第10章--新材料与新能源技术

第十章新材料与新能源技术

【内容提要】

材料和能源是人类赖以生存的重要资源，是人类社会发展进步的动力。常规能源已不再能满足世界经济发展的需求，新能源的开发利用是解决这一问题的有效途径，而这些问题很多要靠材料的进步来解决。本章将对金属材料、无机非金属材料、先进陶瓷材料、高分子材料、复合材料、信息材料、超导材料、阻燃材料和发光材料等新型材料加以介绍，同时也介绍核能、太阳能、风能、地热、生物能和海洋能储氢和核能等的简单利用。

【阅读拓展】

新能源--月球能源

月球上可利用的能源主要有太阳能和核聚变燃料。由于月球表面没有大气，太阳辐射长驱直入，因此在月球月表太阳能辐射强烈，有丰富的太阳能；可沿月球纬度相差180度的位置分别建立太阳能发电厂，并采用并联式连接，就可以获得极其丰富而稳定的太阳能，这不但解决了未来月球基地的能源供应问题，还可以用微波将能量传输到地球，为地球提供新的能源。

月球没有大气层，太阳风粒子可以直接注入月球表面，太阳风粒子的长期注入使月壤富含稀有气体。在太阳风注入的稀有气体中含有氦-3，氦-3可以与氘进行核聚变反应，并释放出巨大的能量。用氦-3进行核聚变反应具有比用氚作燃料有更多的优点，主要表现在：（1）在氘-氚核聚变反应过程中，伴随核聚变能的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子将对核反应装置产生广泛的放射性损伤；相反，若用氦-3作为反应物，则主要产生高能质子而不是中子，质子的穿透性远远低于中子，因此防护设备简单得多，而且对环境保护更为有利；（2）氚本身具有放射性,而氦-3没有放射性。

月壤中氦-3的资源量为未来人类开发利用月球能源提供了一种可能的途径。以美国“阿波罗”登月飞船和苏联的“月球号”自动取样探测器采回的月球样品进行试验分析，并以实测分析结果为参考标准计算，月壤中氦-3的资源总量可达100

万—500万吨，而地球上可提取的氦-3只有15至20 吨。若能实现商业化利用，月壤中的氦-3可供地球能源需求达数万年。因此，开发月壤中丰富的氦-3资源，对人类未来能源的可持续发展具有重要而深远的意义。

第一节性能优异的新材料

一、材料概念

材料是可用于制造有用物品的物质，是人类生存和发展的物质基础。人类利用材料的历史，几乎和人类文明史一样悠久。材料的发展推动着人类的文明，是人类社会进步的重要标志。纵观人类发展历史，每一次重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个更高水平。

新材料是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料，具有知识和技术密集度高、与新工艺和新技术关系密切的特点，是多种学科相互交叉和渗透的结果。20世纪中叶以来，世界各国对新材料的研究和开发越来越重视，人类历史上出现了一个材料革命的新时代。

新材料按属性可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料四大类。新材料在国防建设上作用重大。例如超纯硅的成功研制，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从以前的每秒几十万次提高到现在的每秒数百亿次以上；能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射的隐身材料，更使敌方探测系统难以发现。

二、材料发展

人类自出现之始就开始了不断地使用和创造材料。人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等。从人类的出现到二十一世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段：

1、使用纯天然材料的初级阶段

远古时代，人类只能使用兽皮、甲骨、羽毛、石块等天然材料，相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料极其有限，都是纯天然的。在远古时代后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面也有了种种技巧，但都仅是纯天然材料的简单加工。

2、利用火制造材料的阶段

这一阶段始于距今约10000年前，并且延续至今。其间以人类的三大人造材料陶、铜和铁为特征。这一阶段人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和简单加工。最初人类用天然的矿土烧制陶器、陶瓷，后来发展制造出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料等等。

3、利用物理与化学原理合成材料的阶段

20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类从物理学

角度出发开始研究材料的物理性质，阐明材料组成、结构及性能间的关系，同时也着手研究材料制备和材料使用的有关工艺性问题。

物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，直接导致材料科学的出现。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续延续下去。

4、材料的复合化阶段

20世纪50年代，金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后出现的玻璃钢、铝塑薄膜以及最近出现的抗菌材料，都是复合材料的典型实例。

这阶段，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计性能独特的材料。现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成1加1等于2，而是要想办法使他们变成3、4乃至更大。

5、材料的智能化阶段

自然界中的材料具有自适应、自诊断和修复的功能，人工材料目前还不能做到这一点。但近半个世纪以来研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能，这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。

尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，严格意义上说，目前研制成功的智能材料还仅是一种智能结构。

近百年以来，材料经历了其发展阶段中的三个阶段，这种发展速度是前所未有的。它的发展呈现出：超纯化--从天然材料到合成材料；、量子化、复合化等特点。下一世纪会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们目前很难预料。

三、新材料技术的基本内容

1、镁及镁合金

由于优良的物理性能和机械加工性能及其丰富的蕴藏量，镁被业界公认为最有前途的轻量化材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。作为实际应用中最轻的金属材料，镁在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。

镁合金材料，以前主要用于航空航天和国防领域。近年来，由于镁合金生产能力和技术水平的提高，生产成本已下降到与铝合金相当的程度，这极大地加快了镁在民用领域的应用。

图11—1镁合金铸件

2、钛及钛合金

钛是上世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有强度高、密度小、耐蚀性能好等特性已广泛用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域各个领域。

第一个实用的钛合金是1954年研制成功的Ti-6Al-4V合金。目前，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。上世纪70年代以后，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。

图11—2钛合金匕首

3、铝及铝合金

铝合金具有密度小、导热性好、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高。目前交通运输业是铝合金材料的第一大用户，随着科技进步和现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车领域的应用更将日益广泛。

图11—3铝合金型材图图11—4记忆金属花

4、形状记忆合金

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到改变前的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。由于记忆合金在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”。

1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线当初是怎么被带到月球上的呢？这就是用了一种形状记忆合金材料。先在其转变温度以上按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登

月舱带上天去。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球。

图11—5 记忆天线

5、陶瓷

(1)、传统陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的总称，我们的祖先早在新石器时代就发明了陶器。常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等，陶瓷原料是地球的黏土经过淬取而成。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。

(2)、精细陶瓷

精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围，是无机非金属材料、传统陶瓷材料的发展。信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料，促使人们研制精细陶瓷，并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的进展。

图11—6传统陶瓷

精细陶瓷大家族中的光导纤维是从高纯度的二氧化硅熔融体中拉出的直径约100 μm的细丝，称为石英玻璃纤维。用石英玻璃纤维传输信息时，光损耗很低，故这种纤维又称为光导纤维。在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以

增强处理，制成像电缆一样的光缆，既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，既可用于传送电话、图像、数据，也可控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。

图11—7光导纤维

（3）纳米陶瓷

精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级，有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的一次重大飞跃。

图11—8纳米陶瓷茶杯

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，从而使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。陶瓷纳米技术解决了陶瓷材料的脆性问题，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为将来代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。

6、高分子材料

高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。由相对分子质量较高的化合物构成，分子量通常大于10000，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂以及高分子基复合材料。

高分子材料按来源分为天然、半合成和合成高分子材料。人类社会一开始就利

用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，部分掌握了其加工技术。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，这标志着人类应用合成高分子材料的开始。现在，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料一起，成为科学技术、经济建设中的重要材料。

7、高分子磁性材料

高分子磁性材料是人类在不断开拓磁与高分子聚合物(合成树脂、橡胶)的新应用领域的同时，赋予磁与高分子的传统应用以新的涵义和内容的材料之一。

图11—9高分子磁性材料司南

早期磁性材料源于天然磁石，后来才逐渐利用磁铁矿烧结或铸造成磁性体。现代工业常用的磁性材料有三种：铁氧体磁铁、稀土类磁铁和铝镍钴合金磁铁。为了克服他们既硬且脆的缺陷，将磁粉混炼于塑料或橡胶中制成的高分子磁性材料就应运而生了。这样制得的复合型高分子磁性材料，比重轻、容易加工成尺寸精度高和复杂形状的制品等，越来越受到人们的关注。

8、光功能高分子材料

光功能高分子材料是指能够对光进行透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。主要包括光导材料、光记录材料、光学用塑料、光转换系统材料、光导电用材料、光合作用材料等。利用高分子材料的光化学反应，可以开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料及粘合剂。

图11—10高分子光导材料

9、高分子复合材料

高分子复合材料是由不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料。其最大优点是博取各种材料之长，如高强度、质轻、耐温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质。根据应用目的，选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料，制成满足需要的复合材料。可分为两大类：高分子结构复合材料和高分子功能复合材料。

图11—11高分子复合材料图11—12碳纳米管复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性而被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料更是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快。世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。

碳纳米管是上个世纪九十年代初发现的一种新型的碳团簇类纤维材料，具有许多特别优秀的性能。我国在碳纳米管已取得很大成就，生产出的碳纳米管成本很低，质量处于世界先进水平。

10、超导材料

1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯用液氦冷却水银时意外地发现，当温度降到零下268.98摄氏度时发现水银的电阻突然完全消失，这种现象科学上称为超导电性。卡茂林的发现引起了世界震动。之后，人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。

随着实用高温超导材料的研究取得重大进展，作为应用超导技术最重要的组成部分高温超导电力技术的实用化已成为现实。2000年7月，中科院电工所开发的6米长高温超导电缆成功通过了1450安培的电流试验，标志着我国已经全面掌握了高温超导电缆的关键技术。

图11—16 超导电缆与传统铜线

11、阻燃材料

火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。2010年2月9日晚，中央电视台新台址工程的重要组成部分—电视文化中心发生火灾，在此次火灾事故中造成了重大损失。火灾的发生除了人为原因之外，另一重要原因是材料的易燃性。为此，人类在克服自身的原因时也在大力研究开发阻燃材料。

阻燃材料是一种保护材料，它是能够阻止燃烧而自己并不容易燃烧的材料。阻燃材料有固体的如水泥、钢材、玻璃等材料；也有液态的阻燃材料。液态阻燃材料也称为阻燃剂，在需防火墙体等各种材料表面涂上阻燃剂，它能保证在起火的时候不被烧着，也不会使燃烧范围加剧、扩大。

图11—17 阻燃材料制品

12、发光材料

随着有机发光二极管的发展，家里的彩电和计算机的显示屏开始变软变薄。但与电影屏幕相比，仍显得十分笨重。先别说远不能用轻薄如纸来形容它们，单单是想把显示器折叠起来就几乎是天方夜谭。然而，随着有机发光材料技术的发展，这种设想马上就要变为现实。

图11—18 发光材料图图11—19 有机发光二极管也许在不久的将来，大型彩电、电脑显示器都可以卷起来塞在房间的某个角落。当塑料地图打开后，已不再是简单的线条，不再是静态的图纸一张，而是活生生的周围实况；而电脑迷彩服能像变色龙一样，随着处所位置的不同，配置与周围环境相适应的图案；将来电脑戴在手腕上或缝在衣服上也不会令人生出奇怪的感觉。

将OLED应用于照明领域。譬如古典的建筑物，既有飞檐，又有圆柱，倘若照明设施能做到取势造型、依形布局，对于保持古建筑的风格尤为重要；家庭居所的灯光可以发自天花板或墙上的壁纸，既节省了空间，又能美化居室环境，可谓两全其美。

第二节新能源及技术

目前，世界上主要还是以化石能源为主要消耗。但是随着社会经济的飞速发展，化石能源已不能满足发展需要。化石能源存在着两大主要问题：一是资源有限，按目前世界能源消耗速度，把地球上所有的化石能源加到一起，也仅够用一百年左右；二是化石燃料燃烧时，不但产生污染空气和水的烟尘和灰渣，而且还大量排放二氧化碳，形成“温室效应”，导致地球气温上升，生态环境恶化。为此，新能源的开发显得尤为重要。

一、能源面临状况

1、能源危机

所谓能源危机，就是指人为造成的能源短缺。这通常涉及到石油或其他自然资源的短缺。现代世界经济，得益于化石能源的开采，是建立在化石能源基础之上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶将迅速地接近枯竭。

图11—20 耗煤的火力发电站

克服能源危机的出路是大力发展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，这不仅是出于生存的需要，也与世界经济的可持续发展相联。

2、能源危机面临的挑战

（1）总需求量增长迅速

2000-2020年，国家规划全国GDP增长4倍，能源消耗增长1倍。但是最近几年，能源需求远大于规划。按世界各国发展的历史规律，能耗迅速增长阶段似不可逾越。这么大的一次能源需求我国是否能够供应，所引起的污染是否有足够的环境容量是我国面临的问题。

（2）液体燃料短缺

我国石油缺口很大，对进口的依赖程度也越来越大。能源安全如何保证？如何加速石油的替代？我国的汽车工业、石化工业如何用创新的发展模式来适应这个形势？这些问题亟需解决，应成为我国走自主创新道路的契机。

（3）环境污染严重

SO2、NOx、PM 2.5 ~10、Hg等污染物80%是由于化石能源的燃烧造成的，尤其是由煤的直接燃烧所产生的。目前我国30%-40%的地区出现酸雨现象，全国大面积出现雾霾，呼吸系统疾病不断增加。摆在我们面前的一个严峻问题是我国对这些污染物“可容忍”的环境

容量究竟有多大？

（4）温室气体减排责任

目前全球每年排放到大气中的CO2多于250亿吨，空气中的CO2浓度在工业化150多年以来已从280ppm增至380ppm，温室气体将给地球带来灾难性的后果。全世界都在采取多种措施减排CO2，我国已于2002年成为“京都议定书”的第37个签约国。作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一定量、甚至大幅度温室气体的减排任务。因而，从现在开始就应该认真考虑CO2如何分阶段减排的有关战略技术和政策问题，否则今后几十年我国将会为此付出巨大的代价。

（5）农村及城镇化能源需求巨大

到目前为止，相当数量的农村没有得到良好的能源服务，他们仍依赖当地的农业废弃物作为主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林作为燃料。此外，我国城镇化率以每年1%的速度在增长，每年有将近1000万人口进入新的城镇，每个城镇居民人均消耗的能源是农村人均的3.5倍。这部分份额巨大的能源供应来自何处？怎样供给广大农村和新建中、小城镇符合中国国情的现代化能源服务？这是我国整体能源战略的重要组成部分。

3、能源危机面临的机遇

面对飞速发展的经济，必须要有一个强有力的能源供应来保证现代化建设。因此我国现阶段能源中存在的问题，要在加快研发低能耗或者无污染的新能源的同时大力节能，减少能源的损耗，合理控制污染能源的使用量，增加绿色能源的使用。加大能源洁净化技术的推广。能源使用要兼顾保护环境，杜绝先污染后治理的政策。适当调整好能源结构，实现结构多元化，加大对风能、地热能、太阳能等新能源的利用。

二、新能源技术和新能源

新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。1980年联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。

我国目前可以形成产业的新能源主要包括水能（主要指小型水电站）、风能、生物质能、太阳能、地热能等。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，受到深入的研究和开发利用。

1、洁净煤技术

采用先进的燃烧和污染处理技术和高效清洁的煤炭利用途径（如煤的气化与液化），减少燃煤的污染物排放，提高煤炭利用率，已成为我国乃至全世界的一项重要的战略性任务。

图11—21现代煤技术

2、太阳能

太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳向宇宙空间辐射能量极大，而地球所接受的只是其中极其微小的一部分。因地理位置以及季节和气候条件的不同，不同地点和在不同时间里所接受到的太阳能有较大差异，地面接受到的太阳能平均值大致是：北欧地区约为每天每平方米2千瓦/时，大部分沙漠地带和大部分热带地区以及阳光充足的干旱地区约为每平方米6千瓦/时。

图11—22太阳能电池

目前人类直接利用的太阳能尚不及能源总消耗量的1%。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。利用太阳能的方法主要有：太阳能电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电等。太阳能清洁环保，无任何污染，利用价值高等，其众多优点决定了在它能源更替中的不可取代的地位。

3、地热能

据测算，在地球的大部分地区，从地表向下每深入100米温度就约升高3℃，地面下35公里处的温度约为1100℃一1300℃，地核的温度更高达2000℃以上。估计每年从地球内部传到地球表面的热量，约相当于燃烧370亿吨煤所释放的热量。如果只计算地下热水和地下蒸汽的总热量，就是地球上全部煤炭所储藏的热量的1700万倍。

地热能的利用目前主要用来发电，世界上第一座利用地热发电的试验电站于1904年在意大利运行。地热资源受到普遍重视是上世纪60年代以后的事。目前世界上许多国家都在积极地研究地热资源的开发和利用，地热发电的装机总容量已达数百万千瓦。我国地热资源比较丰富，高温地热资源主要分布在西藏、云南西部和台湾等地。

图11—23 地热能电站

4、核能

核能与传统能源相比，其优越性极为明显。1公斤铀235裂变所产生的能量大约相当于2500吨标准煤燃烧所释放的热量。现代一座装机容量为100万千瓦的火力发电站每年约需200 ~ 300万吨原煤，大约是每天8列火车的运煤量。同样规模的核电站每年仅需含铀235百分之三的浓缩铀28吨或天然铀燃料150吨。因此，即使不计算把节省下来的煤用作化工原料所带来的经济效益，只是从燃料的运输、储存上来考虑就便利节省得多。据测算，地壳里有经济开采价值的铀矿不超过400万吨，所能释放的能量与石油资源的能量大致相当，如按目前速度消耗，也只能用几十年。但是在铀235裂变时除产生热能之外还产生多余的中子，这些中子的一部分可与铀238发生核反应，经过一系列变化之后能够得到钚239。而钚239也可以作为核燃料，运用这些方法就能大大扩展铀235资源。

图11—24大亚湾核电站

5、海洋能

海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能和海水温差能等，都是可再生能源。

海水的潮汐运动是月球和太阳的引力所造成的，经计算得知，在日月的共同作用下，潮汐的最大涨落为0.8米左右。由于近岸地带地形等因素的影响，某些海岸的实际潮汐涨落还会大大超过一般数值，例如我国杭州湾的最大潮差为8一9米。潮汐的涨落蕴藏着很可观的能量，全世界可利用的潮汐能大部集中在比较浅窄的海面上。潮汐能发电是从上世纪50年代才开始的，现已建成的最大的潮汐发电站是法国朗斯河

口发电站，它的总装机容量为24万千瓦，年发电量5亿度。我国从50年代末开始兴建了一批潮汐发电站，目前规模最大的是1974年建成的广东省顺德县甘竹滩发电站。浙江和福建沿海是我国建设大型潮汐发电站的比较理想的地区，专家们已经作了大量调研和论证工作，一旦条件成熟便可大规模开发。

图11—25 海洋能图图11—26风能发电

6、风能

风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势。风能蕴藏量大，是水能的10倍；分布广泛，永不枯竭；对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。风力发电是当代人利用风能最常见的形式，截止2009年底，全球累计装机容量已经达到了1.59亿千瓦，2009年全年新增装机容量超过3千万千瓦，涨幅31.9%。从累计装机容量看，美国已累计装机3516万千瓦，稳居榜首；中国为2610万千瓦，位列全球第二。

风能特点主要有：1)资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用。陆上估计可开发利用的风力资源为253GW, 遗憾的是，截止2003年只有0.57GW被开发利用，预计到2020年达到20GW。2)能量密度低，开发利用需要较大空间；3)不含碳或含碳量很少，对环境影响小； 4)分布广，有利于小规模分散利用； 5)间断式供应，波动性大，对继续供能不利；

6)目前风能的开发利用成本较化石能源高。

7、生物质能

图11—27 生物质循环

生物质能来源于生物质，是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式，直接或

间接地来源于植物的光合作用。生物质能是贮存的太阳能，更是唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态或气态的燃料。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。生物质能是利用有机物质(例如植物等)作为燃料，通过气体收集、气化、燃烧和消化作用等技术产生能源。

目前全球范围正在实验用玉米、小麦、食糖等粮食来制造汽油等能源以满足日益增长的能源需求，以克服新能源成本过高带来的过高价格。

8、氢能源的开发利用现状

(1) 氢能上天

古代，秦始皇统一中国，他想长生不老，曾积极支持炼丹术。其实炼丹术士最早接触的就是氢的金属化合物。无奈多少帝王梦想长生不老，或幻想遨游太空，都受当时的科学技术水平所限，真是登天无梯。1928年，德国齐柏林公司利用氢的密度小的性质制作飞艇，产生巨大浮力，成功制造了世界上第一艘飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空中飞渡大西洋的梦想。

然而，更先进的是上世纪50年代，美国利用液氢作超音速和亚音速飞机的燃料，实现了氢能飞机上天。特别是1957前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空和1963年美国的宇宙飞船上天，紧接着1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举。这一切都依靠着氢。

(2) 氢气发电

大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合扮演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷的时候，还可吸收多余的电进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。另外，氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。

更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧直接经过电化学反应而产生电能的装置。这种新型的发电方式已引起世界的关注，它巧妙之处是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能源转换效率可达60%—80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。以前这种发电装置很小，造价很高，主要用于宇航作电源。随着技术的成熟，现在已大幅度降价，逐步转向地面应用。

(3) 民用氢气

随着制氢技术的发展和化石能源的缺少，氢能利用迟早将进入家庭。在发达的大城市，它可以像输送城市煤气一样，通过氢气管道送往千家万户。每个用户则采用金属氢化物贮罐将氢气贮存，然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等，并且在车库内与汽车充氢设备连接。人们的生活能源靠一条氢能管道，代替煤气、暖气甚至电力管线，连汽车的加油站也省掉了。这样清洁方便的氢能系统，将给人们创造舒适的生活环境，减轻许多繁杂事务。

氢气是二次能源，不可能自己存在，必须用分离的方法得到。目前使用最多的方法就是

电解水制氢，此外，还有一些生物制备方法也可以生产氢气。氢能的最大优势就是可以储存，而电能则无法储存，氢在储存、输送上比电力损失小，而且氢燃烧热值高，1kg氢燃烧产生的热量相当于3kg汽油或4.5 kg焦炭的发热量。

图11—28 太阳能电解制氢

时至今日，氢能的利用已有长足进步，但是在实际的应用中氢的存储与运输，以及利用太阳能分解水制取氢，一直是制约氢能发展的问题。目前，世界各国正在研究如何能够大量而廉价的生产氢，利用太阳能分解水制备氢气是一个主要研究方向。在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。如今世界上有50多个实验室在进行该项研究，至今虽尚未有重大突破，但它有着广阔的前景。发展氢能源，将为建立一个美好、无污染的新世界迈出重要一步。

【思考与练习】

1.收集资料，讨论新材料技术的革命将会给人类的未来生活带来哪些影响。

2.结合最近发现的内蒙古世界级铀矿，谈谈核能利用新技术的应用前景。

3.根据相关资料，分析人类如何面对能源危机。