能源材料

能源材料

广义的说，凡是能源工业及能源技术所需的材料都可称为能源材料。但在新

材料领域，能源材料往往指那些正在发展的、可能支持建立新能源系统满足各

种新能源及节能技术的特殊要求的材料。

能源材料的分类在国际上尚未见有明确的规定，可以按材料种类来分，也可

以按使用用途来分。大体上可分为燃料（包括常规燃料、核燃料、合成燃料、

炸药及推进剂等）、能源结构材料、能源功能材料等几大类。按其使用目又可

以把能源材料分成能源工业材料、新能源材料、节能材料、储能材料等几大类。目前比较重要的新能源材料有：

（1）裂变反应堆材料，如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。

（2）聚变堆材料：包括热核聚变燃料、第一壁材料、氚增值剂、结构材料等。（3）高能推进剂：包括液体推进剂、固体推进剂。

（4）燃料电池材料：如电池电极材料、电解质等。

（5）氢能源材料：主要是固体储氢材料及其应用技术。

（6）超导材料：传统超导材料、高温超导材料及在节能、储能方面的应用技术。（7）太阳能电池材料。

（8）其它新能源材料：如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。

下面为大家介绍几种我们熟悉的能源材料：

1.风能

风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。科

学上用风向和风速、以及风的等级来全面度量风。

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，就是利用风来直接带动各种机械装置。如：风力泵水、风

帆助航等。

风能利用的前景广阔，但在风能利用中有两个问题需要特别注意。一是风力

机的选址，二是风力机对环境的影响。如果不考虑风能利用中由于所采用材料

在生产过程中对环境的污染，通常认为风能利用对环境是无污染的。但是由于

人们对环境保护的含义越来越广，因此在风能利用中也必须考虑风力机对环境

的影响，这种影响主要反映在以下几个方面（1）：风力机的噪声；（2）：对

鸟类的伤害；（3）：对景观的影响；（4）：对通信的干扰。

2. 地热能

温泉是地热能展现在大自然的一种现象，因为地球内部很深处存在放射性元素，这些元素不断进行着热核反应，具有非常高的温度，估计地球中心的温度

有6000℃。这样巨大的热能，通过大地的热传导、火山喷发、地震、深层水循环、温泉等途径不断地向地表散发，这样，便产生了地热能。因此，地球被形

象地形容为“大锅炉”。

据估算，全球地热可采资源量为500EJ/a，已超过全球一次性能源的年消耗量（400EJ/a）。可见，地热资源开发利用的潜力很大。我国是一个以中低温地热资源为主的国家，目前非电直接开发利用已居世界首位（装机容量和年产能值分别达3,687MWt和12,605GWh）。

按照地热资源的分布，世界著名五大地热带有：环太平洋地热带、大西洋中脊地热带、地中海及喜马拉雅地热带、中亚地热带和红海、亚丁湾与东非裂谷地热带。

其中，我国地热资源与三个地热带有关：我国东南部为环太平洋地热带、我国藏滇地区为地中海及喜马拉雅地热带、我国新疆地区为中亚地热带。因此，我国地热资源很丰富。

发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引人汽轮发电机组发电，但在引人发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制。

3. 太阳能

太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。目前，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/㎡。地球赤道的周长为40,000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电、太阳能无线监控等方式。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无

需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类

进入一个节约能源减少污染的时代。

4. 生物质能

生物质能，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。

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一

切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。

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。有

关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世

纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

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；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、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1440～1800亿吨( 干重 )，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3～8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。

5.水能

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。是常规能源，一次能源。人们目前最易开发

和利用的比较成熟的水能也是河流能源。

水能是一种可再生能源，水能主要用于水力发电。水力发电将水的势能和动

能转换成电能。以水力发电的工厂称为水力发电厂，简称水电厂，又称水电站。水力发电的优点是成本低、可连续再生、无污染。缺点是分布受水文、气候、

地貌等自然条件的限制大。水容易受到污染，也容易被地形、气候等多方面的

因素所影响，目前，国家还在研究如何更好的利用水能。

水能资源最显著的特点是可再生、无污染。开发水能对江河的综合治理和综

合利用具有积极作用，对促进国民经济发展，改善能源消费结构，缓解由于消

耗煤炭、石油资源所带来的环境污染有重要意义，因此世界各国都把开发水能

放在能源发展战略的优先地位。