中矿大能源与环境课件04能源转换技术

第4章

能源转换技术

能源转换的类型

4.1矿物燃料发电

4.1.1热力学定律

1、热力学第一定律:在与外界无物质交换的体系中，从状态1变成状态2时，从体系外接受热能ΔQ和对体系外做功Δw的总和，等于状态1和状态2的内能U之差ΔU，而与途中的过程无关。其数学表达式如下：Q=ΔU十ΔW由活塞和汽缸组成的体系如图。从外部加上热量ΔQ时，设截面积为S的活塞在压力P作用下向外移动Δx做功。这个功可用ΔW=PSΔx=PΔV表示。因此，热力学第一定律也可以写成ΔQ=ΔU十PΔV。其中，P、V、U都是只取决于始、终状态而与过程的路径无关的量，称为状态函数。

2、热力学第二定律规定热不能自发地从低温物体移向高温物体的定律。某一温度下物质得到的热量除以温度，得到的值定义为熵S。某体系的温度为T，从外部向体系加人热量ΔQ时，熵的增量ΔS可定义如下：

ΔS=ΔQ/T温度不同的两种物质，设热量ΔQ从物质1移到物质2。这时，前者损失的熵是ΔS1=ΔQ/T1，后者得到的熵为ΔS2=ΔQ/T2。根据热力学第二定律，必定是T1＞T2，所以S2<S1。由此可见，在不可逆过程中，体系的熵必定增加。此外，没有熵的增减的那类理想的状态变化称为可逆过程。

4.1.2卡诺循环在利用蒸汽发电的发电厂，水作为工作流体，经历各种过程后返回原状的工作过程，周而复始地进行，这种变化过程称为热循环。将两个理想的可逆等温过程和两个理想的可逆绝热过程组合，所得到的热循环叫做卡诺循环。

1→2是等温膨胀过程。2→3是绝热膨胀过程。3→4是等温压缩过程。4→l是绝热压缩过程。循环是由理想可逆过程组成的。对外所做的功W=Q1-Q2。热效率η=W/Q1=（Q1-Q2）/Q1

=1-Q2/Q1=1-T2/T1（理想可逆过程的熵S一定，因此Q=TS）由此可知，高温热源的温度越高、低温热源的温度越低，热效率越高。

4.1.3朗肯循环（蒸汽循环）

下图朗肯提出的用水蒸气和水做工作流体的循环，因此称为朗肯循环。

η=W/Ql=（Ql一Q2）/Q1

4.1.4燃气轮机

4.1.5复合循环发电

设燃气轮机的吸热量、放热量为Q1和Q2，燃气轮机的热效率为:设蒸汽轮机的吸热量、放热量为Q3和Q4，蒸汽轮机的热效率为：

复合循环的热效率能够表示为

要提高这类循环的热效率，首先应提高汽轮机的入口温度，即增大Q1。同时，Q2和Q3也随之增大，综合热效率ηc提高。

4.2原子能发电

普通矿物燃料，利用的是化学反应时分子内放出的轨道电子的部分势能。原子能利用的则是原子核反应时放出的原子核势能。原子由原子核及其周围的轨道电子组成，原子核由质子和中子构成。原子的序号是Z、质量数是A，则构成原子核的质子数为Z、中子数为A-Z，围绕原子核旋转的电子数也是Z。原子的化学性质取决于轨道电子的数量，即取决于原子序号。因此把原子序号相等，即化学性质相同，而质子数不同的元素叫做同位素。

单位核子（质子、中子）的结合能

单位核子的结合能越大，意味着原子核越稳定。例如铁和锰等质量数为55左右的元素最稳定。无论是质量数为235的铀的原子核裂变成两部分，还是两个质量数为2的氖聚变成质量数为4的氦，结合能会出现多余部分，这部分能量可以释放出来。

4.2原子能发电一、核裂变反应铀235核裂变时，一个原子的核裂变产生约200MeV的能量。1克当量的铀235核裂变的能量为82GJ，相当于燃烧3.3吨煤的能量。4.2原子能发电二、轻水堆

原子反应堆，是控制核裂变反应，把所产生的能量以热量的形式安全地放出的系统。系统包括核燃料、中子减速材料和控制棒、冷却材料。按照使用的材料分类，原子反应堆可以分成石墨堆、轻水堆、重水堆、液体金属冷却堆、气体堆等。世界上建成最多的是轻水堆。轻水堆按冷却水压力不同分为分压水堆和沸水堆。

4.2原子能发电（一）压水堆反应堆内压力高达150大气压左右，冷却水被加热到320℃左右高温，但并不沸腾。冷却水送入蒸汽发生器。在蒸汽发生器中，使二次冷却水沸腾，变成蒸汽进到汽轮机做功发电。

4.2原子能发电

燃料芯块是由二氧化铀烧结而成的，含有2～4%的铀－235，呈小圆柱形，直径为9.3毫米，装在两端密封的锆合金包壳管中，成为一根长约4米、直径约10毫米的燃料元件棒。把200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，组成燃料组件。每个堆芯一般由121个到193个组件组成。这样，一座压水堆所需燃料棒几万根，即1千多万块二氧化铀芯块堆芯。

4.2原子能发电

控制棒用银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆中的中子，用来控制反应堆核反应的快慢。如果反应堆发生故障，立即把足够多的控制棒插入堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作，这就保证了反应堆运行的安全。

4.2原子能发电（二）沸水堆

冷却水在约70个大气压下沸腾，产生的蒸汽送入汽轮机做功发电。4.2原子能发电三、快中子增殖反应堆利用铀-238进行裂变反应，将其转变为可裂变的钚-239（制造核弹材料）。在从铀-238向钚-239的转换中，中子的能量越大转换率越高，因此出现了核裂变中子不减速、发生连锁反应的反应堆

——快中子增殖反应堆。为了保证钚的高生成率，不能用水做冷却剂。这是因为中子和质子的质量相等，通过一次弹性碰撞，中子的能量就会全部被水的质子吸收。4.2原子能发电

液态金属钠的原子量较大，是质量合适、导热率高、不腐蚀的良好的冷却剂。利用具有这种性质的冷却剂兼减速材料，每一次核裂变反应将生成一个以上的钚239。钠的沸点高．出口温度能提高为550℃，所以热效率高。同时因为钠蒸汽压低，所以不需要像轻水堆那样加高压，不必担心管路破裂引起的冷却剂急剧丧失故障。

4.2原子能发电四、核聚变发电爱因斯坦早在1905年研究相对论时就提出了“质量和能量在某种意义上是相当的”思想，这个思想可用一个方程表述：E=mc2。

这就是著名的“质能关系”。它表明在任何过程中，放出的能量总是和相当的质量减少相关联的。4.2原子能发电

1925年英国物理学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿在用质谱仪测量原子核质量时发现，任何原子核的质量要比组成该原子核的所有粒子的质量总和要少些，这种现象叫做“质量亏损”。当两个轻原子核结合成一个较重原子核时，由于质量亏损而释放出的能量称为核聚变能。

4.2原子能发电

核聚变反应的燃料是氘，作为稳定的核物质在天然的氢气中含有0.0015％，因此，它是取之不尽的能源资源。一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时能释放出17.6兆电子伏特的能量，平均每个核子放出的能量是裂变的好几倍，是化学燃料的几百万倍。4.2原子能发电核聚变的临界条件（1）

获得能够克服库仑力，发生碰撞的速度→高的温度（2）

单位时间内多次碰撞产生大的能量→高的氢密度（3）用所产生的能量促进下一次反应→长的能量箍缩时间4.3太阳能发电

一、太阳能发电及其特点太阳能发电的方式有多种，主要有太阳能光伏发电，光感应发电，光化学电和光生物发电等，其中太阳能光伏发电应用得最为广泛。

太阳能光伏发电主要是利用半导体太阳电池的光伏效应发电。它是由法国物理学家皮奎雷尔在1839年发现的。伏打电池在受光照射的时候，能够产生额外的伏打电动势，这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。4.3太阳能发电太阳光照射到p-n结半导体材料上时，光子同半导体中的原子价电子碰撞，产生电子-空穴对，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能．在p型和n型交界面两边形成势垒电场，就将电子驱向n区，空穴驱向p区，产生所谓的光生伏打电动势。4.3太阳能发电特点：没有动力机械，是安静的清洁的能源

维修方便，容易自动化

不论规模大小，均按一定的效率发电

由子采用模块结构，容易实现大批量生产，规模效益大

使用漫射光也能发电

光发电可有效利用废弃的能源

4.4太阳热发电一、太阳能集热板材料特性4.4太阳热发电需要集热板具有的功能是，既能很好地吸收太阳光，又不使内部积蓄的热量散失（不发射红外线）。到达地面的太阳光的能量，99%都含在波长为0.17～4μm的区域，因此要求集热板在这一波长范围内吸热率要高。集热板的温度高达近百度，其发射波长为2～10μm。

3μm以下的短波区吸收率高，在2μm以上的长波区发射率低的材料。铜氧化物（CuxOy）、四氧化三铁（Fe3O4）、黑铬镀层（CrxOy）、黑镍镀层（NiS/ZnS）4.4太阳热发电集热形太阳热系统塔式太阳能发电站4.4太阳热发电柱面集热式太阳能发电站4.4太阳热发电分散式太阳能发电站4.5自然能的利用一、水力发电水力发电就是利用水力推动水力机械(水轮机)转动，将水势能转变为机械能，机械能又转变为电能的过程。1、作为常规电站使用

4.5自然能的利用2、作为调峰电站使用

在夜间等电力供给有余的时段，使用剩余的电能将水从下池提到上池；在白天等用电高峰的时段，可放流上池的水发电。4.5自然能的利用二、风力发电

太阳投射到地球上的辐射能有20％左右被地球表面所吸收，这些能量中的一部分将大气加热，由于地球表面上的温度差异较大，导致大气的温度也不一样，这样引起了大气的流动，形成了风，让风推动风车旋转，依靠由此获得的机械能发电。

4.5自然能的利用1、风轮叶片2、机头3、回转体4、尾舵5、拉绳4.5自然能的利用

设受风的平面与风向垂直、截面积为A、风速为v，空气密度为ρ，单位时间内通过风车的空气质量为ρAv。则风力发电功率为：

4.5自然能的利用三、地热发电

地热发电是利用从地球内部流出的热发电的方法。从地球表面到地球中心，每深入l00米地球的温度会提高3℃，到地心温度将达到6000℃的高温。

4.5自然能的利用地热发电的两种形式

4.5自然能的利用四、潮汐发电潮汐发电，是利用潮水涨落时海面的水位差发电。

山东的白沙口潮汐电站和浙江的岳浦潮汐电站4.5自然能的利用浙江的江厦潮汐电站4.5自然能的利用五、