朱明-能源的基本概念.ppt

第一章能源的基本概念 初始能 核聚变 核裂变 放射性能源天体间引力太阳能地热能潮汐能辐射能地热水地热蒸汽天然能生物质能化石燃料 能源分类 按能源在自然界的存在方式 一次能源和二次能源按能源被利用的情况 常规能源 石油 煤炭 天然气 水力 核能 新能源 待开发的太阳能风能等 和替代能源按能源的再生性 可再生能源和非再生能源按对环境的影响 清洁型能源 太阳能 水能和地热能 天然气等 和非清洁型能源 能源的特点 替代性 火力发电煤燃料石油天然气燃料多用性 动力源化工原料辅助原料关键问题 重视技术分析 优化能源利用污染性 电能生产 电池的制造和报废处理等环节存在不可忽视的污染化石燃料 由于用量巨大 污染总量相当可观 20世纪的能源概况 20世纪主要能源是煤炭与石油 20世纪末形成了石油 煤炭和天然气三足鼎立的格局 天然气价廉好用 特别是用在汽车上污染小 在世界能源中其重要性日益增加 水能和核能发展潜力很大 在我国还属于新能源 份额很小 太阳能 风能 地热能 海洋能 生物质能和氢能将成为未来世界的能源基础 氢能概述 1874年科幻作家朱尔斯 维文预言世界的能源最终将以氢为基础 氢能源很重要 但无论如何不能取代太阳能世界能源最终基础的地位 它是宇宙中含量最丰富的元素之一 可用水作原料 可再生且无污染 燃料循环与生物圈相吻合 水蒸汽是它唯一的废物 还可用天然气 煤 硫化氢为原料 氢燃料单位质量能量密度高 可燃界限宽 火焰传播速度高 无论在发动机中掺烧还是纯烧 热效率明显比石油高 但氢在制取和储运方面有待突破 水制氢的新方法 1 将水加热成约1000 形成蒸汽而后电解 2 将微压下的水蒸汽通入等离子 化学反应器3 将二氧化碳通入等离子 化学反应器4 利用催化剂和上下腔连通的反应器 5 采用特殊半导体作阳极 白金作阴极 浸泡在硝酸钾的水溶液中电解 天然气制氢现在看比较经济 煤气化可提炼出氢 硫化氢制氢消耗能量较低 但来源有限 水制氢是根本 但能量消耗大 技术上有待突破 氢是一种理想的能源载体 可储存起来用于燃料电池 锅炉燃料等 随着技术的进步 21世纪中期之后氢有希望成为重要能源 氢气汽车 最早的氢气汽车是德国1984 1988年研制的10辆 1986年瑞典也研究出了氢气汽车 20世纪90年代 日本研制了武藏8号氢气汽车 制氢过程中存在的问题 由天然气 煤 渣油制氢时 需要的原料多 温度高 而且CO2的污染也较大 由水制氢时 有电解水法 热化学法及混合法 光解法及微生物法 电解水法成本高 热化学法需要大量的热能 光解法需要光催化剂 微生物法细菌产氢及光合微生物法 光解法及微生物法每小时只能产生出几微克的氢 还远未能实用化 有待于进一步研究 生产氢的最理想方法是用太阳能或其它形式的可再生能源电解水 这种生产过程需要酸性物质刻光电仪器 酸性物质是有害的 但是用量度不大 容易再生或安全处理掉 在制氢的矿物原料中 用煤制氢是最便宜的 然而煤制氢的生产过程要排放出SO2 NOX CO2及致癌的多环芳香烃等有害排放物 所以有必要研究清洁的煤气化技术 氢能用于汽车上 来源丰富太阳能 风能 水能等天然气 煤 硫化氢等污染少 水和氮氧化物 热效率高 氢的火焰传播速度为4 85M S 比汽油的0 83高许多 氢是气态燃料 混合气形成质量好 分配均匀 加之火焰传播速度高 允许采用较稀的混合气 氢的自燃温度比汽油高 辛烷值高 允许有较高的压缩比 这些因素都使得燃氢时热效率较高 燃料消耗率较低 动力性差 密度小 仅为空气的1 14 5 在气缸中将挤占相当一部分容积 影响空气量 反过来也影响了氢气量 虽然单位质量热值高 但单位容积热值低 生产成本高 储运技术 石油 20世纪世界的能源主要是煤炭和石油 还有天然气 水电和核电 不可再生储量有限 四五十年代曾说过三四十年石油就要被用光了 到了70年代仍说石油还可开采三四十年 但从1973年至今人类开采了800亿吨石油 相当于1973年探明储量的85 与此同时 探明储量将近翻番 还可用40年 污染严重发展前景 保持二三十年的惯性领先 21世纪中叶将伦为次要能源 煤 采储量大储产比高 为235各国对煤炭研究开发的投入都很大 早在1988年美国投资2 387亿美元进行煤炭方面的研究 仅次于核能研究开发的投入 日本投入资金是美国的1 3倍 英国也很重视 我国主要用于发电燃料 核能 定义及应用 核能是来自原子核的能量 能量密度非常高 有巨大的应用潜力 主要用于发电 严格管理下的核电是一种安全 清洁的能源 对核能认识 日本广岛 长崎爆炸的两颗原子弹 还有美国三里岛 原苏联切尔尼贝利两个核电站的爆炸事故 给人们留下的深刻的可怕的印象 错误的认为核电站与原子弹是一回事 一度使核电的发展速度变慢 有的国家准备放弃核能 但并没有找到替换核能的好办法 只要有先进的安全保护系统 核能将得到迅速发展 按照核电的发展潜力 再过三五十年有可能成为主要能源 最终将煤炭和天然气甩在后面 水能 是可再生清洁能源潜力大初始投资高发达国家的水能资源利用程度较高 日本69 5 美国59 25 西欧47 94 我国5 86 预计21世纪中叶之后 水能在世界总能源消费中的比例可能会维持在10 左右 不能直接应用在汽车上 风能 根况 可再生类清洁能源 风能相当丰富 取之不尽 若充分开发 位于美国太平洋3个州的风能发电量足以满足整个美国的需求 我国内蒙的风能发电量也可能满足全国的需求 风电的特点 1 与化石燃料相比 风能显得过于分散稀疏 装机容量上百万千瓦的风力发电站 需要几百至几千台风力发电机 而且发电机的间隔距离要大 所以 占地面积很大 2 噪声大 对无线电有干扰 3 成本高 前景和有待解决的问题 风电可建在戈壁滩上 随着技术的进步 风电成本10年间降低了2 3 1990年风电成本每千时6 5美分 预计未来10年内可降到每千瓦时3 4美分 水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机是风力发电的研究重点 我国的风力透平可靠性和寿命较差 研究风力透平叶片防颤 开发高强度耐疲劳材料是我国风能利用的重点研究课题 太阳能 概述 太阳能取之不尽 用之不竭 太阳照在地球表面的能量等于人类所需能量的1万倍 是自然界最丰富的可再生清洁能源 目前主要用于日照充足 气候温暖 缺少电力或其他现代能源的 边缘地带 用于发电 供热及照明等 发电 发电有分散和集中两种 1 分散发电 主要借助于光电池 太阳能电池 近10年来世界上至少有25万户边远地区的农村家庭安装了用来使太阳能发电的硅电池 瑞士已有1000多幢大楼安装了外置式太阳能发电装置 日本计划10年内为6 7万幢大楼安装太阳能发电装置 又能挡风遮雨的多功能 太阳能瓦 正在研制 欧洲已有既能滤光又能发电的半透明玻璃墙和玻璃窗2 集中发电 主要采用高温型太阳能集热器 可自动跟踪太阳 然后将热能转化为电能 除此之外 还有中温型集热器 发电的最大障碍是成本高 美国鲁兹国际公司兴建的7套太阳能发电系统发电容量为20万KW 已并入爱迪生公司电网 太阳能 供热 主要采用低温型 工作温度低于100度 太阳能集热器或利用太阳能水池等 澳大利亚 希腊和以色列等国大部分家庭使用太阳能热水器 我国的太阳能热水器集热面积已达180万平方米 被动太阳房2000幢 太阳能干燥器1万多平方米 太阳能除可用来生产热水外 还可用作污水处理 太阳能灶及冷藏 太阳能灶是将水高温汽化进入压力容器供往灶头 我国是使用太阳能灶最多的国家 污水处理的典型例子是美国和新西兰研究所的工作 冷藏典型地例子是日本1984年建成的世界上第一个利用太阳能制冷的高性能冷藏系统 近年来利用建筑结构采暖的被动式采暖太阳能房日益增多 照明 用于地下建筑及隧道等阳光不以能照射的区域 美国明尼苏达大学土木采矿系采用阳光收集 折射和传递装置 将阳光引入35m深的中心办公室 日本东京电视转播中心地下室采用一套更加复杂的太阳光引入装置 太阳能电池 太阳能游水池 太阳能水池或称为太阳能湖 是一种利用水来储存太阳能以资应用的大水池 采用盐水或高透射率元件 盐水储热现象是19世纪末罗马尼亚特兰瓦尼亚的一位医生发现的 有一个盐水湖在严冬季节湖面结冰情况下冰下的湖水温度竟高达60度 下边水湖储能原理是具有密度梯度的液体受热时不发生均质液体内通常所发生的对流 湖面自身就是一个巨大的采光板 阳光可透过湖面射入湖内 湖水愈向下盐份愈浓 密度愈大 下层密度大的受热湖水难以向上对流 上层密度小的较冷湖水难以向下对流 同时对下起隔热层作用 这样就使下层成为一个温度较高的蓄热层 在热能利用方面 主要是提高集热器的热效率和降低成本 发展建筑和热工统一的设计系统 意大利太阳能湖 可获得90度的热水 除能发电500KW之外 还能淡化海水 除此之外 日本和美国也建了太阳能水池 太阳能在汽车上的应用 一种是转变为热能后再转变为机械能或电能 另一种是利用太阳能电池 后者的效率比前者高 为太阳能汽车采用 太阳能电池没有储电能力 电池的能量来源只能是太阳能 太阳能电池的能量密度太低 太阳能汽车多采用混合动力方式 目前世界上已经有了多种太阳能汽车概念车 太阳能用作汽车能源存在的问题 成本高 效率低 最高效率约为20 能量密度低 美国通用汽车公司研制的太阳能汽车 电池在汽车表面的覆盖面积高达8 37平方米 阳光充足时最高转速才达到74km h 受时令影响大 阴天必须依靠其它能源 生物质能 概述 指植物及其加工品和粪肥等 是人类最早利用的能源 主要优点是可以再生 而且储量大 发展生物质能本身就意味着要扩大地球上的绿化面积 有利于改善环境 调节气温 减少污染 生物质能的应用除了柴草等直接燃烧外 还有如下一些方面 利用人畜粪便 工农业的有机废物或海藻等生产沼气 生产沼气是生物质能最普及的应用形式 发展中国家生产沼气主要为改善农业生态环境 缓解农村生活用能短缺 20世纪末 我国的农家沼气已有700多万个 名列世界第一 沼气主要用于炊事 照明和提供沼肥 而工业发达国家生产沼气主要与处理垃圾结合起来 而且规模较大 沼气的利用形式主要有中国的水压式和印度的浮罩式 利用生物质转换为液体燃料 如利用甘蔗 甜菜和玉米等作物制取乙醇及甲醇 用作汽车燃料等 除此之外 还可用废木屑 农业废料及城市垃圾等木质素制造燃料油或洒精 在利用木质素生产洒精的研究方面 日本处于世界领先地位 美国每年将废木屑的一半用来加工生物油 产油率按40 计 就可年产9800万吨生物油 相当于4 12亿吨原油 利用固体物如木块 玉米棒和蔗渣等气化发电 美 德 日 瑞典和意大利等国十分重视固体物质气化技术的研究 固体物质气化发电的潜力很大 仅蔗渣发电的潜力 亚洲 南美洲 北美洲 大洋洲和非洲即分别为1400万KW 1780万KW 1010万KW 270万KW和490万KW 生物质能 从石油植物中提取液体燃料 发达国家已掌握使能源树木快速生长的技术 亩产经济价值很高 能源植物燃料不像矿物燃料受矿产地区的限制 而且能广泛地获得 燃料中不含硫 燃烧时不会产生SO2及酸酸雨等 而且植物生长时吸收大气中CO2 研究发现能生产 绿色石油 的植物有几千种 巴西有一种香胶树 每棵树半年可分秘出20 30KG胶汁 不经提练即可作柴油用 有一种叫续随子的植物 它分秘的胶乳可生产出类似于汽油的燃料 美国有一种黄鼠草可提练出正宗的石油 淡水藻及丛粒藻含油高过85 可从中提练汽油 柴油和少量重油 美国还培育出一种巨型海藻 一昼夜可长60CM 可生产类似柴油的燃料 利用木炭增产 将木炭掺在土壤里 可使白菜 油菜和菠菜增产 生物质能用作汽车能源的优缺点 来源丰富 对环境有利 但供油系统部件易被堵塞 由于植物油中的脂肪和杂质易使燃油过滤器堵塞 植物油的粘度和初馏点高 易使喷油器结胶 堵塞 燃烧室易积炭 活塞易粘结 润滑油容易变质 在汽车上应用特性 用作压燃式发动机燃料 十六烷值太低 着火困难 且运行较为粗暴 用作点燃式发动机 十六烷值太低 限制了压缩比的提高 粘度太大 预混式很难形成均匀的混合气 由于粘度比柴油也高许多 用作压燃式也会造成雾化不良 蒸发性差 冷起动困难 热值低 动力性差 凝点较高 燃料的供给性能较差 可滤性差 雾化性能差 用于压燃式发动机时 应预热 改进滤清器和喷油器结构 加大供油量和储油量 加大喷油提前角等 地热能 概述 是储存在地球内部的岩石和液体中的热能 通常是热水 蒸汽和干热岩 可直接利用和也可用于发电 低温热水 水温低于140度 一般直接利用 可用于治疗 采暖等 高温热水 水温150度以上的高温热水或干蒸汽可用来发电 美日欧在地热水方面的工作较多 从世界范围看 利用中高温地热水和干蒸气发电是地热利用和研究的重点 我国已发现地热点4000多处 高温地热田近90处 总共开发了1000多处 缺点是开发成本高 提取地热能的方法 一是挖掘深井 直接抽取地下的热水或蒸气 二是挖掘深井 从一个井口注入凉水 水在底部吸收干热岩或炽热岩桨的热量后变成高温热水或蒸气 从另一个井口获取 从世界范围看 利用中 高温地热水和干蒸气发电是地热利用和研究的重点 海洋能 概述 包含潮汐能 波浪能 海洋热能以及潮流 海流能 海洋盐差能等 具有储量大 无污染和可再生等优点 潮汐能主要来源于月球的引力 潮汐能发电是海洋能利用中最成熟的技术 法国 英国 加拿大 韩国和独联体等国对潮汐能开发进行了探讨 法国建成了世界上最大的朗斯潮汐电站 波浪能来源于风能 利用方法 将波浪能直接转