学科导论的历史

通过了解过去和现在的能源结构和能源利用技术，指出能源科学需要跨学科的融合来为能源发展做出贡献，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有助于国家未来的科学发展，也支持国家解决当前的能源危机。

关键词:能源结构，能源利用技术，新能源，

能量是一个相对集中的能量体或能量过程。所有能间接或通过转换获得某种能量的自然资源统称为能量。在自然界中，有一些自然资源具有某种形式的能量，它们在一定条件下可以转化为人们需要的能量形式。这种自然资源显然是能源。

能源是人类从属和物质生产的原动力。自远古人类出现在地球上以来，随着社会生活和经济生活的不断发展，能源的应用场合和规模也在不断变化和壮大。在古代，人类的主要能量来自人力和畜力，木柴为辅。从西方工业革命开始，为了适应西方资本主义国家工业化的需要，18年底，瓦特发明了蒸汽机，大量以煤为能源的动力机械逐渐取代了小作坊式的手工业。煤炭和资本主义大规模生产的结合极大地改变了世界能源结构。

1895年，美国开始石油钻探开发，这种液体燃料表现出比煤炭更强的吸引力。1876年，德国人奥托发明了内燃机，随后形成了以内燃机技术为核心的汽车工业，推动了机械制造业的发展，创造了人类历史上前所未有的物质文明。

19年末，以电力为主的能源结构开始发生巨大变化。自从法拉第发现电磁感应后，人们认识到电和磁是统一的电磁现象，进而发明了电动机、发电机和各种电器，使得电作为二次能源被广泛使用。据统计，世界上约有四分之三的能源在发电厂转化为电能供人类使用。而常规能源(如化石燃料煤、石油、天然气)用于发电，储量有限，可能在可预见的未来耗尽，或因利用成本高而无法利用。因此，为了满足日益增长的能源需求和社会发展的可持续发展，我们必须寻找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，按能源分类:

a)来自地球以外天体的能量，主要是太阳辐射能量。

包括:固化太阳能，如化石燃料(煤、石油、天然气、油页岩等。，由1亿年前的有机物质积累而成)、植物燃料等。太阳能转化的能源，如风能、水能、波浪能和海洋能；太阳直接辐射，如光电转换、光合作用等。

b)来自地球内部的能量。

包括:地球的热能，如地震能、火山热能、地下热水、地热蒸汽、热岩；核能，如含有核能的元素，铀、钍、硼、氘等。

c)地球与其他天体相互作用产生的能量。

包括地球和月球之间引力产生的潮汐能。地球上的能量主要来自太阳能、地球热能、核能和潮汐能，占地球上所有能量的99.9%。

2、根据能量的存在和产生形式。

a)一次能源——以现有形式存在于自然界的能源。

可再生能源——不会随着自身的转化或利用而减少的能源，包括风能、水能、洋流、海洋热能、潮汐能、植物燃料、太阳直接辐射、地震能、火山活动、地下热能等。

不可再生能源——随着人类利用而逐渐减少的能源，包括矿物燃料(煤、石油、天然气、油页岩等。)和核燃料(铀、钍、硼、氘等。).

b)二次能源——需要由其他能源生产或产生的能源，包括电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇等。它们好用好用，是高档能源。

3、根据能量本身的性质。

a)精力充沛的能量——能量以某种形式的载体储存起来，为人们所利用。包括各种矿物燃料、核燃料、地下热能、高位水库、氢能等等。

b)过程能量——能量存在于物质运动的过程中，不能直接大量储存。如果需要储存，就必须转化为能量中的能量。包括风能、水能、洋流、地震能、潮汐能和电能等。转换方式为自来水→高水库、电能→蓄电池。

潜力巨大的常规能源

最基本的常规能源——煤炭

煤是埋藏在地下的古老植物经过复杂的生物化学和物理化学变化而逐渐形成的固体可燃矿物。

煤作为燃料，早在800年前就开始了。煤炭被广泛用作工业生产的燃料，始于18年底的工业革命。随着蒸汽机的发明和使用，煤被广泛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，促进了工业的发展，随之而来的是煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等行业的发展。而且煤储量丰富，分布广泛，一般容易开采，所以在各种工业生产中作为燃料广泛使用。

煤炭是现代工业，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、纺织工业、食品工业和交通运输业，都起着重要的作用。各种工业部门都在一定程度上消耗一定量的煤炭，所以有人称煤炭为工业的“真粮”。现在中国已探明的煤炭储量居世界第一。尽管如此，煤炭供应短缺仍然制约着中国国民经济的发展。因此，应用高新技术对煤炭进行加工转化，提高煤炭的利用效率，减少煤炭燃烧造成的环境污染，是解决能源短缺，加快国民经济发展的重要途径之一。

煤的处理、加工和转化

(1)选煤技术:选煤是指除去或减少杂质(包括灰分、脉石、硫等。)并将处理后的煤分成几个品种和等级以满足不同用户的需要。

(2)洁净煤技术:洁净煤技术是指煤加工、燃烧转化、烟尘通道烟气净化等一系列新开发的技术。目的是减少燃煤对环境的污染，提高煤炭的利用效率，降低成本。

(3)型煤及其利用:用煤粉或低质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，减少污染。型煤的节能率是所有洁净煤技术中最高的，其相对环境效益也很高。

(4)煤液混合新燃料技术:煤液混合新燃料是一种新技术，这些混合燃料是煤粉在液体中的悬浮液，即煤液混合物。目前已有多种混合物经过综合测试，最有价值的煤液混合物是水煤浆，是一种低污染燃料。

当代工业的血液——石油和天然气

石油又称原油，是从地下深处开采出来的棕黑色易燃粘稠液体。它是由古代海洋或湖泊中的生物长期进化形成的混合物，属于化石燃料。石油及其产品广泛应用于生产生活的各个方面，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统计，石油在世界一次能源消费构成中排名第一。它在中国仅次于煤。截至1990年底，世界天然气在世界一次能源构成中排名第三，仅次于煤炭和石油。中国已探明的天然气储量位居世界第九。从65438到0990，我国天然气在一次能源消费构成中排在煤炭、石油、水电之后，居第四位。

原油被加工成六类产品:汽油、煤油、柴油、润滑油、化学轻油和石脑油。石油产品范围从液化石油气开始，中间是石化原料、燃料、润滑油，一直到沥青。原油在加工过程中也会释放出大量的液化石油气。石油加工后可获得利用率高、经济合理的各种液体燃料，主要包括内燃机燃料、锅炉燃料和灯油。其他石油产品主要包括润滑油、蜡、沥青和石油溶剂、乙烯、丙烯、聚乙烯等石化产品。天然气是一种混合气体，主要成分是甲烷。天然气作为燃料，易燃烧，清洁无灰，热值高，不污染环境。

天然气和石油一样，是非常重要的基础有机化工原料。从天然气中分离出来的和从炼油厂蒸汽中回收分离出来的许多物质都是最基本的化工原料，可以进一步制造和转化为多种化工产品，如合成纤维、合成橡胶、合成塑料和化肥等。

火力发电的主要燃料就是我们前面说的煤，有时候也会用石油做燃料。而且，中国电力建设的主要任务在相当长一段时间内仍将是发展火力发电。提高火力发电设备的容量和参数有一系列问题需要解决。特别是在生态环境日益恶化的今天，如何减少甚至消除火力发电带来的环境污染是一个亟待解决的问题，因此采用低污染的燃烧方式是必然的发展趋势。

最清洁的常规能源——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含的水能来产生电能。最常用的方法是在河上修建拦河坝，将分散在该河段的水能资源集中起来，再由引水管道将水能集中的水抽出，使厂房内的水轮发电机组旋转。在装置运行期间，水能被转换成电能。因为利用了水能，水流本身没有损耗，仍然可以被下游水务部门利用。我国水电资源的特点是水电资源总量大，但开发利用率低，水电资源分布不均，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电资源非常少，与经济发展不匹配。

水力发电具有以下特点:

(1)水作为一种资源，可以在自然水循环中得到降水的补充，使水能成为不会枯竭的可再生能源，因此其发电成本很低。

(2)水电与其他水利事业可以相互结合。为了使水能发电，往往需要修建水库，水库可用于防洪、供水、航运开发等任务。

(3)水电站安装的水轮机启动方便灵活，适合作为电力系统中的变电器使用，有利于保证供电质量。

(4)水电站建成后，可持续提供廉价电力。

(5)水力发电不污染环境，是公认的清洁能源。

一种有前途的新能源

太阳能——21世纪的主要能源

太阳是一个炽热的气体球，其中蕴含着巨大的能量。除了地热能和核能，地球上所有的能源都来自太阳能，所以可以说太阳能是人类的“能源之母”。没有太阳能，人类将一无所有。1945年，美国贝尔电话实验室制造出世界上第一块实用的硅太阳能电池，开启了现代人类利用太阳能的新纪元。

人们使用太阳能主要有三种方式。一种是直接将太阳能转化为电能，即光电转换。太阳能电池属于这种转换模式；二是直接将太阳能转化为热能，即光热转化，如太阳能热水器；三是直接将太阳能转化为化学能，即光化学转化，如太阳能发动机。

事实上，人类有意识地利用太阳能由来已久。自从太阳能电池问世以来，它为太阳能的利用开辟了广阔的道路。卫星、飞船探索太空时，用的是重量轻、寿命长、抗冲击的太阳能电池。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，进一步深化太阳能的开发利用。

太阳能电站通常称为太阳能电站，指的是太阳能热发电站。这种电站先将太阳光转化为热能，再通过机械装置将热能转化为电能。

太阳能电站的能量转换过程是:利用集热器(冷凝器)和吸热器(锅炉)将分散的太阳辐射能集中成集中的热能，通过热交换器和涡轮发电机将热能转换成机械能，再转换成电能。

太阳能发电站依靠太阳能热管收集热能。太阳能热管也被称为真空集热器。它们在结构上和我们平时用的保温瓶差不多，只是保温瓶只能用来保温，而太阳能热管却能巧妙地吸收太阳的热能。即使太阳光很弱，它们也能达到较高的温度，比一般的太阳能集热器更强。热管可以在一天之内提供大量的工业热水，并且可以一年四季不间断地为其主人提供所需的热能。

魔鬼与天使-核能

自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不到半个世纪。然而，核能的发展极其迅速。

核能的快速发展主要是因为它有明显的优势:一是能量巨大且集中。二是运输方便，区域适应性强。第三，储量丰富，取之不尽用之不竭。

从目前的情况来看，世界上的核能发电技术已经相当成熟，大量单机容量百万千瓦的发电机组投入使用，使得核电站发展迅速。

近十年来，人们成功研制出一种能充分利用铀燃料的核反应堆，被称为“明天核电站的锅炉”。这种核反应堆可以使核燃料增殖，也就是说，越来越多的核燃料在这个“锅炉”里燃烧。如果能够大量使用快中子增殖核反应堆，不仅可以使铀资源的有效利用率提高几十倍，而且可以使铀资源扩大几百倍。

此外，近年来在激光核聚变、核电池、空间核电站、水下核电站等方面取得了一些成果，促进了核能发电技术的进一步提高。

前景诱人的海洋能

海洋能是海水运动过程中产生的可再生能源，主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮汐能、洋流能、盐差能等。潮汐能和潮汐能来自月球、太阳等行星的引力，其他海洋能来自太阳辐射。世界海洋能源的总储量大约是世界年能源消耗量的几百倍甚至几千倍。这种海洋能是取之不尽的新能源。在不久的将来，海洋能将在造福人类方面发挥巨大而重要的作用。

你听说过海洋潮汐发电吗？大海也呼吸。海洋中的潮汐是由于月球和太阳对地球上的水的吸引力以及地球的自转而引起的海水周期性和有节奏的垂直波动。

海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。涨潮过程中，汹涌澎湃的海水具有巨大的动能。随着海水水位的升高，海水的大量动能转化为势能。退潮过程中，海水冲走，水位逐渐降低，大量势能转化为动能。潮汐能是海水潮汐运动中包含的大量动能和势能。

潮汐发电有以下优点:

(1)潮汐发电的水库都是利用河口或海湾建设的，不占用耕地，也不像河流水电站或火电站那样洪水泛滥或占用大面积土地。

(2)潮汐电站不像河流水电站那样受洪水和枯水的影响，也不像火电站那样污染环境。它们是不受气候条件影响的清洁发电站。

(3)潮汐电站大坝低，易建，投资少。

海水盐差发电海水因为溶解了大量的矿物盐，所以有一种又苦又咸的味道。但这种含盐的海水用处很大，可以用来发电，是一种能量很大的海洋资源。

在一条大河的河口，淡水和盐水的交汇处，淡水和盐水会自发扩散混合，直到它们的盐浓度相等。在混合的过程中，会释放出相当大的能量。也就是说，当海水和淡水混合时，盐浓度高的海水向渗透压更大的淡水扩散，淡水也向海水扩散，但渗透压小。这种渗透压差产生的能量称为海水盐浓差能或海水盐差能。

顾名思义，洋流是海洋中的一条河流。在浩瀚的海洋中，有些海水往往朝着某个方向流动，常年无声无息地在海洋中流动。洋流就像陆地上的河流一样，有一定的长度、宽度、深度和流速。风力的大小和海水的密度是造成海流的主要原因。定向风连续吹动海面产生的海流称为风海流；然而，由于海水密度不同而产生的海流称为异重流。归根结底，这两种电流的能量来自太阳的辐射能。洋流动力的利用比陆地上的河流要优越得多。它既不受洪水威胁，也不受旱季影响。常年以几乎恒定的水量和一定的流量流动，可以成为人类可靠的能源。洋流动力是依靠洋流的冲击使涡轮旋转，然后转化成高速带动发电机发电。

海水的温差能，浩瀚的海洋，是一个巨大的“储热器”，可以吸收大量的辐射太阳能；它也是一个巨大的“恒温器”，调节海洋表面和深处的水温。海水的温度随着海洋深度的增加而降低。这是因为太阳辐射无法传到400米以下的海水中，海洋表面的海水与500米深处的海水温差可达20℃以上。海洋中上下水的温差含有一定的能量，称为海水温差能。利用海水温差能可以发电，称为海水温差发电。目前一种新型的海水温差发电装置是将海水引入太阳能加热池，加热海水至45 ~ 60℃，有时可高达90℃，然后将温水引入真空蒸汽锅炉蒸发发电。利用海水温差发电还可以得到副产品——淡水，因此还具有海水淡化功能，可以用来满足工业用水和饮用水的需求。

生物能源-沼气能源

沼气是一种可燃气体。因为这种气体最早是在沼泽和池塘中发现的，所以人们称之为“沼气”。我们通常所说的沼气是人工制造的，所以属于二次能源。沼气作为一种能源，至今没有得到广泛的应用，所以它也是现代新能源的一员。沼气的主要成分是甲烷(CH4)。通常，生物气含有60-70%的甲烷、30-35%的二氧化碳，以及少量的氢气、氮气、硫化氢、一氧化碳、水蒸气和少量高级碳氢化合物。

沼气的热值高，所以沼气的热值也高，所以沼气是一种优质的人工气体燃料。甲烷在常温下是无色无味无毒的气体，比空气轻。因为甲烷在水中的溶解度很低，所以可以储存在水封容器中。沼气生产的原料丰富，来源广泛。在一定的温度、湿度、酸度和缺氧条件下，通过厌氧微生物的发酵，可以利用人和动物粪便、动植物遗体、工农业有机废渣和废液生产沼气。沼气是一种可持续再生、就地生产和消费、清洁卫生、使用方便的新能源。目前，它可以替代供应紧张的汽油和柴油，启动内燃机发电，带动农业机械加工农副产品，还可以用于烹饪和照明。

从目前的情况来看，使用沼气有以下优点:

(1)沼气不仅可以解决农村能源问题，还可以增加有机肥资源，提高品质和肥效，从而提高作物产量，改良土壤。

(2)沼气的利用可以节省大量的秸秆、干草等有机物，从而可以用来生产牲畜饲料，用作造纸和工艺品的原料。

(3)设置沼气可以减少砍树铲草皮现象，保护植被，使农业生产系统逐步良性循环发展。

(4)设置沼气有利于净化环境，减少疾病的发生。这是因为在沼气池的发酵处理过程中，

风能，新时代的“古老”能源

在自然界中，风是一种巨大的能源，远远超过矿物能源提供的能量之和，是一种尚未被广泛开发利用的取之不尽的能源。风能是空气流动产生的能量，大气运动的能量来自太阳辐射。由于被太阳辐射后在地球表面散热的速度不同，以及空气中水蒸气的含量不同，各地的气压也不一样。于是，高压区的空气流向低压区，从而形成了风。所以风能是一种无污染的不断再生的清洁能源。

目前世界各国对风能的利用主要有风力发电和发电两种形式，其中风力发电是主要的一种。以风能为动力，就是用风轮直接驱动各种机械系统，比如驱动水泵提水。这种风力发动机的优点是投资少、效率高、经济耐用。

根据我国风能资源的分布和目前的技术条件，近期风能开发利用的重点是内蒙古、东北、西北、西藏和东南沿海，以及海岛、山区、风口等风能资源丰富的地区。在年平均风速超过6米/秒的地区，特别是电网难以到达的牧区、海岛和偏远山区，开发利用风能资源意义深远。

21世纪的理想能源——氢能

在众多新能源中，氢能将成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧同等重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，其燃烧的产物是水，没有灰分和废气，不会污染环境。氢气主要存在于水中，燃烧后的唯一产物是水，水可以源源不断地产生氢气，永远用不完。氢气用途广泛，适用性强。它不仅可以作为燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸收和释放氢的能力。热量可以储存起来，用作室内的供暖和空调。

氢气在一定的压力和温度下很容易变成液体，用铁路罐车、公路拖车或轮船运输都很方便。液态氢可以用作汽车和飞机的燃料，也可以用作火箭和导弹的燃料。美国飞向月球的阿波罗飞船，中国发射人造卫星的长征运载火箭，都是使用液氢作为燃料。

此外，使用氢-氢燃料电池还可以直接将氢能转化为电能，使得氢能的使用更加方便。目前这种燃料电池已经在宇宙飞船和潜艇上使用，效果良好。当然，由于成本高，一时半会儿很难被广泛使用。

20世纪70年代，人们用半导体材料钛酸锶作为光电极，金属铂作为暗电极，将它们连接在一起，然后放入水中。在太阳光的照射下，氢气在铂电极上释放，而氧气在钛酸锶电极上释放。这就是我们通常所说的光电解水制氢的方法。科学家还发现，一些微生物在阳光的作用下也能产生氢气。人们使用能在光合作用下释放氢气的微生物。氢化酶诱导电子，与水中的氢离子结合生成氢气。

这一学科的主要问题

一是在具体项目开发中简单运用传统经验较多，研究和应用技术的科学基础不够。

第二，在新技术的发展中，创新概念少，独立概念少，往往跟随着一个外国人提出的概念和发表的文献，缺乏自己的独立见解和正确的分析判断，以至于往往在别人下马后还要下马。要结合我国实际，进行科学分析，提出自己的独立见解。要做到这一点，我们需要有深厚的技术和科学基础。

3.能源项目规模大，投资大，周期长，没有太多全新的概念。要看准方向，长期坚持，及时总结，调整发展。

重点发展方向展望

结合中国的情况，重点发展方向应该是以下技术:

石油天然气工业关键技术

油气地球物理勘探与钻井新技术，海上油气开发，提高石油采收率新技术。注水开发后期，应用三次采油等方法提高采收率。

煤炭高效清洁利用的关键技术

我国煤炭开发利用的关键是解决生产效率低、不安全、环境污染严重的问题，要逐步发展两项技术:一是安全高效开采技术；二、高效清洁利用的洁净煤技术:安全高效采煤技术；煤层气开发技术；煤炭洗选、加工和处理技术；洁净煤燃烧技术；煤气化技术。

电力工业关键技术

超临界和超超临界蒸汽参数发电技术、燃气-蒸汽联合循环发电技术、洁净煤发电技术、热电联产和多联产技术、先进压水堆发电技术、燃料电池发电技术、国家区域电网互联和柔性交流输配技术。

节能技术

中低温余热利用系统及中低温能源利用新技术、热泵技术、建筑节能、新型低温储能系统(含冰蓄冷、电力调峰)、节能家电、交通节能、高耗能行业节能新工艺。

核能释放和利用的科学问题

核废料处理和再利用，提高安全性，探索新的安全反应堆类型；快堆和高温气冷堆；受控热核聚变反应堆的关键技术。

可再生能源和氢能开发利用的科学问题

低价格、高效率、长寿命的光伏发电新技术；生物质能转化的化学生物技术；光热利用新技术(发电、制冷等)。);氢能大规模制备、储存、运输和利用技术。

能源环境技术

能源转化利用中的有害元素控制和无污染定向转化技术；城市垃圾的无污染和资源化利用技术；回收CO2的能源与环境系统探讨:燃煤生态工程、煤基制氢和氢能利用系统。

农村能源技术

沼气技术；生物质气化、液体燃料、发电技术；生物质加工技术。

措施和建议

一是能源环保立法、价格政策、倾斜政策。

二、对能源科技给予大力支持(不是具体的生产项目)，由国家和行业共同支持。科教部门特别支持。

三、对远有效的方向，如先进概念的发电系统、太阳能、核能要重视并布局研发工作。

第四，培养基础扎实、知识面广、解决问题能力强的能源科学青年人才。

第五，加大能源科技研发投入:中国能源研发；d资金占国家r&的比例；d占总资金比例比世界发达国家低一个数量级。能源研究与开发。低投资导致中国的科技自主研发

参考资料:

环境与能源科学导论作者:刘出版社:科学出版社；版本1

能源科学导论作者:黄出版社:中国电力出版社

《2011-2020年中国能源科学发展战略报告》(第四稿)中国科学院。

能源科学发展战略研究吴中国科学院院士