新能源發(fā)電技術(shù) 教學大綱

2424-10-12PAGEPAGE10新能源發(fā)電技術(shù)講義（）于立軍2024年上海交通大學智慧能源創(chuàng)新學院課程安排及考核方式16第一章 緒論：重點是圍繞能源問題，引出新能源發(fā)電技術(shù)第二章 核能利用第三章 風力發(fā)電第四章 太陽能發(fā)電第五章 生物質(zhì)能利用知識回顧與期中考試教學實踐第六章 地熱發(fā)電第七章 海洋能發(fā)電第八章 燃料電池技術(shù)總復習與答疑期末考試成績評定（1）課程出勤 10分（2）課后習題 10分（3）期中考試 20分（3）期末考試 60分第一講：緒論§111 授課內(nèi)容本課程是講授新能源和能源利用新技術(shù)。主要包括核能、風能、太陽能、海洋能、氫能、地熱利用、燃料電池以及磁流體發(fā)電技術(shù)等。2 課程安排、成績評定見上頁?！?21 能源的定義潮汐、地震等也包含著巨大的能量。能源的分類方法很多。一般來說，可以。2 能源的分類煤、風能、海洋熱能、太陽能、宇宙射線地球內(nèi)部的熱能。潮汐能。一次能源：是指以現(xiàn)成的形式存在于自然界中的能源。二次能源能、汽油。常規(guī)能源煤、石油、水能、電能起人類廣泛注意和重視的能源。如3 能源形式轉(zhuǎn)換人們使用得最多的三種能量形式----熱能、機械能和電能。§13能源水平在不斷提高。人類學會取火以后，蒸汽機的發(fā)明是一個重要的進展。隨著蒸汽機和各種機器的大量應(yīng)用，煤炭、石油、電能獲得了更廣泛的利用，從此，世界能源消耗量越來越大。1 世界能源的生產(chǎn)及消費大致經(jīng)歷了三個階段木炭時代：本世紀以前，以柴、木炭為主。煤炭時代~~六十年代中期，以煤炭為主。石油時代：本世紀六十年代中期開始，以石油、天然氣為主。所占比例逐漸升高。2 世界能源狀況世界探明的石油可采總儲量為92030億噸；世界探明的天然氣總儲量為901012m31551012m3；世界探明的煤炭總儲量為106800為40億噸；汽油4107j/kg3107j/kg鈾-235 8.32×1013j/kg=2000噸汽油；氘聚變3.5×1014j/kg=4kg鈾。地球從太陽獲得的能量約為61017kw/h僅在10km1251026j的熱量，相當與全世界儲煤發(fā)熱量的20004100萬年，地球才下降1℃。另外，海洋、生物質(zhì)中也含有巨大的能量。大自然賜予人類的能源種類很多。當今世界使用最廣的一次能源是石油、天然氣和煤；二次能源為電力。（說明石油的優(yōu)點）經(jīng)濟的高速發(fā)展，使整個世界經(jīng)歷了一段繁榮時期。但進入七十年代以后，世界石油市場發(fā)生了重大變化。石油輸出國組織兩次大幅度提高石油價格，震動了整個世界，爆發(fā)了所謂的“石油危機石油進口國經(jīng)濟以巨大的打擊，引起了世界各國對能源的高度重視，促進了節(jié)能和新能源的開發(fā)。3 我國能源狀況能源資源地理分布極不均衡。人均能源消費量低，為世界平均水平的1/3左右。能源利用不合理，設(shè)備相對陳舊，效率低，浪費嚴重。人均儲量低，資源利用率低。資源煤炭水利石油天然氣人均儲量/~%40316.61.5農(nóng)村生活用能匱乏，還有用不上電，燒不上煤的?！?4制的開采下去，早晚有一天要消耗殆盡。尤其是固體燃料還存在著運輸和污染問題，長期開采會帶來生態(tài)平衡的破壞，因此，新能源的開發(fā)利用與節(jié)能正逐漸成為各國能源發(fā)展的必然方向。1 源品質(zhì)的技術(shù)指標能流密度。開發(fā)費用和設(shè)備價格。儲存可能性和供能連續(xù)性。運輸費用和損耗。對環(huán)境的污染。儲存量。能源品質(zhì)。2 第二章：核能發(fā)電（1）§21概述1938年德國首先發(fā)現(xiàn)了鈾的核裂變現(xiàn)象，從而揭開了原子能發(fā)電的序幕。1942年美國在費米教授的領(lǐng)導下，建立了第一座核反應(yīng)堆。1945年制成第一顆。1 核電站發(fā)展概況：和聚變反應(yīng)。裂變反應(yīng)是較重原子核（235）應(yīng)是較輕原子核（）聚合成較重原子核的反應(yīng)。鈾-235裂變 8.32×1013j/kg=2000噸汽油氘聚變 3.5×1014j/kg=4kg鈾。一種裝置。2 核電站基本分類：系統(tǒng)構(gòu)成。分類按照用途反應(yīng)堆可分為三類：實驗堆、生產(chǎn)堆、動力堆。（1eV，2200m/s快中子反應(yīng)堆，簡稱大于中子能量100eV；按照慢化劑、冷卻劑：清水堆、重水堆、石墨氣冷堆、鈉冷快堆。增殖反應(yīng)堆，簡稱238→239232→233因此，快中子增殖堆是擴大核燃料資源的重要途徑。動力反應(yīng)堆的類型動力堆主要有水冷堆、氣冷堆和快中子增殖堆。堆型燃料慢化劑冷卻劑占已建成比例壓水堆低濃縮鈾清水(H2O)清水1516MPa，320330oC60%沸水堆低濃縮鈾清水清水7MPa280oC25%重水堆天然鈾重水(D2O)重水、清水10MPa，300oC氣冷堆高濃縮鈾石墨氦氣等1516MPa，750850oC試驗階段快中子增殖堆濃縮鈾+钚無液態(tài)金屬鈉、氦氣鈉熔點98oC常壓沸點為882oC試驗階段最有前途235的含量僅為0799.3238（非裂?？熘凶釉鲋扯褜⑩櫟睦寐蕪?60安全性能高。3 核電站評價核燃料資源安全性經(jīng)濟性§221896光，經(jīng)科學家證明，這是鈾元素不斷地放射出某種看不見而穿透力極強的射線的緣故。1 基本知識物質(zhì)由分子組成核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成；質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子；電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，原子呈中性。原子的直徑（最外層電子軌道直徑）約為108cm10-12cm；質(zhì)子質(zhì)量 1.672510-24g；中子質(zhì)量 1.674810-24g；電子質(zhì)量9.109010-28g；一個原子質(zhì)量單位1u1/121u=1.6605651024g一個基本電荷（e）1e1.6021019CZ 92 92 92AX234U235U238Z 92 92 92放射性元素。半衰期：天然放射性同位素放射的射線有三種：粒子速度穿透力舉例帶正電荷的α粒子（42He）2104km/s較弱Pu→U+He帶負電荷的β0e)-120104km/s較強Co→Ni+0e-1不帶電荷的γ射線30104km/s極強2 核能和核反應(yīng)原子核與電子，是依靠靜電引力核子之間，電磁排斥力和核力，在很小的距離內(nèi)（310-13cm，核力大大超過斥力。核的結(jié)合能=核力―電磁斥力。質(zhì)量虧損：原子應(yīng)有的質(zhì)量與實際質(zhì)量之差。在原子能領(lǐng)域內(nèi)，一般用電子伏特（eV（MeV）1MeV=1.60211013J1u931MeVE=931mEMeVm的單位為u。核聚變反應(yīng)式+247MeV00276u核裂變反應(yīng)式+200MeV1g鈾含有2.610212.61021200521023MeV=832107kJ3 核裂變自持鏈式反應(yīng)1 有效增殖系數(shù)中子轟擊鈾核引起裂變，鈾裂變后又能釋放新的中子。一般可放出2～32.5256.2515.63997.5鏈式反應(yīng)：原子核裂變，不斷放出中子的現(xiàn)象。238吸收；有害吸收，被慢化劑、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料等吸收；泄漏損失。在實際反應(yīng)堆中，中子的數(shù)目并不按理想變化，而是有產(chǎn)生、有損失。消耗的中子數(shù)。（Kyx）/Kyx﹦1界狀態(tài)。Kyx﹥1為超臨界狀態(tài)。Kyx﹤1次臨界狀態(tài)。2 散射、吸收反應(yīng)中子與原子的反應(yīng)可以分為散射反應(yīng)和吸收反應(yīng)兩種。：中子與原子核碰撞，僅使中子的運動方向和速度改變?？煞譃橹凶樱瑫r以γ：能使中子慢化的物質(zhì)。要求質(zhì)量輕、散射截面大而吸收截面小。反應(yīng)時中子被原子核吸收。可分為。3 核常數(shù)表示方法，單位是靶恩barn，符號是b1b1024cm2。σs散射截面、σxl裂變截面、σf其中σx=σl+σf熱中子與快中子核常數(shù)的簡單比較。N，表示核密度，單位是（/cm3cm1，它表示1cm3sxφ示中子通量φ=nv位（中子/scm2n中子密（中子/cm3v中子運動速度（cm/s原子核與中子的反應(yīng)速率。反應(yīng)率Nσφφ/s·cm3。xφsφlφ例題：P23~24初始裂變中子數(shù)n時伴隨著吸收和向堆外的泄露，熱中子在運動過程中被鈾235吸收而引起新的裂變，又放出裂變中子，這一過程稱為中子壽命循環(huán)。初始裂變中子數(shù)n快中子快中子慢化成熱中子慢化成熱中子熱中子被鈾熱中子被鈾235熱中子反應(yīng)堆內(nèi)中子平衡示意圖為了實現(xiàn)自持鏈式反應(yīng)，需要采取措施，克服中子損失的不利因素，具體措施如下：降低鈾238（。選用吸收截面小的慢化劑、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料，提高材料純度。減少中子的泄露。4 反應(yīng)堆控制原理就是調(diào)整反應(yīng)堆的中子數(shù)，即改變反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)Kyx。只有Kyx﹦1時，才能維持自持鏈式反應(yīng)。反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)Kyx反應(yīng)堆運行特點：Kyx構(gòu)材料等十余種物質(zhì)，到最后產(chǎn)生200自持鏈式反應(yīng)，雖然這時還有剩余的核燃料。MW·d/t燃耗越大，燃料的消耗量就越小，電能的成本就越低。反應(yīng)堆運行的控制方法：制棒可分為三種：補償棒和。5 核燃料的轉(zhuǎn)換和增殖由于這種反應(yīng)所需的中子來自鈾235另一種裂變?nèi)剂系南臑榇鷥r的，故把這種過程稱為燃料的轉(zhuǎn)換，把這種反應(yīng)堆稱為。=生產(chǎn)钚239的數(shù)目/235如果反應(yīng)堆以钚239238產(chǎn)生是在消耗某種物質(zhì)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出來的，把這種過程稱為燃料的增殖，把這種反應(yīng)堆稱為。=生產(chǎn)钚239的數(shù)目/235兩者的意義相同，用符號rr﹤1設(shè)初始的核燃料量M0M0rM0又能得到r2M0P292-24r﹥1反應(yīng)堆消耗1kg1kg增殖型反應(yīng)堆，不僅可以大量發(fā)電，而且可以逐漸積累核燃料，經(jīng)過一定時間的運行，將反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的新核燃料提取，又可建造新的核反應(yīng)堆。這種反應(yīng)堆充分利用了自然界大量蘊藏的非裂變核燃料，使核電站反應(yīng)堆成為一座可裂變核燃料的加工廠，為核電站提供了豐富的資源。給新建的堆，使得有一個由增殖堆核電站組成的電力系統(tǒng)的裝機容量不斷擴大。倍增時間D=，單位為天數(shù)。M0新堆的循環(huán)量，G為增殖堆每天消耗的裂變?nèi)剂稀９烙嫶笮涂熘凶釉鲋扯训谋对鰰r間為12～15年。核能發(fā)電（2）§23這些要求在很大程度上受到了材料性能的限制。例如要提高安全性、提高效率，則核燃料及結(jié)構(gòu)材料必需耐高溫。還要求結(jié)構(gòu)材料吸收截面小、性能穩(wěn)定等。反應(yīng)堆材料包括核燃料、慢化劑、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料和控制材料等。1 材料的輔照效應(yīng)物理和化學性質(zhì)的有害變化。核反應(yīng)堆的輻射主要是α、βγ射線、中子和裂變碎片。1 β粒子、γ射線共價鍵結(jié)合的化合物，如水（H2O25eV力結(jié)合而成。分解一個共價鍵小于25eV金屬中原子依靠金屬鍵結(jié)合起來。電子為自由電子。2 中子電，當它進入物質(zhì)后和晶體結(jié)構(gòu)中的原子發(fā)生碰撞，并把大量能量傳遞給原子。如果傳遞給被碰撞原子的能量超過某一值時，被碰撞原子就會離開原來晶體點陣中的平衡位置。使原子移位所需的最小能量稱為位移能，對大多數(shù)金屬來說，位移能為25eV～30eV應(yīng)留下空穴，使材料的晶體造成永久的缺陷，從而引起材料物理性質(zhì)的永久變化。這樣的效應(yīng)通常稱為輔照損傷。熔化區(qū)內(nèi)的原子將重新排列，冷卻后形成應(yīng)力，降低材料的使用壽命。3 中發(fā)生。另外，由于裂變碎片是中等質(zhì)量核，它的產(chǎn)生使核燃料點陣中摻入雜質(zhì)原子，原來一個重核原子的地方現(xiàn)在有了2燃料體積的腫脹。氣體裂變產(chǎn)物，如氙，它們將聚集成為氣泡，同樣將導致燃料體積的腫脹。2 核燃料233、235239235233239用人工方238235的140232的儲235238238232變物質(zhì)對擴大能源資源是極為重要的。對核燃料的要求是：熱導率高?？馆o照能力強，以達到高的燃耗。燃料的化學穩(wěn)定性好。熔點高，且在低于熔點時不發(fā)生有害的相變。機械性能好，易于加工。不同類型的反應(yīng)堆使用不同種類的燃料。主要根據(jù)反應(yīng)堆運行溫度決定。常用的是固體燃料，包括金屬型燃料、陶瓷型燃料和彌散型燃料。燃料類型抗輔照能力核密度導熱性工作溫度化學活性金屬型燃料UU12%Mo脹高好低、強、與水反應(yīng)陶瓷型燃料UO2UCUN腫脹不高差高抗高溫水、鈉腐蝕彌散型燃料3 慢化劑劑有石墨、重水(D2O)和清水。1 石墨2 D2O)3 清水4 冷卻劑將反應(yīng)堆產(chǎn)生的大量熱能有效地載出，使燃料元件和堆芯材料得到冷卻，并要求冷卻劑的熱中子吸收截面小、導熱性能好以及化學性能和輔照性能穩(wěn)定。1 2 3 液態(tài)金屬Na978℃、沸點為8835 結(jié)構(gòu)材料種容器以及燃料包殼等。通常要求有一定的機械強度、熱導率高、熱膨脹系數(shù)較小與其它材料相適應(yīng)。來困難。常用的材料有不銹鋼、和（混凝土抗壓強度高，但抗拉強度卻很低。讓鋼索使混凝土處于相當高的壓縮混凝土任何時候都處于受壓縮狀態(tài)。6 控制材料制材料的熱中子吸收截面要大，散射截面要小?？刂撇牧显谖罩凶雍螽a(chǎn)生的新同位素仍具有很大的吸收截面。41 含硼材料10BBCCr23Ni13B2Ti42 Ag80In15Cd5%2363 鉻Cd2364 稀土氧化物§24v l體熱源強度q200φ(MeV/s·cm3=0.321010(J/cm3v l1 燃料芯塊內(nèi)的熱傳導dtqrdrdt2 燃料與包殼之間的傳熱ql2rqq3 金屬包殼內(nèi)的熱傳導ndwnql2blnd4 包殼外表面與冷卻劑之間的對流傳熱簡單復習幾個概念：

q2t3t2天然鈾中有鈾2350.799.3238（233、235239235233239用人工方238235的140232的儲235238238232變物質(zhì)對擴大能源資源是極為重要的。η應(yīng)，其余η1235η2.07233η2.28。239η3.06§251 壓水堆核電站動力回路由冷卻水回路（一回路系統(tǒng)，蒸汽-水（二回路系統(tǒng)）組成。一回路系統(tǒng)：放射性密閉的循環(huán)系統(tǒng)。二回路系統(tǒng)：將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。驅(qū)動結(jié)構(gòu)。反應(yīng)堆堆芯：反應(yīng)堆活化區(qū)，將燃料的核能轉(zhuǎn)化為熱能。堆芯由核燃料組件、控制棒組件、可燃毒物組件和中子源組件組成。反應(yīng)堆內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)：反應(yīng)堆壓力殼：放置堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件，防止放射物質(zhì)外逸的高壓容器。承受14～20Mpa，溫度為320控制棒驅(qū)動結(jié)構(gòu)：蒸汽發(fā)生器主循環(huán)泵穩(wěn)壓器：穩(wěn)壓器內(nèi)部有電加熱和噴霧裝置。半速汽輪機、汽水分離器和再熱器2 3 重水堆最大的優(yōu)點是使用天然鈾。4 它是用低濃鈾或高濃鈾加釷作核燃料，石墨作中子慢化劑，氦氣冷卻。高溫高效率。高轉(zhuǎn)換比。安全性好。對環(huán)境的污染小。熱能可綜合利用。5 特點。燃料棒由三部分組成：上部為活性段，氧化鈾和氧化钚混合物。下部為增殖段，貧化的二氧化鈾陶瓷。中部為空腔，容納裂變氣體?！?6相互作用后也要產(chǎn)生附加的放射性同位素。為了確保運行人員和附近居民不受有害影響，必須對放射源加以限制和防護。關(guān)于安全問題的評價分兩類：正常運行條件下放出的放射性物質(zhì)。事故情況下。1 核能的開發(fā)和利用，給人類帶來了巨大的效益，但也伴隨著一定的危害。對待輻射危害應(yīng)持科學態(tài)度，只要掌握它的規(guī)律，輻射的危害是可以減少和防止的。人類本身就處于宇宙射線與天然放射性環(huán)境下，說明一定的低水平的輻射不會對人類造成危害。射線對人體的傷害通過內(nèi)、外照射兩種途徑引起。外照射、內(nèi)照射。輻射對人體的危害分和兩種。軀體效應(yīng)又分遠期效應(yīng)。劑量當量，單位希沃特（Sv，表示1kg物質(zhì)吸收1j的當量熱能。2 核電站安全的最根本任務(wù)，保證核電站的正常運行以及發(fā)生各種事故時，核電站內(nèi)外的任何人所受的輻射劑量小于相應(yīng)的規(guī)定值。為了保證核電站的安全，通常設(shè)有“三道屏障”和多種安全設(shè)施來確保其不發(fā)生事故，或者即使萬一發(fā)生嚴重事故，放射性物質(zhì)也不致外逸或盡可能少逸和遲逸。核電站的幾項關(guān)鍵性安全設(shè)施有：快速停堆信號系統(tǒng)。堆芯危急冷卻系統(tǒng)。緊急停堆系統(tǒng)。對可能泄漏出來的放射性物質(zhì)和射線，主要采用：輻射屏蔽。輻射監(jiān)測。3 物質(zhì)主要指廢氣、廢固、廢液。廢氣、廢固、廢液4 §27行的核聚變反應(yīng)。例如氫彈。受控核聚變的兩個基本條件:溫度241勞遜條件（n（τnτ1014nτ大于1016注：常壓下大氣密度為31019cm3/第三章：風能發(fā)電§31量，必須通過長時間的觀測計算出平均風功率密度。我國10m3226kw發(fā)總量1/10風輪的實際掃掠面積，再乘以面積系數(shù)078即1m1m的正方形面積的0.785，得到我國10m高度層的風能儲量為2.53億kw。得最佳空氣動力性能，但結(jié)構(gòu)復雜，造價高，主要從比利時、美國、德國進口。另一類是固定漿距失速調(diào)節(jié)型機組。地方發(fā)展規(guī)劃：§32風速述它。（）發(fā)生作用的風速，故稱有效風速。平均風速：一段時間間隔內(nèi)，所得的各瞬時速度的平均值。uav=ui/nm/s的百分比。風能頻率與離地面高度、地形以及建筑物等有關(guān)。風能t201.01105Pa，則V241m3M29kgρ12kg/m3。速度u1m3E1/2ρu2，EJ/m3每一平方米與空氣流速相垂直的截面上流過的空氣量為u，故能量密度：EEu1/2ρu3，EW/m2E是討論風輪機作功力大小的參數(shù)，u大。如u10m/sE600W/m2u5m/sE75W/m2。1m/s12320m/s和各等級風速全年累計小時數(shù)N1N2N3N20式中 平均風能密度，W/m2。通常3~20m/s為有效風速。用。風能發(fā)電裝置的組成（圖見PPT課件）風能發(fā)電裝置主要由風輪機、傳動變速機構(gòu)、發(fā)電機和蓄電池等組成。其中風輪機還裝有迎風裝置和超速控制裝置。迎風裝置的作用是：使風輪隨風向的變動而作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，并保持垂直。超速控制裝置的作用是：風速過高時作相應(yīng)的調(diào)整，保護風輪的安全。鉛酸蓄電池（圖見PPT課件）2H2SO42HSO4-2H+正極的電化學反應(yīng)（海綿體）PbHSO4-PbSO4H+2e負極的電化學反應(yīng)（海綿體）PbO23H+HSO4-2e-PbSO42H2O總反應(yīng)方程式：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O蓄電池的執(zhí)照字早制造費用為接近風輪機的造價，它的壽命只有兩三年，所以使用時必須小心愛護。為了防止電流由蓄電池流向發(fā)電機，還應(yīng)裝設(shè)逆流繼電器。風能電站風能發(fā)電站大致可以分為兩大類：1、中小型風能發(fā)電裝置可用于孤立用電地區(qū)的中小容量風能發(fā)電機組，這類機組容量在100kW以下。多采用直流發(fā)電機，并利用蓄電池保持一定的電壓，在無風的情況下可采用蓄電池供電。2、大容量風能發(fā)電裝置大容量機組采用交流發(fā)電機，可以與其他能源的電站并網(wǎng)運行。第四章：太陽能發(fā)電（1）§41概述它各種能量（燃料能、風能、水能）最重要的一種是氫聚合成氦。太陽的直徑為1.39106km6000k810640106k1.9681013KPa。地球一年中從太陽獲得的能量約為61017kWh，只相當太陽發(fā)出的總輻射能量中的十分微小的一部分，但它卻相當于人類一年所消耗總能量的上萬倍。太陽能的另一個特點是不會污染環(huán)境，是一種清潔的能源。全世界都在加大對其研究、開發(fā)力度。太陽能的利用手段主要是光?（電轉(zhuǎn)換（單晶硅太陽能電池，理論效率28）和太陽能?換方式、新工藝、新材料的出現(xiàn)，人類一定能夠掌握太陽能的利用技術(shù)?！?2本節(jié)著重介紹太陽輻射的基本特性、數(shù)據(jù)和估算方法。它是太陽能利用、設(shè)計、運行的基礎(chǔ)。太陽能輻射通量和太陽常數(shù)地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期為一年，運行軌道是一偏心率很小的橢圓，太陽位于橢圓軌道兩個焦點中的一個焦點上。所以太陽、地球間的距離在一年中隨著季節(jié)的變化而改變。近地點（1月3日：日地距離為1.47億km，視角為32’59”。遠地點（7月4日：日地距離為1.52億km，視角為31’27”。視角為31591.50億km為一個天文單位。w/m2。輻射表面上的太陽輻射通量，Io。目前世界公認為1353w/m2。大氣層外太陽輻射光譜太陽輻射未進入大氣層之前其能量主要集中在0.240m0.304m752763.0m48%，可見光約占總能量的45。P92圖3-2地球表面上的太陽輻射到達地面上的太陽輻射并不等于大氣層上界的輻射。吸收作用散射作用漫反射作用太陽輻射中單色光經(jīng)過大氣層后的減弱 參見P93式3-1其中m為大氣質(zhì)量 m=1/sin 30o，30o時，P93式3-4太陽直接輻射通量 I1=IoP1 Im=IoPm=IoP1m，其中Io=1353w/m2。投射到斜面上的太陽直接輻射的計算Im=IoPm=IoP1mcosi斜面傾角、方位角關(guān)系到入射輻射通量的大小。當入射角為0時可以獲得最大的入射輻射。但地球和太陽的相對位置一直在改變，要使入射角為0，要不斷改變斜面傾角、方位角。的入射輻射，傾角接近當?shù)氐木暥忍柲馨l(fā)電（2）1974在開發(fā)可替代石油的替代能源。它的主要開發(fā)目標是開發(fā)太陽能、地熱能、煤的氣化和液化、氫能，此外還有風能、海洋能等。1978年，制定了有關(guān)節(jié)能的“月光計劃是一項大型的節(jié)能計劃，研究開發(fā)繁榮重點是提高利用效率、燃料電池、熱泵和超導在電力上的應(yīng)用。1989年，推出“地球環(huán)境技術(shù)開發(fā)計劃該計劃主要側(cè)重于人工光合作用固定二氧化碳、二氧化碳的分離和化學物質(zhì)的分解等。1993年，又將三項計劃全部納入“新陽光計劃計劃到2020年，每年的費用5合性中長期技術(shù)開發(fā)計劃?！?3一般家用生活熱水負荷為2530立升/日人，對于四口之家，配備2m2的太陽能熱水器就可以滿足需求。此外，太陽能熱水器水系統(tǒng)中的儲能工質(zhì)就是水本身，使系統(tǒng)大大簡化。?能。因此集熱器是太陽能利用裝置中最主要的設(shè)備之一。通常的集熱器可以分為平板型、真空管型和聚焦型。其中民用多為前兩種，聚焦型主要用于熱力發(fā)電站。（圖見PPT課件）結(jié)構(gòu)（自然對流型、無跟蹤設(shè)備）玻璃蓋板絕熱材料集熱板鰭片熱損失集熱器的傳熱過程是很復雜的。吸收元件和蓋板都有自己的吸收和反射，玻璃蓋板還有透過輻射的特性，玻璃蓋板于吸熱元件間的空氣還有復雜的流動等。為了便于分析、理解，必需對模型進行簡化。（1）玻璃蓋板與外界空間的熱交換（2）玻璃蓋板與吸熱元件間的熱交換（3）背熱損失Ub=1/R1=/Ub為背面熱損失系數(shù)，單位為W/m2K)。（4）頂部損失Ut=1/(R3+R4)=Ut為頂部熱損失系數(shù)，單位為W/m2K)。Nu=(Re，Pr)，Nu=ddl/，Re=ddlu/，Pr=cp/熱平衡和效率因子能量在熱傳遞過程中，存在光學損失和散熱損失。卻劑流道。內(nèi)、外管之間為真空。硼硅玻璃333.301106℃（。具有熔化溫度極高，化學穩(wěn)定性極佳等特點。日本人稱之為玻璃王，中國人稱之為特硬玻璃，管狀品每噸高達7000美元。（圖見PPT課件）的聚焦型集熱器。一般工作特性聚光鏡的有效面積是：Ac=aL接收器的表面是：Ar=dL令Ac/Ar=cc倍數(shù)。美國著名的太陽能1號塔式聚光電站。光學跟蹤方式完全不同，顯然接收表面與太陽光線垂直時截獲的能量最多。因此太陽能熱力發(fā)電裝置中的集熱器都采用跟蹤裝置以求盡可能多地截獲投入輻射。（1）焦線按南北方向傾斜布置，東西跟蹤。（圖見PPT課件）（2）焦線按東西方向水平布置，南北跟蹤。（圖見PPT課件）材料要求聚焦鏡：鋁、銀等金屬材料。要求是反射率高，易清洗。接收器：短波吸收率高，長波發(fā)射率低的材料作接收器表面涂層。還應(yīng)有較高的機械強度。陽能將會越來越受人們的青睞，并有可能與計算機和電信產(chǎn)業(yè)一樣，成為21世紀發(fā)展最為迅猛的工業(yè)領(lǐng)域。newsunshineニューサンシャイン§44單元都是由稱作cell的單元構(gòu)成。對太陽能電池來說，一個cell相當于一個pnpn結(jié)的構(gòu)成。n元素，會形成一些能自由移動的電子。p量的硼對于pn結(jié)來說，nppn型側(cè)帶正電。pn結(jié)被太陽光照射，在太陽能電池內(nèi)發(fā)生將能量傳遞給電子，電子獲得能量后，偏離原來的運動軌道，從而產(chǎn)生新的空穴和和電子，在結(jié)區(qū)形成，新產(chǎn)生的電子向n穴向ppn由吸收太陽光所產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)量所決定；輸出電壓寬度大小所決定。當外加負載時，會有電流流過。只要有太陽光照射，這種電池就能連續(xù)不斷地將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。這就是太陽能電池的發(fā)電原理。目前面積為025cm2025cm2的電池效率已達到101。太陽能電池轉(zhuǎn)換效率損失的主要原因有以下幾種：電池表面的光反射作用。電池材料的缺陷，所產(chǎn)生的電子及空穴等載流子發(fā)生再結(jié)合作用，使部分載流子消失掉。長波長的光容易投射到電池底部，變成熱量。電極接觸不良，使串聯(lián)電阻增加?？筛鶕?jù)材料的使用情況分為兩大類，既硅系列和化合物系列。硅是最常用的，在地球上除了氧元素以外，硅是含量最多的元素。硅是地殼中最豐富的一種元素之一，主要以化合物二氧化硅（SiO2）的形式存在。SiO29799體工業(yè)的迅速發(fā)展，對硅純度的要求越來越高。以冶金硅為原料，將雜質(zhì)降低到百億分之一以下而獲得的高純度的多晶硅。在此基礎(chǔ)上，將多晶硅熔化，并使其原子和分子以同一方向（晶向）周期性地整齊排列，便可生產(chǎn)生成單晶硅。多晶硅單晶硅制備：太陽能模塊太陽能電池的最小單位是單體cell模塊，發(fā)電模塊根據(jù)用戶負荷確定。最近國外正在進行低成本的太陽能電池屋頂一體化材料研究。直交流變換器直流變交流。系統(tǒng)保護裝置防漏電觸電事故，系統(tǒng)由保護繼電器和斷路器構(gòu)成。蓄電池量造成影響。在發(fā)電量過剩的時候，要向蓄電池充電；相反在發(fā)電量不足的時候，由蓄電池進行供電。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池?！?5類提供了一個既能滿足能源需求，又不污染環(huán)境的替代能源。德國一座500kW氣被用作鍋爐和內(nèi)燃機的燃料或者用于燃料電池的運行。在沙特阿拉伯也建成一個類似的350kW的太陽能制氫系統(tǒng)。§46同時，提高輔助設(shè)備的性能、降低成本。并盡可能多樣化，如建材一體化型太陽能電池模塊的開發(fā)。第六章：生物質(zhì)能利用§51概述詳見PPT課件。第六章：地熱發(fā)電§61概述詳見PPT課件。第七章：海洋能海洋是世界上最大的太陽能采集器，它每年吸收的太陽能相當于37萬億千瓦時，相當于人類目前用電量的4000倍。7161球，約占87而且蘊藏著極其豐富的能量資源。海洋能有兩種不同的利用方式。一種是利用海水的動能，帶動發(fā)電機發(fā)電。另外一種是利用海洋不同深度的溫差通過熱機來發(fā)電。理論上它們的儲量都很大，但限于目前的技術(shù)水平，尚處于與小規(guī)模的研究開發(fā)階段?！?1復運動。巨量海水洶涌而來，其中包含著大量的動能。漲潮過程中，海水位逐漸升高，把大量動能轉(zhuǎn)化為位能。在落潮時，大量海水又奔騰而去，大量位能又轉(zhuǎn)化成為動能。一座攔水堤壩，形成水庫，并壩中或壩旁放置水輪機組，然后利用潮汐漲落時海水位的升降，使海水通過水輪機機組時轉(zhuǎn)動水輪機組發(fā)電。潮汐發(fā)電的所需要的費用主要是一次工程投資，建成后，海水不要錢的，所以發(fā)電成本非常低廉。電站最大潮差13.524臺1萬kW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量24萬千瓦。我國第一個單庫雙向式潮汐電站—浙江溫嶺縣江夏潮汐電站，共有五臺機組，共3200kW。生周期變化。海洋中的同一地點，每天都有一次向著月球，一次背對地球，這一周期的時間為24h48min。§72km210~20萬kW。波浪能與波浪高度的平方和波的周期的乘積成正比。設(shè)波高為為H單位為m，周期為Ts，則每mEkW/m，E=H2T§73OTEC)海洋溫差發(fā)電是以海洋受同樣能加熱的表面海水25~28℃)作為高溫熱500~1000m深處的海水4~7進行發(fā)電的系統(tǒng)。從高溫熱源到低溫熱源，可能獲得總溫差15~20℃左右的有效熱量。給熱量；深層海水不斷地從極地流到赤道。海面上的太陽輻射的分布有關(guān)。赤道附近，太陽直射較多，海面溫度較高；中緯度地區(qū)，太陽照射偏斜，海面溫度較低；兩極地區(qū)，太陽直射很少，海面常年封凍。系統(tǒng)主要有兩種：閉式循環(huán)開式循環(huán)使用低壓水蒸氣，系統(tǒng)容易漏氣，真空泵耗電大。閉式循環(huán)采用丙烷、氨等低沸點工質(zhì)代替水蒸氣。第八章：燃料電池技術(shù)(1)§81概述燃料電池（FC）15030顯著，已經(jīng)或即將步入實用化階段。當前，科研與開發(fā)的重點是提高性能，降低成本，早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。轉(zhuǎn)換，而是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)變成為電能的發(fā)電方式。21環(huán)境友好發(fā)電方式之一?，F(xiàn)代科學技術(shù)進步使燃料電池勢不可擋地進入未來電力工業(yè)和汽車工業(yè)。預計，燃料電池系統(tǒng)將在燃料電池電站、電動汽車、移動式電源、潛艇、航空航天等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。何為燃料電池為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的特點和優(yōu)勢與傳統(tǒng)的發(fā)電方式比較，燃料電池具有許多突出的優(yōu)點：（1）不受熱機卡諾循環(huán)（CarnotCycle）都在5080％以上；熱機最高效率（）W/Q100T2T1/T2100%燃料電池實際轉(zhuǎn)化效率（%）=nFE/H×100%n?參加電池反應(yīng)的電子數(shù)；F?法拉第常數(shù)，96500C/molE?電池的實際輸出電壓。在沒有余熱利用的情況下，燃料電池效率可高達40%~50%。（2）潔凈、無污染、噪音低；（3）模塊結(jié)構(gòu)，靈活機動，適應(yīng)不同的功率要求，維修方便；（4）比能量高，降載彈性高；（5）高溫燃料電池可實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，副產(chǎn)有價值的工業(yè)原料。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由4燃料預處理單元燃料電池單元該單元是燃料電池的心臟，能實現(xiàn)上述反應(yīng)的基本裝置是FC單體串聯(lián)起來構(gòu)成的裝置叫做FC構(gòu)件叫做雙極板。由若干FCFC需要，選擇不同的標準模塊，就可組裝成FC發(fā)電裝置的本體。直交流變換單元熱量管理單元與普通化學電池一樣，燃料電池的構(gòu)造可用下式表達：（）氧化劑（）料為有機化合物，且為氣體，這就要求電極不僅要有催化劑的特性，并且為多孔質(zhì)材料，以增大燃料氣、電解質(zhì)和電極三者的接觸界面，促進電子授受（ThreePhaseZone研究直接關(guān)系到燃料電池的發(fā)展。燃料電池電極反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，其一般表達式為：a·On·e－＜＝＞b·R對于氣體電池，在R為氣體，O為離子；在OR為離子。OReE可用能斯特方程表示為：E＝Eo2303RT/nF·LogαOa/αRb)R：氣體常數(shù)，831J/mol·K；T：絕對溫度，K；F：法拉第常數(shù)，96500C/mol；αOO的活度；αRR的活度；Eo：標準平衡電位，標準電極電位。以（）H2H2SO4O2（）陽極：H2→2H＋＋2e－ n=2，R為H2，O為H＋；陰極：1/2O2＋2H＋＋2e－→H2On=2，R為H＋，O為H2；在1MPa、25℃條件下，H2、O2的標準電極電位分別時：EoH2＝0EoO2＝1.23EH2＝02.303RT/nF·Log((αO)a/(αR)b)EO2＝1.232.303RT/nF·Log((αO)a/(αR)b)因此，在開環(huán)電路中電池的電動勢為： E＝EO2?EH2＝1.23V燃料電池以E叫做燃料電池的理想效率?！＝nF·E/H×100%燃料電池的理想效率80%~90%。VE過電壓εV表示為：T＝V/E上燃料電池的輸出最大電流為IF為：IF＝nF(dF/dt)然而，燃料的利用率一般在100%以下，實際通過電流為：iF＝nF(df/dt)因此，電流效率εC

C＝V/E由此可知，燃料電池的實際效率ε為：ε＝εTεVεC例題：MCFC在923K01MPa923K時的反應(yīng)熱o1299kJ/mol（為10736V，工作電壓為0.8V77%831%池的總效率。TVC0.8310.770.477所以，燃料電池的總效率47.7%。繼氫氧堿型燃料電池（AFC、AlkalineFuelCell）FC又經(jīng)歷了四代的發(fā)展過程：第一代磷酸鹽燃料電池（PAFC）PhosphoricAcidFuelCell；第二代熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）MoltenCarbonateFuelCell；第三代固態(tài)氧化物電解質(zhì)燃料電池（SOFC）SolidOxideFuelCell；第四代固體高分子燃料電池（PEMFC）ProtonExchangeMembrane。燃料電池的使用形式：中央集中型（Centralized，主要用于電廠。地區(qū)分散型（Dispersed，主要用于電廠。現(xiàn)場型（On-Site，主要用于工廠、生活小區(qū)、大型辦公樓。能源優(yōu)化利用與地球環(huán)境。我國科技界對燃料電池一直很重視，1996年和1998議對其進行了專題討論，并呼吁國家有關(guān)部門予以立項，特別強調(diào)基礎(chǔ)理論的研究對創(chuàng)建有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、獨立開發(fā)燃料電池重要性和必要性。PEMFCPEMFC用作潛艇動力源時，與斯特林發(fā)動機、閉式循環(huán)柴油機等相比，具有效率高，噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點。在攜帶相同重量或體積的燃料和氧化劑的情況PEMFC我國煤炭資源豐富，占一次能源探明總量的90％。在21將為我國主要能源資源之一?，F(xiàn)行的火力發(fā)電站能量轉(zhuǎn)化效率低，環(huán)境污染嚴重，高效、清潔的MCFCSOFC二．國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀80的人力、物力和財力對燃料電池系統(tǒng)進行研究與開發(fā)，并取得了大量成果。美國于19962000KW250KWPAFC日本于19931994年對100KW的MCFC發(fā)電裝置進行了長達5000小時的連續(xù)發(fā)電試驗。美國已完成25KW的SOFC系統(tǒng)長時間運行試驗。加拿大在電1993PEMFC為動力的公共汽車示范車，并先后與美國、德國和日本各大汽車公司合作開發(fā)燃料電池汽車。德國、荷蘭、丹麥、俄羅斯、韓國等也均有計劃開展研究各具特色的燃料電池系統(tǒng)。在進行燃料電池工程開發(fā)和應(yīng)用試驗的同時，正在進行深入而廣泛的基礎(chǔ)研究，以期延長電池壽命，降低電池成本，提高電池比功率與比能量，簡化電池系統(tǒng)，提高電池組與系統(tǒng)的可靠性等。時進行用薄金屬板替代現(xiàn)行石墨板作為電池組雙極板的研究。美、日、德還在進行關(guān)于全氟多元磺酸基團的氟烯醚單體及其成膜工藝方面的基礎(chǔ)研究，目前已開發(fā)成功含雙磺酸基團的氟烯醚單體，性能比Nafion117膜有了成倍溫度與濃度分布模型與仿真研究，為燃料電池工程化指明實施方向。有力地加速了燃料電池的研究與開發(fā)。為適應(yīng)PEMFC作為電動汽車、潛艇動力源方面的需求，國外正在投入巨2003年P(guān)EMFCAIP2005燃料電池為動力的電動車可進入市場。60AFC系統(tǒng)，已接近當時國際同類研究的先進水平。90EMFCMCFC與SOFC類型燃料電池的應(yīng)用基礎(chǔ)及工程開發(fā)研究，進行電催化劑與電極制備，電解質(zhì)膜與電極內(nèi)反應(yīng)氣濃度分布，流場和水遷移等方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，試制成千瓦級PEMFC電池組，并申報了多項發(fā)明專利，開始形成自己的燃料電池知識產(chǎn)權(quán)。在MCFC電池的研究方面，系統(tǒng)地進行了LiAIO2用基礎(chǔ)研究。另外，對于SOFC電池材料及電池系統(tǒng)也進行了研究。率，摘掉我國燃煤污染大國的帽子，促進清潔煤發(fā)電技術(shù)和環(huán)保汽車工業(yè)發(fā)展，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)必將產(chǎn)生重大影響。同時，可以形成我國有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池產(chǎn)業(yè)，增強國際競爭能力，促進一批基礎(chǔ)學科及交叉學科的發(fā)展。因此，盡早啟動燃料電池基礎(chǔ)理論研究已經(jīng)成為我國一項刻不容緩的戰(zhàn)略任務(wù)燃料電池(2)FuelCell§82陽極：H2→2H＋＋2e－e－電子流經(jīng)外電路；H＋在電解液中擴散。電解質(zhì)：H3PO4H3PO4→HH2PO4－陰極：1/2O2＋2H＋＋2e－→H2O負載：把陽極傳過來的電子送到陰極。要求：良好的多孔電極、電極表面維持穩(wěn)定的三相界面。工作溫度453~483K，這一范圍是依據(jù)的蒸汽壓、材料的耐腐蝕性工作壓力常壓，對大容量的PAFC采用加壓冷卻方式水冷、空冷燃料利用率燃料是經(jīng)燃料轉(zhuǎn)化裝置輸送來的。70～80％的燃料參加反應(yīng)氧化劑利用率50～60％（空氣中氧含量為21％）反應(yīng)氣組成H2、CH4CentralizedDispersedonsiteCarnotCycle?100CH3OH（甲醇）2H2COCOH2OH2CO2以煤代油技術(shù)?§83固體聚合物電解質(zhì)膜，厚度約為50~250μm質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC（ProtonExchangeMembraneFuelCell）是一種采用高分子交換膜作電解質(zhì)的燃料電池，它不僅具有輸出電流密度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作溫度較低等特點，而并且具有低污染、零排放、低噪音以及啟動快等優(yōu)點，是一項高新技術(shù)成果。用甲醇、天然氣，甚至汽油、柴油、煤等作燃料。當氫氣從陰極進入時，氫原子在催化劑的作用下，被離解為電子和氫質(zhì)子，電子則通過外接電路達到陽極；同時，氫質(zhì)子則穿過質(zhì)子交換膜與從陽極進入的氧氣在催化劑的作用下結(jié)合生成水，只要不斷地分別將氫氣和氧氣送入陰極和陽極，就可以連續(xù)不斷地發(fā)出電來，而排放物只是純凈的水。其反應(yīng)方程式如下：陽極：H2→2H＋＋2e－(1)陰極：1/2O2+2H＋＋2e－→CO32－ (2)總反應(yīng)：H2＋1/2O2→H2O(3)1993allardPEFC交通汽車，這輛汽車是以氫氣為燃料，唯一的排放物是濕潤的空氣，對環(huán)境沒有污染。有人預測，以PEMFC為動力的商業(yè)上富有生命力的汽車在20002010PEMFC不僅是人造衛(wèi)星上的可靠、高效、低成本的動力源，而且可以作為陸地上市區(qū)交通車輛、水下潛艇等的動力源和安裝在用戶家中作為固定發(fā)電站。人們普遍認為PEMFC燃料電池PAFC。它正在迅速逼進商業(yè)化，尤其是在車輛動力源上的應(yīng)用。PEMFC的特點造方便。缺點：廢熱品位低；對CO§84熔融碳酸鹽燃料電池MCFMoltenCarbonateFuelCell）電池。在工作過程中，碳酸鹽電解質(zhì)處于熔融狀態(tài)，所以取名為熔融碳酸鹽燃料電池。它具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小、可以利用石油的替代品以及發(fā)電效率與發(fā)電容量的依賴性小等優(yōu)點。MCFC650陽極動力學過程很快，不必用貴重金屬，而用Ni陽極由NiCr和NiAlNiO為了抑制陰極材料溶解，在陰極中還需添加堿性添加劑；在陽極和陰極中間的電解質(zhì)板是Li2CO3K2CO3瓷材料（LiAlO2當MCFC的工作溫度達到600～700CO32H2HH2→2H＋＋2e－ (1)在陰極，空氣中的O2氧離子。1/2O2＋2e－→