高中地球科学/可再生能源

如果我们可以拥有我们需要的全部能量，并且永远不会耗尽呢？如果我们可以使用这种能源，而不会污染空气和水呢？在未来，可再生能源可能能够提供我们所需的所有能源。其中一些资源可以为我们提供“清洁”能源，这些能源几乎不会产生污染。

有充足的清洁能源可供我们使用。到达地球表面的最大能量来自太阳辐射。每年有 174 太瓦 (1.74×10¹⁷ W) 的太阳能进入地球大气层。由于地球内部很热，热量从内部向外流动，每年提供约 23 太瓦 (2.3×10¹³ W) 的能量。相比之下，全球总电力消耗量约为每年 16 太瓦 (1.6×10¹³ W)。因此，如果能够充分利用，太阳能或地热能本身就可以满足人类的所有能源需求。

课程目标

描述不同的可再生资源，并了解为什么它们是可再生的。
了解太阳是地球大部分能量的来源。
描述能量如何以热量和运动物体的形式从一个地方传递到另一个地方。
了解在使用可再生能源时，传导、对流和辐射如何以热量的形式传递能量。
了解一些可再生能源的成本低于其他能源，而另一些能源造成的污染也低于其他能源。
解释如何将可再生能源转化为有用的能源形式。
描述使用不同的可再生能源对环境的影响。

太阳能

当您想到太阳时，您可能会想到两件事——光和热。太阳是地球的主要能量来源，而光和热是太阳产生的两种不同形式的能量。当一种叫做氢的元素转变为另一种叫做氦的元素时，太阳就会产生这种能量。将氢转化为氦会释放出巨大的能量。能量以可见光的形式到达地球，光通过称为辐射的过程将能量带过太阳和地球之间的空旷空间。我们可以利用来自太阳的光作为一种能源，称为太阳能（图 5.6）。

太阳能是一种已在小规模上使用了几百年的资源。它在大规模上的应用才刚刚起步，人们正在增加可再生能源的产量。美国太阳能开发的一个重点是沙漠西南地区。

太阳能发电厂正在加利福尼亚州东南部，靠近加利福尼亚州和内华达州边境附近建设。

太阳能用于加热房屋、加热水和发电。太阳能可以用来加热您游泳池里的水，或加热您房屋里的地砖。近年来，科学家和工程师已经找到了越来越多的从这种资源中获得更多能量的方法。由于太阳能有许多不同的用途，因此也有许多不同的方式将太阳能转化为有用的形式。最常见的一种方式是使用太阳能电池。太阳能电池是能够将阳光直接转化为电力的装置。您可能在屋顶上看到过太阳能电池板。许多太阳能电池构成一个单独的太阳能电池板。

太阳能发电厂使用一大组镜子将阳光集中在一个称为接收器的地方，将阳光转化为电能（图 5.7）。当液体（如油或水）流过该接收器时，聚焦的阳光会将液体加热到高温。然后，这种被加热的液体通过传导将热量传递出去。在传导中，能量在两个相互接触的物体之间传递。温度较高的物体将热量传递给温度较低的物体。例如，当您在炉子上加热一锅水时，传导会导致能量从锅传递到其金属手柄，手柄变得非常热。在太阳能发电厂的情况下，由加热的液体传导的能量用于发电。

太阳能有很多好处。它不会产生任何污染。此外，还有很多太阳能可供使用。事实上，每天到达地球的太阳能数量远远超过我们使用的所有能量。因此，我们将太阳能视为一种可再生能源。只要阳光继续照耀地球，我们就永远不会用完这种资源。太阳能的一个问题是，它不能在晚上使用，除非特殊电池在白天储存额外的能量以便在晚上使用。大多数太阳能应用的技术仍然很昂贵。在该技术变得更加实惠之前，大多数人更愿意从其他来源获取能量。正如您之前所了解的，地球的大部分能量来自太阳。其他可再生资源也最初来自太阳。您将在本课程的后面学习这些资源。

水力发电

在本课程的前面，您了解到能量可以以光和热的形式传递，就像它从太阳传递到地球一样。现在，您将了解能量以运动物体的形式传递的一种方式。在这种情况下，运动的物体是水（图 5.8）。水力发电利用运动水中的能量来发电。它是世界上使用最广泛的可再生能源形式，提供全球近五分之一的电力。

在大多数使用水力发电的电厂中，大坝会将水拦住，使其无法正常流动。相反，水被允许流入一个大型涡轮机。由于水在运动，它具有运动能量，称为动能。这种运动水的能量使涡轮机旋转。涡轮机连接到发电机，发电机发电。

美国许多溪流中，水沿着斜坡向下流动，可能已经被开发用于水力发电。这是加州电力的一大来源，约占总量的 14.5%。加州近 400 个水力发电厂中的大多数位于东部山脉，那里有大量溪流沿着陡峭的坡度下降。

水力发电的一大优势是它不燃烧燃料。这一优势使水力发电在影响环境方面比大多数其他能源资源具有优势。由于水力发电不燃烧燃料，因此它造成的污染比许多其他类型的能源少。水力发电的另一个好处是，与您在本课程中学习到的其他资源一样，它是一种可再生资源。我们利用了水运动的能量，但我们并没有消耗水本身。水不断流入我们的河流和湖泊，因此无论我们可以在哪里建造发电厂来利用它，水都将是能源的来源。波浪和潮汐的能量也可以用来产生水力发电。

然而，水力发电也存在问题。当建造一座大型水坝时，它会创建一个水库，改变上游的生态系统。大型河流生态系统被淹没，杀死了所有动植物。水坝和涡轮机也会改变下游鱼类和其他生物的生存环境。水坝还会减缓泥沙的释放，因此下游三角洲后退，海滨城市会变得极易受到风暴和海平面上升的威胁。潮汐发电站可能需要封锁狭窄的海湾或河口。波浪能应用必须能够承受沿海风暴和海水腐蚀。

风力发电

正如您之前所了解的，太阳为地球提供了大量的能量。来自太阳的能量也产生了风（图 5.9）。了解导致风的原因将有助于您理解能量可以通过热量传递，不仅可以通过辐射和传导，还可以通过对流传递。当太阳以不同的方式加热地球的某些部分时，就会出现风。例如，阳光直接照射赤道，比照射北极和南极要直接得多。热空气上升，冷空气流入，因此当赤道附近的空气比极地附近的空气加热得更多时，空气开始移动，通过称为对流的过程将热量传递到空气中。这种空气的运动就是风。

风力发电利用移动的空气作为能源。一些风力发电的例子已经存在了很长时间。风车已被用于研磨谷物和抽水数百年的时间。带帆的船依赖风力的时间更长。风力也可以用来发电。就像产生水力的流动水一样，流动空气可以使涡轮机旋转来发电。

为了帮助你理解如何利用流动空气发电，你可以回顾一下你学过的关于运动能（称为动能）的知识。任何运动的物质都具有动能。尽管你无法看到空气，但它是有物质的，因为它占据空间并且具有质量。因此，当风使空气运动时，这种空气具有动能。当流动空气撞击涡轮机的叶片时，它使这些叶片运动，涡轮机旋转。涡轮机的旋转产生电力。

风力发电有许多优点。它是清洁能源，这意味着它不会造成污染或释放二氧化碳。此外，风力几乎无处不在。风能的一个问题是风并非总是吹的。一个解决方案是找到有效的方式将能量存储起来以备后用。在此之前，当风不吹时，需要有另一种能源可用。最后，风车造价昂贵，磨损很快。就它们产生的能量而言，风车比其他一些可再生能源形式更昂贵。

加利福尼亚州是早期采用风力发电的州之一。风车位于山口，特别是在较冷的太平洋空气被吸过山口进入较温暖的内陆山谷的地方。在旧金山湾区东部的阿塔蒙特山口、洛杉矶以东的圣戈尔戈尼奥山口和圣华金谷南端的特哈查皮山口，可以看到大片的風力发电场。

生物质

生物质是另一种可再生能源。生物质是最近活着的动植物的材料。生物质还包括动植物产生的废物。人们可以直接使用生物质来供暖。例如，许多人用壁炉或燃木炉烧柴。

除了直接燃烧生物质供暖外，人们还可以加工生物质制成燃料。这种加工产生了所谓的生物燃料。生物燃料是一种相当新的能源类型，正变得越来越受欢迎。人们可以用来自生物质的燃料以与使用化石燃料相同的方式使用。例如，一些机械师对汽车、卡车和公共汽车发动机进行了改造，使其能够使用一种称为生物柴油的燃料。其他发动机可以使用纯植物油甚至回收的植物油运行。

如果我们使用由生物质制成的燃料，我们可以减少化石燃料的使用量。由于活着的植物会从空气中吸收二氧化碳，因此种植生物燃料植物可以意味着我们总体上会将更少的这种气体排放到空气中。这可以帮助我们解决全球变暖问题。

地热能

地热能是一种来自地球表面深处热量的能源。这种热量会产生由岩浆加热的岩石产生的热水和蒸汽。使用这种能源的发电厂通过钻井进入这些岩石来获取热量。热水或蒸汽从这些井中涌出。然后，热水或蒸汽使涡轮机旋转以发电。由于热水或蒸汽可以直接用来使涡轮机旋转，因此地热能是一种无需加工即可使用的资源。它无需加工的特点使得地热能与大多数其他能源资源不同。地热能清洁安全。它也是可再生的，因为发电厂可以将热水回灌到地下池中。在那里，水可以吸收热量产生更多的蒸汽。

这种能源在世界某些地区是一种极好的资源。例如，冰岛是一个大约四分之一的电力来自地热资源的国家。在美国，加州在地热能生产方面领先于所有州。加州的地热能集中在该州北部的一些地区。该州最大的地热发电厂位于纳帕和索诺马县的盖瑟斯地热资源区。热量来源被认为是一个位于该地区下方的大型岩浆室，是太平洋火环的一部分。世界许多地方没有靠近地表的地下热源，无法建造地热发电厂。

课文总结

太阳能、水力、风力、生物质能和地热能是可再生能源。
太阳能可以通过被动储存和保持太阳热量、将其转化为电力或将其集中起来使用。
利用流动水的能量有很多方法，包括水力发电大坝。
风力发电利用流动空气的能量来旋转涡轮机。
生物质能利用木材或谷物等可再生材料来生产能源。
地热能利用地球深处的热量来加热房屋或产生蒸汽来旋转涡轮机。

复习题

如果你打开燃气炉上的燃烧器，下面放着一锅冷水，能量从燃烧器传递到水锅。这种能量叫什么？这种能量是如何传递的？
我们可以用哪些方法利用太阳能？
如果你在壁炉里烧木头，你在使用哪种类型的能源？
哪种形式的能量是水力发电的重要因素？
当空气以风的形式流动时，它会将热量从温暖地区带到较冷地区。这种热量运动叫什么？
从太阳传递到地球的大部分能量都以可见光的形式到达。这种能量运动叫什么？
解释一下镜子在一些太阳能发电厂中如何有用。
解释一下风力发电如何利用动能。

词汇

传导: 能量以热量形式通过物质传递的过程，从高温区域传递到低温区域。
对流: 热量在气流中从温暖空间传递到较冷空间的运动。
辐射: 能量通过空旷空间的传递。

思考问题

你认为哪些地区最适合使用太阳能？
是什么导致地球深处的温度很高，从而使得地热能成为可能？
你认为你的城镇或城市可以使用风力或水力发电吗？

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