微型能源、动力技术.docx

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1、微型能源、动力技术干净新能源有绿色能源之称，它的最大特点是燃烧或使用后不造成环境污 染，有利于维持生态平衡。进展干净新能源是将来能源业建设的进展方向。这里 着重介绍生物技术特殊是微生物技术在开发干净新能源方面的应用讨论所取得 的成果。一、进展新型燃料电池燃料电池使用气体燃料(如氢、甲烷等)与氧气直接反响产生电能，其效 率高、污染低，是一种很有前途的能源采用方式。传统燃料电池使用氢为燃料, 而氢气不易制取又难以储存，致使燃料电池本钱居高不下，美国宾夕法尼亚高 校讨论人员设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池，其本钱大大低于以 氢为燃料的传统燃料电池。讨论人员曾尝试用廉价的有关碳氢化合物为燃料，

2、 但化学反响的残渣很简洁积聚在镇(nie )制的电池正极上导致断路，而使 用铜和陶瓷的混合物制造电池正极，解决了戋渣积聚问题。新研制的燃料电池 可用甲烷、乙烷、甲苯、丁熔、丁烷等5种碳氢化合物做燃料源，可以通过微 生物发酵途径生产甲烷等碳氢化合物，成为研制新型燃料电池较为丰富而广泛 的原料来源。目前这种新型燃料电池的能量转换效率还较低，有待进一步讨论 改进提高。二、开发军民两用的生物能源不管军用的兵器如机动装备大局部，或是民用的汽车等交通工具均以汽油、 柴油为燃料、假设用氢气作燃料更为抱负，其特点：(1)干净，不污染环境；(2)热效率高，约是汽油的3倍；(3 )生物制取氢气有潜力。正由于如此，

3、充分采用生物技术生产氢气大有可为。如用一种红假单胞菌 为生产菌，以淀粉为原料生产氢气取得良好效果，每消耗1克淀粉可产氢气1 毫升。用氢和其他少量燃料混合可替代汽油、柴油。乙醇也是一种干净生物燃 料，用途广泛，可用来替代汽油和柴油。日本、加拿大等我国用基因技术建构 的“工程酵母”以其高产酶的活力，酶解纤维素制取乙醇；也有构建的工程 大肠杆菌能将葡萄糖有效地转化为乙醇；这类乙醇均可替代汽油或柴油使用,随时为机动装备供应大量生物燃料。其实，产氢、产乙醇的生物不仅有细菌或 工程菌，而且某些藻类或其他微生物均有生产氢或乙醇的力量。美国加州高校等讨论人员觉察一种叫莱茵哈德衣藻的绿藻(真核生物)具 有持续大

4、量产氢力量。关键在于掌握其生长环境，从生长养分液中去除硫素， 在此状况下藻体停止了光合作用，不产氢;在无氧条件下藻体必需以其他途径产 生腺茸三磷酸酯维所需要的能量，采用所贮存的能源以实现其最终产氢的目的。 一般说，这种自然藻产氢量很低，为此，一方面掌握其生长所必需的或障碍生长的 关键因素;另一方面，采纳分子遗传技术改造藻的特性，以提高其产氢的力量。由 此可见，充分采用各种生物开发军民两用的干净生物能源是有潜力的。三、微型绿藻是索取氢能的最廉价途径上面已提到绿藻和微生物产氢途径，这里强调微型绿藻制取氢气的前景，科 学家猜想,当石油和自然气耗尽时,氢气或许是一种较为抱负的能源。关键在于 找到一种廉

5、价产氢的方法。有专家认为，采用一般池塘绿藻的产氢力量或许是 个最实际的选择经济有用，分布广。绿藻这种微型低等植物繁殖快，全世 界处处都有它的分布，它在有水、阳光的条件下具有制造氢气的力量。在人工 掌握下可迫使绿藻按要求生产氢气，有试验讨论报告指出，一升绿藻培育液每 小时可产氢3毫升，还需进一步提高产氢效率。留意两点：(1 )运用基因工程技术改造这种产氢系统，有可能使氢气产量增加10倍或更 高些；(2)细胞固定化技术的应用，有可能提高微型绿藻持续产氢力量。在德国、加拿大、日本等我国为实现干净氢能源”的开发方案，乐观建 立产氢藻类农场，为实现氢能源规模生产作出巨大努力。加拿大已建成每 天生产液态氢

6、10吨的工厂；日本把产氢藻和光合细菌的高效产氢列为讨论重点, 将研制用于火箭发动机使用的冰糕状脂膏氢，以提高火箭放射推力。美国 期望到2030年把氢能源作为美国一种主要能源。看来，微型绿藻和光和微生 物生产氢能源将大有开发之势。四、充分采用有机垃圾或有机废水为原料生产氢能源日本北里高校讨论人员用生活垃圾制取氢气取得良好效果，产率颇高，可 将氢气不仅直接作干净能源使用，而且为燃料电池的开发供应优质原料，更为 经济有用，具有潜在的开发优势。讨论人员选用一种厌氧性细菌即一种核菌AM21B菌株，所得试验结果说明，每1公斤生活垃圾可获49升氢气；制氢后 所余下的生活垃圾成糊状，无臭味，可进一步实现资源化

7、，使之成为农田有机 肥料如堆肥。据称，日本讨论人员为制取氢气的生活垃圾可循环采用，还研制 新型发酵设施更有利于提高生活垃圾制氢效力。我们我国哈尔滨建筑高校讨论人员已建立以厌气活性污泥为原料的有机废 水经微生物发酵法生产氢的技术。有几个特点：(1 )发酵法未采纳触菌种；(2)未用细胞固定化技术可持续产氢；(3)制氢系统工艺运行稳定；(4)所获氢的纯度高；(5)制取氢的产率比国外同类小试验高几十倍。目前已进入中试规模的连续产氢，其量可达每立方米产氢5.7立方米，纯 度到达99%。有望进入工业化生产，为氢能源的开发供应一条可行的生物途径。五、以C02废气为原料开发新能源来源广泛的C02既是重要温室气

8、体之一，也是化工原料，当C02作为一类 废气如何进一步转化，实现资源化的讨论有着重要意义。其中将其实现能源化 是值得留意的讨论课题。至少可采纳化学方法和生物方法使C02转为能源。(一)、化学方法采用催化剂：用高效催化剂沸石，约99%的活性铝颗粒表 面吸附铐、镒，按C02与氢的比例1:4300、1个大气压条件下，至少90%的 CO2可转化为甲烷，假设10个大气压时，其转化率可达100%。当然也有一个降 低氢、铐的本钱问题。所获得的甲烷不仅供应能源和化工原料，同时包括CO2 在内减轻温室效应发生带来好处。(二)、生物方法采用藻类：前面已提到藻类特殊是那些微型单胞藻不管是原 核的或是真核的，它们是汲

9、取CO2进行光合作用生产绿色新能源最有效途径。大量微型藻增殖过程中充分采用CO2 ,在光照条件下合成有机物将太阳能 储存起来，其藻体生物量称得上是个巨大的储能库，因此，将其制作固体 燃料或者说干燥燃料是可行的，英国将它用于发电；也可用各类藻体包括海藻 在内的生物量为原料，通过发酵途径制取甲烷及其他能源；微型藻细胞固定化连续产氢能也是可取的。正由于各种藻类所表现特定功能，既是储能库， 又是“供能库，从中可猎取所需要的干净能源。因此有专家估计，采用C02 制造生物能源特殊是氢能将是本世纪大有盼望而较为抱负的能源供应。六、微生物发酵生产乙醇大有可为乙醇俗称酒精，即用于医药、化工，又是将来要进展的一类

10、无污染的干净 能源，也是重要再生能源之一，具有燃料完全、效率高、无污染等特点。用它 稀释汽油所配置成乙醇汽油，替代含铅汽油，功效可提高15%左右。据报告，巴西已改装乙醇汽油”或酒精为燃料的汽车达几十万辆，大大 削减大气污染。既然乙醇用于汽车燃料显示其优越性，那么如何采纳最正确途径 来生产乙醇呢？其中采纳最经济而有用的方法制取乙醇有两方面值得仔细考虑：一是采用废弃的农业秸秆为原料生产燃料乙醇；二是培植绿藻生产乙醇。就前者而言，秸秆在全球是一类量大面广的作物废弃物，我们我国每年有 6.5亿吨秸秆的产出，直接燃烧污染环境，假如采用这些秸秆哪怕是一局部生 产燃料乙醇的话，那是一件利国利民的事，有利于爰

11、护生态环境。假如采用乙 醇作为汽油添加剂来代替现用的含铅汽油添加剂甲基叔丁基醛(MTBE ) 的话，那么不管是改造汽油提高效率或是爰护生态环境是特别有益的，很有商 业潜力。2年前在美国燃料用乙醇达413万586万吨，约占美国乙醇消费量的 83%87% ;目前我们我国燃料乙醇生产及市场都是空白。然而，乙醇作为一 种有效的汽油含氧添加成分是有其优越性的，在美国，有8%的含氧物汽油中 所添加的含氧物是乙醇，而现在MTBE的替代物只有乙醇。有报告指出，美国 加州至少有1万处地下水受到渗漏的MTBE污染，全美国那么有14%的饮水井被 污染，而MTBE是动物的致癌物，对人体健康也有潜在的危害。政府一方面禁

12、 止汽油中使用MTBE添加剂；另一方面乐观进展乙醇作为其替代物的生产。美 国加州一个州今后2年每天需要乙醇达3.5万桶(注：美制1桶=31,5加仑)， 5年后需求量将为9.5万桶。为此，美国的乙醇生产商已在扩大乙醇的生产力 量；无疑，MTBE的禁用给乙醇工业带来无限商机。从今也可以看出，把握开 发燃料乙醇的商机正是进展绿色新能源的必需。在我们我国，有条件，有力量, 也有技术充分采用废弃的各类秸秆实现资源化或能源化是完全可能的。每年只 要从6.5亿吨秸秆中采用1亿吨来生产燃料乙醇的话，那么乙醇产量可达2000 万吨。据有关专家对其经济评估，认为以秸秆为原料生产乙醇的本钱低于用粮 食发酵生产乙醇的

13、本钱；而高于炼油厂生产汽油的本钱，但与汽油添加剂 MTBE相比更显示其竞争力。尽管秸秆生产燃料乙醇有它肯定特色和优越性， 但对其生产工艺和效力尚需作进一步探究。至于绿藻制取乙醇与传统微生物发 酵途径生产乙醇是大不相同的。绿藻是一类自养型真核生物，其中如单细胞小 球藻用来开发新能源很有潜力。日本一家公司的讨论小组从表层海水中获得一 种叫Tit-1的海藻新品种，类似小球藻，白天它与一般植物一样在光照条件下将 C02转化为淀粉贮藏起来，还能在弱光或厌氧条件下将淀粉转化为乙醇，有其 特点：不会造成环境污染,能汲取大气中C02 ,大大减轻温室效应，并获得乙 醇产品。这种自养型与异养型的有机结合生产乙醇是

14、个典型实例，具有独特的 优越性。总之，上面提到的六个方面不管以何种形式获得各种不同的燃料或能源， 作为一类不污染环境的一代干净生物燃料或生物能源均有绿色能源”之称， 是将来能源建设的进展方向。现代文明进步，人类的生存与进展，迫切需要干 净新能源和无污染的生态环境，它们彼此之间是紧紧联系在一起的。可以预料, 21世纪随着各项建设的需要和科技进步，绿色能源必将得到进一步进展。混合动力技术随着世界各国环境爰护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也 越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。目前最有有用 性价值并已有商业化运转模式的，只有混合动力汽车。通常说的混合动力是指 油电混合

15、动力，即燃料（汽油、柴油）和电能的混合。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车 整车性能。经过十多年的进展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散 结构向发动机电机和变速箱一体化结构进展，即集成化混合动力总成系统。混 合动力汽车是由电动马达作为发动机的帮助动力来驱动汽车的。混合动力汽车的燃油经济性能较高，行驶性能优越，在起步、加速时，由 于有电动马达的帮助，可以降低油耗。帮助发动机的电动马达可以在启动的瞬 间产生强大的动力，因此，车主可以享受更强进的起步、加速，实现较高水平 的燃油经济性。混合动力总成按动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混合式三种。(1 )串联

16、式混合动力汽车SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总 成组成，发动机、发电机和驱动电动机采纳串联”的方式组成SHEV的驱动 系统。SHEV用发动机-发电机组均衡的发电，电能供应驱动电动机或动力电池 组，电能通过掌握器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车， 使SHEV的行驶里程得到延长。实际上SHEV的发动机-发电机组只能看做一种 电能供应系统，发动机并不直接参加SHEV的驱动、SHEV的发动机，可采纳四 冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发动机和燃气轮机。发动机、发电机组，发 动机的转速掌握在肯定范围内，不受SHEV运行工况的影响，常常保持在低能 耗、高效率和低污染的状态下运

17、转。SHEV驱动系统的结构比拟简洁,动力电池组、发动机-发电机组和驱动电 动机在底盘上的布置有较大的自由度，掌握系统也比拟简洁，由于只有唯一的 电动机驱动模式，其特点是动力特征更加趋近于SHEV。SHEV必需装置在一个 大功率的发动机-发动机组，再用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发动机和驱 动电动机的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驱动功率,在热能-电能一 机械能之间的转化过程中，总效率低于内燃机汽车。三大动力总成的体积较大, 质量也较重，还有浩大的动力电池组，使得在中小型汽车上布置有肯定的困难, 一般适合大型客车采纳。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电 驱动

18、电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时，发动机-发电机组和电池组共 同向电动机供应电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，那么由电池组 驱动电动机，当电池组缺电时那么由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构 适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最正确工况点四周 稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来到达调整车速的目的。像发动机避 开了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，削减了废气的排放。 但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。(2)并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系 统，可以分别独立地向汽车传动系统供应扭矩，在不同的路面上既可

19、以共同驱 动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构 供应动力，一旦汽车车速到达行驶速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。 电动机可以作为发电机使用，称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机，发 动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统， 机械效率损耗与一般汽车差不多，得到比拟广泛的应用。（3）混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机 和电动机，依据助力装置不同，它又分为以发动机为主和以电机为主两种。以 发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为帮助动力源；以电机为主 的形式中，发动机作为帮助动力源，电机为主动力源

20、。该结构的优点是掌握便 利，缺点是结构比拟简单。能源危机不仅现在存在，在过去也是始终存在的，并且将来的危机更严峻！所 谓能源危机，是指可供我们人类采用的能源的不充分，而不仅仅指能源本身的 缺乏。1 .能源转化的方向性。并不是全部的能源都能够被人类采用。比方内能，其它 能的形式转化为内能比拟简洁，而将内能转化为其他形式的能源就很难办得到。2 .能源分布的不均性。可以说在地球上几乎全部的能源都来自于太阳，但是由 太阳能转化成的各种能量形式在地球上的分布并不匀称，比方沙漠地带，太阳 能充分，但却无人居住。3 .日益增加的人口导致能量安排缺乏。由于石油、煤炭等目前大量使用的传统 化石能源枯竭，同时新的

21、能源生产供应体系又未能建立而在交通运输、金融业、 工商业等方面造成的一系列问题统称能源危机。依据经济学家和科学家的普遍估量，到本世纪中叶，也即2050年左右， 石油资源将会开采殆尽，其价格升到很高，不适用于群众化普及应用的时候， 假如新的能源体系尚未建立，能源危机将席卷全球，尤以欧美极大依靠于石油 资源的兴旺我国受害为重。最严峻的状态，莫过于工业大幅度萎缩，或甚至由 于抢占剩余的石油资源而引发战斗。为了避开上述窘境，目前美国、加拿大、日本、欧盟等都在乐观开发如太 阳能、风能、海洋能（包括潮汐能和波浪能）等可再生新能源，或者将留意力 转向海底可燃冰（水合自然气）等新的化石能源。同时，氢气、甲醇等燃料作 为汽油、柴油的替代品，也受到了广泛关注。目前国内外热忱讨论的氢燃料电 池电动汽车，就是此类能源中介应用的典型代表。