《科技導(dǎo)論》新能源技術(shù)

新能源技術(shù)同濟(jì)大學(xué)物理系1一、能源技術(shù)概述1.基本概念能量形式:機(jī)械能(風(fēng)能、水能等)、電磁能、熱能、化學(xué)能、原子能、光能。能源:自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。能源種類：按原始來源分:地內(nèi)能源和地外能源以及相互作用能源。按生成方式分:天然(一次)能源和人工(二次)能源按對(duì)能源的認(rèn)識(shí)過程分：常規(guī)能源和新能源。2能源技術(shù)概述天然(一次)能源和人工(二次)能源二次能源：它是指經(jīng)過消耗一次能源加工轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的誕生能源。如電能、熱能、煤氣、柴油、氫能、焦炭、沼氣等。

非再生能源：石油、天然氣、原煤、核燃料等一次能源再生能源：太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能生物質(zhì)能等地內(nèi)能源：地?zé)崮?地下蒸氣、溫泉、火山)、核能地外能源：主要來自太陽，包括由太陽能轉(zhuǎn)變來的風(fēng)能、水能、礦物燃料(煤，石油等)，及少量宇宙輻射能相互作用能源：主要指潮汐能。常規(guī)能源：已被廣泛利用的能源，如煤、石油、水力、電能新能源：原子能、太陽能(對(duì)發(fā)展中國(guó)家而言)、雷電能、宇宙射線能、火山能、地震能等。

3能源技術(shù)概述2.能源問題能源模式的演變：木材→煤→石油→核能或多種形式能源非再生能源:石油、天然氣、煤炭和裂變核燃料約占能源總消費(fèi)量的90%左右再生能源:水力、植物燃料等只占10%左右目前人類使用的能源儲(chǔ)量和分布4再生能源分布:太陽能占99.44%,水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能等不?%在非再生能源中，利用海水中的氘資源產(chǎn)生的人造太陽能(聚變核能)幾乎占100%，煤炭、石油、天然氣、裂變核燃料加起來也不足千萬分之一。所以，人類使用的能源歸根到底要依靠太陽能，太陽能是人類永恒發(fā)展的能源保證。能源技術(shù)概述5能源技術(shù)概述世界能源儲(chǔ)量分布與利用6能源技術(shù)概述世界非再生能源儲(chǔ)量分布:中東地區(qū):石油儲(chǔ)量最多,占56.8%；歐洲:天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量最多,各占54.6%和45%亞洲、大洋洲:煤炭各占18%石油、天然氣只有5%7能源技術(shù)概述我國(guó)能源資源地區(qū)分布不均衡煤炭，主要集中在華北和西北石油、天然氣，主要分布在黑龍江、遼寧、河北、河南、山東、四川、甘肅和新疆等省區(qū)內(nèi)可開發(fā)水力資源有，主要集中在西南太陽能和風(fēng)能資源豐富，有很大利用潛力。我國(guó)能源資源豐富煤炭資源(探明儲(chǔ)量)和水力資源均居世界第一位；石油資源占世界第十一位；天然氣資源占世界第十四位；太陽能資源居世界第二位；潮汐、地?zé)帷L(fēng)力和核燃料資源都很豐富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。8利用能源的過程直接污染地球環(huán)境。主要來源：1)煤、石油等燃料的燃燒；2)汽車排放的廢氣；3)工業(yè)生產(chǎn)(化工廠、煉焦廠等)過程中產(chǎn)生的廢氣。大氣污染：1)酸雨問題；2)溫室效應(yīng)；3)臭氧層破壞。能源技術(shù)概述能源問題即環(huán)境與能源關(guān)系問題聯(lián)合國(guó)提出可持續(xù)發(fā)展概念，即要滿足當(dāng)代人的需要，又要考慮不損害后代的需要。因此,今后的能源戰(zhàn)略是多元結(jié)構(gòu)的能源系統(tǒng)和高效清潔的能源技術(shù)。9二、能源技術(shù)1.潔煤技術(shù)

煤碳的污染物和二氧化碳可能導(dǎo)致全球變暖。現(xiàn)在有兩條潔煤途徑：(1)先進(jìn)燃燒和污染處理，潔煤技術(shù)可用于燃燒前、中、后期。(2)氣化和液化煤，將煤轉(zhuǎn)化為含一氧化碳和氫的“合成氣”。2.煤炭液化(煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)之一)對(duì)固體煤炭以特殊方法進(jìn)行化學(xué)加工成為液態(tài)后，可作液體燃料和化工原料使用。從工藝上可分為直接液化:

在高溫高壓下加氫，使煤炭直接生成液態(tài)物質(zhì)；間接液化:

先把煤炭氣化，制成煤氣，再合成為液體燃料。煤炭液化技術(shù)復(fù)雜，難度高，投資大，比天然石油成本高，目前還沒有競(jìng)爭(zhēng)能力。10能源技術(shù)3.煤炭氣化(煤炭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化技術(shù)研研究的一個(gè)個(gè)重要部分分)現(xiàn)狀：煤炭自身氫氫碳比低，，含有灰分分、硫分等等雜質(zhì)，在在開采、運(yùn)運(yùn)輸、燃燒燒過程中會(huì)會(huì)污染環(huán)境境，燃燒時(shí)時(shí)熱效率低低。地下氣化采出煤炭后后進(jìn)行熱加加工的一種種過程:以以煤炭作作為原料，，以氧或氫氫作氣化介介質(zhì)，控制制氧化程度度，使煤炭炭轉(zhuǎn)化成為為一氧化碳碳、氫和甲甲烷等可燃燃性氣體。。在未經(jīng)開采采的煤層中中進(jìn)行的熱熱加工過程程:通過過從地面鉆鉆進(jìn)的一批批特定鉆孔孔，把氣化化介質(zhì)送進(jìn)進(jìn)煤層，使使煤炭在地地下進(jìn)行"發(fā)生爐煤煤氣"反應(yīng)應(yīng)，生成的的煤氣從另另一批特定定鉆孔引出出。煤炭氣化目目的：制取清潔的的氣體燃料料；制取化工合合成用的氣氣體原料。。地上氣化11能源技術(shù)4.石油油的精煉目的從復(fù)雜的原原油中提取取粘度較小小的能充分分燃燒的烴類(根據(jù)辛烷烷值來標(biāo)號(hào)號(hào))把不好的分分子轉(zhuǎn)變?yōu)闉楹玫姆肿幼尤玳L(zhǎng)鏈烷烴烴容易引起起汽缸爆震震精煉方法:先根據(jù)不同同沸點(diǎn)把不不同成分分分離開，然后除硫再再向高辛烷烷轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在觀點(diǎn)，，大多數(shù)石石油是由埋埋藏在地下下沉積層中中的有機(jī)物物經(jīng)過幾百百萬年在75～200℃的溫溫度下形成成的。微生物將地地表以下的的有機(jī)物轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為碳?xì)錃浠衔铮?，剩下的埋埋藏在深層層地?通常具有有商業(yè)價(jià)值值的油田都都位于地表表以下500米－700米深深處，最深深的油井在在約6公里里深的地底底)的有機(jī)物則則在溫度和和壓力下經(jīng)經(jīng)過分解及及復(fù)雜的化化學(xué)反應(yīng)生生成石油。。12能源技術(shù)5.天然然氣液化通過施加一一定高壓，，使天然氣氣由氣態(tài)變變?yōu)橐簯B(tài)，，貯存在專專門容器內(nèi)內(nèi)。天然氣是埋埋藏在地層層深處的一一種富含碳碳?xì)浠衔镂锏目扇細(xì)鈿怏w，由億億萬年前的的有機(jī)物質(zhì)質(zhì)轉(zhuǎn)化而來來。主要成成分是甲烷烷，其次是是乙烷、丙丙烷、丁烷烷和其他重重質(zhì)氣態(tài)烴烴類。甲醇俗俗稱““木精精”，，性能能穩(wěn)定定，象象石油油一樣樣能直直接當(dāng)當(dāng)作燃燃料，，使用用時(shí)不不污染染環(huán)境境，便便于運(yùn)運(yùn)輸和和貯存存。20世世紀(jì)末末，甲甲醇合合成技技術(shù)已已獲成成功，，如果果在天天然氣氣產(chǎn)地地附近近設(shè)立立甲醇醇工廠廠，把把天然然氣加加工成成甲醇醇，可可經(jīng)濟(jì)濟(jì)合理理地解解決天天然氣氣液化化問題題。液化途途徑──利利用天天然氣氣作原原料合合成甲甲醇。。13能源技技術(shù)6.水水能能的利利用水力發(fā)發(fā)電優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，，經(jīng)濟(jì)濟(jì)、干干凈和和易維維修葛州壩壩水利利樞紐紐裝機(jī)機(jī)容量量為271萬千千瓦三峽水水電站站總?cè)萑萘繛闉?768萬千千瓦當(dāng)今世世界僅僅次于于三峽峽水電電站的的第二二大的的水電電站---伊泰泰普水水電站站,位位于巴巴拉那那河流流經(jīng)巴巴西與與巴拉拉圭兩兩國(guó)邊邊境的的河段段.總裝機(jī)機(jī)容量量1260萬千千瓦，，年發(fā)發(fā)電量量可達(dá)達(dá)750億億度。。14能源技技術(shù)7.蓄蓄能能技術(shù)術(shù)針對(duì)熱熱能或或電能能儲(chǔ)存存，著著眼于于大規(guī)規(guī)模、、長(zhǎng)時(shí)時(shí)間應(yīng)應(yīng)用。。電能能儲(chǔ)存存是當(dāng)當(dāng)前研研究的的重點(diǎn)點(diǎn)。蓄能技技術(shù)一一般要要求:儲(chǔ)能密密度大大變換損損耗小小運(yùn)行費(fèi)費(fèi)用低低維護(hù)較較容易易不污染染環(huán)境境根據(jù)這這些要要求衡衡量，，抽水水蓄能能方案案較優(yōu)優(yōu)越電的蓄蓄能技技術(shù)大大致分分三類類：直接儲(chǔ)儲(chǔ)存電電磁能能把電能能轉(zhuǎn)化化為化化學(xué)能能儲(chǔ)存存把電能能轉(zhuǎn)化化為機(jī)機(jī)械能能儲(chǔ)存存超導(dǎo)線線圈蓄蓄能系系統(tǒng)鉛電池池,鈉鈉硫電電池,鋅氯氯電池池等壓縮空空氣,需需要時(shí)時(shí)釋放放15能源技技術(shù)電池：：儲(chǔ)存電電能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化而而來的的化學(xué)學(xué)能鉛酸電電池中中的鉛鉛在回回收中中容易易流失失，對(duì)對(duì)環(huán)境境存在在二次次污染染。鎳氫電電池：：一種密密封電電池，，可以以在任任何位位置下下工作作，使使用方方便。。特點(diǎn)：：可隨時(shí)時(shí)充放放，循循環(huán)使使用，，且不不用維維護(hù)。。以過過充過過放為為一次次使用用過程程，預(yù)預(yù)計(jì)可可使用用1000次。。鋰電池池:采取了了3層層保護(hù)護(hù)措施施，可可抗過過充過過放，，使用用更安安全方方便。。特點(diǎn):體體積小小、質(zhì)質(zhì)量輕輕、使使用壽壽命長(zhǎng)長(zhǎng)、環(huán)環(huán)保(不需需要回回收)。。燃?xì)潆婋姵?、、納米米碳管管(一一個(gè)裝裝電的的容器器，像像擰水水龍頭頭一樣樣放電電)將將是電電動(dòng)自自行車車動(dòng)力力源未未來的的發(fā)展展方向向。16能源技技術(shù)由于它它是把把燃料料通過過化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)釋出出的能能量變變?yōu)殡婋娔茌斴敵觯?，所以以被稱稱為燃燃料電電池。。它是利利用氫氫和氧氧生成成水的的過程程來產(chǎn)產(chǎn)生電電力的的一種種裝置置。燃料電電池：：第四種種電力力(電電力火火電、、水電電、核核電為為三種種當(dāng)今今能以以工業(yè)業(yè)規(guī)模模生產(chǎn)產(chǎn)的電電力)工作原原理:通過物物質(zhì)發(fā)發(fā)生化化學(xué)反反應(yīng)時(shí)時(shí)連續(xù)續(xù)地向向其供供給活活物質(zhì)質(zhì)(起起反應(yīng)應(yīng)的物物質(zhì))--燃料料和氧氧化劑劑,促促使物物質(zhì)發(fā)發(fā)生化化學(xué)反反應(yīng)時(shí)時(shí)釋出出的能能量直直接將將其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為電能能。17能源技技術(shù)具體地地說，，燃料料電池池是利利用水水的電電解的的逆反反應(yīng)的的"發(fā)發(fā)電機(jī)機(jī)"。。它由由正極極、負(fù)負(fù)極和和夾在在正負(fù)負(fù)極中中間的的固體體電解解質(zhì)板板所組組成。。工作時(shí)時(shí)向負(fù)負(fù)極供供給燃燃料(氫H2)，向向正極極供給給氧化化劑(空氣氣O2)。氫氫在負(fù)負(fù)極分分解成成正離離子H+和和電子子e-。氫氫離子子進(jìn)入入電解解液中中，而而電子子則沿沿外部部電路路移向向正極極。用用電的的負(fù)載載就接接在外外部電電路中中。在在正極極上，，空氣氣中的的氧同同電解解液中中的氫氫離子子吸收收抵達(dá)達(dá)正極極上的的電子子形成成水。。這正正是水水的電電解反反應(yīng)的的逆過過程。。燃料電池的的用途:電動(dòng)車動(dòng)力力源,可移移動(dòng)電源、、家庭電源源與分散電電站等18三、能源利利用與開發(fā)發(fā)191.常見見的能源熱能及其到到機(jī)械能的的轉(zhuǎn)換紐科曼(T.Newcomen，1663～～1729)1711年年發(fā)明蒸氣氣機(jī)瓦特(J.Watt，1736～～1819)1765年年發(fā)明分離離冷凝器，，使蒸氣機(jī)機(jī)成為主要要?jiǎng)恿ρb置置。能源利用與與開發(fā)20能源利用與與開發(fā)熱機(jī)效率：4％30％以上卡諾循環(huán)熱能及其到到機(jī)械能的的轉(zhuǎn)換天然氣的開開發(fā)；地?zé)崮?；地?zé)崮苁莵韥碜缘貧ぶ碌母邷販啬茉?。一一個(gè)典型的的地?zé)崮茈婋妶?chǎng)可以輕輕松地輸送送100MW電量，，這是風(fēng)能能和太陽能能所無法企企及的。21電能能源利用與與開發(fā)電能指電以以各種形式式做功的能能力。有直直流電能、、交流電能能、高頻電電能等，這幾種電能能均可相互互轉(zhuǎn)換。22能源利用與與開發(fā)機(jī)械能水力發(fā)電；；海洋能(潮潮汐能、海海浪能、溫溫差能)；；風(fēng)能利用23能源利用與與開發(fā)太陽能光電轉(zhuǎn)換方方式；光熱轉(zhuǎn)換方方式；光化學(xué)轉(zhuǎn)換換方式。家用太陽能能并網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)工作原理理1）晴天的的白天：太太陽能電池池板陣列將將太陽能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直流流電力，再再經(jīng)由逆變變器轉(zhuǎn)變?yōu)闉榭蔀橛秒婋娫O(shè)備供電電的交流電電力。發(fā)電電電力大于于用電設(shè)備備的消費(fèi)電電力時(shí)剩余余電力將被被返送回電電網(wǎng)，電力力公司將依依據(jù)售電電電能表記錄錄的數(shù)值支支付給用戶戶相應(yīng)的費(fèi)費(fèi)用。2）多云云或陰雨天天氣的白天天：此種天天氣下，我我們的太陽陽能系統(tǒng)根根據(jù)實(shí)際的的日射量仍仍可以發(fā)電電，但此時(shí)時(shí)發(fā)電量較較少，當(dāng)用用電設(shè)備消消費(fèi)電力較較大時(shí)，不不足部分將將由電力公公司通過電電網(wǎng)補(bǔ)充提提供。3）夜晚晚：夜間太太陽能發(fā)電電系統(tǒng)不提提供電力，，用電設(shè)備備由電力公公司提供的的常規(guī)電力力供電。24氫能能源利用與與開發(fā)“喝”氫的的汽車25能源技術(shù)2.超級(jí)級(jí)能源：可可燃冰可燃冰是天天然氣的附附生產(chǎn)品，，其應(yīng)用范范圍與天然然氣大致相相同，是一一種典型的的石油替代代產(chǎn)品。1m3可燃冰釋放放160m3天然氣,儲(chǔ)儲(chǔ)量是煤石石油天然氣氣等的兩倍倍.可燃冰,““天然氣氣水合物””的俗稱。。它是甲烷烷類天然氣氣被包進(jìn)水水分子中，，在低溫高高壓條件下下形成的透透明結(jié)晶，，多呈白色色或淺灰色色。外貌類類似冰雪，，可以像酒酒精塊一樣樣燃燒，故故稱為“可可燃冰”。。263.裂變變反應(yīng)堆———核電站站裂變發(fā)現(xiàn)及及裂變能的的釋放1)裂變變的發(fā)現(xiàn)1934年年，費(fèi)米(E.Fermi，，意大利，，1901～1954)1938年年，居里夫夫人實(shí)現(xiàn)中中子使鈾核核裂變；1939年年，哈恩(O.Hahn，1879～～1968)和斯特特拉斯曼(F.Strassmann)，重復(fù)復(fù)了居里的的實(shí)驗(yàn)；L.meitner和O.R.Frisch對(duì)對(duì)此做出正正確解釋，，首次引入入fission(裂變)一一詞；1947年年，錢三強(qiáng)強(qiáng)和何澤慧慧進(jìn)一步發(fā)發(fā)現(xiàn)裂變的的三分裂和和四分裂現(xiàn)現(xiàn)象。能源利用與與開發(fā)272)核裂裂變的特點(diǎn)點(diǎn)(1)裂裂變過程釋釋放巨大能能量1g的鈾裂裂變所釋放放的能量，，相當(dāng)于3噸以上的的煤燃燒所所釋放的能能量。能源利用與與開發(fā)28(2)裂裂變產(chǎn)物有有多種組合合方式，裂裂變時(shí)放出出中子能源利用與與開發(fā)29鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的的可能性和和可控性1)鏈?zhǔn)绞椒磻?yīng)的可可能性———中子增殖殖一次鈾核裂裂變中，平平均可以放放出2.4個(gè)中子2)鏈?zhǔn)绞椒磻?yīng)可以以控制———緩發(fā)中子子能源利用與與開發(fā)30能源利用與與開發(fā)可控式鏈?zhǔn)绞椒磻?yīng)的實(shí)實(shí)現(xiàn)1)中子子必須慢化化核裂變中釋釋放的中子子，動(dòng)能大大多在Mev的數(shù)量量級(jí)，必須須使快中子子慢化為熱熱中子。慢化劑：水水，重水，，石墨等。。2)臨界體積增殖系數(shù)加大K的方方法：提高濃縮鈾鈾中235U的比例加大反應(yīng)體體的體積事實(shí)證明：