能源儲(chǔ)存之一

能源問題就好像一枚硬幣的兩面，一面是我們從哪里取得能源，就是能源的采集問題，筆者在上幾期中已經(jīng)簡(jiǎn)要地介紹了幾種主要的新能源，尤其是可再生新能源，包括風(fēng)能、太陽能等，另一面是如何儲(chǔ)存采集到的能源，我童年的時(shí)候，看過一部叫做《變形金剛》的動(dòng)畫片，對(duì)片中“擎天柱”和“霸天虎”爭(zhēng)奪能量塊的情節(jié)記憶猶新，因?yàn)槟芰繅K可以供他們完成星際旅行，動(dòng)畫片的情節(jié)很精彩，可是在現(xiàn)實(shí)中，能量的儲(chǔ)存就不那么簡(jiǎn)單了，能源儲(chǔ)存的問題不僅僅是國(guó)際科學(xué)界和工程界非常關(guān)心的學(xué)術(shù)問題，它已經(jīng)開始牽動(dòng)社會(huì)的敏感神經(jīng)，因?yàn)樗慕鉀Q關(guān)系著國(guó)計(jì)民生，甚至關(guān)系著國(guó)家安全。

能源儲(chǔ)存的分類

能源儲(chǔ)存從宏觀上大致可以分為兩種：其一是化石能源的儲(chǔ)備；其二是非化石能源的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存，我們知道化石能源包括煤炭、石油和天然氣等，這些能源是以實(shí)體物質(zhì)的形式存在的，具有質(zhì)量和能量的一一相對(duì)應(yīng)關(guān)系，化石能源可以通過各種方式轉(zhuǎn)化成固態(tài)或液態(tài)，從而方便地運(yùn)輸和儲(chǔ)存，對(duì)于化石能源，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)通常可以通過制定相應(yīng)的政策、戰(zhàn)略，進(jìn)行儲(chǔ)備，辦法包括對(duì)本國(guó)已經(jīng)探明的儲(chǔ)量不開采或者推遲開采：或者建立國(guó)家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫，大量購(gòu)買別國(guó)的能源，將其儲(chǔ)存起來暫時(shí)不用，比如美國(guó)從中東大量購(gòu)買原油，而對(duì)本國(guó)的原油不加開采，就是個(gè)例子，我國(guó)目前認(rèn)識(shí)到了化石能源儲(chǔ)備的緊迫性，已經(jīng)擁有了第一批能源儲(chǔ)備庫，據(jù)悉今后將逐步擴(kuò)大儲(chǔ)備容量，第二種，即非化石能源的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存，這是本文所關(guān)注的，它的難點(diǎn)不在于政策層面，而是在技術(shù)層面，

非化石能源為什么需要儲(chǔ)存?很多種新能源雖然能量強(qiáng)大，資源豐富，但我們并不能直接拿來使用，比如風(fēng)能中蘊(yùn)涵的機(jī)械能，或者太陽光中的電磁波能，大部分情況下部是無法直接使用的，當(dāng)然了，風(fēng)能可以幫助航船，太陽光可以幫助取暖，但是你不能用風(fēng)能煮飯吧，這里順便插一句，機(jī)械能是否可以儲(chǔ)存并派上用場(chǎng)呢?答案是肯定的，舉個(gè)例子，壓縮空氣動(dòng)力汽車，它的發(fā)動(dòng)機(jī)可不是由燃燒汽油或者柴油產(chǎn)生大量氣體，然后通過氣體膨脹推動(dòng)活塞來取得動(dòng)力的，壓縮空氣動(dòng)力汽車沒有油箱，有的是一個(gè)高壓氣罐，車發(fā)動(dòng)之后，高壓氣罐里輸出高壓空氣，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞做功從而驅(qū)動(dòng)汽車，這是一款真正的“氣車”，你一定有過這樣的經(jīng)歷，吹了一個(gè)很大的氣球，但是氣球嘴兒沒有扎好，結(jié)果氣球跑掉了，并且在隨后的幾秒鐘內(nèi)飛來飛去，其實(shí)飛動(dòng)的氣球和壓縮空氣動(dòng)力汽車的動(dòng)力原理是一樣的，這個(gè)例子說明機(jī)械能也是可以儲(chǔ)存的，目前壓縮空氣動(dòng)力汽車還處在概念車階段，由于高壓氣罐需要的材料特殊，對(duì)于安全要求非常嚴(yán)格，所以造價(jià)昂貴：同時(shí)由于氣罐中儲(chǔ)存的機(jī)械能有限，所以這種車跑不了很遠(yuǎn)：重要的是這種車的運(yùn)營(yíng)需要配套的充氣站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，投資巨大，所以它的商業(yè)化的前景是比較遙遠(yuǎn)的。

能量的轉(zhuǎn)化

言歸正傳，很多種能源只有轉(zhuǎn)化成電能，我們使用起來才得心應(yīng)手，將不同形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，然后儲(chǔ)存起來，這就是我們面臨的主要課題。

說到其他能源轉(zhuǎn)化為電能，這里簡(jiǎn)單說一下能量轉(zhuǎn)化的概念，這其實(shí)是一個(gè)很大的題目，八年級(jí)下學(xué)期，同學(xué)們會(huì)接觸到磁生電、電生磁的道理，這是能量轉(zhuǎn)化的一個(gè)經(jīng)典例子，宇宙中能量的形式多種多樣，從物理學(xué)的角度來看，可以分光能、聲能、電能、化學(xué)能、機(jī)械能、核能等，如何將這些性質(zhì)不同的能量進(jìn)行游刃有余地相互轉(zhuǎn)化，這是目前世界能源科學(xué)界的前沿課題，比如太陽能電池是用來做光生電的：一次性電池用來將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，可充電電池還可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能：氫氣燃料電池將燃料蘊(yùn)涵的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能：壓電材料發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)過程是通過造成壓電材料的形狀變化來完成的，這些能量轉(zhuǎn)化的過程需要解決的一個(gè)共同問題是：如何讓“市場(chǎng)”上流通的能量“貨幣”都兌換成一種通用的“貨幣”——電能，就是怎樣讓電子單向流動(dòng)起來，電子跑起來了，全世界的黑夜就亮了。

還有一些能量轉(zhuǎn)化的例子，我們平時(shí)不是很注意，已經(jīng)習(xí)以為常了，比如我們最熟悉不過的麥克風(fēng)，就是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過處理放大之后再由電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，還有收音機(jī)、電視機(jī)(非有線，非數(shù)字)接收電磁波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后再變成聲音或者圖像信號(hào)，這里所說的“信號(hào)”無非是能量概念的另一種提法罷了。

現(xiàn)在我們已經(jīng)把各種形式的能量都變成了電能這種“統(tǒng)一貨幣”，當(dāng)然我們可以方便地將這些電用掉，做各種事情，但是，如果這些電用不完呢?那就要想辦法儲(chǔ)存起來了，能量?jī)?chǔ)存大體上就是電能儲(chǔ)存的問題，那么電能可以直接儲(chǔ)存嗎?如何用最小的質(zhì)量和空間去儲(chǔ)存盡可能多的電能呢?電能是不是還要轉(zhuǎn)化成其他更加便于攜帶和管理的能量形式來儲(chǔ)存呢?都需要哪些裝置?為了回答這些問題，我們將從這里開始一次尋找答案的儲(chǔ)能之旅。

簡(jiǎn)單地分類，電能的儲(chǔ)存可以分為直接儲(chǔ)存和間接儲(chǔ)存兩種，我們先來看看直接儲(chǔ)存電的裝置吧。

直接儲(chǔ)電裝置

最早的電能儲(chǔ)存裝置叫做萊頓瓶，萊頓瓶其實(shí)是最早的電容器，它是荷蘭萊頓大學(xué)的教授馬森布洛克在1746年發(fā)明的，這個(gè)裝置可以用來收集摩擦起電所得到的電荷，在萊頓瓶發(fā)明之初，一些學(xué)者用萊頓瓶做了很多有趣的實(shí)驗(yàn)和科學(xué)表演，這在當(dāng)時(shí)引起了很大的轟動(dòng)，這一發(fā)明具有劃時(shí)代的意義，電能第一次可以被存起來了，這就為研究電、使用電提供了條件，今天人們使用的電容器，依然是基于萊頓瓶的原理。

電容器的構(gòu)造其實(shí)非常簡(jiǎn)單，它的核心是個(gè)三明治結(jié)構(gòu)，處于中間層的電介質(zhì)將兩邊分別載有正電荷和電子(負(fù)電荷)的(金屬)極板隔開，我們知道正、負(fù)電荷是相互吸引的，就好像屬性不同的磁極相互吸引一樣，為了不讓一側(cè)極板上的電子直接跳到另一側(cè)極板上與正電荷中和，電容器中間的電介質(zhì)要選用非常好的絕緣體來做。比如說干燥的空氣、玻璃等相互吸引但被電介質(zhì)分開的正、負(fù)電荷，具有強(qiáng)大的結(jié)合趨勢(shì)，在可控條件下，利用這種趨勢(shì)，讓電子從外界流動(dòng)到另一側(cè)，就輸出了電能。

那么是不是正、負(fù)極板上帶的電荷越多，電容器所儲(chǔ)存的能量就越大呢?是的，但是電容器能帶多少電荷是有限度的，這個(gè)限度取決于中間的電介質(zhì)的絕緣能力，也就是抗擊穿能力，當(dāng)對(duì)電容器充電超過了額定值，由于兩側(cè)極板間的電壓過大，電子就會(huì)突破電介質(zhì)的阻礙，在電容器的內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)正、負(fù)中和，這就是電容器的擊穿，閃電是常見的自然現(xiàn)象，它的形成機(jī)理和電容器擊穿的機(jī)理是非常類似的，可見電容器一旦擊穿是很危險(xiǎn)的，電容器目前最重要的用途其實(shí)并不是儲(chǔ)存電能，和大部分電池種類相比，電容器的能量密度，就是單位體積或者質(zhì)量所儲(chǔ)存的能量值還比較低，電容器，尤其是微型的電容器，主要是作為重要的電子元器件被廣泛應(yīng)用在各種電子設(shè)備中。

電容器的家族不但有我們剛剛介紹的電容器(傳統(tǒng)版)，還有超級(jí)電容器和贗電容器，這里為什么用這個(gè)“贗”字呢?這些電容器有什么特點(diǎn)呢?電池是怎么回事呢?這些問題我們將存后面的文章中陸續(xù)介紹。

責(zé)任編輯 程哲