第十三讲 新能源技术.ppt

公共选修课 现代物理概论 第十三讲新能源技术 由 提供下载 能源是人类社会存在与发展的物质基础 能源技术的每次进步都带动了人类社会的发展 由于煤炭 石油和天然气等化石燃料资源不可再生 以及生态环境保护的需要 新能源的开发显得越来越重要 能源可简单地理解为含有能量的资源 广义而言 任何物质都可转化为能量 但是转化的数量 转化的难易程度是不相同的 因此 将比较集中又较易转化的含能量物质称为能源 能源对人类的重要性是不言而喻的 现代社会的生产及生活都离不开能源 没有能源的大量消费 就不会有现代工业所必须的动力 所有的工业机器 汽车 飞机 坦克等都将变成一堆废铁 没有能源 人们将无法煮饭烧菜 取暖及照明 第一节能源的分类在地球上 能源的成因主要有三个方面 1 地球本身蕴藏的能量 如 海洋和陆地内储存的核能 地球的热能等 2 来自地球以外天体的能量 如宇宙射线 太阳能等 3 地球与天体相互作用产生的能量 如潮汐能 由于能源形式多种多样 因此可按不同的方式对能源进行分类 能源按是否经过加工可分为 一次能源 在自然界中天然存在的 不需要改变其基本形态而可直接利用的能源 如 水能 风能 核能 海洋能 生物能 和二次能源 由一次能源经过加工转换成的另一种形态的高品质能源 使之易于输送 方便使用 如 沼气 蒸汽 火电 水电 核电 太阳能发电 潮汐发电 波浪发电等 能源按能否再生可分为 可再生能源 在自然界中可以不断再生并有规律的得到补充的能源 如太阳能 地热 水能 风能 生物能 海洋能 潮汐能等 和非再生能源 经过亿万年形成的 短期内无法恢复的能源 如煤炭 石油 天然气 核燃料等 能源按技术的成熟程度可分为 常规能源 如煤炭 石油 天然气 水力及电力等 和新能源 如太阳能 地热能 核能 风力 波浪能 潮汐能 生物质能和海洋温差能等 煤炭被人们誉为黑色的金子 工业的食粮 煤炭在燃烧时放出的热量很高 是木炭的1 5倍 柴薪的2 4倍 如 标准煤燃烧热量值是7000卡 公斤 煤炭是由有机物质和无机物质混合组成的 有机物质的元素主要有碳 氢 氧 氮等 无机物质主要是硫 磷 氟 氯和砷等元素 碳 氢 氧是煤炭有机物质的主体 占95 以上 煤化程度越深 碳的含量越高 氢和氧的含量越低 石油又称原油 是从地下深处开采的可燃粘稠液体 主要是各种烷烃 环烷烃 芳香烃的混合物 天然气是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物 主要存在于油田气 气田气 煤层气 泥火山气和生物生成气中 天然气是一种多组分的混合气体 主要成分是烷烃 其中甲烷占绝大多数 另有少量的乙烷 丙烷和丁烷 在标准状况下 甲烷至丁烷以气体状态存在 戊烷以上为液体 第二节能源危机由于石油 煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭 同时新的能源生产供应体系又未能建立 因而在交通运输 工商业 居民生活 金融业等方面 将造成一系列与能源相关的问题 又称能源危机 能源危机是指因为能源供应短缺或是价格上涨而影响经济 能源危机通常会造成经济衰退 从消费者的观点 汽车或其它交通工具所使用的石油产品价格的上涨降低了消费者的信心和增加了他们的开销 世界能源危机是人为造成的能源短缺 石油资源将会在一代人的时间内枯竭 它的蕴藏量不是无限的 容易开采和利用的储量已经不多 剩余储量的开发难度越来越大 到一定限度就会失去继续开采的价值 在世界能源消费以石油为主导的条件下 如果能源消费结构不改变 就会发生能源危机 煤炭资源虽比石油多 但也不是取之不尽的 代替石油的其他能源资源 除了煤炭之外 能够大规模利用的还很少 太阳能虽然用之不竭 但代价太高 并且在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用 其他新能源也如是 因此 人类必须估计到 非再生矿物能源资源枯竭可能带来的危机 从而将注意力转移到新的能源结构上 尽早探索 研究开发利用新能源 否则 就可能因为向大自然索取过多而造成严重的后果 以至使人类自身的生存受到威胁 能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力 是人类赖以生存的基础 自工业革命以来 能源安全问题就开始出现 人类在享受能源带来的经济发展 科技进步等利益的同时 也遇到一系列无法避免的能源安全挑战 能源短缺 资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展 今天的世界人口已经突破60亿 比19世纪末期增加了2倍多 而据统计能源消费却增加了16倍多 无论多少人谈论 节约 和 利用太阳能 或 打更多的油井或气井 或者 发现更多更大的煤田 能源的供应却始终跟不上人类对能源的需求 按目前的消耗量 专家预测石油 天然气最多只能维持不到半个世纪 煤炭也只能维持一 两个世纪 如果新的能源体系尚未建立 能源危机将席卷全球 工业生产将大幅度萎缩 或甚至因为抢占剩余的石油资源而引发战争 1973 1974第一次石油危机产生于第四次中东战争 为打击以色列与西方国家 阿拉伯国家使出狠招 10月16日提高石油价格 第二天减少生产 并实施对西方国家的禁运 使油价从3 01美元每桶增加到11 651美元 随着阿拉伯国家1100亿美元的巨额收益 伴随着的是西方国家 包括日本 的经济衰退 保守估计 此次石油危机至少使全球经济倒退2年 1979 1980的第二次石油危机则由两伊战争引起的 两大产油国的战争造成国际油价飙涨 再次使西方国家遭受打击 以美国为例GDP增长率由1978年的5 6 下降到1980年的3 2 直至1981年0 2 的负增长 这里值得一提的是日本 日本由第一次石油危机吸取经验 进行了大规模的产业调整 增加了节能设备的利用 提升核电发电量 在第二次石油危机中保持了33 5 的增长率 一举取代美国成为世界上最大的债权国 日本的经验值得我们深思啊 第三节新能源技术新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源 包括太阳能 生物质能 水能 风能 地热能 波浪能 洋流能和潮汐能 以及海洋表面与深层之间的热循环等 此外 还有氢能 沼气 酒精 甲醇等 而已经广泛利用的煤炭 石油 天然气 水能 等能源 称为常规能源 随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出 以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视 新能源技术是高技术的支柱 包括核能技术 太阳能技术 燃煤 磁流体发电技术 地热能技术 海洋能技术等 其中核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志 通过对核能 太阳能的开发利用 打破了以石油 煤炭为主体的传统能源观念 开创了能源的新时代 水能 水能是一种可再生能源 是清洁能源 是绿色能源 是指水体的动能 势能和压力能等能量资源 最易开发和利用比较成熟的水能是河流能源 目前 全世界水电装机总容量约4亿千瓦 仅占可利用资源的18 发达国家水能资源利用比较充分 其中西欧国家开发已超过70 美国为44 俄罗斯约20 发展中国家水能利用率比较低 例如非洲的扎伊尔水能蕴藏量达1亿千瓦 而水能利用率尚不到1 我国山区较多 地形高差又大 水力资源极为丰富 是世界上水能蕴藏量最大的国家 据普查统计 我国水能资源蕴藏总量约为6 8亿千瓦 其理论上的发电量可达5 9万亿度 年 2009年底 我国水电装机容量为1 97亿千瓦 居世界第一位 长江三峡工程是跨世纪的特大型水利 水电工程 具有防洪 发电 航运 供水及发展旅游的综合效益 三峡工程共安装单机容量68万千瓦的机组26台 总装机容量1768万千瓦 年发电量840亿千瓦时 相当于6 5个已建成的葛洲坝水电站 271 5万千瓦 或相当于每年节省5000万吨火电用煤 还可节省1600公里运输线路 与相同的燃煤火电站相比 每年可少排放1亿多吨二氧化碳 200万吨二氧化硫 37万吨氮氧化物 以及大量废渣 废水 核能核能 或称原子能 是通过转化其质量从原子核释放的能量 原子核很小 它的半径只有原子半径的万分之一 如果把940万个氢原子排成一行 也只有1毫米 但原子核释放的能量却非常巨大 1克铀 235的原子核全部裂变时所释放的能量可达8 5 1010焦耳 铀 235原子核在吸收一个中子后能分裂成两个新的原子核 同时放出2个中子并释放出巨大的能量 这种能量远大于化学反应所释放的能量 这就是我们今天所说的核能 核能的获得途径主要有两种 即重核裂变与轻核聚变 核聚变要比核裂变释放出更多的能量 例如 1公斤氢燃料发生聚变反应放出的热量 相当于4公斤铀燃料发生裂变反应 或l万吨优质煤燃烧放出的热量 原子弹 核电站 核反应堆等都利用了核裂变的原理 实现核聚变的条件要求较高 需要使氢核达到上千万摄氏度 才能使相当的核具有动能实现聚合反应 重核裂变是指一个重原子核 分裂成两个或多个中等原子量的原子核 这些分裂产生的原子核的质量加起来少于裂变以前的重原子核 那么 少掉的质量到哪里去了呢 伟大的物理学家阿尔伯特 爱因斯坦 1879 1955 认为 物体所包含的能量等于物体的质量乘以光速的平方 即 E mc2 E表示能量 m表示质量 c表示光速 由于光速是个很大的数字 c 3 108米 秒 所以在物理质量减小的同时会产生非常巨大的能量 例如 当用一个中子轰击铀 235的原子核时 它就会分裂成两个质量较小的原子核 同时产生2个中子和 等射线 并释放出约200兆电子伏特的能量 如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀 235原子核 便引起新的裂变 以此类推 裂变反应不断地持续下去 从而形成了裂变链式反应 与此同时 核能也连续不断地释放出来 轻核聚变是指在高温下 温度超过108开尔文 两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程 也称热核反应 由于原子核间有很强的静电排斥力 因此在一般的温度和压力下 很难发生聚变反应 核聚变反应必须在极高的压力和 温度下进行 故称为 热核聚变反应 氢弹是利用氘 氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量这一原理制成的 但它释放能量有着不可控性 因此具有巨大的破坏性 目前正在研制的 受控热核聚变反应装置 也是应用了轻核聚变原理 由于这种热核反应是人工控制的 因此可用作能源 核能发电的过程 核能 水和水蒸气的内能 发电机转子的机械能 电能 核能发电与火力发电极其相似 只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉 以核裂变能代替矿物燃料的化学能 除沸水堆外 其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热 在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水 然后形成蒸汽推动汽轮发电机 沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽 经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机 我国第一座自行设计 建造的秦山核电站 大亚湾核电站 风能风能是地球表面大量空气流动所产生的动能 风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数 风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率 与风速的三次方和空气密度成正比关系 世界上第一个给风力定级的人却是我国唐代杰出的天文学家李淳风 李淳风是唐高宗的太史令 既是天文学家又是数学家 他撰写出了世界气象史上最早的专著 乙己占 在 乙己占 中 李淳风根据自己多年对风观察的经验 以风力对树的影响为依据 创建了8级风力标准 这就是 1级 动叶 2级 鸣条 风吹树 枝叶发出声音 3级 摇树 4级 坠叶 5级 折小枝 6级 折大技 7级 折木 飞砂石 8级 拔大树及根 加上无风和风 微弱的风 共10级 蒲福风级及表现 风力发电是风能利用的主要形式 风力发电就是把风的动能转变成机械能 再把机械能转化为电能 风力发电所需要的装置 称作风力发电机组 主要包括风轮 包括尾舵 发电机和铁塔三部分 澳大利亚风力发电 太阳能太阳是一个很大的炽热球体 它的直径有1 39 109米 大约是地球直径的109倍 太阳表面的温度约为6000摄氏度 中心温度高达2000万摄氏度 中心区域压力高达几千亿个大气压 在太阳内部时时刻刻在大量地发生热核聚变反应 产生大量的聚变能 太阳一年中向外辐射的总能量达3 8 1023千瓦 相当于每秒钟燃烧1 28 1016吨标准煤所放出的热量 这样的热量可在一分钟内蒸干地球上所有的海洋和江湖河川里的水 太阳是距地球最近的恒星 但太阳辐射到地球大气层上表面的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一 可是这22亿分之一的能量已高达1 73 1014千瓦 即太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤燃烧放出的热量 由于穿越大气层时的衰减 最后达到地球表面的太阳能只有其中的47 即8 1 1013千瓦 地球上的风能 水能 海洋温差能 波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳 即使是地球上的化石燃料 如煤 石油 天然气等 从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能 所以广义的太阳能包括的范围非常大 狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热 光电和光化学的直接转换 太阳能是氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量 太阳能是人类能源的宝库 如化石能源 地球上的风能 生物质能都来源于太阳 太阳能既是一次能源 又是可再生能源 它资源丰富 既可免费使用 又无需运输 对环境无任何污染 太阳能可分为太阳能光伏和太阳能光热两类 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置 由几乎全部以半导体物料 例如硅 制成的固体光伏电池组成 由于没有活动的部分 故可以长时间操作而不会导致任何损耗 简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源 较复杂的光伏系统可为房屋提供照明 并入电网供电 光伏板组件可以制成不同形状 而组件又可连接 以产生更多电能 近年 天台及建筑物表面均可使用光伏板组件 甚至被用作窗户 天窗或遮蔽装置的一部分 这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统 现代的太阳热能科技将阳光聚合 并运用其能量产生热水 蒸气和电力 除了运用适当的科技来收集太阳能外 建筑物亦可利用太阳的光和热能 方法是在设计时加入合适的装备 例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料 太阳灶 太阳能计算器 太阳能发电站 生物质能生物质是指来源于草本植物 树木和农作物等中的有机物质 而生物质能就是太阳能以化学能形式蕴藏在生物质中的一种能量形式 它直接或间接地来源于植物的光合作用 是以生物质为载体的能量 生物质能具有以下特点 生物质利用过程中二氧化碳的零排放特性 生物质是一种清洁的低碳燃料 其含硫和含氮都较低 同时灰分含量也很小 是一种清洁的燃料 生物质资源分布广 产量大 转化方式多种多样 生物质单位质量热值较低 一般生物质中水分含量大而影响了生物质的燃烧和热裂解特性 生物质的分布比较分散 收集运输和预处理的成本较高 可再生性 据估计 地球上每年经光合作用生成的生物质总量为1700亿吨左右 干重 若将它们所储存的生物质能全部利用起来 可供全世界消耗好几年 地热 第四节能源技术的未来能源是经济和社会发展的重要物质基础 工业革命以来 世界能源消费剧增 煤炭 石油 天然气等化石能源资源消耗迅速 生态环境不断恶化 特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化 人类社会的可持续发展受到严重威胁 随着经济和社会的进一步发展 能源需求将持续增长 增加能源供应 保障能源安全 保护生态环境 促进经济和社会的可持续发展 是能源技术的重大任务 国际能源署研究表明 在未来30年内非水利的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快 到2030年 它将提供世界总电力的4 4 在未来30年可再生能源发电的成本将大幅度下降 从而增加它的竞争力 在经过了几十年的探索后 国内外许多专家都表示 风能和太阳能对于地球来讲是取之不尽 用之不竭的健康能源 它们今后必将成为能源主流 太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点 应用面较广 现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电 在德国甚至接近全国发电总量的5 8 随之而来的问题令我们意想不到 太阳能发电的时间局限性导致了对电网的冲击 如何解决这一问题成为能源界的一大困惑 风力发电在19世纪末开始登上历史的舞台 由于它造价相对低廉 成为各个国家争相发展的新能源首选 然而 随着大型风电场的不断增多 占用的土地也日益扩大 产生的社会矛盾日益突出 新型垂直轴风力发电机 H型 突破了传统的水平轴风力发电机启动风速高 噪音大 抗风能力差 受风向影响等缺点 采取了完全不同的设计理论 采用了新型结构和材料 达到微风启动 无噪音 抗12级以上台风 不受风向影响等性能 可大量用于别墅 多层及高层建筑 路灯等中小型应用场合 以它为主建立的风光互补发电系统 具有电力输出稳定 经济性高 对环境影响小等优点 也解决了太阳能因时 间限制而对电网的冲击影响 据估计 在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨 这些裂变燃料足可以用到聚变能时代 轻核聚变的燃料是氘和锂 1升海水能提取30毫克氘 在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量 即 1升海水约等于300升汽油 地球上海水中有40多万亿吨氘 足够人类使用百亿年 地球上的锂储量有2000多亿吨 锂可用来制造氚 足够人类在聚变能时代使用 以目前世界能源消费的水平来计算 地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量 可供人类使用上千亿年 因此 如果解决了核聚变技术