第一节能源概况
1．生存之本——能源连着你我他
在我们生活的这个物产丰富、异彩纷呈的地球上，能源时时刻刻都在伴随着人类的活动。人类的生存离不开能源，而我们的日常生活更需要能量。我们每天吃饭，是为了补充体能；天冷了，要穿上保暖的衣服，是为了保存体温，不让能量外泄。我们看电视、上网、使用手机，都需要电来提供能量；汽车在路上行驶，需要汽油来提供能量。这些能量来源于哪里呢？它们背后隐藏着什么样的秘密呢？让我们一起走近能量，去透视神奇的能源世界。
在人类社会生活中，物质、能量和信息是构成社会环境的基本要素。能源就是能量的源泉，它是人类活动的物质基础。从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质的能源和再生循环能源技术的使用。
自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家战略的高度，各国和地区都纷纷制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等好处的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战。能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。
当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。
2.大同小异——能源的含义
“能源”这一术语，过去人们谈论得很少，正是两次石油危机的发生使它成了人们议论的热点。能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。那么，究竟什么是“能源”呢？关于能源的定义，目前约有二十种，我们先看看百科全书上是如何定义能源的。
《科学技术百科全书》对能源定义为：能源是可从其中获得热、光和动力之类能量的资源。《大英百科全书》说：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。《日本大百科全书》解释能源是：在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来做功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源。我国的《能源百科全书》对能源的阐释为：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。
由此可知，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。
从宏观的角度来解释，能源也称能量资源或能源资源，是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可做功的物质的统称。是指能够直接取得或者通过加工，或通过转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源以及其他新能源和可再生能源。
3.疏影横斜——能源的分类
古诗云：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”能源的种类繁多，经过人类不断地开发与研究，更多新型能源已经开始能够满足人类需求。根据不同的划分方式，能源可以划分为有不同的类型。
（1）按能源的来源划分，它可分为三种类型
①来自地球外部天体的能源
太阳能
太阳能除直接辐射外，还能为风能、水能、生物质能和矿物能源等的产生提供基础。人类所需的能量绝大部分都直接或间接地来自太阳。
生物质能
生物质能是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内储存起来的能源。
化石燃料
煤炭、石油、天然气等能源也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。
此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。
②地球本身蕴藏的能量
地球本身蕴藏着能量，这种能量存在于地球内部，它和热能、原子核反应有关，如原子核能、地热能等。
温泉是地热的表现，火山喷发出来的岩浆也是地热的表现。地球是个大热库，可分为地壳、地幔和地核三层。地壳就是地球表面的一层，它很薄，最厚不过70千米。地壳下面是地幔，它的大部分是熔融状的岩浆，厚度约为2900千米。地面上的火山爆发就是因为这部分岩浆冲开地壳，喷射而出。地球内部为地核，地核中心温度为2000℃。这些数据表明，地球的地热资源储量是很丰富的。
③地球和其他天体相互作用而产生的能量
如潮汐能。因为月球的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降。海水涨落或海水流动所产生的能量就是潮汐能。潮汐能蕴藏着巨大的能量。
（2）按能源的基本形态分，能源可分为一次能源和二次能源
①一次能源
一次能源即天然能源，自然界中以天然形式存在的能源，它是没有经过加工或转换的能量资源。
一次能源包括可再生能源和不可再生能源。可再生的能源有水力资源、风能、生物质能等；不可再生能源有煤炭、石油、天然气，它们都是化石燃料资源。
水、石油和天然气三种能源是一次能源的核心，它们是全球能源的基础。
太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内。
②二次能源
二次能源是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，如电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等都属于二次能源。
（3）按能源性质分，能源可分为燃料型能源和非燃料型能源
①燃料型能源：包括煤炭、石油、天然气、泥炭、木材。在遥远的古代，人类开始学会用火的时候就用燃料做能源了。最早被使用的燃料是木材，随后人类慢慢学会使用其他各种化石燃料，如煤炭、石油、天然气、泥炭等。今天人类正研究利用太阳能、地热能、风能、潮汐能等新能源。目前化石燃料消耗量很大，地球上化石燃料的储量很有限，它正在大量地被消耗。未来人类只有找其他能源来代替才能缓解能源的不足，为了解决这个问题，只能寄希望于核聚变技术的突破。
②非燃料型能源：水能、风能、地热能、海洋能。
（4）按能源环境的影响分，能源可分为污染型能源和清洁型能源
①污染型能源：煤炭、石油。
②清洁型能源：水力、电力、太阳能、风能以及核能。
（5）常规能源和新型能源
①常规能源：水力资源、煤炭、石油、天然气。
②新型能源：太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及用于核能发电的核燃料。
新型能源是相对于常规能源而言的。新能源资源丰富，分布广阔，将是未来的主要能源之一。新能源大多数是再生能源，但是它也有许多缺点：它的能量密度较小，或品位较低，有间歇性；按照已有的技术条件，它转换利用的经济性较差，目前还处于研究、发展阶段，只能因地制宜地开发和利用。
在国际上，世界能源委员会推荐的能源类型分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。
化石燃料或化石能源：固体燃料、液体燃料、气体燃料。
第二节宇宙核能——太阳能
1.万物之能——太阳能
在众多的能源中，和人类关系最密切的首推太阳能。一般来说，太阳能是指太阳给我们带来的光能和热能。从广义上说，水能、风能、生物质能、化石燃料能源都是太阳能的另一种表现形式。
太阳能，一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持几十亿年的时间。
从广义上说，太阳能可以说是地球上许多能量的来源，如地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能，所以广义的太阳能包括的范围非常大。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
太阳能的核反应有核裂变和核聚变两种。核裂变能产生巨大的能量，1千克核裂变燃料产生的能量是1千克煤的2700倍。而核聚变产生的能量将更大，1千克核聚变燃料释放的能量是1千克核裂变燃料的4倍。
太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8×1023兆瓦，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为80万亿兆瓦，也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万吨煤释放的热量。平均在大气外每平方米面积每分钟接受的能量大约1367瓦。
所以可想而知，太阳的巨大身体，拥有的核聚变燃料会产生多么巨大的能量。太阳拥有的核燃料要全部燃烧完，需花几十亿年至上百亿年的时间。据科学家估计，太阳的寿命为100亿年。目前，它正处于旺盛的成年期50多亿年。
2.此长彼消——太阳能的优点和缺点
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无须运输，对环境无任何污染；它为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源、减少污染的时代。
太阳能的优点：
（1）普遍性：太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有；太阳的光能和热能可直接开发和利用，且无须开采和运输。
（2）无害性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一。在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。
（3）巨大性：
每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标准煤，总量属现今世界上可以开发的最大能源。
（4）长久性：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
太阳能的缺点：
（1）分散性：太阳光到达地球表面的辐射总量尽管很大，但是能流密度很低。平均来说，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000瓦左右；如果按全年日夜平均计算，则只有200瓦左右；而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。
（2）不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，太阳光到达某一地面的辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。
为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，也就是把晴朗白天的太阳辐射能尽量储存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
（3）效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，效率偏低，成本较高。总体来说，太阳能的经济性还不能与常规能源竞争。在相当长的一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济因素的制约。
3.物尽其能——太阳能的利用
人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在2000多年前的战国时期，就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有光化学反应、被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源利用方式。
我们如何利用好太阳能呢？现在，人们利用太阳能的方法主要是利用能量转化的原理把太阳能转化成我们所需要的能量，方法主要有以下四个方面。
（1）光热利用
光热利用就是将太阳光转换成热能加以利用。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。
（2）太阳能发电
未来太阳能将大规模地用于发电。利用太阳能发电的，目前主要有以下两种：
①光-热-电转换。
即利用太阳光所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一过程为光-热转换，后一过程为热-电转换。
②光-电转换。它的基本原理是利用光电效应将太阳光能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。
（3）光化利用
这是一种利用太阳辐射能直接分解水，制造氢气的光－－化学转换方式。这种方法常用做海水淡化。
（4）光生物利用
利用植物的光合作用，将太阳能转换成为生物质能。目前主要通过大量种植速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻，来把太阳能转化为生物能。