审计学院-新能源技术

1、新能源与材料科学新能源及材料科学基础与进展新能源技术一、能源技术概述1. 基本概念能量形式: 机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。能源: 自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。能源种类：按生成方式分: 天然(一次)能源和人工(二次)能源按原始来源分: 地内能源和地外能源以及相互作用能源。按对能源的认识过程分：常规能源和新能源。天然(一次)能源和人工(二次)能源二次能源：它是指经过消耗一次能源加工转化而产生的诞生能源。如电能、热能、煤气、柴油、氢能、焦炭、沼气等。 非再生能源：石油、天然气、原煤、核燃料等一次能源 再生能源：太阳能、风能、水能、海洋能生物质能等地内能

2、源：地热能(地下蒸气、温泉、火山)、核能地外能源：主要来自太阳，包括由太阳能转变来的风能、水能、 矿物燃料(煤，石油等)，及少量宇宙辐射能相互作用能源：主要指潮汐能。常规能源：已被广泛利用的能源，如煤、石油、水力、电能新能源：原子能、太阳能(对发展中国家而言)、雷电能、宇宙射线能、 火山能、地震能等。 2. 能源问题 能源模式的演变：木材煤石油核能或多种形式能源目前人类使用的能源储量和分布 非再生能源: 石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的90%左右再生能源: 水力、植物燃料等只占10%左右再生能源分布: 太阳能占99.44%, 水能、风能、地热能、生物能等不到1%在非再生能源中，

3、利用海水中的氘资源产生的人造太阳能(聚变核能)几乎占100%，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加起来也不足千万分之一。所以，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。 世界能源储量分布与利用世界非再生能源储量分布: 中东地区: 石油储量最多, 占56.8%；欧洲: 天然气和煤炭储量最多, 各占54.6%和45%亚洲、大洋洲: 煤炭各占18% 石油、天然气只有5%我国能源资源地区分布不均衡煤炭，主要集中在华北和西北石油、天然气，主要分布在黑龙江、辽宁、河北、河南、山东、四川、甘肃和新疆等省区内可开发水力资源有，主要集中在西南太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。我国能源资

4、源丰富煤炭资源(探明储量)和水力资源均居世界第一位；石油资源占世界第十一位；天然气资源占世界第十四位；太阳能资源居世界第二位；潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1) 煤、石油等燃料的燃烧；2) 汽车排放的废气；3) 工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气。大气污染：1) 酸雨问题；2) 温室效应；3) 臭氧层破坏。能源问题 即环境与能源关系问题 联合国提出可持续发展概念，即要满足当代人的需要，又要考虑不损害后代的需要。因此, 今后的能源战略是多元结构的能源系统和高效清洁的能源技术。二、能源技术 1. 洁

5、煤技术 煤碳的污染物和二氧化碳可能导致全球变暖。现在有两条洁煤途径： (1) 先进燃烧和污染处理，洁煤技术可用于燃烧前、中、后期。 (2) 气化和液化煤，将煤转化为含一氧化碳和氢的“合成气”。2. 煤炭液化(煤炭转化技术之一) 对固体煤炭以特殊方法进行化学加工成为液态后，可作液体燃料和化工原料使用。从工艺上可分为直接液化: 在高温高压下加氢，使煤炭直接生成液态物质；间接液化: 先把煤炭气化，制成煤气，再合成为液体燃料。煤炭液化技术复杂，难度高，投资大，比天然石油成本高，目前还没有竞争能力。3. 煤炭气化 (煤炭转化技术研究的一个重要部分)现状：煤炭自身氢碳比低，含有灰分、硫分等杂质，在开采、运

6、输、燃烧过程中会污染环境，燃烧时热效率低。煤炭气化目的： 制取清洁的气体燃料； 制取化工合成用的气体原料。地上气化 采出煤炭后进行热加工的一种过程: 以煤炭作为原料，以氧或氢作气化介质，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。地下气化 在未经开采的煤层中进行的热加工过程: 通过从地面钻进的一批特定钻孔，把气化介质送进煤层，使煤炭在地下进行发生炉煤气反应，生成的煤气从另一批特定钻孔引出。4. 石油的精炼 目的 从复杂的原油中提取粘度较小的能充分燃烧 把不好的分子转变为好的分子如长链烷烃容易引起汽缸爆震现在观点，大多数石油是由埋藏在地下沉积层中的有机物经过几百万年在75200的

7、温度下形成的。 微生物将地表以下的有机物转化为碳氢化合物，剩下的埋藏在深层地底(通常具有商业价值的油田都位于地表以下500米700米深处，最深的油井在约6公里深的地底)的有机物则在温度和压力下经过分解及复杂的化学反应生成石油。精炼方法: 先根据不同沸点把不同成分分离开， 然后除硫再向高辛烷转变。 5. 天然气液化 通过施加一定高压，使天然气由气态变为液态，贮存在专门容器内。天然气是埋藏在地层深处的一种富含碳氢化合物的可燃气体，由亿万年前的有机物质转化而来。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重质气态烃类。甲醇俗称“木精”，性能稳定，象石油一样能直接当作燃料，使用时不污染环境，便于运输和

8、贮存。20世纪末，甲醇合成技术已获成功，如果在天然气产地附近设立甲醇工厂，把天然气加工成甲醇，可经济合理地解决天然气液化问题。 6. 水能的利用 水力发电优点，经济、干净和易维修葛州坝水利枢纽装机容量为271万千瓦三峡水电站总容量为1768万千瓦当今世界仅次于三峡水电站的第二大的水电站-伊泰普水电站,位于巴拉那河流经巴西与巴拉圭两国边境的河段. 总装机容量1260万千瓦，年发电量可达750亿度。7. 蓄能技术针对热能或电能储存，着眼于大规模、长时间应用。电能储存是当前研究的重点。 蓄能技术一般要求: 储能密度大 变换损耗小 运行费用低 维护较容易不污染环境根据这些要求衡量，抽水蓄能方案较优越电

9、的蓄能技术大致分三类： 直接储存电磁能 超导线圈蓄能系统 把电能转化为化学能储存 铅电池,钠硫电池,锌氯电池,锂电池等 把电能转化为机械能储存 压缩空气, 需要时释放电池：储存电能转化而来的化学能铅酸电池中的铅在回收中容易流失，对环境存在二次污染镍氢电池：一种密封电池，可以在任何位置下工作，使用方便。特点：可随时充放，循环使用，且不用维护。以过充过放为一次使用过程，预计可使用1000次。锂电池: 采取了3层保护措施，可抗过充过放，使用更安全方便。特点: 体积小、质量轻、使用寿命长、环保(不需要回收) 。燃氢电池、纳米碳管(一个装电的容器，像拧水龙头一样放电)将是电动自行车动力源未来的发展方向。

10、 。 由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。它是利用氢和氧生成水的过程来产生电力的一种装置。 燃料电池：第四种电力(电力火电、水电、核电为三种当今能以工业规模生产的电力)工作原理: 通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质(起反应的物质)-燃料和氧化剂, 促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的固体电解质板所组成。工作时向负极供给燃料(氢H2)，向正极供给氧化剂(空气O2)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载

11、就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。燃料电池的用途: 电动车动力源,可移动电源、家庭电源与分散电站等三、能源利用与开发 1. 常见的能源 (1)热能及其到机械能的转换纽科曼(T.Newcomen，16631729)1711年发明蒸气机瓦特(J.Watt，17361819) 1765年发明分离冷凝器，使蒸气机成为主要动力装置。热机效率：430以上卡诺循环 热能及其到机械能的转换 天然气的开发； 地热能；地热能是来自地壳之下的高温能源。一个典型的地热能电场可以轻松地输送100MW电量，这是风能和太阳能所无法企及的。 (2)

12、电能电能指电以各种形式做功的能力。有直流电能、交流电能、高频电能等，这几种电能均可相互转换。 (3)机械能 水力发电； 海洋能(潮汐能、海浪能、温差能)； 风能利用 (4)太阳能 光电转换方式； 光热转换方式； 光化学转换方式。家用太阳能并网系统工作原理1）晴天的白天：太阳能电池板阵列将太阳能转化为直流电力，再经由逆变器转变为可为用电设备供电的交流电力。发电电力大于用电设备的消费电力时剩余电力将被返送回电网，电力公司将依据售电电能表记录的数值支付给用户相应的费用。2）多云或阴雨天气的白天：此种天气下，我们的太阳能系统根据实际的日射量仍可以发电，但此时发电量较少，当用电设备消费电力较大时，不足部

13、分将由电力公司通过电网补充提供。3）夜晚：夜间太阳能发电系统不提供电力，用电设备由电力公司提供的常规电力供电。 光热转换光热转换就是把太阳辐射能通过各种集热装置（集热器）转变成热能。太阳能热发电；太阳能高温炉冶炼高温材料；太阳能节能建筑太阳房；利用太阳能使海水淡化；太阳池（盐湖水太阳能发电技术）；太阳能热水器。最基本的应用热水器在某些国家太阳能已成为热水生产的主要方式，带来良好的环境效应。10 MW 太阳能电厂 in Barstow, California大面积收集热，利用蒸气机发电。1900定日镜；每个 20 ft 20 ft；中心塔高 295 ft；总效率可达 25%.太阳能光热电转换首次

14、实现太阳能热泵中央热水系统方案，以太阳能为主要热源，辅以少量的电能驱动双热源热泵，保证了阴雨天气及冬季太阳能资源不足时热水供应，做到全年、全天候供应热水。 北京月坛奥运会游泳馆太阳能塑料菜棚太阳能热水器光电转换 通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。太阳能电池的工作原理是光电效应。太阳能电池已广泛应用于宇宙飞行器；太阳能电池还用来作为交通工具的能源；太阳能电池应用在自动控制领域；太阳能电池还可以用来发电（光伏电站）。太阳能红绿灯太阳能景观灯美国无人驾驶太阳能飞机太阳能汽车利用太阳能的电动车 上海世博会主体建筑屋顶上的太阳能装置阿姆斯特丹附近的“太阳能村”(位于阿姆斯福特

15、市)是一个近年建成的以建筑节能为中心的、装机容量名列世界前茅的太阳能发电居住区，也是当今荷兰住宅建设的示范项目。太阳能住宅光化学转换用光和物质相互作用引起化学变化的过程称光化学转换。 绿色植物的光合作用； 利用光化学电池制氢。光化学转换到目前为止还只限于实验室试验，没有重大突破。(5)氢能“喝”氢的汽车越来越多的科学家相信未来洁净能源的最大一部分也许就藏在海底或高纬度永冻区。有专家预测，可燃冰至少能为人类提供1000年的能源，它将来有望替代煤、石油和天然气，成为“21世纪的新能源”。可燃冰的学名是天然气水合物(Gas Hydrates ),这是天然气和水在特定的条件下所形成的一种透明的冰状结晶

16、体,又称“气冰”、“固体瓦斯”。外貌类似冰雪，可以像酒精块一样燃烧，故称为“可燃冰”。是一种清洁高效、使用方便的新能源。2. 超级能源：可燃冰 可燃冰的性能能量密度高，燃烧值高。1m3相当于164m3的天然气。清洁无污染（几乎不产生任何燃烧废弃物，SO2比燃烧油或煤低2个数量级）使用方便。压力降低就足以使天然气水合物晶体分解并释放出大量甲烷气体。注意：甲烷的温室效应比CO221倍，是一种对环境破坏作用最大的温室气体危险性高可燃冰的开发利用1810年，英国，达威在实验室发现“天然冰”。 虽然是块香饽饽，但开发利用仍然很困难：勘探定位技术， 开采技术;提制可燃气的技术;运输的问题;低成本开发其它：

17、未燃烧的天然气水合物直接排入大气产生的强烈温室效应未燃烧的天然气水合物对海底已有油气管道造成危险对鱼的生长的威胁对航行的威胁天可燃冰如何保持高压、低温状态等3. 裂变反应堆核电站 裂变发现及裂变能的释放裂变的发现1934年，费米(E.Fermi，意大利，19011954)1938年，居里夫人实现中子使铀核裂变；1939年，哈恩(O.Hahn，18791968)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)，重复了居里的实验；L.meitner和O.R.Frisch对此做出正确解释，首次引入fission(裂变)一词；1947年，钱三强和何泽慧进一步发现裂变的三分裂和四分裂现象。2) 核裂变的特点(1

18、) 裂变过程释放巨大能量1g的铀裂变所释放的能量，相当于3吨以上的煤燃烧所释放的能量。(2) 裂变产物有多种组合方式，裂变时放出中子 链式反应的可能性和可控性链式反应的可能性中子增殖一次铀核裂变中，平均可以放出2.4个中子2) 链式反应可以控制缓发中子 可控式链式反应的实现1) 中子必须慢化核裂变中释放的中子，动能大多在Mev的数量级，必须使快中子慢化为热中子。慢化剂：水，重水，石墨等。2) 临界体积增殖系数加大K的方法： 提高浓缩铀中235U的比例 加大反应体的体积事实证明：当反应体积达到一定的临界体积时，链式反应就会持续。3) 用控制棒控制反应堆的速率控制棒：易于吸收中子的硼或镉核反应堆，

19、又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。 核反应堆=裂变原子核热载体 链式反应的历史(1942年12月2日)原子弹、氢弹、中子弹核电站简介核电站利用原子核裂变反应所放出的核能，由冷却剂带出，把水加热为蒸汽，驱动汽轮发电机组进行发电。两个回路系统核蒸气供应系统蒸汽驱动汽轮发电机工作的系统秦山核电站(30万千瓦)，1991年12月15日并网发电坐落于浙江海盐县秦山双龙岗的鸟瞰图 大亚湾核电站(290万千瓦)台湾6座, 40。美国109座, 供电量占全国21%；法国56座, 80%；日本，德国，俄罗斯，加拿大均有大量的核电站。美国日本苏联莫斯科附近(1954第一

20、座)法国格拉弗林檬电站(世界第一) 1954年，前苏联建成世界上第一座核电站；现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；我国秦山核电站、大亚湾核电站已建成和正式发电，秦山二期、三期核电工程、岭澳核电工程、连云港核电工程也将于近年内建成发电。核电站的安全性 一般来说，如果防范措施得当，核电站是很安全的。历史上曾发生过两次核电站核泄露事故： 一次是1979年3月18日，美国三里岛核电站堆芯熔毁； 另一次是1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终处置。4. 生物能生物能也叫生物质能，它是指绿色植

21、物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量；生物质能的种类繁多，目前可被利用的大致有六大类：(1)木材和森林工业废弃物（树枝、树叶、树根等）； (2)农业废弃物（秸杆、果核、玉米芯等）；(3)水生植物（藻类等）；(4)油料作物（棉籽、麻籽、油桐等）；(5)城市与工业有机废弃物（垃圾和食品、屠宰、制酒、制纸工业的排泄物等）；(6)粪便。56 微藻制油 微藻，这些广泛分布于盐碱水、淡水、海水、沼泽、温泉等水域的微小生物，因其具有生物量大、生长周期短、易培养及脂类含量较高等特点，成为制备生物质能源的良好材料。据新奥科技发展有限公司生物质能源研究中心总经理刘敏胜介绍，目前世界上已知的微

22、藻种类达到几千万种，经过认证可以利用的有几万种。“但真正实现利用的微藻目前只有几十种，还有很大的潜力可挖。” 2007年，美国启动了微藻能源计划，称为“微型曼哈顿计划”；2008年10月，英国碳基金公司启动了目前世界上最大的藻类生物燃料项目，投入2600万英镑用于发展相关技术和基础设施，该项目预计到2020年实现商业化。厦门大学中国能源经济研究中心主任林伯强在接受中国经济周刊采访时表示，中国煤炭行业的产能目前在30亿吨31亿吨，1吨煤产生2.5吨二氧化碳排放，碳吸收和碳利用是今后一个很重要的方向。记者获悉，占地1平方公里的养藻场一年可处理5万吨二氧化碳。照此计算，假设有15万平方公里养藻场，即可全部处理煤炭产生的二氧化碳。 5. 风能风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量；风能的利用主要靠风力机，风力机是把风能转化为其他形式能量的旋转机械；利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。6. 地热能地球内部蕴藏着的热能称为地热能，来自(1)高温岩浆，(2)岩石中放射性元素衰变；在地球上所有的能源中，