能源的合理利用及新能源

1、第十四章能源的合理利用及新能源简介 能能 源源 能源是指能够直接或经过转换而获能源是指能够直接或经过转换而获 取某种能量的自然资源。取某种能量的自然资源。自然资源：煤、石油、天然气、太阳自然资源：煤、石油、天然气、太阳 能、风能、水能、地热能、核能等。能、风能、水能、地热能、核能等。 传统能量转换方式传统能量转换方式n传统能量转换方式存在两大弊端：传统能量转换方式存在两大弊端：n间接转换间接转换，中间环节多，转换效率低。，中间环节多，转换效率低。n燃烧化石燃料燃烧化石燃料（煤、石油、天然气等），既（煤、石油、天然气等），既加速了有限的化石燃料的日益枯竭，又对环加速了有限的化石燃料的日益枯竭，又

2、对环境造成了严重的污染。境造成了严重的污染。n能源问题出路能源问题出路：n现有能源的高效洁净利用技术现有能源的高效洁净利用技术n能量直接转换技术能量直接转换技术n新能源与可再生能源新能源与可再生能源14 - 1 能源分类能源分类n自然界中的能源根据它们的初始来源，当前可概括为四大类n与太阳有关的能源与太阳有关的能源n与地球内部的热能有关的能源与地球内部的热能有关的能源n与原子核反应有关的能源与原子核反应有关的能源n与地球一月球一太阳相互联系有与地球一月球一太阳相互联系有关的能源关的能源n以上四大类能源都是自然界中现成以上四大类能源都是自然界中现成存在的、未经加工或转换的能源，存在的、未经加工或

3、转换的能源，也称作也称作一次能源一次能源或或初级能源初级能源n其它如电力、氢气、沼气、煤气、其它如电力、氢气、沼气、煤气、汽油、激光、酒精等由一次能源直汽油、激光、酒精等由一次能源直接或间接转化而来的能源称作接或间接转化而来的能源称作二次二次能源能源14 - 1 能源分类能源分类14- 1 能源分类能源分类14 - 1 能源分类能源分类14 - 1 能源分类能源分类14 - 1 能源分类能源分类n能源与环境问题的妥善解决是人类社会可持续发展的前提n目前主要从两个方面入手n合理利用现有能源n积极开发和利用各种可再生能源n以上二者并举，完成能源结构从常规能源向可再生能源的过渡和转换，最终解决能源问

4、题并消除环境污染产生的根源14 - 2 能源的合理利用能源的合理利用n依靠科技进步，通过开发新型高效用能设备、开发能源转化新技术等来改造传统能源工业是实现现有能源合理利用的主要途径。n能源的总体规划和管理，即从总能系统的概念出发，根据能源的特性和品位高低，从环境和社会的高度安排好各种能量的配合关系和转换利用，从而实现一个机组、一个企业以至一个地区的能源的合理利用。广义地说，能量转换应包含三项内容:能量的转换能量转换能量的转换能量传输能量的转换能量储存能量的转换能量的转换能源能源形态转换过程转换机械或系统石油、煤炭、天然气等矿物燃料氢和酒精等二次能源化学能 热能化学能 热能 机械能化学能 热能

5、机械能 电能化学能 电能 热能化学能 电能炉子、燃烧器各种热力发动机热机、发电机，磁流体发电，EGD发电（压电效应）热力发电，热电子发电燃料电池n洁净煤技术n煤炭的燃前净化和加工n清洁型煤技术（型煤） n水煤浆技术（70%煤粉+30%水煤水混合物） n煤炭的高效清洁燃烧n燃烧后的净化n煤炭的转化14 - 2 能源的合理利用能源的合理利用n能量的梯级利用和工业余能利用n按照能量品位的高低做到 “分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用” ，是用能过程应遵循的原则，也是节能的有效途径n燃气蒸汽联合循环和热电联供n工业余能的利用n动力利用n热利用14 - 2 能源的合理利用能源的合理利用水泥余热发电水

6、泥余热发电n传统的发电技术是利用线圈相对磁场转动来发电。一、磁流体发电一、磁流体发电n磁流体发电是将带电的流体（离子气体或液体）以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用发电。n目前，中国、美国、欧盟、印度以及澳大利亚等国都积极致力于这方面的研究。14 3 能量直接转换能量直接转换n发电效率高n普通火力发电 20%40%n磁流体发电 60n环境污染少n火力发电 二氧化硫空气污染n磁流体发电 硫酸钾回收利用14 3 能量直接转换能量直接转换n磁流体发电原理霍尔效应14 3 能量直接转换能量直接转换n磁流体发电装置14 3 能量直接转换能量直接转换n磁流体发电机14 3 能量直接转

7、换能量直接转换NS发电通道等离子体燃烧室二、燃料电池二、燃料电池n燃料电池被认为是21世纪首选的洁净高效发电技术，被列为继火电、水电和核电之后的第四种电力。n美国将其列为27项涉及国家安全技术之一n日本认为其是21世纪能源环境领域的核心n加拿大计划将其发展成国家的支柱产业。14 3 能量直接转换能量直接转换n燃料电池示意图14 3 能量直接转换能量直接转换n燃料电池优点n能量转换效率高；n低污染、无噪音；n对燃料的适应性强；n重量轻，体积小，起动和关闭迅速；n用途广： 固定电源； 汽车、潜艇电源； 一家一户供电取暖； 分布式电站。14 3 能量直接转换能量直接转换n燃料电池类型（按电解质材料分

8、）n碱溶液型n磷酸型n熔融碳酸盐型n固体氧化物型n质子交换膜型燃料电池。14 3 能量直接转换能量直接转换三、温差发电三、温差发电 n温差发电 新型的发电技术14 3 能量直接转换能量直接转换 原理 Seebeck 效应 21()VTTT n温差发电机原理14 3 能量直接转换能量直接转换 n温差发电机结构示意图14 3 能量直接转换能量直接转换14 4 新能源新能源n新能源n太阳能n生物质能n风能n地热能n海洋能n核聚变能 14 4 新能源新能源太阳能太阳能一、太阳能一、太阳能n太阳能太阳能是来源于太阳内部氢变氦的核聚是来源于太阳内部氢变氦的核聚 变反应的能量。变反应的能量。n广义广义 除核

9、能、地热能和潮汐能以外，地球除核能、地热能和潮汐能以外，地球 上大部分能源都直接或间接地来自太上大部分能源都直接或间接地来自太 阳能。阳能。n狭义狭义 直接利用的太阳辐射能。直接利用的太阳辐射能。 14 4 新能源新能源太阳能太阳能n地球每年从太阳获得的能量约为地球每年从太阳获得的能量约为17万亿万亿千瓦千瓦，相当于目前世界每年能源供应量，相当于目前世界每年能源供应量总量的几万倍。总量的几万倍。n我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为为50 1018kJ ，全国各地太阳年辐射总，全国各地太阳年辐射总量达量达 335837kJcm2 a，中值为，中值为586kJc

10、m2 a。14 4 新能源新能源太阳能太阳能n太阳能太阳能利用利用n光热利用，太阳辐射能光热利用，太阳辐射能热能，其系统热能，其系统由光热转换和热能利用两部分组成。前由光热转换和热能利用两部分组成。前者包括各种形式的者包括各种形式的太阳能集热器太阳能集热器，后者，后者是根据不同事用要求而设计的各种是根据不同事用要求而设计的各种用热用热装置。装置。14 4 新能源新能源太阳能太阳能n太阳能光热太阳能光热利用利用n太阳能热水系统、太阳能建筑、太阳能太阳能热水系统、太阳能建筑、太阳能游泳池、太阳能蒸馏、太阳能制冷空调、游泳池、太阳能蒸馏、太阳能制冷空调、太阳能干燥、太阳能热发电、太阳能海太阳能干燥、

11、太阳能热发电、太阳能海水淡化、太阳能冶炼炉、太阳灶、太阳水淡化、太阳能冶炼炉、太阳灶、太阳能热发电等。能热发电等。14 4 可再生能源可再生能源太阳能太阳能n太阳能太阳能利用利用n光电利用，太阳辐射能光电利用，太阳辐射能电能，通过光电能，通过光伏效应将太阳能直接转变为电能而加以伏效应将太阳能直接转变为电能而加以利用。利用。太阳能电池太阳能电池是太阳能光电转换的是太阳能光电转换的最核心的器件。最核心的器件。14 4 新能源新能源太阳能太阳能n太阳能电池太阳能电池n硅系列太阳电池（包括单晶硅、多晶硅和非硅系列太阳电池（包括单晶硅、多晶硅和非晶硅）、多元化合物太阳电池（如硫化镉太晶硅）、多元化合物太

12、阳电池（如硫化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池等）等。等）等。n其中单晶硅太阳电池技术最成熟。其中单晶硅太阳电池技术最成熟。14 4 新能源新能源太阳能太阳能n太阳能电池太阳能电池太阳光谱图太阳光谱图太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect)由太阳光与材料相互作用而产生电势 UV Visible Infrared无机太阳能电池有机太阳能电池太阳能资源丰富，全国太阳能资源丰富，全国三分之二日照小时数大于三分之二日照小时数大于2200小时小时2004年底，太阳光伏发年底，太阳光伏发电装机为电装机为6.5万千瓦。主万千

13、瓦。主要用于解决偏远地区和特要用于解决偏远地区和特殊行业用电问题殊行业用电问题太阳能热水器 全球太阳能泵水系统太阳能光伏泵水14 4 新能源新能源生物质能生物质能14 4 新能源新能源生物质能生物质能二、生物质能二、生物质能n生物质能生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式。物中的一种能量形式。n生物质能生物质能是地球上最广泛存在的物质，包是地球上最广泛存在的物质，包括所有的动物、植物和微生物以及由这些括所有的动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、代谢而形成的有机质有生命物质派生、代谢而形成的有机质（矿物燃料除外）具有的能量。（矿物燃料除外）具有

14、的能量。14 4 新能源新能源生物质能生物质能n地球上经过太阳光合作用生成的地球上经过太阳光合作用生成的生物质总生物质总量约为量约为14401800亿吨（干吨），相当于亿吨（干吨），相当于目前世界总能耗的目前世界总能耗的38倍。倍。n迄今人们实际利用的生物质能还很少。在迄今人们实际利用的生物质能还很少。在世界能耗中，世界能耗中，生物质能约占生物质能约占14%，在不发，在不发达地区占达地区占60%以上。以上。n全世界约全世界约25亿人的生活能源的亿人的生活能源的90%以上是以上是生物质能。生物质能。14 4 新能源新能源生物质能生物质能n优点：燃烧容易，污染少，灰分较低优点：燃烧容易，污染少，灰

15、分较低n缺点：热值低、热效率低、能量密度低。体缺点：热值低、热效率低、能量密度低。体积大不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅积大不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为为10%30%。n合理有效地利用生物质能，就是要开发高效合理有效地利用生物质能，就是要开发高效的的生物质能转换技术生物质能转换技术，将能量密度低的生物将能量密度低的生物质能转变成便于使用的高品位的能源质能转变成便于使用的高品位的能源14 4 新能源新能源生物质能生物质能n生物质能生物质能利用利用n热 化学 转 化法 将生物质通过高温干馏、热解、液化等方法获得木炭、可燃气体和焦油等品位高的能源产品。n生物化学转化法 使生物质在微生物的发

16、酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品。n利用油料植物所产生的生物油。n把生物质压制成型状燃料（如块型、棒形燃料），以便集中利用和提高热效率。14 4 新能源新能源生物质能生物质能高效提取生物质能的生产设备 14 4 新能源新能源风能风能三、风能三、风能n风能风能是流动的空气所具有的能量（动能），地球大气是流动的空气所具有的能量（动能），地球大气层因太阳辐射的不均匀而产生温差，从而产生压差形层因太阳辐射的不均匀而产生温差，从而产生压差形成空气流动。成空气流动。n风能风能是太阳辐射能的一种转换形式。是太阳辐射能的一种转换形式。n全球风能约为全球风能约为130200亿千瓦亿千瓦，如有，如有1被利用，即

17、被利用，即可满足人类对能源的全部需求。可满足人类对能源的全部需求。n我国我国10米高度层的风能资源为米高度层的风能资源为32.26亿千瓦亿千瓦，实际可利，实际可利用的风能资源为用的风能资源为2.53亿千瓦亿千瓦。14 4 新能源新能源风能风能n风能利用n风力发电n风力提水n风力机是实现风能利用的重要装置，将空气无规则流动的动能转变为机械有规则转动的动能。14 4 新能源新能源风能风能n风力机14 4 新能源新能源风能风能14 4 新能源新能源风能风能14 4 新能源新能源风能风能14 4 新能源新能源地热能地热能14 4 新能源新能源地热能地热能四、地热能四、地热能n地热能地热能是指蕴藏在地球

18、内部的巨大的天然热能。是指蕴藏在地球内部的巨大的天然热能。n地热能地热能的热量主要来自地球内部岩石和矿物中具有足的热量主要来自地球内部岩石和矿物中具有足够丰度、生热率较高、半衰期与够丰度、生热率较高、半衰期与地球地球年龄相当的、多年龄相当的、多集中在地集中在地表层数百公里内的表层数百公里内的放射性元素衰变放射性元素衰变所产生的所产生的巨大的热能量，巨大的热能量，平均每年为平均每年为1.21024J/Year。n地热能作为一种可再生能源受到了世界各国普遍地热能作为一种可再生能源受到了世界各国普遍的重视。的重视。14 4 新能源新能源地热能地热能n地热资源分类：地热资源分类：n水热型水热型 地热蒸

19、汽和地热水，现在开发地热蒸汽和地热水，现在开发 利用的主要地热资源利用的主要地热资源n地压型地压型 尚待研究和开发尚待研究和开发n干热岩型干热岩型n岩浆型岩浆型 利用的技术难度很大利用的技术难度很大n地热利用地热利用n发地热发电、地热直接利用发地热发电、地热直接利用14 4 新能源新能源地热能地热能n地热发电地热发电n地地 热热 蒸汽发电蒸汽发电以净化后的地热蒸以净化后的地热蒸汽为工质发电。汽为工质发电。n扩容法地热发电扩容法地热发电将地热水通入压力将地热水通入压力较低的扩容器中，热水迅速汽化，体较低的扩容器中，热水迅速汽化，体积增大，这就是扩容，也叫闪蒸。积增大，这就是扩容，也叫闪蒸。n双循

20、环地热发电双循环地热发电利用地热水加热某利用地热水加热某种低沸点工质，产生蒸汽发电。种低沸点工质，产生蒸汽发电。14 4 新能源新能源地热能地热能義義大利大利最早使用地最早使用地熱發電熱發電的的國國家家14 4 新能源新能源地热能地热能日本地热发电日本地热发电 14 4 新能源新能源地热能地热能n地热直接利用地热直接利用n采暖、空调、工业烘干、农业温室、采暖、空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅游疗养等。水产养殖、旅游疗养等。 地源热泵地源热泵14 4 新能源新能源海洋能海洋能14 4 新能源新能源海洋能海洋能五、海洋能五、海洋能n海洋能海洋能指的是海洋中的可再生能源，包括指的是海洋中的可再

21、生能源，包括潮汐能、波浪能、海流和潮流能、海洋温潮汐能、波浪能、海流和潮流能、海洋温差能、海洋盐差能等。差能、海洋盐差能等。n除了潮汐能和潮流能源于星球间的引力外，除了潮汐能和潮流能源于星球间的引力外，其它海洋能均源于太阳能。其它海洋能均源于太阳能。14 4 新能源新能源海洋能海洋能n全世界海洋能的理论可再生量约为全世界海洋能的理论可再生量约为 760多亿千瓦多亿千瓦，其中，其中:n海洋温差能约海洋温差能约 400亿千瓦亿千瓦n盐度差能约为盐度差能约为 300亿千瓦亿千瓦n潮汐和潮流能约为潮汐和潮流能约为 3040亿千瓦亿千瓦n波浪能约为波浪能约为 30亿千瓦亿千瓦n甲烷冰约为甲烷冰约为 50

22、0800亿米亿米314 4 新能源新能源海洋能海洋能n潮汐能潮汐能n潮汐能是海水受月球和太阳的引力作潮汐能是海水受月球和太阳的引力作用而发生周期性涨落所具有的能量。用而发生周期性涨落所具有的能量。潮汐能的利用主要是潮汐能的利用主要是发电发电。14 4 新能源新能源海洋能海洋能n波浪能波浪能n波浪是由于风和重力作用而形成的海波浪是由于风和重力作用而形成的海水的起伏运动，它所具有的能就是波水的起伏运动，它所具有的能就是波浪能。浪能。n通过某种装置将波浪能转换为机械能、通过某种装置将波浪能转换为机械能、气压能或液压能，然后通过传动机构、气压能或液压能，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发

23、电气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电，这样就将波浪能转化成了电机发电，这样就将波浪能转化成了电能。能。14 4 新能源新能源海洋能海洋能n海洋温差能海洋温差能n海洋表层海水的温度高于深层海水的温度，在海洋表层海水的温度高于深层海水的温度，在热带和亚热带海域，这个温差可以达到热带和亚热带海域，这个温差可以达到20 n从热力学上讲，有温差就可以产生动力，所以从热力学上讲，有温差就可以产生动力，所以海洋温差中蕴含着能量称作海洋温差能或海洋海洋温差中蕴含着能量称作海洋温差能或海洋热能。热能。n据测算，全球热带海洋的水温只要下降据测算，全球热带海洋的水温只要下降1 就能就能释放出释放出1200亿千瓦

24、的能量。亿千瓦的能量。n实际上海洋的温差能居于海洋能之首。实际上海洋的温差能居于海洋能之首。14 4 新能源新能源海洋能海洋能n甲烷冰甲烷冰n海洋深处动植物遗体等有机质既是生成石油和海洋深处动植物遗体等有机质既是生成石油和天然气的物质基础，也能在微生物作用下产生天然气的物质基础，也能在微生物作用下产生甲烷。甲烷。14 4 新能源新能源核能核能秦山核电站秦山核电站14 4 新能源新能源核能核能六、核能六、核能n核能核能是原子核结构发生变化时放出的是原子核结构发生变化时放出的能量。通常的化学反应只是原子核外能量。通常的化学反应只是原子核外的电子发生位置变化或运动，原子核的电子发生位置变化或运动，原子核并不变化。并不变化。n核能核能的获得主要有两种途径：的获