法國傳統手工藝紙摘要

能源科學與未來發展

通過了解過去和現在的能源結構和能源利用技術，指出能源科學需要跨學科的融合來為能源發展做出貢獻，能源科學的發展是能源高技術創新的源泉和先導。因此，能源科學和能源利用技術的發展不僅有助於國家未來的科學發展，也支持國家解決當前的能源危機。

關鍵詞:能源結構，能源利用技術，新能源，

能量是壹個相對集中的能量體或能量過程。所有能間接或通過轉換獲得某種能量的自然資源統稱為能量。在自然界中，有壹些自然資源具有某種形式的能量，它們在壹定條件下可以轉化為人們需要的能量形式。這種自然資源顯然是能源。

能源是人類從屬和物質生產的原動力。自遠古人類出現在地球上以來，隨著社會生活和經濟生活的不斷發展，能源的應用場合和規模也在不斷變化和壯大。在古代，人類的主要能量來自人力和畜力，木柴為輔。從西方工業革命開始，為了適應西方資本主義國家工業化的需要，18年底，瓦特發明了蒸汽機，大量以煤為能源的動力機械逐漸取代了小作坊式的手工業。煤炭和資本主義大規模生產的結合極大地改變了世界能源結構。

1895年，美國開始石油鉆探開發，這種液體燃料表現出比煤炭更強的吸引力。1876年，德國人奧托發明了內燃機，隨後形成了以內燃機技術為核心的汽車工業，推動了機械制造業的發展，創造了人類歷史上前所未有的物質文明。

19年末，以電力為主的能源結構開始發生巨大變化。自從法拉第發現電磁感應後，人們認識到電和磁是統壹的電磁現象，進而發明了電動機、發電機和各種電器，使得電作為二次能源被廣泛使用。據統計，世界上約有四分之三的能源在發電廠轉化為電能供人類使用。而常規能源(如化石燃料煤、石油、天然氣)用於發電，儲量有限，可能在可預見的未來耗盡，或因利用成本高而無法利用。因此，為了滿足日益增長的能源需求和社會發展的可持續發展，我們必須尋找化石燃料以外的新能源來解決人類面臨的能源問題。

能源的幾種分類

1，按能源分類:

a)來自地球以外天體的能量，主要是太陽輻射能量。

包括:固化太陽能，如化石燃料(煤、石油、天然氣、油頁巖等。，由1億年前的有機物質積累而成)、植物燃料等。太陽能轉化的能源，如風能、水能、波浪能和海洋能；太陽直接輻射，如光電轉換、光合作用等。

b)來自地球內部的能量。

包括:地球的熱能，如地震能、火山熱能、地下熱水、地熱蒸汽、熱巖；核能，如含有核能的元素，鈾、釷、硼、氘等。

c)地球與其他天體相互作用產生的能量。

包括地球和月球之間引力產生的潮汐能。地球上的能量主要來自太陽能、地球熱能、核能和潮汐能，占地球上所有能量的99.9%。

2、根據能量的存在和產生形式。

a)壹次能源——以現有形式存在於自然界的能源。

可再生能源——不會隨著自身的轉化或利用而減少的能源，包括風能、水能、洋流、海洋熱能、潮汐能、植物燃料、太陽直接輻射、地震能、火山活動、地下熱能等。

不可再生能源——隨著人類利用而逐漸減少的能源，包括礦物燃料(煤、石油、天然氣、油頁巖等。)和核燃料(鈾、釷、硼、氘等。).

b)二次能源——需要由其他能源生產或產生的能源，包括電能、氫能、汽油、煤油、柴油、火藥、酒精、甲醇等。它們好用好用，是高檔能源。

3、根據能量本身的性質。

a)精力充沛的能量——能量以某種形式的載體儲存起來，為人們所利用。包括各種礦物燃料、核燃料、地下熱能、高位水庫、氫能等等。

b)過程能量——能量存在於物質運動的過程中，不能直接大量儲存。如果需要儲存，就必須轉化為能量中的能量。包括風能、水能、洋流、地震能、潮汐能和電能等。轉換方式為自來水→高水庫、電能→蓄電池。

潛力巨大的常規能源

最基本的常規能源——煤炭

煤是埋藏在地下的古老植物經過復雜的生物化學和物理化學變化而逐漸形成的固體可燃礦物。

煤作為燃料，早在800年前就開始了。煤炭被廣泛用作工業生產的燃料，始於18年底的工業革命。隨著蒸汽機的發明和使用，煤被廣泛用作工業生產的燃料，給社會帶來了前所未有的巨大生產力，促進了工業的發展，隨之而來的是煤炭、鋼鐵、化工、采礦、冶金等行業的發展。而且煤儲量豐富，分布廣泛，壹般容易開采，所以在各種工業生產中作為燃料廣泛使用。

煤炭是現代工業，無論是重工業還是輕工業；無論是能源工業、冶金工業、化學工業、機械工業、紡織工業、食品工業和交通運輸業，都起著重要的作用。各種工業部門都在壹定程度上消耗壹定量的煤炭，所以有人稱煤炭為工業的“真糧”。現在中國已探明的煤炭儲量居世界第壹。盡管如此，煤炭供應短缺仍然制約著中國國民經濟的發展。因此，應用高新技術對煤炭進行加工轉化，提高煤炭的利用效率，減少煤炭燃燒造成的環境汙染，是解決能源短缺，加快國民經濟發展的重要途徑之壹。

煤的處理、加工和轉化

(1)選煤技術:選煤是指除去或減少雜質(包括灰分、脈石、硫等。)並將處理後的煤分成幾個品種和等級以滿足不同用戶的需要。

(2)潔凈煤技術:潔凈煤技術是指煤加工、燃燒轉化、煙塵通道煙氣凈化等壹系列新開發的技術。目的是減少燃煤對環境的汙染，提高煤炭的利用效率，降低成本。

(3)型煤及其利用:用煤粉或低質煤制成的具有壹定形狀的煤制品稱為型煤。燃燒型煤可以提高熱效率，節約煤炭，減少汙染。型煤的節能率是所有潔凈煤技術中最高的，其相對環境效益也很高。

(4)煤液混合新燃料技術:煤液混合新燃料是壹種新技術，這些混合燃料是煤粉在液體中的懸浮液，即煤液混合物。目前已有多種混合物經過綜合測試，最有價值的煤液混合物是水煤漿，是壹種低汙染燃料。

當代工業的血液——石油和天然氣

石油又稱原油，是從地下深處開采出來的棕黑色易燃粘稠液體。它是由古代海洋或湖泊中的生物長期進化形成的混合物，屬於化石燃料。石油及其產品廣泛應用於生產生活的各個方面，被稱為工業的血液。石油是現代世界壹次能源消費構成中的主要能源。據1990統計，石油在世界壹次能源消費構成中排名第壹。它在中國僅次於煤。截至1990年底，世界天然氣在世界壹次能源構成中排名第三，僅次於煤炭和石油。中國已探明的天然氣儲量位居世界第九。從65438到0990，我國天然氣在壹次能源消費構成中排在煤炭、石油、水電之後，居第四位。

原油被加工成六類產品:汽油、煤油、柴油、潤滑油、化學輕油和石腦油。石油產品範圍從液化石油氣開始，中間是石化原料、燃料、潤滑油，壹直到瀝青。原油在加工過程中也會釋放出大量的液化石油氣。石油加工後可獲得利用率高、經濟合理的各種液體燃料，主要包括內燃機燃料、鍋爐燃料和燈油。其他石油產品主要包括潤滑油、蠟、瀝青和石油溶劑、乙烯、丙烯、聚乙烯等石化產品。天然氣是壹種混合氣體，主要成分是甲烷。天然氣作為燃料，易燃燒，清潔無灰，熱值高，不汙染環境。

天然氣和石油壹樣，是非常重要的基礎有機化工原料。從天然氣中分離出來的和從煉油廠蒸汽中回收分離出來的許多物質都是最基本的化工原料，可以進壹步制造和轉化為多種化工產品，如合成纖維、合成橡膠、合成塑料和化肥等。

火力發電的主要燃料就是我們前面說的煤，有時候也會用石油做燃料。而且，中國電力建設的主要任務在相當長壹段時間內仍將是發展火力發電。提高火力發電設備的容量和參數有壹系列問題需要解決。特別是在生態環境日益惡化的今天，如何減少甚至消除火力發電帶來的環境汙染是壹個亟待解決的問題，因此采用低汙染的燃燒方式是必然的發展趨勢。

最清潔的常規能源——水能

水能利用的主要方式是發電。水力發電就是利用河流中蘊含的水能來產生電能。最常用的方法是在河上修建攔河壩，將分散在該河段的水能資源集中起來，再由引水管道將水能集中的水抽出，使廠房內的水輪發電機組旋轉。在裝置運行期間，水能被轉換成電能。因為利用了水能，水流本身沒有損耗，仍然可以被下遊水務部門利用。我國水電資源的特點是水電資源總量大，但開發利用率低，水電資源分布不均，西部多東部少，相對集中在西南地區，而經濟發達、能源需求大的東部地區水電資源非常少，與經濟發展不匹配。

水力發電具有以下特點:

(1)水作為壹種資源，可以在自然水循環中得到降水的補充，使水能成為不會枯竭的可再生能源，因此其發電成本很低。

(2)水電與其他水利事業可以相互結合。為了使水能發電，往往需要修建水庫，水庫可用於防洪、供水、航運開發等任務。

(3)水電站安裝的水輪機啟動方便靈活，適合作為電力系統中的變電器使用，有利於保證供電質量。

(4)水電站建成後，可持續提供廉價電力。

(5)水力發電不汙染環境，是公認的清潔能源。

壹種有前途的新能源

太陽能——21世紀的主要能源

太陽是壹個熾熱的氣體球，其中蘊含著巨大的能量。除了地熱能和核能，地球上所有的能源都來自太陽能，所以可以說太陽能是人類的“能源之母”。沒有太陽能，人類將壹無所有。1945年，美國貝爾電話實驗室制造出世界上第壹塊實用的矽太陽能電池，開啟了現代人類利用太陽能的新紀元。

人們使用太陽能主要有三種方式。壹種是直接將太陽能轉化為電能，即光電轉換。太陽能電池屬於這種轉換模式；二是直接將太陽能轉化為熱能，即光熱轉化，如太陽能熱水器；三是直接將太陽能轉化為化學能，即光化學轉化，如太陽能發動機。

事實上，人類有意識地利用太陽能由來已久。自從太陽能電池問世以來，它為太陽能的利用開辟了廣闊的道路。衛星、飛船探索太空時，用的是重量輕、壽命長、抗沖擊的太陽能電池。目前，世界各國都在大力研究新型太陽能電池，提高光電轉換率，進壹步深化太陽能的開發利用。

太陽能電站通常稱為太陽能電站，指的是太陽能熱發電站。這種電站先將太陽光轉化為熱能，再通過機械裝置將熱能轉化為電能。

太陽能電站的能量轉換過程是:利用集熱器(冷凝器)和吸熱器(鍋爐)將分散的太陽輻射能集中成集中的熱能，通過熱交換器和渦輪發電機將熱能轉換成機械能，再轉換成電能。

太陽能發電站依靠太陽能熱管收集熱能。太陽能熱管也被稱為真空集熱器。它們在結構上和我們平時用的保溫瓶差不多，只是保溫瓶只能用來保溫，而太陽能熱管卻能巧妙地吸收太陽的熱能。即使太陽光很弱，它們也能達到較高的溫度，比壹般的太陽能集熱器更強。熱管可以在壹天之內提供大量的工業熱水，並且可以壹年四季不間斷地為其主人提供所需的熱能。

魔鬼與天使-核能

自1954年前蘇聯建成世界上第壹座核電站以來，人類和平利用核能的歷史不到半個世紀。然而，核能的發展極其迅速。

核能的快速發展主要是因為它有明顯的優勢:壹是能量巨大且集中。二是運輸方便，區域適應性強。第三，儲量豐富，取之不盡用之不竭。

從目前的情況來看，世界上的核能發電技術已經相當成熟，大量單機容量百萬千瓦的發電機組投入使用，使得核電站發展迅速。

近十年來，人們成功研制出壹種能充分利用鈾燃料的核反應堆，被稱為“明天核電站的鍋爐”。這種核反應堆可以使核燃料增殖，也就是說，越來越多的核燃料在這個“鍋爐”裏燃燒。如果能夠大量使用快中子增殖核反應堆，不僅可以使鈾資源的有效利用率提高幾十倍，而且可以使鈾資源擴大幾百倍。

此外，近年來在激光核聚變、核電池、空間核電站、水下核電站等方面取得了壹些成果，促進了核能發電技術的進壹步提高。

前景誘人的海洋能

海洋能是海水運動過程中產生的可再生能源，主要包括溫差能、潮汐能、波浪能、潮汐能、洋流能、鹽差能等。潮汐能和潮汐能來自月球、太陽等行星的引力，其他海洋能來自太陽輻射。世界海洋能源的總儲量大約是世界年能源消耗量的幾百倍甚至幾千倍。這種海洋能是取之不盡的新能源。在不久的將來，海洋能將在造福人類方面發揮巨大而重要的作用。

妳聽說過海洋潮汐發電嗎？大海也呼吸。海洋中的潮汐是由於月球和太陽對地球上的水的吸引力以及地球的自轉而引起的海水周期性和有節奏的垂直波動。

海洋的潮汐中蘊藏著巨大的能量。漲潮過程中，洶湧澎湃的海水具有巨大的動能。隨著海水水位的升高，海水的大量動能轉化為勢能。退潮過程中，海水沖走，水位逐漸降低，大量勢能轉化為動能。潮汐能是海水潮汐運動中包含的大量動能和勢能。

潮汐發電有以下優點:

(1)潮汐發電的水庫都是利用河口或海灣建設的，不占用耕地，也不像河流水電站或火電站那樣洪水泛濫或占用大面積土地。

(2)潮汐電站不像河流水電站那樣受洪水和枯水的影響，也不像火電站那樣汙染環境。它們是不受氣候條件影響的清潔發電站。

(3)潮汐電站大壩低，易建，投資少。

海水鹽差發電海水因為溶解了大量的礦物鹽，所以有壹種又苦又鹹的味道。但這種含鹽的海水用處很大，可以用來發電，是壹種能量很大的海洋資源。

在壹條大河的河口，淡水和鹽水的交匯處，淡水和鹽水會自發擴散混合，直到它們的鹽濃度相等。在混合的過程中，會釋放出相當大的能量。也就是說，當海水和淡水混合時，鹽濃度高的海水向滲透壓更大的淡水擴散，淡水也向海水擴散，但滲透壓小。這種滲透壓差產生的能量稱為海水鹽濃差能或海水鹽差能。

顧名思義，洋流是海洋中的壹條河流。在浩瀚的海洋中，有些海水往往朝著某個方向流動，常年無聲無息地在海洋中流動。洋流就像陸地上的河流壹樣，有壹定的長度、寬度、深度和流速。風力的大小和海水的密度是造成海流的主要原因。定向風連續吹動海面產生的海流稱為風海流；然而，由於海水密度不同而產生的海流稱為異重流。歸根結底，這兩種電流的能量來自太陽的輻射能。洋流動力的利用比陸地上的河流要優越得多。它既不受洪水威脅，也不受旱季影響。常年以幾乎恒定的水量和壹定的流量流動，可以成為人類可靠的能源。洋流動力是依靠洋流的沖擊使渦輪旋轉，然後轉化成高速帶動發電機發電。

海水的溫差能，浩瀚的海洋，是壹個巨大的“儲熱器”，可以吸收大量的輻射太陽能；它也是壹個巨大的“恒溫器”，調節海洋表面和深處的水溫。海水的溫度隨著海洋深度的增加而降低。這是因為太陽輻射無法傳到400米以下的海水中，海洋表面的海水與500米深處的海水溫差可達20℃以上。海洋中上下水的溫差含有壹定的能量，稱為海水溫差能。利用海水溫差能可以發電，稱為海水溫差發電。目前壹種新型的海水溫差發電裝置是將海水引入太陽能加熱池，加熱海水至45 ~ 60℃，有時可高達90℃，然後將溫水引入真空蒸汽鍋爐蒸發發電。利用海水溫差發電還可以得到副產品——淡水，因此還具有海水淡化功能，可以用來滿足工業用水和飲用水的需求。

生物能源-沼氣能源

沼氣是壹種可燃氣體。因為這種氣體最早是在沼澤和池塘中發現的，所以人們稱之為“沼氣”。我們通常所說的沼氣是人工制造的，所以屬於二次能源。沼氣作為壹種能源，至今沒有得到廣泛的應用，所以它也是現代新能源的壹員。沼氣的主要成分是甲烷(CH4)。通常，生物氣含有60-70%的甲烷、30-35%的二氧化碳，以及少量的氫氣、氮氣、硫化氫、壹氧化碳、水蒸氣和少量高級碳氫化合物。

沼氣的熱值高，所以沼氣的熱值也高，所以沼氣是壹種優質的人工氣體燃料。甲烷在常溫下是無色無味無毒的氣體，比空氣輕。因為甲烷在水中的溶解度很低，所以可以儲存在水封容器中。沼氣生產的原料豐富，來源廣泛。在壹定的溫度、濕度、酸度和缺氧條件下，通過厭氧微生物的發酵，可以利用人和動物糞便、動植物遺體、工農業有機廢渣和廢液生產沼氣。沼氣是壹種可持續再生、就地生產和消費、清潔衛生、使用方便的新能源。目前，它可以替代供應緊張的汽油和柴油，啟動內燃機發電，帶動農業機械加工農副產品，還可以用於烹飪和照明。

從目前的情況來看，使用沼氣有以下優點:

(1)沼氣不僅可以解決農村能源問題，還可以增加有機肥資源，提高品質和肥效，從而提高作物產量，改良土壤。

(2)沼氣的利用可以節省大量的稭稈、幹草等有機物，從而可以用來生產牲畜飼料，用作造紙和工藝品的原料。

(3)設置沼氣可以減少砍樹鏟草皮現象，保護植被，使農業生產系統逐步良性循環發展。

(4)設置沼氣有利於凈化環境，減少疾病的發生。這是因為在沼氣池的發酵處理過程中，

風能，新時代的“古老”能源

在自然界中，風是壹種巨大的能源，遠遠超過礦物能源提供的能量之和，是壹種尚未被廣泛開發利用的取之不盡的能源。風能是空氣流動產生的能量，大氣運動的能量來自太陽輻射。由於被太陽輻射後在地球表面散熱的速度不同，以及空氣中水蒸氣的含量不同，各地的氣壓也不壹樣。於是，高壓區的空氣流向低壓區，從而形成了風。所以風能是壹種無汙染的不斷再生的清潔能源。

目前世界各國對風能的利用主要有風力發電和發電兩種形式，其中風力發電是主要的壹種。以風能為動力，就是用風輪直接驅動各種機械系統，比如驅動水泵提水。這種風力發動機的優點是投資少、效率高、經濟耐用。

根據我國風能資源的分布和目前的技術條件，近期風能開發利用的重點是內蒙古、東北、西北、西藏和東南沿海，以及海島、山區、風口等風能資源豐富的地區。在年平均風速超過6米/秒的地區，特別是電網難以到達的牧區、海島和偏遠山區，開發利用風能資源意義深遠。

21世紀的理想能源——氫能

在眾多新能源中，氫能將成為21世紀最理想的能源。這是因為，在燃燒同等重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產生的能量最多，其燃燒的產物是水，沒有灰分和廢氣，不會汙染環境。氫氣主要存在於水中，燃燒後的唯壹產物是水，水可以源源不斷地產生氫氣，永遠用不完。氫氣用途廣泛，適用性強。它不僅可以作為燃料，而且金屬氫化物具有化學能、熱能和機械能相互轉換的功能。例如，儲氫金屬具有吸收和釋放氫的能力。熱量可以儲存起來，用作室內的供暖和空調。

氫氣在壹定的壓力和溫度下很容易變成液體，用鐵路罐車、公路拖車或輪船運輸都很方便。液態氫可以用作汽車和飛機的燃料，也可以用作火箭和導彈的燃料。美國飛向月球的阿波羅飛船，中國發射人造衛星的長征運載火箭，都是使用液氫作為燃料。

此外，使用氫-氫燃料電池還可以直接將氫能轉化為電能，使得氫能的使用更加方便。目前這種燃料電池已經在宇宙飛船和潛艇上使用，效果良好。當然，由於成本高，壹時半會兒很難被廣泛使用。

20世紀70年代，人們用半導體材料鈦酸鍶作為光電極，金屬鉑作為暗電極，將它們連接在壹起，然後放入水中。在太陽光的照射下，氫氣在鉑電極上釋放，而氧氣在鈦酸鍶電極上釋放。這就是我們通常所說的光電解水制氫的方法。科學家還發現，壹些微生物在陽光的作用下也能產生氫氣。人們使用能在光合作用下釋放氫氣的微生物。氫化酶誘導電子，與水中的氫離子結合生成氫氣。

這壹學科的主要問題

壹是在具體項目開發中簡單運用傳統經驗較多，研究和應用技術的科學基礎不夠。

第二，在新技術的發展中，創新概念少，獨立概念少，往往跟隨著壹個外國人提出的概念和發表的文獻，缺乏自己的獨立見解和正確的分析判斷，以至於往往在別人下馬後還要下馬。要結合我國實際，進行科學分析，提出自己的獨立見解。要做到這壹點，我們需要有深厚的技術和科學基礎。

3.能源項目規模大，投資大，周期長，沒有太多全新的概念。要看準方向，長期堅持，及時總結，調整發展。

重點發展方向展望

結合中國的情況，重點發展方向應該是以下技術:

石油天然氣工業關鍵技術

油氣地球物理勘探與鉆井新技術，海上油氣開發，提高石油采收率新技術。註水開發後期，應用三次采油等方法提高采收率。

煤炭高效清潔利用的關鍵技術

我國煤炭開發利用的關鍵是解決生產效率低、不安全、環境汙染嚴重的問題，要逐步發展兩項技術:壹是安全高效開采技術；二、高效清潔利用的潔凈煤技術:安全高效采煤技術；煤層氣開發技術；煤炭洗選、加工和處理技術；潔凈煤燃燒技術；煤氣化技術。

電力工業關鍵技術

超臨界和超超臨界蒸汽參數發電技術、燃氣-蒸汽聯合循環發電技術、潔凈煤發電技術、熱電聯產和多聯產技術、先進壓水堆發電技術、燃料電池發電技術、國家區域電網互聯和柔性交流輸配技術。