《科技導(dǎo)論》新能源技術(shù)

新能源技術(shù)同濟大學(xué)物理系1一、能源技術(shù)概述1.基本概念能量形式:機械能(風(fēng)能、水能等)、電磁能、熱能、化學(xué)能、原子能、光能。能源:自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。能源種類：按原始來源分:地內(nèi)能源和地外能源以及相互作用能源。按生成方式分:天然(一次)能源和人工(二次)能源按對能源的認識過程分：常規(guī)能源和新能源。2能源技術(shù)概述天然(一次)能源和人工(二次)能源二次能源：它是指經(jīng)過消耗一次能源加工轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的誕生能源。如電能、熱能、煤氣、柴油、氫能、焦炭、沼氣等。

非再生能源：石油、天然氣、原煤、核燃料等一次能源再生能源：太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能生物質(zhì)能等地內(nèi)能源：地?zé)崮?地下蒸氣、溫泉、火山)、核能地外能源：主要來自太陽，包括由太陽能轉(zhuǎn)變來的風(fēng)能、水能、礦物燃料(煤，石油等)，及少量宇宙輻射能相互作用能源：主要指潮汐能。常規(guī)能源：已被廣泛利用的能源，如煤、石油、水力、電能新能源：原子能、太陽能(對發(fā)展中國家而言)、雷電能、宇宙射線能、火山能、地震能等。

3能源技術(shù)概述2.能源問題能源模式的演變：木材→煤→石油→核能或多種形式能源非再生能源:石油、天然氣、煤炭和裂變核燃料約占能源總消費量的90%左右再生能源:水力、植物燃料等只占10%左右目前人類使用的能源儲量和分布4再生能源分布:太陽能占99.44%,水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能等不?%在非再生能源中，利用海水中的氘資源產(chǎn)生的人造太陽能(聚變核能)幾乎占100%，煤炭、石油、天然氣、裂變核燃料加起來也不足千萬分之一。所以，人類使用的能源歸根到底要依靠太陽能，太陽能是人類永恒發(fā)展的能源保證。能源技術(shù)概述5能源技術(shù)概述世界能源儲量分布與利用6能源技術(shù)概述世界非再生能源儲量分布:中東地區(qū):石油儲量最多,占56.8%；歐洲:天然氣和煤炭儲量最多,各占54.6%和45%亞洲、大洋洲:煤炭各占18%石油、天然氣只有5%7能源技術(shù)概述我國能源資源地區(qū)分布不均衡煤炭，主要集中在華北和西北石油、天然氣，主要分布在黑龍江、遼寧、河北、河南、山東、四川、甘肅和新疆等省區(qū)內(nèi)可開發(fā)水力資源有，主要集中在西南太陽能和風(fēng)能資源豐富，有很大利用潛力。我國能源資源豐富煤炭資源(探明儲量)和水力資源均居世界第一位；石油資源占世界第十一位；天然氣資源占世界第十四位；太陽能資源居世界第二位；潮汐、地?zé)帷L(fēng)力和核燃料資源都很豐富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。8利用能源的過程直接污染地球環(huán)境。主要來源：1)煤、石油等燃料的燃燒；2)汽車排放的廢氣；3)工業(yè)生產(chǎn)(化工廠、煉焦廠等)過程中產(chǎn)生的廢氣。大氣污染：1)酸雨問題；2)溫室效應(yīng)；3)臭氧層破壞。能源技術(shù)概述能源問題即環(huán)境與能源關(guān)系問題聯(lián)合國提出可持續(xù)發(fā)展概念，即要滿足當(dāng)代人的需要，又要考慮不損害后代的需要。因此,今后的能源戰(zhàn)略是多元結(jié)構(gòu)的能源系統(tǒng)和高效清潔的能源技術(shù)。9二、能源技術(shù)1.潔煤技術(shù)

煤碳的污染物和二氧化碳可能導(dǎo)致全球變暖?，F(xiàn)在有兩條潔煤途徑：(1)先進燃燒和污染處理，潔煤技術(shù)可用于燃燒前、中、后期。(2)氣化和液化煤，將煤轉(zhuǎn)化為含一氧化碳和氫的“合成氣”。2.煤炭液化(煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)之一)對固體煤炭以特殊方法進行化學(xué)加工成為液態(tài)后，可作液體燃料和化工原料使用。從工藝上可分為直接液化:

在高溫高壓下加氫，使煤炭直接生成液態(tài)物質(zhì)；間接液化:

先把煤炭氣化，制成煤氣，再合成為液體燃料。煤炭液化技術(shù)復(fù)雜，難度高，投資大，比天然石油成本高，目前還沒有競爭能力。10能源技術(shù)3.

煤炭氣化(煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的一個重要部分)現(xiàn)狀：煤炭自身氫碳比低，含有灰分、硫分等雜質(zhì)，在開采、運輸、燃燒過程中會污染環(huán)境，燃燒時熱效率低。地下氣化采出煤炭后進行熱加工的一種過程:以煤炭作為原料，以氧或氫作氣化介質(zhì)，控制氧化程度，使煤炭轉(zhuǎn)化成為一氧化碳、氫和甲烷等可燃性氣體。在未經(jīng)開采的煤層中進行的熱加工過程:通過從地面鉆進的一批特定鉆孔，把氣化介質(zhì)送進煤層，使煤炭在地下進行"發(fā)生爐煤氣"反應(yīng)，生成的煤氣從另一批特定鉆孔引出。煤炭氣化目的：制取清潔的氣體燃料；

制取化工合成用的氣體原料。地上氣化11能源技術(shù)4.石油的精煉

目的

從復(fù)雜的原油中提取粘度較小的能充分燃燒的烴類(根據(jù)辛烷值來標(biāo)號)把不好的分子轉(zhuǎn)變?yōu)楹玫姆肿尤玳L鏈烷烴容易引起汽缸爆震精煉方法:先根據(jù)不同沸點把不同成分分離開，然后除硫再向高辛烷轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在觀點，大多數(shù)石油是由埋藏在地下沉積層中的有機物經(jīng)過幾百萬年在75～200℃的溫度下形成的。微生物將地表以下的有機物轉(zhuǎn)化為碳氫化合物，剩下的埋藏在深層地底(通常具有商業(yè)價值的油田都位于地表以下500米－700米深處，最深的油井在約6公里深的地底)的有機物則在溫度和壓力下經(jīng)過分解及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成石油。12能源技術(shù)5.天然氣液化

通過施加一定高壓，使天然氣由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，貯存在專門容器內(nèi)。天然氣是埋藏在地層深處的一種富含碳氫化合物的可燃氣體，由億萬年前的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重質(zhì)氣態(tài)烴類。

甲醇俗稱“木精”，性能穩(wěn)定，象石油一樣能直接當(dāng)作燃料，使用時不污染環(huán)境，便于運輸和貯存。20世紀末，甲醇合成技術(shù)已獲成功，如果在天然氣產(chǎn)地附近設(shè)立甲醇工廠，把天然氣加工成甲醇，可經(jīng)濟合理地解決天然氣液化問題。液化途徑──利用天然氣作原料合成甲醇。13能源技術(shù)6.水能的利用水力發(fā)電優(yōu)點，經(jīng)濟、干凈和易維修葛州壩水利樞紐裝機容量為271萬千瓦三峽水電站總?cè)萘繛?768萬千瓦當(dāng)今世界僅次于三峽水電站的第二大的水電站---伊泰普水電站,位于巴拉那河流經(jīng)巴西與巴拉圭兩國邊境的河段.總裝機容量1260萬千瓦，年發(fā)電量可達750億度。14能源技術(shù)7.蓄能技術(shù)針對熱能或電能儲存，著眼于大規(guī)模、長時間應(yīng)用。電能儲存是當(dāng)前研究的重點。蓄能技術(shù)一般要求:儲能密度大變換損耗小運行費用低維護較容易不污染環(huán)境根據(jù)這些要求衡量，抽水蓄能方案較優(yōu)越電的蓄能技術(shù)大致分三類：直接儲存電磁能把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存把電能轉(zhuǎn)化為機械能儲存超導(dǎo)線圈蓄能系統(tǒng)鉛電池,鈉硫電池,鋅氯電池等壓縮空氣,需要時釋放15能源技術(shù)電池：儲存電能轉(zhuǎn)化而來的化學(xué)能鉛酸電池中的鉛在回收中容易流失，對環(huán)境存在二次污染。

鎳氫電池：一種密封電池，可以在任何位置下工作，使用方便。特點：可隨時充放，循環(huán)使用，且不用維護。以過充過放為一次使用過程，預(yù)計可使用1000次。鋰電池:采取了3層保護措施，可抗過充過放，使用更安全方便。特點:體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長、環(huán)保(不需要回收)。燃氫電池、納米碳管(一個裝電的容器，像擰水龍頭一樣放電)將是電動自行車動力源未來的發(fā)展方向。16能源技術(shù)由于它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。它是利用氫和氧生成水的過程來產(chǎn)生電力的一種裝置。燃料電池：第四種電力(電力火電、水電、核電為三種當(dāng)今能以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的電力)工作原理:通過物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì))--燃料和氧化劑,促使物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。17能源技術(shù)具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的"發(fā)電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的固體電解質(zhì)板所組成。工作時向負極供給燃料(氫H2)，向正極供給氧化劑(空氣O2)。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。燃料電池的用途:電動車動力源,可移動電源、家庭電源與分散電站等18三、能源利用與開發(fā)191.常見的能源熱能及其到機械能的轉(zhuǎn)換紐科曼(T.Newcomen，1663～1729)1711年發(fā)明蒸氣機瓦特(J.Watt，1736～1819)1765年發(fā)明分離冷凝器，使蒸氣機成為主要動力裝置。能源利用與開發(fā)20能源利用央與開發(fā)熱機效率：4％30％以上卡諾循環(huán)熱能及院其到機活械能的羨轉(zhuǎn)換天然氣企的開發(fā)碑；地?zé)崮軓R；地?zé)崮苌袷莵碜晕貧ぶ∠碌母咂葴啬茉蠢?。一個摧典型的胸地?zé)崮芘P電場可退以輕松與地輸送塞100米MW電插量，這媽是風(fēng)能唱和太陽哲能所無鑼法企及宵的。21電能能源利老用與開繞發(fā)電能指電蒜以各種形殲式做功的攀能力。有交直流電能執(zhí)、交流電育能、高頻走電能等，這幾種頃電能均別可相互唉轉(zhuǎn)換。22能源利用兔與開發(fā)機械能水力發(fā)電襪；海洋能虧(潮汐朝能、海盲浪能、皺溫差能茄)；風(fēng)能利閣用23能源利用攀與開發(fā)太陽能光電轉(zhuǎn)浙換方式光；光熱轉(zhuǎn)換羨方式；光化學(xué)轉(zhuǎn)部換方式。家用太池陽能并迅網(wǎng)系統(tǒng)扔工作原拳理1）晴死天的白熟天：太侮陽能電銀池板陣嗓列將太冰陽能轉(zhuǎn)攜化為直物流電力漲，再經(jīng)鈔由逆變捷器轉(zhuǎn)變恒為可為哥用電設(shè)牌備供電擁的交流該電力。幫發(fā)電電裹力大于萬用電設(shè)釀備的消瞎費電力雄時剩余成電力將摩被返送抹回電網(wǎng)定，電力享公司將超依據(jù)售萬電電能盒表記錄蜜的數(shù)值狹支付給干用戶相恒應(yīng)的費搭用。嚇2）解多云或坡陰雨天惠氣的白杰天：此風(fēng)種天氣滅下，我聾們的太貿(mào)陽能系爛統(tǒng)根據(jù)巴實際的嗽日射量突仍可以縮慧發(fā)電，嘩但此時腹發(fā)電量俱較少，包當(dāng)用電貪設(shè)備消嘴費電力霸較大時霸，不足問部分將君由電力貼公司通油過電網(wǎng)緞補充提部供。甜3）籃夜晚：域夜間太露陽能發(fā)街電系統(tǒng)陵不提供駕電力，乎用電設(shè)煩備由電轎力公司暴提供的謠常規(guī)電私力供電療。24氫能能源利征用與開恒發(fā)“喝”蟻氫的汽耀車25能源技摸術(shù)2.超贈級能源：勁可燃冰可燃冰面是天然按氣的附來生產(chǎn)品哪，其應(yīng)掃用范圍勺與天然休氣大致央相同，學(xué)是一種迷典型的纏石油替雄代產(chǎn)品離。1m3可燃冰邪釋放1勁60m3天然氣,衫儲量是煤默石油天然再氣等的兩鎮(zhèn)倍.可燃冰賭,“避天然氣嚼水合物租”的俗盲稱。它期是甲烷媽類天然峽氣被包釣進水分未子中，齊在低溫除高壓條削件下形幻玉成的透欠明結(jié)晶臂，多呈者白色或兔淺灰色巨。外貌動類似冰垃雪，可監(jiān)以像酒峽精塊一紛樣燃燒跳，故稱背為“可臭燃冰”譽。263.裂雙變反應(yīng)堆?！穗妰?yōu)站裂變發(fā)戒現(xiàn)及裂敢變能的織釋放1)裂志變的發(fā)現(xiàn)193奮4年，仍費米(橫E.F湯erm謀i，意誰大利，怕190騙1～1霞954回)1938愧年，居里深夫人實現(xiàn)暴中子使鈾臣核裂變；1939丘年，哈恩刃(O.H神ahn，肉1879剃～196年8)和斯尖特拉斯曼腸(F.S瓦tras溉sman層n)，重燭復(fù)了居里注的實驗；L.m憂eit省ner禮和O.叔R.F柏ris餅ch對之此做出謎正確解爐釋，首駁次引入機fis虧sio甚n(裂妨變)一您詞；1947突年，錢三孔強和何澤拿慧進一步隨發(fā)現(xiàn)裂變基的三分裂考和四分裂享現(xiàn)象。能源利賭用與開三發(fā)272)核增裂變的特嫩點(1)跨裂變過程閃釋放巨大筐能量1g的鈾仁裂變所釋議放的能量則，相當(dāng)于腿3噸以上漆的煤燃燒旁所釋放的滔能量。能源利宵用與開揚發(fā)28(2)確裂變謀產(chǎn)物有招多種組芳合方式航，裂變蹤蝶時放出適中子能源利用萌與開發(fā)29鏈式反值應(yīng)的可照能性和呼可控性1)鏈料式反應(yīng)的靈可能性—滿—中子增末殖一次鈾石核裂變驢中，平嫂均可以梨放出2撿.4個鏡中子2)鏈鑄式反應(yīng)可哥以控制—布—緩發(fā)中卻子能源利饅用與開神發(fā)30能源利用腿與開發(fā)可控式鏈聚式反應(yīng)的田實現(xiàn)1)拍中子必凱須慢化核裂變爽中釋放林的中子垂，動能炭大多在忌Mev寄的數(shù)量慌級，必覺須使快詠中子慢勻化為熱企中子。慢化劑：嚴水，重水低，石墨等婚。2)臨界體積增殖系數(shù)加大K取的方法倒：提高濃濤縮鈾中235U的比例加大反應(yīng)來體的體積事實證明棗：當(dāng)反應(yīng)炮體積達到識一定的臨界體蘆積時，鏈式庫反應(yīng)就會綢持續(xù)。313)用恨控制棒控黑制反應(yīng)堆瓣的速率控制棒堆：易于吸收待中子的硼或鎘能源利戲用與開展發(fā)核反應(yīng)議堆，又怎稱為原校子反應(yīng)餡堆或反課應(yīng)堆，景是裝配慕了核燃儉料以實歪現(xiàn)大規(guī)代?？煽刈屩屏炎冋炬準椒春鼞?yīng)的裝雄置。核反應(yīng)堆潛=裂變原悟子核＋熱參載體32鏈式反素應(yīng)的歷祝史(1鏈942釣，12越，2)原子彈、帖氫彈、中駁子彈能源利用匠與開發(fā)33能源利挽用與開巾發(fā)34能源利用說與開發(fā)35核電站鍵簡介核電站利帥用原子核尤裂變反應(yīng)草