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能源和能源计量器具与能源单位
发布时间:2009/10/11  阅读次数:11609  字体大小: 【】 【】【
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能源的定义及分类

  能源是自然界中能够直接或通过转换提供某种形式能量的物质资源,它包含在一定条件下能够提供某种形式的能的物质或物质的运动,也指可以从其获得热、光或动力等形式的能的资源,如燃料、流水、阳光和风等。为了了解能源的特点和相互关系,便于研究和有效地开发利用,通常将能源按不同的方式分类。常见的能源分类方式有以下7种。

  一、按能源的形态、特性或转换和利用的层次进行分类

  这种分类方式是世界能源委员会推荐的能源分类方式。

  1.化石燃料

  化石燃料又称矿物燃料,包括固体、液体和气体燃料。它们分别是古代植物和低等动物的遗体在缺氧条件下,经高温高压作用,经漫长的地质年代演变而成。固体燃料主要指可以或已经从天然矿物中开采出来的可作为能源使用的各种固体原材料,包括泥炭、褐煤、无烟煤、天然焦、煤矸石、炭沥青、油页岩等;液体燃料是贮存在地下储集层中,通过地面分离设施后在常温常压下仍保持液态的各种烃类混合物,包括石油、油层凝析液,以及由焦油砂、天然沥青和油页岩生产的液态烃;气体燃料统称天然气,是指地表下岩石储集层中自然贮存的以碳氢化合物为主体的气体混合物。

  地下蕴藏的化石燃料主要包括煤、石油、天然气、焦油砂和页岩油。据估计,经过多年开采,剩下的储量已非常有限,而且是以煤为主。化石燃料既可通过燃烧提供热量,又可作为极其宝贵的化工原料加工提炼出诸如化学纤维、塑料、尼龙、橡胶、化肥等化工产品。而以化石燃料为主体的能源系统造成了严重的全球环境问题,因而未来世界能源结构将逐步转向以可再生能源为基础的持续发展的能源体系,化石燃料将更多地作为化工原料发挥作用。

  2.水能

  水能也称水力,是天然水流能量的总称,通常专指陆地上江河湖泊中的水流能量。自然界的水因受重力作用而具有位能,因不断流动而具有动能。水流能量的大小取决于流量和落差这两个因素。水能属于再生能源,价廉、清洁,可用于发电或直接驱动机械做功,是可再生能源中利用历史最长,技术最成熟,应用最经济也最广泛的能源。据估计,全世界水力资

  源理论蕴藏量为350000×108kwh/a,技术可开发量约为150000×108kwh/a,经济可开发量约为93500×108kwh/a,目前,已开发利用的水力资源约为技术可开发量的14%。中国水能资源十分丰富,理论蕴藏量达59200×108kwh/a,技术可开发量约为19200×108kwh/a,经济可开发量约为12600×108kwh/a,居世界第一位,但目前利用程度不高,已开发利用的储量约占可开发储量的14%。在电力生产中,水电比重较低,且呈下降趋势。随着国民经济高速发展,我国能源和电力的供需矛盾越来越突出,从我国能源资源状况来看,应确立优先开发水电的战略思想,扭转水电发展长期落后的局面,使我国丰富的水力资源真正成为发展经济的动力。

  3.核能

  核能包括重核的裂变能和轻核的聚变能。重核的裂变能是指铀、钚等重元素的原子核发生链式裂变核反应时释放出的巨大能量。核裂变能能量密度高,一个铀原子核裂变时释放出的能量约是一个碳原子氧化时放出能量的5×107倍,即1kg 235U裂变时释放出的能量相当于2500t(标准煤);对大气污染小、燃料运输量小、发电综合成本低且开发技术成熟,目前,已大量应用于工业能源生产。核裂变能主要用于发电和供热,由于核裂变能的上述优越性,核电事业有较大发展,但由于自然界中所含的核原料有限,并且核裂变产生的放射性废物会构成对环境污染的威胁,并可能引起核扩散,因此核裂变能并非理想的长期能源。

  轻核的聚变能是指两个轻原子核聚合成一个较重原子核所释放出来的能量。常用的核聚变燃料是氘和氚。核聚变能具有较核裂变能更高的能量密度,单位质量的氘聚变时放出的能量约为单位质量的235U裂变时放出能量的4倍,lL海水中的氘发生聚变反应放出的能量相当于300L汽油完全燃烧时放出的能量,地球表面海水储量约为1018t,即使考虑能源消耗水平的逐年增加,地球上的氘也足够使用1000亿年以上。此外,核聚变能还是一种较核裂变能更清洁、更安全的能源,这主要是因为核聚变反应物基本没有放射性,反应产物适当处理后对环境没有严重的污染问题,反应过程中一旦出现问题,反应会自动地迅速停止。轻核聚变能是一种非常理想的可供人类长期使用的潜在能源,受控热核聚变是当前科学界正积极研究的一项重大课题,它的成功将为人类找到一条有效的长期稳定的能源供应途径。

  4.电能

  电能,又称电力,是以电磁场为载体,以光速传播的一种优质能源。目前主要由一次能源通过电磁感应转换而成,也可通过燃料电池由气、煤气、天然气、甲醇等燃料的化学能直接转换而成,或利用光伏效应由太阳能直接转换而成。目前世界上主要发电形式为火力发电,水力发电和核能发电。重点研究的新的发电方式有磁流体发电、热电子发电、电气体发电、燃料电池等。电能有各种形式,如直流电能、交流工频电能、高频电能等。由于电能来源广泛,可以方便地由各种一次能源转换而来,又可方便地转换为机械能、热能、光能、磁能和化学能等其他能量形式以满足社会生产和生活的种种需要,还可方便、经济、高效地大规模远距离传输和分配,且在生产、传送、使用过程中易于调控,在使用过程上没有污染,已成为人类社会迄今应用最广泛,使用最方便,最清洁的一种二次能源。电力的开发及其广泛应用是继蒸汽机发明之后,近代史上第二次技术革命的核心内容。20世纪70年代兴起的新技术革命中,电的应用则是信息传递与控制的基础。

  5.太阳能

  太阳能是指太阳内部高温核聚变所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射能中,只有20亿分之一到达地球大气高层,其中,30%被大气层反射,23%被大气层吸收,地球表面截获的太阳能的功率为8×1013kW。

  太阳能是一种清洁的,可持久供应的自然能源,资源量非常巨大,被大气层吸收和地球表面截获的太阳能约有相当于12×1013kW的能量,为目前全世界能源消费总量的20000倍。太阳能可转换为热能、机械能、电能、化学能等加以利用,常见的方式有:直接热利用、热发电或通过电池发电等。

  太阳能具有以下两大特点:一是聚集性差,地球表面的太阳辐射功率密度很低,但分布广泛,集中使用要求占用较大面积,特别适宜在广大农村和边远地区分散使用;二是太阳能供应的间断性和不稳定性使太阳能的利用受到季节和气候变化的影响,这就要求太阳能利用装置和系统的设计必须考虑能量的贮存,或与其他能源匹配互补供能,以满足用户的负荷需要。日前,太阳能的利用在许多国家还处于起步阶段,开发与利用技术有待于进一步研究,随着科学技术的不断发展,太阳能将会被列人常规能源。

  6.生物质能

  生物质能来源于生物质,生物质指一切有生命的可以生长的有机物质,包括动物、植物和微生物。动物要以植物为生,而植物则通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内。因此,从根本上说,一切生物质能都来源于太阳能。所有生物质均具有一定的能量,而可作为能源利用的生物质主要包括木材及森林工业废弃物、农作物及其废弃物、水生植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。在人类发展历史中,生物质能为人类提供了基本燃料。目前,生物质能消费量约占世界能源消耗的14%,多应用于生活和工、农业生产。

  生物质能源可以就地开发和利用,是可再生的廉价能源。其优点是使用方便,含硫量低,灰分少,易燃烧,并可进行多种转化,但缺点是容重小、体积大,贮运不便,传统的直接燃烧利用方式热效率极低。为了提高利用效率和方便运送、贮存和多功能使用,可采用热转换法,如干馏、热解,获得燃料油和可燃气体,或在厌氧环境下,经微生物分解产生沼气。淀粉、谷物之类的生物质可在霉菌和酵母菌的作用下发酵产生酒精。

  目前地球上绿色植物的光合作用效率还比较低,利用植物生产生物质能的潜力还很大,进行能源种植和开发植物能源都是行之有效的办法。能源种植就是通过光合作用,直接把太阳能的光能转化为像石油那样的烃,如1978年,美国科学家卡尔文培育出好几种能提取液体燃料的植物,并因此获得诺贝尔奖,这类被人们称作“石油草”的植物,割开表皮就会源源流出一种可直接用作汽车燃料的白色含烃乳状液。可直接生产“燃料油”的植物也被大量发现,如巴西科学家在亚马逊河热带丛林里发现的一种名为“苦配巴”的石油树,其汁液不需加工即可用来发动柴油机,6个月后还可再次采油。

  7.风能

  风能是由于太阳辐射造成地球各部分受热不均匀,引起大气层中的压力不平衡而使空气运动形成风所携带的能量,它是太阳能的一种转化形式。风能是一种可再生的清洁能源,储量大、分布广,但能量密度低,并且不稳定,是一种间歇性的自然能。只有当地面以上20~30m高度处约平均风速达到5m/s时,风能才值得较大规模地利用。风能主要用于发电、提水、制热和航运。风力发电目前已用于充电、照明、无线电通讯、卫星地面站电源、灯塔电源及海水淡化等。在美国加利福尼亚州,风力发电已获得大规模商业应用,据初步估计,中国的风能资源蕴藏量约相当于10×108kW,有可能利用的约占10%,相当于1×108kW左右。为缓解中国能源短缺的状况,应加强风能的开发利用,尤其应在边远、偏僻地区以及海岛。草原上加快开展风能的利用工作。

  8.海洋能

  海洋能是指蕴藏在海洋中的可再生能源,包括潮汐能、波浪能、潮流能(海流能)。海洋温差能和海水盐度差能等。其中前3种是机械能,海洋温差能是热能,海水盐度差能是渗透压能。潮汐能和潮流能主要来源于月球的引力,其它都是直接或间接来源于太阳的辐射能。海洋是巨大的能源宝库,海洋能的特点是能量密度低。总蕴藏量大,能在同一地点进行综合利用。由于海洋能的存在形式不同,在技术上转换的方法也不同。虽然早在10世纪以前人们就开始利用海洋能,如潮汐能磨坊和潮汐能提水,但除潮汐能发电和小型波浪能发电外,多数海洋能利用技术尚处于研究试验阶段,科学地开发利用海洋能是现代技术所要解决的重要课题。

  9.地热能

  地热能是贮存于地球内部的岩石和流体中的热能。它是驱动地球内部一切热过程的动力源。地球基岩的热能通过热传导进入大气和海洋,火山或活动地热田的热能则通过对流进入周围环境。地热能包括天然蒸汽、热水、热卤水等,以及由上述产物带出的与流体相伴中的副产品,按地热能的性质和贮存状态可分为两类:一类是水热型,包括蒸汽型、水热型、地压型;另一类是热岩型,包括干热岩型和岩浆型。地热蒸汽和地热水已在开发利用,前者品位高,资源少,后者品位虽低,但量大面广。干热岩和地压水的利用目前处于试验研究阶段,熔岩的利用则处于基础研究阶段,近期内不可能有实用价值。地热能属于不可再生的一次能源,具有以下特点:一是资源极为丰富。二是受地理位置、地质条件等因素的影响很大,在各国、各地区呈离散型分布。三是除用以发电外,还可综合利用,如地热水可用于供暖、农田灌溉以及金属回收等。四是由于某些技术上的原因,至今尚不能廉价获取。目前,由于先进科学技术的引进和能源需求倍增,地热作为新能源利用的形式已越来越广泛,并从自发利用转变成有计划地利用,充分利用地热能已成为新能源开发的一个重要领域。

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