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1、能量有效利用,刘 亮,E-mail：,课程简介,介绍各种形式能量(能源)转换和利用的基本原理及方法，重点讲述能量利用过程中的数量和质量分析，以及实际应用过程中的节能分析。 相关课程： 能源管理、能源开发与利用、节能原理与技术、热能转换与利用,主要内容：,一、概述（各种能量利用形式及其原理） 二、能量有效利用基础 三、能量的数量分析 四、能量的质量分析火用分析,40学时：30理论学时，10实验学时。1-14周,考核方式：平时成绩30%，闭卷考试70%,第一章 概述,第一节：能源与社会发展,能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。
2、今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全能源全为核心的能源政策。,一、能源在人类社会的发展中占据着重要地位,二、能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命,能源发展经历的三个时期： A、柴草时期：火的发现18世纪产业革命，用于烧制陶瓷和冶炼金属； B、煤炭时期：13世纪开采，18世纪中大规模开采，1769年瓦特发明蒸 汽机，产生第一次产业革命； C、石油时期：20世纪60年代超过煤。,人类社会发展的四大支柱产业之一。,三次重大突破：,A、发明蒸汽机，产生第一次产业革命； B、19世纪70年代电力发明使人们的生产活动进入电气时期； C、20世纪5060年代转向油
3、、气为主。,可以预见的第四次变革时期核电时期,一种新型能源的大量推广使用，推动经济的巨大发展。,多次能源危机 1973年能源危机 - 原因阿拉伯国家，他们因不满西方国家支持以色列而采取石油禁运。 1979年能源危机 - 原因伊朗革命爆发。 1990年石油价格暴涨 - 原因波斯湾战争。 2005石油价格上扬 - 原因供需关系失调。 ,几次能源战争 1973-1974第四次中东战争 后果:至少使全球经济倒退2年 1979-1980的两伊战争 后果:美国GDP增长率5.6%降到3.2%， 1990年的海湾战争，彻底的石油战争 2006年的俄乌油气之争 后果:直接影响中国能源战略安全,预计到了2015
4、和2020年，中国石油净进口率将达到57.4%和59.7，超过了石油安全的极限.如果真的发动战争，美国与一些西方国家很有可能会以能源来打击中国。,一旦在能源上发生问题，又必将对经济发展产生不良的影响。,1981年 0.2%的负增长,任何工农业的生产都离不开能源，他们对能源的需要量不仅表现在生产中直接消秏掉的能源，还包括生产设备本身及原材料在生产过程中间接消耗的能源，因此每个国家的国民经济发展与能源消费量之间有着密切的联系。,三、能源与经济增长关系,上表呈现两个特点：,能源消耗弹性系数含义：,1）=1 能源消费与国民经济增长同步 2）1 能源消费增长比国民经济增长快，以较大的能源消费增长满足较小
5、的经济增长 3）1 能源消费增长比与国民经济增长慢,可预测远期能源的增长速度以预测远期能源的需求量。但不能离开具体经济技术条件简单的外推。经济结构；科学技术与能源管理水平；受人民生活水平等因素的影响。,四、能源结构（可幷于与第二章）,世界能源消费结构,能源消费结构反映一个国家的技术水平和生活水平；从能源结构的变化可以看出一个国家的发展情况,对比不同国家的工业与民用能源，电能与其他能源的使用情况,能源结构表,能源平衡表,反映能源的收支平衡及供销平衡情况,能源收支平衡关系：,能源消费量 =总产量库存变化进出口量 =实际消费量+损耗量,常用换算：,7000kal=29300kJ，1kg标煤,1kg原
6、煤0.714kg标煤； 1kg原油1.429kg标煤 1m3天然气1.214kg标煤,水电按发同样电量平均火电耗煤折算,目前按发电单位标煤消耗为0.404kg/(kw.h),当计入电能产量和消费后，产电燃料消耗不重复计算,第二节：能源及其分类,究竟什么是“能源”呢？关于能源的定义，目前约有20种！,科学技术百科全书-能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源； 大英百科全书-能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量； 日本大百科全书-在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，
7、称为能源； 我国能源百科全书说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。,可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。 确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。,能源的分类,据不同的划分方式，能源也可分为不同的类型。主要有以下七种分法：,A、来自地球以外的太阳能，如太阳辐射能、煤、石油、天然气、水能、风能、雷电等； B、来自地球本身，如地热能、原子核能； C、来自地球与月球、太阳等天体相互作用产生的能量如潮汐能。,1.按来源分类：,2.按其加工程度分类：,A、一次能源，指天然能源，包括常规能源（可再生能源如水能，非再
8、生能源如煤炭、石油、天然气），新能源（可再生能源如太阳能、风能、生物质能，非再生能源如核聚变能,油页岩、油沙）； B、二次能源如煤制品、石油制品、电力、氢能、蒸气等。,3.按能源性质分 A、有燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材） B、非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）,4.根据能否造成污染分 A、非清洁能源，包括煤炭、石油等 B、清洁能源，污染型能源，包括水力、电力、太阳能、风能以及核能等。,5.据能源使用的类型分 A、常规能源和新型能源。利用技术上成熟，使用比较普遍的能源叫做常规能源。包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源 B、新近利用或正在着手
9、开发的能源叫做新型能源。包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能、氢能以及用于核能发电的核燃料等能源。,6.按能源的形态特征分 或转换与应用的层次对它进行分类。世界能源委员会推荐的能源类型分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三个类型统称化石燃料或化石能源。,7.再生能源和非再生能源 A、凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等）； B、非再生能源煤（石油和天然气等）。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。,8.商品能源和非商品
10、能源,第三节：各种能源形式及其利用原理,人类使用最为广泛的能量形式，85%90%,煤、石油、天然气，90%。各自开采年限：200年，50年，50-100年,利用形式： a.热机做功 b.主要的化工原料,资源情况,优缺点：,2.太阳能最丰富、最有潜力的新能源,数量巨大：约有20亿分之1到达地球，到达地表47%，达81万亿kw，陆地17万亿kw。年接受量1018kw.h，地球全部化石燃料的十倍，全世界年能耗量的3万倍。美国，以色列，德国等。,资源特点及开发利用情况,第一阶段（19001920年）1902 1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质 第二阶段（1920
11、1945年）矿物燃料的大量开发利用和第二次世界大战，致其低谷 第三阶段（19451965年）平板集热器，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 第四阶段（19651973年）技术成熟，投资大，停滞 第五阶段（19731980年）太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，研究深入，热潮。 第六阶段（19801992年）研究继续，投资减少 第七阶段（1992年至今）与环境保护结合在 一起，走出低谷 第八阶段（未来）解决光伏板并网、贮存难问题。,我国太阳能开发现状 目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是
12、全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。 政策保障：中国可再生能源法的颁布和实施； 机遇：京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的 承诺； 市场：西部大开发； 原油价格的上涨，中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。,从2010年2020年水电将达到3亿千瓦，风电装机和生物质发电目标都是3000万千瓦，太阳能发电达到180万千瓦；燃料乙醇和生物柴油年生产能力分别达到1000万吨和200万吨；沼气年利用量达到443亿立方米。,光-热转换
13、 低温利用（800）主要有高温太阳炉等。,光-热-电转换,光-电转换：利用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能,光-化学转换：利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式,利用形式：,被动式太阳房,.光热利用-太阳房,主动太阳房：用集热器、储热装置、管道、风机、水泵等设备，“主动”收集、储存和输配太阳能,法国绿色建筑设计,德国节能住宅,光伏建筑一体化,荷兰某大学图书馆,英国绿色住宅示范房,.光热利用-热水系统,.光热利用-制冷,直接以太阳能热辐射为驱动能源，主要有吸收式制冷，吸附式制冷和喷射式制冷。 以太阳能产生的机械能为驱动能源，主要有压缩式制冷，光电式制冷和热电式制冷。 这里简单介绍太阳能吸
14、收式制冷系统和太阳能固体吸附式制冷系统。,太阳能固体吸附式制冷,太阳能吸收式制冷,.光热利用,太阳能热发电系统包括：集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、汽轮机发电系统,.光电利用,优缺点 优点： a.普遍：没有地域的限制，且无须开采和运输。 b.无害：这一点是极其宝贵的。 c.巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 d长久：氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 缺点 a.分散性：总量尽管很大，但是能流密度很低。往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。 b.不
15、稳定性：蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。 c.效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。,资源特点及利用情况,3.核能,世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍氘、锂、硼等，世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源，可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。, 1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量；一座100万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤300400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于每天8列火车，还要运走4000万吨灰渣。,
16、 1kg铀235裂变可放出69.51010kj热量，即便只用10%，也已相当于2400吨标煤发热量。,核聚变：1g氘聚变能量是1g普化燃料的100万倍。1吨水中有140g重水，1桶水中重水含有能量相当于400桶石油,资源特点及利用情况,3.核能,世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍氘、锂、硼等，世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源，可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。, 1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量；一座100万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤300400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于每天8列火车，还要运走4000万吨灰渣。, 1kg铀235裂变可放出69.51010kj热量，即便只用10%，也已相当于2400吨标煤发热量。,核聚变：1g氘聚变能量是1g普化燃料的100万倍。1吨水中有140g重水，1桶水中重水含有能量相当于400桶石油,美国核电站,法国核电站,大亚湾核电站,俄罗斯核电站,世界核电发展历程:,实验示范阶段:1954-1965,共有38个机组，早期
