第一章+新能源技术绪论

2020/5/27,1,新能源技术TechnologyofNewEnergy米万良北京科技大学,2020/5/27,2,目录,一、新能源绪论2学时二、太阳能4学时三、氢能与燃料电池6学时四、风能2学时五、地热能2学时六、海洋能2学时七、生物质能6学时八、其他能源2学时考试2学时,2020/5/27,3,参考书21世纪可持续能源丛书；化学工业出版社，北京，2005年,第一章绪论能源与可持续发展王革华编第二章太阳能太阳能利用技术罗运俊编第三章风能风能开发利用张希良编第四章生物质能生物质能资源清洁转化利用技术姚向君编第五章海洋能海洋能资源开发利用褚同金编第六章地热能地热资源及其开发利用和保护刘时彬编第七章氢能氢能-21世纪的绿色能源毛宗强编能源概论黄素逸高伟编,2020/5/27,4,第一章新能源绪论,能量能源新能源循环经济与新能源技术国家战略与新能源技术新能源技术工程师的位置,2020/5/27,5,1.1能量的定义1.2能量的主要形式1.3能量的属性1.4能量的单位1.5能量的转换与利用,1.能量,2020/5/27,6,能量是物质运动的度量。,能量是人类社会进步的动力。,世界是由物质构成的，一切物质都处于运动状态，所以一切物质都具有能量。,1.1能量的定义,生命在于运动,生命就是能量的最高表现,2020/5/27,7,1.2能量的主要形式,机械能,：物质分子热运动动能与位能之和，又分低位和高位热能（一般以400C为界）；,电能,化学能,核能,辐射能,:与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，动能与势能；,热能,：与电荷的运动和积蓄有关的能量；,：通过化学反应释放的能量；,：通过核反应释放的能量；,：物体以电磁波的形式发射的能量。,2020/5/27,8,机械能,如果质量为m的物体的运动速度为v则该物体的动能Ek可以用下式计算：重力势能Ep可以用下式计算：,2020/5/27,9,热能,构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。通常热能Eq可表述成如下的形式：,dS-熵变化,2020/5/27,10,电能,电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。,U-电动势I-电流,2020/5/27,11,化学能,化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。H2+O2=H2OH,2020/5/27,12,核能,核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。E=mc2,2020/5/27,13,辐射能,辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体的辐射能Er可由下式计算：,-物体发射率0-黑体辐射系数T-物体绝对温度,2020/5/27,14,1.3能量的属性量的属性-热力学第一定律,自然界遵循的2大定律,各种能量在第一定律面前人人平等，并具有可加和性。没有品质高低之分。,光有第一定律显然是不够的！,物质守恒与转换定律,能量守恒与转换定律,2020/5/27,15,质的属性-热力学第二定律,电能机械能高温热能常温热能低温热能（冷量）常温热能,能量是有品质高低之分的。第二定律指出：任何事物的变化都伴随着能量质的变化，能量的品质只能从高走向低，而不可能自发的从低走向高，最多是保持品质不变。因此，任何过程都是一个能量贬值的过程!,2020/5/27,16,能量的属性,状态性可加性传递性转换性做功性贬值性,2020/5/27,17,能量的转换,能量在空间上的转移，即能量的传输。能量在时间上的转移，即能量的储存。,2020/5/27,18,能量的转换,2020/5/27,19,能量传递过程的特点,能量传递是有条件的，即在有能量密度差的条件下，能量总是从能量密度大的物质或能量集中的地方，向能量密度小的物质或地方传递；总是从集中到分散并逐步达到平衡。,2020/5/27,20,能量传递过程的特点,能量传递遵循一定的规律，即能量传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的阻力。,2020/5/27,21,能量传递过程的特点,能量的传递包括转移与转换两种形式。转移是某种形态的能量从一地转移到另一地，从一物转移到另一物；转换则是能量由一种形态变为另一形态。,2020/5/27,22,能量传递过程的特点,能量传递的途径主要有两条：由物质交换和质量输运而携带的能量称为携带能；在体系边界面上的能量交换称为交换能。,2020/5/27,23,能量传递过程的特点,在体系边界面上的能量交换通常以两种方法进行：传热由温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形式；做功由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。,2020/5/27,24,能量传递过程的特点,通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功，其具体方式为：传热的三种基本方式是热传导、热对流和热辐射；做功（这里指机械功）的三种基本方式是容积功、转动轴功和流动功（推动功）。,2020/5/27,25,能量传递过程的特点,能量传递的结果主要体现在两方面，即能量使用过程中所起的作用以及能量传递的最终去向。能量传递的最终去向通常只有两条：或转移到产品，或散失于环境，包括直接损失和用于过程后再进入环境这两种情况。,2020/5/27,26,能量传递过程的特点,能量传递的实质实际上就是能量利用的实质。如果把产品的使用也包括在内，能量的最终去向只能是唯一的，即最终进入环境。,2020/5/27,27,1.4能量的单位能量单位焦J；卡cal；kWh（度）,功率的单位kJ/h；kcal/h；kW；马力(匹)HP,热值的单位kcal/kg；kcal/Nm3,2020/5/27,28,1.5能量的转换与利用,能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。能量典型的转换装置=热机,人体其实就是一部高端的热机:所需热量2000kcal/人天功耗100W/人（基本代谢率），150W（上课）蓄能量8kWh/人（可生存七天）,2020/5/27,29,2020/5/27,30,1.5能量的转换与利用,2020/5/27,31,2.能源,2.1能源的定义2.2能源的分类2.3能源对人类社会发展的重要意义2.4我国能源利用的现状及主要问题2.5能源的可持续发展,2020/5/27,32,一、什么是能源,问题：我们每天要吃饭、喝水，用什么来煮饭、烧水呢？回答：煤，煤气，柴草、天然气,2020/5/27,33,问题：那么要开动汽车、火车、飞机等交通工具需要消耗什么呢？回答：汽油或者柴油、煤油等,2020/5/27,34,问题：煤，煤气，柴草、天然气、汽油、煤油或者柴油等它们在起什么作用？答案：它们在以上工作的作用就是提供能量.,2020/5/27,35,问题：你知道还有什么可以提供能量吗？回答：江河里的水流、流动的空气、电、太阳光.,2020/5/27,36,能源是指像煤、天然气、汽油、水流、风、电、太阳光等能够直接或间接提供能量的物质资源。可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任何形式的载能体资源。,2.1能源的定义,2020/5/27,37,2.2能源分类,1）按开发利用的情况：,常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。,新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能、核聚变燃料等。,2）按开发的步骤：,一次能源:煤、石油、天然气、风能、水能、,二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气,太阳能、地热能、海洋能等。,甲醇、酒精等。,一次能源是自然界直接提供的能源。二次能源由自然界提供的能源转化而来的能源。,2020/5/27,38,3）按能否再生：,可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等；,非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。,4）按开发利用过程中对环境的污染情况：,清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；,非清洁能源：煤、石油、天然气等。,2020/5/27,39,2.3能源对人类社会发展的重要意义,能源是人类社会生存的基础；能源的开发和利用是人类社会发展的动力；能源开发和利用水平是人类社会文明的重要标志之一。,2020/5/27,40,能源问题是全世界关注的重大问题，从20世纪70年代起，就被列入世界5大问题之一。,全世界关注的5大问题：,1）能源,2）人口,3）粮食,4）环境,5）资源,能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。,3EProblem,EnergyEcologyEconomy,2.3能源对人类社会发展的重要意义,2020/5/27,41,2.4我国能源利用的现状及主要问题,正常情况下，每个国家能源消费总量及增长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比，而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水平的高低。,我国的能源结构,2020/5/27,42,1）人均储备量少，远低于世界平均水平：,原煤：95吨/人（世界人均209吨/人）；,原油：3吨/人（世界人均28吨/人）；,天然气：1416m3/人（世界人均28400m3/人）。,2020/5/27,43,我国大陆地区总发电量2.5亿千瓦，人均0.2千瓦/人；,台湾地区人均1.0千瓦/人；,欧、美、日本等发达国家6千瓦/人。,我国的人均能源消费水平低，远低于世界发达国家的水平：,人均能源消费水平：,2020/5/27,44,2）能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重,我国能源的终端利用效率为3233；,发达国家能源的终端利用效率大于42。,我国每万元国民经济产值（GDP）的能耗是日本的6倍，是美国的3倍，是韩国的4.5倍。,我国单位产品的能耗平均比发达国家要高40左右。,2020/5/27,45,中国与日本工业能耗比较,2020/5/27,46,中国发电的平均耗煤量,g/kW.h,2020/5/27,47,3）环境污染严重,工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，,我国有57%的城市空气中总悬浮颗粒超标；,有48个大中城市空气中的SO2浓度超标；,有82%城市出现过酸雨；,我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占世界总排放量的13.6%。,据世界银行报导，我国城市空气污染对人体健康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使农作物减产每年损失达50亿美元。,2020/5/27,48,3）环境污染严重,20世纪八大公害事件：,比利时马斯河谷烟雾事件：1930年12月比利时工业区，一周内60人死亡。美国多诺拉烟雾事件：1948年美国宾夕法尼亚，全镇43%发病，17人死亡。伦敦烟雾事件：1952年12月四天中比同期多死亡4万人。美国洛杉矶化学烟雾事件：20世纪40年代，以臭氧为主的光化学烟雾。,2020/5/27,49,3）环境污染严重,20世纪八大公害事件：,日本水梧病事件：1953-56年，含汞废水污染水梧湾及不知火海的鱼，283人中毒，60人死亡。日本四日市哮喘病事件：1961年，哮喘病患者817，死亡10人以上。日本米糠油事件：多氯联苯污染物混入，13000人中毒，数十万只鸡死亡。日本富山骨痛病事件：1955-72，锌、铅等污染神通川水体，使稻米和饮用水含镉中毒，患病130人，死亡81人。,2020/5/27,50,3）环境污染严重,环境污染的几方面表现：,臭氧层损耗：臭氧总量减少1%地面紫外线增加2%皮肤癌、白内障、农作物减产等。荒漠化加剧：世界森林的破坏速度为1130万公顷，20世纪末，森林占陆地面积1/6，日本森林覆盖率为65%，中国只有13%。生物多样性减少：大陆上66%的脊椎动物已经成为濒危物种。温室效应和全球气候变化：21世纪末全球气温将增高2-50C，增幅为过去一万年所未有的。,2020/5/27,51,1）可持续发展的概念与内涵我国古代朴素的可持续思想：孔子：“钓而不纲，弋不射宿”-论语述而“山林非时不升斤斧，以成草木之长；川泽非时不入网罟，以成鱼鳖之长”-逸周书文传解“春二月，毋敢伐树木山林及雍堤水。不夏月，毋敢夜草为灰，取生荔，毒鱼鳖，置阱罔，到七月而纵之”-田律-11号秦墓竹简,2.5能源的可持续发展,2020/5/27,52,1）可持续发展的概念与内涵现代可持续发展理论：增长的极限和没有极限的增长1960年Forester发表Science世界末日：公元2026年11月23日，星期五1972年，以D。L。米都斯为首的美、德、挪威科学家提出增长的极限报告1984年，JulianLSimon提出没有极限的增长即最后的资源,2.5能源的可持续发展,2020/5/27,53,1）可持续发展的概念与内涵现代可持续发展理论：可持续发展的定义在连续的基础上保持或提高生活质量；在不损害后代人的利益时，从资产中可能得到的最大利益；既满足当代人的需求又不危及后代满足其需求的发展；当发展能够保证当代人的福利增加时，也不应使后代人的福利减少；,2.5能源的可持续发展,2020/5/27,54,1）可持续发展的概念与内涵现代可持续发展理论：可持续发展的内涵可持续性：保持或延长资源的生产使用性和资源基础的完整性，意味着使自然资源的利用不应该影响后代人的生产和生活发展：不否定经济增长以自然资产为基础，同环境承载力相协调以提高生活质量为目标简而言之：人与自然界的共同进化；当代与后代兼顾；效率与公平目标兼容，绝不能“吃祖宗饭，断子孙路”,2.5能源的可持续发展,2020/5/27,55,我国的能源建设要走可持续发展的道路，必须两条腿走路：,（1）合理利用能源，提高能源利用率。主要途径就是改造或更新技术落后的能源利用终端设备；,（2）大力开发对环境无污染或污染很小的新能源，如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等；（3）大力发展可再生能源。,2.5能源的可持续发展,2020/5/27,56,3.新能源,3.1人类的能源利用史3.2新能源技术3.3新能源技术必须吻合的5要素3.4什么是新能源？,2020/5/27,57,3.1人类的能源利用史,生物质能（薪柴）太阳能（谷物干燥）地热能（温泉）水力（水车）风能（帆船）煤炭石油核能,今天所谓的新能源其实并不新！,2020/5/27,58,3.2新能源技术,燃料电池技术生物质能利用技术太阳能光伏发电技术风能发电技术地热能利用技术海洋能发电技术,2020/5/27,59,3.3新能源技术必须吻合的5要素,高效率-热效率大幅提高（30%以上）2.环境友好-零排放、无振动、低噪音3.产业化规模4.能量的LCA可行性(LifeCycleAnalysis)5.经济可行性,2020/5/27,60,3.4什么是新能源？,新能源=某种能源+某种新能源技术,今可再生能源未必就是新能源！,2020/5/27,61,4.循环经济与新能源技术,4.1什么是循环经济？一种最大限度地利用资源和保护环境的经济发展模式。它主要是通过对传统行业的技