《科技導論》新能源技術

新能源技術同濟大學物理系1一、能源技術概述1.基本概念能量形式:機械能(風能、水能等)、電磁能、熱能、化學能、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資源。能源種類：按原始來源分:地內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)能源按對能源的認識過程分：常規(guī)能源和新能源。2能源技術概述天然(一次)能源和人工(二次)能源二次能源：它是指經過消耗一次能源加工轉化而產生的誕生能源。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、風能、水能、海洋能生物質能等地內能源：地熱能(地下蒸氣、溫泉、火山)、核能地外能源：主要來自太陽，包括由太陽能轉變來的風能、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(對發(fā)展中國家而言)、雷電能、宇宙射線能、火山能、地震能等。

3能源技術概述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量和分布4再生能源分布:太陽能占99.44%,水能、風能、地熱能、生物能等不到1%在非再生能源中，利用海水中的氘資源產生的人造太陽能(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。能源技術概述5能源技術概述世界能源儲量分布與利用6能源技術概述世界非再生能源儲量分布:中東地區(qū):石油儲量最多,占56.8%；歐洲:天然氣和煤炭儲量最多,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能源技術概述我國能源資源地區(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)內可開發(fā)水力資源有，主要集中在西南太陽能和風能資源豐富，有很大利用潛力。我國能源資源豐富煤炭資源(探明儲量)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、地熱、風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(化工廠、煉焦廠等)過程中產生的廢氣。大氣污染：1)酸雨問題；2)溫室效應；3)臭氧層破壞。能源技術概述能源問題即環(huán)境與能源關系問題聯合國提出可持續(xù)發(fā)展概念，即要滿足當代人的需要，又要考慮不損害后代的需要。因此,今后的能源戰(zhàn)略是多元結構的能源系統(tǒng)和高效清潔的能源技術。9二、能源技術1.潔煤技術

煤碳的污染物和二氧化碳可能導致全球變暖?，F在有兩條潔煤途徑：(1)先進燃燒和污染處理，潔煤技術可用于燃燒前、中、后期。(2)氣化和液化煤，將煤轉化為含一氧化碳和氫的“合成氣”。2.煤炭液化(煤炭轉化技術之一)對固體煤炭以特殊方法進行化學加工成為液態(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；間接液化:

先把煤炭氣化，制成煤氣，再合成為液體燃料。煤炭液化技術復雜，難度高，投資大，比天然石油成本高，目前還沒有競爭能力。10能源技術3.煤炭氣化(煤炭轉轉化技術研研究的一個個重要部分分)現狀：煤炭自身氫氫碳比低，，含有灰分分、硫分等等雜質，在在開采、運運輸、燃燒燒過程中會會污染環(huán)境境，燃燒時時熱效率低低。地下氣化采出煤炭后后進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，控制制氧化程度度，使煤炭炭轉化成為為一氧化碳碳、氫和甲甲烷等可燃燃性氣體。。在未經開采采的煤層中中進行的熱熱加工過程程:通過過從地面鉆鉆進的一批批特定鉆孔孔，把氣化化介質送進進煤層，使使煤炭在地地下進行"發(fā)生爐煤煤氣"反應應，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4.石油油的精煉目的從復雜的原原油中提取取粘度較小小的能充分分燃燒的烴類(根據辛烷烷值來標號號)把不好的分分子轉變?yōu)闉楹玫姆肿幼尤玳L鏈烷烴烴容易引起起汽缸爆震震精煉方法:先根據不同同沸點把不不同成分分分離開，然后除硫再再向高辛烷烷轉變?，F在觀點，，大多數石石油是由埋埋藏在地下下沉積層中中的有機物物經過幾百百萬年在75～200℃的溫溫度下形成成的。微生物將地地表以下的的有機物轉轉化為碳氫氫化合物，，剩下的埋埋藏在深層層地底(通常具有有商業(yè)價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)的有機物則則在溫度和和壓力下經經過分解及及復雜的化化學反應生生成石油。。12能源技術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內。天然氣是埋埋藏在地層層深處的一一種富含碳碳氫化合物物的可燃氣氣體，由億億萬年前的的有機物質質轉化而來來。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當作燃燃料，，使用用時不不污染染環(huán)境境，便便于運運輸和和貯存存。20世世紀末末，甲甲醇合合成技技術已已獲成成功，，如果果在天天然氣氣產地地附近近設立立甲醇醇工廠廠，把把天然然氣加加工成成甲醇醇，可可經濟濟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6.水水能能的利利用水力發(fā)發(fā)電優(yōu)優(yōu)點，，經濟濟、干干凈和和易維維修葛州壩壩水利利樞紐紐裝機機容量量為271萬千千瓦三峽水水電站站總容容量為為1768萬千千瓦當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巴巴西與與巴拉拉圭兩兩國邊邊境的的河段段.總裝機機容量量1260萬千千瓦，，年發(fā)發(fā)電量量可達達750億億度。。14能源技技術7.蓄蓄能能技術術針對熱熱能或或電能能儲存存，著著眼于于大規(guī)規(guī)模、、長時時間應應用。。電能能儲存存是當當前研研究的的重點點。蓄能技技術一一般要要求:儲能密密度大大變換損損耗小小運行費費用低低維護較較容易易不污染染環(huán)境境根據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大大致分分三類類：直接儲儲存電電磁能能把電能能轉化化為化化學能能儲存存把電能能轉化化為機機械能能儲存存超導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,需需要時時釋放放15能源技技術電池：：儲存電電能轉轉化而而來的的化學學能鉛酸電電池中中的鉛鉛在回回收中中容易易流失失，對對環(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：：可隨時時充放放，循循環(huán)使使用，，且不不用維維護。。以過過充過過放為為一次次使用用過程程，預預計可可使用用1000次。。鋰電池池:采取了了3層層保護護措施施，可可抗過過充過過放，，使用用更安安全方方便。。特點:體體積小小、質質量輕輕、使使用壽壽命長長、環(huán)環(huán)保(不需需要回回收)。。燃氫電電池、、納米米碳管管(一一個裝裝電的的容器器，像像擰水水龍頭頭一樣樣放電電)將將是電電動自自行車車動力力源未未來的的發(fā)展展方向向。16能源技技術由于它它是把把燃料料通過過化學學反應應釋出出的能能量變變?yōu)殡婋娔茌斴敵?，，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產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今今能以以工業(yè)業(yè)規(guī)模模生產產的電電力)工作原原理:通過物物質發(fā)發(fā)生化化學反反應時時連續(xù)續(xù)地向向其供供給活活物質質(起起反應應的物物質)--燃料料和氧氧化劑劑,促促使物物質發(fā)發(fā)生化化學反反應時時釋出出的能能量直直接將將其轉轉換為為電能能。17能源技技術具體地地說，，燃料料電池池是利利用水水的電電解的的逆反反應的的"發(fā)發(fā)電機機"。。它由由正極極、負負極和和夾在在正負負極中中間的的固體體電解解質板板所組組成。。工作時時向負負極供供給燃燃料(氫H2)，向向正極極供給給氧化化劑(空氣氣O2)。氫氫在負負極分分解成成正離離子H+和和電子子e-。氫氫離子子進入入電解解液中中，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達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的的逆過過程。。燃料電池的的用途:電動車動力力源,可移移動電源、、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械能的的轉換紐科曼(T.Newcomen，1663～～1729)1711年年發(fā)明蒸氣氣機瓦特(J.Watt，1736～～1819)1765年年發(fā)明分離離冷凝器，，使蒸氣機機成為主要要動力裝置置。能源利用與與開發(fā)20能源利用與與開發(fā)熱機效率：4％30％以上卡諾循環(huán)熱能及其到到機械能的的轉換天然氣的開開發(fā)；地熱能；地熱能是來來自地殼之之下的高溫溫能源。一一個典型的的地熱能電電場可以輕輕松地輸送送100MW電量，，這是風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換。22能源利用與與開發(fā)機械能水力發(fā)電；；海洋能(潮潮汐能、海海浪能、溫溫差能)；；風能利用23能源利用與與開發(fā)太陽能光電轉換方方式；光熱轉換方方式；光化學轉換換方式。家用太陽能能并網系統(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轉化為直流流電力，再再經由逆變變器轉變?yōu)闉榭蔀橛秒婋娫O備供電電的交流電電力。發(fā)電電電力大于于用電設備備的消費電電力時剩余余電力將被被返送回電電網，電力力公司將依依據售電電電能表記錄錄的數值支支付給用戶戶相應的費費用。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)根根據實際的的日射量仍仍可以發(fā)電電，但此時時發(fā)電量較較少，當用用電設備消消費電力較較大時，不不足部分將將由電力公公司通過電電網補充提提供。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2.超級級能源：可可燃冰可燃冰是天天然氣的附附生產品，，其應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品。1m3可燃冰釋放放160m3天然氣,儲儲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水水分子中，，在低溫高高壓條件下下形成的透透明結晶，，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.裂變變反應堆———核電站站裂變發(fā)現及及裂變能的的釋放1)裂變變的發(fā)現1934年年，費米(E.Fermi，，意大利，，1901～1954)1938年年，居里夫夫人實現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)，重復復了居里的的實驗；L.meitner和O.R.Frisch對對此做出正正確解釋，，首次引入入fission(裂變)一一詞；1947年年，錢三強強和何澤慧慧進一步發(fā)發(fā)現裂變的的三分裂和和四分裂現現象。能源利用與與開發(fā)272)核裂裂變的特點點(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)裂裂變產物有有多種組合合方式，裂裂變時放出出中子能源利用與與開發(fā)29鏈式反應的的可能性和和可控性1)鏈式式反應的可可能性———中子增殖殖一次鈾核裂裂變中，平平均可以放放出2.4個中子2)鏈式式反應可以以控制———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)可控式鏈式式反應的實實現1)中子子必須慢化化核裂變中釋釋放的中子子，動能大大多在Mev的數量量級，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)臨界體積增殖系數加大K的方方法：提高濃縮鈾鈾中235U的比例加大反應體體的體積事實證明：