能源科学与未来发展

能源科学与未来发展摘要：通过了解过去以及现在的能源结构和能源利用技术，提出能源科学需要多学科交叉与综合来为能源发展提出贡献，而且能源科学的发展是能源高技术创新的源泉和先导。

因此，能源科学和能源利用技术的发展不仅为国家未来的科学发展提供帮助，也为国家解决当今的能源危机给予支持。

关键词：能源结构，能源利用技术，新能源，能源是比较集中的含能体或能量过程，凡是能够间接或者经过转换而获取某种能量的自然资源，统称为能源。

在自然界里有一些自然资源本身就拥有某种形式的能量，它们在一定条件下能够转换成人们所需要的能量形式，这种自然资源显然是能源。

能源是人类从是物质资料生产的原动力。

从人类远古时代在地球上出现后，随着社会生活和经济生活的不断发展，能源的应用形势和规模在不断变化增长。

在古代，人类的主要能源来自人力和畜力，辅以柴薪。

自西方工业革命开始西方资本主义国家为满足其工业化的需要，18世纪末，瓦特发明了蒸汽机、大量的以煤炭为能源的动力机械逐渐替代了小作坊式的手工业，煤炭与资本主义大生产相结合，使世界能源结构发生了重大变革。

1895年，美国开始了石油钻探开发工作，这种液体燃料显示出比煤炭更强大的吸引力，1876 年，德国人奥托创制了内燃机，进而形成了以内燃机技术为核心的汽车工业，带动了机械制造业的发展，创造了人类历史上空前的物质文明。

19世纪末开始，以电力为主导的能源结构大变革开始，从法拉第发现了电磁感应开始，人们认识到电和磁是统一的电磁现象，之后又发明了电动机、发电机和各种电器，使电力作为二次能源取得了广泛应用。

据统计，现在世界上大约四分之三的能源是在发电厂中转化为电力为人类使用。

但是利用常规能源（如化石燃料煤炭、石油和天然气）来产生电力，其储量有限，在可预见的将来就可能用尽或者由于利用成本过高而无法使用，因此为了满足社会发展日益增长的能源需求和可持续发展，我们必须寻找除化石燃料以外的新能源，来解决人类面临的能源问题。

能源的几种分类1、按照能源的来源分类：a) 来自地球以外的天体的能量，主要是太阳辐射能。

包括：固化了的太阳能，如化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩等，由一亿年前存积下来的有机物质形成）、草木燃料等；太阳能转化成的能量，如风能、水能、波浪能、海洋能；直接的太阳辐射，如利用光电转化、光合作用等。

b) 来自地球内部蕴藏的能量。

包括：地球热能，如地震能、火山热能、地下热水、地热蒸汽、热岩层；原子核能，如蕴藏核能的元素，铀、钍、硼、氘等。

c) 来自地球和其他天体相互作用而产生的能量。

包括：地月相互吸引产生的潮汐能。

地球上的能源主要来自于太阳能、地球热能、原子核能和潮汐能，占地球全部能源的99.9%。

2、按照能源存在和产生形式分类a）一次能源———以现有的形式存在于自然界中的能源。

可再生能源———不会随着它本身的转化或被利用而日益减少的能源，包括风能、水能、海流、海洋热能、潮汐能、草木燃料、直接太阳辐射、地震能、火山活动、地下热能等。

非再生能源———随着人类的利用而逐渐减少的能源，包括矿石燃料（煤、石油、天然气、油页岩等），核燃料（铀、钍、硼、氘等）。

b）二次能源—需要依靠其他能源来制取或产生的能源，包括电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇等。

他们使用方便，易于利用，是高品位能源。

3、按能源本身的性质分类a) 含能体能源———能量以某种载体形式存储起来，而为人们利用。

包括各种矿石燃料、核燃料、地下热能、高位水库、氢能等。

b) 过程性能源———能量在物质运动的过程中存在，无法直接的大量存储，如需储存起来，必须把它们转化为含能体能源中的能量。

包括风能、水能、海流、地震能、潮汐能以及电能等，转化方式如流水→高位水库，电能→蓄电池。

大有潜力的常规能源最基本的常规能源——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。

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”。

现我国已探明的煤炭储量为世界第一位。

尽管如此，煤炭供应不足仍制约我国国民经济发展，因此，应用高新技术进行煤炭的加工转化，提高煤炭的利用效率，减少煤炭燃烧的环境污染，是解决能源缺乏、加速国民经济发展的重要途径之一。

煤炭的处理加工及转化（1）选煤技术：选煤是指除去或减少原煤中所含的杂质（包括灰分、矸石、硫分等），并将处理过的煤分成若干个品种等级，以满足不同用户的需要。

（2）洁净煤技术：洁净煤技术是一系列新近开发的煤炭加工、燃烧转化和煤烟通道中的烟道气净化技术的总称。

目的是减轻煤炭燃烧对环境的污染，提高煤炭利用效率，并降低成本。

（3）型煤及利用：用粉煤或低品位煤制成的具有一定形状的煤制品称为型煤。

燃烧型煤可以提高热效率、节约煤炭并降低污染。

型煤的节能率是所有洁净煤技术中最高的，相对环境效益也很高。

（4）煤液混合新型燃料技术：煤液混合新型燃料是一项新技术，这些混合燃料是粉煤在液体中的一种悬浮物，即煤液混合料。

目前已有多种混合料经过全面试验，最有工业应用价值的煤液混合料是水煤浆，是一种低污染的燃料。

当代工业的血液——石油和天然气石油又称原油，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。

石油是现代世界一次能源消费构成中的主要能源，据1990年的资料统计，石油在世界一次能源消费构成中居第一位；在我国仅次于煤炭居第二位。

至1990年底，世界天然气在世界一次能源构成中次于煤炭和石油，居第三位。

我国已探明的天然气储量居世界第九位。

1990年我国天然气在一次能源消费构成中次于煤炭、石油、水电，居第四位。

原油经过加工，形成汽油、煤油、柴油、润滑油、化工轻油和石脑油六大类产品。

石油产品的范围从液化石油气开始，中间是石油化工原料、燃料和润滑油料，一直到沥青。

原油在加工过程中还会释放出大量的石油气。

石油加工后，可以得到利用率高、经济、合理的各种液体燃料，主要为内燃机燃料、锅炉燃料和灯油三类。

其他的石油产品主要有润滑油、蜡、沥青以及石油化工产品如石油溶剂、乙烯、丙烯和聚乙烯等。

天然气是一种混合气体，其主要成分为甲烷。

天然气作为燃料容易燃烧、清洁无灰渣、热值高而且不污染环境。

天然气和石油一样是非常重要的基本有机化工原料。

从天然气中分离出来及从石油炼厂汽中回收和分离的许多物质是最基本的化工原料，并可进一步制造转化出多种化工产品，如合成纤维、合成橡胶、合成塑料和化肥等产品。

火力发电的主要燃料就是前面我们讲述过的煤炭，有时候也有用油作燃料的。

而且我国在很长一段时期电力建设的主要任务仍将是发展火力发电。

火力发电设备容量和参数的提高，有一系列问题需要解决。

特别是在当今我们赖以生存的生态环境日趋恶化的情况下，如何降低甚至消除火力发电对环境的污染是一个迫切需要解决的问题，因此采取低污染的燃烧方式是必然的发展趋势。

最干净的常规能源——水能水能利用的主要方式是发电。

水力发电就是利用河流中蕴藏着的水能来产生电能，其中最常用的方法就是在河流上建筑拦河坝，将分散在河段上的水能资源集中起来，然后靠引水管道引取集中了水能的水流去转动设在厂房中的水轮发电机组，在机组运转的过程中，就将水能转变成了电能。

因为利用的是水能，而水流本身并无损耗，仍可以为下游用水部门所利用。

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。

水力发电有以下特点：（1）水作为一种资源可由自然界水循环中的降水补充，使水能资源成为不会枯竭的再生能源，所以其发电成本非常低。

（2）水力发电事业和其他水利事业可以互相结合。

为了使水能产生电能，常常要修建水库，而水库可作为防洪、供水、发展航运事业等多种任务。

（3）水电站中装设的水轮机开启方便、灵活，适宜于作为电力系统中的变动用电器，有利于保证供电质量。

（4）水电站建成后，能够连续提供廉价的电力。

（5）水力发电不污染环境，是一种公认的清洁能源。

充满希望的新能源21世纪的主要能源——太阳能太阳是一个炽热的气体球，蕴藏着无比巨大的能量。

地球上除了地热能和核能以外，所有能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源之母”。

没有太阳能，就不会有人类的一切。

1945年，美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的新纪元。

人们利用太阳能的方法主要有三种，一种是使太阳能直接转换成电能，即光电转换。

太阳能电池就属于这种转换方式；第二种是使太阳能直接转变成热能，即光热转换，如太阳能热水器等；第三种是使太阳能直接转变成化学能，即光化学转换，如太阳能发动机等。

实际上，人类早就有意识地利用太阳能，自从有了太阳能电池，就为太阳能的利用开辟了广阔的途径，人造卫星和宇宙飞船探测宇宙空间时用上了重量轻、使用寿命长和耐冲击振动的太阳能电池。

目前，世界各国都在大力研究新型太阳能电池，提高光电转换率，使太阳能的开发利用进一步深化。

太阳能电站通常人们所说的太阳能电站，指的是太阳能热电站。

这种发电站先将太阳光转变成热能，然后再通过机械装置将热能转变成电能。

太阳能电站能量转换的过程是：利用集热器（聚光镜）和吸热器（锅炉）把分散的太阳辐射能汇聚成集中的热能，经热换器和汽轮发电机把热能变成机械能，再变成电能。

太阳能电站靠太阳能热管来聚集热能，太阳能热管又叫真空集热管，它在结构上与我们平常所用的热水瓶相似，但热水瓶只能用来保温，而太阳能热管却能巧妙地吸收太阳的热能，即使阳光很微弱，它也能达到较高的温度，比一般太阳能集热器的本领强。

热管在一天之内可以提供大量的工业用热水，又能一年四季不断地为它的主人供应所需要的热能。

魔鬼与天使——核能从1954年前苏联建成世界上第一座核电站以来，人类和平利用核能的历史还不到半个世纪；然而，核能的发展却异常迅速。

核能的发展之所以如此迅速，主要是因为它有着显著的优越性：其一，它的能量非常巨大，而且非常集中。

其二，运输方便，地区适应性强。