从航天飞机到远洋巨轮，从高速列车到钻井平台，从摩天大厦到城市地铁，能源让发动机轰鸣，让机器运转，让黑夜和白天一样明亮。认识和使用能源，让人类走出石器时代，创造出灿烂的现代文明。但是，能源并非不竭的魔法石，如果失去能源，人类文明何以为继？面对日渐枯竭的石油和煤炭资源，清洁、强大、可再生的新能源，成为科学家的研究焦点。

从航天飞机到远洋巨轮，从高速列车到钻井平台，从摩天大厦到城市地铁，是一种什么样的力量，让发动机轰鸣，让机器运转，让黑夜和白天一样明亮？又是什么力量，让人类能超越自身极限，获得神话一样的速度和动力？如果视角再广阔一些，站在幽暗的宇宙空间俯视地球，我们忍不住要问，究竟是谁，在驱动这颗蔚蓝色的行星，让它能够创造出这样耀眼的文明成就？

没错，一切奇迹都来自能源和使用能源。随着传统能源逐渐耗尽，科学家们努力寻找，希望能找到清洁、安全、可以循环再生的新能源，让人类文明的引擎能继续轰鸣。

前言

一、万物之源——太阳能

 太阳和太阳辐射

 太阳能制热和发电

 太阳能电池

 太阳池和海水淡化

二、澎湃的粒子——核能

 原子和核能

 核武器诞生

 核电站

 安全：核电的生命线

 核电池

 未来核技术：核聚变

三、最清洁的能源——风能

 风和风能

 风力发电机：化风为能

 风电：最洁净的能源

四、来自生命的能源——生物质能

 活能源

 农村新能源：沼气

 地里流出黑色金子：能源作物

五、地心能量：地热能

六、最理想的能源——氢能

七、电池大变身：燃料电池

八、蔚蓝的力量——海洋能

九、神话能源——反物质

后记

太阳和太阳辐射

太阳，人类星空图里最重要的天体。正是因为太阳光芒普照，才有万物生长、日夜交替和四季轮回，太阳给地球带来多姿多彩的生命现象，带来冷暖寒暑变化，还给地球生命提供各式各样的能源。从远古时候开始，人们就崇拜太阳、膜拜太阳，把太阳当作一切奇迹和神力的来源，太阳符号出现在金字塔和巴比伦空中花园，它是光明、生命的象征。

在幽暗的银河系里，太阳却只是一颗普通的恒星，在广袤浩瀚的繁星中，太阳的亮度、大小和物质密度都只属于中等水平。只是由于它距离地球最近，看起来才会那么耀眼。其他的恒星离我们都非常遥远，即使是最近的一颗，也比太阳要远上27万倍，在明朗的夜空里，只是一个闪烁的光点。

太阳看起来很平静，但却无时无刻不在发生剧烈的变化和反应。组成太阳的物质大多数是普通气体，其中氢大约占71％，氦大约占27％，其他元素加起来大约占2％。太阳从中心向外可以分成核心区、辐射区、对流区和太阳大气。核心区虽然很小，半径只是整个太阳的1/4，但却是太阳能量和地球生命的真正源头。太阳核心的温度极高，达到难以想象的1500万℃，压力也非常巨大，使得由氢聚变为氦的热核反应不断发生，从而释放出浩瀚的能量。能量通过辐射区、对流区，到达太阳光球顶部，并且通过光球向外辐射出去。

太阳光球就是我们平时看到的太阳的圆圆的脸。光球表面是密度只有水的几亿分之一的气体，但厚度却有500千米，所以光球并不是透明的。太阳大气在光球层存在着剧烈的活动，用望远镜观察的话，你能看到太阳表面有许多密密麻麻的斑点，很像一颗颗米粒，这是光球下气体剧烈对流动荡造成的现象，每一个斑点只持续不到lO分钟，温度也要比周围高出300℃到400℃。另外，太阳光球表面还有一些暗暗的椭圆形斑点，这就是太阳黑子，光球层上的巨大气流漩涡，虽然在明亮的光球背景下看起来暗淡无光，但它们的平均温度都达到4000℃，如果把一个大的黑子单独拿出来，光亮就能和一轮满月不相上下。

紧贴着光球以上的一层大气叫色球层，只有在日全食的时候我们才能完整地看到它。当月亮遮挡住光球明亮光辉的一瞬间，人们就能发现日轮边缘上有一层玫瑰红色的绚丽光彩，那就是色球。色球层厚约8000千米，色球层里的物质密度和压力要比光球小得多。按照常识，当能量经过层层传递到达色球层以后，热度应该已经大大降低。奇怪的是，太阳的情况和常识完全相反，光球层顶部的温度大约是4300％，色球层顶部的温度却有好几万摄氏度，再往上，到了日冕区，温度陡然上升到上百万摄氏度。科学家对这种反常的现象感到迷惑不解，到现在也没有找到确切的原因。

简单地说，太阳内部的热核反应释放出巨大能量，能量穿过辐射区、对流区，来到了太阳光球层、色球层和日冕层组成的太阳大气，并且最终以电磁波和粒子流的形式向宇宙空间辐射。地球所接收到的太阳辐射能量，还不到太阳向宇宙空间总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球大气运动最主要的能量源泉。科学家们设想，如果在地球大气层外面放一个测量太阳总辐射能量的仪器，那么，在一平方米面积上，每分钟接收的太阳总辐射能量大约是1368焦，这个数值被叫做太阳常数。如果把太阳常数乘以用太阳到地球平均距离作半径的球面面积，就得到了理论上太阳每分钟辐射到地球的总能量——大约是2.273×10的28次方焦。这也就是说，太阳每年给地球输送的能量相当于1OO亿亿度的电，取之不尽，用之不竭，是最理想的能源。

太阳能制热和发电  在了解了太阳的强大能量以后，请先不要激动。千万记住一点：实验室里的理论数值，和现实生活中的实际情况，往往会有天上地下的落差。在前面一节中，我们根据太阳常数计算出了理论上到达地球上的能量总数，却忽略了这样一个问题：地球本身也套着一件厚厚的棉袄，这就是地球的大气层。

地球大气层由对流层、平流层、中间层和外大气层组成。经历了漫长旅途的太阳能量在到达地面以前，已经被充斥在大气里的空气分子、水蒸气和尘埃细细梳理过一遍，有的被吸收，有的被反射回去，有的被漫无方向地散射到四面八方。所以，照射到地面上的太阳辐射实际由两部分组成：穿越了重重艰险，到达地面的直射部队，和遭到反射、散射，仍然幸运来到地面的漫射部队。这两部分全部加起来，还不到到达大气层外围的太阳辐射总量的一半。也就是说，还没来到地面，一大半的太阳辐射已经损失掉了。

那么，我们能不能把好不容易到达地面的太阳辐射，一点不漏地收集起来呢？遗憾的是，这也是不太可能的。由于受到日夜交替、季节变迁、海拔高度和天气情况的限制，到达地面某一个特定地方，比如你们家门口的太阳辐射，是断断续续、非常不稳定的。具体来说，海拔越高，距离赤道越近，天气越晴好，时间越靠近夏天或者中午，太阳辐射就越充沛。而如果天阴下雨，或者在靠近南北极的地方，太阳辐射就很微弱，到了晚上太阳下山，太阳辐射就一点都没有了。

现在，人类对于太阳能的大规模运用还处于初级阶段，大部分运用是把太阳能转换为热能。光热转换装置中最普及的，就是居民楼上常见的太阳能热水器了。有的太阳能热水器有着镜子一样光滑的外观，有的则好像密密麻麻的铁栅栏，这是由于采用了不同的集热方式造成的。镜子一样的太阳能热水器采用玻璃集热器，它能最大限度地把太阳光转化成热能，通过加热集热器附近的热水，使水箱内的水产生温度差异，冷水下沉，热水上浮，水箱里的水自然流动，最终让整个水箱均匀受热。铁栅栏一样的太阳能热水器采用真空管集热，原理和采用玻璃集热器的太阳能热水器差不多，但集热效率更高一些。在日照充足的宁夏、甘肃、河北、山西等地区，太阳能热水器可是家庭的好帮手，一天劳累工作，晚上能舒舒服服地洗一个热水澡，既干净，又解乏。更关键的是。它不用电，不烧煤，把宝贵的能源节约下来给工业行业使用。一个优质的太阳能热水器能够正常使用20年以上，只要一下雨就等于清洗过一次，可方便啦。

太阳能可以转换成热能，就没有理由不能转换成电能。如果太阳能能够方便、快捷地转换成电能的话，生活该有多方便啊！由于发电站有特殊的地理位置要求，我们现在使用的电，有的来自三峡大坝，有的来自秦山核电站，经过长途跋涉，穿越上千千米，才来到我们家中把电灯点亮。这样的传输方式，不但中途损耗巨大，而且风险很高。为了要让电能长途传送，必须把它加压到上万伏，甚至几万伏，这样一来，不但高压线非常危险，碰到就可能触电身亡；就是高压电流产生的强大辐射，也会导致多种疾病，严重影响人体健康。只要有阳光，太阳能发电设备可以在任何地方使用，就近产电，就近使用，甚至每个家庭都可以安装一个太阳能发电机，自己发电自己用。

这可不是一个空想。2001年12月，三洋电机公司在日本中部的歧阜县里建立了一座高37.1米，全长315米，重3000吨的船型太阳能发电装置，并把它命名为“阳光方舟”，希望它像传说中的诺亚方舟一样，带领人类走向获取新能源的道路，这是当时世界上最大的太阳能发电装置。“阳光方舟”由5046块电池板组成，发电功率为630千瓦，每年能发电54万千瓦，相当于一座小型水电站。更重要的是，它减少了煤的使用量，减少了温室气体的排放。  为了配合“阳光方舟”，日本政府在关东建立了一个新型示范住宅区，所有的住宅屋顶上都装着太阳能电池板，电池板直接连接输电线路。夜里和阴天，太阳能发电不够用的时候，电力公司就给居民供电，而在阳光强烈，太阳能产生的电力用不完的时候，又可以通过输电线路，把多余的电力传输到附近的电力公司储存起来。这套设备方便又好用，初次来到这个住宅区的人，往往会以为自己身在科学实验室里呢。不过，太阳能发电也有缺点，这就是价格太贵。就算使用了政府补贴，每度太阳能电，还是比水力发电厂输出的电贵一倍以上。现在，世界各地的科学家都在积极研究，希望找到降低成本的方法，好让太阳能电力走进千家万户。

为了解决太阳能到达地面损失过多的问题，科学家们正在探讨建立宇宙太阳能空间电站的宏伟设想。有科学家提出，可以研制一种太阳能动力卫星，把它发射到距离地面3.5万千米的高空，正好位于地球同步轨道上，围绕地球运转。卫星在轨道运行，打开庞大的太阳能电池板，把太阳能直接转换成电能，然后再把电能用微波束发回地面。地面接收站通过巨型天线接收微波，并把它转换成电能。

就目前的科技水平来说，要建立大型太阳能空间电站还有一定难度，比如一个发电能力为一千万千瓦的空间电力站，要使用的太阳能电池板面积达到64平方千米，而把微波发射到地面的列阵天线，占用面积也将超过2平方千米。此外，巨大的卫星需要分解成许多零件运送到太空进行组装，卫星安装后，还要经常检修维护，这都对现有技术提出了挑战。其中，最大的问题是，太阳能储存技术也不过关。这并不是说科学家找不到办法来储存太阳能，而是储存太阳能的效率不够高，费用非常昂贵。从工业生产的角度看，如果成本太高，推广价值就大打折扣了——谁会花好几倍的钱，购买一模一样的东西呢？

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从航天飞机到远洋巨轮，从高速列车到钻井平台，从摩天大厦到城市地铁，是一种什么样的力量，让发动机轰鸣，让机器运转，让黑夜和白天一样明亮？又是什么力量，让人类能超越自身极限，获得神话一样的速度和动力？如果视角再广阔一些，站在幽暗的宇宙空间俯视地球，我们忍不住要问，究竟是谁，在驱动这颗蔚蓝色的行星，让它能够创造出这样耀眼的文明成就？

没错，一切奇迹都来自能源和使用能源。钻木取火，带来了温暖和美味的食物；饲养家畜，带来了定居和农耕生活；杠杆、滑轮和刀斧，带来了金字塔和古代世界七大奇迹；蒸汽动力带来了现代文明，最终把全世界紧紧联系在一起。

神奇的能，强大的能。可是，什么是能？在物理学上，能有很多种形式。燃烧产生热能，电力带来电能，位置带来位能。科学家通过研究发现，不同形式的能是可以互相转化的。比如，水从高处流到低处，速度会逐渐加快，这就是位能转化成了动能；用燃料来加热水，让水变成高温高压的水蒸气推动发电机发电，这就是化学能转换成热能，热能再转化成电能。更神奇的是，各种形式的能无论怎样转换，它们的总量始终保持不变，这就是能量守恒定律。我们还是用水来举例，在高处的时候，静止的水只有位能，没有动能，流向低处的时候，因为高度降低，在重力场中失去了部分位能，转换成了相当的动能，从而产生了流动的速度。如果我们知道水失去的位能有多少，就能根据能量守恒定律，计算出水的流速有多快(不考虑摩擦力)。

能量可以转换，当然也可以度量。还记得物理教科书上是怎么给“功”下定义的吗？功是能的量度，一个物体因为受力而产生了位置移动，位移乘以和位移同方向的分力就是功。对一个物体做功，就是把能传给这个物体。马克思说，人和动物的区别，就是人能制造和使用工具。如果从物理学的观点看，我们可以这样说：人和动物的区别，在于人能够用工具来做功。无论杠杆、滑轮还是刀斧，都是用来做功的工具。最早，动力来源是人或者牛、马等家畜，工业革命以后，蒸汽机、内燃机成为动力来源。热使水汽化，产生压力来推动蒸汽机，汽油燃烧，气体急剧膨胀产生高压来推动内燃机，都是在做功，把热能转化成机械能。

那么，是不是每一滴汽油燃烧所产生的热量。都会变成推动汽车前进的强大动力呢？在现实世界里，答案是否定的。汽油在内燃机里熊熊燃烧，把汽油和空气变成高温高压的气体推动活塞，带动转轴高速旋转做功，汽车因此向前高速奔驰。不过，如果这个时候你把手放到汽车排气管的地方，你会马上被烫得跳起来。把你的手烫得红肿的是汽车尾气，它也是在内燃机做功的同时产生的。对于一般汽车引擎来说，热转换成功的效率并不高，汽油燃烧产生的热大部分都随着尾气流失到大气里去了。

什么？大部分热量竟然流失了，而不是转化成动力，这多浪费啊！我们能不能把尾气的温度降低。让它不那么烫手，好节省一些热量，让汽车加一次油，能跑得更远呢？遗感的是，这个看起来很好的想法并不可行。如果要降低尾气温度，我们就要降低汽车汽缸的排气温度，但这样整个引擎系统都要在低温下运作，汽车没办法获得足够的瞬间爆发力，就只有像乌龟一样慢慢爬行了。能量守恒和能量转换，是人类利用能来改善生活，提高自己改造自然能力的基础。随着科技发展和文明进步，人类可以利用的能源越来越多，能量转换的效率越来越高，拥有的能量也越来越大。

从现代工业的观点看，热和电是两种最基本的能的形式，凡是能产生热和电的物质都是能源。木柴、煤炭、油、天然气燃烧能产生热量，是能源；水库里的水从高处奔腾流下，带动电力机组运转产生电力，水也是能源；太阳、风力能用来发电，它们也是能源。

不过，并不是所有能源都能被应用到工业生产上。有许多威力强大的能源，由于技术条件不成熟，我们还不能掌握和使用。比如，日本人曾经设想利用海洋洋流来发电，强大的洋流带动涡轮发电机，能给陆地上的人们带来比普通水力发电多得多的电量。不过。怎么样把巨大的涡轮发电机组固定在汹涌的洋流里，又怎么样把产生的电力传输到陆地上来，科学家经过种种试验，还没有完全解决。再比如说，闪电也拥有巨大的能量，一次天然闪电所携带的能量，比一座小型水力发电站一个月的发电量还要大。不过，闪电太不稳定，稍纵即逝，很难把它捕捉到并转换成其他形式的能。

虽然理论上能产生热和电的能源有很多，但人类今天使用的能源类型和18世纪相比，并没有本质上的重大飞跃。煤炭、汽油和天然气仍然是最重要的能源，占世界能源消耗的80％以上。如果一定要说有什么显著区别的话，那就是能源消耗量出现惊人增长。仅仅在20世纪100年时间里，人类消耗掉的石油和煤炭就超过了过去19个世纪的总和。考虑到以几何级速度增加的汽车、国际航线和远洋巨轮，科学家预测，人类在过去2000年消耗掉的能源，还不够21世纪用上50年。事实上，目前全球每天消耗的石油已经达到7100万桶，比第一次世界大战消耗掉的所有石油还要多3倍，并且还在以每年2％的速度增加。照这样计算，即使是最乐观的估计，大约200年以后，人类就会用光地球上最后一滴油。而在2500年左右，煤炭供应也将消耗殆尽。另外，就算煤炭和石油取之不尽、用之不竭，燃烧所产生的废气也会带来严重环境问题，臭氧层空洞、全球变暖和厄尔尼诺现象，已经成为人类生存的重大威胁。

一个没有能源、冰冷寂静的地球，或者是一个污染横行、面目全非的地球，难道这就是人类的未来？没有人希望这是一个二选一的游戏，科学家们努力寻找，希望能找到清洁、安全、能循环再生的新能源，让人类文明的引擎能继续轰鸣。

铺天盖地的宣传资料告诉我们，能源危机好像张牙舞爪的恶兽，正在从文明和繁荣的影子里偷偷逼近，并且会在未来的某一天——也许是一百年后，也许就是明年元旦，把我们拥有的一切抢走。那时候，我们没有热，没有电，没有卡通电影、汉堡和薯条，更没有游乐园、网络游戏和PSP。我们只有长长短短的塑料盒子，以及大大小小点不亮的液晶面板。而这一切悲剧的原因。竟然是黑乎乎的煤和石油快用光了！

亲爱的小读者，看到这里的时候，我相信你一点也不着急。这本书里讲了那么多新能源，每一种都储量丰富，潜力巨大，循环再生，永不枯竭。也就是说，只要这本书里讲的一件事情成为现实，我们就永远不用担心一觉醒来，噩梦成真。不过，我要提醒你的是，预测未来总是无比困难的。当科幻小说家描述基因的时候，没有人相信这个小小的东西几乎决定了一切生理特征；而仅仅在50年以前，还有大批科学家认为登上月球是不可能的。所以，请你不要忽视这样一些问题：海洋能和风能太过分散，能源集中的地方，我们不在那里；太阳能运用有限，高精度硅电池无比昂贵；核聚变和反物质只是理论，科学家甚至不能在实验室里轻松重复试验过程：至于生物质能和核能，如果你不想在家里挖一个沼气池，在院子里造一座反应堆，它们离你并不是那么近。

因此，我们必须承认，即使新能源这么丰富多彩，还是没有一个科学家敢保证，人类已经或者终将拥有不竭动力。相反，我们只能面对日渐减少的煤储量和高涨的国际油价，这才是理论以外的现实生活。所以，亲爱的小读者，请你理解唠唠叨叨的老师和妈妈，从随手关灯这样的小事开始，节约能源、保护环境。今天的点滴努力，在将来看起来，都可能具有特殊而重要的意义。