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核桃树 -- 万维读者沙龙  
2017“核桃树”科学主题沙龙  
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木桩:能源的昨天,今天,和明天 2017-03-26 16:00:57

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走进历史博物馆,惊叹三千多年前的出土文物,金银首饰,和现在高档 shopping mall 出售的竟然没多大差别;那些古代遗迹,科学的排水系统,至今都有城市建筑学家前来观慕;人类的科学文明,在工业大革命之前发展很缓慢,甚至可以说没什么发展。自从有了瓦特蒸汽机,人类知道利用能源,科学有了突飞猛进,这也是近二百年的事。


人类生存离不开能源。传统的发电,用的是煤,更先进一步,用的是石油,再先进一步,用的是原子能—— 即原子核分裂时爆发的能量。


用煤当然是最原始,最落后的。 煤矿工人的工作环境是最危险的,黑漆漆的煤炭污染环境,现在容易采的煤矿已经渐渐被采完,用煤来发电的工厂已逐渐走向衰落。


用石油发电是当今最普遍的,因为方便。石油从地底下抽上来,经过炼油厂加工,即可以在各行各业使用了。天热气也属于同类产品,可以用来发电和取暖,能直接从管道通到家里来。但是,这亿万年前老祖宗留下的遗产总有一天会用完的。美国和中东阿拉伯为了石油,常年打得头破血流,用石油肯定不是长久之计。埋在中东和其他地方的石油还够人类消耗百把年。人有惰性,不被逼到死亡的境地,他是不会去想办法的。先用了再说,等到石油用完了,好办法也就出来了。


除了用煤炭和石油发电,科学家还设计了原子能发电厂。原子能发电的原理是:用原子核分裂时产生的爆发力。但是原子能发电厂需要大量的水源作冷却用,所以必须建造在水的边上,也就是河边,或者海边。原子能发电厂有它优越的地方,比如,发电量大。曾经有一段时间,原子能发电被认为很有前途,发展很迅速,以至于在有些国家,比如法国,原子能发电占总发电量的比例高达百分之七十多。但是,原子能发电也有它的弊端,最主要的是它有放射性,一旦发生事故,后果非常严重。比如,前苏联和日本都发生过核电厂的大事故。就算不发生事故,核废料的处理也是一个大难题。当然,如果能用核聚变来发电,这些缺点就都没有了。但是,全世界的科学家研究了几十年,还是没有能够实现。


人是很聪明的,科学家又开始动脑筋想别的办法。比如说,利用风力发电就是一种办法,也就是我们经常能看到的风车。另外,何不直接利用太阳能呢?太阳能取之不尽,用之不竭,而且还很干净,没污染。


说起太阳能发电,大家一定看到过有些居民的住宅,屋顶上有大块玻璃,这就是太阳能发电。好处当然明显:免去了按期供油供煤气的麻烦,不需要大锅炉,这就节省了占地面积。也许刚开始有一笔安装费,但在来日后的费用会逐渐弥补。


目前在民用和工业上,用太阳能发电已经很普遍了。比如中国在太阳能发电总容量和年增加量上都位于世界前列。其他靠前的国家有德国,日本和美国等等。


吸收太阳能转变为电能的平板材料,它的名字叫“硅”。硅这玩意儿,也是我们手机里的那个芯用的材料。手机那么小一点点,硅也就那么一点点,达到要求相对容易。民用和工业上的太阳能平板,那就要用到大面积的硅,代价还是挺大的,至少在初期,需要政府补贴才能发展。科学家也在想办法,找其他的材料来做太阳能发电板,比如,用有机材料,那就取之不尽,用之不竭了。但是,目前这些材料制成的太阳能发电板转换效率太低,只有 百分之二、三,而且也不稳定,温度一高就化掉了,离实用还有很大的距离。


计算数学家在太阳能发电板的设计上也起一定的作用。主要是建立合适的数学模型,然后通过计算机算法来模拟,以提高发电板的转换效率。


如果哪天可控核聚变搞成功了,代价又不大,可能大部分能源就会来自核聚变,那该多好!核聚变没有污染,用的材料和产生的废料都是水一类的毫无害处的东东。但是,核聚变需要在高温高压下才能产生,因此很难控制。1989年,两位犹它大学的科学家声称实现了常温下的核聚变,一时吸引了很多注意力,大有要拿诺贝尔奖的势头,最后发现是个大乌龙!




浏览(2204) (6) 评论(39)
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文章评论
作者:木桩 回复 西岸 留言时间:2017-03-28 12:37:23

西岸博,敬佩你的博学和理性。你的三段留言,太精彩,太高明,本身就可以成为一篇很有意义的科普文章。放在我这里,我也沾了你的光,你应该独立地发表你的科普,这是你的学问智慧的展现,功劳全部属于你!

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作者:木桩 回复 马黑 留言时间:2017-03-28 12:25:20

谢谢马黑兄的鼓励,有了你的鼓励,我越写越起劲了。

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作者:木桩 回复 七分儿 留言时间:2017-03-28 12:22:05

七分儿好!贪恋是人类的本性,争夺和战争永远停止不了。科技会进步,争夺形式会高明,就算不扔炸弹,甚至禁止造核弹,你有了,我必须有,心理上还是在战争。

设想,我们进入乌托邦社会,没有了竞争,恐怕就更可怕了。

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作者:木桩 回复 绿岛阳光 留言时间:2017-03-28 12:04:09

绿岛MM,谢谢你解释氢气和氢弹的区别,你真不亏为这方面的专家,我现在要给你再加一个头衔:“科普帮帮主”。

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作者:木桩 回复 溪谷闲人 留言时间:2017-03-28 12:00:14

溪谷先生,我要让您失望了,我不知道潮汛发电的原理,猜想是涨潮退潮时的推动力吧(不会是水位差)。这坛子里有几位专家大拿,希望他们看到你的问题,来解答我们的困惑。

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作者:木桩 回复 云乡客 留言时间:2017-03-28 11:52:22

云乡博好!对不起,我把地区搞错了,你原来是住在新西兰!

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作者:西岸 留言时间:2017-03-27 22:05:11

因为联邦政府的补贴,这种模式是很流行的,三万买下了太阳板,分期付款,一个月一百多就是了,可能比单纯用电力公司的电便宜很多。太阳板的寿命理论上是30年,但一般都隐瞒因为时间而导致的转换效率问题。

所以另一种更好的模式,是租用太阳板,你不需要花三万买下了,只是租用,因此也就没有什么分期付款的问题。你等于不花钱用电,但也不能卖电,而是太阳板拥有公司占有这部分利润,你出的是屋顶的面积,和联邦对你的补贴给了太阳板公司。

等到人类技术解决了电力大规模存储问题,只需要在一个小区几十户范围内弄一个大型存储器,就能自己完全独立电力运行,不需要外部电力公司。

届时所谓的microgrid就实现了,而众多的microgrid可以联网。。。整个电力系统的模式就成为自下而上了。

这是十年内的前景。

简单讲,研究核电控制,肯定没有发展新材料提高太阳能转化率和发展大电池更成本低和容易。

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作者:西岸 留言时间:2017-03-27 22:04:47

这就是为什么火电,不论是煤还是油,都无法退出市场的原因。加州目前是30%的新能源电力,很快会到60%以上。。。但仍旧需要火电和水电的维持,就是因为这两种方式是人类可控的,不是上帝的职权范围。

而核电就更好了,除了可能的事故问题,否则是比较干净的能源。

水电是真正的无污染能源,而且可以“储存”,就是在电力用量少的时候用电水泵把水倒抽回水库,需要的时候放水发电,实现把电变成水,再发电的过程,当然使用的是闲置的电力。

加州很多人家房顶上的太阳板,一般可以满足自己用电,多余的部分卖给电力公司,因为在晚上你自己无法发电,就不得不用电力公司的电,因此你在白天多余的卖给电力公司的电就是你的电credit,因此你晚上是用你的电credit。就是尽管你用了外面的电,但从经济角度讲,用的都是自己的太阳能板的电。

当然,电力公司白天买你的电是为了供应企业的商业,从而降低自己的发电量。

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作者:西岸 留言时间:2017-03-27 22:04:18

目前唯一可行的能源是核电,除非人类能实现大规模电力储存。

电力系统是人类使用电的不可少的组成,而这东西有个特点,不能像电话那样随便开关转换,因为要保持电网的稳定,就不能有大起大落的电力输送现象,否则整个电网就crash(变电站可能会被烧掉,保险等硬件都会被烧坏),可能需要几天到几周时间才能恢复,近些年来纽约有过一次(记得是芝加哥地区的问题,导致整个电网完蛋)。你关掉一条线,那条线上的电流也需要在整体发电系统里减下来,否则就会跑到其他线上去,增加load。

就是电网必须保持base load,哪怕没有一个用户用电,也要有人发电来保持这东西,否则你需要电的时候什么都没有。

而新能源,风力,太阳等,都是与自然条件直接关联的,无法人为控制,下雨没太阳你也不能把上帝或者龙王爷给告了。

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作者:西岸 留言时间:2017-03-27 22:02:24

microgrid将是今后十年的方向,尤其是在低纬度地区。

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作者:马黑 留言时间:2017-03-27 20:04:42

简明能源科技史,介绍得真好,非常好的科普。

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作者:七分儿 留言时间:2017-03-27 15:21:23

好文学习,希望人类能早日解决能源问题,最起码人类不会再挖空心思去掠夺别人的资源,战争的最终目的就是掠夺资源

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作者:绿岛阳光 回复 木桩 留言时间:2017-03-27 14:43:11

呵呵,木桩MM弄混了,氢气能量不是氢弹,氢弹是用氢的同位素(氘、氚)的核融合反应释放能量。而氢气在内燃料电池里是在催化剂的作用下将氢气转化为电能,副产物就是水。两者完全机理不同呵呵呵

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作者:溪谷闲人 回复 木桩 留言时间:2017-03-27 14:20:51

博主能否科普一下潮汐发电的原理,特别不理解潮汐是如何发电的。

据说是利用涨潮、落潮的水位差,可落差最大也就十几米,时间也有限,怎么发电?

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作者:云乡客 回复 木桩 留言时间:2017-03-27 14:06:55

木桩博好!

我说的是新西兰的 Auckland,,这是新西兰人口最多的一个城市,常住人口却只有 150 万,所以市场不大。

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作者:木桩 回复 绿岛阳光 留言时间:2017-03-27 13:53:29

氢弹就是太阳能太阳能不停地爆炸,是不是?问题是,氢弹一下就爆炸了,威力是大,但是一炸就没了。如何把能量控制住,存储起来,想放出来时,放一点,不想放时,藏着掖着,人类目前无法做到这点。

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作者:绿岛阳光 回复 木桩 留言时间:2017-03-27 13:34:03

太阳能也可以储存的,用太阳能电板可以将水电解成氢气储存起来。内燃料电池(Fule cells) 可以将氢气转换为电能。可以想象将来能将氢气用管道或罐装输送到各地。

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作者:木桩 回复 木桩 留言时间:2017-03-27 13:03:04

酷酷先生,我想为什么生物化学界的科学家如此争先恐后了。在数学界也会有争 credit 的事件,但远远没有生化界激烈。数学界发表文章,哪怕是同样的结果,但证明的过程和方法不一样,是抄袭人家的还是自己的是很清楚的。所以同样结果的文章杂志也可能发表,不同的证明方法甚至是更有意义。

但是在生化界,也许几千个实验室在做同一个实验,第一个做出来的人占头功,后人做出的结果,只能作废了!

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作者:木桩 回复 绿岛阳光 留言时间:2017-03-27 12:48:21

绿岛MM,那些风能,潮汛,太阳能发电都很好,现在最大的问题是,如何把发出来的电存储起来。火力发电可以做到该发电就发电,但风和太阳能就无法办到了。

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作者:木桩 回复 coolboy 留言时间:2017-03-27 12:15:44

酷酷先生,你称我老师,我是实在不敢当的,希望先生下次把老师两字在称呼里去掉,事实上,你是我的老师才是合理的。

先生说起的科学界的几件乌龙事件,让我想起很多年前,在麻省理工学院的一次同学聚会,当时来聚会的有很大一部分是生物化学的科学家。有意思的是,他们都告诉我,实验一出来,不管结果如何,都争先恐后地发表文章,一分钟,一秒钟都不能等。我问他们为什么,他们说,晚一秒钟,功劳就是别人的了!我真不能理解这是一种什么心态,不知先生对此有何看法?

芹泥MM已向先生发出邀请,希望先生能高台贵手,不要嫌弃我们这些“小儿科”。我脑子里又有了几篇文章,想放到核桃树上,请先生来评定!

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作者:绿岛阳光 回复 木桩 留言时间:2017-03-27 12:02:52

哈哈,木桩美眉来了俺们小鹰帝国呀?等着看您的精彩游记!英国现在据说有30%左右的环保电,风能和潮汐用于发电。

我以前有同事研究用藻类生物发酵氢气,科学上可行,但是工艺复杂成本太高。未来的新能源一定要简便,环保,廉价和持续稳定。所以俺觉得未来只有地热和太阳有可能满足这些要求。

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作者:芹泥 回复 coolboy 留言时间:2017-03-27 11:36:12

cool先生好,

我们非常诚挚地邀请你参加核桃树沙龙,请看悄悄话。

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作者:木桩 回复 绿岛阳光 留言时间:2017-03-27 11:13:59

哈哈,绿岛MM,24 小时前我在你家门口呐,我在伦敦去德国波恩的候机室里完成了这篇文章,应该到你家去和你商量商量能源问题,听听你的高见。

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作者:木桩 回复 云乡客 留言时间:2017-03-27 11:08:13

云乡客好!奥克兰是不是在加州?加州的阳光一直是非常充足的,也是设置大型太阳能发电厂的最佳地方。民用的首笔安装费的确很高,州政府能不能补贴一部分呢?

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作者:木桩 回复 芹泥 留言时间:2017-03-27 10:59:46

谢谢芹姑娘提醒,我已把你所讲的风力发电一说放进我的博文了,妹妹会不会收我版权费?

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作者:木桩 回复 水晶 留言时间:2017-03-27 10:56:01

水晶姐你好!很高兴你能喜欢这篇文章,看来姐姐也是理工女?

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作者:木桩 回复 核桃树 留言时间:2017-03-27 10:53:04

小艇先生,谢谢你的鼓励,尽量按照你的要求去做,不让你失望。

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作者:木桩 回复 海天 留言时间:2017-03-27 10:49:57

海天MM,沙龙里八仙过海,各显神通,我仅仅是抛砖引玉。

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作者:木桩 回复 安雅云 留言时间:2017-03-27 10:37:39

雅云MM,你儿子家用的地热原理是这样的:从地面往地下打50米深,地底下埋几圈管子,把水灌下去,地底下的水是恒温的,约 20 来度,抽上来后,起到冬暖夏凉的作用。是个好办法,但有两件事要考虑:第一,首笔费用很大,第二,需要很大的地皮空间铺设管道。

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作者:coolboy 留言时间:2017-03-27 10:04:18

木桩老师好文,赶紧过来敬仰一下!

最后一段说到了1989年的冷聚变,我当时也有所闻及关心事态的发展。后来读了“Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century”一书(作者是事件调查委员会的主席)又知道更多有意思的内容。我后来也发表过自己的看法:

++++++++++++++++++++

科学史上另一起冷聚变事件则更有趣。研究双方(都在美国,两所大学相隔不远)在讨论中都说自己的实验得出了重要的、有意义的结果。大家讲好回去各写论文,约好同一天在邮局会面共同快件寄稿到同一高质量杂志(当年没网上投稿)。结果A方(化学家)在约会那天召开新闻发布会,宣布重大发现,B方(物理学家)在邮局傻等。之后A方草草地在一低质量杂志上发了一篇论文描述所得实验结果。这件事的发展过程中比较恶劣和有趣的是A方其实并没有做出希望的实验结果,B方倒是确实是做出了有意义的实验结果,但B方那结果同A方所理解和希望的并不是一回事。这就象武侠小说中的想盗“九阴真经”但结果盗得了一部假经,练得走火入魔的情节差不多。

++++++++++++++++++++

此外,也在科学网上看到议论说当年吴健雄没有得诺奖的原因也同她破坏/违背与“他人”的私下协定,提前通过召开新闻发布会的形式公布实验结果有关。而那个“他人”当时当然也没获诺奖。但他在随后的几年中又做出了另一新的重大实验成果,六十年代以他的新成果获得了诺奖(晚了许多年)。

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