能源的一般特性

8.1.2　能源的一般特性

能源资源除具有自然资源的一些共同特性外，还具有其本身的一些特点。

1）能源的多样性

地球上的能源主要有六种形式:①辐射能（直接太阳辐射）；②运动能（水力、潮汐、风力、波浪等）；③生物能（木材、油脂等）；④化学能（煤、石油、天然气等）；⑤原子能（铀、钍、锂等）；⑥传导能（地热、温泉、地下热水等）。

地球上最主要的能源是太阳能。被地球截获的太阳能开动着地球表面上的大气“热机”，驱动着广阔大洋中的海水流，哺育着地球上的一切生命，并被储存和转化成地下的化石燃料。每天到达地球的太阳能大约相当于5千亿t煤的能量。被植物接受（照射到植物表面）的1%的太阳能中，50%被反射掉，另外50%当中又有90%以上用于蒸腾，只有4%用于光合作用。也就是说，到达地球表面的太阳能只有0.02%用于光合作用。而在光合作用产生的能量中，50%用于植物本身的吸收，只有50%被积累下来，即只有达到地表的0.01%的太阳能被存储在有机体内。被动物食用的植物有机体大约只占植物总量的1%。

2）能源的转化性

人类使用最方便的能源是次生能源——电力，许多原子能也都被转化为次生能源。最常规的化石燃料转化成最常用的电力往往必须经过从燃料到热、从热到机械能、从机械能到电力这三个步骤。

（1）从燃料到热

作为能源使用的化石燃料都要经过燃烧而转化为热。热可以直接利用，也可以通过热机转化为机械能，再通过发电机进一步转化为电能，然后输出供用户使用。世界上通过热这个环节而被利用的能源占90%左右。

燃料中的化学能在炉内转化为有效能的程度称为第一效率，即炉子的效率。

各种炉子的第一效率为:电站锅炉90%～94%，工业炉50%～70%，家用煤气50%，家用煤炭炉10%～20%。一般说来，炉子越小效率越低，相对来说，污染也越严重。

（2）从热到机械能

把热转化为机械能比燃料的化学能转化为热要复杂得多。煤或其他燃料在炉中燃烧后产生高温，把热传给锅内的水使其变成具有一定温度和压力的蒸汽，蒸汽进入汽缸，在膨胀过程中推动活塞，经过连杆转动曲轴输出机械功。

按照热力学第二定律，热机不可能将热源传给工作介质（水或蒸汽）的热Q₁全部转化为机械功W，必有一部分热量Q₂传给冷源，热机的输出功率只有W＝Q₁－Q₂。热机将热量转化为机械能的程度叫热效率。

由上式可知，Q₂越小，热效率η越高。或者说，做功以前的蒸汽温度T₁越高，做功以后的蒸汽温度T₂越低，则热效率越高，即热量转化为机械功的部分越大。

（3）从机械能到电力

燃气轮机是目前大型火力发电厂及工业动力、大型船舰的主要动力装置，它把往复式活塞结构改为旋转式叶轮机械，热效率比蒸汽机要高。燃气轮机是用油、气做燃料同高压空气混合在一起燃烧，产生高温燃气直接进入汽轮机做功；燃气温度T可达1 000K以上，排气温度则在400～600K之间。为充分利用余热，还可将排气引入回热器，利用它来预热进入燃烧室的压缩空气或将排气引入余热锅炉来加热产生水蒸气，再通过汽轮机做功。

在燃烧化石燃料发电过程中，发出的电能与燃料的潜能（即热值）之比就是整个火力发电装置的实际效率X＝E/P。X为发电效率，E为获得的电能，P为燃料所含的潜能。平均来说X＝30%，即70%在燃烧过程中变成了余热散失到环境中，而这些余热很难再加以利用，因为它们的温度不比环境温度高多少。这70%的损耗包括两部分:一部分是由于利用技术不完善造成的浪费；另一部分是任何完善技术也无可避免的、遵照热力学第二定律必须交纳的“过境税”。锅炉或热装置的效率是第一效率，整个发电过程的效率则是第二效率。第一效率与第二效率之差越大，说明发电装置的改进潜力就越大。

3）地域分布的不均一性

地球上任何一种能源都有一定的地域分布，而这种分布又受各种地带性和非地带性因素的影响和制约，因此，能源资源有明显的地区性差异。如太阳能的大小决定于纬度、海拔高度和云量的多少，我国太阳能年总量分布的高值和低值中心都处于北纬22°～35°之间，青藏高原海拔高云量少是一个高值中心，四川盆地云量多是全国低值中心。又如石油资源的分布受非地带性因素的制约，分布在世界各地的含油沉积盆地内，沉积岩的面积、体积和有机物的丰富程度，以及运移、储存石油的地质条件决定了石油资源的多少。能源分布的不平衡在一定程度上影响到一个国家生产力的布局和经济的发展。

4）双重性

各种能源既有它的优势也有它的缺点或不足之处，能源利用的正效果是促使经济发展，负效果是污染环境。即一方面是能源资源，另一方面又是污染来源，具有双重性的特点，因而使能源问题复杂化。有的能源开发利用时可能对环境造成一定程度的危害，有的能源则不会造成对环境的危害。目前，全世界利用的能源中90%是化石燃料，这种被广泛利用的能源一方面通过开动各式各样的机器促进社会经济的发展，给人类带来福利，另一方面通过在能源利用过程中产生的废物对自然环境造成污染，也给人类带来危害。如煤炭资源的优点是储量大，开采量尚可不断增加；不足之处是当煤炭需要量不断增加时，采煤费用急剧上升，对环境造成严重污染，同时对煤矿工人也有一定的危险性。石油资源的优点是适合于生产各种形式的能源，加工也较容易，但石油储量日益枯竭，按目前储量估计只够再用40～50年，分布又极不均匀，只埋藏于少数国家和地区；油轮损坏、漏泄及烧油等都会造成环境污染，破坏生态平衡。水能资源的优点是不会污染环境，在一定条件下还可以改善环境，缺点是局限性较大，只限于少数地区；水利工程的建设会带来移民等一系列问题，水坝的破裂将会发生大的水灾等。太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，不会造成环境污染；但需要强烈而足够的日照及巨大的收集太阳能的面积，价格昂贵，能源输送过程中损失巨大等。因此，要根据各种能源资源的特点，充分发挥其优点，克服不足之处。

5）能源品质的差异

能源的品质，主要是看单位重量燃料全部转化成热量时其焦耳数是多少。根据形式和种类可将能源归纳为储存式能源和流动式能源，前者包括化石燃料、核燃料和生物燃料，后者包括太阳能、水能、风能、海洋能和地热能。储存式的化石燃料和生物燃料大都通过燃烧转化为热，因此可用热值来评价其品质。原煤的热值约为21 000kJ/kg，石油的热值约为42 000kJ/kg，可见，石油的品质比煤要高出一倍。不同煤的含碳量和热值也不一样，无烟煤最高，其次为烟煤，再次为褐煤。流动式能源的品质主要是看其能流密度即一定空间或面积内从某种能源那里所能接收到的能量，或者这种能全部转化成为电力时每平方米受能面积上的功率有多大（瓦数是多少）。太阳能和风能的能流密度很小，每平方米100W左右，水力的能流密度大些，核能的能流密度最大。

评价能源品质，有一个能源转化效率问题。凡是能得到较高燃气初温、热效率较高的能源可称为高品位能源，否则就是低品位能源。凡是能够直接转变成为机械能或电能的能源（如水力），其实际效率（第二效率）或者说品位就比必须先经过热这个环节的能源（如化石燃料）高一些。应该根据品位（初温）的高低适当选择热机，合理利用能源。例如，地热的初温大多在200～300℃以下，是低品位能源，用于发电不可能有高的热效率，但用于供应热水或取暖又有些可惜。

评价能源的品质高低还涉及能源的某些物理特性、地理特性或技术特性。人们希望能源能够按照需求或大或小、或快或慢、连续不断地供应能量，这就要求储存能源，满足供应的连续性，即不用时可以储存起来，用时可以立即发生能量。太阳能和风力较难储存，供应也很不稳定，而化石燃料和核燃料则较易储存，也容易做到连续供能。由于用户往往不在能源产地附近，要实现能源的连续性，还必须考虑能源的运输难度。因此，能源的地理分布也必然影响到它的实用价值的高低。例如，靠近工业发达而能源又较为稀缺地区的两淮煤矿的实用价值就比远离消费市场的山西煤矿要高些。能源的品质高低还取决于开发和利用它的设备费用的高低。能源密度小的太阳能和低品位的地热能，如果用于小规模的供热，其设备费用不算太高，如用于发电，其设备费用就很昂贵，约为每千瓦几千元到上万元；而火力发电和水力发电的设备费用就较便宜，每千瓦约为几百元到一千元。随着科学技术水平的发展和交通状况的改善，取决于物理特性、地理特性和技术特性的能源品质也会发生相应的变化。

目前，评价能源品质时，特别强调能源的可再生性和非再生性以及它们的环境效应（污染程度）。属于非再生能源的核燃料和化石燃料对环境的危害性和污染程度比较大，属于可再生能源的生物燃料、太阳能、风能、水能、地热能和海洋能对环境的污染比较小，太阳能、风能、水能和地热能基本上是没有污染的能源。营造薪炭林，建设沼气池，合理利用生物能源，还可以改善环境，增加肥料，促进农业生产。