生活中的潜在能源发掘与利用及可行性探讨

能源研究ｌｊ＿信息　第２４卷第４期　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．４　２００８　文章编号：　１００８—８８５７（２００８）０４—０２２２～０５　生活中的潜在能源发掘与利用及可行性探讨　郭铁桥，张汉军　（华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定０７１０００）　摘要：能源问题已经日益成为世界关注的焦点问题，能源利用与新能源开发也越来越多的　引起各国的密切关注。在一次能源即将耗尽的今天，开发可再生、绿色环保、低投资高产出　的新型能源必将成为世界热点话题。简略地分析了日常生活中能够利用的所谓潜在能源，列　举了日常生活中振动发电，压力发电，温差发电，下水势能发电等具体的潜在能源方式。分　别简略设计了各自的发电单元的基本原理和构成，并初步分析各中潜在能源利用的可行性。　关键词：潜在能源；新能源；发电模块；可行性　中图分类号：ＴＭ６１９　文献标识码：Ａ　能源问题已经日益成为世界关注的焦点问题，能源利用与新能源开发也越来越多的引起　各国的密切关注。各个国家，特别是能源相对紧张的国家已经投入巨资开展提高能源利用率、　新能源的开发等等项目的研究。在一次能源即将耗尽的今天，开发可再生、绿色环保、低投资　高产出的新型能源必将成为世界热点话题。本文探讨的潜在能源不同于通常大家所熟悉的太阳　能、水能、风能等等此类新能源，而是从日常生活当中去发掘利用常常被人们所忽视的非同一　般的“新能源”。　１传统能源现状　能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。然而现有　的不可再生能源已经被人类过度消耗，因此，必须寻找新的能源。石油、煤炭等这些当前人们　使用的主要能源都属不可再生的矿物燃料。在当今世界，矿物燃料提供世界９１％的一次性商　品能源，其中煤炭占２８％，石油超过４０％。地球上矿物燃料的储量是有限的。据统计，人类　每年要燃烧４０亿ｔ煤、２５亿ｔ石油，并以每年３％的速度增长。照此下去，科学家们估计，地　球上的煤还可维持二三百年，其他燃料就只有五六十年的用量了，包括核能原料铀。而石油、　天然气、煤的形成需要数亿年的生物与地质作用，所以，燃烧这些化石燃料就等于在吃老本。　开发利用和不加限制地消耗大量的煤和石油等燃料，也带来严重的负面影响。现在应用的能源　主要是以煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源。这些能源在使用过程中会排放大量的有害　物质（二氧化碳、硫、氮氧化合物等），是造成大气污染和生态环境破坏的重要原因。当今能源　收稿Ｅｔ期：２００８—０７—１０　作者简介：郭铁桥（１９５８～），男（汉），副教授，ｚｈａｎｇｈａｎｊｔｉｌｌ一２００８＠１６３．ｃｏｒｎ。　第４期　郭铁桥，等：　生活中的潜在能源发掘与利用及可行性探讨　２２３　问题已经成为全世界共同关注的问题，油价的不断飙升已经引起各国关注的焦点，能源短缺成　为制约经济发展的重要因素。　２新能源的发展　随着能源危机日益临近，新能源必将成为今后世界上的主要能源。联合国开发计划署　（ＵＮＤＰ）把新能源分为以下三大类：大中型水电；新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、　现代生物质能、地热能、海洋能；生物质能等。　据估算，每年辐射到地球的太阳能为１７．８亿ｋＷｈ，其中可开发利用５００亿ｋＷｈ～１　０００亿ｋＷｈ。　但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地热能资源指陆地下５　０００　ｍ深度内的岩石和水体的总含　热量。其中全球陆地部分３　ｋｍ深度内、１５０℃以上的高温地热能资源为１４０万ｔ标准煤，目前　些国家已着手商业开发利用。世界风能的潜力约３　５００亿ｋＷｈ，因风力断续分散，难以经济　地利用，今后输能储能技术如有重大改进，风力利用将会增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、　海水温差能等，理论储量十分可观。限于技术水平，现尚处于小规模研究阶段。当前由于新能　源的利用技术尚不成熟，只占世界所需总能量的很小部分，今后有很大发展前途。　一３发掘生活中的潜在能源　能源遍布在我们身边，只要我们留心，日常生活中很多被忽视的细节都可以成为能源。当　然，这些潜在能源在现阶段可能在实际的生产利用上实现还有一定的难度，不过通过对这些身　边的能源多加留意，随着科技的不断发展必将成为未来能源的不可或缺的蓖要组成部分。　３．１振动能源　振动本身就是能量的释放，包括声音在内。虽然能量有限，但是只要我们能够利用特定　的方法收集利用，也不失为一种清洁，可再生的优良能源。　３．１．１对于较大振幅振动的利用　根据电磁感应原理，振动会产生周期的位移，而磁通的变化会产生电势，可以利用振动　使永久磁铁和线圈之间产生相对的位移，从而产生电动势。据此就可以利用振动的能量来发电。　比如说，利用汽车开动时的振动，把汽车的颠簸产生的能量通过上述发电装置转变为电能，储　存在蓄电池中，能够给车辆提供照明，音响等能源。再比如人走路时产生的振动，可以利用上　述装置将能量转换为电能，为随身携带的电子设备充电，比如ＭＰ３、手机等。　３．１．２对于声音能量的利用　原理上跟上述振动发电装置相仿。不过，由于声音振动的能量比较弱，收集起来较为吃　力，本人思考的解决办法是这样的：设计膜状发电单元，膜分两层，一层为线圈，一层为磁体，　层与层之间可以相对运动，使其中一层相对固定，而另一层比较轻薄可以随空气振动而振动，　从而实现磁通在线圈内的变化，利用电磁感应原理便可以将振动能量转化为电能。每一个可以　做的单元很小，但都可单独作为一个发电机，然后将一定数量的单元并联。由于大量的发电单　元同时接收到的声音是几乎相同的，所以它们产生的电势是相同的，多个相同电势并联，这样　就可以得到较高的电压，以便储存于蓄电池中。此种发电装置可以大量铺设在噪音比较严重的　机场、厂矿、闹市等区域附近的建筑外墙上，可以将扰民的噪音变废为宝转化为能量加以利用，　为公共设施提供电能，比如夜间照明、小区广播等。此外，由于将空气振动能量转化为电能，　还能够有效减小噪音，提高人们生活质量。　２２４　能源研究与信息　２００８年　第２４卷　３．２压力能源　日常生活当中会产生各种各样的压力，比如人走路对地面的压力，汽车行驶对路面的压　力等等，这些看似微不足道的能量我们如果加以有效利用也将成为可观的能源。　３．２．１　步行时产生的压力　由于人走路对地面的压力持续时间较长，可以利用机械装置把压力转化为动能。此发电　单元可铺设在步行街，楼道等人流较大的地方。每个发电单元可以制作的很小，铺满在道路上　可以扩大受力几率。其中每一个单元都可以将压力转化为惯性轮的转动。当然为要使压力做工　必须有做功距离，也就是说当人踩到发电单元上的时候，此单元要有一定的形变，为了不对人　的走路带来影响，可以控制使之形变在几毫米内。利用这几毫米的距离让齿轮带动惯性轮的转　动，当脚离开后，在弹簧的作用下发电单元恢复原状，准备下一次发电。为了提高效率，在发　电单元恢复过程中仍可以利用机械装置使惯性轮受力继续转动，这样效率可提高一倍。在惯性　轮上安装永磁体，在其转动时磁感线被外围线圈切割，从而在线圈内产生交流电动势。　下面分析一下此发电单元应用的可行性：以５０　的人为例，假设发电单元形变１０　ｍｍ，　则每踩一次做的功为０．５　Ｊ。设１　０００　ｍ长的道路，平均步行需要１　５００步，也就是说１　０００　ｍ　每个人做功为７５０　Ｊ。据统计，南京路步行街日均人流量已达８０万人次，节假日２００万人次以　上。北京路的日均人流量高峰在６Ｏ万人次左右，按平均７０万人次计算，每天可做功５２　５００　万Ｊ，相当于１４３　ｋＷｈ，数值不可谓不可观。当然考虑到转化效率问题实际没有这么多，不过　仍然不失为一种清洁，高效，低投入高产出的新型能源。如果在楼道内、步行街、商场、娱乐　场所广泛推广此发电模块，能产生可观的效益。　３．２．２汽车产生的压力　考虑到汽车的实际情况，就不能利用步行发电装置了。因为汽车的行驶速度很快，压在　模块上的时问非常短，用机械式的模块就很难实现功的转化。所以，本人设想利用压电模块实　现压力到电的转化。利用压电陶瓷的压电特性，向其上施加力，使之能产生十几ｋＶ的高电压。　虽然电压等级很高，但是压电感应产生的高电压只持续０．０ｌ　ｍ左右，如何采集仍然需要进一　步的考虑。本人考虑将多个压电模块串联，由于汽车在很短时间内连续触发一连串的压电模块，　可以使总的输出电压保持一个较宽的脉冲，这样就可以将电能收集起来。在道路的部分流量较　大的部分铺设由压电模块构成的路面，便可以方便的收集能量转换为电能。可以应用到交通灯　控制，路灯照明，违章拍照等方面。　３．３温度能源　生活中处处都有热量的的散发，这也是一种能量消耗的现象，如果我们能将这些随处存　在的热量利用起来必将成为能源的一个充足的有效来源。　３．３．１　电器散热的温差能发电　各种电器工作的时候，都会有一部分能量会以热的形式散发掉，白白浪费了能源。如果　能把这些热量利用起来也会节省能源。由于电器的散热温度都不会很高，也就是３０℃到６０℃，　但是可以利用这个温度与室温的差异来发电，即温差发电。温差发电一般指两种不同材料（半　导体或金属）连接时，如果两边温度不同导体中就产生电流（是没有机械运动的，与热胀冷缩无　关）。现在的应用实例可以应用在手表上，靠近皮肤的是～种金属，其温度等于人体体表温度，　为３７￣Ｃ左右：而远离皮肤的是另一种金属其温度等于环境温度，为低于３７￣Ｃ，这样就可以发　第４期　郭铁桥，等：　生活中的潜在能源发掘与利用及可行性探讨　２２５　电了。虽然电比较弱，不过可以应用在一些电子设备上，比如电子钟、电子台历等，放在散热　的用电设备的附近就可以工作了。不用安装电池，也就是节省了一次能源。　３，３．２地下和地下水温度利用　温差不仅仅可以用来发电，更可以直接利用。空调和采暖用电一直以来就占有很大比例。统　计数据表明，中国建筑能耗的总量逐年上升，在能源消费总量中所占的比例已从２Ｏ世纪７Ｏ年代　末的１０％，上升到近年的２７．８％。而建筑最大的耗能点是采暖和空调，我国在采暖和空调上的　能耗占建筑总能耗的５５％。因此，寻找一种能够替代空调的设备迫在眉睫。这就是利用地下的　温度。盛夏，烈日炎炎，热不可耐，而地下深处却清凉爽快，舒适异常。比如北方７月份平均　气温是２７．８℃，地下０．８　ｍ处是２４．Ｏ￣Ｃ、１．６　ｎａ处２０．６￣Ｃ，３．２　ｍ处则下降到１６．９℃。所以地面　最热的时候，地下深处非常凉快。反之，１月份平均气温是３－４℃，地下０。８　ｍ处是９．８℃，１．６　ｍ　处是１３．１℃，３．２　ｍ处则上升到１７＿３℃。而地下水的温度常年保持在１７￣Ｃ　ｌ９℃。所以，大地　和地下水便成了天然的无污染的空调。可以利用热管技术将地下和室内连接起来，夏天的时候　用来降温，冬天的时候用来升温。热管就是利用蒸发制冷使热量快速传导。热量由热管一端传　至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。从而可以使我们的居　室达到冬暖夏凉的舒适效果，并几乎不需要额外的能源。　３．４生活下水势能发电　现代城市中的居民住宅、写字楼、商场、酒店等等建筑多为高层，居民生活用水都是白　白顺着下水管道流进城市排水系统，殊不知这中间有大量的潜在能源可以利用。可利用生活污　水顺下水管道下降过程中势能来驱动发电机转动从而将污水的势能转化为电能得以储存。　按东、中、西部统计分析，我国年人均用水量分别为４３６　ｍ　、３７１　ｍ０、４８７　ｍ　，也就是说　平均每人每年要将这么多的水排入下水管道。对于一座十层居民楼房一梯两户户型一个单元，　居住人数按每户４人计算，此居民楼共有居民８０人，每人每天排水达到１．２５　ｔ，每层楼高３　ｍ，　所有水的势能为　ｍｇ／ｚ２＋　ｇ　＋…’＋ｍｇｌ￣＋嘴　０　１）　式中，∑　为水的总势能，Ｊ；ｇ为重力加速度，取９．８　ｍ．Ｓ～；ｈｌ￣ｈｌ０为每户居民对应的高度，ｍ。　由此可得所有水的势能约１　６５３　７５０　Ｊ。当然，这些水的势能不可能完全转化为电能。实现　下水发电的装置比较简单，只需要在下水道安装一个小型水轮发电机就可以了。发出的电能可　以先储存起来以满足楼道夜间照明，夜景照明等的用电需要。　３．５运动健身器械发电　随着人们生活水平的提高，各种健身器材也越来越多的出现在各个家庭中：拉力器，杠　铃，健身自行车等等。这些都可以成为用来发电的潜在能源。只要安装一个小型的发电装置，　就可以在健身的同时产生电能，基本能够满足小型用电设备的需要。　４结束语　综上所述，潜在能源就在我们身边，在一次性能源即将耗尽的今天，只要善于思考，善　于发现，能源的来源多种多样。而且绝大部分是无污染、可再生、投资小见效大的绿色能源。　本文只是抛砖引玉，简略的分析日常生活中能够利用的所谓能源，并初步分析其可行性。当然，　现在有些潜在能源限于目前科技水平限制还不能大规模的开发和利用。随着科技的发展，现在　的所谓的潜在能源必将在将来发挥不可忽视的作用。　能　｛研究　＿ｊｆ　ｌ息　２００８年　第２４卷　参考文献　［１】　牛冲槐，张彤，张敏，等．我国能源安全性分析（四）一能源开采与利用中生态环境的安全性分析［Ｊ］　太原理工大学学报（社会科学版），２００６，２４（２）：６１－６５．　李子奇．能源紧缺和环境污染带来新问题［Ｊ］．办公自动化，２００８，１４（６）：１２－１２．　蒋小瑛，刘焕峰，林西．国外环境会计信息披露的现状研究［Ｊ］．大众科技，２００８，９（２）：１６３—１６４．　李林源．能源开发利用趋势分析［Ｊ］，技术与市场，２００８，２９（３）：５－５．　朱晓东．热泵空调系统采暖的节能设计及节能运行研究［Ｄ］．大连理工大学，２００３．　刘爱芳．节能型社会指标体系研究（建筑、可再生能源、产业结构部分）［Ｄ］．华北电力大学（河北），２００６　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｉｎ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｆｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｓｔｕｄｙ　ＧＵＯ　Ｔｉｅ—ｑｉａｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｈａｎ－ｊｕｎ　（Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７　１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｈａｖｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｏｆ　ｗｏｒｌｄ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｂｙ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｏｕｎｔｉｅｓ．Ｆｏｒ　ａ　ｔｉｍｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ａｒｅ　ａｂｏｕｔ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｕｐ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ，ｇｒｅｅｎ，ｎｅｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｙｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅｃｏｍｅ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ’Ｓ　ｈｏｔ　ｔｏｐｉｃｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｂｒｉｅｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＯ—ｃａｌｌｅｄ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｉｎ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｆｅ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｅ．ｇ．ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ，　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｈｅａｄ　ｅｔｃ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｏｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ；ｎｅｗ　ｅｎｅｒｇｙ；ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ；ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　国内首个煤电温室气体减排研究中心将现上海　中国发电行业和电力设备制造行业的两大龙头企业一中国华能集团公司与上海电气（集团）总　公司，于２００８年１２月２曰在上海签署协议，共同设立国内第一个煤电温室气体减排研究中心。　按照协议，新设的“华能上海电气温室气体减排研究中心”将根据国家节能减排要求，　研究温室气体减排技术和能源高效利用技术，进行节能减排领域高新技术的开发、转化和推广　应用。该研究中心将以华能上海石洞口二厂两台６０万ｋｗ燃煤机组项目为试点，致力于燃煤　发电机组二氧化碳减排技术。此前，华能集团于２００８年８月在北京热电厂建设投产了年回收　二氧化碳能力为３　０００　ｔ的国内首座燃煤电厂烟气二氧化碳捕集示范工程。　（尹航）