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1、新能源及其发电技术,注：仅做授课用，已隐去可能的广告词汇及图片,主要内容,第一章 核能 第二章 风能 第三章 生物质能 第四章 氢能 第五章 太阳能及发电 第六章 地热能 第七章 潮汐能,第一章核能nuclear energy,核能概述 核能的来源 链式反应和反应堆 各种类型的核电站,一、核能概述 1. 安全洁净的能源,少污染,少废物,少辐射,2. 有竞争力的能源,Coal70 Natural Gas0 Oil 30 Nuclear0,SO2 排放 (千兆瓦装置 ）（千吨/每年）,Coal 26 Natural gas16 Oil 14 Nuclear 0,NO2 排放 (千兆瓦装置 ) （千
2、吨/每年）,CO2 排放 (千兆瓦装置 ) （千吨/每年）,Coal 6000 Natural Gas3000 Oil 5000 Nuclear0,放射性废物：固体、液体、气体（固体贮存，废气废液排放） 核电站产生的废物是煤电站的十万分之五,核电站的微量辐射对人们不构成危险。 周围的自然环境充满着辐射，常来自土壤、水和空气中的天然放射性以及宇宙线辐射。,各种液体的放射性水准,核电站排放物会使人的一生寿命缩短24秒。这与因抽烟缩短寿命710年相比，可以说微乎其微,1973年开始，主要工业国的核电成本与火电相当。 随着石油调价和核电技术的逐步成熟，核电成本已经低于其他电站的成本。,Energy c
3、onversion - Fuels,二、核能的来源 地球上存在的元素中，第92号元素铀是唯一容易裂变的元素 天然铀有三种同位素：铀238，占99.27%；铀235，占0.724%；铀234，占0.006%。,0.724%为铀235的天然丰度。任意找来十万个铀原子，其中的铀235原子是七百多个。,原子核的结合能：中子和质子形成原子核时会放出的能量。 Eintein的质能关系式可求得结合能大小： E=mc2 不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。,当A60的原子核由于某种原因向A=60这个方向变换时，比结合能增大。也就是说，在这样变换时必定伴随着能量的释放。,核能的实际利用有两种方法:核裂变方法；
4、轻核聚变方法。,核裂变,核聚变,核裂变 自然界存在的天然铀：238U、235U、234U，仅235U在热中子作用下会发生裂变，也可通过反应堆运行制取233U、239Pu等易裂变核素 目前世界上己建成的核反应堆绝大部分是以235U作为燃料。,核聚变 轻核聚变反应：两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量 由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一般条件下，发生聚变反应的概率很小。,太阳和其他恒星能量的来源：在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核有足够的动能克服静电斥力而发生持续聚变。 氢弹：利用氢的同位素氘、氚原子核的聚变反应，瞬时间释放出巨额能量以达到毁伤效果的核武器（也称聚
5、变弹或热核弹）。,核聚变的主要问题：它们都带正电，会彼此排斥。只有当原子间距离小到使核力发挥作用时，才能发生聚变反应。,等离子体,目前有代表性的实验装置：环形系统、仿真器型、磁镜型、角向收缩型和激光打靶型。前四种用磁场约束，第五种靠惯性约束；前三种为稳态或准稳态运行，后两种为快脉冲和超快脉冲运行。,聚变有望能彻底解决人类的能源问题：轻核聚变用的核燃料系氘和锂-6可以大量从海水中获取，得到比世界储油量多10亿倍的能量，可供人类500亿年之用。,三、链式反应和反应堆 1.链式反应 K有效= （系统内中子的产生率）/ （系统内中子的吸收率+系统内中子的泄漏率） K有效=1，反应堆处于临界状态，即稳定
6、运行工况。 K有效1，反应堆处于超临界状态，即开堆或提升功率过程。,2.反应堆的分类 （1）按用途分： 生产堆：生产核武器装料用的反应堆。为军用服务。 动力堆：提供动力用的反应堆，最主要的是核电站和核潜艇用的反应堆。 研究堆：为了从事核物理、反应堆材料、核工程等研究用的反应堆。 （2）按反应堆采用的冷却剂分类：水冷堆、气冷堆、有机介质堆、液态金属冷却堆,（3）按反应堆采用的核燃料分类：天然铀堆、浓缩铀堆、钍堆 （4）按反应堆采用的慢化剂分类：石墨堆、轻水堆、重水堆 （5）按核燃料的分布分类：均匀堆、非均匀堆。 （6）按中子的能量分类： 热中子堆：堆内核裂变由热中子引起。 快中子堆：堆内核裂变由
7、快中子引起 。,3.反应堆的组成 反应堆主要由堆芯、反射层、屏蔽层等几部分组成。,四、各种类型的核电站,（1）压水堆核电站,（2）沸水堆核电站,（3）重水堆核电站,（4）气冷堆核电站,（5）快中子增殖反应堆,（1）压水堆核电站：技术上最为成熟的一种核发电装置。 发展经历了四个阶段： 实验型核电站示范型核电站 商用核电站 大型核电站（单堆总电功率1000兆瓦以上）,按照压水堆的工作原理，原则上不允许冷却剂水发生沸腾。 为了得到高温水，反应堆必须在高压力(15.5兆帕左右)状态下工作。,压水堆主要由堆芯、堆内构件、压力容器和控制棒驱动机构等部件组成,压水堆核电站一回路系统的主要设备除反应堆外，还有
8、蒸汽发生器、冷却剂泵、稳压器以及相应的管道阀门。,蒸汽发生器是一个热交换设备，用来将冷却剂的热量传递给二回路侧工质(水)以产生一定压力、温度的蒸汽。,冷却剂泵分屏蔽泵和轴封泵两种型式。近代压水堆核电站的冷却剂泵一股都采用立式单级轴封泵，这种泵的特点是泵和电动机分开，流量大，耐高温、高压。,稳压器的结构形式是多种多样的。现代大型压水堆核电站一般都采用立式圆筒形电加热蒸汽稳压器。,（2）沸水堆核电站 采用轻水作减速剂和冷却剂，与压水堆相比较，具有以下特点： 在反应堆本体内直接产生蒸汽，并直接作为工质送入汽轮机。但沸水堆堆芯不如压水堆紧凑。 沸水堆电站系统比较简单，系单回路循环。 只能从反应堆底部引
9、入控制棒驱动系统及堆芯检测仪表系统，因而使维护检修不便，且反应堆底部应力集中。,其蒸汽带有一定的放射性。 采用喷射泵提高冷却剂的循环能力，安全壳带弛压系统。 可用控制棒以及改变再循环泵的流量来控制调节功率。运行灵活。但燃料比功率小。,沸水堆电站与压水堆电站各有其优缺点，在技术上和经济上不相上下。是目前国外核电站中仅次于压水堆的主要堆型之一，约占总核发电容量的28%。,（3）重水堆核电站 以重水为减速剂的反应堆称重水堆。重水堆的冷却剂可以用重水，也可以用轻水、有机物质或CO2气体。与轻水堆比较，重水堆的主要优点是： 因重水的中子慢化能力好，故可以采用价格便宜的天然铀作燃料。 能更有效地利用核燃料
10、。 由于可连续更换燃料，产钚量比压水堆的高2倍左右。,重水堆主要问题：重水的用量大，价格昂贵；重水回路设备比较复杂，造价高；基本投资费高；重水的泄漏会造成“氚害”。 重水堆核电站主要型式是“坎杜” (CANDU)型重水堆。,（4）气冷堆核电站 气冷堆是用气体（二氧化碳或氦气）作冷却剂、石墨作慢化剂的一种反应堆。 把从堆芯出来的高温气体输送到蒸汽发生器中，将热量传递给二回路的给水以产生蒸汽。 主要特点：可在不太高的反应堆运行压力下得到较高的冷却剂出口温度从而可提高电站的循环冷却剂的流量和加大堆芯的传热面积。因而气冷堆的体积大，压送冷却剂的功率消耗十分可观，堆芯布置也没有水冷堆的紧凑。,（5）快中
11、子增殖反应堆 快中子反应堆是指由平均能量为0.1兆电子伏以上的快中子引起核裂变的反应堆，简称为快堆。 在快中子反应堆中，中子可以使238U转变为易裂变的239Pu，其转换比可以大于1（称为增殖比），而在轻水堆中转换比一般仅为0.5左右， 由于快堆具有增殖能力，因此通常又称为快中子增殖反应堆。,快中子反应堆中，9093%的燃料是238U，其余为易裂变同位素。如下图，反应堆布置成两个区域，中央是布置易裂变同位素的活性区，四周是布置被称为“肥料”的再生区。,1-再生区 2-活性区,快中子反应堆特点： 从理论上说，在快堆的燃料循环中基本上可以燃尽天然铀，即使考虑到燃耗深度限制和后处理回收损失等因素，铀
12、资源利用率也可以达到6070%甚至更高的水平。 快中子反应堆内的中子应保持高速度，快堆内没有慢化剂。 快堆的冷却剂必须是导热性能好而又不会慢化和俘获中子的介质。常用的较为理想的快堆冷却剂有两种：一种是液态金属钠或钠钾合金，另一种是氦气。,液态金属冷却快中子增殖反应堆： 常以钠作冷却剂。钠是对中子的吸收和慢化作用较小，有优异的传热能力，沸点很高，可以使冷却剂回路在低压高温下工作。由于工作压力低，钠管道和设备的泄漏问题易于解决。 用钠作冷却剂的缺点是：与水会发生剧烈反应，形成氢化物。钠在辐照下容易活化，形成放射性同位素22Na和24Na。由于钠能吸附裂变产物和本身易被活化，因此钠会变成一个强放射源
13、，这一点在设计中必须予以重视。,英、法等国家设计采用池式布置方案,美国、联邦德国、日本等国家设计采用的回路式布置方案概图。,气体冷却中子增殖反应堆 氦气是惰性气体。其优点是：化学性质稳定；不易与中子发生作用，有较高的增殖能力；在气冷快堆的工作压力和工作温度范围内不发生相变；临界温度很低，故逸入氦气中的氪、氙裂变气体和空气之类杂质易于在低温下用吸附方法清除。 不足之处：一是氦气的传热性能较液体冷却剂差，必须将氦气加压到810兆帕，用增加流速等措施提高传热能力；二是氦气价格昂贵且易于泄漏，这要求一次系统的部件和设备严格密封。,第二章风 能,风能资源背景,风能是太阳能转换的一种形式，是一种重要的自然
14、资源。据有关专家估计，全球一年中约为1.41016千瓦时电力能力，相当于目前全世界每年所燃烧能量的3000倍。可利用的风能比地球上可开发利用的水能总量还要大10 倍。,加强可再生能源的使用,加强可再生能源的使用，能使气候得到保护和改善，也才能使我们地球上的生命质量得以保证。不管怎样，近几十年以来，风力发电和水能等可再生能源的运用已成为我们科技和文化内容的一部分。,加強可再生能源的使用,新能源的技术进程非常快，特别是在风能领域。现代的风力发电机的运作是有效和无噪音的：仅一个1,500kW的风力发电机发电量就能供给1,000户家庭的用电或铁路公司两台发动机的用电量。在今天的德国Schleswig-
15、Holstein, 15%电力供应来自于风力电，在Nordfriesland地区，大约有70%的电来自于风力发电。,加强可再生能源的使用,在2020年的德国将用25,000台风力发电机的发电量供应全国用电量的30%。到2030年，丹麦全国50%的用电量将由风力发电供给。,全球风电装机容量分布,资料来源：GWEA，海通证券研究所,2006年欧洲风电装机占比由69.4%下降至65.4%，美洲和亚太地区占比迅速上升,其中中国和印度是亚洲风电增长的主要地区,全球风电装机容量增长趋势,资料来源：GWEA，海通证券研究所,风及风能,风的形成 风的变化 风力等级 风能特点,风的形成,地球上任何地方都在吸收太
16、阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。,地球上风的运动方向,在转动参考系内作匀速运动的质点，除受惯性离心力个，还受另一种虚拟力科里奥利力。,科里奥利 1792-1843,关于科里奥利力,我们先从一个简单的例子说起。如图：设在以角速度沿逆时针方向转动的水平圆盘上，有A，B两点，O为圆盘中心，且有OAOB，在A点以相对于圆盘的速度V沿半径方向向B点抛出一球。如果圆盘是静止的，则经过一段时间 t=（OAOB）/V 后，球会到达B，但结果是球到达了B转动的前方一点B，对这个现象可如下分析，由于圆盘在转动，故球离开A的时，除了具有径向速度V外，还具有切向速度V1，而B的切向速度为V2，由于B的位置靠近圆心，所以V1V2，在垂直于AB的方向上，球运动得比B远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。,引例,对
