中科大相变储能课件00前言

1相变贮能

——理论与应用热科学和能源工程系2前言3主要内容相变能源贮能材料4相与相变利用相变进行贮能，涉及相变理论、材料科学、能源学、工程热力学、传热学、热物性测量以及相关的工程应用方法。5相与相变凡是物理性质在各点都相同的空间范围称为相。物理性质均匀的部分称为相。热力学上所谓的相是指系统的一部分，这部分的性质和成分是均匀的，是物理的有它本身的特性而且至少在理论上可以从系统的其他部分分离的。通常分为三态：固、液、气在适当的条件下可以互相转变（温度、压力、浓度）。相互作用和热运动之间的此消彼长，形成了相变。不同的相之间的变化称为相变。在均匀单相内，或在几个混合相中，出现了不同成分或不同结构，不同组织形态或不同性质的相，就成为相变。当母相失稳，而新相具有较高的稳定性时，就会发生相变。6引起相变的物理量一般说来，强度量（如温度、压强、组分等）是控制宏观系统发生相变的参数。三种状态的变化固液，固气，气液相变日常生活中水的相变（温度）液化气（压强）盐水（组分）7理论方程理想气体临界点范德瓦尔斯方程8相变理论厄伦菲斯特（Ehrenfest）依据热力学势及其导数的连续性对相变进行分类。自由能、内能都是热力学函数。它们的第一阶导数是压力(或体积)、熵(或温度)、平均磁化强度等等，而第二阶导数给出压缩率、膨胀率、比热．磁化率。9相变分类凡是热力学势本身连续，而第一阶导数不连续的状态突变，称为第一类相变。第一阶导数不连续，表示相变伴随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。热力学势和它的第一阶导数连续变化，而第二阶导数不连续的情形，称为第二类相变。这时没有体积变化和潜热，但比热、压缩率、磁化率等物理量随温度的变化曲线上出现跃变或无穷的尖峰。超流和没有外磁场的超导转变、气液临界点，以及大量磁相变，属于二类相变。10相变分类从热力学函数的性质看，一类相变点不是奇异点，它只是对应两个相的函数的交点。交点两侧每个相都可能存在，通常能量较低的那个得以实现，这是出现“过冷”或“过热”的亚稳态以及两相共存的原因。二类相变则对应热力学函数的奇异点，它的奇异性质目前并不完全清楚。在相变点每侧只有一个相能够存在，因此不容许过冷、过热和两相共存。事实上热力学函数并不能在一类相变点的另一侧无限延伸下去。11固液相变第一类相变：温度不变潜热热膨胀12能源与贮能电池（化学能）、蓄能水库（势能）、植物（太阳能转化为化学能）介质-某种合适的物质。能源品位（能量转换，第二定律，熵）以高品位形式贮存热能；机械能；电能；化学能等能源转化，合理利用，不节能，13历史发展人类社会的历史在发展中经历了三个能源阶段，即柴草时期、煤炭时期和石油时期。从以柴草为主的0S源时期，到18世纪以前的数千年中，生产力的发展很低。到了18世纪，煤的开采，蒸汽机的应用，开辟了资本主义的第一次产业革命。19世纪70年代电能的利用，实现了资本主义的工业化，人类才有了现代的物质文明。到了20世纪50年代，以石油为主的能源来临了，不少国家依靠石油实现了现代化。原子能及新能源的利用则使人类社会进入了高科技时代。而能源则成为工业的“粮食”，国民经济发展的基础。纵观当今世界，经济最发达、工业化程度最高的国家无一不是消耗能源最多的国家。美国、英国、德国、法国、日本、意大利、俄罗斯的总人口只占世界人口的五分之一，而他们的能源消耗却占世界能源消耗的三分之二。特别是美国，它是世界上最大的能源消费国。美国的人口仅占世界人口的5％，而他们对能源和其他物质的消费量却占厂世界的四分之一”’14初级能源15中国能源16能源危机１９９８年６月７日，美国《洛杉矶时报》发表题为《即将来临的石油危机——真正的危机》的文章认为，今后１０年左右，世界石油供应似乎是充足的。在今后２０年左右的时间，全球石油产量可能开始持续下降。17能源危机《中东报》认为，到１９９７年底，开采石油已达８０７０亿桶，其中一半是在石油动荡的７０年代开采的。根据一些保守的估计，石油储量不会超过８３００亿桶。还有一些报告指出，世界石油总储量约达９９５０亿桶。目前，世界每年消费石油２４０亿桶，而新勘探出的石油越来越少，每年只有５０亿桶。中东地区以外的石油储量正在下降。石油资源是有限的。

据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过９５年。在２０５０年到来之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在２２５０到２５００年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。18开源节流节能就是拯救明天

节能就是科学合理地利用现有能源，提高效率，推迟能源枯竭的时间。节能是要付出代价的，寻找合理的代价。

太阳能、地热能、风能、海洋能、核能以及生物质能等存在于自然界中的能源被称作“可再生能源”，由于这些能源对环境危害较少因此又叫做“绿色能源”。开发绿色能源是解决能源危机的重要途径。

19开源节流截止到１９９９年，全世界处于运营中的核电站共有４３６座。核发电量在总发电量中所占比例最高的１０个国家是：法国７５％、立陶宛７３.１％、比利时５７.７％、保加利亚４７.１％、斯洛伐克４７％、瑞典４６.８％、乌克兰４３.８％、韩国４２.８％、匈牙利３８.３％亚美尼亚３６.４％。１９９９年全世界核发电量为２３９４．６兆兆瓦时，占所需全部电能的四分之一。20太阳能尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。21能源与污染状况我国能源短缺以煤炭为主，但每年6000万吨石油依靠进口。

能源污染我国1997年的二氧化硫排放中来自能源的消费大约占了80％，是污染大户。这是造成我国大面积酸雨的原因。大多数城市的大气污染属于煤烟型污染，近年交通污染也渐趋严重，煤烟污染和交通污染造成的光化学烟雾交替出现。中国的环境污染为典型的能源消费型污染。所以抓住能源问题，就能解决环境问题。最关键的是煤炭。我国东部的大部分地区都受到酸雨的威胁。我们的酸雨或其它环境污染一年损失大约是国民生产总值的1.6％，达一千多亿人民币。2000年，中国排放了30亿吨二氧化碳。温室气体包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N20)、氢氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PFCS)、六氟化硫(SF6)。

22绝大多数亚洲城市的悬浮颗粒物和PM10含量已经下降，但其中多数城市的含量仍超过欧盟40μg/m3和美国环保局50μg/m3的环境空气质量标准中国尤其关注二氧化硫和氮氧化物的排放，中国工业的迅速发展和不断增长的能源需求加剧了空气污染。城市空气严重污染的主要原因是中国广泛使用煤进行发电和家庭供暖以及汽车数量的增长23环境危机在世界大多数地区，燃烧化石和生物质能燃料产生的废气排放，是与能源相关的空气污染的最主要原因。从化石燃料的开采到生产所引发的上游排放，到化石燃料燃烧供能，诸如交通、取暖和做饭等终端排放，能源相关污染是全过程排放的。24环境危机在上世纪八十年代，表明人类活动温室气体排放量与全球气候变化危险之间的关联的科学证据开始引起公众的关注。联合国大会在l990年，建立了气候变化框架公约政府间谈判委员会。政府间谈判委员会起草了《公约》于1992年5月9日在纽约联合国总部通过了这项《公约》。《公约》在l992年6月的里约热内卢地球问题首脑会议上开放签署。《公约》于l994年3月2日生效。至l998年中期，已有约

l75个国家批准或加入了《公约》，从而接受了《公约》规定的约束。第三届会议在日本京都举行。会议通过了《京都议定书》，要求《议定书》的发达国家缔约方承诺，在2008至2012年期间将其温室气体排放总量从l990年水平至少減少5%。25联合国气候变化框架公约

目標

本公约以及缔约方会议可能通过的任何相关法律文书的最终目标：根据本公约的各项有关规定，将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上。这一水平应当在足以使生态系统能够自然地适应气候变化、确保粮食生产免受威胁并使经济发展能够可持续地进行的时间范围内实现。26京都议定书

为实现《公约》第二条所述的最终目标附件一所列缔约方应个别地或共同地确保其在附件A中所列温室气体的人为二氧化碳当量排放总量不超过按照附件B中所载其量化的限制和减少排放的承诺和根据本条的规定所计算的其分配数量，以使其在2008年至2012年承诺期内这些气体的全部排放量从1990年水平至少减少5%。27温室气体二氧化碳(CO2)甲烷(CH4)氧化亚氮(N20)氢氟碳化物(HFCS)全氟化碳(PFCS)六氟化硫(SF6)2829能源模式2002年召开的世界可持续发展首脑会议通过了《约翰内斯堡实施计划》，该计划包括以下承诺：增加能源供应方式、提高可再生能源的全球份额；提供更加可靠、廉价、经济前景好、社会接受、环境友好型的能源服务和资源；制订提高能源效率的国内规划。2004年在波恩举行的国际可再生能源大会通过了一项国际行动计划，列出了各国政府和其他机构200多项推动可持续型能源的承诺和行动。当前世界上至少有45个国家制定了发展可持续能源的计划，至少有43个国家确定了该国到2005年中期可再生能源供给的国家目标。30政策因素社会利益，国家利益，个人利益牺牲国家利益，维护个人利益，保障社会利益。电能缓解电力负荷峰谷差。实行电价分时制。太阳能：能源补贴31贮能意义高效科学合理地利用能源降低污染中国约50%的石油进口，而且还在持续增加；中国对进口石油的高度依赖，会造成突发性石油供应中断带来的灾难性的打击；世界十大污染城市中国占七个，汽车尾气污染是中国城市空气污染的最大来源；中