日本為這項工程投資共用去172億日元,比新建一座常規水電站要節省近一半資金。為開發這項新技術,專家們要攻克許多技術難關。其中最大的一項是在水壩上鑽洞,因為這樣對水壩強度會有影響,稍有不慎就有使水壩完全崩潰的危險!為此,專家們進行了精確的強度計算,采用了能夠最大限度地控製挖掘時產生的衝擊和振動的施工方法,有效地解決了這個大難題。
與眾不同的電氣體發電技術
這種“電氣體發電技術”非同一般,它是靠高速氣流在克服靜電場做功的過程中而發電的。
這種發電技術的本質,是以一定壓力、溫度的運動流體(氣體或液體)作為能源,使低品位能(如熱能、動能)轉變成電能的過程。
在一定的壓力和溫度下,工作介質發生電離。一個高壓電源的兩個極分別接在離子發射極N和吸引極A上,發射極是一種針形金屬棒,吸引極是金屬環。在高壓作用下,N極與A極之間產生尖端放電,並使通過的高速電介質流體(通常是燃氣)部分電離。當N極是正極時,流體中的電子和負離子被吸引,負離子在N極放出電子而呈中性。正離子被排斥,流回吸引極。
但由於高速流體的帶動,正離子未能被吸引極吸住,而流回集電極M,使電流等於零。集電極M上由於正離子集積而電位升高,當接有外負載時,就產生了電流。在單元體中靜電場要阻止正離子向集電極M流動,而高速流體帶動正離子流向集電極M,所以這時就產生了電流。
這就是高速氣流克服靜電場所做功而轉換成電能的基本原理。目前,這種發電方式,隻是處於基礎研究階段,尚未進入實際試用階段。但作為一種能量轉換形式,仍是可以繼續發展下去的。
率先登月的燃料電池發電技術
在1969年隨同美國阿波羅飛船登上了月球的電源裝置,是以其獨特性能而引起世人矚目的“燃料電池”。隨後,到70年代初這種電源才逐步轉為民用,並得到了突飛猛進的發展。20年過去了,燃料電池發電技術在美、日等國已進入到商業化階段,並已製成1萬千瓦級的大容量電池,同時還出現了燃料電池——燃氣輪機——汽輪發電機聯合運轉的發電廠。
所謂“燃料電池”,從原理上講,和傳統的化學電池基本相同,也是通過電化學反應把物質的化學能轉變為電能。所不同的是:傳統電池的內部物質事先充填好,化學反應結束後,不能再供電;而燃料電池進行化學反應所用的物質是由外部不斷充填的,因此,它能夠源源不斷地發電。這是燃料電池最顯著的特征。
燃料電池的工作原理是,作為反應物的原燃料,天然氣、石油、甲醇等,經過“燃料改質裝置”分離出氫後,進入電池本體,另一端的空氣中氧也進入電池本體,分別供給電池的電極,通過電解質使氫氧發生電化學反應,產生電位差,而形成低壓直流電輸出。
由於燃料電池是將物質的化學能直接轉變為電能,因此其效率較高,按理論計算可以達到90%。但實際上燃料電池在進行化學反應中還有“費功”損耗,因此,最高隻能達到60%~70%。
燃料電池主要由燃料、氧化劑、電極、電解液等組成。它所使用的燃料十分廣泛,例如,天然氣、石油、甲醇、液氨、肼、烴、氫等。這種電池可以根據需要設計不同的容量,主要取決於“單片電池”的數量。單片電池由正極(接空氣極板)、負極(接燃料極板)和電解質容器以及上下絕緣隔板4部分組成。根據需要,把單片電池串聯起來,就可得到所需電壓和功率數。
這種電池的化學反應過程簡單地說就是:在負極(氫極)一側,依靠催化劑(白金電極)使氫(H2)離子化,成為易於反應的(H+)狀態,這些分離出的氫離子通過電解液:例如苛性鉀(KOH)等輸送到正極(氧極即空氣極),而被分離開的電子則經過外部電路也移到正極上,電子移動的過程就是產生電流過程,而在正極上氧分子和氫離子化合,產生水——這樣一個過程就完成了產生電能的過程。
負極和正極分別由外部連續不斷地供應氫(燃料)和氧(空氣),這種反應連續不斷地進行,在外部電路中電子也不斷地流動,這就是我們所需要的電流。
說起來,燃料電池的基本原理和化學反應機理雖不難懂,但真正作為係統工作,其工藝設計自然也是非常複雜的。
燃料電池所用的電解質對燃料電池的發電性能,特別是效率影響很大。
目前最多用的是磷酸質,其發電效率為40%左右。這是被劃為第一代燃料電池的代表型產品。目前正在研究的新的電解質有碳酸鹽,被劃為第二代,即2000年前後可正式投入使用的燃料電池;還有一種以氧化鋯、氫氧化鉀作電解質的,被劃為第三代,即21世紀才能投入使用的燃料電池。據預測,第二代和第三代電池的發電效率可達到45%~60%。燃料電池種類如表所示。