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能源，它没有火力发电站那样的环境污染，也不存在核电站那样的潜在污染
和危险，又不会产生任何难以处理的有害废料。同时，它还是最廉价的能源，
水电的生产成本只有火电的 1／3，而且其资金积累也比火电快 1 倍。因此，
世界上许多发达的工业国都很注意尽早地开发水能资源，它们的实际开发量
已达到可开发量的 40％～95％。特别是 1973 年西方发生能源危机以来，水
电的身价更是倍增。所以，水能已成为目前世界上唯一实际大规模应用的可
再生能源。
但是，任何事物都不是十全十美的，水力发电也还有一些缺点值得考虑
和克服。譬如，一般来说，水电站的投资较大，建设周期较长；筑坝蓄水—
—建水库，会淹没大片地区，还会限制鱼群的回游，改变河流中淤泥的流动
方式，使水库本身淤塞等等。我们相信，这些问题，随着科学技术的发展和
社会的进步，将来一定能得到妥善的解决，水力发电技术会跃向更高的水平。
捕捉新能源
最干净的能源——氢
虽然现在有了那么多种燃料，但是真正在燃烧时完全没有污染的燃料只
有一种，那就是氢。正如我们在前面讲过的，煤炭石油等燃料都不是单质，
它们燃烧时总会产生许多污染物，这些污染物无论用多么先进的技术处理，
也不可能完全消除得干干净净。然而，氢的燃烧生成物只是水，没有其他物
质生成，对环境没有任何污染。而且氢的热值高，每克液氢燃烧可产生 120
千焦耳的热量，是 1 克汽油燃烧放出的热量的 2．8 倍，其使用安全性也和汽
油差不多。氢的储运性能好，使用也方便。其他各类能源都可以转化成以氢
的方式进行储存、运输或直接燃烧使用。氢可以说是未来最理想的燃料。
氢是这样发现的。18 世纪，瑞典一位名叫卡尔·舍勒的年轻药剂师，对
化学很有兴趣，一天到晚孜孜不倦地实验。有一次，他把铁屑放进瓶子里，
再倒进稀硫酸，结果瓶里冒出了气泡。他赶紧把插有玻璃导管的木塞往瓶口
一塞，让气泡沿着管子往外走。然后，他为了看个仔细，把一支点燃的蜡烛
靠近管口，不料，逃出的气泡居然着了火，舔出细长的浅蓝色火舌。
最初，他只知道这种气体可以燃烧，并不知道它是什么，因此，他把这
种气体叫做可燃空气。后来，人们发现可燃空气是所有气体中最轻的一种。
我国最初把它叫做轻气，后来，统一命名后才叫它为氢气。
当欧洲发现氧气以后，英国科学家亨利·卡文迪许又做了一个实验。他
把氧气与氢气放在容器里混合，然后，一通电，电光一闪，两种气体在容器
里爆炸开了，水珠儿接着一滴滴落了下来。一个重大发现产生了：通过放电
可以使氢气和氧气结合成水，水是由氢、氧组成的。
氢的特点是重量轻、可以燃烧，而且能量大得吓人。1977 年 11 月 19 日，
印度安得拉邦马德里斯海港外狂风怒吼，巨浪翻天，海面突然燃起大火，光
耀几十千米，唬得人们瞠目结舌。后来才知道，那是由于强烈的飓风掠过海
面，摩擦海水，引起高热，使海水分解出氢和氧，同时，飓风中的电荷使氢
发生爆炸、燃烧，才引起一片火海。因此，氢是代替石油和煤炭的一种新能
源，是十分理想的新燃料。
氢作为能源，有其他能源无法比拟的优越性。氢燃烧产生的热量大约是
等量的汽油或天然气燃烧产生的热量的 3 倍。氢燃烧后的产物是水，不污染
环境，而且，还能循环使用。为此，氢被人们誉为天字第一号的干净燃料。
近几年来，液态氢已被广泛地用作人造卫星和宇宙飞船的能源。科学家们预
言，氢将是 21 世纪乃至更远时代的燃料。
1990 年 5 月份，在德国汉诺威工业展览会上，展出了一辆氢气轿车。这
种轿车的油箱里容纳的氢气不太多，只能近距离行驶，长途行驶必须不断充
氢气。专家们估计，这种轿车到 21 世纪，就可以正式启用，进入国际市场。
氢活泼可爱，惹人们喜欢，但要制取氢，并不是容易的事情。
科学家已经证明，水是由氢和氧组成。如果能从水中制取氢，氢将是一
种价格便宜的能源。
如何用水制造氢呢？最简单的办法是电解水，利用电能分解水，取得氢。
用这种方法制氢，可以得到纯度 99．99％的氢。电解水制氢的缺点是耗电量
很高，生产 1000 克的氢，需要用 60 度左右的电，所以，并不合算，不能大
量使用。
也可利用太阳光直接加热分解水制取氢。这种方法是让水先“吃”些催
化剂，水吃了催化剂，就听话多了，只要有阳光就能使水分解产生氢。从 1978
年以来，人们使用的催化剂已多到几百种。尽管如此，这种制氢方法还处在
试验阶段，需要进一步改进和完善。
太阳能电池有一种特性，一接触到太阳光，就会产生电。因此，人们利
用太阳能电池直接分解水产生氢气，制氢率达到 12％。这是一种很有前途的
制氢方法。
300 多年前，有人把一根柳条插入一只装满泥土的木桶里。他除了浇水，
什么肥料也不加。5 年以后，柳条长大成树。人们奇怪，柳树靠什么长大？
现在知道了，柳树和所有绿色植物的叶片中，有许多专门制造养料的叶绿体。
叶绿体靠内部的叶绿素和各种催化剂，在阳光照射下，吸收空气中的二氧化
碳和土壤中的水分，制造满足自己生长的养料，同时还放出氧气，这是叶片
的光合作用。
1942 年，科学家观察一些藻类的生长，发现减少二氧化碳的供应，绿藻
在光合作用下停止放氧，转而生氢。现在已经找到 16 种绿藻有生氢的能力。
这样，一种最有发展前途的制氢方法——生化制氢产生了。科学家已制成了
用叶绿体制氢的装置，用 1 克叶绿素在 1 小时内可生产 1 升的氢气。
贮藏氢，通常用钢筒。但是，氢的脾气暴躁，稍不小心，在氢中混入空
气，溅入火花，它会像一颗炸弹那样发生爆炸，所以，钢筒贮氢既装不多，
又不太安全。运输氢气，现在常用管道运送，费用省、运得远。不用氢气时，
关闭出口，氢气停止前进，原地贮藏。
科学家发现有些金属，如钛、镁等，能像海绵吸水一样将氢吸入储存起
来，这种金属被称为储氢金属。用储氢金属储氢，不仅安全，而且还能根据
需要随时将氢释放出来，大大方便了氢的储存和运送。
氢的燃烧和使用有多种方法。直接燃烧是不理想的，因为直接燃烧会促
使空气中的氮和氧化合成氮氧化物污染环境，而且容易发生回火现象，引起
事故。现已设计制成了催化燃烧炉，用金属氧化物使氢得到催化燃烧，这样
安全、没有污染、热效率高（比直接燃氢，利用率提高 20％），这样的催化
燃烧炉可用作炊具和室内取暖。
以氢为燃料的动力装置如喷气发动机、涡轮发动机、燃气轮机等，目前
仍处于研究试验阶段。它们运行起来噪音小、无污染、热效率高。
原子能
1942 年 12 月 2 日，下午 3 点 25 分，在美国芝加哥大学斯特哥菲尔德体
育场西看台下面的网球场里，由著名物理学家费米博士领导的科研小组，破
天荒地实现了受控的原子核链式裂变反应。从此，地球人类进入了核能新时
代。链式反应研究项目的提出者和协调人康普顿终于沉默不下去了，跑到电
话机旁，小心翼翼地打了一个电话到华盛顿。
当时正是第二次世界大战期间，反法西斯战争已进入艰苦卓绝的阶段。
以研制核弹（当时称原子弹）为直接目标的曼哈顿工程，就是爱因斯坦等著
名科学家为了防止纳粹德国首先掌握核武器，而向美国总统罗斯福建议后，
经政府批准实施的。
原子弹就是原子能的一种应用。原子能具有无与伦比的巨大能量，是一
种高效能源。
原子弹的爆炸成功，标志着人们彻底打开了原子能这座壁垒森严的能源
宝库大门，从此，原子能便在能源舞台上充分施展出它的才华。
实际上，原子能的开发，应该是自 1896 年居里夫妇从沥青中提炼出放射
性元素镭之后，就开始踏上征途的。
由费米博士领导建立起来的这世界上第一座原子反应装置，是用大量的
装着铀的空心石墨块“堆”起来的，因此人们便把它定名为“原子反应堆”，
后来多称“核反应堆”。这个建在芝加哥大学斯特哥菲尔德体育场看台下的
反应堆取得成功，证明了制造原子弹与和平利用原子能已不再是幻想，而是
指日可待了。所以，人们通常把 1942 年 12 月 2 日作为人类步入了原子能时
代的起始点。从此，原子核裂变能的利用以惊人的速度发展起来。
两年半以后，即 1945 年 7 月，原子弹研制成功。
1954 年，前苏联建成世界上第一座原子能发电站，发电能力为 5000 千
瓦。同年，美国建造的第一艘核潜艇“舡鱼”号下水。
1956 年，世界上第二座原子能发电站在英国运行，发电量为 9．2 万千瓦。
1958 年，美国建成的第一座真正工业规模的核电站，在宾夕法尼亚的西
平波特开始运行。
秦山核电站是我国第一座自行设计和建造的核电站，它坐落在濒临杭州
湾的秦山，距上海 130 千米，厂区一面临海，三面环山，并以人工围了 8 米
高、1700 米长的保护坝。广东深圳大亚湾核电站是我国又一座核电站，安装
两台 90 万千瓦的核电机组，1993 年 8 月，一台机组并网发电，预计全部建
成后，年发电量可达 100 亿度。在 2000 年以前，我国还准备在东北、华东等
地区建造几座中型核电站。
在能源家族中，继化石燃料——煤、石油、天然气之后，核燃料是人类
利用的最重要的能源，也是最有开发前途的能源。原子核能的广泛利用，必
将大大增强人类支配自然界的能力。
太阳能
人们认真地考虑利用太阳能的问题，严格说只是最近二三十年的事。一
般认为，人类进一步（或者说，真正大规模地）利用太阳能，是以法国比利
牛斯山巅的巨大的太阳炉为象征的。1973 年，法国国家科研中心在南部比利
牛斯山上的奥德约山村，修建了世界上第一个最大的太阳炉。即使到今天，
它依然是世界上最大的太阳炉。它的由 9000 块反射镜组成的、总面积达 2500
平方米、有 9 层楼那么高的聚光器，把安装在对面山上的 63 块巨型平面镜反
射过来阳光，聚集到前面高塔上的炉子里，能够产生 3000℃的高温，可以在
30 秒钟内把钢轨烧个洞。除了用它进行高温科学研究外，这座太阳炉每天还
能生产两三吨氧化锆和氧化钍等耐火材料。从此以后，世界上许多国家都把
研究太阳能的开发和利用作为重要的能源战略和政策。例如，1978 年美国总
统卡特宣布，每年的 5 月 3 日为“太阳日”。这一天，美国的 450 个城市，
乃至世界上 30 个国家一百几十个地区，成千上万的人聚集在庭院里、广场上
和公园里，举办新奇的太阳日活动。美国的总统、比利时的国王、英国的议
员、著名的科学家、演员、老人和儿童都一起来“参拜太阳”。画有太阳日
徽记的气球和风筝冉冉升空，随风起舞。人们坐在草地上，用太阳能煮咖啡、
烤饼干。演员和孩子们表演着有关太阳能的节目。此外，美国国会还在太阳
能研究所建立了太阳能情报资料中心；又成立了一家资金为 4 亿 5 千万美元
的太阳能开发银行，专门资助各种机构开发太阳能。
日本政府 1974 年制订了名为“阳光计划”的太阳能应用开发计划。其中，
把太阳能发电、太阳光发电、太阳能取暖与致冷系统、太阳能热水系统、民
用和工业用太阳能系统等作为开发重点。该计划的执行，使日本跃入世界上
开发利用太阳能的先进国家。目前，日本的太阳热发电站和太阳能电池等都
已达到世界一流水平，特别是在研制单晶硅体材料的太阳光电池方面，居世
界领先地位，并在 1989 年研制出了当时世界上转换效率最高的单晶硅太阳光
电池。这种电池的转换效高达 18．1％，而一般的在 15％左右。1988 年初，
日本的一位研究人员还提出了一个联合利用太阳能发电和超导输电技术的庞
大计划。他设想，在全球布置好一些太阳能发电站，采用超导电缆把日本、
美国、前苏联、西欧和中国等连接起来，再利用地球自转产生的时差，来满
足全球对电力的大量需求。
除美国和日本等国家外，法国、澳大利亚、德国、荷兰、瑞典和希腊等
国对开发利用太阳能也都比较积极，并取得了很好的成绩。国际标准化组织
已在澳大利亚的悉尼市成立了一个着手制订太阳能工业国际标准的组织——
太阳能技术委员会。澳大利亚科学院正在积极推行一项研究计划，以保证到
2000 年全国所需能源的 1／4 来自太阳能。瑞典也发表了雄心勃勃的“太阳瑞
典”计划。
我国太阳能资源十分丰富，占世界第二位。太阳能年辐射总量超过 140
千卡／平方米（全年日照 2000 小时以上）的地区约占全国面积的 2／3。特别
是华北、西北和青藏高原，干旱少雨，全年日照超过 2500 小时；西藏的日喀
则和拉萨更是得“日”独厚，号称“日光城”。总之，我国利用太阳能的潜
力很大，开发研究与实际应用近期业已起步，有许多工作等待我们，特别是
少年儿童——新世纪的主人们去做。
利用太阳能有两种途径：光利用和热利用。
太阳辐射的光子能引起物质的物理和化学变化，光利用有三种主要形
式：（1）光合技术。即生物转换，植物通过光合作用产生出有机物质，这些
有机质作为燃料时，可以直接燃烧，也可以加工成沼气或乙醇等，我们将在
下一部分“柴草木禾的重新开发——生物质能”中详述；（2）光化学技术，
即把化合物分解，如把水分解成氢和氧，然后把氢作为燃料，这种方法目前
的效率还很低；（3）光电技术，即用太阳能电池直接把太阳能转换成直流电
能。光电技术为没有电网的边远地区提供电力开辟了道路。光电技术发展很
快，硅太阳电池板的转换效率从 5％提高到将近 20％，太阳能电池从单晶硅
发展到多晶硅和非晶硅，后两种虽然转换效率稍低，但成本大大下降，每峰
瓦（在太阳能密度 1000W／平方米的情况下）的成本从 50 美元降到 5 美元以
下。
太阳能的热利用也可以分为三种。（1）高温系统。用旋转抛物面反射镜
组成盘状集热器，持续追踪太阳光，将热量集中起来，驱动热机发电。单机
发电功率可达 25 千瓦。现已制成 3—5 万千瓦的太阳能汽轮发电机系统。（2）
中温系统。用柱状抛物面反射镜把阳光集中在管状吸收器上，用来生产工业
用蒸汽。（3）低温系统。在 100 度以下温度运行，主要用于建筑物采暖和制
冷以及供应热水。
太阳热水器
我国已有二三十年生产和应用太阳能热水器的历史。全国太阳能热水器
的总使用面积已达二三百万平方米，其中绝大多数为居民生活用热水器。它
们在节约常规能源，减少环境污染，改善人民环境卫生方面做出了贡献。
太阳能热水器的关键技术在于集热（集热器）和保温（贮热水箱）。供
家庭使用的整体式热水器把集热器和贮热水箱合二为一，结构简单，容易安
装，价格也较低。循环式系统的集热器和保温贮热水箱互相分开，可以用泵
送或自然循环的方式运行。这样的集热器大多数采用平板型集热器供应热
水，温度在40—70 度的范围内。中国已经建立了平板型集热器热性能试验方
法和产品技术条件的国家标准。近来，又与外国合作研制了新型的真空管式
集热器，接近了世界先进水平。
太阳能干燥器
中国广大农村农产品的干燥都是靠露天晒，易受污染和气候影响。如麦
收时节常有阵雨，使得小麦损失不少。80 年代以来，中国农村新能源开发的
一项重要内容就是利用太阳能干燥器来干燥农副产品、食品、木材、中药材
以及工业原料等等。这比用火烤安全并节约燃料，降低产品成本；比起露天
晾晒卫生，减少了污染，提高产品质量；还可以提高生产效率。各地的太阳
能干燥器种类不同，大致可归结为以下 5 种形式：温室型、集热器型、混合
型、聚光型和整体式太阳能干燥器。
被动