大家还记得前段时间我国东北地区限电的新闻嘛？

据报道，由于近期用电量巨增、电煤紧缺、新能源发电电力偏小等原因，地区电网电力供应紧张，于是需要限电（虽然近期已有所缓解）。

2020年中国发电量构成情况（图源水印） 从上图中，我们也可以看到我国的电力供应主要来自火电，其次是水电、风电、核电和太阳能发电。咦，看着是不是很熟悉？

没错！在IB物理8.1章节里，我们也系统地学习了一模一样的这五种发电方式！本篇笔记就会从基础概念和发电流程两方面再给大家梳理一遍8.1 Energy Sources的知识～

目 录

能源的性质

1.1 比能和能量密度（specific energy & energy density）

1.2 给能源分类的方式：可再生、来自太阳能、一/二次能源

1.3 效率和桑吉图（efficiency & Sankey diagram）

发电方式

2.1 发电流程和能量转换

2.2 好处和坏处

能源的性质

1.1 Specific energy & Energy density

第一个要介绍的就是比能specific energy和能量密度energy density了！

这两个性质分别从质量和体积上展示l 某种能源的能量储存是否intense，即单位质量和单位体积的这个能源可以产生多少能量～非常直观，公式如下：

Specific energy = total energy produced / mass

Energy density = total energy produced / volume

这一部分经常考的点是他们的单位，如下面两道选择题：

通过公式，我们可以直观地得到Specific energy的单位是J kg-1，Energy density的单位是J m-3，将两条公式相除，可以得到specific energy / energy density = volume / mass = 1 / density，从而得出：两题的答案都是B。 另外，IB也曾在structure questions中比较了nuclear和fossil的specific energy，前者远远大过后者～ 

1.2 给能源分类的方式

除了上面两个性质外，IB还介绍了其他三个可以用来分类的性质：是否可再生、是否来自太阳能、是一次还是二次能源。 ①可再生：renewable和non-renewable的意思相信大家已经很熟悉了，这里主要强调一下核能也是不可再生❌的哦！

虽然核能消耗的原料虽然少，不像fossil储存得又少消耗得又快，但是uranium等核能材料的总量也还是有限的，用完就没有了～

Renewable: wind, HEP (Hydroelectric Power), tide, solar, geothermal, etc

Non-renewable: fossil, nuclear

(ref: https://www.proprofs.com/quiz-school/story.php?title=nzk4nti0h8nz) ② 来自太阳能，或者说coming from solar energy的具体意思其实就是指这个能源储存的能量有没有从太阳能转换过来的。具体分类如下：

Yes：

Fossil：植物通过光合作用和动物通过吃动植物来获得的化学能来源于太阳

Wind：太阳加热空气产生风，因此风的动能来自于太阳

HEP：（这个比较牵强，是这么解释的）从水库流出的水会经过蒸发、降雨重新回到水坝或者储水库里，因此这部分水用来产电的重力势能GPE中也有一部分是来自于太阳的

Solar：这个就直观啦~

No：

Tide, geothermal, nuclear：这些能源的发电过程全程与太阳都没有关系～

③一次/二次能源：一次能源是指在自然界中以原有的形式存在的、未经加工转换的能源，包括常见的各种发电能源，而二次能源就是从一次能源人为加工转换而来的能源啦，主要要记一下常见的二次能源有电能和热能！

Primary: fossil, nuclear, wind, HEP, solar, etc.

Secondary: electricity, biofuel, heat, petroleum products like manufactured gas

1.3 效率和桑吉图 

效率efficiency大家都非常熟悉了，计算公式是：Efficiency = useful energy output / total energy input 而桑吉图Sankey diagram可以清晰地展现一个能量转换的过程和转换后各种能量的占比。

在sankey diagram中，有用的能量以右箭头➡表示，而浪费掉的能量用拐弯向下的箭头⬇表示。

同时，箭头的粗细与它所代表的能量的大小成正比，这样就可以直观地感受到这次能量转换的efficiency。

Ref: https://datavizcatalogue.com/methods/sankey_diagram.html 例如在上图中，一个灯泡将100J的电能转换成了10J的光能和90J的热能，所以如果要画图的话，input的能量10个格子粗，那么光能是1个格子粗，热能9个格子粗。

其中光能是我们想要的，所以这个灯泡的效率为10/100 * 100% = 10%，也体现在箭头的粗细对比中了。 

发电方式

2.1 发电流程和能量转换

这次的重头戏来啦！学习的是fossil, nuclear, wind, HEP, solar cells这五种发电方式的流程和其中的能量转换。

先来一张总结了所有信息的大图：

首先，我们应当理解的是，除了solar cell之外，所有其他的能源都是通过什么东西来转动turbine，turbine连接electricity generator（对就是电磁那一章学的那个），使generator转动从而发电的。其中：

HEP水电是通过水流从水库向下流的过程中自然转动turbine

Wind风电是通过流动的风转动turbine

Fossil火电是通过燃烧燃料加热水蒸气，使水蒸气流动，从而转动turbine，然后冷却的水蒸气又流回去继续被加热，如此循环往复

Nuclear核电与fossil差不多，只是因为反应堆内部不直接接触加热水蒸气，需要通过一个叫做heat exchanger的部件来加热，然后再使热的水蒸气转动turbine

明白了这些之后发电流程中的能量转换就很好理解了，我们一个一个说～

FOSSIL

前面说过的前提：动植物将太阳能 -> 化学能

燃烧过程中：燃料里的化学能 -> 热能

加热水蒸气、使水蒸气流动：热能 -> 水蒸气的内能 + 动能（+ wasted heat）

水蒸气转动turbine：水蒸气的动能 -> turbine的动能（+ friction产生的heat）

Turbine转动generator：turbine的动能 -> generator的动能（+ friction产生的heat）

Generator转动产生电：generator的动能 -> 电能（+ friction产生的heat）

注意：（）括号里的是wasted energy！ 以下是发电厂的结构图：

(ref: https://wiki.seg.org/wiki/Fossil_fuel) 上面描述的是比较完整的能量转换步骤了，一般IB要求写chemical energy -> heat -> KE of steam -> KE of turbine -> KE of generator -> electricity甚至更简就可以了，具体看这道题的分数有多少啦！

NUCLEAR

核燃料反应：核能 -> 热能

通过heat exchanger，在核反应堆中的被加热的、有核辐射的液体和另外一些水蒸气交换热量：热能 -> 水蒸气的内能 + 动能

KE of steam -> of turbine -> of generator -> electricity，后面的都跟fossil一样啦！

发电厂结构图：图里的steam generator就是我们讲的heat exchanger啦～

(ref: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_propulsion) 另外的考点：

要注意的是核反应堆中有三个部件，他们的用处要记住，考试会经常考！

Control rod：absorb neutron

因为在核反应里，是neutron来引发这个reaction，所以在反应堆外面通过control rod控制它的数量，可以控制核反应的速度，防止全部燃料连锁反应完了

Moderator：slow down neutron

速度慢一些的neutron比刚从核反应中产生的速度极快的neutron更有可能引发核反应，所以要通过反应堆里面的moderator来改变反应堆里neutron的速度～

Heat exchanger：transfer heat produced from nuclear reaction to steam

WIND

前提：太阳能加热风：太阳能 -> 风的动能

跟前面一样把水蒸气换成风，风转动turbine转动generator产电：风的动能 -> turbine的动能 -> generator 的动能 -> 电能

Wind farm的结构：可以看到会随风转动的blade直接连接generator，然后generator插线到地底下去传输电流～

(ref: https://www.electricaleasy.com/2015/12/wind-power.html) 另外的考点：

风力发电产生的power的公式

假设：

风的速度在经过turbine后变成0，i.e. 风所有的动能都全部转化成了turbine的动能

Turbine和generator没有friction

推导：

想象时间t内一个圆柱形体积（底面为A即turbine圆形扇面的面积，长度为h）的风通过了turbine，所以它的，而h/t则直接是风通过turbine的速度v HEP

前提：太阳将水蒸发回水坝中：太阳能 -> 水的重力势能GPE

水向下流：水的GPE -> 水的动能

跟前面一样，水流动的过程中转动turbine转动generator产电：水的动能 -> turbine的动能 -> generator 的动能 -> 电能

另外的考点：When demand decreases or price is low, 多余的电量会被用来把流出来的水再送会上面的水库中，以便下一次使用

因此，算HEP产生的电能的时候，直接算大坝水库中的水一开始的GPE就好，power则等于GPE / 流掉这些质量的水的时间。 水力发电站的结构：

(ref: https://www.youtube.com/watch?v=q8HmRLCgDAI)

Solar cell

注意solar cell的发电方式跟其他能源的发电方式是不一样的，这个也选择题考过哦！

Solar cell是通过材料特殊的结构发电的，简单来讲就是太阳能板的材料里的电子会在有阳光照射的时候流动，从而产生电流和电能，没有用到generator来发电。 具体的p-n结结构，有兴趣的同学可以去了解一下～：

(ref: https://www.renewablesinafrica.com/how-does-a-solar-panel-work/) 另外的考点：

solar cell和solar heating panel（太阳能热水器/加热器）的区别这个就很直观啦，是能量转换上的区别：

Cell: solar -> electricity

Panel: solar -> heat

2.2 好处和坏处

各个发电方式的好处和坏处也是这章常考的内容，这里总结了一些常见的好处和坏处～

☆Cost to build & maintain the facility

Fossil, solar cell: relatively cheaper

Other renewable ones: expensive technologies

☆Availability

Wind, geothermal, HEP: only available at some regions

Solar cells: only available at some hours in a day

☆Renewability

Nuclear: dangers of nuclear leakage to the environment and human beings

☆Environmental

Wind: kill birds

HEP: took fish habitats, may cause earthquakes

Etc

总  结

本篇笔记为大家整理了IB Physics 8.1 Energy Sources的内容，主要从能源性质的定义和计算、能源的分类、能源或发电站的工作机制及能量转换过程、不同能源的好处和坏处这几个方面大家梳理了考试的内容。希望对大家的IB物理学习有所帮助，下期再见～

文章转载自：【易鹿君】