[理学]14_第十四章 能源的合理利用及新能源.ppt

第十四章 能源的合理利用 及新能源简介 能 源 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：煤、石油、天然气、太阳 能、风能、水能、地热能、核能等。 传统能量转换方式 n传统能量转换方式存在两大弊端： n间接转换，中间环节多，转换效率低。 n燃烧化石燃料（煤、石油、天然气等） ，既加速了有限的化石燃料的日益枯竭，又 对环境造成了严重的污染。 n能源问题出路： n现有能源的高效洁净利用技术 n能量直接转换技术 n新能源与可再生能源 14 - 1 能源分类 n自然界中的能源根据它们的初始来源， 当前可概括为四大类 n与太阳有关的能源 n与地球内部的热能有关的能源 n与原子核反应有关的能源 n与地球一月球一太阳相互联系 有关的能源 n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 n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 14 - 1 能源分类 按获得的方法分按获得的方法分 一次能源一次能源 二次能源二次能源 由一次能源转换而来的能源，如由一次能源转换而来的能源，如 电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等 14- 1 能源分类 可供直接利用的能源，如煤、石可供直接利用的能源，如煤、石 油、天然气、风能、水能等油、天然气、风能、水能等 按能否再生分按能否再生分 不会随它本身的转化或人类的不会随它本身的转化或人类的 利用而越来越少，如水能、风利用而越来越少，如水能、风 能、潮汐能、太阳能等能、潮汐能、太阳能等 非再生能源非再生能源 随人类的利用而越来越少，如随人类的利用而越来越少，如 石油、煤、天然气、核燃料等石油、煤、天然气、核燃料等 14 - 1 能源分类 可再生能源可再生能源 按对环境的污染分按对环境的污染分 清洁能源清洁能源 对环境无污染或污染很小的能源，对环境无污染或污染很小的能源， 如太阳能、水能、海洋能等；如太阳能、水能、海洋能等； 非清洁能源非清洁能源 对环境污染较大的能源，对环境污染较大的能源， 如煤、石油等。如煤、石油等。 14 - 1 能源分类 14 - 1 能源分类 n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 n目前主要从两个方面入手 n合理利用现有能源 n积极开发和利用各种可再生 能源 n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 14 - 2 能源的合理利用 n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。 n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 个机组、一个企业以至一个地区的能源 的合理利用。 广义地说，能量转换应包含三项内容: 能量的形态形态转换能量转换 能量的空间空间转换能量传输 能量的时间时间转换能量储存 能量的转换 能量转换过程及转换设备能量转换过程及转换设备 能源能源形态转换过程转换机械或系统 石油、煤 炭、天然 气等矿物 燃料 氢和酒精 等二次能 源 化学能 热能 化学能 热能 机械能 化学能 热能 机械能 电能 化学能 电能 热能 化学能 电能 炉子、燃烧器 各种热力发动机 热机、发电机，磁流体 发电，EGD发电（压电 效应） 热力发电，热电子发电 燃料电池 n洁净煤技术 n煤炭的燃前净化和加工 n清洁型煤技术（型煤） n水煤浆技术（70%煤粉+30%水煤水混合 物） n煤炭的高效清洁燃烧 n燃烧后的净化 n煤炭的转化 14 - 2 能源的合理利用 n能量的梯级利用和工业余能利用 n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 n燃气蒸汽联合循环和热电联供 n工业余能的利用 n动力利用 n热利用 14 - 2 能源的合理利用 水泥余热发电 n传统的发电技术是利用线圈相对磁场转 动来发电。 一、磁流体发电 n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。 n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 。 14 3 能量直接转换 n发电效率高 n普通火力发电 20%40% n磁流体发电 60 n环境污染少 n火力发电 二氧化硫空气污染 n磁流体发电 硫酸钾回收利用 14 3 能量直接转换 n磁流体发电原理霍尔效应 14 3 能量直接转换 n磁流体发电装置 14 3 能量直接转换 n磁流体发电机 14 3 能量直接转换 N S 发电通道 等离子体 燃烧室 二、燃料电池 n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。 n美国将其列为27项涉及国家安全技术 之一 n日本认为其是21世纪能源环境领域的 核心 n加拿大计划将其发展成国家的支柱产 业。 14 3 能量直接转换 n燃料电池示意图 14 3 能量直接转换 n燃料电池优点 n能量转换效率高； n低污染、无噪音； n对燃料的适应性强； n重量轻，体积小，起动和关闭迅速； n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。 14 3 能量直接转换 n燃料电池类型（按电解质材料分） n碱溶液型 n磷酸型 n熔融碳酸盐型 n固体氧化物型 n质子交换膜型燃料电池。 14 3 能量直接转换 三、温差发电 n温差发电 新型的发电技术 14 3 能量直接转换 原理 Seebeck 效应 n温差发电机原理 14 3 能量直接转换 n温差发电机结构示意图 14 3 能量直接转换 14 4 新能源 n新能源 n太阳能 n生物质能 n风能 n地热能 n海洋能 n核聚变能 14 4 新能源太阳能 一、太阳能 n太阳能是来源于太阳内部氢变氦的核聚 变反应的能量。 n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。 n狭义 直接利用的太阳辐射能。 14 4 新能源太阳能 n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。 n我国陆地表面每年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。 14 4 新能源太阳能 n太阳能利用 n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。 14 4 新能源太阳能 n太阳能光热利用 n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。 14 4 可再生能源太阳能 n太阳能利用 n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。 14 4 新能源太阳能 n太阳能电池 n硅系列太阳电池（包括单晶硅、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。 n其中单晶硅太阳电池技术最成熟。 14 4 新能源太阳能 n太阳能电池 太阳光谱图 太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect) 由太阳光与材料相互作用而产生电势 UV Visible Infrared 48%48% 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 全球太阳能泵水系统 MaliMaliPhilippinesPhilippines EgyptEgyptSudanSudan 太阳能光伏泵水 14 4 新能源生物质能 14 4 新能源生物质能 二、生物质能 n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。 n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。 14 4 新能源生物质能 n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），相当于 目前世界总能耗的38倍。 n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。 n全世界约25亿人的生活能源的90%以上是 生物质能。 14 4 新能源生物质能 n优点：燃烧容易，污染少，灰分较低 n缺点：热值低、热效率低、能量密度低。体 积大不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅 为10%30%。 n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 14 4 新能源生物质能 n生物质能利用 n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。 n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。 n利用油料植物所产生的生物油。 n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。 14 4 新能源生物质能 高效 提取 生物 质能 的生 产设 备 14 4 新能源风能 三、风能 n风能是流动的空气所具有的能量（动能），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。 n风能是太阳辐射能的一种转换形式。 n全球风能约为130200亿千瓦，如有1被利用，即 可满足人类对能源的全部需求。 n我国10米高度层的风能资源为32.26亿千瓦，实际可 利用的风能资源为2.53亿千瓦。 14 4 新能源风能 n风能利用 n风力发电 n风力提水 n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。 14 4 新能源风能 n风力机 14 4 新能源风能 14 4 新能源风能 14 4 新能源风能 14 4 新能源地热能 14 4 新能源地热能 四、地热能 n地热能是指蕴藏在地球内部的巨大的天然热能。 n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，平均每年为1.21024J/Year 。 n地热能作为一种可再生能源受到了世界各国普遍 的重视。 14 4 新能源地热能 n地热资源分类： n水热型 地热蒸汽和地热水，现在开 发 利用的主要地热资源 n地压型 尚待研究和开发 n干热岩型 n岩浆型 利用的技术难度很大 n地热利用 n发地热发电、地热直接利用 14 4 新能源地热能 n地热发电 n地 热 蒸汽发电以净化后的地 热蒸汽为工质发电。 n扩容法地热发电将地热水通入 压力较低的扩容器中，热水迅速汽 化，体积增大，这就是扩容，也叫 闪蒸。 n双循环地热发电利用地热水加 热某种低沸点工质，产生蒸汽发电 。 14 4 新能源地热能 義大利最早使用地熱發電的國家 14 4 新能源地热能 日本地热发电 14 4 新能源地热能 n地热直接利用 n采暖、空调、工业烘干、农业温 室、水产养殖、旅游疗养等。 地源热泵 14 4 新能源海洋能 14 4 新能源海洋能 五、海洋能 n海洋能指的是海洋中的可再生能源，包括 潮汐能、波浪能、海流和潮流能、海洋温 差能、海洋盐差能等。 n除了潮汐能和潮流能源于星球间的引力外 ，其它海洋能均源于太阳能。 14 4 新能源海洋能 n全世界海洋能的理论可再生量约为 760多亿千瓦，其中: n海洋温差能约 400亿千瓦 n盐度差能约为 300亿千瓦 n潮汐和潮流能约为 3040亿千瓦 n波浪能约为 30亿千瓦 n甲烷冰约为 500800亿米3 14 4 新能源海洋能 n潮汐能 n潮汐能是海水受月球和太阳的引 力作用而发生周期性涨落所具有的能 量。潮汐能的利用主要是发电。 14 4 新能源海洋能 n波浪能 n波浪是由于风和重力作用而形成 的海水的起伏运动，它所具有的能 就是波浪能。 n通过某种装置将波浪能转换为机 械能、气压能或液压能，然后通过 传动机构、气轮机、水轮机或油压 马达驱动发电机发电，这样就将波 浪能转化成了电能。 14 4 新能源海洋能 n海洋温差能 n海洋表层海水的温度高于深层海水的温度 ，在热带和亚热带海域，这个温差可以达到20 n从热力学上讲，有温差就可以产生动力， 所以海洋温差中蕴含着能量称作海洋温差能或 海洋热能。 n据测算，全球热带海洋的水温只要下降1 就能释放出1200亿千瓦的能量。 n实际上海洋的温差能居于海洋能之首。 14 4 新能源海洋能 n甲烷冰 n海洋深处动植物遗体等有机