能量的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存

第二章能量的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存第三節(jié)：能量轉(zhuǎn)換的主要燃料第四節(jié)：機(jī)械能的獲取第五節(jié)：能量的儲(chǔ)存第六節(jié)：能量的傳輸1第三節(jié)能量轉(zhuǎn)換的主要燃料2燃料通常是指能夠通過燃燒過程而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的物質(zhì)。所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其它含能體；所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的含能體。常用的化石燃料為煤、石油和天然氣，化石燃料有時(shí)又稱為礦物燃料。3核燃料天然鈾有三種同位素：鈾—238，占99.27%；鈾—235，占0.724%；鈾—234，占0.006%。這三種同位素化學(xué)性質(zhì)基本相同。但中子數(shù)目不同；鈾—238有146個(gè)中子，鈾—235有143個(gè)中子，鈾—234有142個(gè)中子。這三種同位素的核特性相差很大，只有鈾—235的原子核才容易分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，也就是我們所說的裂變。其它兩種同位素不易裂變。45第四節(jié)機(jī)械能的獲取6機(jī)械能的獲取

7將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能是目前獲得機(jī)械能的最主要的方式。熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱之為熱機(jī)。因?yàn)闊釞C(jī)能為各種機(jī)械提供動(dòng)力，故通常又將其稱之為動(dòng)力機(jī)械。一、熱能的轉(zhuǎn)換1.熱機(jī)的效率應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)有內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。8內(nèi)燃機(jī)主要為各種運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械提供動(dòng)力，也用于可移動(dòng)的發(fā)電機(jī)組。蒸汽輪機(jī)主要用于發(fā)電廠中，用它帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；也作為大型船舶的動(dòng)力；或拖動(dòng)大型水泵和大型壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)除用于發(fā)電外，還是飛機(jī)的主要?jiǎng)恿?lái)源，也用作船舶的動(dòng)力。廣泛應(yīng)用的電能主要由機(jī)械能轉(zhuǎn)換得到。在火力發(fā)電廠中蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；在水電站中水能先轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的機(jī)械能，水輪機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。92.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)包括汽油機(jī)和柴油機(jī)，是應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)。大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)是往復(fù)式，有氣缸和活塞。內(nèi)燃機(jī)有很多分類方法，但常用的是根據(jù)點(diǎn)火順序分類或根據(jù)氣缸排列方式分類。按點(diǎn)火或著火順序可將內(nèi)燃機(jī)分成四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。10應(yīng)用廣泛11四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)循環(huán)要求有四個(gè)完全的活塞沖程：

1）進(jìn)氣沖程：活塞下行，進(jìn)氣門打開，空氣被吸入而充滿氣缸。2）壓縮沖程：所有氣門關(guān)閉，活塞上行壓縮空氣，在接近壓縮沖程終點(diǎn)時(shí)，開始噴射燃油。3）膨脹沖程（即下行沖程）：所有氣門關(guān)閉，燃燒的混合氣膨脹，推動(dòng)活塞下行，此沖程是四個(gè)沖程中唯一做功的沖程。4）排氣沖程：排氣門打開，活塞上行將燃燒后的廢氣排出氣缸，開始下一個(gè)循環(huán)。12四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)13二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)是將四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)所需要的四個(gè)沖程納入二個(gè)沖程中完成。當(dāng)活塞在膨脹沖程中沿氣缸下行時(shí)，首先開啟排氣口，高壓廢氣開始排入大氣。當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)壓縮曲軸箱內(nèi)的空氣—燃油混合氣；當(dāng)活塞繼續(xù)下行時(shí)，活塞開啟進(jìn)氣口，使被壓縮的空氣—燃油混合汽從曲軸箱進(jìn)入氣缸。在壓縮沖程，活塞先關(guān)閉進(jìn)氣口，然后關(guān)閉排氣口，壓縮氣缸中的混合氣。在活塞將要到達(dá)上止點(diǎn)之前，火花塞將混合氣點(diǎn)燃。于是活塞被燃燒膨脹的燃?xì)馔葡蛳滦?，開始另一膨脹做功沖程。當(dāng)活塞在上止點(diǎn)附近時(shí)，化油器進(jìn)氣口開啟，新鮮空氣—燃油混合氣進(jìn)入曲軸箱。14

二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)15二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)16四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，經(jīng)濟(jì)性好，滑潤(rùn)條件好，易于冷卻；但二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件少，重量輕，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。

內(nèi)燃機(jī)只能將燃料熱能中的25%~45%轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其余部分大多被排氣或冷卻介質(zhì)帶走。因此如何利用內(nèi)燃機(jī)排氣中的能量就成了提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性中的主要問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，絕熱柴油機(jī)、全電子控制內(nèi)燃機(jī)、燃用天然氣、醇類代用燃料和氫的新型發(fā)動(dòng)機(jī)都相繼問世。進(jìn)入21世紀(jì)，由于環(huán)境問題日益突出，因此研制新一代高效低排放的發(fā)動(dòng)機(jī)已成為科學(xué)家們共同努力的目標(biāo)。173.燃汽輪機(jī)燃汽輪機(jī)和蒸汽輪機(jī)最大的不同是，它不是以水蒸汽做工質(zhì)而是以氣體做工質(zhì)。燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的高溫氣體直接推動(dòng)燃汽輪機(jī)的葉輪對(duì)外作功，因此以燃汽輪機(jī)作為熱機(jī)的火力發(fā)電廠不需要鍋爐。它包括三個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。18compressorCombustionchamberturbine19輻流式燃汽輪機(jī)20定子盤和轉(zhuǎn)子盤21軸流式燃汽輪機(jī)2223小型燃?xì)廨啓C(jī)24CompressorandDiffuserCompressorandDiffuserTurbineWheels25燃汽輪機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）重量輕、體積小、投資省。燃汽輪機(jī)的重量及所占的容積只有汽輪機(jī)裝置的幾分一或幾十分之一，因此它耗材少，投資費(fèi)用低，建設(shè)周期短。2）起動(dòng)快、操作方便。從冷態(tài)起動(dòng)到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機(jī)裝置則需幾分鐘到幾小時(shí)。3）水、電、潤(rùn)滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水的地區(qū)運(yùn)行；輔助設(shè)備用電少，潤(rùn)滑油消耗少，通常只占燃料費(fèi)的1%左右，而汽輪機(jī)要占6%左右。264.汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)，簡(jiǎn)稱汽輪機(jī)，是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的熱機(jī)。汽輪機(jī)單機(jī)功率大、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)，在現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電站中都用它驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電量占總發(fā)電量的80%以上。此外汽輪機(jī)還用來(lái)驅(qū)動(dòng)大型鼓風(fēng)機(jī)、水泵和氣體壓縮機(jī)，也用作艦船的動(dòng)力。27282930汽輪機(jī)如何工作A228MWaxialflowturbine.AxialflowofsteamChangeofradialmomentumdrivesrotorroundMiniaturelab.turbineRotormotion.31GasflowthroughtheturbineThediameterofthecompressorstagesgetsprogressivelysmallerasthegaspressurerises.Conversely,theturbinestagesgetprogressivelybiggerasthehotgasexpands,transferringmomentumtotheturbinebladesandpushingthemround.32二、水能和風(fēng)能的轉(zhuǎn)換三、電能的轉(zhuǎn)換33第五節(jié)能量的儲(chǔ)存34一、概述在機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、輻射能、核能等六種主要類型的能量中，除輻射能外，都能儲(chǔ)存在一些普通種類的能量形式中。機(jī)械能——以動(dòng)能、勢(shì)能形式儲(chǔ)存。熱能——以潛熱、顯熱形式儲(chǔ)存。電能——感應(yīng)場(chǎng)能或靜電場(chǎng)能?；瘜W(xué)能、核能——自身即為儲(chǔ)能形式。35主要指標(biāo)儲(chǔ)能密度儲(chǔ)存過程的能量損耗儲(chǔ)存裝置的經(jīng)濟(jì)性儲(chǔ)能和取能的速率壽命（重復(fù)使用的次數(shù)）對(duì)環(huán)境的影響36二、機(jī)械能的儲(chǔ)存以動(dòng)能形式儲(chǔ)存飛輪以勢(shì)能形式儲(chǔ)存。彈簧、扭力桿和重力裝置壓縮空氣儲(chǔ)能抽水蓄能電站純抽水蓄能電站混合式抽水蓄能電站

37飛輪動(dòng)能儲(chǔ)存系統(tǒng)38SatCon飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)可以提供常規(guī)鉛酸蓄電池50倍的能量?jī)?chǔ)存容量NASA開發(fā)的飛輪能量?jī)?chǔ)存技術(shù)39液態(tài)空氣能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)40從上世紀(jì)80年代開始起步，到目前為止，我國(guó)已在9個(gè)省、區(qū)、市建成11座抽水蓄能電站，裝機(jī)容量約為570萬(wàn)kW，占全國(guó)裝機(jī)容量的1.8％。大型電站廣州電站，裝機(jī)容量240萬(wàn)kW浙江天荒坪電站，裝機(jī)容量180萬(wàn)kW北京十三陵電站，裝機(jī)容量80萬(wàn)kW河北潘家口電站，裝機(jī)容量27萬(wàn)kW4142三、電能的儲(chǔ)存蓄電池發(fā)展方向：廉價(jià)、高效、能大規(guī)模儲(chǔ)能靜電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)電容器在直流電路中廣泛用作儲(chǔ)能裝置；在交流電路中則用于提高電力系統(tǒng)或負(fù)荷的功率因數(shù)，調(diào)整電壓高電壓技術(shù)、高能核物理、激光技術(shù)、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器超導(dǎo)磁鐵蓄能43蓄電池利用電化學(xué)原理44蓄電池蓄電池由正極、負(fù)極、電解液、隔膜和容器等5部分組成。45蓄電池作為電能儲(chǔ)存系統(tǒng)4647帶有超導(dǎo)磁鐵的飛輪電力儲(chǔ)存系統(tǒng)48四、熱能的儲(chǔ)存熱能儲(chǔ)存是把一個(gè)時(shí)期內(nèi)暫時(shí)不需要的多余熱量通過某種方式收集并儲(chǔ)存起來(lái)，等到需要時(shí)再提取使用。顯熱儲(chǔ)存潛熱儲(chǔ)存化學(xué)儲(chǔ)存地下含水層儲(chǔ)存熱能49儲(chǔ)存時(shí)間隨時(shí)儲(chǔ)存，以小時(shí)或更短的時(shí)間為周期，隨時(shí)調(diào)整熱能供需之間的不平衡；短期儲(chǔ)存，以天或周為儲(chǔ)熱周期，維持一天（或一周）的熱能供需平衡；長(zhǎng)期儲(chǔ)存，以季節(jié)或年為儲(chǔ)存周期，調(diào)節(jié)季節(jié)（或年）的熱量供需關(guān)系。501.顯熱式蓄熱蓄熱裝置設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理簡(jiǎn)單方便裝置體積龐大熱損失大2.潛熱儲(chǔ)存利用蓄熱材料發(fā)生相變而儲(chǔ)熱儲(chǔ)能密度高，裝置體積小，熱損失小過程等溫或近似等溫，易與運(yùn)行系統(tǒng)匹配。51熱量?jī)?chǔ)存523.化學(xué)能儲(chǔ)存一種高能量密度的儲(chǔ)存方法利用某些物質(zhì)在可逆化學(xué)反應(yīng)中的吸熱和放熱過程來(lái)達(dá)到熱能的儲(chǔ)存和提取技術(shù)上困難，目前尚難實(shí)際應(yīng)用4.地下含水層儲(chǔ)熱含水層儲(chǔ)冷：冬季將凈化過的冷水用管井灌入含水層里儲(chǔ)存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。含水層儲(chǔ)熱：夏季將高溫水或工廠余熱水經(jīng)凈化后用管井灌入含水層里儲(chǔ)存，到冬季時(shí)抽取使用，叫“夏灌冬用”53地下含水層儲(chǔ)熱54第六節(jié)能量的傳輸55一、概述能量的傳輸實(shí)質(zhì)上是能量在空間的轉(zhuǎn)移。廣義上的能量傳輸通常有兩種含義：一種含義是指能量本身的傳遞，即能量從某一處傳至另一處，例如熱量從高溫物體傳至低溫物體。另一種含義是指能源的輸運(yùn)，即含能體如煤、石油、天然氣等從生產(chǎn)地向用能處輸送。56能源輸送是能源利用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。能源輸送方式很多，通常有鐵路、水路、公路、管道、輸電線路等多種方式。不同的輸送方式有不同的特點(diǎn)和適用范圍。受資源分布、能源消費(fèi)多寡、交通運(yùn)輸格局等諸多因素的影響，能源輸送工作是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。57二、電能的輸送

電能的特點(diǎn)是發(fā)電、傳輸、用電都是同時(shí)發(fā)生。由于目前尚不能大規(guī)模地儲(chǔ)存電能，因此電能生產(chǎn)中的發(fā)電、供電、配電必須緊密配合，具有不間斷連續(xù)工作的功能，用戶在每一瞬間需要多少電，就能夠供給多少電。電力過剩就會(huì)造成電力生產(chǎn)能力的積壓浪費(fèi)，電力短缺就會(huì)影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。采用大機(jī)組發(fā)電，建設(shè)大電網(wǎng)，提高輸電電壓成為電力工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。581.電力產(chǎn)生2.通過升壓變電站電壓升高3.電能傳送4.通過降壓變電所降低電壓5.分配電力6.到達(dá)需要電力的地點(diǎn)59電能的輸送60升壓和降壓變壓器61我國(guó)電能輸送存在的問題是：電壓等級(jí)偏低，電壓層次過多，造成重復(fù)容量多，線路長(zhǎng)、線損高，事故多，調(diào)度不靈。輸電方式單一，缺乏超高壓直流輸電。電網(wǎng)容量小，聯(lián)網(wǎng)發(fā)展緩慢，影響了電網(wǎng)整體效益的發(fā)揮。變配電設(shè)備陳舊老化，難以適應(yīng)電力輸送發(fā)展的需要。62三、煤炭的輸運(yùn)

1.煤炭的鐵路輸送

我國(guó)煤炭輸送主要是以山西、陜西和內(nèi)蒙西部（所謂“三西”）為中心向全國(guó)缺煤省市輸送。632.煤炭的水路輸送

海運(yùn)是北煤南運(yùn)的主通道，華北煤炭供應(yīng)華東和華南地區(qū)，海運(yùn)約占55%，鐵路直達(dá)運(yùn)輸約占43%。除了海運(yùn)外，長(zhǎng)江和大運(yùn)河北段也是煤炭的主要水運(yùn)通道。3.煤炭的公路運(yùn)輸

公路主要承擔(dān)短距離的煤炭輸運(yùn)，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦生產(chǎn)規(guī)模小，布點(diǎn)分散，大量煤炭靠汽車集運(yùn)到鐵路車站。由于鐵路運(yùn)力不足，公路運(yùn)輸作為輔助運(yùn)輸手段，對(duì)煤炭的運(yùn)輸也起到了重要作用。

64四、石油和天然氣的輸運(yùn)

1.石油天然氣產(chǎn)銷區(qū)域分布

我國(guó)原油產(chǎn)地主要在長(zhǎng)江以北，其中大慶、勝利和遼河油田的原油產(chǎn)量約占全國(guó)的60%，而對(duì)煉油能力而言，遼寧、吉林、黑龍江約占30%，京津冀占11%，山東占8%，蘇浙滬占19%，長(zhǎng)江中游11%，廣東9%，西北11%，西南地區(qū)則沒有大、中型煉油廠，成品油基本上以煉油廠為中心就地供應(yīng)，但也有相當(dāng)數(shù)量的長(zhǎng)距離跨省區(qū)輸送。65我國(guó)原油的輸送主要是通過管道、水運(yùn)和鐵路，其中管道是主力。1990年管道輸油占64.62%，水運(yùn)占28.54%，鐵路占6.84%；1996年則分別為69.0%,21.1%和9.9%。對(duì)水運(yùn)和鐵路而言，1990~1995年油的運(yùn)量占水運(yùn)總量的23%，鐵路則僅為4.5%。天然氣則幾乎全部采用管道運(yùn)送。2.石油輸送

原油輸送以管道輸送為主，通常陸上油田向煉油廠輸送原油的方式有三種：通過管道直接輸送到煉油廠；原油經(jīng)管道輸送再轉(zhuǎn)海運(yùn)或江運(yùn)至煉油廠；原油管道運(yùn)輸轉(zhuǎn)鐵路送至煉油廠。

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