可再生能源浅谈——研究性学习高一10班王浩然杨帆胡玥许光灿吴逸飞李郅萱一、太阳能太阳能以其丰富的储量和获取途径的方便，可以称得上是取之不尽用之不竭的。

太阳能直接利用主要是通过其光和热，但是不易转变成为机械能。

电能以转化形式多样、方便的特点，可以作为传输能量的最方便的形式，因此为了更充分地利用太阳能，需要将太阳能先转化成电能，再转化为其他形式能量。

而从太阳能到电能这一步，如果能尽量降低能量损失，减少成本，提高转化率和转化速率，那么就可以将太阳能作为现有的能源【特别是化石能源】的替代品。

太阳能转化为电能可以有两种途径，第一种是直接转化，第二种是借助中间物质转化1.直接转化——太阳能电池原理：光电效应在因为光具有能量，在光子的激发下会有电子定向移动形成电流。

光子的能量大于电子的逸出功时，电子就会逸出金属原子表面，大多数会沿垂直金属的方向运动【因为不确定性原理所以并不是所有】。

只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。

当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。

太阳能电池就是通过吸收光子并把原子中的电子击出轨道来产生电场的。

其材料需要具备以下特点：首先是很强的吸收光的能力，不能有过多的反射；其次是原子内部金属键要比较弱，这样电子的逸出功比较低，才容易被打出；再次材料本身要有一定的导电性，这样才能在外接负载后形成闭合回路，并且不至于生成过多的热能【内阻过大时内电路消耗的能量会过大，降低效率】现有的太阳能光伏电池包括硅太阳能电池、多晶体薄膜电池、有机聚合物电池、纳米晶电池、有机薄膜电池、染料敏化电池和塑料电池。

现在用的比较多的是硅太阳能电池，包括单晶硅和多晶硅两种。

单晶硅电池转化率约为26%，是现有的光伏电池中能量转化率最高的，但是造价太高；而多晶硅提取较单晶硅简单，造价相对较低，但是转化率远不如单晶硅。

总体来说太阳能电池的技术条件还不够成熟，急需造价相对较低的优良材料。

纳米技术和有机聚合材料的应用也可为这种材料的发现提供思路2.间接转化——水的光解+燃料电池这个思路借用的是中间物质水、氢气和氧气，通过其吸放热来进行能量转化首先是通过水的光解来生成氢气和氧气。

这个说起来比较简单，但实际操作并不容易，因为这个反应不是自发的【自由能变化量△G>>0】，难点主要在于催化剂的选取。

要使水分解释放出氢气，热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负，而价带电位则应比氧电极电位Eo2/H2O稍正。

光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度【电子跃迁到导电状态所需的最小能量值】时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。

Khan等提出了作为光催化分解水制氢材料需要满足：高稳定性，不产生光腐蚀【类似电化学腐蚀】；价格便宜；能够满足分解水的热力学要求；能够吸收太阳光。

现有的光解催化剂有钽酸盐，铌酸盐，钛酸盐和多元硫化物，但这些催化剂不仅只作用于紫外波段，而且极易发生光腐蚀，需要进行牺牲保护，成本太高，效率低下。

使用纳米技术、贵金属吸附等方法可以提高效率，但是往往成本还是太高了水的光解类似于电解，也需要阴极阳极电解液。

人们在探索这个反应的装置时花了不少努力，也有些高效的装置，比如说htPerfectLig光解水系统，占地小，效率高，操作简单。

更先进的装置仍然要我们探索。

实际制备出氢气氧气之后就可以直接燃烧了，但是走燃烧火力发电的老路效率还是不够高，因此氢氧燃料电池的出现就是必须的了。

这种装置通过将氧化还原反应分开在两极进行而让化学能直接转变成电能，提高了转化率。

面临的主要问题仍然是催化剂，包括阳极的促氧化催化剂和阴极促还原催化剂。

阳极的贵金属催化剂【如铂Pt】表面积大，可以吸附多种气体，并且有空余的d轨道，催化效率比较高，但是价格不菲。

经研究发现反尖晶石【最典型的如43O Fe ，但这是不能作为催化剂的，一般的有43O Cu Fe x x -和423o O C Fe x x -】结构的物质可以作为阴极的催化剂，沉淀法很容易制取，成本不是特别高，催化效率也比较理想。

氢氧燃料电池的效率最高可以达到60%~70%，比起火力发电可谓是高了许多。

但是同样面临成本的问题，推广上有难度。

二、核能1.核能获取原理（由于核能目前看来取之不尽，用之不竭，且与可再生能源具有许多通性，在这里姑且将其放入可再生能源中作讨论）核能发电原理：质能公式 E=mc ²核能的释放有三种方式：核裂变、核聚变和核衰变。

它们本质上都是将核子的质量转变成能量放出。

现已被人们广泛利用的是核裂变，原子弹也是核裂变的产品之一。

可控核裂变的基本方法是用中子轰击重原子（一般用铀-235）的原子核，促使核裂变，从而释放能量。

为了持续输送能量，我们所用的重原子还需要在裂变时能够释放出更多的中子，引发链式反应，像多米诺骨牌一般激发其它原子的核裂变。

目前的核电站均采用这样的方法，在不很苛刻的温度和压强条件下使核裂变温和地进行，源源不断释放能量。

可控核聚变是当前核技术的尖端话题。

它的基本原理是用轻原子合成较重原子并释放能量，一般采用氘和氚合成氦的方案。

它的优势在于能效是核裂变的4倍，且核聚变原料的储量较核裂变原料大得多；而最大劣势在于反应极难控制。

由于这个反应需要在高温高压下进行，而我们在地球上造不出如此巨大的压强，只能靠提高温度来弥补，因此我们需要用温度的提高来弥补压强的不足。

这需要我们把温度加到几亿摄氏度，而这代表着任何容器都会汽化。

目前可控核聚变理论上最为可行的一套装置叫做托卡马克装置。

考虑到一般物质做的容器无法承受高温，托卡马克装置采用电磁场作为“容器”，将核子限制在电磁场圈定的范围内，实现容器的功能。

核衰变在自然中随时都会发生，只是极为缓慢。

人们正将其作为一种低功率低辐射的新能源加以应用。

例如心脏起搏器就利用了这个原理。

2.核能发电原理今天，曾经神秘的核电似乎离我们越来越近了。

核电从发展之初就备受关注，在能源资源日益紧张的今天，更被认为是能源可持续发展的重要组成部分。

尽管历史上发生过的一些事故使得人们对于核电发展的态度更为审慎，但业内专家认为，“核能是安全的能源”这一结论并不能改变，核电的清洁效应也不容忽视。

核电站发电原理图核能发电原理其实与火力发电相似。

核能产生的热能会通过一回路的水将二回路的水转化转化成水和蒸汽的内能，将水蒸气送入汽轮机，推动汽轮机转动，汽轮机推动发电机转动，继而转化为发电机转子的机械能，最后转化为电能。

具体来说，核燃料在反应堆设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地生产出来，并可以通过电网送到四面八方。

我国早在1956年就明确指出，用原子能发电是动力发展的新纪元，是有远大前途的。

1991年年底，由我国自主设计建设的秦山核电站投入运行，实现了我国核电零的突破。

1994年，大亚湾核电站全部并网发电。

2007年田湾核电站正式投入商业运行。

目前世界首批AP1000核电机组正在我国建设之中。

AP1000，即先进非能动压水堆，是具有代表性的第三代核电技术。

值得指出的是，在各种能源链中，包括煤、石油、太阳能、水力、生物质、风和核能链中，核能链排出温室气体是最小的。

核电的清洁效应十分明显，它不像化石燃料发电那样排放污染物质到大气中，因此不会造成空气污染，也不会产生二氧化碳。

核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，核能发电所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座装机容量为100万千瓦的核能电厂一年只需30吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送，可减少运输能耗和污染。

核工业和核能发展的历史表明，核工业是安全的工业，核能是安全清洁的能源。

但安全仍是核电发展的生命线，因为任何较大的事故都可能严重影响核能的可接受性——2011年日本福岛核电事故就重创了许多人对核能的信心。

确保核安全，积极推进放射性废物管理，是保证核能顺利发展的关键。

三、风能风是地球上的一种自然现象，通常是指空气水平方向的运动。

空气总是从压力大的地区流向压力小的地区。

在相邻的两个地区，空气压力差越大，空气流动就越快，风也就越大。

而气压的差别又往往与温度有关，受热的空气膨胀而上升，周围较低温度的空气就会流过来补充。

例如在夏天的海边，白天陆地空气升温快，海面的空气流向陆地，风从海洋吹向陆地；到了晚上，陆地空气降温快，陆地的空气流向海洋，风从陆地吹向海洋。

其实，风能也是太阳能的转化。

在太阳光的照射下，地球表面各地区因受热强度各不相同，温度差异很大。

由温差而产生大气压力差，从而引起大气的对流运动，形成风。

风的能量是很大的。

太阳辐射到地球表面的能量约有2%转化为风能，全球的风能约为2.74×兆瓦，其中可利用的约为2×兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量大10倍。

全世界每年烧煤产生的能量，只有风一年提供能量的1/3000。

仅接近陆地表面200米高度内的风能，就大大超过全世界每年从地下开采的各种矿物燃料产生能量的总和。

与石油、煤炭等传统的矿物燃料相比，风能清洁干净，不会产生污染，可以再生，永不枯竭。

而且风能开发利用越多，空气中的飘尘与降尘越少。

另外，风能的开发也比较灵活，无论海边、平原，还是山区，都可建设风电站。

1.古人怎样利用风能人类利用风能的历史十分久远，风能是继人力和畜力之后，人类最早开始利用的动力之一，人类早期利用风能的标志是风帆和风车。

我国是世界上最早利用风能的国家之一。

公元前数世纪，我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。

宋代是我国应用风车的全盛时代。

到了明代，我国的帆船更是名扬四海。

六百多年前，我国著名的航海家、外交家郑和曾率领一支当时世界上最庞大的帆船队七下西洋，访问了三十多个国家。

公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。

11世纪，风车在中东已获得广泛应用。

13世纪，风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的机械。

直到蒸汽机出现，欧洲风车数目才下降。

最著名的风车国度就是荷兰了。

现在，荷兰全国还保留着几百台旧式风车，成了著名的景观。

2.现代风力发电目前对风能的利用，主要是把风能转化为机械能，然后再转化为电能。

风力发电的关键设备是风力发电机。

它主要分为两类：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

水平轴风力发电机的风轮转轴与地面平行，就像常用的电风扇一样。

目前商用大型风力发电机组一般就是用的这种。

根据蜂拥而上叶片的多少，水平轴风力发电机又可分为单叶式、双叶式、三叶式、和多叶式等。