能源概论课件

1、可再生能源概论能源与动力系2017年9月1.能源、社会与环境能源是人类赖以生存的基础，也是人类从事任何生产和社会活动的基础。能源的开发利用程度标志着人类社会进化和发展的程度。能源对于现代社会的重要性如同粮食对于人类的重要性。 -没有粮食，人类将不能生存； -没有能源，现代社会将陷入瘫痪，人类只能回到远古的 刀耕火种时代。能源的消费水平，是衡量国民经济发展和人民生活水平的重要标志。近200年来，人类的能源消耗增长速度大大超过了人口增长速度。在20世纪的一百年中，世界人口从16亿增长到60亿，约增长4倍；而同一时期，世界一次能源的年消耗量从20亿吨标准煤增长到200亿吨，增长了10倍。 人类正面临

2、着严峻的能源危机2002年世界人口62亿，消耗的能源为451EJ（1EJ=1018J），其中化石能源占总能量的3/4。据预测，以目前的消耗速度，地球上的煤储藏，大约还能维持200年，石油最多只有40年xx！天然气约60年！而且全世界的石油产量，很可能在2010年左右即达到峰值。因此，人类正面临日益严峻的能源危机！ 1.1 人类利用能源的历史人类进化发展的历史，也是一部不断地向自然界索取能源的历史。伴随着能源的开发利用，人类社会逐渐地从远古的刀耕火种走向现代文明。 人类使用能源的四个历史时期 1.柴草时期从远古时代一直到18世纪中叶 大约50万年前，人类学会了使用工具和火。此时的燃料主要是树枝、

3、杂草等，人类完成了从猿到人的进化，能源利用进入了柴草时期。人类以柴草烧饭、取暖和照明，以人力、畜力和极少量水车、风车为动力，从事手工生产和交通运输。这一时期生产力低下，人类受制于大自然。2.煤炭时期从18世纪中叶到20世纪初，以蒸汽机 的发明为代表17世纪开始，英国人开始大规模地开采和利用煤。煤气灯的使用，结束了人类的漫漫长夜。18世纪中叶，蒸汽机的发明，使煤炭一跃成为第二代主体能源。以煤炭作燃料的蒸汽机的广泛应用，使纺织、冶金、采矿、机械加工等产业获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。以煤炭作为主要的动力能源，人类开始对大自然进行大规模的改造。 3. 石油时期从

4、20世纪初至今，以内燃机和电力为 代表 中国人很早就发现石油是一种可燃液体，宋朝的沈括对石油作了详细的记载。1854年，美国宾夕法尼亚州打出世界上第一口油井，现代石油工业由此发端。1886年，德国人本茨和戴姆勒研制成以汽油为燃料、内燃机驱动的世界第一辆汽车，开始了利用石油的汽车时代。19世纪初法拉第发现电磁感应现象，19世纪末爱迪生发明电灯，作为一次能源的石油和煤炭被转换成更加便于输送和利用的二次能源电能。20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。以石油和电能为基础，汽车、轮船、飞机、电力机车、发电站、以及电话、电视、电子计算机等信息设备的发明和使用，将人类快速推进到现代

5、文明时代。 4. 可再生能源时期从21世纪中叶开始，多种能源 的联合利用 进入21世纪，人类将逐渐步入可再生能源时代传统的化石能源面临枯竭，且具有环境污染，石油、煤、天然气等化石能源将逐渐推出历史舞台水力能以及太阳能、风能、海洋能、生物质能等可再生能源逐渐走上历史舞台，发挥主导作用。按照目前的发展趋势预测，到21世纪中叶，能源利用很可能是包括水力能、太阳能、风能、生物质能等可再生能源以及核能（核裂变和核聚变）的多种能源联合利用的体系。1.3 能源的定义和分类什么是能源？广义地讲，能源即能够向人类提供能量的自然资源。如煤和石油等化石能源提供热能，水力和风力提供机械能，地热提供热能，太阳提供电磁辐

6、射能（可转化为热能或电能）。 许多自然过程都产生一定的能量，甚至普通的垃圾也可以产生能量，但转化的数量和转化的难易程度则差异极大。*因此能源又可定义为较集中而又较容易转化的含能物质或含能资源。 第一类能源(直接或间接来自太阳辐射)太阳能、风能、水力能、海浪能、海流能、海水温差能、生物质能煤、石油、天然气、油页岩、可燃冰第二类能源(地球内部带来的能量)地热能、火山、地震、海啸核燃料（铀、钍、钚、氘等）第三类能源(地球天体相互作用能)潮汐能按照来源的不同，能源可分为:来自太阳的辐射能、地球内部固有的能、地球与其它天体相互作用产生的能共三大类。(2) 按照不同的资源形态，能源可分为:含能体能源：能量

7、存在于物质中，易于储存。包括化石燃料（煤、石油、天然气）、草木秸秆、核燃料、地热水或汽、氢能等。过程性能源：能量存在于运动过程中，无法直接储存。包括太阳辐射、风、河流、海流、潮汐、波浪、地震、闪电等。(3) 按照开发和使用程度，能源可分为:常规能源：使用较普遍、技术较成熟的能源。如煤、石油、水力等。新能源：正在研发利用、但尚未普遍使用的能源。如太阳能、风能、海洋能等。 *核能曾属于新能源，但随着其广泛的开发程度，已归纳为常规能源。（4）按照能否反复使用，能源可分为:不可再生能源，即只能一次性使用，用完后不可再生的能源。包括所有化石能和核能。据估计，地球上的石油最多还可使用40年，天然气还可使用

8、60年，煤还可使用20年。可再生能源，即可以反复使用，不断再生，不会耗尽的能源。它包括太阳直接辐射能（以后即称太阳能）、水力能、风能、海浪能、地热能等。(5) 按照是否经过加工或转换，能源又分为：一次能源，指自然界中以天然形态存在，未经任何形式转换的能源。如原油、原煤、天然气、薪柴、水流、核燃料，以及太阳辐射、地热、潮汐等。二次能源，指由一次能源经过加工或转换得到的能源。如煤气、焦炭、汽油、煤油、热水、电能、氢能等。电能是最重要、也是最方便的二次能源。（6）按照国际能源组织（IEA）的推荐，新能源和可 再生能源又可分为三类： 第一类:大中型水电； 第二类:传统的生物质能利用； 第三类:新的可再

9、生能源。 前两类为旧的可再生能源，因为它们的开发相对较成熟，而且都对环境有较大的不利影响。第三类即为新的可再生能源，包括太阳能、风能、现代生物质能、氢能、地热能、海洋能和小水电等。*新的可再生能源除了不会耗尽外，也较少污染排放，对环境最友好。表1-2. 一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分类表一次能源可再生能源直接太阳辐射、生物质、风、流水、海浪、潮汐、海流、海水温差、地热水、地热蒸汽、热岩层不可再生能源化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩、可燃冰）、核燃料（铀、钍、钚、氘等）二次能源电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇、丙烷、苯胺、焦炭、硝化棉、硝化甘油等图1-3. 能量的

10、各种形式和转换1.4 能源的品质评价(1)能流密度：即在单位体积或单位面积内从能源获得的功率。太阳能和风能的能流密度较小，只有几百瓦/平米；常规能源和核能的能流密度大。能流密度小，是可再生能源的共性。因此太阳能、风能等可再生能源利用需占用较大的接收面积。(2)能源开发投资：化石能源与核燃料，从勘测、开采，到加工、运输，需投入大量人力物力，本身即耗能。太阳能、风能等可再生能源，由大自然提供，不需能源费用，主要花费是一次性投资。 *可再生能源设备的一次性投资仍较贵。按目前的技术水平，太阳能、海洋能等发电设备的价格为每kW上万元到几十万元，风能则已经降到每kW1万元以下；燃烧天然气和石油的 装置以及

11、水电设备，价格为每kW几千元。(3)能源供应的连续性和存储的可能性。各种化石燃料和核燃料则比较容易实现这两方面的要求。可再生能源如太阳能、风能则难以贮存，也难以连续供应。(4)运输费用和损耗。太阳能、风能、地热能等难以运输；石油和天然气可以用管道从产地输送到用户；由于煤是固体，运输则困难得多；水力发电站若远离用户，远距离输电损失也很大。(5)对环境的影响。环境污染已成为影响全球的重大问题。几种主要能源对环境的影响：核电站：放射线污染、核废料。燃煤电站：温室效应、酸雨、污染物排放。水电站：淹没土地、影响水生动物生存、引发地震、土地盐碱化、妨碍灌溉与航运。太阳能、风能、潮汐能、海浪能：对环境无直接

12、污染，但可能占用大量陆地或海面。风能对鸟类、海洋能对鱼类及航运都有部分影响。废弃的太阳电池如不及时回收，也会造成污染。（6）存储量。我国煤炭资源和水力资源尽管丰富，但煤炭集中在北方，水力集中在西部，存在运输问题。我国煤炭储量居世界第三，产量世界第一（约15亿吨）。水力资源居世界第一位，但开发率不足5（水力发电约占20总发电量，火力发电75），而美国、加拿大、日本等国水力发电开发率为40以上。（7）能源品位。较难转化为电能的为低品位能源，即较易转化为电能的为高品位能源。 *能源的品位高低是相对而言的，例如水力能可直接转化为机械能，再转化为电能；而化石燃料须先通过燃烧转化为热能，再转化为机械能，进

13、而到电能。因此水力能更容易转化。 1.5 我国的能源问题（1）人均能源不足。我国人均能源占有量不到世界平均水平的一半，人均煤炭储量只相当于世界平均值的1/2，人均石油可采储量为世界平均值的1/10。人均用电量不足世界人均水平的一半。能源消耗总量仅低于美国，排世界第二位。（2）能源分布不均。煤炭、石油和天然气主要集中在东北、华北和西北，水电集中在西南，然而经济发达、人口集中的东南沿海能源却严重缺乏。因此，“北煤南运”、“西电东送”的不合理格局将长期存在。（3）能源构成不合理。一次能源构成中，煤炭占70%以上，而国际上煤炭平均仅占23%。大量燃煤造成严重的空气污染。中国目前温室气体排放量占全世界总

14、排放量的10以上，是仅次于美国的第二大温室气体排放国。（4）能源效率低。人均能耗水平仍很低，不到1吨标准煤，为世界平均值的1/2，而单位产值能耗确是世界上最高的国家之一，据统计，中国每生产一美元GDP，消耗能源是美国的4倍、德国和法国的7倍、日本的 11倍。表1-4 2004年中国主要能源与世界的对比（中国能源网）煤炭石油天然气世界总可采储量9842亿t1434亿t146.4万亿m3中国可采储量1145亿t38亿t1.37万亿m3中国所占比例（%）11.6%2.6%0.9%世界储采比2184163中国储采比922458中国产量名次1519表1-5 2004年我国能源剩余储量和探明可开采年限（中

15、国能源网）资源种类煤炭（亿吨）石油（亿吨）天然气（亿立方米）水力（GW装机）探明可开采量1,14532,73611,704353可开采年限54811520285838104可开采到20502077年20112016年20242054年20342100年（5）农村能源严重短缺。农村生活用能2/3依靠薪材和秸秆。每年砍伐薪柴3000万吨，森林年生长率3亿立方米，而年消耗量4亿立方米。我国单位面积粮食作物的能源投入超过以“石油农业”著称的美国。农业生产高能耗、低效益。（6）能源过度依赖进口。从1993年起，我国就成为石油净进口国，已成为仅次于美国的第二大石油进口国，我国石油对外依存度为50以上。20

16、02 年中国进口石油达7000 多万吨。（7）我国环境污染极为严重。生态平衡脆弱，污染排放总量远远超过环境容量和承载能力。土地荒漠化和沙化仍在扩大，大气空气质量继续降低，水污染严重。1.6 能源与生态环境的关系（1）温室效应：大气中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等气体允许来自太阳的短波辐射通过，却能够吸收地球发出的红外长波辐射，然后再辐射返还地球。过多的CO2等气体如同温室中的玻璃，阻挡地球的正常热量散失，这就是温室效应。研究人员发现，自1840年工业革命以来，大气中CO2的浓度增加了30，已经从280ppmv增加到368ppmv，这可能是过去42万年中的最高值。目前，CO2含量每年增加

17、3，每年大约有230亿吨 CO2被释放到地球的大气中，每秒释放的CO2超过700吨。如果这种趋势继续下去，将在未来50年内使全球气温将上升1.54.5，将使极地冰雪融化，海水升温膨胀，将淹没全球大多数沿海地区，气候也将发生重大变化。图1-5 两千年来大气中的CO2浓度趋势 （2）大气污染 大气污染包括硫氧化物(SO2)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)以及粉尘等有害物。原因主要是大量使用化石燃料、大规模烧毁森林、以及工业废气排放造成。据统计，1百万千瓦的煤电站年排烟尘（粉尘、CO等）100万吨，二氧化硫6万吨，强致癌物苯并芘630kg，形成酸雨，不仅破坏森林、庄稼，而且污染水源，动物和人。北京

18、大气中颗粒浓度约是东京的15倍，伦敦的2倍（1990年），肺癌发病率是全国平均值的3倍。在世界卫生组织公布的全世界20大空气污染最严重的城市中，中国占16个。 中国世界第？大石油进口国和世界 第二位CO2排放国拥挤的交通和汽车尾气（3）水污染 全世界都面临着严峻的水资源短缺问题，在我国尤甚。我国有世界第一的水力资源，却是贫水大国，人均水资源为世界平均的1/4，美国的1/7，俄国的1/5。随着人口的进一步膨胀，我们的生存空间将更加狭窄，人均耕地为世界平均的1/3，在世界140个国家中排126位。全国30条主要河流，从东北的松花江、辽河，到中华民族的母亲河黄河、长江，一直到南方的长江、珠江，都已受

19、到严重污染。工业和生活污水排放，全国只有5经过处理，其它未经任何处理即排放到江河湖海中。以“三湖”（滇池、太湖和巢湖）为代表的湖泊富营养化污染相当严重，许多地区的地下水和饮用水源受到严重污染，对人体健康造成极大危害。太湖蓝藻工业和生活污水（4）森林砍伐森林是人类的自然生态环境的重要组成部分，提供野生动物栖息地，涵养水源，防风固沙，调解气候，保持水土，净化大气，吸收大量CO2，放出O2。热带雨林被称作“地球的肺部”，提供全球50的新鲜氧气，并抵消温室效应的影响，自1945年以来，世界上一半以上的雨林被毁坏，目前覆盖率不到地球的10，大多数分布在南美的巴西亚马逊流域，少数分布在东南亚的印尼等国家。

20、我国是贫林大国，森林砍伐的情况相当严重。森林覆盖率仅有12，为世界平均的1/2，森林总面积占世界的4，排在140个国家中的107位。自1980年以来，我国原有森林面积减少23，从东北到西南，森林遭到严重破坏，东北大兴安岭森林的大量砍伐，使黑龙江省年降水量由过去的600mm降至380mm，过去罕见的春旱、伏旱现在常有发生。（5）臭氧空洞臭氧层位于距地面30公里左右的平流层内，对太阳紫外线有极强的吸收作用，能够吸收99以上对人类有害的太阳紫外线，是地球上生命的天然屏障。1985年一支英国南极考察队发现南极上空臭氧层出现空洞，该处O3含量仅为正常值的4050，面积相当于一个美国。其后北极上空也发现了空洞。科学家认为，O3减少1，射到地面上的紫外辐射增加2，皮肤癌、白内障发病率都将增加，海洋浮游生物无法进行光合作用，一旦食物链受阻，海洋生物将面临灭绝。臭氧层破坏的主因是人类排放的氟氯烃（CFCl）、甲烷等，上述物质存在于冰箱、空调、灭火器、喷雾剂和化工生产中。臭氧层