能源科学概论课件

OrientationLecture,能源科学概论,TheCourse,=,教学改革（ReformonPedagogy）,为什么要进行改革？Why？,教学！教学！其本质就是“教”与“学”,“教”的理念：,Comprehension（广泛的知识）Openness（开放的意识）Clearness（清楚的概念）,“学”的理念：R3=Reading（广泛地阅读）Research（认真地探索）Requesting（积极地提问）,讲授的方法：提供学习的思路，提供探讨的氛围，提供丰富的知识。,BilingualLecture,Besides：,所以，要求每次课前，希望找作好预习工作。作好讨论的准备工作，希望营造一种自由活泼的学术氛围与环境。,ChapterI绪论能量的来源,核能、太阳能、风能、水能、地热能、化石燃料能源（Coal，Petroleum，NaturalGases，etc.）、海洋能、生物能、氢能、电能等。,Wheredoestheenergycomefrom？,能源是从那里来的？,火车声,Doppler效应,频谱红移（Hubble定律）,由远而近,由近而远,BigBang,1.1“BigBang”与“核能”,Itisknownandprovenbyscientiststhat15billionyearsago,a“bigbang”tookplace,whenvarioussubstancesorelementswerecreatedthen,inwhichtherewerekeymoments,3minutes,100,000yearetc.,能量:=,质量；c光速，c300000km/s,聚变,裂变,核能,核武器,核发电,1.2太阳能的来源,太阳能是来自于太阳本身辐射出去的能量。太阳能非常巨大。,1流体流动的动力:重力、浮力、压力差、离心力,1.3风能的来源,2大气层的构成对流层平流层外层（电离层）,Earth,AtmosphericLayer,高层稀薄大气,（有电离层）,平流层,（有臭氧O3）,对流层,风、雨、雷、（闪）电,3风（空气流动）的动力：冷、热空气之间的对流大气与地球的相对运动,水气参与空气流动,地球的转动,4三种主要的风（1）三个环流风（以北半球为例）*低纬度环流（0300之间）高空向北（西南风？）近地面处向南（东北风？）-东北信风*中纬度环流（300600之间）近地面处向北（西南风？）-盛行西风高空向南（东北风？）,*高纬度环流（600900之间）高空向北（西南风？）近地面处向南（东北风？）-极地东风,副热带高压带,副极地低气带,300,00,600,900,东北信风,盛行西风,极地东风,东北风？,东北风？,西南风？,北半球,热空气,冷空气,南,东北风？,西南风？,北,南,西南风？,赤道,北极,地面,北,南,西,东,（2）季风,季风是由于季节的变化导致的气温的变化，气温的变化导致气压的变化，在这其中水的蒸发起着很大的作用。,（3）热带气旋台风或飓风（Cyclone）（Typhoon）（Hurricane）,由海洋中大量的水分蒸发所引起。,（4）龙卷风（Tornado）,龙卷风与台风相同之处就是它们都是高速旋转的气旋；与台风不同之处就是台风是起源于海洋中，所以伴随有大量的水汽，因而要带来大量的降雨。而龙卷风是起源于陆地上，并没有大量的水汽参与，因而不会带来大量的降雨。,1.4水能的来源,1空气对于水蒸汽的支撑能力随着温度的升高而降低（例如，露、雾、空调的冷凝水等），所以在高空、高海拔处会形成降雨、降雪、甚至冰雹。,2大量的降水则是由季风或台风（飓风）所带来。,1.5生物能的来源,1生物制甲烷（沼气）,2生物制乙醇（1）造酒（2）玉米制乙醇（汽油替代品）,3生物制氢气,常见的方法有：,4草本植物、木本植物等,1.6化石燃料能源的来源,化石燃料能是一种特殊的生物能，它是生物能在特殊的地质条件下经过千万年的演变而成。,FollowingisinEnglishexplanation.,Heatgenerationisnecessaryinmaterialprocessingprocess,inwhichfuelcombustionisparticularimportantbecauseitiswidelyusedincommercialmaterialproduction.Acombustionfurnace,inwhichfuelsareburnedtogenerateheatthatisusedtoheatupproducts,isgenerallyusedincommercialindustry.,Fossilfuels,asourceofheatforthecombustionfurnaces,shouldbecapableofproducinglargequantitiesofheatwhenreactingwithoxygencontainedbyairwithapproximately21volumepercent.Besides,Fossilfuelsshouldalsobeusedeconomicallyandproducelessenvironmentalpollution.Fossilfuelsaregenerallyclassifiedsolidfuels,liquidfuelsandgaseousfuelsaccordingtotheirproperties.,1SolidFuelsCoalAmongsolidfuel,coalisatypicalkindoffuelthatplayanimportantroleinmaterialindustry.,Coaloriginatedfromthearresteddecayoftheremainsoftrees,bushes,ferns,mosses,vines,andotherformsofplantlife,whichflourishedinhugeswampsandbogsmanymillionsofyearsagoduringprolongedperiodsofhumid,tropicalclimateandabundantrainfall.,Theprecursorofcoalwaspeat,whichwasformedbybacterialandchemicalactionontheplantdebris.Subsequentactionofheat,pressure,andotherphysicalphenomenametamorphosedthepeattothevariousranksofcoal,asweknowthemtoday.Becauseofthevariousdegreesofthemetamorphicchangesduringthisprocess,coalisnotauniformsubstance;notwocoalsareeverthesameineveryrespect.,COKECokeisthesolid,cellular,infusiblematerialremainingafterthecarbonizationofcoal,pitch,petroleumresidues,andcertainothercarbonaceousmaterials.Thevarietiesofcoke,otherthanthosefromcoal,generallyareidentifiedbyprefixingawordtoindicatethesource,e.g.petroleumcoke.Toindicatetheprocessbywhichacokeismanufactured,aprefixalsoisoftenused,e.g.beehivecoke.,Followingsolidfuelsarealsotypicalalthoughsomeofthemarenotbelongtofossilfuel.,WoodThefuelvaluesofdifferentwoods(exceptresinouswoods)arenearlyproportionaltotheirweightsonadrybasis.Theresinouswoodspossesshigherheatingvaluesthanthenon-resinousones.,CharcoalCharcoalistheresidueremainingafterthedestructivedistillationofwood.Itabsorbsmoisturereadily,oftencontainingasmuchas10to15percentwater.Inadditionitusuallycontainsabout2to3percentashand0.5to1.0percenthydrogen.,CharCharisthenon-agglomerated,non-fusibleresiduefromthethermaltreatmentofsolid,carbonaceousmaterial.Coalcharsareobtainedasaresidueoraco-productfromlow-temperaturecarbonizationprocesses,andfromprocessesnowbeingdevelopedtoconvertcoaltoliquidandgaseousfuelsandtochemicals.,TanbarkTanbarkistheresidueremainingafterthebarkhasbeenusedintanningoperations.Itusuallycontainsfrom60to70percentwater.Intheuseoftanbarkasafuel,averylargecombustionspaceisrequired.,BagasseBagasseisthesolidresidueremaining,aftersugarcanehasbeencrushedbypressurerolls.Itusuallycontainsfrom40to50percentwater.,OtherSolidWastesLargeandincreasingquantitiesofsolidwastesgeneratedpercapitaareasignificantfeatureofaffluentsocieties.IntheUnitedStatestherateexceeds5lb.percapitaperday,nearly200milliontonsperyear.Onamoisture-freebasis,thecompositionofmiscellaneousrefuseissurprisinglyuniform;butsizeandmoisturevariationscausemajordifficultiesinefficient,economicaldisposal.,2LiquidFuelLiquidPetroleumFuelsTheprincipalliquidfuelsaremadebyfractionaldistillationofpetroleum,whichisamixtureofhydrocarbonsandhydrocarbonderivativesranginginmolecularweightfrommethanetoheavybitumen.,Asmanyashalfthemoleculesincrudemaycontainsulfuratoms;andsomecontainnitrogen,oxygen,vanadium,nickel,orarsenic,dependingonthecrudesource.desulfurization,hydrogenation,cracking(tolowermolecularweight),andotherrefiningprocessesmaybeperformedonselectedfractionsbeforetheyareblendedandmarkedasfuels.,Coal-tarCoal-tarfuelsaremadefromthehigher-boilingfractions(overabout450F)ofthecrudetarproducedbycokeovensandcoalretortsatgasworks.Theavailablegradesrangefromliquidsof30secviscosityat100Ftoapulverizablepitch.,Chemicallytheyaremixturesofhydrocarbons,phenols,andheterocyclicnitrogen,oxygen,andsulfurcompounds.Theyaremuchmorearomaticthanpetroleumfuelsandburnwithamoreluminousflame.Sulfurandashcontentsareusuallylow.Theash,unlikepetroleumash,ishighinalkalineearthelementsandusuallyfreeofvanadium.,Newertechniqueshavebeendevelopedtohydrogenatecoalintoacrude,whichcanberefinedintoaspectrumofconventionalproductsinapetroleumrefinery.,OilshaleOilshalecontainslittleextractableoil,butyieldsanoilhighinnitrogenandoxygenwhenretorted.Thishasbeenhydrogenatedandrefinedintorelativelyconventionalfuelsindemonstrationplantsbutnotcommerciallyasyet.“,1.7地热能的来源,地热能是来自于地球内部的能量，大规模释放的地热能是来自于地幔的能量，这个能量是十分巨大的，但是，目前人们还不能够有效地利用这一部分热量，这是因为：第一，发生的规律至今还无法弄清楚。第二，而一旦发生时，其规模太大。与此相类似的还有“闪电”和“核聚变能”。,Moonsolid,Volcano火山,Earthquake地震,SeaRavine海底地沟,Shell地壳,Mantle地幔,Core地壳,而目前人们能够有效地利用的地热能，则是来自于地壳的能量。利用地热能的主要介质有地下水、地下土壤等等。,1.8海洋能的来源,海洋能包括海流能、潮汐能、海洋生物能、海洋矿物能、海水能（温差能、盐差能）等等。目前主要能够有效利用的能源有潮汐能、海洋矿物能等。,1海流能,海流能是一个巨大的能源，它对于气候和人们的生活产生了巨大的影响。以下是海流的主要分布图。,1.9氢能的来源,1.9.1电解制氢1.9.2生物制氢1.9.3其他方法制氢,1.10电能的来源,1.10.1化学能发电（e.g.各类电池）,1.10.2摩擦生电（e.g.一些静电效应）,电能是一种二次能源，需要借助于其他的能源才能够产生。,1.10.3外界动力发电（1）直流电（DC）（2）交流电（AC）,1直流发电机的工作原理（Dynamo）,Dynamo,2直流电动机的工作原理（DCMotor）,DCMotor,3交流发电机的工作原理（ACGenerator）,ACGenerator,4交流电动机的工作原理（ACMotor）,ACMotor,P=2,直流电机的结构（直流电机包括直流发电机、直流电动机）,6交流发电机的结构,7交流电动机的结构及应用,由以上可以看出，只要外界能够给予发电机转动的动力，发电机就能够发出电力。电力通过输电线输送到电动机以后，电动机就能够输出动力。交流电机（包括发电机和电动机）和直流电机（包括发电机和电动机）特点的比较是：,直流电机的结构较为复杂，这是因为它需要有一个换向装置。但是它的调节却较为方便（调节电压即可）。交流电机的结构较为简单，过去它的调节不太方便，但是现在变频技术（FrequencyConverter）使其调节变得也较为方便。,水,高温高压的水蒸汽,高温和高压的水蒸汽,Turbine,空气,煤粉,废气,风的方向,Turbine,水流,水流,Turbine,冷却剂,载热体,核反应堆,核发电站所用的冷却剂和载热体是一种物质，具体物质随反应堆的不同而有所差异。目前，世界上有四种核反应堆。它们是：轻水反应堆；重水反应堆；石墨气冷反应堆；快中子增殖反应堆。,（1）轻水反应堆：以水（H2O，轻水）作为冷却剂、载热剂及慢化剂，用U235为核燃料。,（2）重水反应堆：以重水(H2O2)作为慢化剂和载热剂，用一种陶瓷形式的天然铀作为核燃料。,（3）石墨气冷反应堆：以氦气为冷却剂和载热剂，以石墨为慢化剂的一种堆型。用U238为核燃料,（4）快中子增殖反应堆：以金属钠为冷却剂和载热剂。快中子增殖反应堆（简称快堆）的堆芯分两个区域，中心部分装有PU239核燃料组件，周围是U238组成的增殖区。,ChapterII我国的能源资源、生产及需求预测,2.1我国的能源资源,几个概念：1储量：表示地质上证明有表征与特征显示的估计蕴藏量2探明储量：是指已经探明地层范围及蕴藏确切数量的资源量.探明储量又称实测储量或已知边际资源。3经济可采储量：又称为已知可采储量或可采储量，是指当前技术上可能开采经济上又可行的那部分储量。,在所有的能源资源中，当前最具有实际意义的是煤、石油、天然气、水力能、风能和核能资源。1煤我国煤矿资源极其丰富,总储量1.5Mt，居世界第三位（俄罗斯、美国分别具第一位、第二位）。2石油和天然气我国煤矿资源较为丰富，但不是非常丰富。3水能资源我国水能资源丰富，占世界第一位。,4风能5核资源由于可控聚核反应的利用技术还未成熟，当前还不能将氘等元素纳入核资源（聚变），目前所能够利用的核资源只是铀（裂变）。在这一方面我国较为丰富。,2.2我国的能源消耗,能源消耗能源消耗的统计与研究，包含两方面的问题，一是年能源消耗量，它是代表国家经济实力和人民生活水平的重要参数，另一重要问题是能源消费构成，这是决定国家能源发展及经济发展计划的重要依据。所谓的能源消耗指的是一次能源年消耗总量，一般将各种能源均折合成一种标准燃料来统一计算国际上有用石油作标准燃料的（热值为42MJ/kg,经常以桶为计量单位），也有用煤作为标准燃料计算的我国以煤为主要能源故以标准煤（热值为29.33MJ/kg）来统一计算。,ChapterIII煤炭工业及其燃烧、综合利用技术,3.1煤炭生产及其发展中的问题,.扩大煤炭工业投资，加快矿井建设速度.大力发展机械化和集中化生产.发展煤炭洗选，提高煤的利用与运输效率.加强安全，注意环保，改善管理,3.2煤的运输方案,铁路输煤管道输煤将每加水并加以一定的添加剂制成水煤浆，这就是可以通过管道来输送坑口电站、高压输电采煤中心直接建造大型电站，以高压（如50万伏）向工业中心输送，这也是输煤（能）的一种替代措施,3.3煤的燃烧技术和转化技术,.煤的分类无烟煤、烟煤、褐煤.燃的燃烧特点.各类燃煤设备中的燃烧技术）大型电站锅炉）工业锅炉、工业炉窑和民用炉灶.煤的流化床燃烧技术.煤的转化技术煤的气化和液化技术,ChapterIV石油工业及其应用,4.1我国石油工业的发展水平,建设所需要的石油远远超过我们的能力,我国今后石油工业的发展速度不可能很快,这是因为:1.我国的地质勘探力量比较薄弱,科技水平比较低2.开采的难度大幅度上升3.钻井投资增长很快,4.2世界石油发展前景及我们的对策,世界石油生产与价格的大起大落,基本上没有影响我国的石油生产与国内价格,石油生产赶不上需要的形势没有改变,国家大力节油的政策也没有改变,但我国逐步走向开放,理应研究世界市场的规律,在石油价格十分疲软的时期,一味强调增加出口原油而又大量进口化肥在经济上技术上是否合理应该研究.石油工业本身仍属高耗能工业,对于能源十分紧缺的国家,大量进口并不合理,应该将煤炭工业,动力工业,石油工业和化学工业组成一个整体来仔细衡量,以最大限度地利用国际上平稳的石油市场服务于我国的建设。,ChapterV电力工业的发展,5.1电力工业在国民经济中的地位,电力工业的发展水平标志着国民经济的发达程度和人民生活水准,电能在一次能源过程中具有特殊的意义电力工业的发展速度应高于国民经济发展速度,80年代以来,我国经济处于稳定高速发展阶段,对比之下,电力工业大大落后了,5.2我国的发电与用电构成,由于各国具体情况不同,发电能源构成有很大差异.欧洲一些国家以水电为主,法国以核电为主,而我国则是以火电为主,5.3水利发电的建设,水电是一种可再生能源,集一次能源、二次能源于一身.她技术成熟、可靠,发电成本低廉,又无污染,如果和灌溉、航运及水产、绿化相结合,还可以收到大得多的经济效益和社会效益,所以世界各国都竞相发展水力发电.我国水力资源占世界首位,5.4积极开发核电,世界各国由于核资源不同,技术路线不同,发展核电所走道路不尽相同.目前已经投入正常使用的堆型只要有:1.轻水堆它是目前世界上商业化的最主要的堆型,用为核燃料,水作为载热剂及慢化剂,根据反应堆中水的状态可分为压水（PWR）和沸水堆（BWR）,2.重水堆加拿大从1954年就开始兴建核电站,在研究了各种方案以后,决定以重水(H2O2)作为慢化剂和载热剂,并用一种陶瓷形式的天然铀作为核燃料3.石墨气冷堆这是以石墨为慢化剂、氦气为冷却和载热剂的一种堆型,4.快中子增殖堆快中子增殖反应堆(简称快堆)的堆芯分两个区域,中心部分装有核燃料组件,周围是组成的增殖区,快堆不用水或石墨作慢化剂.裂变后发出快中子,除了一部分维持链式反应外,其余都被吸收.当的原子核吸收一个中子后,它就成,很不稳定,它很快地发出一个电子,成为镎(),再放出一个电子,又变成了,而正是这种反应堆中采用的核燃料.可贵的是,在快堆中每消耗一个的原子就会产生一个以上的原子,每座快堆核电站的运行十几年之后，生产出的核燃料足够装备一座新的核电站，这在全世界核资源相当紧张的今天，技术上是很有吸引力的快堆不能用水做冷却剂，因为水会使快中子慢化，目前采用的是液态金属钠，能否掌握钠循环技术，是建设快堆核电站的关键问题,ChapterVI风能、地热和海洋能利用,6.1风能的利用,风能来自于太阳能，太阳照射地球表面，地球表面各处受热不同产生大气的对流运动，即风能,.风能资源我国风力资源丰富，幅员辽阔，海岸线长，季风强盛初步估计，我国风能蕴藏量约为10亿千瓦以内.风能的利用风能被利用的历史是悠久的我国在一千七百多年以前的后汉时期，已有具体利用风力作为原动力的文字记载古埃及利用风帆在尼罗河上推进船舶波斯人用直轴风车研磨谷粒到十三世纪，著名的“荷兰”风车的前身，四叶片水平轴已经在许多欧洲国家使用，后来广泛应用于碾谷、抽水和带动各种机械但自1973年出现石油危机以后，风力机又被重新被人们所重视，并用现代科学来开发风能,6.2地热能的利用,地球是一个巨大的实心椭圆球体，地热能是地球中的天然热能地壳上层的平均温度梯度每加深一公里为25.如果地壳表面的温度为15,则深入地壳一公里处的温度为40.,1.地热资源的基本类型）低温地热水）高温地热）干热岩地热能）地压区域的地热能）岩浆地热能,.地热能的利用200400发电及综合利用150200工业热加工，工业干燥，制冷，发电（双循环）100150供暖，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品，双循环发电50100温室，供暖，家庭用热水，工业干燥，制冷2050沐浴，孵化鱼卵，饲养牲畜，加温土壤，脱水加工,6.3海洋能的利用,地球的表面，约有71的面积为海洋所覆盖北半球海洋约占61,南半球约占81.一望无际的汪洋大海是巨大的能源资源，海洋能一般说来包括潮汐能、波浪能和海洋温差。,.潮汐能利用海水推动机械或发电，在现代已经成为现实它的开发与河川的水电站相类似，在工程上需要造坝、成库和建厂，在海湾或有潮汐的河口上建筑起拦水坝，形成水库，并在坝中或坝旁放置水轮发电机组然后利用潮汐涨落时海水位的升和降，使海水通过水轮机时转动力带动发电机组发电。,.波浪能波浪具有很大的能量，据估计，每平方公里的海面,波浪的功率可以达到1020万千瓦，是一种巨大的能源近年来世界各国的科学工作者提出的关于波浪发电的新设想和新发明不下数百中方案。.海洋温差一般海洋表层海水温度在25左右，而水深在5001000米处约47，可能获得总温差为1520左右的有效热能，最终可能获得具有工程意义的11温差的能量。,ChapterVII新能源概况,7.1概述,新能源这个名词是个通俗的叫法，它的含义不十分明确，与它想平行的名词有替代能源、可再