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2文明社会新材料能源信息技术生物技术能源、新材料、生物技术和信息技术是文明社会的四大支柱。能源是推动社会发展和经济进步的主要物质基础。3能源的分类一次能源是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源。又称天然能源。一次能源包括化石燃料（如原煤、石油、原油、天然气等）、核燃料、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源，前者指能够重复产生的天然能源，如太阳能、风能、水能、生物质能等，这些能源均来自太阳，可以重复产生；后者用一点少一点，主要是各类化石燃料、核燃料。20世纪70年代出现能源危机以来，各国都重视非再生能源的节约，并加速对再生能源的研究与开发。归纳起来就是：（1）来自地球以外天体的能量；（2）地球本身蕴藏的能量；（3）地球与天体相互作用产生的能量。45678二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源，包括电能、汽油、柴油、液化石油气和氢能等。二次能源又可以分为“过程性能源”和“含能体能源”，电能就是应用最广的过程性能源，而汽油和柴油是目前应用最广的含能体能源。二次能源和一次能源不同，它不是直接取自自然界，只能由一次能源加工转换以后得到，因此严格的说它不是“能源”，而应称之为“二次能”。91011能源消耗结构12全世界一次能源消耗总量1998年140.50亿吨标准煤。预计2020年将达到200~250亿吨标准煤。维持生存所必需的能源消费量：400kg标准煤/人*年现代化生产和生活所需最低能源消费量：1200~1600kg标准煤/人*年高层次现代化生活所需最低能源消费量：2000~3000kg标准煤/人*年※1kg标准煤=29307.6kJ=7000kcal1kg标准油=41868kJ=10000kcal1kg标准煤=0.7kg标准油13化石能源探明的储量可供开采的年份如下：我国人均能源占有量：非常低的国家煤的储量：135吨标准煤/人，为世界人均的50%；石油的储量：2.9吨/人，为世界人均的11%；天然气的储量：2380m3/人，为世界人均的4%。14化石燃料产生CO2（温室气体），SO2等有害气体1998年全世界化石燃料向大气排放了61亿吨炭（CO2中的炭）。在过去的100年中，全球平均气温上升了0.3~0.5℃，全球海平面平均上升了10~25cm。如果不对温室气体减排，到2100年全球平均气温将升高1~3.5℃。我国是世界上最大的煤炭消费国，煤炭占能源消耗2/3以上，而世界却只占1/3以下。我国2005年CO2排放量为15.13亿吨，世界第二。2005年SO2排放量为2549万吨，居世界第一（造成82%的城市出现酸雨）。15在一个不太长的阶段，化石能源将走向枯竭，人类必须未雨绸缪，及早寻求新的替代能源。到21世纪60年代（2060年），全球新能源和可再生能源将会发展到占世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石，是化石能源的替代能源。16新能源是指以新技术和新材料为基础，使传统的常规能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源。包括：太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能等。新能源与可再生能源的特点1.能量密度较低，高度分散2.资源丰富可以再生3.清洁干净无污染4.大多数具有间歇性和随机性5.开发利用的技术难度大17一、原子核能二、太阳能三、风能四、氢能五、海洋能六、地热能七、生物质能18一、原子核能1、原子核能原子核能是原子核结构发生变化时释放出的能量，习惯上称作核能或原子能。原子核的变化过程有两种：一种是自发的变化过程，叫放射性锐变。地球上由放射性锐变释放的原子核能在地球内部可以转变为地热。另一种是人工制造的变化过程，叫核反应。核反应是原子核与原子核或原子核与基本粒子相互作用时释放的能量的过程。核反应有两种：一是核裂变反应，是重原子分裂成两个或多个较轻原子核的反应。如，原子弹爆炸。二是核聚变反应，是轻原子核聚合成较重的原子核。如，氢弹爆炸。19链式裂变反应20212、核能的利用（1）原子弹原子弹中的核燃料是高浓缩铀（浓度达93%）或钚。将弹壳内铀块（或钚块）分成各自低于临界质量的两部分，但总质量超过临界质量。原子弹爆炸时，首先引爆装在铀燃料外部的普通TNT炸药层，其冲击力会把两块铀235压聚在一起，超过临界质量的铀块立即会产生雪崩似的链式反应，即发生核爆炸。（2）核电站核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。核电站主要由两部分组成。一部分是反应装置及冷却装置，其核心为一个反应堆，是维持和控制核裂变反应的装置，在内部实现核能转换为为热能。释放出的热能由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供应系统，也叫核岛，相当于常规火电厂的锅炉系统。另一部分由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回系统，与常规火电厂的汽轮机发电机系统基本相同，也称作常规岛。22核能发电示意图233、原子核能的价值1千克铀235的原子核所释放出来的热量，大约相当于2800吨标准煤燃烧时所放出的热量。建造一座发电量为100万千瓦的电站，如果是核电站，每年需要补充的核燃料为30吨，六辆解放牌载重汽车就可运进。如果是烧煤的火力电站，每年要消耗300多万吨煤。运输这些煤炭，平均每天要开三列火车，每列火车挂40节车皮；或是每天要开一艘万吨级的轮船。核电厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。244、核能发电简史核能发电的历史与动力堆的发展历史密切相关。动力堆的发展最初是出于军事需要。1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为5MW的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。到1960年，全球建成20座核电站，装机容量1279MW。由于核浓缩技术的发展，到1966年，核能发电的成本已低于火力发电的成本。核能发电真正迈入实用阶段。1978年全世界22个国家和地区正在运行的30MW以上的核电站反应堆已达200多座，总装机容量已达107776MW。80年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。到1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为32.75万MW，其发电量占全世界总发电量的约16%。世界上第一座核电站—苏联奥布灵斯克核电站。251954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站26苏联的核能灯塔27英国的原子能发电站28中国的核电起步较晚，80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦（电）秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。29秦山核电站30大亚湾核电站31大亚湾核电站325、我国核能发展趋势中国国家发展改革委员会在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。33二、太阳能在人类利用的能源中，太阳能是最重要的。各种草木燃料能、化石燃料能、风能、水能、海洋流能、海洋温差等归根结底也是来源于太阳的辐射能。太阳能是一种巨大且对环境无污染的能源。太阳能中只有大约二十二亿分之一辐射到地球，但是每秒钟辐射到地面的总能量有8.5×1013kW，相当于目前全世界发电总量的几十万倍。对太阳能的利用，有间接利用与直接利用两种。间接利用是利用由太阳能转化的其他能量，如生物质能、化石能、风能、水能、海洋能等。人类对太阳能的开发时直接利用太阳能，主要有：光热转换、光电转换和光化学转换。34（1）光热转换技术光－热转换技术是将太阳辐射的能量通过各种集热部件转变成热能后被直接利用。我国战国时期就已使用凹面镜聚集太阳能去点火。1837年英国人首次使用太阳灶烧饭，1875年出现了太阳能热水器。光－热转换可分为低温、中温和高温三种。低温的用于工业用热、制冷、空调、烹调等；中温的主要用于给工业生存提供中温用热；高温的用于发电、材料高温处理等。全世界使用民用光热转换技术最多是以色列和约旦，他们屋顶的太阳能蓄热器可提供25%～65%的家用热水。现在美国也兴建了100多万个集热器采暖系统和25万个依靠冷热空气自然流动的被动式太阳能住宅。35光电转换技术是利用光电效应把太阳辐直接转换成电能，使用的是太阳能电池。太阳能电池有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、砷化锌电池砷化镓电池和有机半导体电池等。硅太阳电池已成为人造卫星、宇宙飞船和星际空间站等宇宙飞船器的主要能源之一。1958年美国“先锋”号人造地球卫星、1971年我国制造的“东方红”号人造卫星上，都安装了太阳能电池。我国自行研制的高效砷化镓太阳能电池也已经在第二颗“风云”1号气象卫星上正常使用。太阳能电池还可以用来驱动很多交通工具，如太阳能汽车等。（2）光电转换技术36光化学转换是光与物质相互作用引起化学反应的过程。绿色植物的光合作用就是光化学转换的过程。人类可以控制的光化学转换方法是采用光化学电池。光化学电池是利用光照射半导体和电解液界面，在电解液内形成电流，并使水电离直接产生氢和氧的电池，这里所生成的氢和氧的光化学过程实质上是“光－电－化学”过程，而不是直接的光－化学过程。（3）光化学转换技术37地球每小时从太阳获得的太阳能量有6.1×1020J，这比目前全世界在一年内能源生产的总量还多，可见太阳能有多么巨大。根据科学家推算，太阳像现在这样不停地向外辐射能量，还可以维持50亿年以上，对于人类来说，太阳能可以说是一种取之不尽，用之不竭的永久性能源。太阳能的价值38太阳灶航天器太阳能热水器太阳能发电装置太阳能的应用39太阳能计算器40太阳能手提灯41太阳能汽车42太阳能发电站43三、风能1、风能：风能是指空气的动能。2、风能的形成：地球表面接受太阳辐射能的不同，使各地大气温度不同，造成大气密度和气压的差别从而形成风。所以风能是由太阳辐射能转化过来的。3、风能的应用：发电：风力发电站助航：风帆的使用提水：风车的使用444、风能的开发价值风能是地球上无所不在、永不枯竭的能源。地球上近地层风能总储量约为1.3×1012kW,但目前开发利用的只是极少的一部分。据估计，全世界每年燃烧所获得的能量不及风力1年内提供的能量的1/1000。我国风能储量估计为1.6×109kW，在世界上排位第三，可开发利用的约为1/10。可以有效利用的风速范围为3m/s～20m/s。风能与其他能源相比，具有明显的优势，蕴量大、分布广、可再生、无污染。风能作为新能源有着巨大的发展潜力，特别是对于沿海岛屿、边远地区、草原牧场以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。45风能的应用风力发电4647澳大利亚风力发电48风力发电发展史起源：世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成。发展：风电技术经过20年的开发日臻成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到1650kW，风电成本从20美分/（kW·h），持续下降到5美分/（kW·h），运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前风力机之最为美国CE公司的“超级风力机”，单机功率为7.3MW，风车直径为112m。49世界风电现状世界风电总装机容量1994年底为350万kW；1995年底为490万kW；1996年底为607万kW；1997年为764万kW；1998年达1015万kW；1999年达1393万kW；2000年达1845万kW；2001年达2493万kW；平均年增长率在30％以上。50世界风电现状到2001年底，全世界风电场总装机容量达到24930MW。其中：德国8730MW，居世界第1位；美国4250MW，居世界第2位；西班牙3550MW