太阳能/核能/地热能等发电过程及原理讲解，了解真正的发电工艺-AP环境科学高频考点

生活在文明时代的我们，每天都在消耗着大量的资源。我们经常会听到煤石油天然气等资源越来越匮乏的新闻，不过我们中的大部分人并不会大量接触煤石油这些资源，那为何这些能源的减少还与我们息息相关？这是因为我们对于资源的使用是以电能的形式体现的，当你利用坐机或者电脑等工具打开这篇推文时，维持这些设备的能源叫做电能（electric energy）。电能是人类文明发展的产物，也是诸多科学家智慧与努力结合的产物。

电能的产生与发展

人类对于电能的认识与发展经历了很久，从富兰克林著名的风筝实验尝试去“捕捉天电”，到伏特发明了伏特电池及定义了电压的单位V，再到化学家戴维奠定电离理论基础并分离出钠、钾、锶、硼、钙、氯、氟、碘等元素，电能始终活跃在当年的科学界，但这些发现距离电能被人类使用还有一段距离。

直到法拉第的出现，他发现一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个效应叫电磁感应。而只要让运动一直进行，电流就会源源不断地产生。

世界在享受了几千年的黑夜之后，终于可以在夜晚迎来光明，人类即将迎来新的文明。而实际生产要考虑的是如何满足大量人口的电量需求，正值工业革命时代的欧洲，最广泛的能源就是煤炭，至此火力发电产生。

光明时代的到来

发电过程是环境科学的高频考点，经常出现在FRQ中。

发电原理如下图所示，先看发电的核心。想要源源不断地产生电量，需要反复循环的运动，因此旋转就是很好的选择。利用涡轮（turbine）旋转，可以带动发电机（generator）内部进行重复的切割磁感线运动，以此产生电流。那么问题来了，如何让涡轮旋转呢？这个时代还有一项伟大的发明-瓦特蒸汽机，人们意识到蒸汽可以提供能量，那它是不是能够推动涡轮旋转呢？当然是可以的，直到现在我们的火力发电，依然延续着利用蒸汽作为动力，去推动涡轮的旋转。而蒸汽又如何产生呢？这就比较简单了，只要燃烧发热就可以了。 [caption id="attachment_40538" align="aligncenter" width="681"]

火力发电工艺[/caption]

现代发电工艺的发展

根据这个原理也可以推及到其他的发电方式，比如太阳能（solar energy）发电站——利用太阳能加热，核发电站（nuclear）——利用衰变产生能量加热，地热能（geothermal）发电——利用地热能热量加热。 [caption id="attachment_40539" align="aligncenter" width="583"]

太阳能发电站[/caption] 那有没有不需要水蒸气就可以发电的工艺呢？其实发电的本质是利用涡轮旋转切割磁感线，能旋转起来就可以。像水力发电（Hydroelectricity），直接利用水流冲力让涡轮旋转即可；以及风力发电（wind），扇叶随风转动，自然起到旋转的效果。这些更加环保，并且一旦建成，后期基本不需要什么投入。 [caption id="attachment_40540" align="aligncenter" width="631"]

水力发电[/caption] [caption id="attachment_40541" align="aligncenter" width="494"]

风力发电[/caption] 这些发电工艺在环境科学考试中都是FRQ的高频考点，在考试中可能会考察对于发电工艺的描述，通常回答思路为：使用煤/石油/天然气/核能等加热水形成水蒸气，水蒸气推动涡轮旋转。正如最早所说，能源在逐步减少，那在发电工艺中如何提高发电与能源使用效率？在发电工艺中，燃烧后排放的气体是伴随着燃烧产生的（图中箭头位置），它拥有很高的热量，既然水蒸气可以推动涡轮旋转，尾气也同样可以。利用尾气和水蒸气共同发电的工艺称为联合循环（Combined cycle）。除此之外，当水蒸气推动完涡轮，会被冷凝成水，但是这些水依然是热水（图中箭头位置），这些热水可以用来供暖或者加热游泳馆的泳池，增加热量的利用率，这个过程被称之为联合发电（Cogeneration）。 [caption id="attachment_40542" align="aligncenter" width="707"]