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能源与环境机电学院袁隆基第一章绪论从日常生活中必需的电、煤、气、自来水等的供应，到交通运输、通信等现代社会的一切活动都离不开它。能源为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是国民经济的重要物质基础。能源的开发和有效利用程度以及人均消费量是生产技术和生活水平的重要标志。第一节人类的文明与能源一、人类文明发展与能源远古时期人类开始用火来取暖、烹调、照明甚至通信，还将这种利用能量的技术应用到玻璃加工或制作装饰品、陶艺等方而，从而开创了人类文明。人类发明了蒸汽机和内燃机，所使用的燃料也是从草木转变成为煤炭、石油和天然气等。这些发明使机械能的利用多样化，同时也使电能的生产成为可能。能源的使用领域得以进一步扩大，从交通运输到通信等领域，赐予了人类一切文明活动的动力，推动了人类文明的进步。由图1可知，总能源消耗量的增长率高于人口的增长率。在世界总能源消耗量中，电能所占的比例在急剧增加。在21世纪高度信息化的社会里，如何确保所需的电力，是关系到人类文明存亡的重要课题。由图2中从原点引出的直线可见，经济活动与人均一次能源消耗量之间是密切相关的。因此，能源消耗量取决于人口的增长和与日俱增的文明程度之积。二、人类文明与能源利用瓦特(JamesWatt1736~1819年)发明蒸汽机(1769年专利)蒸汽机作为动力的纺织机械诞生于18世纪，但蒸汽机作为船舶和机车的动力而普及直至19世纪。19世纪中叶雷诺(EtienneLenoirl822—1900年)发明了燃气发动机19世纪中叶又发明了内燃机，从而开发出了汽车在1903年由汽车工人莱特兄弟制造的发动机动力飞机试飞成功20世纪初，通过火力发电和水力发电生产的大量电能，再通过输配电网络，使各种各样的用电产业获得惊人的进步和发展在20世纪50年代到70年代间，从煤炭文明到石油文明的能源革命20世纪90年代，开始使用使用液化天然气和液化石油气作为汽车用燃料发达同家一次能源消耗的40％是为转换成电能第二节能源一、能源的定义《科学技术百科全书》：能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源《大英百科全书》：能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量我国《能源百科全书》：能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的自然资源及其转化物。自然界在一定的条件下能够提供机械能、热能、电能、化学能等某种形式能量的自然资源叫做能源。二、能源的意义能源在现代工业中占有重要地位。任何机器进行生产，都必需有足够的能源供应作保证。能源和现代化农业的关系十分密切。在现代化的农业生产各环节都要直接消耗能源；能源工业的发展水平将直接影响农业生产的发展。现代化的交通运输工具更离不了能源。能源在国防建设中具有重要作用。实现国防现代化必需依靠发达的能源工业。人民日常生活和公用事业也要消耗大量能源。三、能源分类1、根据初始来源（一次能源）（1）是与太阳有关的能源。太阳能除可直接利用它的光和热外，它还是地球上多种能源的主要源泉。目前，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。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；一年就有相当于170万亿吨煤的热量，现在全世界一年消耗的能量还不及它的万分之一。但是，到达地球表面的太阳能只有千分之一二被植物吸收，并转变成化学能贮存起来，其余绝大部分都转换成热，散发到宇宙空间去。（2）与地球内部的热能有关的能源从地面向下，随着深度的增加，温度也不断增高。地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。（3）与原子核反应有关的能源这是某些物质在发生原子核反应时释放的能量。原子核反应主要有裂变反应和聚变反应。目前在世界各地运行的440多座核电站就是使用铀原子核裂变时放出的热量。（4）与地球一月球一太阳相互联系有关的能源地球、月亮、太阳之间有规律的运动，造成相对位置周期性的变化，它们之间产生的引力使海水涨落而形成潮汐能。2．根据利用能源的形态可将能源分成一次能源和二次能源两类：一次能源是指自然界中本来就有的各种形式的能源。一次能源可按其初始来源的不同划分为上述的4类。由一次能源经过转化或加工制造而产生的能源称为二次能源，如电力、氢能、石油制品、煤制气、煤液化油、蒸汽和压缩空气等。3．根据能否从自然界中得到补充分为可再生能源和不可再生能源：太阳辐射能、水能、生物质能、风能、潮汐能、海洋热能和波浪能等都是能不断地再生和得到补充的能源，被称为可再生能源；煤炭、石油、天然气等化石燃料和铀、钍等核燃料，无法得到补充，总有一天会枯竭，它们被称为不可再生能源4．根据应用范围、技术成熟程度及经济性分为常规能源和新能源两大类。常规能源是指那些技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源。例如煤炭、石油、天然气、水能和核裂变能等。在今后一个相当长的时期内，它们仍将担任世界能源舞台上的主角。新能源是相对于常规能源而言的，泛指太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能和生物质能等。新能源的能量密度较小，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，还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用；新能源大多数是再生能源。资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。第三节当前我国及世界能源状况一、中国能源发展现状1.中国能源资源化石能源是中国的主要能源，约占中国目前能源消费总量的93%。在化石能源中，按探明可采储量比较，中国煤炭储量占世界第3位，石油占第11位，天然气占第21位。表1-2中国化石能源探明可采储量能源资源量探明地质储量探明可采储量目前全国探明可采储量的比例%（按同等发热量）煤炭/亿吨5570010421204092.7石油/亿吨1021213615.9天然气/万亿立方米47.62（估算）2.561.641.4中国煤炭资源的特点是：已发现资源总量最大、品种齐全，但地区分布不均匀、优质环保型资源少、勘探程度低、可供开发的经济可采量少。煤炭资源地理分布特：北煤多于南煤。秦岭—大别山以北煤炭保有储量约占全国的90%，集中分布在晋陕蒙三省（区）；秦岭—大别山以南煤炭储量只占全国的约10%，集中分布在贵州和云南省；西煤多于东煤。经济相对落后的西部地区的煤炭储量占全国煤炭储量的61.75%；经济较发达东部地区的煤炭储量约占全国保有储量的38.25%；中国经济发达的东部十省市（包括北京、辽宁、天津、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东）拥有的煤炭储量，仅占全国煤炭储量的5.05%。2、石油资源截至2000年底，全国124个有勘探价值的盆地总计石油资源量为1021亿吨。可采资源高值为123.8亿吨，低值为99.7亿吨。主要分布在东部的平原地区，西部的沙漠、戈壁、黄土高原地区和近海海域区。3、天然气资源截至2000年底,全国探明天然气储量25557.25亿立方米，天然气可采储量16402.05亿立方米，平均采收率为64.2%。4、水能资源及其他中国水能资源，无论是理论蕴藏还是可开发量，均是世界五个主要水能资源丰富国家之一。全国平均水资源总量为2.81万亿立方米，其中可开发利用量约为9000亿立方米左右。可供发电的技术开发量平均每年为1.92万亿瓦时。2000年水力发电量为2224亿千瓦时，仅占可供发电量的很小一部分。可供发电的水能资源地域分布非常不均匀，主要集中在西南地区，占全国总量的67.8%，其次为中南地区和西北区，分别占15.5%和9.9%，东北、华东和华北地区仅占1%~3%中国的铀资源居世界的第9位，储量超过10万吨，现有经济可采储量可保证1000万千瓦核电站运行30年。今后要加强核电站建设，需要考虑燃料的多元途径供给。二、中国能源生产与消费状况2002年全国一次能源消费总量达到14.08亿tce（吨标准煤），比1980年的6.03亿tce翻了一番多。成为排在美国之后的一次能源第二大消费国，占世界一次能源消费总量的10.6%。能源消费增长速度远低于GDP总值的增长，年增长率为4.2%中国在世界能源中的份额人均能耗与世界比较近几年中国煤炭消费中国石油消费量已由1995年的1.61亿吨增加到2001年的2.28亿吨。年均增长率5.65%。石油在一次能源消费结构中的比例相应地已由1995年17.5%增长到2001年的24.3%。中国石油消费中遇到的主要问题是石油的供不应求。中国自1993年成为石油净进口国，到2000年，石油净进口量已达6960万吨，石油进口依存度为30%。天然气生产与消费：据《2001年中国能源发展报告》，“九五”期间，中国天然气产量迅速增加，由1995年的179.47亿立方米增加到2001年294.00亿立方米。年均增长率高达8.67%，水资源的开发与利用2000年中国水力发电量2224亿千瓦时，仅达到经济可开发水能水能程度的17.6%，远远低于水能资源丰富的发达国家水平。中国水能资源主要分布在西部，大规模的开发利用必须“西电东送”，需要发展远距离、超高压输变电技术，还需要考虑季节径流量变化引起的季节性电能波动和水库建设引起的淹没损失。近期大规模开发利用还受到一定的限制。第四节环境一、环境的内涵狭义上的环境：包括非生物环境，如土壤、光照、温度、湿度、空气和水份等，还包括生物环境，如生物同种个体之间和不同种生物之间的竞争、捕食与被捕食、寄生与被寄生之间的关系等。广义的环境：我们把围绕着某一有生命主体的外部世界统统称之为环境。相对于人这一主体而言的外部世界，就是人类的生存环境。在《中华人民共和国环境保护法》明确指出；大气、水、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、野生植物、水生生物、名胜古迹、风景游览区、温泉、疗养区、自然保护区等各种自然因素的总和。环境就是相对于某一类生命主体（群体或个体）周围的外部条件总和，包括主体的生存空间、维持生命活动的能量和物质以及对其产生影响的各种直接或间接因素。具体的内涵视中心体的不同而有别。对于人类社会的生存和发展而言，环境包括自然环境和人工环境。前者可以概括为生物圈、大气圈、水圈和岩石圈及其运动的影响，后者指人类自身活动所形成的物质、能量、精神文明、各种社会关系及其产生的作用。二、环境的功能和和基本特征1、环境的功能（1）为人类生存提供所需要的资源（2）具有调节功能环境是变化着的动态系统和开放系统，在一定的时空尺度内，环境的输入和输出是相等的，是一个动态的平衡过程，人们称之为环境平衡或生态平衡。当外部的输入大于输出时，在一定的强度下，系统可通过自我调节的能力使环境的正常功能不被破坏，这就是环境系统调节功能的作用，或称为环境的自净作用。（3）环境的服务功能。环境是生命的支持系统，如森林、草地、海洋、河流、湖泊等。它们对人类的贡献不仅仅是提供着大量的食物、药材、各类生产和生活资料，而且还为人类提供着许多服务，如气候调节、净化环境、减缓灾害等，生态系统的这些服务功能是人类自身所不能替代的（5）文化功能人类社会的进步是物质文明和精神文明的统一，同时也是人与自然和和谐的统一。人类的文化、艺术素质是对自然环境生态美的感觉和反应2、环境的特征（1）环境的整体性环境是一个系统，自然环境的各要素间存在着紧密的相互联系、相互制约的关系。局部地区的污染可带来全球的危害，例如，河流上游的污染就威胁着下游居民的安全，瑞典酸雨中有邻国大气污染的贡献，南极的企鹅体内也有DDT的积累。（2）环境资源的有限性由于受各种因素（如生存条件、繁衍速度、人类获取的强度等）所制约，在具体时空范围内，对人类来说各类资源都不可能是无限的（3）环境的差异性（环境的区域性）这是自然环境的基本特征，由于纬度的差异，地球接受的太阳辐射能不同，热量从赤道向两极递减，形成了不同的气候带。即使是同一纬度，因地形高度的不同，也会出现垂直带性差异。（4）环境的变动性和稳定性变动性是指环境要素的状态和功能始终处于不断的变化中，环境的变动性就是自然的、人为的或两者共同作用的结果。但在一定的时间尺度或条件下，环境又有相