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1、能源利用与分析张昊然 刘航宇 邓涛 牛祥凯 刘鸿飞 李旭博 华亿鹏 娄云杰 田大川郑州市回民中学 理科3班 能源组本研究性课题，主要是对古往今来各大能源的产能原理，运作方法进行研究调查。本课题将会以理论为基础，将物理，化学，生物知识运用其中，并根据所学知识，结合合理的想象，对未来能源进行展望，并设计相关的设计图，并用数据结合公式进行计算，尽量做到有理有据。关键词：能源：原理：实用性：未来一能源（一）石器时代到工业革命 回顾往昔的历史，每次人类社会的进步都伴随着新能源的利用。在遥远的石器时代，在生产力极度低下的时代，人类的死亡率极高，据统计，平均年龄为30岁左右。在某一次巧合下，人类掌握了火。火
2、，这种源自有机物剧烈氧化而产生的化学能源，大大促进人类历史的发展。但是此时人类对火的利用极为有限。大约在4000年前，农业社会开始了。农业社会中利用的能源是太阳能系统的能源，植物能源如木材是主要能源。从广义能源的意义上看，食物也是能源，是一次能源，人体能（人力）是二次能源，是由食物的能量转化而来。按照同样道理，畜力也是二次能源。在农业社会太阳能也被利用，光利用（照明）和热利用（取暖、海盐制造等）；风能也被利用，如风车和帆船。在农业社会，水能和地热也曾被利用。古时有将水能转换为机械能的设备，如水轮泵和水磨等，用于提水灌溉和磨面。用温泉水沐浴是利用地热的例子。在漫长的农业社会，能源结构几乎没有多大
3、变化。木材的来源是砍伐森林。由于生产发展，人口增加，人类长期砍伐森林，破坏植被，导致自然生态问题，同时引起木材资源的匮乏，导致农业社会的能源危机。随着社会的不断发展，生产力水平呈指数上升，对能源的需求也愈演愈烈，最终，人类开始使用煤来做主要能源。煤可以用作燃料，早为人们知晓。但是由于煤又黑又脏，开采又较困难，人们不喜欢使用。1416世纪木材短缺已严重威胁西欧和北欧人民的生活，1700年首先在英国决定以煤代替木材作为能源基础，以后逐渐扩展到欧美各国。煤能源利用技术也在的不断发展。终于，工业革命开始了。（二）第一次工业革命第一次工业革命，可以说有两个核心，第一是煤炭，第二就是蒸汽机。煤炭的影响可以
4、说是贯穿着整个工业历史，直至今日，一个国家煤炭的拥有量依然是衡量一个国家科技发展的不可或缺的指标。煤是地壳运动的产物。远在3亿多年前的古生代和1亿多年前的中生代以及几千万年前的新生代时期，大量植物残骸经过复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用后转变成煤，从植物死亡、堆积、埋藏到转变成煤经过了一系列的演变过程，变成了如今世界丰富的煤炭储存量。煤主要的燃烧作用是煤中所含的C，燃烧的主要产物是CO2，一般含量为30%到70%。煤中其少部分为H，仅为2%到5%，但燃烧产热的发热量很高;另外一小部分为S，在煤中含量不固定，约为0.2%到5%，一般煤中含有1%即为高硫煤。煤中的S对于锅炉设备和环境的危害都
5、是十分巨大的。C完全燃烧的化学方程式:C + O2 = （条件点燃） CO2H完全燃烧的化学方程式:2H2+O2=（条件点燃）2H2OS完全燃烧的化学方程式:S+O2=（条件点燃）SO21molC完全燃烧放出110.5Kj的能量，而1molC重量为12g，而地球上可利用的煤炭资源也易于开采。所以说，C是第一次工业革命的最重要的能源。提起瓦特，首先应该想到他所改良的蒸汽机，蒸汽机的利用，是人类历史上一次巨大的飞跃，它开创了以机器代替手工劳动的时代。煤作为主要能源，释放煤能量的主要中介物为蒸汽机，通过将煤炭燃烧的热能转变为机器做功的机械能。通过煤炭的燃烧使大锅炉里所放置的水变为水蒸气，如图所示的水
6、蒸气（蓝色圆点）慢慢聚集最后在圆球型的活塞顶起大量水蒸气进入到蒸汽机的做功部分。水蒸气将大型底盘向下慢慢推下来带动飞轮的转动。飞轮的特殊结果使得它可以持续做功。水蒸气从小孔排出。而飞轮由于惯性带动就会被带动一周后新的水蒸气进行第二次循环。这就是整个蒸汽机的做功过程。 但是蒸汽机也存在着巨大的缺陷，首先蒸汽离不开锅炉,整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高,排气压力不能过低,热效率难以提高；它是一种往复式机器,惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的,蒸汽的流量受到限制,也就限制了功率的提高。种种的局限性，象征着第一次工业革命很快就会达到饱和，生产力的快速发展也将难以继续。在人类对生
7、产力的狂热的渴望中，第二次工业革命开始了。（三）第二次工业革命19世纪中期，随着资本主义经济的发展，自然科学研究取得重大进展，19世纪是一个人才辈出的世纪，提出电磁感应的法拉第，发现电流磁效应的奥斯特.一项项基础理论的发表，为不久将来“电气时代”的来临奠定了坚实的基础。第二次工业革命，最为核心的无非是内燃机和实用性发电机的发明。一.内燃机 内燃机是一种利用燃料在机器内部燃烧，将内能直接转化给动能的动力装置，依赖于大量化石能源。内燃机包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机、自由活塞式发动机和喷气式发动机，目前应用最广泛的是活塞式内燃机。往复式内燃机被广泛应用为汽车的动力装置，而其他形式内燃机使用
8、条件局限较大，只被应用于某些有特殊需求的大型机械。内燃机是在蒸汽机，即外燃机的基础上设计制造出来的。最初的内燃机是以煤气为燃料，随着石油的开发，更易运输，热值更高的柴油和汽油逐渐进入人们的视野。以石油为原料内燃机的出现，大大提高了燃料的利用效率，同时往复式内燃机小巧轻便的优点使其迅速进入家庭中。人们进入了汽车时代。1. 结构原理 汽缸是往复式内燃机完成能量转化的机构。往复式内燃机汽缸工作都需经过四个过程:吸气，压缩，做功，排气。图示为四冲程内燃机的一个工作循环： 在二冲程往复式内燃机汽缸中中，吸气和压缩在同一个冲程中完成，做功和排气在同一个冲程中完成，如图： 在汽缸中，燃料的热能转化为动能，但
9、还需要其他机构来将汽缸转轴的动能转化为汽车的动能。 除汽缸外，一个完整的往复式内燃机还需要曲柄连杆机构，配气机构，冷却系统，润滑系统，燃料供给系统，点火装置等一系列机构和系统来完成燃料热能到汽车动能的转化。 2. 效率对比 往复式柴油机往复式汽油机喷气式内燃机自由活塞内燃机效率30%-45%25%-35%55%-60%38%-45% 效率是衡量内燃机的重要指标，这关系到日益减少的化石能源能否被充分利用，但这并不是衡量内燃机的唯一标准，实际使用中必须考虑到内燃机的体积，功率，噪音等许多方面，这使往复式内燃机脱颖而出。 3. 优缺点 内燃机给人们生活带来的便利毋庸置疑，但同时，它的弊端也逐渐暴露出
10、来。和内燃机出现之前的外燃机相比： 内燃机的效率更高，使燃料可以被更充分地利用 不同内燃机的功率不同，较大的功率范围使其拥有较广的适用范围 体积小，重量轻 操作简便，启动迅速它的弊端也不可忽略 对燃料的要求较高，一种内燃机一般只允许使用一种燃料 对环境的污染日益严重 内部结构复杂，技术要求较高 4. 发展趋势内燃机的燃料问题是今后内燃机发展的重点。如今的内燃机体积，功率等已经符合人们生产生活的需要，但却面临着能源短缺、环境污染这两大挑战。提高效率可以有效解决这两大问题，但效率的提高，必须拿体积、功率等作出牺牲，而且效率再高，消耗和污染也是避免不掉的。相比之下，使用清洁能源成了一个理想有效的方法
11、。氢气的高热值，低污染引起了人们的关注。氢能的利用，理论上可以使目前的内燃机功率翻一倍，并且真正做到零污染。以氢气为原料的内燃机必将在未来大放光彩。二电动机电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作
12、用，使电动机转动。基本结构一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。（一）定子（静止部分）1、定子铁心作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。构造：定子铁心一般由0.350.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。2、定子绕组作用：是电动机的电路
13、部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2）
14、，.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。3、机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。（二）转子（旋转部分）1、三相异步电动机的转子铁心：作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆
15、来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。2、三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。（三）三相异步电动机的其它附件1、端盖：支撑作用。2、轴承：连接转动部分与不动部分。3、轴承端盖
