课件：第一讲可再生能源概述.ppt

可再生能源 马凯 kai_2014.11,课堂纪律，缺课请假，开卷考试 参考书： 汪建文等. 可再生能源. 北京：机械工业出版社，2012. 王长贵等. 新能源发电技术. 北京：中国电力出版社，2003. 黄素逸. 能源利用新技术. 北京：中国电力出版社，2004.,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,先思考几个问题：,1. 国际战争和冲突：海湾战争，伊拉克战争，美国攻打阿富汗 2. 全球变暖 全球变暖 温室效应 温室气体 CO2 燃煤电厂 3. PM2.5 雾霾 能源是社会存在的基础，是社会发展的动力，并与我们的生活息息相关。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,课程的主要内容,第一章 可再生能源概述 第二章 太阳能 第三章 风能 第四章 生物质能 第五章 海洋能 第六章 地热能 第七章 氢能,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述,第一节 能源概述 第二节 可再生能源概述 第三节 可再生能源发展趋势,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,一、能源的定义 （一）能量：物体（或系统）对外做功的能力。广义地讲，能量是产生某种效果（变化）的能力。反过来说，产生某种效果（变化）的过程必然伴随着能量的消耗或转化。 （二）能源:凡是能直接或者经过转换而获取某种能量的自然资源统称为能源。如煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能以及电力、煤气、蒸汽、沼气、氢能等。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,一、能源的定义 （三）能量形式：目前，人类认识的能量有如下六种形式。 1.机械能 它包括固体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能。动能和势能统称为宏观机械能。 2.热能 热能是能量的一种基本形式，热能的本质是微观粒子随机热运动的动能和势能的总和，这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的剧烈程度。 3.电能 它是和电子流动与积累有关的一种能量。通常是由电池中的化学能转化而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之电能也可以通过电动机转化为机械能，从而显示出电做功的本领。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,一、能源的定义 （三）能量形式： 4.辐射能 物体以电磁波形式发射的能量称为辐射能，如地球表面所接受的太阳能就是辐射能的一种。 5.化学能 它是一种原子核外进行化学反应时放出的能量。人类利用最普遍的化学能是通过燃烧碳和氢而获得的，而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最重要的可燃元素。 6核能 核能它是蕴藏在原子核内部的物质结构能。释放巨大核能的核反应有两种，即核裂变反应和核聚变反应。核能不属于可再生能源。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,二、能源的分类 不同的认识角度，具有不同的分类方法。 按地球上能量来源不同可把能源分为三类： 地球的本身蕴藏的能量资源（如地热能等）； 地球与其他天体相互作用而产生的能量（如潮汐能等）。 来自地球以外天体的能量（除包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物质能、水能、风能、海洋能等）；,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,二、能源的分类 按被开发利用的程度不同，可把能源分为两类： 常规能源，指已被广泛利用的能源，如煤炭、石油、 天然气、水能等； 新能源，指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、潮汐能、生物质能等，核能通常也被看作新能源。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,二、能源的分类 按获得的方法，可把能源分为两类 一次能源，指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然气、水力、太阳能、风能等）； 二次能源，由一次能源直接或间接转化而来的能源 （如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等）。二次能源通常使用方便，易于利用，是高品质能源。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,二、能源的分类 按能否再生，可把能源分为两类 可再生能源（如太阳能、风能、水能、潮汐能等） 非再生能源（煤炭、石油、天然气、核燃料等）。 按能源本身的性质，可分为两类 含能体能源，其本身就是可提供能量的物质（煤炭、石油、天然气、地热、氢等），可直接储存； 过程性能源，指由可提供能量的物质的运动所产生的能源（风能、水能、潮汐能，电能等），无法直接储存。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,二、能源的分类 （6）按对环境的污染情况分 清洁能源（太阳能，水能，海洋能等）； 非清洁能源（煤、石油、天然气等）。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,三、能量的各种形式与转换 能量在使用过程中会发生转换 。人们通常所说的能量转换是指能量形式上的变化，然而广义地说，能量转换还应当包含以下两项内容: 1） 能量的空间转换，即能量的传输。 2） 能量的时间转换，即能量的储存。 任何能量转换过程都必须遵循自然界的普遍规律能量转换和能量守恒定律，即 输入的能量输出的能量储存能量的变化,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,三、能量的各种形式与转换 任何能量转换过程都需要一定的转换条件，并在一定的设备或系统中才能实现。 表1 能量转换过程及转换设备和系统,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,四、能源品质评价 1. 储量和能源的地理分布 作为能源的一个必要条件是储量要足够丰富。在考察储量的同时还要对能源的可再生性和地理分布作出评价。 能源的地理分布和使用关系密切，比如我国的煤炭资源偏西北，水力资源偏西南，而工业区却分布在东南沿海，因此能源的地理分布对能源的使用起决定性作用。 2. 储能的可能性和供能的连续性 能源不用时可以存储起来，需用时能立即发出能量，这对太阳能、风能等目前不易做到，而各种矿石燃料和核燃料则比较容易做到。 供能的连续性，是指能否按需要和所需的速度连续不断地提供能量。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,四、能源品质评价 3. 能流密度和能量密度 能量密度是指单位质量的物质释放的能量，煤的能量密度为2.74J/kg，石油的能量密度为4.32J/kg，裂变物质的能量密度要比常规燃料大百万倍，如铀235的能量密度为J/kg。 能流密度是单位时间内通过单位面积的能量,主要用来评价可直接利用的能源如太阳能、风能等。风的能流密度从每平方米几十瓦到几百瓦，太阳能的能流密度用年辐射总量表示，范围在300800kJ/cm2年。 4. 运输费用与耗损 太阳能、风能、地热能等难以运输，而石油和天然气则很容易从产地输运到用户，运煤稍为困难一些，水力发电站如果远离用户，远距离输电损失也不小，而且还是一项投资较大的基建工程。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,四、能源品质评价 5. 开发费用和利用能源的设备费用 对于开发费用而言，太阳能、风能等不花任何成本就能得到；各种矿物燃料和核燃料，从勘测、开采、到加工、运输等都需要人力和物力的投资，有的工序对劳动者还有一定的危险性和损害人体健康。 利用设备的价格，以目前的技术水平，太阳能、风能、海洋能等发电设备的单价为几千元上万元/kw，初投资较大，资金周转较慢；燃煤和水力的设备几百元一千元/kw，比太阳能、风能便宜得多，烧天然气和石油的装置的价格也相当便宜。与开发费用相反。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,四、能源品质评价 6. 能源的品位 能源的品位有高低。高品位的能源是指电力、机械能、燃气和液体燃料等，是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的，所谓低品位能源包括热能、生物能等，二者之间是可以互相转化的。 在热机循环中，热源温度越高，冷源温度越低，则循环热效率就越高，即热量可转化为机械功的部分越大。对能够得到较高热源温度的能源称为高品位能源，否则为低品位能源。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,四、能源品质评价 7. 对环境的影响 对环境的影响不仅是指对环境的污染，还包括开采和开发过程中对生态平衡方面的影响。如化石燃料对环境的污染大；太阳能、风能、氢能对环境基本没有污染。 优良的能源是干净、安全、不破坏生态平衡的能源。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,五、能源与经济 能源的形式也决定了国家的经济实力、发展模式和发展前途。 （一）能源与生产 2000年，世界人均一次能源消费量折算标准油1.50吨，其中，美国人均消费8.17吨标准油，英国人均消费3.89吨。 亚洲人均消费最高的国家是新加坡为6.12吨标准油，韩国和日本的人均消费大致相同，分别为4.10和4.14吨标准油。 我国人均消费量为0.735吨，不到世界平均水平的一半，不足美国的十二分之一。 广大的农村仍在使用传统的生物质能源，其消费总量超过2.5亿吨标准煤。 人均能源消费量的差异，反映了我国经济发展和人民生活水平同国外的差距。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,五、能源与经济 （二）能源与经济 任何产品（包括精神产品、软件等在内）都离不开能源，所以能源发展水平在一定程度上代表了国家的经济发展水平。 两个指标反映出经济和能源的关系： 1人年平均产值越高，人年平均能耗就越大； 2能源消耗量（t标煤/人年）越高，国民生产总值（美元/人年）就越大。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,五、能源与经济 （三）能源与生活水平,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,表2 现代文明社会人均能耗最低需要估计（人年）,注：1.MJ为106焦。 2.标准煤热值为29.33千焦/千克。,现代社会，能源在国民经济中的地位和作用是相当高的。国家越发达，现代化程度越高，人们依赖能源的程度也就越大。,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,二氧化碳的数量增加， 较多热能因而被吸收 和储存,地球变得愈来愈热,六、能源与环境,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,氧化氮和二氧化硫与空气中的水分結合，形成弱硫酸和硝酸,当燃烧化石燃料时，会产生氧化氮和二氧化硫,污染物吹到其他地区,水汽,损毀建筑物,二氧化硫,氧化氮,二氧化硫,氧化氮,干沉降,破坏森林,湖泊和河流的土壤变酸，魚类和植物因此死亡,人类健康受损,酸雨落下,六、能源与环境,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,六、能源与环境 环境恶化表现为： 1) 南极的臭氧空洞正以每年一个美国陆地面积的速度扩大，受臭氧空洞的影响，太阳紫外线辐射使人类皮肤癌的发病率不断上升。 2) 空气质量严重恶化，全球有1.25亿人口生活在污浊的空气中。 3) 温室气体的过度释放造成全球气候变暖，沿海低地和一些岛屿国家正面临海水上涨的威胁。 4) 全球有12亿人口生活在缺水地区，14亿人的生活环境中没有生活污水排放装置； 5) 全球每年的土壤流失达20Gt(即20109t)，全世界的森林正以每年4.6106ha（ha-公顷，1ha=104m2）的速度从地球上消失。 6) 全球有12%的哺乳动物和11%的鸟类濒临灭绝；每24h就有150200种生物从地球上消失；由于过度捕捞，有40多种鱼类也濒临灭绝。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第一节 能源概述,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,七、我国能源与可持续发展面临的问题与挑战 （一）面临的问题 1.总量不足；2.结构失衡；3.效率低下；4.污染严重；5.效益不佳。 （二）面临的挑战 1.面临能源需求增长和环境保护的双重压力；2.人均资源不足，煤为世界平均值的50%，油为10%；3.资源勘探程度低，资源分布不均，煤炭集中西北，水电资源集中于西南；4.人均能耗低，约为世界平均值的50%；5.产值能耗高，约为其它发展中国家的二倍；6.农村能源短缺，生活用能主要靠柴薪。,第一章 可再生能源概述第二节 可再生能源概述,一、可再生能源的定义 所谓可再生能源，是指不会随它本身的转化或人类的利用而日益减少的一种能量资源。 相对于传统能源，可再生能源取之不尽、用之不竭且对环境没有污染、可以实现持续发展、有利于生态的良性循环的一种能源。 二、可再生能源的特点 1） 能流密度较低，并且高度分散。 2） 资源丰富，可以再生。 3） 清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染物排放。 4） 部分可再生能源具有间歇性和随机性，如太阳能、风能、潮汐能等。 5） 开发利用的技术难度大。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第二节 可再生能源概述,三、可再生能源的种类 （一）按照联合国开发计划署（UNDP）把可再生能源分为三大类： 1） 大中型水电。 2） 新型可再生能源。 3） 传统生物能。 （二）按照中华人民共和国可再生能源法第2条定义：所称可再生能源，是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。同时又指出：水力发电对本法的适用，由国务院能源主管部门规定，报国务院批准。 并且还指出：通过低效率炉灶直接燃烧方式利用秸秆、薪柴、粪便等，不适用本法。,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,第一章 可再生能源概述第三节 可再生能源发展趋势,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,一、能源消费现状与趋势,第一章 可再生能源概述第三节 可再生能源发展趋势,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,图1 2004年可再生能源占一次能源份额,二、世界可再生能源了利用状况,第一章 可再生能源概述第三节 能源消费现状与趋势,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,图1-4 可再生能源总量平均年增长率（2002-2004）,三、世界可再生能源发展趋势,第一章 可再生能源概述第三节 能源消费现状与趋势,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,四、我国可再生能源利用状况,我国目前是以煤炭为主的能源消耗大国，煤炭占我国一次能源的69%左右，目前虽然可再生能源的比例占一次能源总消耗量还比较高，但主要是生物质能占了绝对量，农村人口多，他们生活用能基本主要是烧薪柴、粪便等，但这种直接燃烧的方式能源利用效率是相当低的。 除太阳能应用发展比较快（主要是太阳能热水器）以外，风能、水能、海洋能等应用比例都比较低。 我国可再生能源开发利用亦有较大进展。19902005年,大中型水电增长1.8倍,新可再生能源增长2.7倍。我国生物质传统利用、水力发电、小水电、户用沼气池、太阳能热水器等居世界第一位。,第一章 可再生能源概述第三节 能源消费现状与趋势,能源动力与机械工程学院,华北电力大学,五、我国可再生能源发展趋势,我国的能源相对贫乏，人口基数庞大，人均能源占有量与世界平均水平相比非常低。 2005年,我国可再生能源利用量占能源消费总量的7.5%。目前,提