能源科学导论

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1、能源科学导论论文纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。人类自从发现了火最早也是最基本的能源形式开始，人类社会已经历了三个能源时期：薪柴时期，煤炭时期和石油时期。不同的能源结构决定了社会的发展阶段。现代化程度越高，对能源质量和数量的要求也就越高。能源是国民经济的重要基础，是现代化生产的主要动力来源。现代化生产是建立在机械化、电气化、自动化基础上的高效生产，所有这些过程都要消耗大量能源，而且现代农业的机械化、水利化、化学化和电气化，也要消耗大量能源。能源与人们的日常生活处处相关。不仅是衣，食，住，行，而且文化娱乐，医疗卫生都与能源密切相关。能源是人类社会赖以生存

2、和发展的重要物质基础，在现代生活中，能源越来越成为人们生活中不可缺少的一部分，能源数量和质量就是人民生活水平高低的显示仪，一个国家的能源数量和质量越高，它的经济就越发达。但是， 人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。中国是当今世界上最大的发展中国家，同时也是世界上第二位能源生产国和消费国。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。我国能源的特点是：能源资源总量比较丰富，人均能源资源拥有量较低，能源资源赋存分布不均，能源资源开发难度较大。一、能源的分类：能源可简

3、单地理解为含有能量的资源，即能源是能量的来源，是提供能量的资源，这些来源或资源要么来自物质要么来自物质的运动，前者如煤炭，石油，天然气等矿物燃料，后者如水能，风能，海浪，潮汐等，由于能源形式多样，因此，通常有多种不同的分类方法。（1）按能源的基本形态分类：有一次能源和二次能源。一次能源是指自然界中以天然形式存在并没有经过加工或转换的能量资源，包括可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气资源，其中包括水、石油和天然气在内的三种能源是一次能源的核心，它们成为全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内；二次能源则是指由一次能源直

4、接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。（2）按能源性质分，有燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）和非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。（3）根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源。其中污染型能源包括煤炭、石油等。清洁型能源包括水力、电力、太阳能、风能以及核能等。（4）根据能源使用的类型又可分为常规能源和新型能源。常规能源包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。新型能源是相对于常规能源而言的，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能和核能等。由于新能源的

5、能量密度较小，或品位较低，或有间歇性，按已有的技术条件转换，利用的经济性尚差，目前还处于研究、发展阶段，现在只是因地制宜地开发和利用；但新能源大多数是可再生能源，而且资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源。（5）人们通常按能源的形态特征或转换与应用的层次对它进行分类。世界能源委员会推荐的能源类型分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三个类型统称化石燃料或化石能源。已被人类认识的上述能源，在一定条件下可以转换为人们所需的某种其它形式的能量。比如薪柴和煤炭，把它们加热到一定温度，它们能和空气中的氧气化合并放出大量的热能。我们可以用热来取

6、暖、做饭或制冷，也可以用热来产生蒸汽，用蒸汽推动汽轮机，使热能变成机械能；也可以用汽轮机带动发电机，使机械能变成电能；如果把电送到工厂、企业、机关、农牧林区和住户，它又可以转换成机械能、光能或热能。（6）商品能源和非商品能源。凡进入能源市场作为商品销售的如煤、石油、天然气和电等均为商品能源。国际上的统计数字均限于商品能源。非商品能源主要指薪柴和农作物残余（秸秆等）。1975年，世界上的非商品能源约为0.6太瓦年，相当于6亿吨标准煤。据估计，中国1979年的非商品能源约合2.9亿吨标准煤。（7）可再生能源和非再生能源。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源，反之称为非再生能

7、源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是非再生能源。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。核能的新发展将使核燃料循环而具有增殖的性质。核聚变的能可比核裂变的能高出 510倍，核聚变最合适的燃料重氢（氘）又大量地存在于海水中，可谓“取之不尽，用之不竭”。核能将是未来能源系统的支柱之一。二、常规能源1、煤炭煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始。煤被广泛用作工业生产的燃料，是从18世纪末的产业革命开始的。随着蒸汽机的发明和使用，煤被广

8、泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有的巨大生产力，推动了工业的向前发展，随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。煤炭发热量高，标准煤的发热量为7000大卡千克。而且煤炭在地球上的储量丰富，分布广泛，一般也比较容易开采，因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外，更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油，即煤的低温干馏的液体产品煤焦油。经过化学加工，从煤炭中能制造出成千上万种化学产品，所以它又是一种非常重要的化工原料，如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。大型煤炭工业基地的建设，对我国综合工业基地

9、和经济区域的形成和发展起着很大的作用。此外，煤炭中还往往含有许多放射性和稀有元素如铀、锗、镓等，这些放射性和稀有元素是半导体和原子能工业的重要原料。煤炭对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。2、石油石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。它是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物，属于化石燃料。石油及其产品广泛用于生产和生活的各个方面，被称为工业的血液。石油的性质因产地而异，密度为

10、0.81.0 克/厘米3，粘度范围很宽，凝固点差别很大（30-60C），沸点范围为常温到500C以上，可溶于多种有机溶剂，不溶于水，但可与水形成乳状液。组成石油的化学元素主要是碳（83% 87%）、氢（11%14%），其余为硫（0.06%0.8%）、氮（0.02%1.7%）、氧（0.08%1.82%）及微量金属元素（镍、钒、铁等）。由碳和氢化合形成的烃类构成石油的主要部分，约占95%99%，含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油加工中应尽量除去。不同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主要属于烷烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称为石蜡基石油；以环烷烃、芳香烃为主的

11、称环烃基石油；介于二者之间的称中间基石油。我国主要原油的特点是含蜡较多，凝固点高，硫含量低，镍、氮含量中等，钒含量极少。3、天然气：天然气是存在于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称。包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等。主要成分为甲烷，通常占8595%；其次为乙烷、丙烷、丁烷等。它是优质燃料和化工原料。其中伴生气通常是原油的挥发性部分，以气的形式存在于含油层之上，凡有原油的地层中都有，只是油、气量比例不同。即使在同一油田中的石油和天然气来源也不一定相同。他们由不同的途径和经不同的过程汇集于相同的岩石储集层中。若为非伴生气，则与液态集聚无关，可能产生于植物物质。世界天然气产

12、量中，主要是气田气和油田气。现在对煤层气的开采，也已日益受到重视。 天然气也同原油一样埋藏在地下封闭的地质构造之中，有些和原油储藏在同一层位，有些单独存在。对于和原油储藏在同一层位的天然气，会伴随原油一起开采出来。对于只有单相气存在的，我们称之为气藏，其开采方法既与原油的开采方法十分相似，又有其特殊的地方。常见的天然气开采方法有小油管排水采气法、泡沫排水采气法、柱塞气举排水采气法及深井泵排水采气法。 目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，各国政府也通过立法程序来传达这种趋势。天然气用于发电，具有缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径，且从经济效益看，天然气发电的单

13、位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力。同时天然气用于化工、城市燃气和机车用油具有污染少、经济效益好等优点。4、水能水能是自然界广泛存在的一次能源。水能资源是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源，是一种可再生能源。我国水能资源的特点是水力资源总量较多，但开发利用率低，水力资源分布不均，西部多，东部少，相对集中在西南地区，而经济发达、能源需求大的东部地区水力资源极少，与经济发展不匹配。最新综合评估显示，我国水能资源理论蕴藏量近7亿千瓦，占常规能源资源量的40，主要集中于大江大

14、河，有利于集中开发，可开发容量近4亿千瓦，年发电量约17亿千瓦时，是世界上水能资源总量最多的国家。三、新能源：1.核能核能，即核变能源，又称原子能，是原子核结构发生变化时放出的能量。50多年以前，科学家在的一次试验中发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，在放出23个中子的同时伴随着一种巨大的能量，这种能量比化学反应所释放的能量大的多，这就是我们今天所说的核能。核能的获得途径主要有两种，即重核裂变与轻核聚变。核聚变要比核裂变释放出更多的能量。例如相同数量的氘和铀-235分别进行聚变和裂变，前者所释放的能量约为后者的三倍多。被人们所熟悉的原子弹、核电站、核反应堆等都利用了核裂变的原理。实现

15、核聚变的条件较高，即需要使氢核处于几千万度以上的高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。 1.太阳能太阳能一般是指太阳光的辐射能量。理论计算表明，太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于500多万吨煤燃烧时放出的热量， 累积一年下来约合170多万亿吨煤的热量， 现在人类活动一年消耗的能量还不及它的万分之一。太阳能到达地球表面后， 被植物吸收的只占千分之一、二，并转变成化学能贮存起来，其余绝大部分都以热的形式散发到宇宙空间去了。目前，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物的光合作用是自然界利用太阳能极成功的范例，正是它才为大地带来了茂密的森林和粮菜瓜果。太阳除为地球提供可直接加以利用的光和

16、热外，还是地球上多种能源的主要源泉，植物通过光合作用把太阳能转变成化学能贮存在植物体内，经过漫长的地质年代，因地壳运动埋入地下的动植物便形成了煤炭、石油、天然气、油页岩等化石燃料，这些实质上都是由古代生物固定下来的太阳能。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。3.风能：1）风能的形成及分布：在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，

17、即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来，就称为北风。风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。风是矢量，随时间和高度随机性变化。2）风能的利用：人类利用风能的历史悠久。公元前数世纪，我国人民就利用风能提水、灌溉、磨面，用风帆推动船舶前进。在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用风能碾米，11世纪风力机在中东获得广泛应用。现在，风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。以风能作动力，就是

18、利用风来直接带动各种机械，如带动水泵提水等这，种风力发动机的优点是：投资少、工效高、经济耐用。目前，世界上约有一白多万台风力提水机在运转。利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。丹麦虽只有500多万人口，却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国，世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，是名副其实的“风车大”。截止到2006年底，世界风力发电总量居前3位的分别是德国、西班牙和美国，三国的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。此外，风力发电还逐渐走进居民住宅。在英国，迎风缓缓转动叶片的微型风能电机正在成为一种新景观。家庭安装微型风能发电设备，不但可以

19、为生活提供电力，节约开支，还有利于环境保护。堪称世界“最环保住宅”就是由英国著名环保组织“地球之友”的发起人马蒂威廉历时5年建造成的，其住宅的迎风院墙前就矗立着一个扇状涡轮发电机，随着叶片的转动，不时将风能转化为电能。4.海洋能（1）海洋能(ocean energy)是海水运动过程中产生的可再生能，主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等。潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。（2）海洋能具有如下特点：1）海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。2）海洋能

20、具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。3）海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。 （3）海洋能的表现形式：潮汐能、波浪能、海水温差能、盐差能、海流能。5.其它新能源（1）地热能：地热能Geothermal Energy是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是导致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达摄氏7000度，而在80至100公英里的深度

21、处，温度会降至摄氏650度至1200度。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法是直接取用这些热源，并抽取其能量。地热能集中分布在构造板块边缘一带，分布相对来说比较分散，开发难度大。主要用于发电、供暖、务农和行医等方面。（2）生物质能：生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不

22、竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能也是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。生物质能具有可再生性、低污染性、广泛分布性、总量丰富性等特点。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的农林废弃物、动物粪便、

23、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达14401800亿吨( 干重 )，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的38倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用，效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场等。（3）氢能：氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，因此氢能被称为人类的终极能源。水是氢的大“仓库”，如把海水中的氢全部提取出来，将是地球上所有化石燃料热量的9000倍。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁的一种二次能源。作为能源，氢具有重量最轻、导热性好、普遍存在、发热值高、燃烧性能好、清洁等特点。可用于发电、航天、燃料电池等各个方面。目前，氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。四、结论目前世界上用于发电的能源主要有煤炭、石油、天然气、核能、水能，还有少量风能、太阳能和地热能等。发电能源的构成随科学技术的发展而变化。随着科学技术的发展，可用于发电的新能源和可再生能源将逐步得到应用。