浅析螺栓紧固与扭力值检验方法的改进

浅析螺栓紧固与扭力值检验方法的改进姓名：专业：电气工程及其自动化部门：电气设备分公司品质管理部指导老师：-11-1分公司螺栓紧固现状调查1.1电气设备分公司扭力工具现状调查目前电气分公司车间现有的扭力工具包括1.2Nm；2.0Nm定扭起子，定扭起子主要用于屏柜车间继电器﹑三相自动开关﹑接触器等小型电气元件的定扭。屏柜车间大线接线都会打扭力值，所以屏柜班组都配有定扭扳手，目前车间现有的定扭扳手包括型号730-10，其量程范围是20-100Nm，最小精度为2.5Nm；型号为720-30的扭力扳手，其量程范围是60-300Nm，最小精度为10Nm；量程范围是4-20Nm的扭力扳手，其精度为0.5Nm；还有量程范围是8-40Nm的扭力扳手，其精度值为1Nm。针对电气屏柜车间继电器上的小型螺栓，车间配有电动扭力起子，使用电动扭力起子员工工作的效率提高了很多，此定扭起子可以设定固定扭力值。针对电气组装车间受电弓班组，有一个可以测定扭力值的电动设备，此转矩测量设备可以很方便的对定扭工具进行企业车间级校准，此电子转矩测量仪精度为0.01Nm，量程为400Nm。1.2车间扭力工具校准现状调查计量工具的校准是计量中很重要的一项活动，为此分公司也会定期对各种扭力测量工具进行校准。其实计量的特点可以归纳为准确性，一致性，溯源性以及法制性。本文中重点讨论一下分公司计量的溯源性。溯源性是指通过文件规定的不间断的校准链，使测量结果与参照对象（通常是测量标准）联系起来的特性。在此校准链中的每项校准都会引入测量的不确定度。这种特性使所有的同种量值都可以按照这条比较链通过校准向测量的源头追溯，也就是溯源到同一个测量基准（国家基准或者国际基准），从而使其准确性和一致性得到技术保证。计量是与测量结果置信度有关的﹑与测量不确定度联系在一起的一种规范化的测量。为了保证测量的科学性和溯源性，测量仪器的校准时必不可少的一项定期的工作。针对分公司扭力值测量工具的校准，存在以下情况：车间的所有定扭扳手都会定期拿到公司计量室进行校准。针对分公司的测量扭力值的电子仪器，每半年会送到广州计量院进行校准，这就保证了公司的计量溯源性。实际上车间还是存在一些问题的，有些定扭工具没有及时送到公司计量室进行校准，四月份对组装车间的扭力扳手进行抽检，发现定扭工具出现偏差。很难想象用出现计量偏差的测量工具组装出来的产品是怎样的。1.3分公司螺栓拧紧方法与螺栓扭力值检验方法描述目前分公司使用的螺栓拧紧方法是力矩法，力矩法是根据设计要求的预紧力得到相应的螺栓紧固紧固力矩值，然后使用定扭扳手拧紧。分公司使用的螺栓扭力值检验方法是增拧法，增拧法就是用扭力扳手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。此种方法操作简单，但必须熟练有经验。2螺栓紧固分析2.1螺栓连接基本原理螺母和螺栓在整个工业技术领域中是最合适的紧固元件，他们可以经受很高的工作负荷，也可以拆卸下来再加以利用。螺栓连接必须能够抵抗外力的作用，使已装配的零件不会向分离的方向移动，否则就会造成螺栓接头松动或者脱落。我们可以通过一个简单的机械模型来形象的描述螺栓连接：图1螺栓连接受力模型：最小预紧力；：预载荷；：轴向力；：垂直于轴向的作用力：摩擦系数；；其实可以把螺栓连接看成一个张力很强的弹簧，在进行螺栓连接的装配式产生一个力，使被装配组件压紧在一起。由螺栓所产生的将零件压紧在一起的力称为预紧力。2.2螺栓连接过程中确定预紧力在每个螺栓接连过程中最重要的目标值是预紧力，因为不可能以足够高的准确度来测量出或者估算出预紧力。基于这一原因，目前的大规模工业生产中，转矩是唯一可记录的质量特征值，为了审查紧固连接件的质量，必须对转矩进行系统评估，实际上，转矩与预紧力之间的关系取决于紧固件的几何形状和摩擦系数，但是摩擦力是无法回避的，而且又是一个棘手的问题。由于一直存在这个问题，因此，按照所施加的转矩装配螺栓时，应该产生多大的预紧力，无法得出正确的结论。什么因素会影响转矩与预紧力的这种关系的变化呢？首先，紧固件的几何形状决定了多大的转矩可以产生一个特定的预紧力。在这方面，螺距是一个决定性的因素。螺栓时一个几何体，它相当于一种“螺旋上升的平面”，因此，影响整个螺纹连接中力的分布情况。第二个因素是螺栓连接内的固有摩擦关系，它影响着螺栓连接中各个力相互依存的关系。这里所指的就是在材料或者垫圈之上转动的支撑面摩擦力以及在材料螺纹孔内或者螺母的螺纹孔内转动的螺纹摩擦力。影响螺栓连接的摩擦特性是最重要的参数，这就意味着操作方法不正确绝对会导致螺栓连接的失效。例如，如下图所示，拧入一个摩擦系数u=0.14的干燥的螺栓时，起紧固转矩的分布情况如左图；如果螺栓做了润滑处理，摩擦系数变为u=0.08，那么起紧固转矩的分布方面就会发生变化如右图。这就意味着现在的预紧力比原来的要高出约40%。图3螺栓连接内的摩擦关系和力的分配这就说明通过转矩确定螺栓预紧力的方法会有很大误差，特别是对于大螺栓，通过转矩确定要求的预紧力会受到很多因素的影响，但是目前国内工业领域一般是通过转矩来确定要求的预紧力，只要误差范围保持在可接受的范围就可以。2.3拧紧力矩的计算对于螺栓连接，其拧紧力矩T用于克服螺栓螺纹处的螺纹阻力矩及螺母与被连接支撑面间的断面摩擦力矩。式中：d为螺纹公称直径；为预紧力;为螺纹中径；为螺纹升角；为螺纹当量摩擦角；，其中为螺纹当量摩擦因素，为螺母与被连接件支撑面间的摩擦因素；K为拧紧力矩系数。3螺栓紧固与扭力值检验方法改进如果想要提高螺栓紧固的质量，我们必须知道影响螺栓紧固质量的有哪些因素，我们通过因果图来说明一下影响螺栓紧固的因素有哪些？操作者拧紧工具操作者拧紧工具操作校准员工素质操作校准员工素质检验方法精神身体状况检验方法精神身体状况螺栓紧固质量螺栓紧固质量材料硬度形状粗糙度定位动作材料硬度形状粗糙度定位动作方法的科学性螺栓的材质紧固方法方法的科学性螺栓的材质紧固方法从上面的因果图可以看出影响螺栓紧固质量的因素有四大方面，分别是人﹑机﹑料﹑法四个方面，要想提高螺栓紧固质量我们可以分别从四大方面入手：3.1从提升“人”（操作者）的角度出发提高员工的操作素养，可以进行相应的理论培训，强化操作者对螺栓紧固的本质认识，并且可以定期开展关于螺栓紧固的技能大赛，激发员工对螺栓紧固质量提升的认识。3.2从提升“法”（紧固方法）的角度考虑可以从紧固方法的提升上思考很多，目前国内采用的大多是力矩法拧紧螺栓紧固件，此方法有很好的实用性，但是目前国外还有另外一种紧固螺栓的方法——转角法螺栓紧固。我们以组一班受电弓为例，下面对比一下两种方法的优劣。力矩法、转角法螺纹紧固件拧紧过程对比图5扭矩转角法图6扭矩法从上图分析，由于受k值变化的影响，相同的拧紧力矩会得到不同的预紧力，最终轴向预紧力分散(图6)。扭矩转角法拧紧能有效控制螺栓预紧力(轴向力)，避免用扭矩法拧紧时出现的螺栓拉长或拉断现象(图5)。在组装车间分别用两种紧固方法紧固螺栓，下表是分别用转角法和扭矩法紧固螺栓得到的数据：序号产品序号“八防”工序规定扭力值用转角法紧固实际扭力值用转矩法紧固实际扭力值建议扭力范围1高压接地开关闸刀安装在左右支架上M10×30螺栓32Nm31.12（-2.75%）30.32（+5.25%）±4%2受电弓弓头铰接处M8螺栓20Nm20.69（+3.45%）19.38（-3.1%）±4%下臂杆与底架/下臂杆与上框架铰接处M20螺栓250Nm248.13（-0.75%）247.14(-1.1%）±4%平衡杆与上框架/平衡杆与下臂杆铰接处M10螺栓40Nm41.45（+3.6%）42.24（+5.6%）±4%拉杆铰接处M16螺栓120Nm121.37（+1.14%）122.21（+1.84%）±4%3高压隔离开关闸刀与闸刀支架连接M10×30螺栓21Nm21.36（+1.7%）19.63（+6.5%）±4%扭力值平均相对误差2.23%3.89%从上表的数据可以看出，转角法比力矩法更能很好去控制螺栓轴向预紧力的一致性。也就是说，只要合理选择控制参数，转角法比力矩法可靠性更高。3.3从提升“机”（紧固工具和检验方法）的角度着手要想提升紧固质量还可以从紧固工具和检验方法这方面着力，在紧固工具这一块最主要的是提高定扭扳手的可靠性，定期校准。对于有很高精度要求的方面分公司可以购买精度更高的定扭工具。在螺栓扭力值检验方法这一方面可作为的更多一些，根据目前分公司采用的螺栓扭力值检验方法，我们发现了一些缺点，目前分公司采用的检验扭力值的方法是拧紧法（增拧法）：扭力扳手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。此种方法操作简单，但必须熟练有经验。此种方法有一些弊端1、存在二次紧固的可能；2、对螺栓何时开始启动很难确定，存在主观因素；3、螺栓启动的时候，实际扭矩值应该是大约安装时候的扭矩值，所以测试值一般偏大。因此建议针对分公司内组一班螺栓扭力值较大紧固件使用划线法检验扭力值是否到位，标记法（划线法）：检验前先在被检螺栓或螺母头部与被连接体上划一道线，确认相互的原始位置。然后将螺栓或螺母松开些，在用扭矩扳手将螺栓或螺母拧紧到原始位置（划线处要线对准），这时的最大扭矩值再乘以0.9～1.1所得的值即为检查所得的扭矩。技术水平不高，操作较繁琐，不适宜有防松功能的紧固件。此种方法稳定性更高标记法更加精确，所测量的是动态扭矩，而设计人员从设计角度给出的扭矩即为动态扭矩。下面针对屏柜车间螺栓扭力值分别用两种不同的检验方法，对比两种检验方法的生产方质量风险，进一步评价两种检验方法的优劣，下表是得到的数据：序号屏柜规定扭力值实际扭力值划线法检验结果拧紧法检验结果1HXD1B、HXD1C蓄电池柜蓄电池接线螺栓15Nm16.12（+6.6%）不合格合格2HXD1B、HXD1C蓄电池柜端子排M12组装螺栓15Nm16.12（6.6%）不合格合格3HXD1B辅助滤波柜185平方电缆接线接触器M10螺栓接线33Nm32.02（-3.3%）合格合格4HXD1B辅助滤波柜185平方电缆接线接线端子排M10螺栓接线18Nm20.06（+11%）不合格合格从上表的数据可以看出当扭力值大于规定值的时候划线法可以很准确的识别出来，但是用拧紧法缺不能识别过扭的情况，这个相当于增大的使用方风险。针对分公司屏柜车间继电器等小型紧固螺栓使用松开法检验扭力值，松开法：用扭矩扳手慢慢地向被检螺栓或螺母施加扭矩，使其松开，读取开始转动时的瞬时扭矩值，并根据试验和经验乘以一个系数：1.1～1.2即为检验扭矩值。操作简单，但必须熟练有经验。P.S残余扭矩值是再继续拧紧螺栓/螺母时旋紧一个小角度测得的最小扭矩值。起动扭矩不能作为残余扭矩。动态扭矩：当紧固件再被固定的过程中测量得到的最大峰值。扭力扳手和动力工具都可以施加动态扭矩，动态扭矩不能在紧固件被紧固完之后测量。动态扭矩加载时进行在线测量得到的扭矩值。静态扭矩：在一个紧固件被固定好之后，将其在拧紧方向上继续旋转的瞬时所需要的扭矩。加载后对扭矩进行测量。3.4从提升“料”（螺栓材质和表面粗糙度）的角度考虑还可以从螺栓材质和库房对螺栓保管这方面着手提升螺栓紧固的质量，从设计考虑螺栓预紧力时就应该考虑到螺栓的材质对拧紧力矩的影响，再者螺栓的表面光滑度也能对预紧力的分布产生很大的影响，笔者已经在第二部分做了详细的分析，用同样大的力矩拧紧同样型号材质的螺栓，表面涂了润滑油的螺栓与干燥的螺栓产生的预紧力是不一样的，甚至会产生40%的预紧力差别。所以说库房管理员和现场操作员工要注意对螺栓的正确保管，在转运螺栓的过程中也要注意不要撞击螺栓的表面。3.5小结只要从“人”，“机”，“料”，“法”四个方面全面提升，并且可以真正的执行一些建议，我相信分公司的螺栓紧固质量会有提高的。目前分公司屏柜车间与组装车间都有一些因为螺栓紧固不到位而产生的机破，组装车间真空高隔受电弓都有大量的紧固连接件，对于螺栓紧固的要求更高，如果真能在螺栓紧固这方面有大的质量提升，会对分公司的机破故障率会有一些降低。4感谢终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同事和师傅们的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—刘兵主管，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在车间和工具室收集数据和信息的过程中，工具室的师傅也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位同事表示最衷心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同事和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位前辈和老师批评和指正！参考文献[1]张振华，应秉斌，矫明.螺栓拧紧力矩的确定方法及相关探讨[J].化学工程与装备，2023，（8）：105-109.[2]张三平，於南.集中检测螺栓预紧力矩方法的差异分析[J].维普资讯，2023，（6）：23-26.[3]VolkerSchatz(德).实现螺栓可靠装配的10个步骤[M].北京：机械工业出版社，2023.8-13.[4]全国质量专业技术人员资格考试办公室.质量专业基础知识与实务[M].北京：中国人事出版社，2023.227-228.

咖啡店创业计划书第一部分：背景在中国，人们越来越爱喝咖啡。随之而来的咖啡文化充满生活的每个时刻。无论在家里、还是在办公室或各种社交场合，人们都在品着咖啡。咖啡逐渐与时尚、现代生活联系在一齐。遍布各地的咖啡屋成为人们交谈、听音乐、休息的好地方，咖啡丰富着我们的生活，也缩短了你我之间的距离，咖啡逐渐发展为一种文化。随着咖啡这一有着悠久历史饮品的广为人知，咖啡正在被越来越多的中国人所理解。第二部分：项目介绍第三部分：创业优势目前大学校园的这片市场还是空白，竞争压力小。而且前期投资也不是很高，此刻国家鼓励大学生毕业后自主创业，有一系列的优惠政策以及贷款支持。再者大学生往往对未来充满期望，他们有着年轻的血液、蓬勃的朝气，以及初生牛犊不怕虎的精神，而这些都是一个创业者就应具备的素质。大学生在学校里学到了很多理论性的东西，有着较高层次的技术优势，现代大学生有创新精神，有对传统观念和传统行业挑战的信心和欲望，而这种创新精神也往往造就了大学生创业的动力源泉，成为成功创业的精神基础。大学生创业的最大好处在于能提高自己的潜力、增长经验，以及学以致用;最大的诱人之处是透过成功创业，能够实现自己的理想，证明自己的价值。第四部分：预算1、咖啡店店面费用咖啡店店面是租赁建筑物。与建筑物业主经过协商，以合同形式达成房屋租赁协议。协议资料包括房屋地址、面积、结构、使用年限、租赁费用、支付费用方法等。租赁的优点是投资少、回收期限短。预算10-15平米店面，启动费用大约在9-12万元。2、装修设计费用咖啡店的满座率、桌面的周转率以及气候、节日等因素对收益影响较大。咖啡馆的消费却相对较高，主要针对的也是学生人群，咖啡店布局、格调及采用何种材料和咖啡店效果图、平面图、施工图的设计费用，大约6000元左右3、装修、装饰费用具体费用包括以下几种。(1)外墙装饰费用。包括招牌、墙面、装饰费用。(2)店内装修费用。包括天花板、油漆、装饰费用，木工、等费用。(3)其他装修材料的费用。玻璃、地板、灯具、人工费用也应计算在内。整体预算按标准装修费用为360元/平米，装修费用共360*15=5400元。4、设备设施购买费用具体设备主要有以下种类。(1)沙发、桌、椅、货架。共计2250元(2)音响系统。共计450(3)吧台所用的烹饪设备、储存设备、洗涤设备、加工保温设备。共计600(4)产品制造使用所需的吧台、咖啡杯、冲茶器、各种小碟等。共计300净水机，采用美的品牌，这种净水器每一天能生产12l纯净水，每一天销售咖啡及其他饮料100至200杯，价格大约在人民币1200元上下。咖啡机，咖啡机选取的是电控半自动咖啡机，咖啡机的报价此刻就应在人民币350元左右，加上另外的附件也不会超过1200元。磨豆机，价格在330―480元之间。冰砂机，价格大约是400元一台，有点要说明的是，最好是买两台，不然夏天也许会不够用。制冰机，从制冰量上来说，一般是要留有富余。款制冰机每一天的制冰量是12kg。价格稍高550元，质量较好，所以能够用很多年，这么算来也是比较合算的。5、首次备货费用包括购买常用物品及低值易耗品，吧台用各种咖啡豆、奶、茶、水果、冰淇淋等的费用。大约1000元6、开业费用开业费用主要包括以下几种。(1)营业执照办理费、登记费、保险费;预计3000元(2)营销广告费用;预计450元7、周转金开业初期，咖啡店要准备必须量的流动资金，主要用于咖啡店开业初期的正常运营。预计2023元共计： 120230+6000+5400+2250+450+600+300+1200+1200+480+400+550+1000+3000+450+2023=145280元第五部分：发展计划1、营业额计划那里的营业额是指咖啡店日常营业收入的多少。在拟定营业额目标时，必须要依据目前市场的状况，再思考到咖啡店的经营方向以及当前的物价情形，予以综合衡量。按照目前流动人口以及人们对咖啡的喜好预计每一天的营业额为400-800，根据淡旺季的不同可能上下浮动2、采购计划依据拟订的商品计划，实际展开采购作业时，为使采购资金得到有效运用以及商品构成达成平衡，务必针对设定的商品资料排定采购计划。透过营业额计划、商品计划与采购计划的确立，我们不难了解，一家咖啡店为了营业目标的达成，同时有效地完成商品构成与灵活地运用采购资金，各项基本的计划是不可或缺的。当一家咖啡店设定了营业计划、商品计划及采购计划之后，即可依照设定的采购金额进行商品的采购。经过进货手续检验、标价之后，即可写在菜单上。之后务必思考的事情，就是如何有效地将这些商品销售出去。3、人员计划为了到达设定的经营目标，经营者务必对人员的任用与工作的分派有一个明确的计划。有效利用人力资源，开展人员培训，都是我们务必思考的。4、经费计划经营经费的分派是管理的重点工作。通常能够将咖啡店经营经费分为人事类费用(薪资、伙食费、奖金等)、设备类费用(修缮费、折旧、租金等)、维持类费用(水电费、消耗品费、事务费、杂费等)和营业类费用(广告宣传费、包装费、营业税等)。还能够依其性质划分成固定费用与变动费用。我们要针对过去的实际业绩设定可能增加的经费幅度。5、财务计划财务计划中的损益计划最能反映全店的经营成果。咖啡店经营者在营运资金的收支上要进行控制，以便做到经营资金合理的调派与运用。总之，以上所列的六项基本计划(营业额、商品采购、销售促进、人员、经费、财务)是咖啡店管理不可或缺的。当然，有一些咖啡店为求管理上更深入，也能够配合工作实际需要制订一些其他辅助性计划。第六部分：市场分析2023-2023年中国咖啡市场经历了高速增长的阶段，在此期间咖啡市场总体销售的复合增长率到达了17%;高速增长的市场为咖啡生产企业带给了广阔的市场空间，国外咖啡生产企业如雀巢、卡夫、ucc等企业纷纷加大了在中国的投资力度，为争取未来中国咖啡市场的领先地位打下了良好的基础。咖啡饮料主要是指速溶咖啡和灌装即饮咖啡两大类咖啡饮品;在速溶咖啡方面，2023-2023年间中国速溶咖啡市场规模年均增长率到达16%，显示出还处于成长阶段的中国速溶咖啡市场的高增长性和投资空间;在灌装即饮咖啡方面，2023-2023年间中国灌装即饮咖啡市场年均增长率也同样到达15%;未来几年，中国咖啡饮料的前景仍将被看好。现今咖啡店主要是以连锁式经营，市场主要被几个集团垄断。但由于几个集团的咖啡店并没有个性主题，很难配合讲求特式的年青人。我们亦有思考到其他饮品店的市场竞争状况，但发现这些类似行业多不是以自助形式经营，亦很难配合讲求效率的年青人。故我们认为开设自助式主题咖啡店能到达年青人的需要，尚有很多发展空间。有数据证明，中国的咖啡消费量正逐年上升，而有望成为世界重要的咖啡消费国。第七部分：营销策略1、同行业竞争分析知己知彼，百战百胜。咖啡店经营者应随时关注竞争者的经营动态及其产品构成状况，并进行深入的比较与分析，借以占据经营上的有利地位，保证采取比竞争对手更有效的销售策略。咖啡店经营者绝不能忽视市场情报，必须要随时掌握最新的相关资料与信息。针对咖啡店地址的特点与顾客特征，不断地提高产品与服务的质量，提高顾客来店的频率，进而提高咖啡店的业绩。2、销售促进计划咖啡店基本的特点是定点营业。但是目前市场竞争日益激烈，为使业绩得到有力发展，咖啡店已经不能被动地等顾客上门光顾，而是务必主动地吸引顾客来店。因此销售促进活动的实施与宣传效果的诉求，同样不可或缺。一般，小型咖啡店无法比照大型咖啡店投入巨额的广告促销费用，所以要做到花小钱做大广告。海报、传单、邮寄信函等促销手段都能够使用。3、日常运营计划如何拟订经营计划对咖啡店来说，在整个营运过程中最关切的问题，可能就是每一天的营业额了。每家咖啡店往往都定有营业目标，更详细者甚至还定了区位、商品的目标，以作为衡量每一天营业状况的基准。在拟订日常运营计划时，必须要依据设定的经营方针和营业额的预测、目标库存量的推算、损耗额的预估、采购预定额的估算，以及预定毛利的推算等，完成整体的运营计划。由于整个计划过程务必以数据为依据，所以数据库资料的建立，是进行销售计划拟订时必备的条件。即使是小型的咖啡屋也应以数据为基础，这样才有客观的衡量标准，而不是单凭印象、感觉和观察等。第八部分：成长与发展咖啡店目标消费群体多是大学生为主，选址在商业区、大学校区与路口交汇处，房租价格适中，装修要求较高，以致整体投资成本加大。大学生创业最重要的是心态，准确定位的基础上要对发展前景有信心，不能着急，盲目调整经营策略。经营咖啡店是个完美的愿望，但要有充足的心理准备，才能一步步走向成功，因此要想有一个简单的心态。

引力波的实验探测给我们的启示摘要：引力理论的发展经历了数百年，从牛顿到爱因斯坦，从万有引力定律到广义相对论。在这过程中，科学家们引力波的预言质疑不休、争论不止。而引力波的实验探测无疑证明了一切。引力波的发现，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，也确定了他的理论的正确。这是人类史上出现的又一契机，它将为人类社会带来重大变革。“破五”是中国传统迎财神的日子。2023年的这一天，却一个让全世界物理学界沸腾的日子，甚至许多的物理学家为之痛哭流涕——被预言已经百年的引力波，终于被探测到了。引力是什么？在今天人们所知道的物质的四种基本相互作用中，引力作用为最弱。四种相互作用按作用强度比例顺序是：强相互作用(1),电磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的运动时，引力一般略去不计。但在天文学领域内，由于涉及的对象的质量极其巨大，引力就成为不仅支配着天体的运动，而且往往是天体的结构和演化的决定因素。引力并不是一种所谓的“力”，而是一种属性。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首次提出万有引力定律，基于此，他结识了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象，并根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单的说，质量越大的东西产生的引力越大，地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，突破了绝对时间和绝对空间的概念，否定了瞬时超距作用，从根本上动摇了建立在这些旧观念基础上的牛顿引力理论。经过十年的探索后，爱因斯坦于1915年提出了迄今为止最成功的近代引力理论——广义相对论。广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。这种弯曲是由物质造成的，物质的质量越大，所形成的扭曲也就越严重。但是这种弯曲，对于人类来说根本感知不到，一是因为人类伴随这种弯曲一起弯曲了，而是由于这种弯曲太微小。大质量物体发生的扭曲引起了震动，而这种震动，就是引力波。科学家们通过探测这种时空震荡，来证实引力波的存在。早在1916年，爱因斯坦在广义相对论中就预言了引力波的存在。而科学家们普遍认为，这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，证实了爱因斯坦广义相对论的正确性，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，验证了已故科学家爱因斯坦的预言。探测的仪器叫做迈克尔逊干涉仪，或是LIGO。LIGO的“两条腿”都有4千米长，最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO的原理是什么？简单来说是利用光速不变，在同样的直线路程里测试耗时，而通过时间的偏差（尽最大可能排除误差，也是耗资巨大的原因）来判定空间确实存在震动。这样的实验设置基于爱因斯坦的假设：光速不变，是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。可能的引力波探测源包括致密双星系统（白矮星，中子星和黑洞）。在2023年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。在过去的数十年里，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在进行了大量研究。其中，泰勒和赫尔斯由于第一次得到引力波存在的间接证据荣获1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止，类似的双中子星系统已经发现了近十个，但是双黑洞系统却是首次。在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯。虽然他的共振棒探测器最后没能找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，为如今的硕果打下了基础。因为在地面上很容易受到干扰，所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形，同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项，目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行。作为先导项目，两颗测试卫星已经于2023年12月3日发射成功，目前正在调试之中。中国的科研人员，在积极参与目前的国际合作之外之外，也在筹建自己的引力波探测项目。引力波的实验探测引起了世界范围的轰动，这些探测极其不易，宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波，才相对容易探测到，例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前，爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说：“这些数值是如此微小，她们不会对任何的东西产生显著的作用，没人能够去测量它们。”蔡一夫给出解释：“时间发生得越早，距离越远，越会在宇宙中传播期间被红移。红移指的是由于宇宙本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平，这样其波动性就难以被探测到。例如，这次LIGO探测到的引力波，是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探测到真的是非常不容易，LIGO实验组的科学家们也是在几十年里经历多次挫折，不断调整方案，改进仪器，才最终探测到的。”所以它的成功探测也标志着在这个领域人类的技术进步到了前所未有的水平。而它所具有的里程碑意义不止在科学情感上，更在于能够打开人类的一个新的世界——每个人都对它满怀期待。如果电磁波探测是人类的眼睛，那么人类又多了一双聆听外界的耳朵。马克斯·普朗克引力物理研究所说：“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中，LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢？”引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一：不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二：引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡，引力波能够不受阻碍的穿过。对于天文学家来说，这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息，而每一个电磁波谱的打开，都会为我们带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。而引力波本身的性质也可能对基础物理学产生巨大的影响。另外，引力波蕴含的，很可能是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始，宇宙又一次最为剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在？有多大规模？不仅如此，引力波还能传递信息——我们看不到的宇宙空间在发生什么？据科学家解释，这次的引力波就是在遥远的距离上巨大的黑洞变化引起的。而这一结果也证明了黑洞真实存在——至少是广义相对论预测的由纯净、真空、扭曲时空组成的完美圆形物体。并且，引力波传递的信息可以让科学家更精确地估计宇宙膨胀的速度。总而言之，一个新的重大科学发现，总会给人类社会带来无法预估的发展。18世纪面熟电磁波的麦克斯韦理论确认的时候，也没人知道会给人类带来什么，但是现在不管是电视机还是移动，都与电磁现象有关。引力波的发现类似当年的发现X光一样，是一种工具。有了这个工具，我们可以利用引力波的观察，去观察遥远的宇宙的现象。发现暗物质、时空穿梭等等才是有可能实现的事情。如果没有引力波，以我们现有的技术是做不到这些科幻世界才有的事情的。“既然引力波是存在的，基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一条未知的路，走到半路，有人怀疑不对，结果证实是对的，那么就可以加快步伐了。”苏萌说。世界各国都加大了探测研究引力波的力度，我国也紧跟探索引力波的步伐。“天琴计划”参与者、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼教授介绍，“天琴计划”是我国自主开展空间引力波探测的可行方案，发射三颗卫星探测引力波，该计划预期执行期为2023~2035年，分四阶段实施。项目还将挖山洞，建观测站以及建设综合研究大楼。预计拟投三亿启动。天琴计划预期执行期为2023-2035年，分四阶段实施：（1）2023-2023年：完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括：新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制（包含微推进器）、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等；（2）2023-2025年：完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机，并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含：超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪以及进一步提高加速度计、无拖曳控制、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术；（3）2026-2030年：完成空间引力波探测关键技术，完成卫星载荷工程样机；（4）2031-2035年：进行卫星系统整机联调测试、系统组装，发射空间引力波探测卫星。李淼介绍，“天琴计划”的出发点是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景，提出我国自主开展空间引力波探测的可行方案。在目前讨论的初步概念中，天琴将采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器，实时调节卫星的运动姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动，而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。“天琴”的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题。中国科学院也于2023年2月16日公布了空间引力波探测与研究的“空间太极计划”。按照这一计划，我国将在2030年前后发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。中科院力学研究所胡文瑞院士表示，“我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。”胡文瑞说，“空间太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案：方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划；方案二是发射一组中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时遨游太空，进行低频引力波探测。据介绍，空间引力波探测被列入中科院制订的空间2050年规划。2023年由中科院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与。引力波的发现是感人至深的，它印证了一位物理学大师的睿智伟大，为年富力强的物理学家们增添了信心和安慰。在理性上，引力波的发现更是激动人心的，人类的历史将会改写，一切都是未知，未知也许会更加美好。参考文献：[1].柏格曼著，周奇、郝苹译：《相对论引论》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,IntroductiontotheTheoryofRelativity,Butterworths,London,1958.)[2].温伯格著，邹振隆译：《引力和宇宙论》，科学出版社，北京，1979。(S.Weinberg,GravitationandCosmology,JohnWileyandSons,NewYork,1972.)[3].北京:科学出版社,1977.J·韦伯著,陈凤至,张大卫.《广义相对论与引力波》[4].《引力波与引力波探测》李芳昱、张显洪[5].《引力、引力波和引力波的探测》薛凤家，《大学物理》[6].《空间时间引力》（美）沃尔德史新奎金丽莉[7].《自然哲学的数学原理》艾萨克牛顿1687[8].《原理》艾萨克牛顿[9].《论引力波》爱因斯塔1918[10].《广义相对论》刘辽，赵峥-2023[11].《广义相对论与现代宇宙学》须重明-南京师范大学出版社-2023[12].《广义相对论引论》俞允强-北京大学出版社-1987[13].《广义相对论基础》赵峥-清华大学出版社-2023[14].《引力波探测》胡恩科-《物理》[15].《引力波、引力波源和引力波探测实验》唐孟希，李芳昱，赵鹏飞《天文研究与技术》

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况1.能源的重要性1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.2.能源的种类2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样的,一般可分为常规能源和新能源两大类.常规能源包括煤炭,石油,天然气和水能,而新能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,天然气被成为化石能源,水能,生物质能,风能,太阳能和氢能等是可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,世界上煤,石油和天然气的储采比分别为204,40和60年,中国的情况更为严峻,据2002年统计,中国煤,石油和天然气的储采比只有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在2004,2020和2050年的石油消费量达3,4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,在10年内,世界的气候将产生不可逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排放量占世界总排放量的14%,在美国之后位居第二,估计到2025年,将位居第一.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在世界上十个环境污染最严重的城市中,七个在中国.它们是太原,北京,乌鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.我国在能源利用方面的效率很低,我国的能耗很高,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,在20世纪上半叶,化石燃料仍将是世界一次能源的主体,但到21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风能等新能源将占世界能源的50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化近年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,在21世纪末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常,人们对新能源的开发越来越重视.其中水力能,地热能,海洋能和风能的可利用资源有限,因此,太阳能,生物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点.(1)生物质来源丰富地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍,我国的生物质能也极为丰富,可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤.加上生物质能可再生.因此,生物质能的高效,规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术成熟,但效率低.(b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟,但生产成本较高.生物质制沼气技术相当成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池.(c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等技术,获得气,液体燃料来发电.(d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2,而对环境污染少.生物质能的利用还能降低污染.如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题2.生物质能利用的问题生物质能利用的缺点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,分散的生物质能利用系统.而小型转换系统的效率低,不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.因此,如何在小型,分散体系实现能量的高效,清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点太阳能的优点(1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸收的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的潜力很大.(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用.如太阳能热水器,太阳灶,太阳能蓄热池发电等.(b)太阳能发电.如太阳能电池和光电池.(c)光催化和光电催化制氢.主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已有300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用发展更快.特别在我国,太阳能热水器的年产值已达60多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素.(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"氢行星"为主题的第14届世界氢能源大会.2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5%.氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界的主要能源,进入氢能时代已成为近年来的热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议.今年一月,中国科学院院士局召开了关于"石油替代能源"的研讨会,主要讨论石油资源可持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题(2)廉价清洁的制氢技术问题目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗4.2-6度的电能,其能量转化率不到32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可储存,碳循环等优点,从中长期看是最有前途的制氢方式.目前生物质制氢效率低.(d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在由于储运技术不过关,因此浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油,炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气,只是由于储运技术的问题而不能被利用.我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上.因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题.目前氢的储运还有很大问题.(a)高压储氢:储氢量少,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有1%左右.(e)化合物储氢:放氢不容易.(4)燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因.近年来,由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各国对燃料电池的研究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛的氢都是电解水制得的,因该国70%的电是由地热和水电站产生的.(5)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国6%的用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州那么大.(6)布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.五.燃料电池加速氢能利用1.燃料电池的优点.(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统,可降低环境污染和气候异常.(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气,液物质和氢作燃料,因此,能促进氢能的利用.(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合于生物质分散性的特点.2.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度:60-80oC用途:航天器和潜艇的动力源优点:比能量和比功率高缺点:对CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池(PAFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:98%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:汽车和潜艇等的动力源优点:比能量和比功率高,寿命长,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,80