首页 >> 我是Dr. You >> 来信 >> 文章

第三十六期问题:拿什么取代你,我的电能(查看详情,请点击群博右边栏的Dr.YOU专辑)。

比赛中场,我们收到了三位读者的来信。他们都认为人类很难以其他能源方式来取代电能……让我们来看看他们的理由吧。

另外,本篇文章特别附了一个预告片……在文章末尾。请欣赏。


Martin叔叔

电能是目前人人类利用最多的二次能源,所谓二次能源是不能从自然界中直接取得的能源,需要从自然界中直接取得的一次能源能源转换而来,这样的转化本身就是极费时费力的,而且有时效率会很低并会伴有污染。例如我国主要发电原料是煤炭这个被西方称为“肮脏的能源”,太阳能储存在煤炭之中,以化学能的方式存在,而我们必须把化学能转化为热能,再由热能转化为动能,再通过电磁感应将动能转化为电能。能量守恒,但熵是不断增加也就是说虽然能量是守恒了,但以不可回收的热能形式在不断的扩散。在转化电能的过程中我们能利用的能量是不多的。

但是电能也由很多,其他二次能源不可比的优势:

一,它可以很方便的转化为光能,热能,机械能(通过电机)。因此我们现在的大多数的家用电器和工厂生产线都需要电力的支持。

二,它可以十分方便的运输,电场以光速传播,不需要像实物一样占有交通资源。电能传送的是能量而不是物质。

但是电能的传送本身也是效率较低的事情,尤其针对我们这样,电源在西,负荷在东的大国我们需要长距离的传输,这样就会使我们在传输中消耗很多能量在导线中。有一种说法,传输的能量损耗占到了发电的30%到40%,我们国家在实行的特高输电也是为了解决在长距离输电中的能耗问题。电压越高在传送相同的功率的同时会使电流减小,导线上的损耗会以平方减小。美国人也在提超导输电,输电的同时输送液态氢,很诱人的前景,氢是未来的能源,但是工程上的细节难题会很多。西方的大公司如IBM在极力推销智能地球,其中有将IT技术与电力结合由此可以更好的利用电能。ABB在探索未来的电能输送,他们的设想中电力线路将不再用铁塔来支撑,这样的可以节省大量的用地。

插头后面的世界是很精彩的,我们还大有可为,电力输送将面临一场革命智能电网,超导电网使得效率更高,也将改变我们传统的输电模式。在发电的领域我们在寻找控制“瓶中巨人”核聚变的方法,如果可以利用我们的能源危机将会得到彻底解决。总之我们在电能的利用中需要开源,也需要截流。在法拉第伟大的电磁感应提出100多年之后我们能做的还太多,能源革命在进行中。

但是我个人认为电能是不太会被其他能源替代我们需要更好的利用它,虽然发电会有很高的代价。


后知§先觉

我们将着眼点放在人类上,放在人类本身,考虑人类的特质,人是什么,是一种可以自己制造工具,具有相当思考能力,行动能力的高级动物.

但是,我们依旧是血肉之躯,依旧体验着生命的脆弱...哎~~

跑题了...

言归正传!我刚才提到的人类的特质,决定了人类究竟能够直接使用什么样的能源,最终使用什么样的能源(我们在下文中将人类最终使用的能源形式叫做"使用能源"),当然,一种为人类所用的能源,在高度发达的现代社会,必须具有高度的普遍性,它刚好符合社会上所有能源需求的需求方式,想想,为什么电能能够在"使用能源"中独占熬头呢?很简单,因为我们的生活离不开电,因为我们的几乎所有的使用工具全部需要电能来使动,我们的发明,我们的工具研究领域,也很大程度上被电能束缚着.电能具有很高的普遍性,它能够符合我们的生活所需,我们生活的大部分,只要你愿意,基本都可以通过"电的"方式完成.

历史因素考虑,从发现电可以追溯到2500年前的古希腊,发现并研究电和电的用处,其实没有多久,几百年的时间,在1800年的一个春天,著名科学家伏打发明了电池,即我们熟悉的"银锌电池",这便拉开了对电能的应用...

其实想想,历史使用电学并不是偶然,摩擦起电到处都有,怎么能不引起科学家的关注?既然摩擦起电,可以带动纸片,同样,聪明的前辈一定可以想到用它来带动更大的物体...所以我认为,能源历史,经历电能的统治期,是必然的,在我们的世界里,在人类能够利用的能源家族中,惟有电能,可以达到如此普遍的程度,几乎所有能量都可以转化为电能.我们可能会想到化学能,但是化学反应中的氧化还原反应即是电子间转移的结果,化学中的离子,也是原子得失电子的表现,化学电池就是很好的例子.

那么到底是否有一个能源形式可以代替电能呢?起码在未来可以有一个非电能能源的发展方向,我的回答是:没有.如果,人类,可以发现一种能源形式比电能更可以满足人类需要,早就发现了,电能具有广泛的转化来源,即使是核能的和平利用,也必须以电能方式表达出来,就好比说话前要用语言中枢组织一下,再用语言的方式表达,语言的种类不同,但全都需要发声!语言的总体即比做电能,这是个不恰当的比喻,但也能揭示电能在能源中的几乎核心的地位!


沐右

电能的优势

在石油和煤炭的产地,或者远离城市的水坝或核电站,各种形式的能量可以方便高效的转化为电能,然后通过高压线传输,以很小的损耗传输到任何一个城市。至后在各家各户,只要按动按钮,就可以通过简单便宜的设备转化为灯光,或者炉火。现在我们能够利用的能量有很多:化学能(煤炭,石油),势能或动能(水流,风),光能(太阳光),核能以及热能(地热,或者由燃料燃烧得来)。而我们需要能量的地方,包括取暖和做饭(热能),运输(动能),照明(产生光能),合成物质(化学能)等等。大多数时候,能量的原材料(煤炭、石油、河流等等)和能量的使用地(家庭或者工厂等)存在着地点上或者时间上的差异,这样就需要能量转化为便于传输和储存的中间能量形式,然后在合适的时间和地点再转化。我们需要中间能量高效方便地转化,传输和储存。多数情况下,我们这个生存在地球上的人类文明选择电能作为中间能源,因为电能在这三个方面有着独特的优势。随着科技的发展,我们有可能发现更好的中间能量形式,但在那之前,电能都是不可取代的。

目前其他的各种能量形式,要么不利于传输,要么难于储存,要么不方便转化。可以举几个例子:(1)水能是可以在一定量上储存的:水利发电站常在夜间用电量低的时候把水提升到水库里去(转化为势能储存起来),可是这种储存需要很大的设备(水库),也需要储存很大的量。(2)实验室中可以实现动能的储存:在真空系统里通过磁悬浮保持一个转子的无阻转动,转子可以没有能量损耗地保持很高的转速从而储存能量。但是这种“真空磁悬浮飞轮电池”和前面的水能的储存一样,离不开电能的穿针引线。(3)光能是可以通过光纤或者直线传播的,尽管光能可以方便的转化为电能和热能,但很难直接转化为其他形式的能量,比如驱动汽车的动能,而且光能的储存是个尚未攻克的难题。(4)而如化学染料或者核燃料,运输是相对方便的,尤其核燃料,相对小的运输量可以携带大量的能量,但是其转化为可用能量的过程是相对复杂、危险(比如核电站),或者低效率的(比如小型的发动机),因此也很难成为电能的替代品。

其他的可能性

更广泛一点来说,在其他的文明形式中,这个能量传输,储存和转化的需求可以以其他形式满足,电能并不是必须的。比如《变形金刚》中的能量块(虽然更像是电池)。还有,在玄幻小说中,人们可以通过吸收天地灵气或者魔法元素生活,通过飞剑、法宝或者魔法来飞行,通过各种方法来达成生产各种产品,通过灵石、魔晶来达到能量传输转化的要求。电能,对于这些飞天入地的超“人类”来说就没有什么独特的意义――虽然这些文明形式可能并不能存在于我们这个宇宙中。

再比如,其他的生命形式也不需要电能。比如一个由黑洞组成的文明。满足生存的要求也许就在于吸收外界的物质,思想的交流可以通过引力波传送,个体之间的更深层次的交互可以通过更高的时空纬度相连通(虫洞)。电能对于他们来说,完全是没有意义的吧。


Dr.Who说:能量块!能量块!汽车人!变形!出发!

室友:纵然《变形金刚2》是部好片,你也不用把自己塞在纸箱子里冒充擎天柱吧……


好!万众瞩目的预告片来啦。

大家可能听过八爪鱼这个ID。在Dr.You组里面,有一个神秘的组织,叫做号外组。这个号外组有三位常驻作者,还有一些流动作者。我们可以在过去的Dr.You号外中看到他们的身影,例如这里这里这里,还有这里。八爪鱼就是号外组的常驻作者之一。

这次,他带来了新作……

0
为您推荐

30 Responses to “[Dr.You第36期]读者来信:这个,基本上,很难”

  1. lwufo说道:

    沙发!!这个确实很难!!!现在不是又有直流电传输吗?

    • asd说道:

      直流输电还是免不了损耗的,参见初中物理,W=I^2×R 损耗能量和电流的平方成正比

      • coolfar说道:

        直流输电的损耗相对来说要小得多,因电阻产生的热损耗相比交流线路的电晕损耗是很小的,但在将交流换流成直流以及将直流换流为交流时,投资巨大,因此,只有在一定距离上,直流的优势才能体现(各个国家团体认为的经济距离不同,多在600-800kM样子)。

  2. NMOS说道:

    那天还在和同学聊电池的话题.
    我觉得现在电池技术和一百多年前伏打电堆,在理论上并没有太大的创新.
    满世界看看,各种便携式设备,比如笔记本,手机,PSP...这类东西都有个共同的软肋,就是电池.
    有没有可能是现有的电池技术束缚了我们的思维?
    也许以后的"电池"会采用其它的能源储存/转化方式吧?这里,我最容易联想到的就是生物对能源的储存和利用...ATP,呼吸作用浮现在脑海中...也许,多年后的一天,你的笔记本(那时候还会不会有笔记本呢?)快没电的时候,你只需打开后盖,灌点葡萄糖水进去,某种生物发电技术就会给你提供高达XXXX小时的续航能力...

    抱歉,好像和扯得有点远了,似乎已经不是主帖讨论的范围了,抱歉...

    • allarem说道:

      有电容型的电池了,充电很快,放电可以控制。美国的一个大学搞出来的。

      ATP我个人觉得应该是持久性好,生物亲和性高,可以拿来做仿生机器人什么的。而且生物这个有个缺点,就是你要制造葡萄糖……制造葡萄糖还是需要能量的,免不了浪费。

      最牛的应该是传说中的反物质电池。那才是一点点就提供高达XXXXXX小时的电能。

      • cary说道:

        可惜我们找不到容器来放反物质。就是找到了或制造出来了也用不了。

  3. 披上松鼠皮说道:

    这个号外。。。。。。。汗

  4. mirror说道:

    Martin叔叔的文章还算中规中矩。开场的一段归纳得很不错。只是缺少点睛的数据──热效率。既然说到了熵的问题,就不能用“在转化电能的过程中我们能利用的能量是不多的”一句话来对付看客。

    “电能有很多其他二次能源不可比的优势”一段应该充实,然后就直接给出“不可代替”的结论就很好了。后面的两个段落属于跑题和蛇足,。输电效率可以提到前面去,与发电效率连在一起讨论。

    其他能量形式不可比的优势当中,这几篇文章中都没有提到“可控”的问题。都是储存、转化和传送方面的话题,显得讨论得很肤浅。以前说过,这个题目不是好题目。但是就“命题作文”的观点看,无所谓是否题目好。关键在于是否能把文章做好,把各类知识重新组织后,回答能否代替的问题。

    与其给一堆理由而得出“很难代替”的说法,不如给出一个很深刻的理由得到一个“不可能代替”的结论。这样才更有说服力。

    • Martin叔叔说道:

      谢谢你的有关建议,能源的问题太复杂了,知识储备不够啊!

  5. cobblest说道:

    预告片好油菜...

  6. 微乳哈尔滨介饲养员拇姬说道:

    抗议!
    为什么预报片里把那个最圆的球放在牛大叔的前面!

  7. 达文西说道:

    谁做的预告片,枪毙5分钟

  8. 胖子说道:

    确实只能是电,而且最终都会归于电。
    动能和电能之间的转换如没有热耗散那就是100%。
    最不环保的发电众所周知是热电厂,他的蒸汽轮机的热效率是60%左右,那么我们的公共交通都能用上电动的,那么最终的热能利用率可以在55%左右,比柴油机和汽油机的要高很多啊。

    • coolfar说道:

      水电的危害不容小视。它对整个水体环境进行了改变,对生物环境影响很大,而且这种影响不是明显可见的,可能在未来,人们会认识到水电带来的许多不可逆转的危害。现在我国在大力开发水电,可以说已经没有通畅无阻的河流了。

  9. 叴舵qdoo说道:

    我任务最可能替代电能的是光能,光能转化成电能和热能的问题已经一步步解决,光能在传输上更加节省和低损耗。

    现在最难的问题是产生光源,虽然我们每天都有一个最天然的光源

    现在最需要解决的问题是建立光能电脑的系统原型。真的实现光脑,世界的科技进步会更加的快。

  10. 納木格米瑪说道:

    問題應該是要我們作出能夠代替電機的動力設備 就像當年電機代替蒸汽機一樣

  11. 沐右说道:

    光动力设备很难做啊

  12. 幸福的猪说道:

    个人认为我们的理论还没有发展到那一步. 我们用电作为动力/加热 就是利用磁电电磁的原理;用来照明就是利用通电导体发热(原子摩擦撞击)。光也是有能量的,包括动能,N年前看过老美建造面积超大的“太阳帆”利用太阳光“推动”卫星。所以光能也是很有前途的未来能源形式。

    还有作为储存能量形式的话,化学能还是很有前途的,ATP能量还是不够集中。期望未来能够发现能量更集中的“化学键”。弄不好可以取得“任何”原子的能量也说不定,而不是目前有限的“核燃料”。

  13. xiangwudc说道:

    MS文章并没有责怪电能,而是强调制造电能的一次能源以及转化过程中的损失。要不是利用电的特性来传输能量的话怕是效率会更低。

  14. coolfar说道:

    现在电能的发展方向可能主要是这两个:一,智能电网,指的的美国现在提出的智能电网,即将小功率的风力、太阳能等新能源,积少成多,纳入大电网进行管理,形象点说,你在屋顶上装设太阳能电池,自己在家中使用电能,你既是电能的消耗者,也是电能的生产者,涉及的技术难点很多,主要集中在廉价的电能产生装置(如高效的太阳能电池板、廉价的风力发电机等)、接入大电网的轻型直流系统、控制系统等;二,电池,电池的问题不但影响电动汽车、便携电子设备等,还与电能的高效率利用有巨大关系,电能总体来说是不能储存的能源,负荷、电源如果不对称,整个电力系统就会受到影响,甚至崩溃。打个比方,三峡水电在丰水期可以满发,但如果负荷需求不够,满发就不能实现,一些水就必须放掉,这就造成了能源的浪费,到了枯水期水电不足时,又必须以火电进行补充,我国现在尽量保证了三峡等大型水电的满发,但对一下中小水电都进行了限制,发电与用电的强制同步性,造成了能源的浪费。先阶段我们有一些抽水蓄能电站是以水的型式将多余电能进行储存,但效率很低。

    • mirror说道:

      较其他人对于发电有些理解,但依然不到位。比如“抽水蓄能电站是以水的型式将多余电能进行储存,但效率很低”一句不妥。因为机械能变成电能的效率不是“很低”,而是“很高”。

      电能发展的方向是提高化石燃料的综合利用率的问题。因为从电能再到热能就很不经济了。用一次能源作二次能源本身是不可避免的途径。问题是在此过程中产生的“废热”能否利用起来。这个利用比直接燃烧一次能源取热要合理得多。这是个大头。也就是说,发电效率不过50%,其余的都是“废热”。而人们的生活中又需要很多的热源,为此人们又要烧燃料。

      • coolfar说道:

        可能是我表述不是很清楚,我不是说机械能转变成电能效率很低,而是说以抽水蓄能的型式储存电能效率很低,因为存在一个电能--水的势能--电能的过程,还有管理和运营成本,总效率是很低的。

  15. coolfar说道:

    对了,我将此文转帖到自己另外的博客上了,并注明转帖于松鼠会,不知道有没有问题,如果有,我会删除。

  16. yxy514说道:

    非常漂亮的预告片~~~

  17. wangrui说道:

    我在哪能提问,我有一个奇怪的问题,可不知道怎么提问。

  18. ZERO-G说道:

    八爪鱼……听起来像《少年电脑世界》小编的名字

  19. 紫嫣说道:

    谁做的预告片啊,有点小恶心哦~~~~~~~~~

  20. nothing说道:

    在可预见的未来的确只能用电,但是更久以后一定有更好的能源。作者说:如果,人类,可以发现一种能源形式比电能更可以满足人类需要,早就发现了。那么以此类推,19世纪的人会说,如果人类能登月,早就登月了。所以这种逻辑是不合理的。

Leave a Reply