能源利用复习题

第一章什么是能流密度？举例说明可再生能源的能流密度的主要特点。能流密度是在一定空间范围内，单位面积（如平方米）所能取得的或单位重量（如公斤）能源所能产生的某种能源的能量或功率。是评价能源的主要指标之一。如能流密度很小，即很难作为主要能源。按目前技术水平，太阳能和风能的能流密度很小，每平方米约100瓦左右。各种常规能源的能流密度都较大，如1公斤标准煤发热量为7000千卡（1卡＝4.1868焦耳），1公斤石油发热量为10000千卡。核能的能流密度最大，1公斤铀235裂变时可释放出164亿千卡的热量。什么是能源品位？举例说明低品位能源（如汽车废热、太阳能等）能否利用？在经济上是否合算？能源品位是能源所含有用成分的百分率。有用成分百分率越高则品位越高。高品位的能源是指电力、机械功、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。什么是含能体能源、过程性能源、一次能源、二次能源？含能体能源是指包含能量的物质。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。这种含能体可以直接储存运送。过程性能源是指能量比较集中的物质运动过程，或称能量过程，是在流动过程中产生的能量。如流水、海流、潮汐、风、地震、直接的太阳辐射、电能等。一次能源是指自然界中以现成形式存在，不经任阿改变或转换的天然能源资源，即从自然界直接取得并不改变其形态和品位的能源。为原煤、原油、油页岩、天然气、核燃料、植物燃料、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。二次能源是指为了满足生产工艺和生活的特定需要以及合理利用能源，将一次能源直接或间接加工转换产生的其它种类和形式的人工能源。如由原煤加工产出的洗煤；由煤炭加工转换产出的焦炭，煤气；由原油加工产出的汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、炼厂干气等；由煤炭、石油、天然气转换产出的电力。化石能源是当今人类利用的主要能源，我国目前利用的能源中80％以上是煤和石油。假设现在世界上的化石能源已全部耗尽，新的替代能源还未问世，将会出现什么情况？请想象几个场景。举例说明可再生能源（如太阳能）与不可再生能源（如煤）各自的优缺点。太阳能：优点1、储量的无限性2、存在的普遍性3、利用的清洁性4、利用的经济性缺点1、密度低2、因地而异3、因时而变煤：优点1、热值稳定，燃烧持续时间长2、相对便宜缺点：1、资源储备量日益减少2、污染严重第三章什么叫太阳辐射？地球表面接收到的太阳辐射由几部分组成？太阳以电磁波的形式向外传递能量，称太阳辐射，是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。两部分，一部分为太阳直接照射到地面（即直射辐射）；另一部分是经过大气层散射后到达地面成为散射辐射，直射辐射和散射辐射之和称为太阳对地面的总辐射。为什么地面上同一地点接收到的太阳辐射随时间发生变化？简述玻璃真空管集热器和热管真空集热器的工作原理。玻璃真空管集热器：太阳能透过外玻璃照射到内管外表面吸热体上转换为热能，然后加热内玻璃管内的传热流体，由于夹层之间被抽真空，有效降低了向周围环境散失的热损失，使集热效率得以提高。热管真空集热器：太阳辐射穿过玻璃外管后投射在有涂层的金属集热管上。集热管将热量传给与其紧密结合的热管蒸发段，供蒸发段内的工质汽化。工质蒸汽流向热管冷凝段被凝结，凝结放出的热量加热集热器的工作介质。凝结后的液体工质在重力的作用下回流到热管蒸发段循环工作。常用的热管用铜管制成，工质有水和有机溶剂。太阳房有几种类型？它们各自的工作原理是什么？一般分为被动式太阳房和主动式太阳房两大类。被动式太阳房主要有直接受益式、集热蓄热墙式、蓄热屋顶式、温室蓄热墙式和对流蓄热综合式五种基本类型。被动式太阳房是指仅仅依靠建筑物方位的合理布置，通过窗、墙和屋顶等建筑构件的专门设计以及选用性能优良的建筑材料，以自然交换的方式（辐射、对流和传导）来获取太阳能的一类建筑。主动式太阳房主要有以空气为集热介质的主动式太阳房和以水为集热介质的主动式太阳房。主动式太阳房除满足被动式太阳房对建筑结构的需求外，主要是以太阳能集热器作为热源的一种环保型节能建筑。它以太阳能集热器替代常规的锅炉，通过热水或热风系统对室内进行供暖。一被动式直接受益式太阳房，室内温度维持在20℃，每天受到4h、800W/m²的太阳辐射。若环境温度为12℃，太阳房的透射率为0.9，太阳房对外的总热损失系数为6W/（m²·℃），试计算太阳房每天的净得热量。太阳能热发电有多少种方法？试说明每种方法的发电原理。太阳能半导体温差发电：一种热电直接转换技术。热电直接转换是根据1821年德国化学家塞贝克发现的塞贝克效应进行工作的。塞贝克效应是指在甲乙两种不同的导体或导电类型不同的半导体联成的回路中，若两导体的两个接点处温度不同，则在这两个接点之间有电动势产生，且电动势的大小与两接点的温差成正比。太阳能蒸汽热动力发电：利用聚光器将太阳能聚焦后加热某种工质使之成为蒸气，蒸气再推动汽轮发电机组进行发电。斯特林发动机：通过气缸内工作介质（氢气或氦气）经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力。热声发电机：利用热声效应，即管内气体（氦气）在温度梯度作用下发生振动而获得声能输出的现象，来将热能转换成声能，再由声能驱动一个线性交流发电机。热声热机和一般热机一样，热量由高温热源输入，发生机械功（声功）后剩余的热量放给低温热源。由于过程的不可逆性较大，因此热声热机的效率较低。热声热机十分适合采用太阳能作为热源。太阳烟囱：空气在一个很大的玻璃天棚下被加热，热空气在天棚中央的烟囱中上升。上升气流带动烟囱底部透平发电机组产生电能。太阳池发电：将池底的热水通过泵送到蒸发器。在蒸发器中加热低沸点工质产生蒸气，蒸气推动气轮机做功发电后返回到冷凝器。在冷凝器中采用池面较冷的水作为冷源。冷凝后的液体再回到蒸发器循环工作。第四章目前的太阳能电池主要有哪些类型？它们各自有哪些优势和劣势？试提出几种改进的方法。单晶硅太阳电池：效率相对较高，但价格昂贵。多晶硅太阳电池：效率低，但容易制造，成本低。硅带：完全避免了切割过程，从而大大降低基体的生产成本。但存在缺陷多，表面平整度不高等问题。化合物与GaAs电池：更高的转换效率，还可以在较高温度下工作，但比硅电池贵得多。非晶硅薄膜太阳电池：可以使用更薄、更便宜的薄膜，制造过程温度比晶体硅低很多，从而更节约能源，也更适合连续生产。但转换效率比单晶和多晶都小得多。而且目前的使用效率在阳光下曝晒几个月后即下降。改进：采用多层α—Si装置化合物半导体薄膜电池：能达到所有薄膜电池的最高效率，大约17％，但Cd为剧毒，因此制造过程和使用以及最终的弃置都必须极为小心。多层结太阳电池：很高的转换效率和较低的材料和耗能费用。聚焦型光伏系统：可以用较少的太阳电池获得较大的能量输出。但电池通常需要冷却，必须采用主动式或被动式的散热方法，从而不仅增加了系统的成本，而且带来了可靠性的问题。光电化学电池：器件价格极为便宜第五章试总结利用城市固体废弃物（城市垃圾）的各种方法，并概括出它们的优点和缺点。一般有三种方法：填埋、燃烧和厌氧消化填埋：处理费用低，方法简单，但容易造成地下水资源的二次污染。燃烧：减量效果好，处理彻底，但焚烧厂的建设和生产费用较为昂贵，也会产生环境污染。厌氧消化：既能解决垃圾的出路，又可达到再资源化的目的，但生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏。分析几种主要的利用生物质能的方法（制取气体燃料、液体燃料、固体燃料）的利弊，包括经济分析和环境效益。根据上题所做分析，提出你对现有的生物质能利用方法的建议和改进方案。第六章简述风的形成原因和不同级别风的特点。由于地表的不同形态（沙土、植被、水面等）吸热系数不同，地表形成温差，空气对流则产生风能。零级无风炊烟上，一级软风烟稍斜，二级轻风树叶响，四级和风灰尘起，五级清风水起波六级强风大树摇，七级疾风步难行，八级大风树枝折，九级烈风烟囱毁，十级狂风树根拔十一级暴风陆罕见，十二级飓风浪滔天。简述风能利用的方式和特点。提水：利用风能提水饮用或灌溉。风力发电：风能装置与发电机结合。风力发电并网系统：相当数目的中型风力发电机和电网并联运行，为中央电网供电。风帆助航：蓬帆借助风能作为动力推进船舶航行。利用风能加热：风能直接转换为热能是新的能量利用形式，如通过使用固体材料摩擦或搅动水和流体或应用离心泵来产生热量。通过调研，列举风能利用的最新技术及其发展前景。第九章地热资源可分为几种不同的类型？说明它们各自的温度范围。热水型地热资源：温度在80~180℃之间。通常把90℃以下的称为低温地热水田，90~150℃的称为中温地热水田，150℃以上的称为高温地热水田。蒸汽型地热资源：200℃以上。地压型地热资源：温度在150~260℃之间。干热岩型地热资源：温度在200~650℃之间。岩浆型地热资源：1000℃以上。地热资源按温度分，可分为高温（T≧1500℃）、中温（900℃≦T<1500℃）和低温（T<900℃）三类，但是近年来也有人提出，以150℃或190℃为分界线，将地热资源仅分为低温和高温两类更具有普遍意义。我国地热资源的分布有什么特点？举例说明我国典型地热资源的利用情况。西南地区偏高，中部地区较低。高温地热资源主要集中在两个地区：一是西藏南部、四川西部和云南地区；二是台湾地区。高温地热资源沿板块边界分布，形成了藏滇地热带（又称喜马拉雅地热带）和台湾地热带。20世纪70年代后期，我国开始利用高温地热资源发电，先后在西藏羊八井、郎久建设工业性地热发电站，总装机容量28.18MW。其中羊八井地热电站装机容量25.18MW，利用每年1.095X10七次方m³流量，温度130~170℃的（地热）水，实际发电稳定在18.5MW，约占拉萨电网全年供电量的40％，冬季超过60％。到1999年底，包括台湾在内的我国地热电站总装机容量达到32.08MW，但目前实际运行的只有西藏羊八井、郎久、广东丰顺、湖南灰汤四座，实际生产电力装机容量为25.78MW。地热资源开发会对生态环境产生什么影响？如何避免？水质问题：深层地热水水质因地而异，其成因决定了地热水矿化度较高，往往富含微量元素和重金属元素。随尾水排放、异层回灌或钻井阶段井壁套管破裂，高矿化地热水会进入浅部地下水并与之混合，导致浅部地下水水质改变。资源问题：深层地热能资源往往埋藏深，地下热水补给缓慢且补给量小，若长期无回灌的持续开采必将造成地热能源浪费，甚至会导致地热资源枯竭。3、热污染问题：地热水经过一级或多级次利用后温度降低，但相对于地下水而言其尾水温度仍较高，如我国西藏羊八井热田尾水温度为７０～８０℃，华北地区的天津、河北雄县地热尾水达４０℃以上，当地热尾水渗入地下后，由于其温度较高会打破地下水原有的温度场平衡，导致局部地下水水温升高。4、大气环境问题：地热水中往往含Ｈ２Ｓ、ＣＯ２等气体，排放到大气中会影响周围的大气环境。5、土壤环境问题：地热水中矿化度较高，随着尾水或农业灌溉用水而进入土壤，使土壤溶液浓度增高，其浓度达到一定程度后，会导致植物根系吸水困难，甚至会出现植物体内水分反渗现象。此外，土壤中盐分增加，会影响微生物活动，造成农作物减产。6、地质灾害问题：长时间大量抽取地下热水而无回灌，必将导致地下水位持续下降，孔隙水压力减小，有效应力增加，致使土层压密或盖层破裂，引起地面沉降，在岩溶地区还可能会导致地面塌陷。避免措施：（１）政府相关部门应加强监控与管理，严格地热工程的审批制度，强调地热资源开发过程中的监测网络和回灌系统建设以及综合开发利用，使地热资源能够合理有序地开发利用，减少盲目开采对地热资源造成的浪费以及过量开采所导致的潜在地质灾害影响的积累。（２）加强地热资源勘查、开发和保护中的关键技术研究，如加强地热尾水回灌技术和地热尾水处理研究；强化热能利用效率和传热管道保温措施，降低地热消耗和尾水温度；改进地热钻井、综合开发利用和地热防腐等方面的技术，提高地热资源的综合利用效率和经济环境效益。（３）针对不同的环境问题，以“预防为主，防治结合”为原则，逐个击破，将问题最小化，并针对具体环境问题采取适宜的解决方案。有一地热直接供暖系统，每小时供水量为100t，地热水进水温度为80℃，通过室内散热器供暖后排水温度为40℃。试计算有效的供暖热负荷。若将散热器供暖后的地热水通过地板加热器再次利用，排水温度将为30℃，问可以回收多少地热量？地源热泵有什么优点？地源热泵有多少种安装方式？优点：（1）属于可再生能源利用。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的空调系统。这种储存于地表浅层近乎于无限的可再生能源使地源也成为清洁的可再生能源的一种形式。高效节能和运行稳定。由于地源温度全年相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，其波动的范围远远小于空气的变动，地源温度较恒定的特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40％，因此更节能，并且不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题，同时使热泵机组运行更可靠稳定。绿色环保。地源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热能。应用灵活，用途广泛。地源热泵系统可用于新建工程或扩建、改建工程，可逐步分期施工，热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间、安全可靠。地源热泵还可为建筑物提供冷暖两用空调系统，并可同时提供生活热水。三种方式：第一种是采用埋地换热器的闭式回路。第二种是抽出地热水，地热水通过热泵地面换热器，即蒸发器，将地热能释放给热泵工质。第三种是将吸热装置浸入表层地热水池中。能源品质的评价指标1、储量2、储能的可能性与供能的连续性3、能流密度4、开发费用和利用能源的费用5、运输费用与损耗6、品位问题7、污染问题说明什么是当今世界几大环境问题三大环境问题：1、臭氧空洞2、温室效应3、酸雨1、简述能源的分类方法？1、按照来源的不同，能源可分为来自太阳的辐射能量、地球内部固有的能量、地球与其他天体相互作用产生的能量共三大类，分别称为第一类能源、第二类能源、第三类能源。2、按照不同的资源形态能源可分为：含能体能源：能量存在于物质中，易于储存。包括化石燃料（煤、石油、天然气等）、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、河流、海流、潮汐、波浪、地震、闪电等。3、按照人们开发和使用的程度：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，已归类为常规能源。4、按照能否反复使用：不可再生能源：包括所有化石能源和核能。可再生能源：包括太阳直接辐射能（以后称太阳能）、水力能、风能。海浪能、地热能等。5、按照是否经过加工或转换：一次能源：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：煤气、焦炭、汽油、煤油、热水、电能、氢能等。6、按照国际能源署（IEA）近年来的推荐，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——新的可再生能源。2、简述地球变暖的主要原因？（1）大量燃烧煤炭、天然气等含碳燃料产生大量温室气体。（2）肆意砍伐原始森林，使得吸收二氧化碳的能力下降。火力发电的生产过程和主要设备整个生产过程可分为三个阶段：

①

燃料的化学能在锅炉中转变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；

②

锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，推动汽轮机旋转，将热能转变为机械能，称为汽水系统；

③

由汽轮机旋转的机械能带动发电机发电，把机械能变为电能，称为电气系统。

其基本生产流程为：锅炉、汽轮机、发电机是火力发电厂的三大主要设备简述火力发电的发展趋势。1、提高超临界火电机组效率2、燃气—蒸汽联合循环发电技术3、多联产发电技术4、洁净煤燃烧发电技术5、燃煤磁流体发电技术6、空冷发电技术7、火电厂计算机控制技术5.简述我国建筑节能的意义和我国三步节能意义？建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾；有利于加快发展循环经济，实现经济社会的可持续发展；有利于长远的保障国家能源安全、保护环境、提高人民群众生活质量、贯彻落实科学发展观。“三步节能”，就是建筑供暖能耗节能强制性标准的第三阶段，即要求新设计的采暖居住建筑能耗水平在1980-1981年当地通用设计能耗水平的基础上节约65%。1、推动了建筑节能在全国的发展2、促进了建筑节能技术的革新3、能不断提高节能效率，降低能源浪4、节约水、电、气等生活资源成本5、为构建节约型社会，实现社会经济的可持续发展奠定基础。简述冷热电三联产原理和特点。工作原理：基本原理是能量的梯级利用，燃料和压缩空气同时被送入燃烧室进行混合燃烧，燃烧形成的高温烟气推动涡轮做功，从而带动发电机励磁转动发电。高温烟气在燃气轮机内做功后温度和压力降低，其排气温度约为400℃，在压力的作用下进入余热锅炉；余热锅炉产生的高温蒸汽进入吸收式制冷机组进行制冷；从余热锅炉出来的蒸汽温度降到200℃左右，然后再进入热网水换热器中加热采暖用水；最后，低温烟气经防污染处理后排入大气。特点：1、能源综合利用率高，损耗小：冷热电三联产由于建设在用户附近，不仅可获得40％左右的发电效率，还能将中温废热回收利用供冷、供热，其综合能源利用率可达80％以上。对燃气和电力有双重削峰填谷作用：夏季燃烧天然气制冷，增加夏季的燃气使用量，减少夏季电空调的电负荷，同时系统的自发电也可以降低大电网的供电压力。具有良好的经济性：写字类建筑可减少运营成本12％，商场类建筑可减少运营成本11％，医院类建筑可减少运营成本21％。具有良好的环保的环保效益：排放指标均能达到相关的环境标准。增强能源供应的安全性：冷热电三联产系统安装、运行相对比较简单，便捷，可以大幅度提高电力供应安全性。简述生物质能资源利用技术。1、生物质气化技术：在不完全燃烧条件下，利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂，将生物质转化为含CO、H2、CH4等可燃气体的过程。目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具实用性的一种。气化反应过程同时包括固体燃料的干燥、热分解反应、还原反应和氧化反应。2

、生物质固化成型技术：生物质固化成型技术是将分散的的各类生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度,在一定的温度、湿度和压力条件下，使原料颗粒位置重新排列并发生机械变形和塑性变形，成为规则形状的密度较大的固体燃料。固化成型燃料既可以提高原料的密度、减少运输和储运成本，又可以改善原料的燃烧性能、提高燃烧效率，是解决生物质资源规模化利用的有效方法。