第二次课：能量的转换和储存靳090306

1、能源科学导论第二讲能量转换和储存的基本规律,靳世平 能源与动力工程学院,全球气候变化,2-自然界最后的安全阀 蝴蝶效应 趁我们还在这里,快来看吧 三十年领土之争被暖化,碳基能源与人类文明,人的肌力-100W 煤与工业革命 石油与战争 油国三硬汉和伊拉克泥潭 一颗红心,两叶黑肺,哥本哈根的意义,京都议定书 斯特恩与戈尔 巴厘岛路线图 CAP在哥本哈根 中美国的破产 瓦克斯曼-马基法案,科技创新,未来中国要解决能源问题,科技创新是根本途径。 2050 年后, 全球四大能源替代方向将有: 核聚变。2050 年左右建成世界第一座商业核聚变电站。 天然气水合物。 空间太阳能发电, 通过微波或激光传到地面

2、。 氢能。一旦制氢、储氢和用氢技术突破,将成为主力能源。 现阶段( 2010 年- 2030 年) , 科技研究与开发重点三方面: 煤炭的清洁高效利用; 能源结构多样化, 可再生能源由辅助走向主流; 提高能源系统总效率, 包括采集、转化、终端利用效率。,主要内容,能量转换的基本规律 能量转换设备或系统 热能机械能电能 氢能太阳能核能生物质能 能量的储存与运输,能量转换的基本规律,日落西山常见面 水流东海不回头,“量”的多少 能量守恒与转换定律 “质”的高低 能量贬值原理,能量转换基本定律,能量的基本性质,能量守恒与转换定律 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一

3、种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的总量恒定不变。,能量贬值原理 一个封闭系统中的任何自发性变化，都必然朝着能量贬值（熵增）的方向发展，而最后的平衡状态，则对应于熵的最大可能值。,热力学第二定律,克劳修斯说法：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。” 开尔文说法：“不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影响。”,幻想中的永动机,以海洋为热源，海洋共有6.881020t的海水，如果海水的温度下降1，可放出2.881024KJ的热量，约合9.81016t标准煤，相当于目前全世界每年能耗的10万倍。,热量不可能自动从低温热源传向高温热源。,克劳修斯说

4、法,热泵技术是制冷的基础,不可能制造“一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之全部变为功，而不向低温热源放出热量，或者说不引起其它变化。” 这种热机称为第二类永动机或单热源热机,开尔文说法,1、工作在相同的高温热源与相同的低温热源之间的一切可逆热机，不论用何种工质，它们的效率都相等，即,2、工作在相同的高温热源与相同的低温热源之间的不可逆热机，其效率都不可能大于工作在同样热源之间的可逆热机的效率，即,卡诺定理,能量转换过程及转换设备或系统,能量转换过程及转换设备或系统,能量转换过程及转换设备或系统,热能,燃料燃烧 核能 太阳能 地热 电能,热能,有关燃烧的知识,燃料燃烧(化学反应)的必要

5、条件 燃烧所需的空气量(氧化剂) 燃烧反应的温度,燃烧设备,燃烧设备,锅炉 工业炉窑,机械能,热能 电能 水能 风能,机械能,热机转换,内燃机 往复运动热机 燃气轮机 外燃式热机 蒸汽轮机 将蒸汽热能转换为机械功的热机,航空发动机,电机转换,电能的生产,机电转换,电动机 发电机,热电转换,磁流体发电 热电偶温差发电 热电子发电,电化学,电池 燃料电池 燃料电池是一种将 氢和氧的化学能通过 电极反应直接转换成 电能的装置。,用于电动自行车的金属储氢装置,氢能-天然气/电解水/光分解水制氢,光电转换,光伏效应,太阳能电池发电原理,晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子

6、往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。,能量的储存与运输,能量的储存,在机械能、热能、化学能、辐射能、核能等六种主要类型的能量中，除辐射能外，都能储存在一些普通种类的能量形式中。,主要指标,储能密度 储存过程的能量损耗 储存装置的经济性 储能和取能的速率 寿命（重复使用的次数） 对环境的影响,能量的储存,机械能储存 电能储存 热能储存,机械能的储存,机械能能以动能或势能的形式储存 以动能储存：旋转飞轮 以势能储存：弹簧、扭力杆、 重力装置、压缩空气储能、 抽水储能,压缩空气储能,压缩空气是工业中常用的气源，除了吹灰、清砂外，还是风动工具和气动控

7、制系统的动力源。,抽水储能电站,纯抽水蓄能电站 混合式抽水蓄能电站,我国抽水蓄能电站开发现状,从上世纪80年代开始起步，到目前为止 我国已在9个省、区、市建成11座抽水蓄能电站，装机容量约为570万kW，占全国装机容量的1.8。,大型电站,广州电站，装机容量240万kW 浙江天荒坪电站，装机容量180万kW 北京十三陵电站，装机容量80万kW 河北潘家口电站，装机容量27万kW,将建电站,山东泰安电站，装机容量100万kW 浙江桐柏电站，装机容量120万kW 山西西龙池电站，装机容量120万kW 江苏宜兴电站，装机容量100万kW 河北张河湾电站，装机容量100万kW 安徽琅琊山电站，装机容量

8、60万kW,电能的储存,以机械能的形式储存 以化学能的形式储存 于蓄电池中 以电能的形式储存在 静电场和感应电场中,蓄电池,利用电化学原理,蓄电池,蓄电池由正极、负极、电解液、隔膜和容器等5部分组成。,静电场,电能可用静电场的形式储存在电容器中。 在直流电路中，广泛用作储能装置。 在交流电路中，用于提高电力系统或负荷的功率因素。 储能电容器广泛应用于高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面。,感应电场,电能还可以储存在由电流通过电磁铁这类大型感应器而建立的磁场中。 利用感应电场储存电能不常用，因为它需要一个电流流经绕组去保持感应磁场。,热能的储存,热能储存是把一个时期内暂时不需要的多余

9、热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取使用。,储存时间,随时储存，以小时或更短的时间为周期，随时调整热能供需之间的不平衡； 短期储存，以天或周为储热周期，维持一天（或一周）的热能供需平衡； 长期储存，以季节或年为储存周期，调节季节（或年）的热量供需关系。,热能储存方法,显热储存 潜热储存 化学能储存 地下含水层储热,热能,潜热储存,利用蓄热材料发生相变而储热 固体液体相变蓄热 液体汽体相变蓄热（蒸汽蓄热器）,地下含水层储热,解决采暖和空调的季节性负荷问题的重要途径之一。 利用地下岩层的空隙、裂隙、溶洞等储水构造以及地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点，用管井回灌的方法，把冬季大气环境中太丰富的“冷”和夏季不要钱的“热”储存在含水层中，在冷、热不是同时需要的场所实现供冷、供热。,地下含水层储能,含水层储热夏灌冬用 含水层储冷冬灌夏用 必须具备灌得进、存得住、保温好、抽得出等条件。 回灌水源