能源工程管理與評估：能源品質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換

能源工程管理

2能源一次能源二次能源常規(guī)能源新能源非可再生能源可再生能源煤制品石油制品電力、氫能、沼氣等非可再生能源可再生能源如：水能如：太陽能如：焦炭、煤氣如：汽油、煤油能源的品位：轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或作功的能力。能源品質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換3常用能源：煤、石油、天然氣新能源：太陽能、核能、地?zé)崮芤淮文茉矗褐苯觼碜匀唤绲哪茉?，如石油、煤炭等。二次能源：從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來的能源，如電能等。燃料能源：煤、石油、天然氣、核能非燃料能源：太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?太陽能太陽內(nèi)部高溫核聚變反應(yīng)所釋放的輻射能。太陽向宇宙空間發(fā)射的輻射功率位3.8×10^23kW的輻射值，其中20億分之一到達(dá)地球大氣層。到達(dá)地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，其余的到達(dá)地球表面，其功率為8×10^13kW。據(jù)估算，地球上每年接收的太陽能，相當(dāng)于地球上每年燃燒其他燃料所獲能量的3000倍，因此，大力開發(fā)利用太陽能是21世紀(jì)的高新技術(shù)。5風(fēng)能風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運(yùn)動形成風(fēng)。據(jù)估計到達(dá)地球的太陽能中雖然只有大約2％轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74X109MW，其中可利用的風(fēng)能為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。6石油類燃料石油是水中堆積的微生物殘骸，在高壓的作用下形成的碳?xì)浠衔?。石油?jīng)過精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。石油在地球上分布不均，中東占54%，北美占12%，南美占9%，幾乎占了可確認(rèn)埋藏量的3/4。7煤炭煤炭是地球上蘊(yùn)藏量最豐富，分布地域最廣的化石燃料。據(jù)世界能源委員會的評估，世界煤炭可采資源量達(dá)4．84×104億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占世界化石燃料可采資源量的66．8％。煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地?zé)岬淖饔茫?jīng)過幾千萬年乃至幾億年的炭化過程，釋放出水份、二氧化碳、甲烷等氣體后，含氧量減少而形成的，含炭量非常豐富。由于地質(zhì)條件和進(jìn)化程度不同，含炭量不同，從而發(fā)熱量也就不同。按發(fā)熱量大小順序分為無煙煤、煙煤和褐煤等。8水電水力發(fā)電是從流動的水的能量中產(chǎn)生的電能。原理是利用一條大堤壩蓄水成湖，引水流過大堤壩的渦輪槳葉，從而推動渦輪電機(jī)發(fā)電。水力發(fā)電最豐富的地方，通常都有高山峻嶺和充沛的雨量，形成流速高、流量大的河流。水力發(fā)電是可再生的能源，不會污染空氣。9潮汐能潮汐與潮流能來源于月球、太陽引力。潮汐的能量與潮差大小和潮量成正比；潮流、海流的能量與流速平方和通流量成正比。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，我國沿岸和海島附近的可開發(fā)潮汐能資源理論裝機(jī)容量達(dá)2179萬kW，理論年發(fā)電量約624億kWH，波浪能理論平均功率約1285萬kW，潮流能理論平均功率1394萬kW。10生物能生物能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，在各種可再生能源中，生物質(zhì)是獨(dú)特的，它是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。目前世界各國都正在著手開發(fā)和利用，如沼氣。11地?zé)崮艿責(zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮?。它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。地下水的深處循環(huán)和來自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。在有些地方，熱能隨自然涌出的熱蒸汽和水而到達(dá)地面，地?zé)崮苁侵纲A存在地球內(nèi)部的熱能。其儲量比目前人們所利用的總量多很多倍，而且集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶、該區(qū)域也是火山和地震多發(fā)區(qū)。12核能在50多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈾-235原子核在吸收一個中子以后能分裂，同時放出2-3個中子和大量的能量，放出的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量大得多，這就是核裂變能，也就是我們所說的核能。13機(jī)械能（動能、勢能）內(nèi)能（熱能）電能磁能化學(xué)能太陽能(光能)核能(原子能)能以多種形式存在于自然界，每一種形式的能對應(yīng)于一種運(yùn)動形式。能的形式14151617能的轉(zhuǎn)化不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實(shí)現(xiàn)的。不同形式的能之間可以在一定條件的情況下相互轉(zhuǎn)化，而且在轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變。功是能量轉(zhuǎn)化的量度重力做功：重力勢能和其他能相互轉(zhuǎn)化彈力做功：彈性勢能和其他能相互轉(zhuǎn)化1819在一定條件下，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移在熱傳遞過程中。運(yùn)動的甲鋼球碰擊靜止的乙鋼球；能量轉(zhuǎn)移：能量轉(zhuǎn)化：小朋友滑滑梯；水力發(fā)電；火力發(fā)電；電流通過電熱器時。特點(diǎn)：能量的形式?jīng)]有變特點(diǎn)：能量的形式發(fā)生變化20指出下列現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移情況：（1）人在跑步時，身體發(fā)熱（）（2）風(fēng)吹動帆船前進(jìn)（）（3）放在火爐旁的冷水變熱（）（4）電流通過燈泡，燈泡發(fā)光（）（5）植物進(jìn)行光合作用（）化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能風(fēng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)移到帆船上內(nèi)能由火爐轉(zhuǎn)移給水電能轉(zhuǎn)化為光能光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能21能量從何處來能量向何處去？能源物質(zhì)同等形式存在轉(zhuǎn)化為其他形式消失22在一定條件下，系統(tǒng)內(nèi)的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，但其和保持不變，即服從機(jī)械能守恒定律。當(dāng)其它形式的能量如電能、內(nèi)能、化學(xué)能、光能等參與轉(zhuǎn)化時，是否服從類似的規(guī)律呢？23能量轉(zhuǎn)換定律自然界的一切物質(zhì)具有能量，能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個物體傳遞到另一物體，在能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程中能量的總量恒定不變24歷史回眸英國物理學(xué)家焦耳（JamesPrescortJoule,1818～1889）一生致力于實(shí)驗(yàn)研究。從1840年到1878年的將近40年的時間里，他研究了電流的熱效應(yīng)，壓縮空氣的溫度升高以及電、化學(xué)和機(jī)械作用之間的聯(lián)系。他做了400多次實(shí)驗(yàn)，用各種方法測定了熱功當(dāng)量的值，為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)奠定了堅實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

焦耳測定熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)裝置25能量守恒定律的意義能量守恒定律同生物進(jìn)化論、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)被恩格斯譽(yù)為19世紀(jì)的三個最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。能量守恒定律是在無數(shù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立起來的，是自然科學(xué)的普遍規(guī)律之一。自然界一切已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過程都是不可能實(shí)現(xiàn)的，例如“永動機(jī)”只能以失敗而告終。機(jī)械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。26能量的轉(zhuǎn)化機(jī)械能<->內(nèi)能（燧木取火）水能

-->電能（水力發(fā)電）風(fēng)能

-->電能（風(fēng)力發(fā)電）太陽能-->電能（太陽能發(fā)電）太陽能-->化學(xué)能（光合作用）核能

-->內(nèi)能（原子彈爆炸）27機(jī)械能內(nèi)能電能化學(xué)能核能核反應(yīng)堆燃燒蒸汽機(jī)發(fā)電機(jī)、電動機(jī)電熱器蓄電池28光合作用高溫高壓、無氧燃燒熱機(jī)機(jī)械能太陽能化學(xué)能生物能內(nèi)能電能發(fā)電機(jī)2930奧恩庫爾的永動機(jī)模型據(jù)說，13世紀(jì)有一個法國人叫奧恩庫爾的，他在一個輪子的邊緣上等間隔地安裝了12根可活動的錘桿。他設(shè)想一旦輪子被啟動,由于輪子右邊的各個重錘距輪軸更遠(yuǎn)些,就會驅(qū)動輪子按箭頭方向永不停息地轉(zhuǎn)動下去。31滾珠永動機(jī)

滾珠永動機(jī)是利用格板的特殊形狀，使一邊重球滾到比另一邊的距離輪心遠(yuǎn)些的地方。設(shè)計者本以為在兩邊重球的作用下會使輪子失去平衡而轉(zhuǎn)動不息，但試驗(yàn)的結(jié)果卻是否定的。32軟臂永動機(jī)

軟臂永動機(jī)的臂可以彎曲。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長的臂端，使力矩增大。轉(zhuǎn)到另一側(cè)，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設(shè)計者認(rèn)為這樣可以使機(jī)器獲得轉(zhuǎn)矩。然而，他沒有想到力臂雖然縮短了，力卻增大了，轉(zhuǎn)輪只能停止在原地

33阿基米德螺旋永動機(jī)把水從蓄水池里汲到上面的水槽里，讓它沖擊水輪使之轉(zhuǎn)動，輪子在帶動水磨的同時，又通過一組齒輪帶動螺旋汲水器把水重新提到水槽里去。這樣，整臺機(jī)械就可以永不停息地運(yùn)轉(zhuǎn)下去。這樣的設(shè)計當(dāng)然也必然以失敗告終。因?yàn)榧词箾]有摩擦力，從水槽中流下的水的沖力,也不足以既帶動水磨工作,又帶動汲水器把全部流下的水重新汲回到原來的高度。

34能量耗散在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上卻降低了，從便于利用變成不便于利用的了。這是能源危機(jī)更深層