大容量输电。日本电子技术综合研究所正在研制浸渍液氦聚合物绝缘超导
电缆。目前，直流输电技术也已试验成功。由于在直流电系统中，电流的大

小和方向不像交流电那样随着时间作周期性变化，而是恒定不变的，不存在
长距离交流输电时产生的不稳定性问题。所以，直流输电系统不仅输电线单
价低、稳定性好，而且直流电缆系统不必充电，因而不需要充电电流补偿装
置。但是，现有电力系统均采用交流发电机和交流电，要进行直流输电，就
必需配置把交流电转换成直流电的电流变换装置。尽管变电装置成本较高，
但在其他方面采用新技术可以降低总成本，所以，直流输电的经济效益仍很
可观。现在，直流系统已能用于远距离输电。新型交流输电方式有　6　相输电
（我们通常所用的电，大都是三相交流电，它是由三相交流发电机产生的。
这种发电机有三个绕组，每一个绕组称为一“相”，发电时三个绕组的电动
势变化频率相同，但相位各差　120°），各相相位差为　60°。依次类推，还
有　9　相、12　相等输电方式。美国能源部正在积极研究　6　相输电技术，已建成
80　千伏试验输电线。日本东京大学和关西电力公司也正在研究　6　相输电。6
相输电的优点是，减少输电线体积和用地，节省输电费用。此外还有，用低
于　50　赫频率的低频输电、用　60　赫以上频率的高频输电、交直流重迭输电、
隧道充电绝缘输电、波导管输电、光电输电等方式。
　　　　　微计算机用于能源管理系统不但是自动化技术发展的必然趋势，也是提
高能源利用效率、大量节能的有效途径。由传感器、接口、转换器、仪器和
微计算机等互相配合组成的监控系统用于能源管理后，锅炉可节约能源　5
％～20％，电动机可节电　10％～60％（例如，1～20　马力变速电机节电　17％～
30％，成本降低　50％），水泵可节能　30％，内燃机节油　10％～40％，而经
济效益则由于产品质和量的上升而成倍增长。


　　　　　　　　　　　　　继往开来

　　　　　到这里，我们已在能源技术百花园里匆匆地走一圈。但毕竟是走马观花，
一晃而过。对前面所介绍的内容，在您的记忆中虽不至于已成过眼云烟，但
也不能对园内一草一木都印象很深刻，甚至就连其中的奇葩（pā）异草恐怕
也难一一记清。为了加深印象，巩固知识，让我们一起回味一下本书的主要
内容，并进一步鉴往观来，作一个概括的分析和预测吧。
　　　　　火，本是一种自然现象。当人们发现它是摄取和转换能量的最基本的形
式，并加以利用以后，人类便在文明的康庄大道上迅猛前进了。到目前为止，
人类对一切能源的利用，归根结底，或从引伸意义上讲，都是以火或用燃烧
的形式来实现的。人类日常生活中使用的许多能源，大都通过燃烧取能。火
力发电将化石燃料和木材，城市垃圾中的有机物质等生物质能转换成电能等
等，都是直接以火的形式来利用能源。而风能、水能和生物质能等本身呢，
实质上是太阳熊熊燃烧之后辐射能量所转化出来的。当然，太阳的光和热，
不用说，更是烈火高温的直接产物了。核电站燃烧核燃料，通过裂变链式反
应产生很高的温度，将水变成蒸汽，推动涡轮机发电，实质上，它还是以燃
烧形式从核燃料中取能。即使是燃料电池，尽管并不产生很高的温度，也看
不到火光，但本质上依然是燃烧，科学家们将其称之为“冷燃烧”。没有能
源，人类便不能生存，更不能发展。因此，完全可以说，人类正是在火的光
辉照耀下，迈出了一个又一个大发展的步伐，日益文明昌盛起来。
　　　　　人类对常规能源的利用，无论是在开源方面，还是在节流方面，都在不

断进步。对于煤炭、石油和天然气等化石燃料，从勘探、开采、运输到使用，
技术不断进步，日新月异，令人目不暇接。这对能源本身的盛衰与荣辱，不
但没有影响，反而进一步促进了与这些常规能源有关的能源技术的进步和发
展。于是，资源卫星勘探技术、煤炭地下气化技术、二次三次采油技术、煤
炭液化和气化技术、磁流体发电和燃料电池等直接发电技术，以及高效大容
量输电和余热利用等等新节能技术相继诞生并发展起来，而且已经和正在给
人类带来极大的社会与经济效益。人们对水力能的利用，已经今非昔比，走
上了大规模、经济地开发和系统设计、综合利用的轨道。在常规能源技术领
域，目前，磁流体发电技术、燃料电池、水力能源综合利用工程、高效大容
量输电技术和余热利用技术等已成为人们关注的热点。
　　　　本世纪中叶以来，人们对核聚变能、太阳能、地热能、海洋能、风能和
生物质能等等新能源的研究开发和利用付出了辛勤的劳动，坚持进行着孜孜
不倦的研究，并取得了许多可喜的成果与重大突破。
　　　　如果从　50　年代初算起，人们研究和开发核聚变能已经有　40　年了。人们
已攻克了许多难关，虽然尚未达到受控热核