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核桃樹 -- 萬維讀者沙龍  
2017“核桃樹”科學主題沙龍  
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木樁:能源的昨天,今天,和明天 2017-03-26 16:00:57

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走進歷史博物館,驚嘆三千多年前的出土文物,金銀首飾,和現在高檔 shopping mall 出售的竟然沒多大差別;那些古代遺蹟,科學的排水系統,至今都有城市建築學家前來觀慕;人類的科學文明,在工業大革命之前發展很緩慢,甚至可以說沒什麼發展。自從有了瓦特蒸汽機,人類知道利用能源,科學有了突飛猛進,這也是近二百年的事。


人類生存離不開能源。傳統的發電,用的是煤,更先進一步,用的是石油,再先進一步,用的是原子能—— 即原子核分裂時爆發的能量。


用煤當然是最原始,最落後的。 煤礦工人的工作環境是最危險的,黑漆漆的煤炭污染環境,現在容易采的煤礦已經漸漸被采完,用煤來發電的工廠已逐漸走向衰落。


用石油發電是當今最普遍的,因為方便。石油從地底下抽上來,經過煉油廠加工,即可以在各行各業使用了。天熱氣也屬於同類產品,可以用來發電和取暖,能直接從管道通到家裡來。但是,這億萬年前老祖宗留下的遺產總有一天會用完的。美國和中東阿拉伯為了石油,常年打得頭破血流,用石油肯定不是長久之計。埋在中東和其他地方的石油還夠人類消耗百把年。人有惰性,不被逼到死亡的境地,他是不會去想辦法的。先用了再說,等到石油用完了,好辦法也就出來了。


除了用煤炭和石油發電,科學家還設計了原子能發電廠。原子能發電的原理是:用原子核分裂時產生的爆發力。但是原子能發電廠需要大量的水源作冷卻用,所以必須建造在水的邊上,也就是河邊,或者海邊。原子能發電廠有它優越的地方,比如,發電量大。曾經有一段時間,原子能發電被認為很有前途,發展很迅速,以至於在有些國家,比如法國,原子能發電占總發電量的比例高達百分之七十多。但是,原子能發電也有它的弊端,最主要的是它有放射性,一旦發生事故,後果非常嚴重。比如,前蘇聯和日本都發生過核電廠的大事故。就算不發生事故,核廢料的處理也是一個大難題。當然,如果能用核聚變來發電,這些缺點就都沒有了。但是,全世界的科學家研究了幾十年,還是沒有能夠實現。


人是很聰明的,科學家又開始動腦筋想別的辦法。比如說,利用風力發電就是一種辦法,也就是我們經常能看到的風車。另外,何不直接利用太陽能呢?太陽能取之不盡,用之不竭,而且還很乾淨,沒污染。


說起太陽能發電,大家一定看到過有些居民的住宅,屋頂上有大塊玻璃,這就是太陽能發電。好處當然明顯:免去了按期供油供煤氣的麻煩,不需要大鍋爐,這就節省了占地面積。也許剛開始有一筆安裝費,但在來日後的費用會逐漸彌補。


目前在民用和工業上,用太陽能發電已經很普遍了。比如中國在太陽能發電總容量和年增加量上都位於世界前列。其他靠前的國家有德國,日本和美國等等。


吸收太陽能轉變為電能的平板材料,它的名字叫“硅”。硅這玩意兒,也是我們手機裡的那個芯用的材料。手機那麼小一點點,硅也就那麼一點點,達到要求相對容易。民用和工業上的太陽能平板,那就要用到大面積的硅,代價還是挺大的,至少在初期,需要政府補貼才能發展。科學家也在想辦法,找其他的材料來做太陽能發電板,比如,用有機材料,那就取之不盡,用之不竭了。但是,目前這些材料製成的太陽能發電板轉換效率太低,只有 百分之二、三,而且也不穩定,溫度一高就化掉了,離實用還有很大的距離。


計算數學家在太陽能發電板的設計上也起一定的作用。主要是建立合適的數學模型,然後通過計算機算法來模擬,以提高發電板的轉換效率。


如果哪天可控核聚變搞成功了,代價又不大,可能大部分能源就會來自核聚變,那該多好!核聚變沒有污染,用的材料和產生的廢料都是水一類的毫無害處的東東。但是,核聚變需要在高溫高壓下才能產生,因此很難控制。1989年,兩位猶它大學的科學家聲稱實現了常溫下的核聚變,一時吸引了很多注意力,大有要拿諾貝爾獎的勢頭,最後發現是個大烏龍!




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文章評論
作者:木樁 回復 西岸 留言時間:2017-03-28 12:37:23

西岸博,敬佩你的博學和理性。你的三段留言,太精彩,太高明,本身就可以成為一篇很有意義的科普文章。放在我這裡,我也沾了你的光,你應該獨立地發表你的科普,這是你的學問智慧的展現,功勞全部屬於你!

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作者:木樁 回復 馬黑 留言時間:2017-03-28 12:25:20

謝謝馬黑兄的鼓勵,有了你的鼓勵,我越寫越起勁了。

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作者:木樁 回復 七分兒 留言時間:2017-03-28 12:22:05

七分兒好!貪戀是人類的本性,爭奪和戰爭永遠停止不了。科技會進步,爭奪形式會高明,就算不扔炸彈,甚至禁止造核彈,你有了,我必須有,心理上還是在戰爭。

設想,我們進入烏托邦社會,沒有了競爭,恐怕就更可怕了。

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作者:木樁 回復 綠島陽光 留言時間:2017-03-28 12:04:09

綠島MM,謝謝你解釋氫氣和氫彈的區別,你真不虧為這方面的專家,我現在要給你再加一個頭銜:“科普幫幫主”。

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作者:木樁 回復 溪谷閒人 留言時間:2017-03-28 12:00:14

溪谷先生,我要讓您失望了,我不知道潮汛發電的原理,猜想是漲潮退潮時的推動力吧(不會是水位差)。這罈子裡有幾位專家大拿,希望他們看到你的問題,來解答我們的困惑。

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作者:木樁 回復 雲鄉客 留言時間:2017-03-28 11:52:22

雲鄉博好!對不起,我把地區搞錯了,你原來是住在新西蘭!

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作者:西岸 留言時間:2017-03-27 22:05:11

因為聯邦政府的補貼,這種模式是很流行的,三萬買下了太陽板,分期付款,一個月一百多就是了,可能比單純用電力公司的電便宜很多。太陽板的壽命理論上是30年,但一般都隱瞞因為時間而導致的轉換效率問題。

所以另一種更好的模式,是租用太陽板,你不需要花三萬買下了,只是租用,因此也就沒有什麼分期付款的問題。你等於不花錢用電,但也不能賣電,而是太陽板擁有公司占有這部分利潤,你出的是屋頂的面積,和聯邦對你的補貼給了太陽板公司。

等到人類技術解決了電力大規模存儲問題,只需要在一個小區幾十戶範圍內弄一個大型存儲器,就能自己完全獨立電力運行,不需要外部電力公司。

屆時所謂的microgrid就實現了,而眾多的microgrid可以聯網。。。整個電力系統的模式就成為自下而上了。

這是十年內的前景。

簡單講,研究核電控制,肯定沒有發展新材料提高太陽能轉化率和發展大電池更成本低和容易。

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作者:西岸 留言時間:2017-03-27 22:04:47

這就是為什麼火電,不論是煤還是油,都無法退出市場的原因。加州目前是30%的新能源電力,很快會到60%以上。。。但仍舊需要火電和水電的維持,就是因為這兩種方式是人類可控的,不是上帝的職權範圍。

而核電就更好了,除了可能的事故問題,否則是比較乾淨的能源。

水電是真正的無污染能源,而且可以“儲存”,就是在電力用量少的時候用電水泵把水倒抽回水庫,需要的時候放水發電,實現把電變成水,再發電的過程,當然使用的是閒置的電力。

加州很多人家房頂上的太陽板,一般可以滿足自己用電,多餘的部分賣給電力公司,因為在晚上你自己無法發電,就不得不用電力公司的電,因此你在白天多餘的賣給電力公司的電就是你的電credit,因此你晚上是用你的電credit。就是儘管你用了外面的電,但從經濟角度講,用的都是自己的太陽能板的電。

當然,電力公司白天買你的電是為了供應企業的商業,從而降低自己的發電量。

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作者:西岸 留言時間:2017-03-27 22:04:18

目前唯一可行的能源是核電,除非人類能實現大規模電力儲存。

電力系統是人類使用電的不可少的組成,而這東西有個特點,不能像電話那樣隨便開關轉換,因為要保持電網的穩定,就不能有大起大落的電力輸送現象,否則整個電網就crash(變電站可能會被燒掉,保險等硬件都會被燒壞),可能需要幾天到幾周時間才能恢復,近些年來紐約有過一次(記得是芝加哥地區的問題,導致整個電網完蛋)。你關掉一條線,那條線上的電流也需要在整體發電系統裡減下來,否則就會跑到其他線上去,增加load。

就是電網必須保持base load,哪怕沒有一個用戶用電,也要有人發電來保持這東西,否則你需要電的時候什麼都沒有。

而新能源,風力,太陽等,都是與自然條件直接關聯的,無法人為控制,下雨沒太陽你也不能把上帝或者龍王爺給告了。

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作者:西岸 留言時間:2017-03-27 22:02:24

microgrid將是今後十年的方向,尤其是在低緯度地區。

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作者:馬黑 留言時間:2017-03-27 20:04:42

簡明能源科技史,介紹得真好,非常好的科普。

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作者:七分兒 留言時間:2017-03-27 15:21:23

好文學習,希望人類能早日解決能源問題,最起碼人類不會再挖空心思去掠奪別人的資源,戰爭的最終目的就是掠奪資源

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作者:綠島陽光 回復 木樁 留言時間:2017-03-27 14:43:11

呵呵,木樁MM弄混了,氫氣能量不是氫彈,氫彈是用氫的同位素(氘、氚)的核融合反應釋放能量。而氫氣在內燃料電池裡是在催化劑的作用下將氫氣轉化為電能,副產物就是水。兩者完全機理不同呵呵呵

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作者:溪谷閒人 回復 木樁 留言時間:2017-03-27 14:20:51

博主能否科普一下潮汐發電的原理,特別不理解潮汐是如何發電的。

據說是利用漲潮、落潮的水位差,可落差最大也就十幾米,時間也有限,怎麼發電?

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作者:雲鄉客 回復 木樁 留言時間:2017-03-27 14:06:55

木樁博好!

我說的是新西蘭的 Auckland,,這是新西蘭人口最多的一個城市,常住人口卻只有 150 萬,所以市場不大。

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作者:木樁 回復 綠島陽光 留言時間:2017-03-27 13:53:29

氫彈就是太陽能太陽能不停地爆炸,是不是?問題是,氫彈一下就爆炸了,威力是大,但是一炸就沒了。如何把能量控制住,存儲起來,想放出來時,放一點,不想放時,藏着掖着,人類目前無法做到這點。

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作者:綠島陽光 回復 木樁 留言時間:2017-03-27 13:34:03

太陽能也可以儲存的,用太陽能電板可以將水電解成氫氣儲存起來。內燃料電池(Fule cells) 可以將氫氣轉換為電能。可以想象將來能將氫氣用管道或罐裝輸送到各地。

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作者:木樁 回復 木樁 留言時間:2017-03-27 13:03:04

酷酷先生,我想為什麼生物化學界的科學家如此爭先恐後了。在數學界也會有爭 credit 的事件,但遠遠沒有生化界激烈。數學界發表文章,哪怕是同樣的結果,但證明的過程和方法不一樣,是抄襲人家的還是自己的是很清楚的。所以同樣結果的文章雜誌也可能發表,不同的證明方法甚至是更有意義。

但是在生化界,也許幾千個實驗室在做同一個實驗,第一個做出來的人占頭功,後人做出的結果,只能作廢了!

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作者:木樁 回復 綠島陽光 留言時間:2017-03-27 12:48:21

綠島MM,那些風能,潮汛,太陽能發電都很好,現在最大的問題是,如何把發出來的電存儲起來。火力發電可以做到該發電就發電,但風和太陽能就無法辦到了。

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作者:木樁 回復 coolboy 留言時間:2017-03-27 12:15:44

酷酷先生,你稱我老師,我是實在不敢當的,希望先生下次把老師兩字在稱呼里去掉,事實上,你是我的老師才是合理的。

先生說起的科學界的幾件烏龍事件,讓我想起很多年前,在麻省理工學院的一次同學聚會,當時來聚會的有很大一部分是生物化學的科學家。有意思的是,他們都告訴我,實驗一出來,不管結果如何,都爭先恐後地發表文章,一分鐘,一秒鐘都不能等。我問他們為什麼,他們說,晚一秒鐘,功勞就是別人的了!我真不能理解這是一種什麼心態,不知先生對此有何看法?

芹泥MM已向先生發出邀請,希望先生能高台貴手,不要嫌棄我們這些“小兒科”。我腦子裡又有了幾篇文章,想放到核桃樹上,請先生來評定!

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作者:綠島陽光 回復 木樁 留言時間:2017-03-27 12:02:52

哈哈,木樁美眉來了俺們小鷹帝國呀?等着看您的精彩遊記!英國現在據說有30%左右的環保電,風能和潮汐用於發電。

我以前有同事研究用藻類生物發酵氫氣,科學上可行,但是工藝複雜成本太高。未來的新能源一定要簡便,環保,廉價和持續穩定。所以俺覺得未來只有地熱和太陽有可能滿足這些要求。

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作者:芹泥 回復 coolboy 留言時間:2017-03-27 11:36:12

cool先生好,

我們非常誠摯地邀請你參加核桃樹沙龍,請看悄悄話。

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作者:木樁 回復 綠島陽光 留言時間:2017-03-27 11:13:59

哈哈,綠島MM,24 小時前我在你家門口吶,我在倫敦去德國波恩的候機室里完成了這篇文章,應該到你家去和你商量商量能源問題,聽聽你的高見。

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作者:木樁 回復 雲鄉客 留言時間:2017-03-27 11:08:13

雲鄉客好!奧克蘭是不是在加州?加州的陽光一直是非常充足的,也是設置大型太陽能發電廠的最佳地方。民用的首筆安裝費的確很高,州政府能不能補貼一部分呢?

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作者:木樁 回復 芹泥 留言時間:2017-03-27 10:59:46

謝謝芹姑娘提醒,我已把你所講的風力發電一說放進我的博文了,妹妹會不會收我版權費?

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作者:木樁 回復 水晶 留言時間:2017-03-27 10:56:01

水晶姐你好!很高興你能喜歡這篇文章,看來姐姐也是理工女?

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作者:木樁 回復 核桃樹 留言時間:2017-03-27 10:53:04

小艇先生,謝謝你的鼓勵,儘量按照你的要求去做,不讓你失望。

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作者:木樁 回復 海天 留言時間:2017-03-27 10:49:57

海天MM,沙龍里八仙過海,各顯神通,我僅僅是拋磚引玉。

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作者:木樁 回復 安雅雲 留言時間:2017-03-27 10:37:39

雅雲MM,你兒子家用的地熱原理是這樣的:從地面往地下打50米深,地底下埋幾圈管子,把水灌下去,地底下的水是恆溫的,約 20 來度,抽上來後,起到冬暖夏涼的作用。是個好辦法,但有兩件事要考慮:第一,首筆費用很大,第二,需要很大的地皮空間鋪設管道。

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作者:coolboy 留言時間:2017-03-27 10:04:18

木樁老師好文,趕緊過來敬仰一下!

最後一段說到了1989年的冷聚變,我當時也有所聞及關心事態的發展。後來讀了“Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century”一書(作者是事件調查委員會的主席)又知道更多有意思的內容。我後來也發表過自己的看法:

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

科學史上另一起冷聚變事件則更有趣。研究雙方(都在美國,兩所大學相隔不遠)在討論中都說自己的實驗得出了重要的、有意義的結果。大家講好回去各寫論文,約好同一天在郵局會面共同快件寄稿到同一高質量雜誌(當年沒網上投稿)。結果A方(化學家)在約會那天召開新聞發布會,宣布重大發現,B方(物理學家)在郵局傻等。之後A方草草地在一低質量雜誌上發了一篇論文描述所得實驗結果。這件事的發展過程中比較惡劣和有趣的是A方其實並沒有做出希望的實驗結果,B方倒是確實是做出了有意義的實驗結果,但B方那結果同A方所理解和希望的並不是一回事。這就象武俠小說中的想盜“九陰真經”但結果盜得了一部假經,練得走火入魔的情節差不多。

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

此外,也在科學網上看到議論說當年吳健雄沒有得諾獎的原因也同她破壞/違背與“他人”的私下協定,提前通過召開新聞發布會的形式公布實驗結果有關。而那個“他人”當時當然也沒獲諾獎。但他在隨後的幾年中又做出了另一新的重大實驗成果,六十年代以他的新成果獲得了諾獎(晚了許多年)。

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