能源

(一)本身能源

   (A) 化石燃料

     (1) 煤的形成

     (2) 石油及天然氣的形成

     (3) 利用化石橪料發電的過程

   (B) 核能

     (1) 核裂變

     (2) 核聚變

   (C) 地熱

(二)輸入能源

   (A) 直接轉化

     (1) 太陽能吸收板

     (2) 太陽能電池板

   (B) 間接轉化

     (1) 風力

     (2) 水力

     (3) 潮汐


本身能源

地球本身就是一個能源庫,在地殼內,藏有多樣的化石燃料,以及藏有可以發出核能的鈾礦,而地殼底下,又藏有非常大量的熱能。

(A) 化石燃料

在過去千百萬年中的地表運動、火山爆發和地震中,大量動植物殘骸埋入了地下,經過幾百萬年的變化,深埋的動植物殘骸在地下高溫高壓的雙重作用下,轉化為化為煤、石油和天然氣,因為它們是由生物殘骸轉化而來的,因此被稱為化石燃料。


(1) 煤的形成


(2) 石油及天然氣的形成


(3) 利用化石橪料發電的過程


(B) 核能

觸手所及的每樣事物,樹木、石頭也好,書本、玩具也好,都是原子組成的,人們曾經有相當長時期認為,原子是組成物質的最小單位,直到1897年才發現電子,後來才知道原子是由一個原子核和多個電子組成的。

核能發電就是利用某些原子在分裂過程中釋出的能量,它有一個很大的缺點,就是核廢料以及洩漏輻射的危險,但它的最大好處是成本底,因它只需少許燃料便能釋放大量能量。


最早的一個核電站在五十年代中期開始運作,現在,全球約有400個核反應堆,所產生的核能約佔全球能源總消耗量的5%,核電站所產生的電力佔全球電力的15%以上。

利用核能發電的過程

(1) 核裂變

核裂變現象在1939年被發現,不穩定的鈾原子被一個中子碰撞後,便很容易分裂,同時產生幾個新的中子,並釋出巨大能量。朝四周飛散的中子再碰上其他鈾原子,就會促成更多分裂,產生更多中子。原子彈爆發就是這種連鎖反應不受控制的情況,可是,在核子反應堆內,每次裂變後只留下一個新產生的中子與另一個鈾原子碰撞,其餘的中子被反應堆吸收,因此,連鎖反應得以持續,但不致加速以至失去控制。


(2) 核聚變

核聚變現象是太陽和無數星體得以長期發光發熱的原因,事實上,太陽已經照耀了約50億年,可能還會再照耀50億年,科學家研究了很久才了解太陽的奧秘,太陽是由氫構成的,氫有兩種同位素:重氫(又寫作氘)和超重氫(寫作氚),這兩種氫同位素在天文數字的高溫下會融為一體,同時放出巨大的能量,它是比核裂變更有威力的核反應,核聚變能源如果開發成功,不少能源問題將獲解決,不過控制核聚變困難重重,其中一些問題可能永遠解決不了,最大的問題是要加熱到攝氏一億度才能產生聚變,至今只有氫彈成功地達成人工聚變,那是在氫彈爆炸前,先引爆一個小型原子彈來製造氫同位素聚變所需的超高溫。


(C) 地熱

地殼底下的高溫岩漿貯藏了大量的熱能,這些地熱能幾乎是取之不盡的,在地球地殼的斷層,大量熱能以各種方式釋放出來:火山釋放熱能的方式十分猛烈,且難以控制;溫泉和蒸汽則較為溫和,易於利用。人類以溫泉浴池的形式直接利用地熱已有幾千年歷史了。

用地熱能發電所涉及的技術很簡單,在地殼斷層位置鑽兩個洞通到深層岩石裂縫,以管子連接到地面的發電廠,只要在一條管子中注入冷水,另一條管子即會噴出蒸汽,用這些水蒸汽便可以驅動渦輪發電。地熱發電所使用的蒸氣是免費的,而且不會在加熱中造成污染,不過,由於受能地理條件限制,它只能為我們提供一部份能源。

利用地熱發電的過程

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輸入能源

如果沒有太陽所輸入的能量,地球上便沒有一種生物能夠生存。太陽巨大的能量,絕大部份流入太空,地球只分享到很小一部份,不過這已經足以使萬物生長。射向地球的太陽能中,約有30%在進入大氣層時,遇到微塵和雲層,反射回太空;接近一半的太陽能射到地面,使地球和暖;其餘的太陽能使地球的水蒸發上升,至高空遇冷凝聚成雨再降回地面,造成水的循環;餘下的0.13%驅動風和洋流,以及使植物生長。

(A) 直接轉化

(1) 太陽能吸收板

太陽能吸收板是一塊佈滿水管的集熱器,以太陽能吸收板配合水箱及循環管道便可組成太陽能熱水器。

當集熱器吸收太陽光以後,集熱器內的溫度上升,水溫也隨之升高,水溫升高後,便上升進入循環水箱的上部,而循環水箱下部的冷水就由水箱下方的循環管道流到集熱器下方,在集熱器內受熱後又上升,這樣不斷地對流循環,水溫逐漸升高,直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量平衡時,水溫才不再上升。

循環式太陽能熱水器結構簡單,使用方便,無需專人管理,故已在許多國家推廣使用。


(2) 太陽能電池板

太陽能電池板是由半導體組成的,它的主要材料是硅,也有一些其他合金。它的表面由兩個性質各異的部分組成,當太陽能電池板受到光的照射時,電流便會從一方流向另一方。

一般太陽能電池板的表面都呈紫色,那是一層防止光反射的薄膜,目的是要使更多的光能轉變為電能。


(B) 間接轉化

(1) 風力

風力是由太陽能轉化的,地球上的空氣流動是因為各處地方的空氣受熱程度不同而引起,使用風力其實是間接地使用太陽能。

從文明開始時,人們就懂得利用風力驅動帆船。數百年前,歐洲各國開始使用風車來推動機械,早期用來進行抽水和碾磨谷物,後來更用於油田、紙廠和鋸木廠等工業,在1600年以後,風車已被廣泛應用於各種工作,1850年時,歐洲約有五萬多部風車,直到十八世紀發明了蒸氣機,風車的數量便逐漸減少了。


現代的風力應用已經改變,人們在高塔上安裝螺旋槳,把它們與發電機連接起來,由風推動螺旋槳產生電力。在今天的丹麥,幾乎全部三千七百台風力渦輪機都己經連接電網,在1994年的總裝機容量已達五百兆瓦;美國在開發風能方面更居於領先地位,在1982至1992年間,約共一萬二千台風力渦輪機於加州落成,截至1996年底,它們的總發電容量已超過三千兆瓦,這電量足可應付約一百萬人口的城市所需。


(2) 水力

水力的應用可以追溯到公元前一世紀,當時的希臘人和羅馬人已開始使用水車來碾磨玉米,後來,歐洲曾大量使用水車來漿洗布料、織布、鋸木材、碾磨谷物、抽水、甚至壓搾蔬菜種子製油。


一幅描繪水車磨坊的石版畫

水電能量被發現前,人類為了飲用和灌溉而儲蓄水,亦因為防止洪水,所以建造水壩,水壩的設計和建造技術得以不斷提高,才有水力發電的條件,1882年,世界上第一家水力發電站建成,利用水壩攔住的水來推動渦輪機發電,在十九世末和二十世紀初,各工業國家的水電站數量和裝機容量迅速增加,到1995年,水力發電已差不多提供世界秏電量的五分之一,發電量僅次於火力發電。

利用水力發電的過程

這種發電的方法一般較受歡迎,因為它不會造成污染,而且經營成本也較底,但是,水力發電需要天然的地理因素配合,要有足夠的水量而又有合適的河谷興建水壩,而且,反對建大型水壩的聲音在世界各地均有增加,這是因為興建水壩會淹沒一些文化古跡和影響附近地區的生態平衡。


(3) 潮汐

潮汐能在十一世紀已經被用作能源,當時,歐洲的沿海地區曾建造過一些潮汐能磨坊,至十九世紀中葉,潮汐能磨坊在部分歐洲、亞洲和北美地區是很普遍的,然而,由於水力與化石燃料提供了便宜的能源,潮汐能的使用於二十世紀早期徹底消失,隨著能源需求的快速增長,與建築方法和發電技術的提高,在二十世紀的五十和六十年代,潮汐能又重新引起人們的興趣。

1961至1966年間,在法國西北部的然思河口灣,建造了一座二百四十兆瓦的大型潮汐能發電站,該電站和世界其他的潮汐能電站的運轉原理,均源自傳統的潮汐能磨坊。

法國然思河口灣潮汐能發電站

潮汐能發電站可以建在一些潮漲和潮退時垂直水位差距較大的海灣或港口。潮汐能發電原理跟水力發電原理相似,人們在海灣或港口的入口處建一道水壩,潮漲時海水注入水壩內,潮退時儲存在水壩內的水經過渦輪排出,以生產電力。

潮汐能電站只能在潮差約五米或更大的地方才能實施,據估計,全世界潮汐能只能連續發電約二萬三千兆瓦,這大概只是水力發電的百分之一,加上建造費用高昂,相信還需一段很長的時間,海洋潮汐才能成為一種主要的全球性能源。

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參 考 資 料 :
郭睿正, 陳翰林 (2000) 科學探索, 香港:精工出版社
梅丹吉特˙辛格 (1998) 太陽能:環保生活之本, 香港:香港大學出版社
俞祖元 (1997) 新科學十萬個為什麼:工程˙技術卷, 浙江:浙江科學技術出版社
Neil Punnett (1989) Resources, Energy and Development, Oxford University Press.
約翰˙薩切維 (1985) 未來的能源, 香港:新雅文化事業有限公司
約翰˙薩切維 (1985) 核能, 香港:新雅文化事業有限公司