能源儲存之一

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簡要地介紹了幾種主要的新能源，尤其是可再生新能源，包括風能、太陽能等，另一面是如何儲存采集到的能源，我童年的時候，看過一部叫做《變形金剛》的動畫片，對片中“擎天柱”和“霸天虎”爭奪能量塊的情節記憶猶新，因為能量塊可以供他們完成星際旅行，動畫片的情節很精彩，可是在現實中，能量的儲存就不那么簡單了，能源儲存的問題不僅僅是國際科學界和工程界非常關心的學術問題，它已經開始牽動社會的敏感神經，因為它的解決關系著國計民生，甚至關系著國家安全。

能源儲存的分類

能源儲存從宏觀上大致可以分為兩種：其一是化石能源的儲備；其二是非化石能源的轉化和儲存，我們知道化石能源包括煤炭、石油和天然氣等，這些能源是以實體物質的形式存在的，具有質量和能量的一一相對應關系，化石能源可以通過各種方式轉化成固態或液態，從而方便地運輸和儲存，對于化石能源，一個國家或地區通常可以通過制定相應的政策、戰略，進行儲備，辦法包括對本國已經探明的儲量不開采或者推遲開采：或者建立國家能源戰略儲備庫，大量購買別國的能源，將其儲存起來暫時不用，比如美國從中東大量購買原油，而對本國的原油不加開采，就是個例子，我國目前認識到了化石能源儲備的緊迫性，已經擁有了第一批能源儲備庫，據悉今后將逐步擴大儲備容量，第二種，即非化石能源的轉化和儲存，這是本文所關注的，它的難點不在于政策層面，而是在技術層面，

非化石能源為什么需要儲存?很多種新能源雖然能量強大，資源豐富，但我們并不能直接拿來使用，比如風能中蘊涵的機械能，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，當然了，風能可以幫助航船，太陽光可以幫助取暖，但是你不能用風能煮飯吧，這里順便插一句，機械能是否可以儲存并派上用場呢?答案是肯定的，舉個例子，壓縮空氣動力汽車，它的發動機可不是由燃燒汽油或者柴油產生大量氣體，然后通過氣體膨脹推動活塞來取得動力的，壓縮空氣動力汽車沒有油箱，有的是一個高壓氣罐，車發動之后，高壓氣罐里輸出高壓空氣，推動發動機的活塞做功從而驅動汽車，這是一款真正的“氣車”，你一定有過這樣的經歷，吹了一個很大的氣球，但是氣球嘴兒沒有扎好，結果氣球跑掉了，并且在隨后的幾秒鐘內飛來飛去，其實飛動的氣球和壓縮空氣動力汽車的動力原理是一樣的，這個例子說明機械能也是可以儲存的，目前壓縮空氣動力汽車還處在概念車階段，由于高壓氣罐需要的材料特殊，對于安全要求非常嚴格，所以造價昂貴：同時由于氣罐中儲存的機械能有限，所以這種車跑不了很遠：重要的是這種車的運營需要配套的充氣站等基礎設施的建設，投資巨大，所以它的商業化的前景是比較遙遠的。

能量的轉化

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

說到其他能源轉化為電能，這里簡單說一下能量轉化的概念，這其實是一個很大的題目，八年級下學期，同學們會接觸到磁生電、電生磁的道理，這是能量轉化的一個經典例子，宇宙中能量的形式多種多樣，從物理學的角度來看，可以分光能、聲能、電能、化學能、機械能、核能等，如何將這些性質不同的能量進行游刃有余地相互轉化，這是目前世界能源科學界的前沿課題，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能轉化為電能，可充電電池還可以將電能轉化為化學能：氫氣燃料電池將燃料蘊涵的化學能直接轉化為電能：壓電材料發電機將機械能轉化為電能，這個過程是通過造成壓電材料的形狀變化來完成的，這些能量轉化的過程需要解決的一個共同問題是：如何讓“市場”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起來，電子跑起來了，全世界的黑夜就亮了。

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

現在我們已經把各種形式的能量都變成了電能這種“統一貨幣”，當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?那就要想辦法儲存起來了，能量儲存大體上就是電能儲存的問題，那么電能可以直接儲存嗎?如何用最小的質量和空間去儲存盡可能多的電能呢?電能是不是還要轉化成其他更加便于攜帶和管理的能量形式來儲存呢?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能之旅。

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

直接儲電裝置

最早的電能儲存裝置叫做萊頓瓶，萊頓瓶其實是最早的電容器，它是荷蘭萊頓大學的教授馬森布洛克在1746年發明的，這個裝置可以用來收集摩擦起電所得到的電荷，在萊頓瓶發明之初，一些學者用萊頓瓶做了很多有趣的實驗和科學表演，這在當時引起了很大的轟動，這一發明具有劃時代的意義，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。

電容器的構造其實非常簡單，它的核心是個三明治結構，處于中間層的電介質將兩邊分別載有正電荷和電子(負電荷)的(金屬)極板隔開，我們知道正、負電荷是相互吸引的，就好像屬性不同的磁極相互吸引一樣，為了不讓一側極板上的電子直接跳到另一側極板上與正電荷中和，電容器中間的電介質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分開的正、負電荷，具有強大的結合趨勢，在可控條件下，利用這種趨勢，讓電子從外界流動到另一側，就輸出了電能。

那么是不是正、負極板上帶的電荷越多，電容器所儲存的能量就越大呢?是的，但是電容器能帶多少電荷是有限度的，這個限度取決于中間的電介質的絕緣能力，也就是抗擊穿能力，當對電容器充電超過了額定值，由于兩側極板間的電壓過大，電子就會突破電介質的阻礙，在電容器的內部直接實現正、負中和，這就是電容器的擊穿，閃電是常見的自然現象，它的形成機理和電容器擊穿的機理是非常類似的，可見電容器一旦擊穿是很危險的，電容器目前最重要的用途其實并不是儲存電能，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量所儲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用在各種電子設備中。

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

責任編輯 程哲