第四章 能源科学技术
主要内容
第1节 概述
第2节 太阳能及其利用
第3节 原子核能及其利用
第4节 水力发电和风能的利用
第5节 氢能
第6节 地热能及其利用
第7节 新发电方式
第8节 生物质能及其利用
第9节 节能
第1节 概述
一、能源的概念
能源是指能够提供某种形式能量的资源。
它包括提供某种形式能量的物质资源和提
供某种能量的物质运动形式。
燃料、风力、水力、太阳能等能源
二、能源的发展
能源的发展：
火和自然动力；
化石燃料；
电能的使用；
新兴能源的开发。
能源研究发展趋势：
改进耗能技术，提高能源效率；
开发新兴能源（清洁，可再生）；
分散研究到综合研究。
三、能源的分类
世界上能源种类很多，分类方法也不少。可以按不同的目
的和开发利用要求，进行多种方式的分类。
1. 按能源的生成方式，可以分为一次能源和二次能源。
2. 按能源的形成和再生性，可以分为可再生能源和非再生
能源。
3. 按能源的来源，可以分为来自地球外部天体的能源，来
自地球内部的能源及来自地球和其它天体相互作用而产生
的能量。
4. 按能源的储存状况，可分为含能体能源和过程性能源。
5. 按能源的利用状况，可以分为常规能源和新能源。
四、能源与环境
使用最多的能源是化石燃料
“温室效应”：二氧化碳、甲烷等气体
“煤烟型”污染：硫的氧化物和颗粒粉尘
节约能源的必要性：技术原因（新能源技术不
成熟,不能广泛使用）；能够减轻污染
改变能源结构，发展清洁可再生能源。
思考题：试论述能源与环境的关系？
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五、能源科学技术
能源科学技术是研究各种能源的开发、生
产、转换、传输、分配、贮存、节能以及
综合利用等方面的理论和技术。
第2节 太阳能及其利用
地球上除地热能、核能外其它能源都来源于
太阳能；
优点：普遍、无害、长久、巨大；
缺点：不稳定、不集中、不易保存。
一、太阳和太阳能
二、太阳能的光热转换
太阳能的光热转换是将太阳的辐射能直接转
换为热能，实现这个目的器件叫集热器。
太阳能房屋集热器
三、太阳能的光电转换
太阳能的光电转换是把太阳的辐射能转化成电
能的过程，通常叫做“光生伏打效应”。
四、太阳能的光化学转换
太阳能的光化学转换是将太阳的辐射能转化
为化学能，实现这个目的主要有两种方法：
植物的光合作用和分解水制氢。
第3节 原子核能及其利用
来自原子核内部的能量，我们就叫原子核能—
—俗称核能。核能是原子核结构发生变化时放
出的能量。
一般指重原子核发生裂变和轻原子核发生聚变
时所放出的巨大能量。
一、重核的裂变
1. 重核裂变
2. 链式反应
3. 临界质量
(1) 原子弹
1945年7月16日第一
颗原子弹试爆成功
1964年10月16日我
国原子弹试爆成功
一、重核的裂变
4. 重核裂变的应用
4. 重核裂变的应用
(2) 核电站
主要组成部分:
堆芯;中子反射层
;冷却系统;控制
系统;保护层。
1979年美国三
里岛事故、1986
前苏联切尔诺贝
利事故
一、重核的裂变
1991年，我国第一座核电站——秦山核电站发电试验成功
氘-氚聚变 氢原子最容易实现的聚变
反应是其同位素氘与氚的聚变。氘
和氚聚变后，2个原子核结合成1个
氦原子核，并放出1个中子和兆
电子伏特能量。
每1升海水中含30毫克氘，
30毫克氘聚变产生的能量
相当于300升汽油。
二、轻核的聚变
两个或两个以上的较轻原子核,在超高温等特定条件下聚
合成一个较重的原子核并释放出巨大的能量.又叫热核反应。
各国从原子弹爆炸到氢弹实验所用时间
法国：8年；美国：7年；苏联：10年；中国：2年8个月
1964年10月16日中国爆炸了第一颗原子弹；1967年6月
17日，在我国西部地区成功地爆炸了第一颗氢弹。
磁约束装置---托卡马克装置(Tokamak)
托卡马克装置 托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩
写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”
，像一个中空的面包圈，可用来约束电离子的等离子体。
通过磁力线的作用，氢的同位素等离子体被约束在这个
“容器”中运行，发生高密度的碰撞，也就是聚变反应。
第4节 水力发电和风能的利用
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1990年我国化石燃料和水电能源消耗构成示意图
无论是煤炭、石油还是天然气，作为不可再生的天然的
化石能源，其资源总量是有限的。据测算，以目前的开采速
率，这三种天然一次能源的供应，石油还能维持约40年，天
然气(常规)约65年，煤炭250～300年。
一、水力发电
原理：上游水的重力势能转化为
水流的动能，水流通过水轮机时将
动能传递给水轮机，水轮机带动发
电机转动将动能转化为电能。
二、水力发电
水力发电的特点
可再生性
可调节性
洁净性
综合利用
对经济发展的带动作用
工程投资大、建设周期长
对生态的作用目前还存在争议
三
峡
水
库
风能是地球表面大量空气运动产生的动能。是
一种可再生能源。
二、风能的利用
各式各样的风车
风车是将不
规则变化的空气流
动所具有的风能变
为有规则运动的机
械旋转的动能的装
置。
风力发电的原理
最简单的风力发电机
可由叶轮和发电机两部分
构成。
空气流动的动能作用
在叶轮上，将动能转换成
机械能, 从而推动叶轮旋
转。
如果将叶轮的转轴与
发电机的转轴相连，就会
带动发电机发出电来。
现代风机增加了齿轮
箱、偏航系统、液压系统、
刹车系统和控制系统等。
长岛县海上30万千瓦风电场建设项目
第5节 氢能
点火温度低，可发电或动力燃料
一、氢的特点：轻、多、高、清洁能源；
二、氢的制备：硫化氢制氢、太阳能制氢；
三、氢的贮存：液氢、吸氢合金；
四、氢能的利用 ：宇航器、化石燃料替代品。
化石燃料与
水蒸气反应
化石燃料
部分氧化
生物质气
化
氢能
的
产生
水
氢能
的
利用
核能
光、电分解 用于燃料电池释放电能
燃烧
放热
硫化氢制
氢
第5节 氢能
第6节 地热能及其利用
一、地热能：地球内部所蕴藏的热能。地下蒸汽(干
蒸汽,湿蒸汽)；热水层；热岩层
二、地热的利用：发电、供暖、养殖、工业补水等
第7节 新发电方式
热能直接转换成
电能，原理是用
高温导电流体高
速通过磁场切割
磁力线。
一、磁流体发电
第7节 新发电方式
二、燃料电池化学能直接转变成电能
第8节 生物质能及其利用
一、植物的光合作用
二、能源植物
生物质能的利用方式
1、直接燃烧
2、生物化学转换
3、热化学转换
1、直接燃烧
注释:用纤维素（C6H10O5）n代表植物枝叶的主要成分
（C6H10O5)n +6n O2 6n CO2 +5n H2O
点燃
缺点:
（1）生物质燃烧过程
的生物质能的净转化
效率在20－40％之间。
（2）产生环境污染。
2、生物化学转换
沼气：利用植物的秸杆、枝叶、杂草等制取沼气
生物质转化为液体燃料：
用含糖类、淀粉（C6H10O5）n较多的农作物（如玉
米、高粱）为原料，制取乙醇。
（C6H10O5)n +
nH2O
nC6H12O6
催化剂
C6H12O6 2C2H5OH+2CO2↑
催化剂
2、生物化学转换
乙醇汽油的优点
乙醇汽油是用90%的普通
汽油与10%的燃料乙醇调和而
成。首先，乙醇汽油增加汽
油中的含氧量，使燃烧更充
分，有效地降低了尾气中有
害物质的排放；第二，有效
提高汽油的标号，使发动机
运行更平稳；第三，可有效
消除火花塞、气门、活塞顶
部及排气管、消声器部位的
积炭，可以延长主要部件的
使用寿命。
3、热化学转换
复杂的化学反应
生物质 可燃性气体
是指提高能源效率
与煤炭、油气、水力、核能并举以解决
能源的根本途径，又称第五能源
重要性：减轻能源和环境压力
第9节 节能
1996年 煤炭法
1996年 矿产资源法
1998年 节约能源法
2003年 清洁生产促进法
2005年 可再生能源法
有关法律
