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1、,第十五章 能量直接转换 及可再生能源,15-1 能源分类,能量与能源,物质和能量是构成客观世界的基础 科学史观认为 世界是由物质构成的，没有物质，世界便虚无飘渺 运动是物质存在的方式，是物质固有的属性，能量则是物质运动的度量,能量与能源,宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关 所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换,人类所认识的六种能量形式,机械能 热 能 电 能 辐射能 化学能 核 能,机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能,构成物质的微观分子运动的动能
2、和势能总和称为热能,电能是和电子流动与积累有关的一种能量,辐射能是物体以电磁波形式发射的能量,物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能,核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能,能 源,所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源 自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等 为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等,能源是人类社会可持续发展的物质基础 合理利用现有能源、同时积极开发和利用新能源是解决当前能源问题的根本途径 本章简要介绍提高能源利用率的途径和各种新能源的开发、利用技术，
3、以拓宽学生在能源科学方面的知识,自然界中的能源根据它们的初始来源，当前可概括为三大类 与太阳有关的能源 与地球内部的热能有关的的能源 与原子核反应有关的能源 地球-月球-太阳相互联系有关的能源,1、能源分类,直接太阳辐射能 太阳辐射能转化 （煤炭、石油、天然气、生物燃料、 风能、水能、海洋能等）,来自太阳,来自地球本身,原子核能和地热能,来自地球与其他天体相互作用,潮汐能,以上四大类能源都是自然界中现成存在的、未经加工或转换的能源，也称作一次能源或初级能源 其它如电力、氢气、沼气、煤气、汽油、激光、酒精等由一次能源直接或间接转化而来的能源称作二次能源,不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，
4、如水能、风能、潮汐能、太阳能等,非再生能源,随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等,可再生能源,常规能源,技术上比较成熟、已被广泛利用的能源；如水能、煤、石油等,新能源,尚未大规模科学利用的、正在积极研究和开发的能源。如太阳能等,2、能源与环境,化石燃料是世界能源结构的主体。它的开发和利用，创造和维系人类文明，也带来两大问题： 非再生能源的储量日益减少，供需矛盾日趋尖锐 化石燃料的大量利用，已对人类赖以生存的自然界构成严重威胁,联合国最新公布的研究结果显示，在过去30年中，虽然国际社会在环保领域取得了一定成绩，但全球整体环境状况持续恶化 国际社会普遍认为，贫困和过度消费导致人类无
5、节制地开发和破坏自然资源，这是造成环境恶化的罪魁祸首,全球环境状况,全球环境状况,全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受到威胁等多方面 同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和强度大幅增加,1999年发现的臭氧空洞是有史以来观测到的最大一次，达到2600万km2的面积,天空正在塌陷,全球气候变暖,海平面上升与陆地淹没 气候带的移动 飓风的加剧 植被的迁徙与物种灭绝 洋流的变化与厄尔尼诺现象 雨型的改变,大气环境的三大问题,地球变暖、温室效应和酸雨沉降问题构成全球性的大气环境问题，明显地
6、危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注，使当今的世界环境问题具有明显的时代特征,能源与环境问题的妥善解决是人类社会可持续发展的前提 目前主要从两个方面入手 合理利用现有能源 积极开发和利用各种可再生能源,以上二者并举，完成能源结构从常规能源向可再生能源的过渡和转换，最终解决能源问题并消除环境污染产生的根源,15-2 能源的科学合理高效利用,依靠科技进步，通过开发新型高效用能设备、开发能源转化新技术等来改造传统能源工业是实现现有能源合理利用的主要途径 能源的总体规划和管理，即从总能系统的概念出发，根据能源的特性和品位高低，从环境和社会的高度安排好各种能量的配合关系和转换利用，从而实现一
7、个机组、一个企业以至一个地区的能源的合理利用,在我国，现有能源的合理利用重点包括,洁净煤技术,能量的梯级利用和工业余能利用,能量转换新技术,洁净煤技术包括煤炭开发和利用的全过程，包括： 煤炭的燃前净化和加工 清洁型煤技术（型煤） 水煤浆技术（70%煤粉+30%水煤水混合物） 煤炭的高效清洁燃烧 燃烧后的净化 煤炭的转化,1. 洁净煤技术,按照能量品位的高低做到“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”，是用能过程应遵循的原则，也是节能的有效途径 燃气蒸汽联合循环和热电联供 工业余能的利用 动力利用 热利用,2. 能量的梯级利用和工业余能利用,能量的梯级利用,环境,低温,中温,高温,燃料,品位,
8、水泥余热发电,15-3 能量直接转换,能量直接转换,化学能,热能,机械能,电能,常规火力发电,多个转换环节，每个环节都有能量损耗 摒弃中间转换环节，提高燃料利用率,化学能,热能,机械能,电能,能量直接转换,磁流体发电,燃料电池,传统的发电技术是利用线圈相对磁场转动来发电 磁流体发电是将带电的流体（离子气体或液体）以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用发电 目前，中国、美国、欧盟、印度以及澳大利亚等国都积极致力于这方面的研究,能量直接转换 磁流体发电,提高发电效率 普通火力发电 20%40% 磁流体发电 60 产生的环境污染少 火力发电 二氧化硫空气污染 磁流体发电 硫酸钾回
9、收利用,开式磁流体蒸汽联合循环的示意图,燃料电池被认为是21世纪首选的洁净高效发电技术，被列为继火电、水电和核电之后的第四种电力,能量直接转换 燃料电池,燃料电池示意图,燃料电池优点 能量转换效率高 低污染、无噪音 对燃料的适应性强 重量轻，体积小，起动和关闭迅速 用途广 固定电源 汽车、潜艇电源 一家一户供电取暖 分布式电站,燃料电池类型（按电解质材料分） 质子交换膜型燃料电池 Proton exchange membrane (PEMFC) 碱溶液型 (Alkaline) 磷酸型 Phosphoric acid PAFC 熔融碳酸盐型 Molten carbonate 固体氧化物型 Sol
10、id oxide SOFC,DelphiBMWGlobal Thermoelectric auxiliary power unit,Prototype(NATURE,2001),Hitachi fuel cell PDA,Honda FCX V4,Sources : Hitachi Ltd, BMW Motor Company and Honda Motor Company,15 - 4 可再生能源,可再生能源,核能 太阳能 生物质能 风能 地热能 海洋能 氢能,核能 核能是原子核结构发生变化时放出的能量。通常的化学反应只是原子核外的电子发生位置变化或运动，原子核并不变化,核能 核能的获得主要
11、有两种途径 重原子核的分裂反应即核裂变 轻原子核的聚变反应即核聚变 无论是核裂变还是核聚变，反应后原子核都要失去一部分质量，与此同时释放出巨大的能量,核能 物质所具有的核能比化学能要大几百万倍以上，如1 kg铀235（235U）全部裂变产生的核能相当于2 500 t优质煤完全燃烧放出的热量,反应堆,反应堆内部,核电站反应堆运行中心控制室,秦山核电站,太阳能是来源于太阳内部氢变氦的核聚变反应的能量 广义除核能、地热能和潮汐能以外，地球上大部分能源都直接或间接地来自太阳能 狭义直接利用的太阳辐射能,地球每年从太阳获得的能量约为17万亿千瓦，相当于目前世界每年能源供应量总量的几万倍 我国陆地表面每年
12、接受的太阳辐射能约为50 1018kJ ，全国各地太阳年辐射总量达335837kJcm2 a，中值为586kJcm2 a,太阳能利用 光热利用，太阳辐射能热能，其系统由光热转换和热能利用两部分组成。前者包括各种形式的太阳能集热器，后者是根据不同事用要求而设计的各种用热装置,太阳能光热利用 太阳能热水系统、太阳能建筑、太阳能游泳池、太阳能蒸馏、太阳能制冷空调、太阳能干燥、太阳能热发电、太阳能海水淡化、太阳能冶炼炉、太阳灶、太阳能热发电等,太阳能利用 光电利用，太阳辐射能电能，通过光伏效应将太阳能直接转变为电能而加以利用。太阳能电池是太阳能光电转换的最核心的器件。,太阳能电池 硅系列太阳电池（包括
13、单晶硅、多晶硅和非晶硅）、多元化合物太阳电池（如硫化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池等）等。 其中单晶硅太阳电池技术最成熟,太阳能电池,无机太阳能电池,有机太阳能电池,太阳能资源丰富，全国三分之二日照小时数大于2200小时 2004年底，太阳光伏发电装机为6.5万千瓦。主要用于解决偏远地区和特殊行业用电问题,太阳能热水器,生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式。 生物质能是地球上最广泛存在的物质，包括所有的动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、代谢而形成的有机质（矿物燃料除外）具有的能量,地球上经过太阳光合作用生成的生物质总量约为14401800亿吨（干吨），相
14、当于目前世界总能耗的38倍 迄今人们实际利用的生物质能还很少。在世界能耗中，生物质能约占14%，在不发达地区占60%以上。 全世界约25亿人的生活能源的90%以上是生物质能,生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低 缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10%30% 合理有效地利用生物质能，就是要开发高效的生物质能转换技术，将能量密度低的生物质能转变成便于使用的高品位的能源,生物质能利用 热化学转化法将生物质通过高温干馏、热解、液化等方法获得木炭、可燃气体和焦油等品位高的能源产品 生物化学转化法使生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品 利用油料植物所
15、产生的生物油 把生物质压制成型状燃料（如块型、棒形燃料），以便集中利用和提高热效率,高效提取生物质能的生产设备,风能是流动的空气所具有的能，地球大气层因太阳辐射的不均匀而产生温差，从而产生压差形成空气流动 风能是太阳辐射能的一种转换形式,据估计，全球可利用的风能约为130200亿千瓦，如果有1被利用，即可满足人类对能源的全部需求 我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦,风能利用 风力发电 风力提水 风力机是实现风能利用的重要装置，将空气无规则流动的动能转变为机械有规则转动的动能,风力机,地热能是指蕴藏在地球内部的巨大的天然热能,地热能的热量主要来自地球内部岩石和矿物中具有足够丰度、生热率较高、半衰期与地球年龄相当的、多集中在地表层数百公里内的放射性元素衰变所产生的巨大的热能量,据估计，地气内部由放射性元素衰变而产
