主题:【分享】七大颠覆性技术破解能源危机

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通用汽车公司制造的原型机由一条仅10克重的合金带来产生两瓦特功率,可以点亮一盏小灯。布朗声称,10年内,这种发电机产生的功率就会提高到商用的标准。他还补充说,为家用电器或发电厂冷却塔安装这种记忆合金热力发电机,不存在任何技术障碍。该项目的合作者、美国HRL实验室的材料科学家杰夫·麦克奈特(Geoff McKnight)说,这种合金为先前被认为是无法实现的一些应用领域开辟了新天地,因为即使温差只有10℃,它们也可以使用。

  通用汽车公司的设计并不复杂,但离实用仍很遥远。形状记忆合金容易疲劳,会变得脆而易碎;需要连续处理3个月才能重新回到“本态”的形状记忆;合金线很难组合成带;如何解决利用空气来有效加热和冷却合金带也是一个挑战。布朗没有具体说明目前如何解决这些问题,而只提到他们不断调整合金线的直径、形状,以及加热和冷却的方式。换句话说,他们正在调试“科学上的和人能想象得到的”所有参数。

  通用汽车公司并不是唯一一家试图利用废热来产生能量的机构。美国伊利诺伊大学的桑吉夫·辛哈(Sanjiv Sinha)正在研发一种可弯曲的固态材料,它也能将热力转化为电能。如果热力发电机能被安装在现有或未来的设备中,它就会有近乎无限的应用前景:从数千座的冷却塔和工业锅炉,到数以百万计的家用暖气、冰箱和烟囱,还有拖拉机、卡车、火车和飞机。全世界会有数百亿亿焦耳的能量可以被回收利用,极大降低化石燃料的消耗。
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一个多世纪以来,几乎所有轿车和卡车都使用的是活塞式发动机。即便是目前最新型的混合动力车,以及雪佛兰沃尔特电动车这样的全新概念车,也都还在使用小型活塞式发动机来提供动力和为电池充电。然而,美国密歇根州立大学正在研发一种完全不同的、不使用活塞的发动机。它被称为波—转子发动机(wave-disk engine)或冲击波发动机(shock-wave engine)。如果取得成功,未来混合动力汽车的油耗就能降低80%。

  密歇根州立大学机械工程教授诺伯特·穆勒(Norbert Müller)是发明者之一,他说,这种紧凑型发动机仅有家用蒸锅大小,需要的部件也比活塞式发动机少得多。这种发动机将不再需要活塞、连杆和汽缸。重量的减轻和燃油效率的提高“能在消耗同样数量燃料的前提下,让一辆装备再生制动装置的插电式混合动力车的行驶距离增加4倍,相应的二氧化碳排放量也会减少80%”。不仅如此,该系统还能使制造成本降低30%。

  在位于美国东兰辛的实验室里,穆勒和他的研究组正在测试一部波—转子发动机原型。他们的目标是,制造出一台25千瓦(33马力)功率发动机。他希望首台发动机能量转化效率可达30%左右,而目前最好的柴油发动机所能达到的效率是45%。但是,他对改进型发动机能够将效率提升到65%持乐观态度。
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在传统电火花点火发动机中,火花塞引燃汽缸中汽油和空气的混合物,来推进活塞驱动曲柄轴,曲柄轴再带动车轮旋转。柴油发动机是通过活塞来高度压缩燃料和空气,将它们点燃。燃烧的气体膨胀,将活塞推回去,进而带动曲柄轴。

  在波—转子发动机设计中,产生动力的过程是在一个旋转的涡轮中进行的。涡轮就像平放在桌面上的电脑风扇(转子),有许多弯曲的叶片和外壳。压缩后的高温空气和燃料经过位于中央的轴,被导入叶片之间的空隙。当高度压缩的混合气体被点燃时,燃烧的气体在有限空间里急速膨胀而形成冲击波,压缩剩余部分的空气;从外壳上反射回来的冲击波也会进一步压缩和加热空气。最后,经过压缩和加热的气体会在恰当时机通过外壳释放出去。压缩气体在弯曲的叶片上施加的力,和气体喷射产生的力一起,驱动转子旋转,进而带动曲柄轴。

  据波—转子发动机的另一发明人,波兰华沙科技大学(Warsaw University of Technology)的副教授雅努什·皮埃切纳(Janusz Piechna)介绍说,从1906年起,工程师们就开始研究波—转子装置了,而且它们已经被用在了一些赛车的增压器里。但是,穆勒说,里面不稳定的气流非常难控制。要想预测这些间歇性气流极其复杂的非线性行为,需要进行精细的数值计算,这类计算一直都因为太过费时或不够精确而无法达到要求,该问题直到近几年才得以解决。目前,密歇根州立大学和其他一些研究机构正通过高仿真模拟,来辅助叶片几何形状的精密设计,以及精确到零点几秒的燃烧时间控制,期望得到最佳性能。

  计算机模型能否最终变成在路上跑的实际产品,我们还不得而知。“波—转子技术的应用可能会很困难,”丹尼尔·E·帕克森(Daniel E. Paxson)说,他在美国航空航天局戈兰研究中心(NASA Glenn Research Center)从事流体模型设计。帕克森认为,密歇根州立大学的研究 “毫无疑问是超前了”。他的评论既包含着务实的怀疑,更有从创新角度的赞赏。“无论最终的结果是什么,我确信他们都会学到很多”。

  穆勒相信,他的研究组最终能制造出合适的波—转子发动机,并将它们成功应用于更清洁的混合动力车上,从小型摩托车到家用轿车和运输卡车,他对此似乎毫不怀疑。“这只是时间、努力和想象力的问题,当然,还有资金问题”。
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在日常生活中,我们通常使用空调、冰箱和冰柜来制冷,但它们都需要能量驱动,所消耗的电能占到美国家庭耗电量的1/3。而一项依赖于磁体的全新制冷技术,能显著降低这部分能耗。

  大多数商业化制冷机,都是通过反复压缩和膨胀气体或液体制冷剂来制冷。随着制冷剂的循环,能将热量从房间或设备中吸出带走。然而,压缩机的能耗巨大,并且要是最常用的那些制冷气体泄漏出去的话,它们的每一个分子对大气层的加热效率要比一个二氧化碳分子至少高1 000倍。

  美国宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人员正在研发一种不使用压缩机,而是基于磁体的新型制冷机。从某种程度上来说,所有磁性材料都会在被置入磁场后升温,在移出磁场后降温,这一特性被称为“磁致热效应”(magnetocaloric effect)。原子通过自身振动贮存能量;而当外加磁场将金属中的电子有序排列,并阻止它们自由移动时,金属原子的振动就会加强,温度随之增加。移除磁场后,温度则会降低。虽然这一效应早在1881年就被发现,但它的商用价值却一直被人忽视。这是因为,从理论上来说,只有在极低的温度下使用超导磁体,才能将这种效应最大化到产生可利用的效果。然而在1997年,美国能源部爱艾姆斯实验室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科学家偶然发现,一种由钆、硅和锗构成的合金能在室温下显示出巨大的磁致热效应。自那时起,美国宇航公司还陆续把注意力集中在具有同样性质的其他合金上。
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目前,美国宇航公司正在设计一种空调,目标是为面积约100平方米的公寓或住宅制冷。这种空调里有一个小而平的、由某种此类合金制成的多孔楔形体构成的圆盘。在圆盘两侧,固定着一个环形永磁体。磁体中空,里面分布着强磁场。当圆盘旋转时,每一个磁致热楔形体会通过这个通道而升温,然后继续转出磁场范围而冷却。在系统内部循环的液体被这些旋转的楔形体反复加热和冷却,冷却后的液体就能从房间中吸走热量。精心设计的磁体能够防止磁场从设备中溢出,所以它不会影响到附近的电子仪器或人身上的心脏起搏器。

  在传统制冷机中,核心部件是压缩机。而在磁体制冷机中,核心部件是带动圆盘旋转的马达,而马达通常要比压缩机的能量效率高得多。美国宇航公司的目标是在2013年制造出一台原型机,能在达到同样制冷能力的情况下将耗电量降低1/3。磁体制冷机还有一个额外的显著优点:它只是用水来输送热量,“你没法找到比水更环保的材料了,”美国宇航公司技术中心经理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)说。

  但是别说把这项技术实际应用于冰箱和冰柜,即便是仅仅制作一台原型机,也需要跨过许多障碍。首先,如何控制水流通过多孔的楔形体就是个棘手的问题,因为圆盘要以每分钟360~600转的速度高速旋转。此外,磁体由一种昂贵的钕—铁—硼合金制成,因此,如果要想商业化生产,在仍能保持提供足够强磁场的前提下尽可能小型化也是必要的。正如加拿大维多利亚大学(University of Victoria)的机械工程师安德鲁·罗(Andrew Rowe)所说:“这是一项高风险技术,但它有巨大的应用潜力,而且就其突出的性能而言,也值得去努力。”

  研究人员还在试验其他一些特殊制冷技术。美国Sheetak公司,正在研发一种完全不使用制冷剂的制冷设备,它依赖于一种所谓的“热电材料”(thermoelectric material),充电时,这种材料的一面变冷,而另一面变热。不管怎样,降低燃料消耗和减少温室气体排放总会为我们带来一个清凉的世界。
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煤炭是美国最便宜、最丰富的能源,但由于含碳量最高,它也是引起气候变化的主要原因。工程师设计出了多种途径和方法,以在火力发电厂排放废气前清除掉其中的二氧化碳,但这么做的最大问题是,这些工序会消耗煤炭燃烧所产生能量的30%,让所谓的“可清洁燃烧煤炭”概念难以令人信服。

  然而,清除废气中二氧化碳的设想确实令人向往,所以,美国能源部高级研究计划局能源项目部以及其他一些机构,一直都在为此类可能降低该工序能耗的研究提供资金支持。

  其中,美国圣母大学能源中心(University of Notre Dame’s Energy Center)的一种设计尤其引人注目,他们使用了一种被称为“离子液体”(ionic liquid,本质就是一种盐)的新型材料。这种材料的第一个好处是,它所能吸收二氧化碳的量,两倍于其他化学结构类似的碳吸收材料。另一个优点是,在吸收过程中,这种盐会经历一个从固态到液态的相变,这种变化释放的热量能被回收利用,将碳从液体中汲出,便于后续处置。

  “我们的模型显示,应该能将(除碳工序的)能耗降低到22%或23%,” 能源中心主任、化学工程师琼·F·布伦内克(Joan F. Brennecke)说,“我们希望最终能降低到15%。”她的研究团队正在制造一个实验室规模的装置来演示这项技术。
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