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 传统能量转换方式存在两大弊端 间接转换 中间环节多 转换效率低 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 能源问题出路 现有能源的高效洁净利用技术能量直接转换技术新能源与可再生能源 14 1能源分类 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与太阳有关的能源与地球内部的热能有关的能源与原子核反应有关的能源与地球一月球一太阳相互联系有关的能源 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 一次能源 二次能源 由一次能源转换而来的能源 如电 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 石油 天然气 风能 水能等 按能否再生分 不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少 如水能 风能 潮汐能 太阳能等 非再生能源 随人类的利用而越来越少 如石油 煤 天然气 核燃料等 14 1能源分类 可再生能源 按对环境的污染分 清洁能源 对环境无污染或污染很小的能源 如太阳能 水能 海洋能等 非清洁能源 对环境污染较大的能源 如煤 石油等 14 1能源分类 14 1能源分类 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目前主要从两个方面入手合理利用现有能源积极开发和利用各种可再生能源以上二者并举 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 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 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 能量的形态转换 能量转换能量的空间转换 能量传输能量的时间转换 能量储存 能量的转换 能量转换过程及转换设备 洁净煤技术煤炭的燃前净化和加工清洁型煤技术 型煤 水煤浆技术 70 煤粉 30 水 煤水混合物 煤炭的高效清洁燃烧燃烧后的净化煤炭的转化 14 2能源的合理利用 能量的梯级利用和工业余能利用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燃气 蒸汽联合循环和热电联供工业余能的利用动力利用热利用 14 2能源的合理利用 水泥余热发电 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 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 发电效率高普通火力发电20 40 磁流体发电 60 环境污染少火力发电二氧化硫 空气污染磁流体发电硫酸钾 回收利用 14 3能量直接转换 磁流体发电原理 霍尔效应 14 3能量直接转换 磁流体发电装置 14 3能量直接转换 磁流体发电机 14 3能量直接转换 二 燃料电池燃料电池被认为是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 美国将其列为27项涉及国家安全技术之一日本认为其是21世纪能源环境领域的核心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 燃料电池示意图 14 3能量直接转换 燃料电池优点能量转换效率高 低污染 无噪音 对燃料的适应性强 重量轻 体积小 起动和关闭迅速 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 燃料电池类型 按电解质材料分 碱溶液型磷酸型熔融碳酸盐型固体氧化物型质子交换膜型燃料电池 14 3能量直接转换 三 温差发电温差发电 新型的发电技术 14 3能量直接转换 原理 Seebeck效应 温差发电机原理 14 3能量直接转换 温差发电机结构示意图 14 3能量直接转换 14 4新能源 新能源太阳能生物质能风能地热能海洋能核聚变能 14 4新能源 太阳能 一 太阳能太阳能是来源于太阳内部氢变氦的核聚变反应的能量 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 狭义 直接利用的太阳辐射能 14 4新能源 太阳能 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 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335 837kJ cm2 a 中值为586kJ cm2 a 14 4新能源 太阳能 太阳能利用光热利用 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 太阳能光热利用太阳能热水系统 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 太阳能利用光电利用 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 太阳能电池硅系列太阳电池 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 其中单晶硅太阳电池技术最成熟 14 4新能源 太阳能 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 PhotovoltaicEffect 由太阳光与材料相互作用而产生电势 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 Mali Philippines Egypt Sudan 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 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 地球上经过太阳光合作用生成的生物质总量约为1440 1800亿吨 干吨 相当于目前世界总能耗的3 8倍 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 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 优点 燃烧容易 污染少 灰分较低缺点 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 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 生物质能利用热化学转化法 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 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 利用油料植物所产生的生物油 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 风能是太阳辐射能的一种转换形式 全球风能约为130 200亿千瓦 如有1 被利用 即可满足人类对能源的全部需求 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 风能利用风力发电风力提水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 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 地热能地热能是指蕴藏在地球内部的巨大的天然热能 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 2 1024J Year 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 地热资源分类 水热型地热蒸汽和地热水 现在开发利用的主要地热资源地压型尚待研究和开发干热岩型岩浆型利用的技术难度很大地热利用发地热发电 地热直接利用 14 4新能源 地热能 地热发电地热蒸汽发电 以净化后的地热蒸汽为工质发电 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 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 地热直接利用采暖 空调 工业烘干 农业温室 水产养殖 旅游疗养等 14 4新能源 海洋能 14 4新能源 海洋能 五 海洋能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 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 全世界海洋能的理论可再生量约为760多亿千瓦 其中 海洋温差能约400亿千瓦盐度差能约为300亿千瓦潮汐和潮流能约为30 40亿千瓦波浪能约为30亿千瓦甲烷冰约为500 800亿米3 14 4新能源 海洋能 潮汐能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 波浪能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 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 海洋温差能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 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 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 实际上海洋的温差能居于海洋能之首 14 4新能源 海洋能 甲烷冰海洋深处动植物遗体等有机质既是生成石油和天然气的物质基础 也能在微生物作用下产生甲烷 14 4新能源 核能 秦山核电站 14 4新能源 核能 六 核能核能是原子核结构发生变化时放出的能量 通常的化学反应只是原子核外的电子发生位置变化或运动 原子核并不变化 核能的获得主要有两种途径 重原子核的分裂反应即核裂变轻原子核的聚变反应即核聚变 14 4新能源 核能 物质所具有的核能比化学能要大几百万倍以上 如1kg铀235 235U 全部裂变产生的核能相当于2500t优质煤完全燃烧放出的热量 无论是核裂变还是核聚变 反应后原子核都要失去一部分质量 与此同时释放出巨大的能量 反应堆 反应堆内部 核电站反应