高中地球科學/可再生能源

如果我們可以擁有我們需要的全部能量，並且永遠不會耗盡呢？如果我們可以使用這種能源，而不會汙染空氣和水呢？在未來，可再生能源可能能夠提供我們所需的所有能源。其中一些資源可以為我們提供“清潔”能源，這些能源幾乎不會產生汙染。

有充足的清潔能源可供我們使用。到達地球表面的最大能量來自太陽輻射。每年有 174 太瓦 (1.74×10¹⁷ W) 的太陽能進入地球大氣層。由於地球內部很熱，熱量從內部向外流動，每年提供約 23 太瓦 (2.3×10¹³ W) 的能量。相比之下，全球總電力消耗量約為每年 16 太瓦 (1.6×10¹³ W)。因此，如果能夠充分利用，太陽能或地熱能本身就可以滿足人類的所有能源需求。

課程目標

• 描述不同的可再生資源，並瞭解為什麼它們是可再生的。
• 瞭解太陽是地球大部分能量的來源。
• 描述能量如何以熱量和運動物體的形式從一個地方傳遞到另一個地方。
• 瞭解在使用可再生能源時，傳導、對流和輻射如何以熱量的形式傳遞能量。
• 瞭解一些可再生能源的成本低於其他能源，而另一些能源造成的汙染也低於其他能源。
• 解釋如何將可再生能源轉化為有用的能源形式。
• 描述使用不同的可再生能源對環境的影響。

太陽能

當您想到太陽時，您可能會想到兩件事——光和熱。太陽是地球的主要能量來源，而光和熱是太陽產生的兩種不同形式的能量。當一種叫做氫的元素轉變為另一種叫做氦的元素時，太陽就會產生這種能量。將氫轉化為氦會釋放出巨大的能量。能量以可見光的形式到達地球，光透過稱為輻射的過程將能量帶過太陽和地球之間的空曠空間。我們可以利用來自太陽的光作為一種能源，稱為太陽能（圖 5.6）。

圖 5.6：像這樣的太陽能電池板可以將太陽能轉化為電力，為家庭供電。

太陽能是一種已在小規模上使用了幾百年的資源。它在大規模上的應用才剛剛起步，人們正在增加可再生能源的產量。美國太陽能開發的一個重點是沙漠西南地區。

太陽能發電廠正在加利福尼亞州東南部，靠近加利福尼亞州和內華達州邊境附近建設。

太陽能用於加熱房屋、加熱水和發電。太陽能可以用來加熱您游泳池裡的水，或加熱您房屋裡的地磚。近年來，科學家和工程師已經找到了越來越多的從這種資源中獲得更多能量的方法。由於太陽能有許多不同的用途，因此也有許多不同的方式將太陽能轉化為有用的形式。最常見的一種方式是使用太陽能電池。太陽能電池是能夠將陽光直接轉化為電力的裝置。您可能在屋頂上看到過太陽能電池板。許多太陽能電池構成一個單獨的太陽能電池板。

太陽能發電廠使用一大組鏡子將陽光集中在一個稱為接收器的地方，將陽光轉化為電能（圖 5.7）。當液體（如油或水）流過該接收器時，聚焦的陽光會將液體加熱到高溫。然後，這種被加熱的液體透過傳導將熱量傳遞出去。在傳導中，能量在兩個相互接觸的物體之間傳遞。溫度較高的物體將熱量傳遞給溫度較低的物體。例如，當您在爐子上加熱一鍋水時，傳導會導致能量從鍋傳遞到其金屬手柄，手柄變得非常熱。在太陽能發電廠的情況下，由加熱的液體傳導的能量用於發電。

圖 5.7：這個太陽能發電廠使用鏡子將陽光集中在中心的塔上。陽光將塔內的液體加熱到非常高的溫度，產生能量發電。

太陽能有很多好處。它不會產生任何汙染。此外，還有很多太陽能可供使用。事實上，每天到達地球的太陽能數量遠遠超過我們使用的所有能量。因此，我們將太陽能視為一種可再生能源。只要陽光繼續照耀地球，我們就永遠不會用完這種資源。太陽能的一個問題是，它不能在晚上使用，除非特殊電池在白天儲存額外的能量以便在晚上使用。大多數太陽能應用的技術仍然很昂貴。在該技術變得更加實惠之前，大多數人更願意從其他來源獲取能量。正如您之前所瞭解的，地球的大部分能量來自太陽。其他可再生資源也最初來自太陽。您將在本課程的後面學習這些資源。

水力發電

在本課程的前面，您瞭解到能量可以以光和熱的形式傳遞，就像它從太陽傳遞到地球一樣。現在，您將瞭解能量以運動物體的形式傳遞的一種方式。在這種情況下，運動的物體是水（圖 5.8）。水力發電利用運動水中的能量來發電。它是世界上使用最廣泛的可再生能源形式，提供全球近五分之一的電力。

圖 5.8：像這樣的水力發電大壩利用運動水的能量發電。

在大多數使用水力發電的電廠中，大壩會將水攔住，使其無法正常流動。相反，水被允許流入一個大型渦輪機。由於水在運動，它具有運動能量，稱為動能。這種運動水的能量使渦輪機旋轉。渦輪機連線到發電機，發電機發電。

美國許多溪流中，水沿著斜坡向下流動，可能已經被開發用於水力發電。這是加州電力的一大來源，約佔總量的 14.5%。加州近 400 個水力發電廠中的大多數位於東部山脈，那裡有大量溪流沿著陡峭的坡度下降。

水力發電的一大優勢是它不燃燒燃料。這一優勢使水力發電在影響環境方面比大多數其他能源資源具有優勢。由於水力發電不燃燒燃料，因此它造成的汙染比許多其他型別的能源少。水力發電的另一個好處是，與您在本課程中學習到的其他資源一樣，它是一種可再生資源。我們利用了水運動的能量，但我們並沒有消耗水本身。水不斷流入我們的河流和湖泊，因此無論我們可以在哪裡建造發電廠來利用它，水都將是能源的來源。波浪和潮汐的能量也可以用來產生水力發電。

然而，水力發電也存在問題。當建造一座大型水壩時，它會建立一個水庫，改變上游的生態系統。大型河流生態系統被淹沒，殺死了所有動植物。水壩和渦輪機也會改變下游魚類和其他生物的生存環境。水壩還會減緩泥沙的釋放，因此下游三角洲後退，海濱城市會變得極易受到風暴和海平面上升的威脅。潮汐發電站可能需要封鎖狹窄的海灣或河口。波浪能應用必須能夠承受沿海風暴和海水腐蝕。

風力發電

正如您之前所瞭解的，太陽為地球提供了大量的能量。來自太陽的能量也產生了風（圖 5.9）。瞭解導致風的原因將有助於您理解能量可以透過熱量傳遞，不僅可以透過輻射和傳導，還可以透過對流傳遞。當太陽以不同的方式加熱地球的某些部分時，就會出現風。例如，陽光直接照射赤道，比照射北極和南極要直接得多。熱空氣上升，冷空氣流入，因此當赤道附近的空氣比極地附近的空氣加熱得更多時，空氣開始移動，透過稱為對流的過程將熱量傳遞到空氣中。這種空氣的運動就是風。

圖 5.9：上圖所示的風力渦輪機將風轉化為電力，不會產生汙染。

風力發電利用移動的空氣作為能源。一些風力發電的例子已經存在了很長時間。風車已被用於研磨穀物和抽水數百年的時間。帶帆的船依賴風力的時間更長。風力也可以用來發電。就像產生水力的流動水一樣，流動空氣可以使渦輪機旋轉來發電。

為了幫助你理解如何利用流動空氣發電，你可以回顧一下你學過的關於運動能（稱為動能）的知識。任何運動的物質都具有動能。儘管你無法看到空氣，但它是有物質的，因為它佔據空間並且具有質量。因此，當風使空氣運動時，這種空氣具有動能。當流動空氣撞擊渦輪機的葉片時，它使這些葉片運動，渦輪機旋轉。渦輪機的旋轉產生電力。

風力發電有許多優點。它是清潔能源，這意味著它不會造成汙染或釋放二氧化碳。此外，風力幾乎無處不在。風能的一個問題是風並非總是吹的。一個解決方案是找到有效的方式將能量儲存起來以備後用。在此之前，當風不吹時，需要有另一種能源可用。最後，風車造價昂貴，磨損很快。就它們產生的能量而言，風車比其他一些可再生能源形式更昂貴。

加利福尼亞州是早期採用風力發電的州之一。風車位於山口，特別是在較冷的太平洋空氣被吸過山口進入較溫暖的內陸山谷的地方。在舊金山灣區東部的阿塔蒙特山口、洛杉磯以東的聖戈爾戈尼奧山口和聖華金谷南端的特哈查皮山口，可以看到大片的風力發電場。

生物質

生物質是另一種可再生能源。生物質是最近活著的動植物的材料。生物質還包括動植物產生的廢物。人們可以直接使用生物質來供暖。例如，許多人用壁爐或燃木爐燒柴。

除了直接燃燒生物質供暖外，人們還可以加工生物質製成燃料。這種加工產生了所謂的生物燃料。生物燃料是一種相當新的能源型別，正變得越來越受歡迎。人們可以用來自生物質的燃料以與使用化石燃料相同的方式使用。例如，一些機械師對汽車、卡車和公共汽車發動機進行了改造，使其能夠使用一種稱為生物柴油的燃料。其他發動機可以使用純植物油甚至回收的植物油執行。

如果我們使用由生物質製成的燃料，我們可以減少化石燃料的使用量。由於活著的植物會從空氣中吸收二氧化碳，因此種植生物燃料植物可以意味著我們總體上會將更少的這種氣體排放到空氣中。這可以幫助我們解決全球變暖問題。

地熱能

地熱能是一種來自地球表面深處熱量的能源。這種熱量會產生由岩漿加熱的岩石產生的熱水和蒸汽。使用這種能源的發電廠透過鑽井進入這些岩石來獲取熱量。熱水或蒸汽從這些井中湧出。然後，熱水或蒸汽使渦輪機旋轉以發電。由於熱水或蒸汽可以直接用來使渦輪機旋轉，因此地熱能是一種無需加工即可使用的資源。它無需加工的特點使得地熱能與大多數其他能源資源不同。地熱能清潔安全。它也是可再生的，因為發電廠可以將熱水回灌到地下池中。在那裡，水可以吸收熱量產生更多的蒸汽。

這種能源在世界某些地區是一種極好的資源。例如，冰島是一個大約四分之一的電力來自地熱資源的國家。在美國，加州在地熱能生產方面領先於所有州。加州的地熱能集中在該州北部的一些地區。該州最大的地熱發電廠位於納帕和索諾馬縣的蓋瑟斯地熱資源區。熱量來源被認為是一個位於該地區下方的大型岩漿室，是太平洋火環的一部分。世界許多地方沒有靠近地表的地下熱源，無法建造地熱發電廠。

課文總結

• 太陽能、水力、風力、生物質能和地熱能是可再生能源。
• 太陽能可以透過被動儲存和保持太陽熱量、將其轉化為電力或將其集中起來使用。
• 利用流動水的能量有很多方法，包括水力發電大壩。
• 風力發電利用流動空氣的能量來旋轉渦輪機。
• 生物質能利用木材或穀物等可再生材料來生產能源。
• 地熱能利用地球深處的熱量來加熱房屋或產生蒸汽來旋轉渦輪機。

複習題

1. 如果你開啟燃氣爐上的燃燒器，下面放著一鍋冷水，能量從燃燒器傳遞到水鍋。這種能量叫什麼？這種能量是如何傳遞的？
2. 我們可以用哪些方法利用太陽能？
3. 如果你在壁爐裡燒木頭，你在使用哪種型別的能源？
4. 哪種形式的能量是水力發電的重要因素？
5. 當空氣以風的形式流動時，它會將熱量從溫暖地區帶到較冷地區。這種熱量運動叫什麼？
6. 從太陽傳遞到地球的大部分能量都以可見光的形式到達。這種能量運動叫什麼？
7. 解釋一下鏡子在一些太陽能發電廠中如何有用。
8. 解釋一下風力發電如何利用動能。

詞彙

傳導

能量以熱量形式透過物質傳遞的過程，從高溫區域傳遞到低溫區域。

對流

熱量在氣流中從溫暖空間傳遞到較冷空間的運動。

輻射

能量透過空曠空間的傳遞。

思考問題

• 你認為哪些地區最適合使用太陽能？
• 是什麼導致地球深處的溫度很高，從而使得地熱能成為可能？
• 你認為你的城鎮或城市可以使用風力或水力發電嗎？