2.3　能量的轉換過程

2.3.1　概述

能量轉換是能量最重要的屬性，也是能量利用中的最重要的環節。人們通常所說的能量轉換是指能量形態上的轉換，如燃燒的化學能通過燃燒轉換成熱能，熱能通過熱機再轉換成機械能等。然而廣義地說，能量轉換還應當包括以下兩項內容：

①能量在空間上的轉移及能量的傳輸；

②能量在時間上的轉移及能量的儲存。

任何能量轉換過程都必須遵守自然界的普遍規律——能量守恒定律，即

輸入能量-輸出能力=儲存能量的變化

不同的能量形態可以互相轉換，而顯然，任何能量轉換過程都需要一定的轉換條件，并在一定的設備或系統中實現。表2-3給出了能量轉換過程及實現能量轉換所需的設備或系統。

2.3.2　化學能轉換為熱能

燃料燃燒是化學能轉換為熱能的最主要方式。能在空氣中燃燒的物質稱為可燃物，但不能把所有的可燃物都稱為燃料（如米和砂糖之類的食品）。所謂燃料，就是在空氣中容易燃燒并釋放出大量熱能的氣體、液體或固體物質，是在經濟上值得利用其發熱量的物質的總稱。燃料通常按形態分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料。天然的固體燃料有煤炭和木材；人工的固體燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭應用最為普遍，是我國最基本的能源。天然的液體燃料有石油（原油）；人工的液體燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。天然的氣體燃料有天然氣，人工的氣體燃料則有焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣和液化石油氣等。通過燃料燃燒將化學能轉換為熱能的裝置稱為燃燒設備。燃燒設備主要有鍋爐、工業窯爐等。

2.3.3　熱能轉換為機械能

將熱能轉換為機械能是目前獲得機械能的最主要的方式。熱能轉換成機械能的裝置稱為熱機。因為熱機能為各種機械提供動力，故通常又將其稱為動力機械。應用最廣泛的熱機有內燃機、蒸汽輪機、燃氣輪機等三大類。蒸汽輪機，簡稱汽輪機，是將蒸汽的熱能轉換為機械功的熱機。汽輪機單機功率大、效率高、運行平穩，在現代火力發電廠和核電站中都用它驅動發電機。汽輪發電機組所發的電量占總發電量的80%以上。此外，汽輪機還用來驅動大型鼓風機、水泵和氣體壓縮機，也用作艦船的動力。燃氣輪機和蒸汽輪機最大的不同是，它不是以水蒸氣作工質而是以氣體作工質。燃料燃燒時所產生的高溫氣體直接推動燃氣輪機的葉輪對外做功，因此以燃氣輪機作為熱機的火力發電廠不需要鍋爐。它包括三個主要部件：壓氣機、燃燒室和燃氣輪機。

燃氣輪機具有以下優點：

①質量輕、體積小、投資省。

②啟動快、操作方便。

③水、電、潤滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水的地區運行；輔助設備用電少，潤滑油消耗少，通常只占燃料費的1%左右，而汽輪機要占6%左右。

內燃機包括汽油機和柴油機，是應用最廣泛的熱機。大多數內燃機是往復式，有氣缸和活塞。內燃機有很多分類方法，但常用的是根據點火順序分類或根據氣缸排列方式分類。按點火或著火順序可將內燃機分成四沖程發動機和二沖程發動機。

2.3.4　機械能轉換為電能

將機械能轉換為電能的主要設備為發電機。當下主要的發電設備主要有火力發電機組、風力發電機組以及水輪發電機組。本節著重介紹風力發電，它是將機械能直接轉換為電能。把風的動能轉換成機械動能，再把機械能轉換為電力動能，這就是風力發電。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約每秒三米的微風速度（微風的程度）便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。風能夠產生三種力以驅動發電機工作，分別為軸向力（即空氣牽引力，氣流接觸到物體并在流動方向上產生的力）、徑向力（即空氣提升力，使物體具有移動的趨勢的、垂直于氣流方向的壓力和剪切力的分量，狹長的葉片具有較大的提升力）和切向力，用于發電的主要是前兩種力，水平軸封機使用軸向力，豎直軸風機使用徑向力。

2.3.5　光能轉換為電能

將光能轉化為電能的主要方式是太陽能光利用。太陽是一個巨大、久遠、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75×10²⁶W）的二十二億分之一，但已高達1.73×10¹⁷W，換句話說，太陽每秒鐘輻射到地球上的能量就相當于500萬噸煤燃燒的能量。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮汐能都來源于太陽；地球上的化石燃料從根本上說也是遠古以來儲存下來的太陽能。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。但太陽能也有兩個主要缺點：一是能流密度低；二是其強度受各種因素的影響，不能維持常量。這兩大缺點大大限制了太陽能的有效利用。太陽能光利用主要是太陽能光伏發電和太陽能制氫。太陽能光利用最成功的是用光-電轉換原理制成的太陽能電池（又稱光電池）。太陽能電池1954年誕生于美國貝爾實驗室，隨后1958年被用作“先鋒1號”人造衛星的電源上了天。太陽能電池是利用半導體內部的光電效應，當太陽光照射到一種稱為“p-n結”的半導體上時，波長極短的光很容易被半導體內部吸收，并去碰撞硅原子中的“價電子”，使“價電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產生電子流動。

常用太陽能電池按其材料可以分為：晶體硅電池、硫化鎘電池、硫化銻電池、砷化鎵電池、非晶硅電池、硒銦銅電池、疊層串聯電池等。太陽能電池重量輕，無活動部件，使用安全。單位質量輸出功率大，即可作小型電源，又可組合成大型電站。目前其應用已從航天領域走向各行各業，走向千家萬戶，太陽能汽車、太陽能游艇、太陽能自行車、太陽能飛機都相繼問世，然而對人類最有吸引力的是所謂太空太陽站。太空太陽電站的建立無疑將徹底改善世界的能源狀況，人類都期待這一天的到來。

2.3.6　化學能轉換為電能

將化學能轉化為電能的主要裝置是化學電源，即電池。自1800年意大利科學家Volta發明了伏打電池算起，化學電源已有200余年的歷史。化學電源能量轉化率高，方便并安全可靠，在不同領域應用廣泛。按工作性質分類，化學電源主要有四種。

①一次電池（原電池）　電池反應本身不可逆，電池放電后不能充電再使用的電池。一次電池主要有鋅-錳電池、鋅-汞電池、鋅-銀電池、鋅-空氣電池等。

②二次電池（蓄電池）　可重復充放電循環使用的電池，充放電次數可達數十次到上千次。二次電池主要有鉛酸蓄電池、鎘-鎳蓄電池和鋰離子電池等。二次電池能量高，用于大功率放電的人造衛星、電動汽車和應急電器等。

③燃料電池（連續電池）　活性物質可從電池外部連續不斷地輸入電池，連續放電。主要有氫-氧燃料電池、肼-空氣電池等。燃料電池適合于長時間連續工作的環境，已成功用于飛船和汽車。

④儲備電池（激活電池）　電機的正負極和電解質在儲存期不直接接觸，使用前采取激活手段，電池便進入放電狀態。如：鋅-銀電池、鎂-銀電池、鉛-二氧化鉛電池等。儲備電池用于導彈電源、心臟起搏器電源。

2.3.7　電能轉換為化學能

將電能轉換為化學能主要發生在二次電池的充電中。這個過程正好與電池使用相反，通過將電能源源不斷地導入電池轉化為化學能，從而儲存起來。

以鋰離子電池為例（示意圖見圖2-6）：目前已產業化的鋰離子電池的負極材料為碳材料，正極為LiCoO₂材料，電解質是LiPF₆（LiClO₄）和有機試劑。鋰離子電池的電化學表達式：

（-）Cu|LiPF₆-EC+DEC|LiCoO₂（+）

正極反應：　　　　

LiCoO₂Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-

負極反應：

nC+xLi⁺+xe^-Li_xC_n

電池反應：

LiCoO₂+nCLi_1-xCoO₂+Li_xC_n