中礦大能源與環(huán)境課件04能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

第4章

能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

能源轉(zhuǎn)換的類型

4.1礦物燃料發(fā)電

4.1.1熱力學(xué)定律

1、熱力學(xué)第一定律:在與外界無(wú)物質(zhì)交換的體系中，從狀態(tài)1變成狀態(tài)2時(shí)，從體系外接受熱能ΔQ和對(duì)體系外做功Δw的總和，等于狀態(tài)1和狀態(tài)2的內(nèi)能U之差ΔU，而與途中的過(guò)程無(wú)關(guān)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：Q=ΔU十ΔW由活塞和汽缸組成的體系如圖。從外部加上熱量ΔQ時(shí)，設(shè)截面積為S的活塞在壓力P作用下向外移動(dòng)Δx做功。這個(gè)功可用ΔW=PSΔx=PΔV表示。因此，熱力學(xué)第一定律也可以寫(xiě)成ΔQ=ΔU十PΔV。其中，P、V、U都是只取決于始、終狀態(tài)而與過(guò)程的路徑無(wú)關(guān)的量，稱為狀態(tài)函數(shù)。

2、熱力學(xué)第二定律規(guī)定熱不能自發(fā)地從低溫物體移向高溫物體的定律。某一溫度下物質(zhì)得到的熱量除以溫度，得到的值定義為熵S。某體系的溫度為T(mén)，從外部向體系加人熱量ΔQ時(shí)，熵的增量ΔS可定義如下：

ΔS=ΔQ/T溫度不同的兩種物質(zhì)，設(shè)熱量ΔQ從物質(zhì)1移到物質(zhì)2。這時(shí)，前者損失的熵是ΔS1=ΔQ/T1，后者得到的熵為ΔS2=ΔQ/T2。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，必定是T1＞T2，所以S2<S1。由此可見(jiàn)，在不可逆過(guò)程中，體系的熵必定增加。此外，沒(méi)有熵的增減的那類理想的狀態(tài)變化稱為可逆過(guò)程。

4.1.2卡諾循環(huán)在利用蒸汽發(fā)電的發(fā)電廠，水作為工作流體，經(jīng)歷各種過(guò)程后返回原狀的工作過(guò)程，周而復(fù)始地進(jìn)行，這種變化過(guò)程稱為熱循環(huán)。將兩個(gè)理想的可逆等溫過(guò)程和兩個(gè)理想的可逆絕熱過(guò)程組合，所得到的熱循環(huán)叫做卡諾循環(huán)。

1→2是等溫膨脹過(guò)程。2→3是絕熱膨脹過(guò)程。3→4是等溫壓縮過(guò)程。4→l是絕熱壓縮過(guò)程。循環(huán)是由理想可逆過(guò)程組成的。對(duì)外所做的功W=Q1-Q2。熱效率η=W/Q1=（Q1-Q2）/Q1

=1-Q2/Q1=1-T2/T1（理想可逆過(guò)程的熵S一定，因此Q=TS）由此可知，高溫?zé)嵩吹臏囟仍礁摺⒌蜏責(zé)嵩吹臏囟仍降?，熱效率越高?/p>

4.1.3朗肯循環(huán)（蒸汽循環(huán)）

下圖朗肯提出的用水蒸氣和水做工作流體的循環(huán)，因此稱為朗肯循環(huán)。

η=W/Ql=（Ql一Q2）/Q1

4.1.4燃?xì)廨啓C(jī)

4.1.5復(fù)合循環(huán)發(fā)電

設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)的吸熱量、放熱量為Q1和Q2，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率為:設(shè)蒸汽輪機(jī)的吸熱量、放熱量為Q3和Q4，蒸汽輪機(jī)的熱效率為：

復(fù)合循環(huán)的熱效率能夠表示為

要提高這類循環(huán)的熱效率，首先應(yīng)提高汽輪機(jī)的入口溫度，即增大Q1。同時(shí)，Q2和Q3也隨之增大，綜合熱效率ηc提高。

4.2原子能發(fā)電

普通礦物燃料，利用的是化學(xué)反應(yīng)時(shí)分子內(nèi)放出的軌道電子的部分勢(shì)能。原子能利用的則是原子核反應(yīng)時(shí)放出的原子核勢(shì)能。原子由原子核及其周圍的軌道電子組成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。原子的序號(hào)是Z、質(zhì)量數(shù)是A，則構(gòu)成原子核的質(zhì)子數(shù)為Z、中子數(shù)為A-Z，圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子數(shù)也是Z。原子的化學(xué)性質(zhì)取決于軌道電子的數(shù)量，即取決于原子序號(hào)。因此把原子序號(hào)相等，即化學(xué)性質(zhì)相同，而質(zhì)子數(shù)不同的元素叫做同位素。

單位核子（質(zhì)子、中子）的結(jié)合能

單位核子的結(jié)合能越大，意味著原子核越穩(wěn)定。例如鐵和錳等質(zhì)量數(shù)為55左右的元素最穩(wěn)定。無(wú)論是質(zhì)量數(shù)為235的鈾的原子核裂變成兩部分，還是兩個(gè)質(zhì)量數(shù)為2的氖聚變成質(zhì)量數(shù)為4的氦，結(jié)合能會(huì)出現(xiàn)多余部分，這部分能量可以釋放出來(lái)。

4.2原子能發(fā)電一、核裂變反應(yīng)鈾235核裂變時(shí)，一個(gè)原子的核裂變產(chǎn)生約200MeV的能量。1克當(dāng)量的鈾235核裂變的能量為82GJ，相當(dāng)于燃燒3.3噸煤的能量。4.2原子能發(fā)電二、輕水堆

原子反應(yīng)堆，是控制核裂變反應(yīng)，把所產(chǎn)生的能量以熱量的形式安全地放出的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括核燃料、中子減速材料和控制棒、冷卻材料。按照使用的材料分類，原子反應(yīng)堆可以分成石墨堆、輕水堆、重水堆、液體金屬冷卻堆、氣體堆等。世界上建成最多的是輕水堆。輕水堆按冷卻水壓力不同分為分壓水堆和沸水堆。

4.2原子能發(fā)電（一）壓水堆反應(yīng)堆內(nèi)壓力高達(dá)150大氣壓左右，冷卻水被加熱到320℃左右高溫，但并不沸騰。冷卻水送入蒸汽發(fā)生器。在蒸汽發(fā)生器中，使二次冷卻水沸騰，變成蒸汽進(jìn)到汽輪機(jī)做功發(fā)電。

4.2原子能發(fā)電

燃料芯塊是由二氧化鈾燒結(jié)而成的，含有2～4%的鈾－235，呈小圓柱形，直徑為9.3毫米，裝在兩端密封的鋯合金包殼管中，成為一根長(zhǎng)約4米、直徑約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，組成燃料組件。每個(gè)堆芯一般由121個(gè)到193個(gè)組件組成。這樣，一座壓水堆所需燃料棒幾萬(wàn)根，即1千多萬(wàn)塊二氧化鈾芯塊堆芯。

4.2原子能發(fā)電

控制棒用銀銦鎘材料制成，外面套有不銹鋼包殼，可以吸收反應(yīng)堆中的中子，用來(lái)控制反應(yīng)堆核反應(yīng)的快慢。如果反應(yīng)堆發(fā)生故障，立即把足夠多的控制棒插入堆芯，在很短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)堆就會(huì)停止工作，這就保證了反應(yīng)堆運(yùn)行的安全。

4.2原子能發(fā)電（二）沸水堆

冷卻水在約70個(gè)大氣壓下沸騰，產(chǎn)生的蒸汽送入汽輪機(jī)做功發(fā)電。4.2原子能發(fā)電三、快中子增殖反應(yīng)堆利用鈾-238進(jìn)行裂變反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兊念?239（制造核彈材料）。在從鈾-238向钚-239的轉(zhuǎn)換中，中子的能量越大轉(zhuǎn)換率越高，因此出現(xiàn)了核裂變中子不減速、發(fā)生連鎖反應(yīng)的反應(yīng)堆

——快中子增殖反應(yīng)堆。為了保證钚的高生成率，不能用水做冷卻劑。這是因?yàn)橹凶雍唾|(zhì)子的質(zhì)量相等，通過(guò)一次彈性碰撞，中子的能量就會(huì)全部被水的質(zhì)子吸收。4.2原子能發(fā)電

液態(tài)金屬鈉的原子量較大，是質(zhì)量合適、導(dǎo)熱率高、不腐蝕的良好的冷卻劑。利用具有這種性質(zhì)的冷卻劑兼減速材料，每一次核裂變反應(yīng)將生成一個(gè)以上的钚239。鈉的沸點(diǎn)高．出口溫度能提高為550℃，所以熱效率高。同時(shí)因?yàn)殁c蒸汽壓低，所以不需要像輕水堆那樣加高壓，不必?fù)?dān)心管路破裂引起的冷卻劑急劇喪失故障。

4.2原子能發(fā)電四、核聚變發(fā)電愛(ài)因斯坦早在1905年研究相對(duì)論時(shí)就提出了“質(zhì)量和能量在某種意義上是相當(dāng)?shù)摹彼枷?，這個(gè)思想可用一個(gè)方程表述：E=mc2。

這就是著名的“質(zhì)能關(guān)系”。它表明在任何過(guò)程中，放出的能量總是和相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量減少相關(guān)聯(lián)的。4.2原子能發(fā)電

1925年英國(guó)物理學(xué)家弗朗西斯·威廉·阿斯頓在用質(zhì)譜儀測(cè)量原子核質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，任何原子核的質(zhì)量要比組成該原子核的所有粒子的質(zhì)量總和要少些，這種現(xiàn)象叫做“質(zhì)量虧損”。當(dāng)兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重原子核時(shí)，由于質(zhì)量虧損而釋放出的能量稱為核聚變能。

4.2原子能發(fā)電

核聚變反應(yīng)的燃料是氘，作為穩(wěn)定的核物質(zhì)在天然的氫氣中含有0.0015％，因此，它是取之不盡的能源資源。一個(gè)氘核和一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)能釋放出17.6兆電子伏特的能量，平均每個(gè)核子放出的能量是裂變的好幾倍，是化學(xué)燃料的幾百萬(wàn)倍。4.2原子能發(fā)電核聚變的臨界條件（1）

獲得能夠克服庫(kù)侖力，發(fā)生碰撞的速度→高的溫度（2）

單位時(shí)間內(nèi)多次碰撞產(chǎn)生大的能量→高的氫密度（3）用所產(chǎn)生的能量促進(jìn)下一次反應(yīng)→長(zhǎng)的能量箍縮時(shí)間4.3太陽(yáng)能發(fā)電

一、太陽(yáng)能發(fā)電及其特點(diǎn)太陽(yáng)能發(fā)電的方式有多種，主要有太陽(yáng)能光伏發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電，光化學(xué)電和光生物發(fā)電等，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用得最為廣泛。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要是利用半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的光伏效應(yīng)發(fā)電。它是由法國(guó)物理學(xué)家皮奎雷爾在1839年發(fā)現(xiàn)的。伏打電池在受光照射的時(shí)候，能夠產(chǎn)生額外的伏打電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。4.3太陽(yáng)能發(fā)電太陽(yáng)光照射到p-n結(jié)半導(dǎo)體材料上時(shí)，光子同半導(dǎo)體中的原子價(jià)電子碰撞，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光能就以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽趐型和n型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，就將電子驅(qū)向n區(qū)，空穴驅(qū)向p區(qū)，產(chǎn)生所謂的光生伏打電動(dòng)勢(shì)。4.3太陽(yáng)能發(fā)電特點(diǎn)：沒(méi)有動(dòng)力機(jī)械，是安靜的清潔的能源

維修方便，容易自動(dòng)化

不論規(guī)模大小，均按一定的效率發(fā)電

由子采用模塊結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，規(guī)模效益大

使用漫射光也能發(fā)電

光發(fā)電可有效利用廢棄的能源

4.4太陽(yáng)熱發(fā)電一、太陽(yáng)能集熱板材料特性4.4太陽(yáng)熱發(fā)電需要集熱板具有的功能是，既能很好地吸收太陽(yáng)光，又不使內(nèi)部積蓄的熱量散失（不發(fā)射紅外線）。到達(dá)地面的太陽(yáng)光的能量，99%都含在波長(zhǎng)為0.17～4μm的區(qū)域，因此要求集熱板在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸熱率要高。集熱板的溫度高達(dá)近百度，其發(fā)射波長(zhǎng)為2～10μm。

3μm以下的短波區(qū)吸收率高，在2μm以上的長(zhǎng)波區(qū)發(fā)射率低的材料。銅氧化物（CuxOy）、四氧化三鐵（Fe3O4）、黑鉻鍍層（CrxOy）、黑鎳鍍層（NiS/ZnS）4.4太陽(yáng)熱發(fā)電集熱形太陽(yáng)熱系統(tǒng)塔式太陽(yáng)能發(fā)電站4.4太陽(yáng)熱發(fā)電柱面集熱式太陽(yáng)能發(fā)電站4.4太陽(yáng)熱發(fā)電分散式太陽(yáng)能發(fā)電站4.5自然能的利用一、水力發(fā)電水力發(fā)電就是利用水力推動(dòng)水力機(jī)械(水輪機(jī))轉(zhuǎn)動(dòng)，將水勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能又轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程。1、作為常規(guī)電站使用

4.5自然能的利用2、作為調(diào)峰電站使用

在夜間等電力供給有余的時(shí)段，使用剩余的電能將水從下池提到上池；在白天等用電高峰的時(shí)段，可放流上池的水發(fā)電。4.5自然能的利用二、風(fēng)力發(fā)電

太陽(yáng)投射到地球上的輻射能有20％左右被地球表面所吸收，這些能量中的一部分將大氣加熱，由于地球表面上的溫度差異較大，導(dǎo)致大氣的溫度也不一樣，這樣引起了大氣的流動(dòng)，形成了風(fēng)，讓風(fēng)推動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，依靠由此獲得的機(jī)械能發(fā)電。

4.5自然能的利用1、風(fēng)輪葉片2、機(jī)頭3、回轉(zhuǎn)體4、尾舵5、拉繩4.5自然能的利用

設(shè)受風(fēng)的平面與風(fēng)向垂直、截面積為A、風(fēng)速為v，空氣密度為ρ，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)車的空氣質(zhì)量為ρAv。則風(fēng)力發(fā)電功率為：

4.5自然能的利用三、地?zé)岚l(fā)電

地?zé)岚l(fā)電是利用從地球內(nèi)部流出的熱發(fā)電的方法。從地球表面到地球中心，每深入l00米地球的溫度會(huì)提高3℃，到地心溫度將達(dá)到6000℃的高溫。

4.5自然能的利用地?zé)岚l(fā)電的兩種形式

4.5自然能的利用四、潮汐發(fā)電潮汐發(fā)電，是利用潮水漲落時(shí)海面的水位差發(fā)電。

山東的白沙口潮汐電站和浙江的岳浦潮汐電站4.5自然能的利用浙江的江廈潮汐電站4.5自然能的利用五、