第一章-能源与新能源

第一章能源与新能源第一节能源概述一、能源的分类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。能源的分类来自于地球本身，如核能、地热能等；来自于球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。能源的分类常规能源：如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；新能源：如核能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。可再生能源：即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能、生物质能等；非再生能源：它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。（指自然界中以原有形式存在的、未经加工、转换的能源）（指由一次能源经过加工转换以后得到的能源）化石燃料（原煤、原油、天然气）、核能、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等。主要是热能、机械能和电能，也包括蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等。能源一次能源二次能源一次能源再生能源（太阳能、水能、风能、生物质能、潮汐能等）非再生能源（原煤、原油、天然气、油页岩、核能等）2001年世界能源消耗化石燃料的储量有限化石燃料的环境污染开发和利用清洁、高效的新能源能源消耗以化石燃料为主体二、世界能源消费预测科学家对全球化石燃料何时会被耗尽作了估算，其预测结果是：煤---227年石油---40年天然气---61年第二节能源危机能源危机：

是指因为能源供应短缺或是价格上涨而影响经济。这通常涉及到石油、电力或其他自然资源的短缺。历史上的能源危机1973年能源危机-原因∶石油输出的主要力量为阿拉伯国家，他们因不满西方国家支持以色列而采取石油禁运。1979年能源危机-原因∶伊朗革命爆发。1990年石油价格暴涨-原因∶波斯湾战争。加州电力危机-原因∶电力管制政策失败，加上供给小于需求。英国石油抗议活动-原因∶英国油税已高居不下，而原油价格却又上扬。能源对环境的影响能源对环境的污染1.地球表面温度增加

2.海平面上升3.全球气候转变

4.伤害人体抵抗能力5.动物大迁移

6.受高浓度臭氧影响地区扩大第三节新能源你所知道的能源有哪些？思考水能

核能核能又称原子能或原子核能。它是原子核结构发生变化时发出的能量。核能是一种高度密集的能量，目前地球上还没有任何一种能源可以与之相比。使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来方法有两种核裂变：重元素的原子核发生分裂反应释放裂变能核聚变：轻元素的原子核发生聚合反应释放聚变能核反应核裂变能如果1kg铀全部裂变，它放出的原子能相当于2500吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能将原子核裂变释放的核能转换成热能，再转变为电能的系统和设施，称为核电站。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行核反应堆及核电站链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。核反应堆的结构：核燃料＋慢化剂＋热载体＋控制设施＋防护装置。安全壳热蒸汽汽轮机发电机冷蒸汽冷水热水核电站是经济的能源虽然核电站的投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本，使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。核电站在一些国家已经成为主要的能量来源之一。截止2005年9月底，全世界正在运行的核电机组443座，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总量的16%；反应堆拥有量排名前三位的美国、法国、日本的反应堆总和占全世界的49.4%，装机容量占56.9%。核电站我国核电站发展情况1991年12月我国第一座自行设计制造的30万千瓦秦山压水堆核电站并网发电目前已有6座核电站共11台机组906.8万千瓦先后运行2020年我国核电装机容量将达到4000万千瓦，占全国电力装机容量的4%。

秦山核电站大亚湾核电站秦山三期核电站一号气轮机组核聚变能一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时能释放出17.6Mev的能量，平均每个核子放出能量是裂变的几倍，是化学燃料的几百万倍作为聚变燃料的氘的储量在地球上是异常丰富的，能为人类提供1025Kw小时的能量，按目前世界能量的消耗率估计可用1010年以上聚变反应的产物是4He，无放射性，清洁能源。一座核聚变反应堆，可连续工作3000年之久，可谓“人造太阳”

实现受控核聚变作为工业应用

需要四个条件

超高温：把氘等轻元素加热到1—2亿℃，克服粒子相互间的库仑斥力高密度：使中子的密度达到每立方厘米50万亿个约束时间长：对等离子体加以约束，使它能维持1秒以上的时间，以保证充分地发生核反应保持干净：从原料到容器须高度纯洁，容器在装入核燃料前就必须达到大气压的十亿分之一的高度真空。大约有20多个国家建造了200余座核聚变实验装置，设计了各种受控热核反应堆发电装置

国际热核聚变实验堆ITER

美国、日本、俄罗斯、欧州共同体决定共同出资兴建——“人造太阳”计划ITER（道路）：用受控核聚变发电，走和平利用核能的道路，为人类寻找可替代的洁净能源。在计划提出近20年，选址耗时18年后，全球最大、代表世界未来能源科技最高水平的核聚变反应装置——ITER的建设地点终于滑落法国南部的卡达拉什（Cadarache）

国际热核聚变实验堆ITER为期30年、投资超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目，其意义不亚于国际空间站计划和人类基因组计划

该计划已耗资120亿美元，涉及领域包括超导研究、高真空、环境科学、生命科学、等离子计量和控制、信息通信、纳米材料等多个学科。2010年前后建成，如果实现,21世纪中叶有可能建成商业聚变堆并开始实际使用聚变能磁约束聚变装置——ITERITER的环形真空室我国新一代“人造太阳”实验装置

2006年9月，耗时8年、耗资2亿元人民币的我国新一代“人造太阳”实验装置——位于合肥的全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)实现了跨国远程控制的等离子体放电美国通用原子能公司(GeneralAtomicsUSA)专家通过专用数据网，轻点鼠标即可轻松启动并运行地球另一端的中国核聚变实验装置EAST的建成，使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列。地热能地球本身是一座巨大的天然储热库。地壳、地幔、地核不同层次蕴藏着不同量的热能。从地面向下，在15Km以内，深度每增加100m，温度平均升高3℃左右。在100Km深处，温度高达1400℃。全世界地热资源的总量大约为14.5×1025焦，是全部煤炭资源的储量的1.7亿倍。接世界年耗10亿t标准煤计算，可满足人类几十万年能源之用。地热能

地热能的利用2O0-400℃直接发电及综合利用；150-200℃双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工；10O-15O℃双循环发电，供暖、制冷、工业干燥、脱水加工、回收盐类、罐头食品；50-100℃供暖，温室、家庭用热水、工业干燥；20-50℃沐浴，水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工地热发电地热发电是利用地热能的代表性技术和重要方向之一。地热发电是通过热能、机械能的中间转换产生电能，但地热发电所需的蒸汽能量是直接来源于地热能，不需要燃料、锅炉、运输设备等，因此，地热发电是一种比煤、石油、天然气、核能等发电便宜得多的能源利用方式。地热发电站成本低、清洁环保

地热发电全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1×104Mw，分布在20多个国家，其中美国占40%。我国用于发电的地热资源主要集中在西藏、云南的横断山脉一线，全国地热发电装机容量88%集中在西藏，第一座地热电站羊八井电站已稳定运行了近30年。

风能

风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。

到达地球的太阳能中约2％转化为风能。全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

太阳照射到地球表面，各处受热不同，产生温差，引起大气的对流运动-----风。风能资源丰富

我国季风强盛，风力资源的总储量为每年16亿kw

，可开发的约为1.6亿kw。内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居我国前列。

优点：风能高效清洁，发展潜力巨大。对沿海岛屿、边远山区、草原牧场，远离电网的农村、边疆，是解决生产和生活能源的一种可靠途径。

风能

氢能氢能也叫氢燃料，是新型的“二次能源”，在超低温和高压下可成为液态重量轻；热值高；“爆发力”强；来源广品质最纯洁；能量形式多；储运方便用氢能取代碳氢化合物能源，将是一个重要发展趋势真正做到大量而又廉价地获取氢能还存在着一定的技术问题

氢能的特点：1、是自然界存在最普遍的元素2、发热值高3、氢燃烧性能好，点燃快4、氢本身无毒5、氢能利用形式6、理想的清洁能源之一……氢能的开发利用太阳热分解水制氢法、太阳能电解水制氢法、太阳能光电化学电池分解水制氢法、模拟植物光合作用分解水制氢法、太阳光络合催化分解水制氢法、微生物发酵制氢法、光合微生物制氢法等高技术制氢方法绝大部分仍处于理论研究和实验室阶段，距离大规模工业实用化，还有一个相当大的距离液态氢从1960年首次作为太空火箭的动力燃料，发展到今天已成为各种航天器的基本燃料氢能的利用途径1）、燃烧放热2）、用于燃料电池，释放电能3）、利用氢的热核反应释放的核能生物质能生物质能，即蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量自然界各种植物、人畜排泄物等废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物等生物质能的特点

可再生性，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，可保证能源的永续利用；低污染性，生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SO2等较少，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应；广泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；总量十分丰富，仅次于煤炭、石油和天然气。

生物质转化为能量的方法

生物转换技术，将生物质通过微生物发酵方法转换为液体或气体燃料的技术，如酒精、沼气的生产技术；化学转换技术，这是生物质通过化学方法转换为燃料物质的技术，主要包括有机溶剂提取法、气化法、热分解法。生物质能的利用方式1、直接燃烧2、生物化学转换3、热化学转换1、直接燃烧缺点:

生物质燃烧过程的生物质能的净转化效率在20－40％之间。2、生物化学转换a、利用植物的秸杆、枝叶、杂草等制取沼气b、用含糖类、淀粉较多的农作物（如玉米、高粱）为原料，制取乙醇。乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。首先，乙醇汽油增加汽油中的含氧量，使燃烧更充分，有效地降低了尾气中有害物质的排放；第二，有效提高汽油的标号，使发动机运行更平稳；第三，可有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位的积炭，可以延长主要部件的使用寿命。

3、热化学转换复杂的化学反应生物质可燃性气体生物柴油

以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料，通过酯交换工艺制成、可代替柴油的再生性燃油大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科植物，从它们的茎、叶伤口处有乳白色或黄褐色液体流出来，其中含有与石油成分相似的碳氢化合物一英亩三角大戟可生产相当于50吨石油的燃料

一公顷象草平均每年可收获12t生物石油

三角大戟海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。

海洋能具有如下特点：

1.海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。

2.海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。

3.海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定但有规律的有潮汐能与潮流能。既不稳定又无规律的是波浪能。

4.海洋能属于清洁能源，其本身对环境污染影响很小。

潮汐能

潮汐是一种世界性的海平面周期性变化的现象，由于受月亮和太阳这两个万有引力源的作用，海平面每昼夜有两次涨落。潮汐作为一种自然现象，为人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便，更值得指出的是，它还可以转变成电能，给人带来光明和动力。潮汐发电是一项潜力巨大的事业，经过多年来的实践，在工作原理和总体构造上基本成型，可以进入大规模开发利用阶段。潮汐发电的前景是广阔的。第一座具有商业实用价值的潮汐电站是1967年建成的法国郎斯电站。该电站位于法国圣马洛湾郎斯河口。郎斯河口最大潮差13．4米，平均潮差8米。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。总装机容量24万千瓦，年发电量5亿多度，输入国家电网。我国从20世纪80年代开始，在沿海各地区陆续兴建了一批中小型潮汐发电站并投入运行发电。其中最大的潮汐电站是1980年5月建成的浙江省温岭县江夏潮汐试电站，它也是世界已建成的较大双向潮汐电站之一。它坐落在浙江南部乐清湾北端的江厦港。江厦港为封闭式海港，现在已经在港口筑起一道15.5米的粘土心墙堆石坝，形成一座港湾水库，总库容490万立方米，发电有效库容270万立方米。这里的最大潮差8.39米，平均潮差5.08米；电站功率3200千瓦；1989年发电量6.2亿瓦/小时潮汐发电波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。

波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。

海水温差能

海水温差能是指表层海水和深层海水之间水温差的热能，是海洋能的一种重要形式。低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度差，而储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比。

温差能的主要利用方式为发电，首次提出利用海水温差发电设想的是法国物理学家阿松瓦尔，1926年，阿松瓦尔的学生克劳德试验成功海水温差发电。1930年，克劳德在古巴海滨建造了世界上第一座海水温差发电站，获得了10kW的功率。温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度低，其效率仅有3%左右，而且换热面积大，建设费用高，目前各国仍在积极探索中。

到达海面的太阳辐射能60%被深为1米的表层海水所吸收，而海面下10米深的海水只吸收了太阳能的18%。因此，不同深度水温迥异，且随深度增加海水吸收太阳辐射减弱。因此，在热带和亚热带海区表层海水与深层海水之间的温度差可达20℃-25℃。1930年，古巴建成了世界上第一座海水温差电站。之后，美国、日本等国也相继建成了海水温差电站。太阳能

一般指太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源，以及氢能、核能等。你知道吗？哪些能源是通常所说的新能源？是洁净能源，不污染环境取之不尽、用之不竭，是最廉价的能源

交流与讨论太阳能的优点有哪些：据专家估计，辐射到地球表面的太阳能相当于全世界目前发电总量的八万倍。我国有三分之二的国土面积每年的日照时间在2200小时以上，如果将这些太阳能全都用于发电，约等于上万个三峡工程发电量的总和。太阳能是地球上最基本的能源

无论是生物质能、风能，还是水力、温差和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。矿物燃料蕴藏的能量，也是来自远古时期生物体所吸收利用的太阳能。你知道吗

2008年北京奥运会将是一场绿色奥运运动员村及相关场馆90％的洗浴用热水要依靠太阳能系统，体育场馆周围的路灯及其80％－90％的能源要由太阳能系统提供。太阳能红绿灯太阳能景观灯太阳能照明灯首次实现太阳能－热泵中央热水系统方案，以太阳能为主要热源，辅以少量的电能驱动双热源热泵，保证了阴雨天气及冬季太阳能资源不足时热水供应，做到全年、全天候供应热水。北京月坛奥运会游泳馆2000年悉尼奥运会充分利用太阳能太阳能的利用方式光能热能光能电能光能化学能光能生物质能反射式太阳灶太阳能的利用:光能-热能太阳能住宅太阳能的利用:光能-热能太阳能塑料菜棚太阳能的利用:光能-热能太阳能热水器太阳能的利用:光能-热能美国无人驾驶太阳能飞机利用太阳能的电动车太阳能的利用:光能-电能太阳能汽车太阳能的利用:光能-电能阿姆斯特丹附近的“太阳能村”（位于阿姆斯福特市）是一个近年建成的以建筑节能为中心的、装机容量名列世界前茅的太阳能发电居住区，也是当今荷兰住宅建设的示范项目。荷兰的新建住宅太阳能的利用:光能-电能太阳能的利用:光能-化学能白天阳光下：Na2SO4·10H2O=Na2SO4+10H2O夜里气温下降：Na2SO4+10H2O=Na2SO4·10H2O自制暖袋放热吸热太阳能的利用:光能-化学能（氢能等）H2OH2、O2太阳能和催化剂光能-电能-化学能我们还可以：太阳能的利用:光能-生物质能6H2O+6CO2C6H12O6(葡萄糖)+6O2nC6H12O6(C6H10O5)n+nH2O

(光能

化学能)(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O6(s)+

6O2(g)6H2O(l)+6CO2(g)△H=-2804kJ·mol-1(化学能热能)光叶绿素催化剂(表示每摩尔葡萄糖完全氧化放出2804kJ热量)化石燃料（原煤、原油、天然气）、核能等主要是热能、机械能和电能，也包括蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等小结(一)能源一次能源二次能源太阳能