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摘 要：本文设计了化石燃料节约性指标，通过能量守恒定律和极限的思想来分析电动汽车的广泛使用对全球能源的影响。电动汽车代替普通的燃油汽车是否真正节约了化石燃料，还是仅仅给了化石燃料另一个交易使用的方式，将汽车尾气的污染移置了前端？通过引入煤的转化效率 这一因子，来确定节约性指标的限值，从而说明电动汽车对环境的影响程度。
关键词：电动汽车；燃油汽车；能量守恒定律；转换效率；节约性指标
1 绪论
节能减排，低碳环保是时下全球的热门话题。人们在追求高质量、快节奏生活的同时多了一份绿色生活的考虑。随着科技的进步，电动汽车逐步走向了人们的社会生活。相比于传统的燃油汽车，其在耗能终端节能减排的作用是显而易见的，但纵观整个过程，电动汽车是否真正可以做到节能减排是一个值得深思的问题。本文通过对电动汽车电能来源的探讨，从理论上对燃油汽车和电动汽车的能源消耗量的比较，从而进一步说明电动汽车广泛使用的可行性，并且预测广泛使用电动汽车在世界范围内要节省多少石油（化石燃料）。
2 电动汽车的节能性分析
我们应用能量守恒定律，从长时间角度来看，在世界范围内，人们的生活节奏基本保持稳定的前提下，所使用的交通工具诸如汽车的总消耗能量是一定的。
假设在同一地域范围内，相同时间内，所有用于人们生活的交通工具的燃油汽车全部用电动汽车代替，则两种交通工具所消耗的能量是一定的，如下图所示：
图1：电动汽车能量守恒示意图
为了进一步从数学上分析这个问题，需要增设变量如下：
·假设未来一辆电动汽车每公里消耗的平均电能为X，并且我们知道X是由某种型号电动汽车本身的性能参数决定的，由于X是个平均意义上的参数，所以X与电动汽车当年内的销量有关， 可以根据今后的市场调研来确定。
·假设，世界范围内一辆电动汽车在其生命周期内所行使的里程数为L公里。
·假设未来代替燃油汽车的的电动汽车有N辆。则在生命周期内消耗的总能量为Q=NXL。
·假设煤转换为电能的总效率为n1，石油转化为电能的总效率为n2。
·假设电动汽车的电能有两种来源：1.风能、水能等可再生清洁能源。2.火力发电的主原料煤。且在当今日常生活中电能的来源对火力发电的依赖性较大，且在短时间内这种依赖性不会发生较大的变化。
为简化对该问题的分析，我们做出一些必要的假设如下：
·电动汽车广泛使用时，其电能全部来源于可再生的清洁能源（非化石燃料）。
·电动汽车广泛使用时，其电能全部来源于火力发电的主原料煤。
从定性的角度分析可知，方式一可节约最多的化石燃料，而方式二要考虑煤和石油的转化效率n1、n2和全世界煤和石油的总储量来比较在采用电动汽车后是否节约了化石燃料，还是仅仅将化石燃料污染和浪费的后端移到了前端。而在日常生活中，电能的来源必然通过方式一和方式二的共同作用。
·方式1：若电动汽车的全部电能来源于非化石燃料。根据能量守恒定律，节约的石油能量为 ，转化为石油量为
。由于未引入其他的化石燃料，所以此时的石油节约量为化石燃料的净节约量，是我们最希望看到的。
·方式2：若电动汽车的全部电能来源于煤。
根据能量守恒定律，节约的石油量为 ，但此时虽然节约了石油，但其代价是消耗了 煤，在这种情况下是否能够真正的节约化石燃料呢？
图2：煤和石油向电动汽车和燃油汽车能量供应示意图
据相关部门的统计，地球上煤的储量为1.0832x1012t，石油的储量为1.7955x1011t，1t煤完全燃烧产生能量29.306KJ， 1t石油完全燃烧产生能量840KJ。由于在储备和所产生的能量上，煤和石油是两种截然不同的物质，所以在考虑总储量和两种物质单位质量产生热量的基础上，需要设计一种指标来衡量若电动汽车的全部电能来源于煤是否节约了化石燃料:
化石燃料的节约性指标:
电动汽车消耗的煤或石油的总量
世界范围内煤或石油的总储量
由上述指标可得：
煤： ，石油：
从理论上可知该指标是(0～1）的常数，且指标值越小，说明越節约化石燃料。受n1、n2的影响，两指标的大小在发生变化，通过技术的革新，参数n1、n2的值会发生变化。下面就分三种情况加以讨论：
·如果 则使用煤作为电动汽车的电能来源更节约化石燃料；
·如果 ，则燃油汽车使用石油更节约化石燃料；
·如果 ，则电动汽车的引入对化石燃料的节约无影响。
那么，在第一种情况下，可节约多少化石燃料呢？我们可以通过能量来做间接地比较， 为节约量。但通过这种比较并不完善，也不能充分说明问题，因为化石燃料的消耗量必须与其原储备两相结合才能说明节约程度。
由上述分析可见，电动汽车的广泛使用不一定会节约化石燃料，我国的电能生产目前主要以化石燃（下转第85页）料燃烧为主。要想通过使用电动汽车来最多地节约能源，需要加大可再生清洁能源的利用，进一步加大水电站、核电站的建设，当然，这需要政府的大力支持和资金投入。此外，还要引进技术革新，进一步提高能源的转化效率，特别是煤的转化效率n1，从而使得式子 的值尽可能的减小，则对于煤的节约也就达到了最大程度。否则实际上仅仅是给了化石燃料另一个交易使用的方式，而对于减排而言，也起不到任何的作用，只不过是将汽车尾气的污染移到前端。
3 结语
二十一世纪广泛使用可行和有利于环境的电动汽车，需要的电力的替代品有如风力和太阳能。但就电动汽车而言，太阳能汽车是十分理想的一种产品，关键在于它的充电是随时的，但与此同时，我们也可看到其缺陷是显然的：行驶时外界必须有充足的阳光以及太阳能电池板的转化效率不高问题。因此在短时间内，我们认为研发可充电的电瓶电动汽车是十分必要的，仿照加油站，我们可以设计充电站来供电动汽车的充电，这是合理可行的。上海世博会给了我们一个很好的启示，它不但宣扬了一种节能减排、低碳环保的绿色文化，而且切实采取了一些实际行动，如在园区内全部使用电动汽车和增设充电站，希望将此模式进一步扩大到一座城市，一个国家，乃至全球。
从全球角度来看，世界能源系统朝着风能、太阳能、水力、地热及其他可再生能源的大规模转换与继续依赖传统的发电方式相比，不会大幅度增加开支。奥巴马总统在向美国国会发表的《2011年国情咨文》（2011 State of the Union ）中指出，他要求美国到2035年从清洁能源中获取80%的能源。这一目标只有通过让更多的美国人民从可再生能源及非化石燃料中获得电力才能实现。
同时研究人员表示，可再生能源的前景在近几年来有了显著改善。德卢基说："技术在不断改善，成本在不断下降。"例如，最近有几项让人感兴趣的风能发电设计与技术，它们保证会带来一些技术和经济效益。由于有了锂离子电池最近取得的进展，我认为我们将会很快看到由经济实惠的电池来驱动的电动汽车，比大多数人预期的还要快。
参考文献
[1] 陈清泉．21世纪的绿色交通工具一电动车．清华大学出版社，2000
[2] 汤秀红，刘伟涛．电动汽车技术发展综述．城市车辆，2002(5)
关键词：电动汽车；燃油汽车；能量守恒定律；转换效率；节约性指标
1 绪论
节能减排，低碳环保是时下全球的热门话题。人们在追求高质量、快节奏生活的同时多了一份绿色生活的考虑。随着科技的进步，电动汽车逐步走向了人们的社会生活。相比于传统的燃油汽车，其在耗能终端节能减排的作用是显而易见的，但纵观整个过程，电动汽车是否真正可以做到节能减排是一个值得深思的问题。本文通过对电动汽车电能来源的探讨，从理论上对燃油汽车和电动汽车的能源消耗量的比较，从而进一步说明电动汽车广泛使用的可行性，并且预测广泛使用电动汽车在世界范围内要节省多少石油（化石燃料）。
2 电动汽车的节能性分析
我们应用能量守恒定律，从长时间角度来看，在世界范围内，人们的生活节奏基本保持稳定的前提下，所使用的交通工具诸如汽车的总消耗能量是一定的。
假设在同一地域范围内，相同时间内，所有用于人们生活的交通工具的燃油汽车全部用电动汽车代替，则两种交通工具所消耗的能量是一定的，如下图所示：
图1：电动汽车能量守恒示意图
为了进一步从数学上分析这个问题，需要增设变量如下：
·假设未来一辆电动汽车每公里消耗的平均电能为X，并且我们知道X是由某种型号电动汽车本身的性能参数决定的，由于X是个平均意义上的参数，所以X与电动汽车当年内的销量有关， 可以根据今后的市场调研来确定。
·假设，世界范围内一辆电动汽车在其生命周期内所行使的里程数为L公里。
·假设未来代替燃油汽车的的电动汽车有N辆。则在生命周期内消耗的总能量为Q=NXL。
·假设煤转换为电能的总效率为n1，石油转化为电能的总效率为n2。
·假设电动汽车的电能有两种来源：1.风能、水能等可再生清洁能源。2.火力发电的主原料煤。且在当今日常生活中电能的来源对火力发电的依赖性较大，且在短时间内这种依赖性不会发生较大的变化。
为简化对该问题的分析，我们做出一些必要的假设如下：
·电动汽车广泛使用时，其电能全部来源于可再生的清洁能源（非化石燃料）。
·电动汽车广泛使用时，其电能全部来源于火力发电的主原料煤。
从定性的角度分析可知，方式一可节约最多的化石燃料，而方式二要考虑煤和石油的转化效率n1、n2和全世界煤和石油的总储量来比较在采用电动汽车后是否节约了化石燃料，还是仅仅将化石燃料污染和浪费的后端移到了前端。而在日常生活中，电能的来源必然通过方式一和方式二的共同作用。
·方式1：若电动汽车的全部电能来源于非化石燃料。根据能量守恒定律，节约的石油能量为 ，转化为石油量为
。由于未引入其他的化石燃料，所以此时的石油节约量为化石燃料的净节约量，是我们最希望看到的。
·方式2：若电动汽车的全部电能来源于煤。
根据能量守恒定律，节约的石油量为 ，但此时虽然节约了石油，但其代价是消耗了 煤，在这种情况下是否能够真正的节约化石燃料呢？
图2：煤和石油向电动汽车和燃油汽车能量供应示意图
据相关部门的统计，地球上煤的储量为1.0832x1012t，石油的储量为1.7955x1011t，1t煤完全燃烧产生能量29.306KJ， 1t石油完全燃烧产生能量840KJ。由于在储备和所产生的能量上，煤和石油是两种截然不同的物质，所以在考虑总储量和两种物质单位质量产生热量的基础上，需要设计一种指标来衡量若电动汽车的全部电能来源于煤是否节约了化石燃料:
化石燃料的节约性指标:
电动汽车消耗的煤或石油的总量
世界范围内煤或石油的总储量
由上述指标可得：
煤： ，石油：
从理论上可知该指标是(0～1）的常数，且指标值越小，说明越節约化石燃料。受n1、n2的影响，两指标的大小在发生变化，通过技术的革新，参数n1、n2的值会发生变化。下面就分三种情况加以讨论：
·如果 则使用煤作为电动汽车的电能来源更节约化石燃料；
·如果 ，则燃油汽车使用石油更节约化石燃料；
·如果 ，则电动汽车的引入对化石燃料的节约无影响。
那么，在第一种情况下，可节约多少化石燃料呢？我们可以通过能量来做间接地比较， 为节约量。但通过这种比较并不完善，也不能充分说明问题，因为化石燃料的消耗量必须与其原储备两相结合才能说明节约程度。
由上述分析可见，电动汽车的广泛使用不一定会节约化石燃料，我国的电能生产目前主要以化石燃（下转第85页）料燃烧为主。要想通过使用电动汽车来最多地节约能源，需要加大可再生清洁能源的利用，进一步加大水电站、核电站的建设，当然，这需要政府的大力支持和资金投入。此外，还要引进技术革新，进一步提高能源的转化效率，特别是煤的转化效率n1，从而使得式子 的值尽可能的减小，则对于煤的节约也就达到了最大程度。否则实际上仅仅是给了化石燃料另一个交易使用的方式，而对于减排而言，也起不到任何的作用，只不过是将汽车尾气的污染移到前端。
3 结语
二十一世纪广泛使用可行和有利于环境的电动汽车，需要的电力的替代品有如风力和太阳能。但就电动汽车而言，太阳能汽车是十分理想的一种产品，关键在于它的充电是随时的，但与此同时，我们也可看到其缺陷是显然的：行驶时外界必须有充足的阳光以及太阳能电池板的转化效率不高问题。因此在短时间内，我们认为研发可充电的电瓶电动汽车是十分必要的，仿照加油站，我们可以设计充电站来供电动汽车的充电，这是合理可行的。上海世博会给了我们一个很好的启示，它不但宣扬了一种节能减排、低碳环保的绿色文化，而且切实采取了一些实际行动，如在园区内全部使用电动汽车和增设充电站，希望将此模式进一步扩大到一座城市，一个国家，乃至全球。
从全球角度来看，世界能源系统朝着风能、太阳能、水力、地热及其他可再生能源的大规模转换与继续依赖传统的发电方式相比，不会大幅度增加开支。奥巴马总统在向美国国会发表的《2011年国情咨文》（2011 State of the Union ）中指出，他要求美国到2035年从清洁能源中获取80%的能源。这一目标只有通过让更多的美国人民从可再生能源及非化石燃料中获得电力才能实现。
同时研究人员表示，可再生能源的前景在近几年来有了显著改善。德卢基说："技术在不断改善，成本在不断下降。"例如，最近有几项让人感兴趣的风能发电设计与技术，它们保证会带来一些技术和经济效益。由于有了锂离子电池最近取得的进展，我认为我们将会很快看到由经济实惠的电池来驱动的电动汽车，比大多数人预期的还要快。
参考文献
[1] 陈清泉．21世纪的绿色交通工具一电动车．清华大学出版社，2000
[2] 汤秀红，刘伟涛．电动汽车技术发展综述．城市车辆，2002(5)