新能源發(fā)電技術 第2版 教學課件 1能源概述

第1講能源概述§1.1.1

資源和能源——資源——在一定時期和地點，在一定條件下具有開發(fā)價值、能夠滿足或提高人類當前和未來生存和生活狀況的自然因素和條件，

稱為自然資源，有時簡稱資源。包括氣候資源、水資源、礦物資源、生物資源、能源，等等。——能源——能源就是能夠向人類提供某種形式能量的自然資源，包括所有的燃料、流水、陽光、地熱、風等，通過適當的轉換手段可使其為人類生產和生活提供所需的能量。例如煤和石油等化石能源燃燒時提供熱能，流水和風力可以提供機械能，太陽的輻射可轉化為熱能或電能?！?.1

能源的概念各種能源均有優(yōu)點，也各有不足。如何進行評價和比較？(1)能流密度即在單位空間或單位面積內，能夠從某種能源獲得的功率?；剂吓c核燃料的能流密度大，各種可再生能源的能流密度一般都比較小。能量密度太小，則不利于開發(fā)利用，因為經濟性太差。能流密度較小的太陽能、風能等可再生能源，小規(guī)模應用的技術已經相當成熟，大規(guī)模開發(fā)時需要安排較大的接收面積?！?.1.2

能源的評價標準煤各種燃料的熱值是不同的，在統(tǒng)計能源的生產和消費，特別在計算能耗指標時，常定義一種假想的標準燃料，即標準煤。標準煤的熱值為2.9×104kJ/kg。各種燃料均可按平均發(fā)熱量折算成標準煤。(2)開發(fā)費用和設備造價化石能源與核燃料，勘探、開采、加工、運輸，都需投入大量人力、物力。而使用天然氣和石油的發(fā)電設備以及水電設備，單位容量的初期投資較小。太陽能、風能等可再生能源，開發(fā)費用主要是開發(fā)能源的一次性投資，設備造價比較高；而運營費用很低。(3)存儲的可能性與供能的連續(xù)性即能源可以連續(xù)供應，需要能量時可以馬上提供，不用時能夠大量存儲?；剂隙急容^容易存儲，也便于連續(xù)供應。太陽能、風能等可再生能源則不易保存，

能量供應也可能有波動性和間斷性。(4)運輸費用與損耗能源的資源分布與能源利用的需求分布，往往并不一致。從能源開發(fā)地點到使用地點，運輸過程本身也要投資并消耗能源，遠距離運輸的成本和損耗會影響能源的使用。太陽能、風能、地熱能，是難以運輸的?；剂峡梢赃\輸，但要考慮運輸的成本和耗能。(5)對環(huán)境的影響化石燃料燃燒過程中會排放CO2等溫室氣體，甚至還有一些有毒的或腐蝕性物質，對環(huán)境影響較大。核燃料有放射性污染及廢料處理的問題?？稍偕茉创蠖嗍菨崈裟茉?，對環(huán)境的影響較小。(6)蘊藏量作為可以長期利用的能源，在地球上的蘊藏量要足夠豐富。此外，能源的地理分布對其開發(fā)利用也有影響?；剂系确窃偕茉矗N藏量是有限的，總有用完的時候。太陽能、風能等可再生能源，可以循環(huán)使用，不斷的得到補充，即使每年更新的數量有限，長期來看，也是無窮無盡的。(7)能源品位能源品味反映的是能源利用的方便程度。一般來說，二次能源要比一次能源品味高。能直接變成機械能和電能的能源（如水力和風能），要比那些必須先經過熱利用環(huán)節(jié)的能源（如化石燃料）的品位高。(1)一次能源vs二次能源（按形成條件）§1.2

能源的分類一次能源：定義：以天然形態(tài)存在于自然界中，可直接取得而不需改變其基本形態(tài)的能源。舉例：太陽能；風能；海洋能(包括潮汐能、波浪能、海水溫差能、鹽差能、海流能等)；現代生物質能(包括垃圾發(fā)電、秸稈發(fā)電、沼氣發(fā)電等)；煤炭；石油；地熱能；天然氣；水能；核能二次能源：定義：由一次能源經加工轉換而獲得的另一種形態(tài)的能源。舉例：氫能；電能；蒸汽能一次能源的來源自然界中一次能源的初始來源，大致有三種情況：①來自地球以外天體（主要是太陽）的能量，例如能以光和熱的形式直接利用的太陽能，以化石或生物體等物質形式存儲的能量，以風、水流、波浪等形式體現的能量；②來自地球內部的能源，主要是核能和地熱能；③地球與其他天體相互作用產生的能量，例如月亮、太陽引力變化形成的海洋潮汐能。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應用狀況）常規(guī)能源是指在當前的技術水平和利用條件下，已被人們廣泛應用了較長時間的能源，現階段主要是指煤炭、石油、天然氣、水能、核（裂變）能。這類能源，使用較普遍，技術較成熟。目前，世界能源消費絕大部分靠這五大能源來供應。新能源是指由于技術、經濟或能源品質等因素而未能大規(guī)模使用的能源，如太陽能、風能、海洋能、地熱、生物質、氫能、核聚變能等。這類能源，已經開始或即將被人們推廣利用，但目前還沒有被大規(guī)模使用，有的甚至還處于研發(fā)或試用階段。(2)常規(guī)能源與新能源（按發(fā)展應用狀況）常規(guī)能源和新能源的分類是相對的，不同歷史時期會變化，這取決于應用歷史和使用規(guī)模。例如在1950年代，核(裂變)能屬于新能源，但隨著其開發(fā)和利用的日益廣泛，世界上不少國家已把它被歸為常規(guī)能源。有些能源雖然應用的歷史很長，但正經歷著利用方式的變革，而那些較有發(fā)展前途的新型應用方式尚不成熟或規(guī)模還小，也被歸為新能源，例如太陽能、風能。在中國，新能源指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的一次能源，包括太陽能、風能、海洋能、地熱能、生物質能等。(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內無法恢復），總有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均為非再生能源。據估計，按照現有的探明儲量和開采程度，地球上的化石燃料最多還可使用幾百年?；茉吹膬Σ杀龋辏狟P世界能源統(tǒng)計2020煤：132年天然氣：49.8年石油：50年(3)非再生能源和可再生能源（按循環(huán)恢復能力）非再生能源，也叫不可再生能源，用完后不可重新生成（至少在短期內無法恢復），總有枯竭的一天。如化石燃料和核燃料均為非再生能源。據估計，按照現有的探明儲量和開采程度，地球上的化石燃料最多還可使用幾百年。可再生能源，可以循環(huán)使用，能夠有規(guī)律地不斷得到補充，沒有使用期限，也不會因長期使用而減少。如太陽能、水能、風能、海洋能、地熱能和生物質能，均為可再生能源。大中型水電和傳統(tǒng)的生物質能利用為舊的可再生能源，其開發(fā)相對比較成熟，但對環(huán)境有較大的不利影響。太陽能、風能、地熱能、海洋能、現代生物質能、氫能等為可再生新能源。(4)含能體能源和過程性能源(按能源存在和轉移形式)含能體能源是指包含著能量的物質或實體。例如化石燃料、核燃料、生物質、地熱水和地熱蒸汽，等等。這類能源可以直接儲存和運輸。過程性能源是指隨著物質運動而產生、并且僅以運動過程的形式存在的能源。如天上刮的風、河里流的水、漲落的海潮、起伏的波浪、地球內部的地熱等。這類能源無法直接儲存和運輸。(5)清潔能源和非清潔能源(按環(huán)境污染程度)清潔能源是指對環(huán)境沒有污染或污染較小的能源，

有時也叫綠色能源?？梢允潜旧砭筒划a生污染物的能源，如太陽能,風能,海洋能；也可以是“變廢為寶”，利用能源與環(huán)境保護相結合的開發(fā)方式，例如垃圾發(fā)電、沼氣等生物質能利用。非清潔能源是指可能對環(huán)境造成較大污染的能源，例如煤炭等化石燃料。清潔與非清潔能源的劃分也是相對的。與煤炭相比，過去曾認為石油是清潔能源，而與風能、太陽能等相比，它就顯得不夠清潔了，也會產生氧化氮、氧化硫等有害物質。塞罕壩風電場，全國首個百萬千瓦級風電基地甘肅敦煌100MW熔鹽塔式光熱電站我國首個雙向潮汐能發(fā)電站——溫嶺江廈潮汐電站西藏羊八井地熱二分場§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響任何一種能源的開發(fā)利用都會給環(huán)境造成一定的影響。（1）大氣污染化石燃料的利用過程會產生CO、SO2、NOx等有害氣體，不僅能導致生態(tài)系統(tǒng)的破壞，還會直接損害人體健康。2017年全球因長期暴露于室外和室內空氣污染而死于中風、心臟病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人數達到近500萬；而在中國，該數字是120萬。在全球范圍內，室外和室內空氣污染致人均預期壽命縮短達20個月，其影響堪比吸煙。§1.3

能源與環(huán)境問題§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（2）溫室效應大氣中CO2的濃度增加一倍，地表平均溫度將上升1.5～3℃，在極地可能會上升6～8℃，結果可能導致海平面上升20～140cm，將給許多國家造成嚴重的經濟和社會影響。由于大量化石燃料的燃燒，大氣中CO2的濃度不斷增加，每100萬大氣單位中的CO2含量，在工業(yè)革命前為280個單位，到1988年增長為349個單位。2018年，全球碳排放為近七年最高增速，能源消費新產生的碳排放達6億噸，相當于在地球上增加三分之一的乘用車所產生的排放?！?.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響溫室效應的加劇引發(fā)了冰雪圈、生物圈甚至全球性的連鎖反應。白化的珊瑚南極思韋茨冰川融化§1.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（3）酸雨SO2、NOx等污染物，經大氣傳輸，在一定條件下形成酸雨，改變酸雨覆蓋區(qū)的土壤性質，危害農作物和森林生態(tài)系統(tǒng)，改變湖泊水庫的酸度，破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)，腐蝕材料，造成重大經濟損失。酸雨還導致地區(qū)氣候改變，造成難以估量的后果?！?.3.1

常規(guī)能源的環(huán)境影響（4）其它影響若再考慮能源開采、運輸和加工過程中的不良影響，

則造成損失將更為嚴重。平均每開采1萬噸煤，受傷人數為15～30人，

可能造成0.2公頃土地塌陷，平均每年塌陷的土地超過200km2。核能的利用雖然不會產生上述污染物，但存在核廢料問題。世界范圍內的核能利用，將產生成千上萬噸的核廢料。如果不能妥善處理，放射性的危害或風險將持續(xù)幾百年。§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題世界人口從1900年的16億到目前的60多億，凈增加了2倍多，而能源消耗增加了16倍，說明人類對能源的依賴越來越強烈。目前，石油、煤、天然氣這些化石能源在世界能源消費結構中所占的比例仍然很高，且各類燃料需求均處于增長態(tài)勢。如果沒有新的替代能源充分發(fā)展，21世紀人類將面臨著新的能源危機。另一方面，人類大量使用化石燃料，環(huán)境污染日益嚴重，生態(tài)平衡慘遭破壞，直接危及人類的生存和發(fā)展?！?.3.2

世界能源與環(huán)境問題2019年，全球一次能源消費總量達到583.90EJ(1EJ=1018J)，同比增長1.3%，不到18年增速的一半(2.8%)。2019年全球一次能源消費量(EJ)§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題從一次能源消費結構看，石油占全部能源消費總量的33.1%，天然氣占24.2%，煤炭占27.0%，水電占6.4%，核能占4.3%，可再生能源占5.0%。與上年相比，可再生能源比重提高了0.5個百分點，清潔能源比重提高了0.7個百分點至39.9%。2019年全球一次能源消費結構§1.3.2

世界能源與環(huán)境問題從一次能源消費份額看，2019年，全球一次能源消費總量前三甲依次是中國大陸、美國