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第22章 科技发展与人类生活(2)

(4)有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

(5)可以利用现有的加油站加油,不必再投资。

(6)可让电池保持在良好的工作状态,不发生过充、过放,延长其使用寿命,降低成本。

混合动力汽车的缺点主要表现在:长距离高速行驶基本不能省油。

2.纯电动汽车

纯电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车。大部分纯电动汽车直接采用电机驱动,有一部分车辆把电动机装在发动机舱内,也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子,其难点在于电力储存技术。

由于电力可以从多种一次能源获得,如煤、核能、水力、风力、光、热等,解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。有关研究表明,同样的原油经过粗炼,送至电厂发电,经充入电池,再由电池驱动汽车,其能量利用效率比经过精炼变为汽油,再经汽油机驱动汽车高,因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量,正是这些优点,使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。

有专家认为,对于电动车而言,最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程,与混合动力汽车相比,电动车更需要基础设施的配套。而这不是一家企业能解决的,需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设,才会有大规模推广的机会。

纯电动汽车的优缺点主要表现为:

优点是技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能够充电。

缺点是蓄电池单位重量储存的能量太少。另外电动车的电池较贵,又没形成经济规模,故购买价格较贵。至于使用成本,有些试用结果比汽车贵,有些结果仅为汽车的1/3,这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价。

3.燃料电池汽车

燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料,通过化学反应产生电流,依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用,而不是经过燃烧,直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,因此燃料电池车辆是无污染汽车,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍,因此从能源的利用和环境保护方面,燃料电池汽车是一种理想的车辆。

与传统汽车相比,燃料电池汽车具有很多优点:零排放或近似零排放、减少了机油泄露带来的水污染、降低了温室气体的排放、提高了燃油经济性、提高了发动机燃烧效率、运行平稳无噪声等。

(1)氢动力汽车

氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,其具有无污染、零排放、储量丰富等优势,因此,氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。但是与传统动力汽车相比,氢动力汽车成本至少高出20%。

氢动力汽车的优点主要表现在:排放物是纯水,行驶时不产生任何污染物。

氢动力汽车的缺点也是显而易见的:氢燃料电池成本过高,而且氢燃料的存储和运输按照技术条件来说非常困难,因为氢分子非常小,极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外最致命的问题,氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气,如此一来同样需要消耗大量能源,除非使用核电来提取,否则无法从根本上降低二氧化碳排放。

(2)甲醇汽车

醇汽车就是以甲醇作为主要燃料的汽车,也能以汽油或汽油-甲醇混合燃料为燃料,是一种甲醇-汽油燃料灵活转换的具有节能环保科技含量的新型汽车。

甲醇汽车也可以由普通汽车改装而成。普通汽车要改装成甲醇汽车,需要在汽车喷油嘴和原车电脑之间加装一个多燃料发动机智能控制系统,把多燃料发动机智能控制系统串联在整个系统中,起到调节喷油量的作用,这样就能改变原车的运行参数,使汽油发动机能够燃烧甲醇燃料。多燃料发动机智能控制系统,有的是单一参数的,也有多参数可调的,目前最新、最普遍的甲醇燃料智能控制器是12档和25档可调的甲醇控制器,里面有12个和25个参数可供选择,能够适应绝大多数车辆运行,相对于参数单一的控制器,优势更明显。

甲醇的燃烧特性:一是极佳的冷却作用,可以降低发动机温度,不致过热;二是极高的抗爆能力,能够在高于优质汽油所容许的压力下燃烧而不会爆震,这正适合高压缩比、高性能的发动机,使其充分发挥其高辛烷值的作用,输出更大的功率;三是燃烧彻底、挥发性低,所排放的碳氢化合物、氧化氮和一氧化碳等有害气体少。

当然,甲醇汽车亦有弱点,它的能量较低、行驶同一距离的消耗几乎比汽油多一倍,因而需要大的油箱。

高铁技术的快速发展

1.高速铁路的定义

高速铁路,简称“高铁”,是指通过改造原有线路,使最高营运速率达到不小于每小时200千米,或者专门修建新的“高速新线”,使营运速率达到每小时至少250千米的铁路系统。高速铁路除了列车在营运达到一定速度标准外,车辆、路轨、操作等系统都需要配合提升。

2.高速铁路的发展历程

铁路是人类发明的首项公共交通工具,在十九世纪初期便在英国出现,直至二十世纪初发明汽车,铁路一向是陆上运输的主力。两次世界大战以后,汽车技术得到改进,高速公路亦大量建成,加上民航的普及,使铁路运输慢慢走向下坡。特别在美国,政府的投资主要放在公路的建设上,不少城市内的公共交通曾一度被遗弃。

早在20世纪初前期,当时火车“最高速率”超过时速200千米者寥寥无几。直到1964年日本的新干线系统开通,是史上第一个实现“营运速率”高于时速200千米的高速铁路系统。日系新干线列车由川崎重工建造,行驶在东京-名古屋-京都-大阪的东海道新干线,营运速度每小时271千米,营运最高时速300千米。

如今高速铁路的发展已经经历了三次大的变革浪潮:

第一次浪潮(1964年~1990年)

1959年4月5日,世界上第一条真正意义上的高速铁路东海道新干线在日本破土动工,经过5年建设,于1964年3月全线完成铺轨,同年7月竣工,1964年10月1日正式通车。东海道新干线从东京起始,途经名古屋,京都等地终至大阪,全长515.4千米,运营速度高达210千米/小时,它的建成通车标志着世界高速铁路新纪元的到来。随后法国、意大利、德国纷纷修建高速铁路。1972年继东海道新干线之后,日本又修建了山阳、东北和上越新干线;法国修建了东南TGV线、大西洋TGV线;意大利修建了罗马至佛罗伦萨。以日本为首的第一代高速铁路的建成,大力推动了沿线地区经济的均衡发展,促进了房地产、工业机械、钢铁等相关产业的发展,降低了交通运输对环境的影响程度,铁路市场份额大幅度回升,企业经济效益明显好转。

第二次浪潮(1990年至90年代中期)

法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国等欧洲大部分发达国家,大规模修建该国或跨国界高速铁路,逐步形成了欧洲高速铁路网络。这次高速铁路的建设高潮,不仅仅是铁路提高内部企业效益的需要,更多的是国家能源、环境、交通政策的需要。

第三次浪潮(从90年代中期至今)

在亚洲(韩国、中国台湾、中国)、北美洲(美国)、澳洲(澳大利亚)世界范围内掀起了建设高速铁路的热潮。主要体现在:一是修建高速铁路得到了各国政府的大力支持,一般都有了全国性的整体修建规划,并按照规划逐步实施;二是修建高速铁路的企业经济效益和社会效益,得到了更广层面的共识,特别是修建高速铁路能够节约能源、减少土地使用面积、减少环境污染、交通安全等方面的社会效益显著,以及能够促进沿线地区经济发展、加快产业结构的调整等等。

适合高速铁路的生存环境其实只有两条基本原则:第一是人口稠密和城市密集,而且生活水准较高,能够承受高速轮轨比较昂贵的票价和多点停靠,第二是较高的社会经济和科技基础,能够保证高速轮轨的施工、运行与维修需要。

就这两点而言,以巴黎和柏林为核心的欧洲大陆和日本密集的城市带是最适合不过的。因此世界最先进的高速轮轨技术诞生在德、法、日这3个国家就非常合乎逻辑。

3.世界各国的高铁技术介绍

日本:日本是世界上第一个建成实用高速铁路的国家。1964年10月1日东海道新干线正式营业,代表了当时世界第一流的高速铁路技术水平,标志着世界高速铁路由试验阶段跨入了商业运营阶段。2011年3月5日,日本新干线速度最快的列车隼鸟号投入运营。

美国:美国联邦铁路管理局对“高速铁路”的官方定义为最高营运速度高于145千米/小时的铁路。但从社会大众的角度,“高速铁路”一词在美国通常会被用来指营运速度高于160千米/小时的铁路服务,这是因为在当地除了阿西乐快线以外并没有其他营运速度高于128千米/小时的铁路客运服务。

中国:中国是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。在运行速度上,目前最高设计时速可达350千米,已于2011年6月30日正式开通运营的京沪高速铁路客运专线最高时速达到300千米;在运输能力上,一个长编组的列车可以运送1000多人,每隔3分钟就可以开出一趟列车,运力强大;在适应自然环境上,高速列车可以全天候运行,基本不受雨雪雾的影响;在列车开行上,采取“公交化”的模式,旅客可以随到随走;在节能环保上,高速铁路是绿色交通工具,非常适应节能减排的要求。

法国:1971年,法国政府批准修建TGV东南线,1976年10月正式开工,1983年9月全线建成通车。TGV高速列车最高运行时速270千米,巴黎至里昂间旅行时间由原来的3小时50分缩短到2小时,客运量迅速增长,预期的经济效益良好。TGV东南线的成功运营,证明高速铁路是一种具有竞争力的现代交通工具。1989年和1990,法国又建成巴黎至勒芒、巴黎至图尔的大西洋线,列车最高时速达到每小时300千米。1993年,法国第三条高速铁路TGV北线开通运营。北线也称北欧线,由巴黎经里尔,穿过英吉利海峡隧道通往伦敦,并与欧洲北部比利时的布鲁塞尔、德国的科隆、荷兰的阿姆斯特丹相连,是一条重要的国际通道。

德国:德国高速列车被称为德国铁路公司的旗舰高速列车,通达德国全国各地。德国的高速铁路技术储备不亚于法国,1988年他们电力牵引的行车试验速度突破每小时400千米大关,达到每小时406.9千米。但是德国的实用性高速铁路直到20世纪90年代初才开始修建,原因是政府及公众的错误性认识,他们认为德国客运量最集中的地区城市密布,高速公路已经发达完善,再修建高速铁路显然达不到吸引客流的目的。

4.高铁技术的优势

(1)载客量高

高速铁路的优点是载客量非常高。倘若旅程非以大城市中心为出发及目的地,使用高速铁路加上转乘的时间可能只跟驾驶汽车相仿,但高速铁路毋须自行驾车,较为舒适。另外,虽然高速铁路的速度比不上飞机,但在距离稍短的旅程,高速铁路因为无需到通常较远的机场登机,也不需要值机、行李托运和安检,故仍较省时。由于高速铁路的班次安排可较为频密,其总载客量亦远高于民航。

(2)输送能力大

目前各国高速铁路几乎都能满足最小行车间隔时间4分钟及其以下的要求,扣除维修时间4小时,则每天可开行的旅客列车约为280对;如每列车平均乘坐800人,年均单向输送能力将达到82000万人;如果采用双联列车或改用双层客车,载客高达1.65亿人。4车道高速公路客运专线,单向每小时可通过小轿车1250辆,全天工作20小时,可通过25000辆。如大轿车占20%,每平均乘坐40人;小轿车占80%,每车乘坐2人,年均单向输送能力为8760万人。航空运输主要受机场容量限制,如一条专用跑道的年起降能力为12万架次,采用大型客机的单向输送能力只能达到1500万~1800万人。

(3)速度快

速度是高速铁路技术水平的最主要标志,各国都在不断提高列车的运行速度。法国、日本、德国、西班牙和意大利高速列车的最高运行时速分别达到了300千米、300千米、280千米、270千米和250千米。如果作进一步改善,运行时速可以达到350~400千米。除最高运行速度外,旅客更关心的是旅行时间,而旅行时间是由旅行速度决定的。以北京至上海为例,在正常天气情况下,乘飞机的旅行全程时间为5小时左右,如果乘高速铁路的直达列车,全程旅行时间则为5~6小时,与飞机相当;如果乘既有铁路列车,则需要15~16小时;若与高速公路比较,以上海到南京为例,沪宁高速公路274千米,汽车平均时速83千米,行车时间为3.3小时,加上进出沪、宁两市区一般需1.7小时,旅行全程时间为5小时,而乘高速列车,则仅需1.15小时。

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