新能源技术

新能源技术新能源技术

同济大学物理系同济大学物理系

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一、能源技术概述一、能源技术概述1. 基本概念能量形式 : 机械能 ( 风能、水能等 ) 、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。能源 : 自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。能源种类：

按原始来源分 : 地内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

按对能源的认识过程分：常规能源和新能源。

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能能源源技技术术概概述述

天然 ( 一次 ) 能源和人工 ( 二次 ) 能源

二次能源：它是指经过消耗一次能源加工转化而产生的诞生能源。如电能、热能、煤气、柴油、氢能、焦炭、沼气等。

非再生能源：石油、天然气、原煤、核燃料等一次能源

再生能源：太阳能、风能、水能、海洋能生物质能等

地内能源：地热能 ( 地下蒸气、温泉、火山 ) 、核能地外能源：主要来自太阳，包括由太阳能转变来的风能、水能、矿物燃料 ( 煤，石油等 ) ，及少量宇宙辐射能相互作用能源：主要指潮汐能。常规能源：已被广泛利用的能源，如煤、石油、水力、电能新能源：原子能、太阳能 ( 对发展中国家而言 ) 、雷电能、宇宙射线能、火山能、地震能等。

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2. 能源问题能源模式的演变：木材→煤→石油→核能或多种形式能源

非再生能源 : 石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的 90% 左右再生能源 : 水力、植物燃料等只占 10% 左右

能源分布图一

再生能源

非再生能源

目前人类使用的能源储量和分布

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再生能源分布 : 太阳能占 99.44%, 水能、风能、地热能、生物能等不到 1%

在非再生能源中，利用海水中的氘资源产生的人造太阳能 ( 聚变核能 ) 几乎占 100% ，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加起来也不足千万分之一。所以，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。


能源分布图二

太阳能

其他能源

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世界能源储量分布与利用

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世界非再生能源储量分布 :

中东地区 : 石油储量最多 , 占 56.8% ；欧洲 : 天然气和煤炭储量最多 , 各占 54.6% 和 45%

亚洲、大洋洲 : 煤炭各占 18%

石油、天然气只有 5%

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我国能源资源地区分布不均衡煤炭，主要集中在华北和西北石油、天然气，主要分布在黑龙江、辽宁、河北、河南、山东、四川、甘肃和新疆等省区内可开发水力资源有，主要集中在西南太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。

我国能源资源丰富煤炭资源 ( 探明储量 ) 和水力资源均居世界第一位；石油资源占世界第十一位；天然气资源占世界第十四位；太阳能资源居世界第二位；潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。

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利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1) 煤、石油等燃料的燃烧；2) 汽车排放的废气；3) 工业生产 ( 化工厂、炼焦厂等 ) 过程中产生的废气。大气污染：1) 酸雨问题；2) 温室效应；3) 臭氧层破坏。


能源问题即环境与能源关系问题

联合国提出可持续发展概念，即要满足当代人的需要，又要考虑不损害后代的需要。因此 , 今后的能源战略是多元结构的能源系统和高效清洁的能源技术。

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二、能源技术二、能源技术 1. 洁煤技术煤碳的污染物和二氧化碳可能导致全球变暖。现在有两条洁煤途径： (1) 先进燃烧和污染处理，洁煤技术可用于燃烧前、中、后期。 (2) 气化和液化煤，将煤转化为含一氧化碳和氢的 “合成气”。2. 煤炭液化 ( 煤炭转化技术之一 ) 对固体煤炭以特殊方法进行化学加工成为液态后，可作液体燃料和化工原料使用。从工艺上可分为直接液化 : 在高温高压下加氢，使煤炭直接生成液态物质；间接液化 : 先把煤炭气化，制成煤气，再合成为液体燃料。煤炭液化技术复杂，难度高，投资大，比天然石油成本高，目前还没有竞争能力。

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能能源源技技术术

3. 煤炭气化 ( 煤炭转化技术研究的一个重要部分 )现状：煤炭自身氢碳比低，含有灰分、硫分等杂质，在开采、运输、燃烧过程中会污染环境，燃烧时热效率低。

地下气化

采出煤炭后进行热加工的一种过程 : 以煤炭作为原料，以氧或氢作气化介质，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。

在未经开采的煤层中进行的热加工过程 : 通过从地面钻进的一批特定钻孔，把气化介质送进煤层，使煤炭在地下进行 " 发生炉煤气 "反应，生成的煤气从另一批特定钻孔引出。

煤炭气化目的：制取清洁的气体燃料；制取化工合成用的气体原料。地上气化

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4. 石油的精炼目的从复杂的原油中提取粘度较小的能充分燃烧的烃类 ( 根据辛烷值来标号 ) 把不好的分子转变为好的分子如长链烷烃容易引起汽缸爆震

精炼方法 : 先根据不同沸点把不同成分分离开，然后除硫再向高辛烷转变。

现在观点，大多数石油是由埋藏在地下沉积层中的有机物经过几百万年在 75～ 200℃的温度下形成的。微生物将地表以下的有机物转化为碳氢化合物，剩下的埋藏在深层地底 (通常具有商业价值的油田都位于地表以下 500米－ 700米深处，最深的油井在约 6公里深的地底 ) 的有机物则在温度和压力下经过分解及复杂的化学反应生成石油。

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5. 天然气液化通过施加一定高压，使天然气由气态变为液态，贮存在专门容器内。

天然气是埋藏在地层深处的一种富含碳氢化合物的可燃气体，由亿万年前的有机物质转化而来。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重质气态烃类。

甲醇俗称“木精”，性能稳定，象石油一样能直接当作燃料，使用时不污染环境，便于运输和贮存。 20 世纪末，甲醇合成技术已获成功，如果在天然气产地附近设立甲醇工厂，把天然气加工成甲醇，可经济合理地解决天然气液化问题。

液化途径──利用天然气作原料合成甲醇。

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6. 水能的利用水力发电优点，经济、干净和易维修

葛州坝水利枢纽装机容量为 271 万千瓦三峡水电站总容量为 1768 万千瓦

当今世界仅次于三峡水电站的第二大的水电站 --- 伊泰普水电站 ,位于巴拉那河流经巴西与巴拉圭两国边境的河段 . 总装机容量 1260 万千瓦，年发电量可达 750亿度。

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7. 蓄能技术针对热能或电能储存，着眼于大规模、长时间应用。

电能储存是当前研究的重点。蓄能技术一般要求 : 储能密度大变换损耗小运行费用低维护较容易不污染环境

根据这些要求衡量，抽水蓄能方案较优越

电的蓄能技术大致分三类：直接储存电磁能把电能转化为化学能储存把电能转化为机械能储存

超导线圈蓄能系统铅电池 ,钠硫电池 ,锌氯电池等压缩空气 , 需要时释放

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电池：储存电能转化而来的化学能铅酸电池中的铅在回收中容易流失，对环境存在二次污染。镍氢电池：一种密封电池，可以在任何位置下工作，使用方便。特点：可随时充放，循环使用，且不用维护。以过充过放为一次使用过程，预计可使用 1000 次。锂电池 : 采取了 3层保护措施，可抗过充过放，使用更安全方便。特点 : 体积小、质量轻、使用寿命长、环保 ( 不需要回收 ) 。

燃氢电池、纳米碳管 ( 一个装电的容器，像拧水龙头一样放电 )将是电动自行车动力源未来的发展方向。

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由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。它是利用氢和氧生成水的过程来产生电力的一种装置。

燃料电池：第四种电力 ( 电力火电、水电、核电为三种当今能以工业规模生产的电力 )

工作原理 : 通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质 ( 起反应的物质 )-- 燃料和氧化剂 , 促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。

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具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的 " 发电机 " 。它由正极、负极和夹在正负极中间的固体电解质板所组成。工作时向负极供给燃料 ( 氢H2) ，向正极供给氧化剂 (空气 O2) 。氢在负极分解成正离子 H+ 和电子 e- 。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。燃料电池的用途 : 电动车动力源 ,可移动电源、家庭电源与分散电站等

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三、能源利用与开发三、能源利用与开发

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1. 常见的能源热能及其到机械能的转换纽科曼 (T.Newcomen ， 1663～ 1729)1711年发明蒸气机瓦特 (J.Watt ， 1736～ 1819) 1765年发明分离冷凝器，使蒸气机成为主要动力装置。

能能源源利利用用与与开开发发

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热机效率： 4％ 30％以上

1T

2T

W1Q

2Q

1

21max 1

T

TQ

卡诺循环

热能及其到机械能的转换天然气的开发；地热能；

地热能是来自地壳之下的高温能源。一个典型的地热能电场可以轻松地输送 100MW 电量，这是风能和太阳能所无法企及的。

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电能能能源源利利用用与与开开发发

电能指电以各种形式做功的能力。有直流电能、交流电能、高频电能等，这几种电能均可相互转换。

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机械能水力发电；海洋能 ( 潮汐能、海浪能、温差能 ) ；风能利用

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太阳能光电转换方式；光热转换方式；光化学转换方式。

家用太阳能并网系统工作原理　 1）晴天的白天：太阳能电池板阵列将太阳能转化为直流电力，再经由逆变器转变为可为用电设备供电的交流电力。发电电力大于用电设备的消费电力时剩余电力将被返送回电网，电力公司将依据售电电能表记录的数值支付给用户相应的费用。　 2）多云或阴雨天气的白天：此种天气下，我们的太阳能系统根据实际的日射量仍可以发电，但此时发电量较少，当用电设备消费电力较大时，不足部分将由电力公司通过电网补充提供。　 3）夜晚：夜间太阳能发电系统不提供电力，用电设备由电力公司提供的常规电力供电。

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氢能能能源源利利用用与与开开发发

“喝”氢的汽车

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2. 超级能源：可燃冰

可燃冰是天然气的附生产品，其应用范围与天然气大致相同，是一种典型的石油替代产品。1m3 可燃冰释放 160m3 天然气 , 储量是煤石油天然气等的两倍 .

可燃冰 , “ 天然气水合物”的俗称。它是甲烷类天然气被包进水分子中，在低温高压条件下形成的透明结晶，多呈白色或浅灰色。外貌类似冰雪，可以像酒精块一样燃烧，故称为“可燃冰”。

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3. 裂变反应堆——核电站裂变发现及裂变能的释放1) 裂变的发现

1934年，费米 (E.Fermi ，意大利， 1901～ 1954)1938年，居里夫人实现中子使铀核裂变；1939年，哈恩 (O.Hahn ， 1879～ 1968) 和斯特拉斯曼 (F.Strassmann) ，重复了居里的实验；L.meitner 和 O.R.Frisch 对此做出正确解释，首次引入 fission( 裂变 ) 一词；1947年，钱三强和何泽慧进一步发现裂变的三分裂和四分裂现象。


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2) 核裂变的特点(1) 裂变过程释放巨大能量

YXUUn 236235 MeV210236MeV)4.75.8( E

1g 的铀裂变所释放的能量，相当于 3吨以上的煤燃烧所释放的能量。


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(2) 裂变产物有多种组合方式，裂变时放出中子

YSrRbKr

NdPrCeLaBa

n3KrBaUUn

89β89β89β89

144β144β144β144β144

8936

14456

*23692

23592

ZrYSr

CeLaBaCsXe

n2SrXeUUn

94β94β94

140β140β140β140β140

9438

14054

*23692

23592


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链式反应的可能性和可控性1) 链式反应的可能性——中子增殖

一次铀核裂变中，平均可以放出 2.4个中子

2) 链式反应可以控制——缓发中子


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可控式链式反应的实现1) 中子必须慢化核裂变中释放的中子，动能大多在 Mev 的数量级，必须使快中子慢化为热中子。慢化剂：水，重水，石墨等。2) 临界体积

1上代中子总数本代中子总数

K增殖系数

加大 K 的方法：提高浓缩铀中 235U 的比例加大反应体的体积

事实证明：当反应体积达到一定的临界体积临界体积时，链式反应就会持续。

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3) 用控制棒控制反应堆的速率

控制棒：易于吸收中子的硼或镉


核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。

核反应堆=裂变原子核＋热载体

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链式反应的历史 (1942 ， 12 ， 2)

原子弹、氢弹、中子弹


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核电站简介核电站利用原子核裂变反应所放出的核能，由冷却剂带出，把水加热为蒸汽，驱动汽轮发电机组进行发电。

两个回路系统

核蒸气供应系统

蒸汽驱动汽轮发电机工作的系统


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秦山核电站 (30 万千瓦 ) ， 1991年 12月 15日并网发电


大亚湾核电站 (2×90 万千瓦 )

台湾 6座 , 40％。

坐落于浙江海盐县秦山双龙岗的鸟瞰图

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美国 109座 , 供电量占全国 21% ；法国 56座 , 80% ；日本，德国，俄罗斯，加拿大均有大量的核电站。

美国日本苏联莫斯科附近 (1954 第一

座 )

法国格拉弗林檬电站 ( 世界第一 )

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