三、新能源技术

自然科学导论之新能源技术主要内容一、能源的相关概念。二、可开发的新能源种类1、原子核能2、太阳能3、风能4、海洋能5、地热能6、氢能7、生物质能一、能源的相关概念1、能源的概念

能源（Energy）：是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。人类社会的存在与发展离不开能源。2、化石能源的概念

化石能源（Fossilenergy）：是千万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，如煤炭、石油、天然气等。随着大规模的开采，化石能源的枯竭在所难免，大部分化石能源在本世纪将被开采殆尽。3、能源危机与环境压力全世界消耗的能源中，石油最多，占到35%，煤炭占到29%，天然气占到24%，核电占5%。目前全世界消耗的能源主要是化石能源。根据目前国际上通行的预测，石油能源可用40年，天然气60年内枯竭，煤炭也只能用220年。化石能源的消耗也带来两个严重问题：一个是环境污染，另一个就是气温上升。环境污染主要是二氧化硫和氮氧化物，还包括开采、运输时造成的环境污染。二氧化碳等温室气体的排放也大幅度增加致使地球在过去100年里平均气温上升0.3～0.6℃，全球海平面平均上升10～25cm。4、能源结构变化的趋势从全球来讲，加快能源结构的转变，就是要从现在的以化石能源为主，不断转向以新能源或是以可再生能源为主的时代，由清洁能源替代污染能源，最终进入低碳能源或无碳能源的时代。中国为了推动可再生能源发展，2006年就制定了《可再生能源法》，这几年发展很快，每年风电发电量成倍增长。新能源产业受到政策支持，我国新能源以太阳能和风能为开发重点，核电、潮汐发电、地热发电等发展也非常快。

5、新能源的概念新能源（Newenergy）：是指近几十年来人类采用新技术开发的可再生能源。如：原子核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能和氢能等。6、可再生能源（RenewableEnergy）：在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源，称之可再生能源。新能源和可再生能源的区别：

新能源一般包括了可再生能源，但是新能源不一定就是可再生能源。例如：核能属于新能源，但是不属于可再生能源。

7、新能源技术的概念新能源技术（Newenergytechnology）：是指近几十年来人类对于可再生能源的开发应用技术。主要包括对原子核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能和氢能等的利用技术。新能源可以再生，对环境影响小，但对开发的技术要求高。8、开发和利用新能源的意义是什么？新能源的开发和利用，虽短期成本较高，长期将占优势，能大量节省能源，大幅减少污染，提高人民生活的质量，获得显著的经济和环保效益。新能源的开发和利用将从根本上解决能源问题。

（新能源正在塑造未来的世界形态，未来属于领先新能源技术的国家。因此，了解和掌握新能源，就是拥抱未来。）9、可开发的新能源种类（1）原子核能（2）太阳能（3）风能（4）海洋能（5）地热能（6）氢能（7）生物质能图为：太阳能热水器10、世界各国的新能源开发及利用情况美国：太阳能、风能首当其冲

。日本：太阳能铺就新能源路。英国：风能、核能并举。丹麦：靠风“驱动”的国家。芬兰：生物能源独辟蹊径。冰岛：利用地热。挪威：借风发展“氢经济”。埃及：新能源发展首选核能。（一）原子核能（NuclearEnergy）1、原子核能的概念及种类

（1）原子核能的概念原子核能：是原子核结构发生变化时释放出的能量，习惯上称作核能或原子能。（2）核反应的概念核反应（Thenuclearreaction）：人工制造的原子核结构变化过程。二、可开发的新能源种类（3）核反应的种类核裂变反应：是重元素的原子核发生分裂的反应。核聚变反应：是氢元素的原子核发生聚合的反应。核反应种类这两种反应所释放出来的巨大能量，在原子弹爆炸（核裂变）和氢弹爆炸（核聚变）中得到了证明。

（4）核裂变反应（NuclearFission）核裂变：重金属元素铀-235的原子核吸收一个中子后产生核反应，使这个重原子核分裂成两个（极少情况下会是3个）更轻的原子核以及2-3个自由中子，还有β和γ射线和中微子，并释放出巨大的能量，这一过程称为核裂变。1千克铀-235的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时)，与燃烧300万吨煤释放的能量一样多。核裂变产生的β粒子辐射是质子辐射，穿透性较强。γ射线是光子辐射，穿透性最强。

辐射会伤害人体，剂量过大会使人呕吐、头晕，辐射会让细胞、甚至基因受损，影响新陈代谢，严重的会直接杀死细胞；裸露皮肤与放射性物体接触后会造成皮肤癌等各种辐射病，无药可治。核辐射同样引起植物的异常生长。

（5）裂变的链式反应（Thefissionchainreaction）裂变的链式反应：当中子轰击铀-235原子核时，一部分铀-235原子核吸收中子而发生裂变。如果铀-235核裂变产生的中子又去轰击另一个铀-235将再引起新的裂变，如此不断地持续进行下去，就是裂变的链式反应。图为：重核裂变的链式反应图。（6）核聚变反应（NuclearFusion）核聚变（又称核融合）：是指由质量小的原子，比方说氘和氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-4，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。氘（dao）：氢的同位素之一。也叫重氢。氚（chuan）：氢的同位素之一，也叫超重氢。

图为：核聚变示意图。核聚变反应主要借助氢同位素，核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境。（7）核反应堆（NuclearReactor）核反应堆：是一种启动、控制并维持核裂变或核聚变链式反应的装置。相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应，在反应堆之中，核变的速率可以得到精确的控制，其能量能够以较慢的速度向外释放，供人们利用。核反应堆的用途：最重要的是产生热能，用以代替其他燃料，产生蒸汽发电或驱动航空母舰等设施运转。当前（截至2011年）全部商业核反应堆都是基于核裂变的，其裂变产物可以生产核武器之中使用的钚。

2、原子核能的利用原子弹爆炸

核电站（1）原子弹

（Theatomicbomb）

原子弹中的核燃料是高浓缩铀（浓度达93%）或钚。将弹壳内铀块（或钚块）分成各自低于临界质量的两部分，但总质量超过临界质量。原子弹爆炸时，首先引爆装在铀燃料外部的普通TNT炸药层，其冲击力会把两块铀235压聚在一起，超过临界质量的铀块立即会产生雪崩似的链式反应，即发生核爆炸。临界质量：在一定体积内，铀应具有足够的量维持链式反应，这最低的量叫做临界质量。核子武器在引爆以前必须维持在次临界。铀235临界质量为52kg，钚239为10kg。原子弹示意图图为：原子弹爆炸9月3日！！合法拥核国家：中国、美国、俄罗斯、法国、英国。非法拥核国家：印度、巴基斯坦、朝鲜。匿核国家：以色列、伊朗、日本。（2）氢弹（hydrogenbomb）氢弹：核武器的一种，是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘、氚等质量较轻的原子的原子核发生核聚变反应（热核反应）瞬时释放出巨大能量的核武器，又称聚变弹、热核弹、热核武器。氢弹的示意图氢弹爆炸氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。其战术、技术性能比原子弹更好，用途更广泛，其爆炸达到的温度约为3.5亿度，远远高于太阳中心温度（约1500万度）。放射性污染较严重。

图为：氢弹爆炸。（3）核电站（nuclearpowerplant）核电站：是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。右图：英国的原子能发电站。核电站主要由两部分组成核岛：是反应装置及冷却装置，其核心为一个反应堆，是维持和控制核裂变反应的装置，在内部实现核能转换为热能。释放出的热能由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供应系统，也叫核岛，相当于常规火电厂的锅炉系统。常规岛：由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与常规火电厂的汽轮机发电机系统基本相同，也称作常规岛。核电站示意图

1千克铀235的原子核所释放出来的热量，大约相当于2800吨（2800000千克）标准煤燃烧时所放出的热量。建造一座发电量为100万千瓦的电站，如果是核电站，每年需要补充的核燃料为30吨，六辆解放牌载重汽车就可运进。

如果是烧煤的火力电站，每年要消耗300多万吨煤。运输这些煤炭，平均每天要用20吨的大卡车运480车才够；或要开三列火车，每列火车挂40节车皮；或是每天要开一艘万吨级的轮船。原子核能的利用价值核能发电1954年苏联建成了世界上第一座核电站奥布灵斯克核电站苏联的核能灯塔世界核电站分布图（2014）在去年全世界正在运行的核电站中，美国最多，达104座；法国59座，英国和俄罗斯也都在30座以上。目前世界最大的核电站是日本福岛核电站，总装机容量8814万千瓦，2011年3月11日因地震、海啸发生爆炸。世界各国核电站数量排名（2014）排名国家和地区运营核电站

数量在建核电站

数量筹建核电站

数量1

美国1041112

法国58113

俄罗斯3310174

韩国(ROK)23455

印度207186

加拿大17327

英国16048

中国大陆1525519

乌克兰150210

瑞典100011

德国90012

西班牙80013

比利时70014

捷克60215

中国台湾62116

瑞士50017

芬兰41018

匈牙利40019

斯洛伐克42020

巴基斯坦320

中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。3、我国核能发展趋势中国2014年核电站分布图位于广东省深圳市龙岗区大鹏半岛大亚湾核电站。

2003年建成，地处浙江省海盐县。2015年1月现有的9台机组全部投产发电，总装机容量达到656.4万千瓦，年发电量约500亿千瓦时。目前国内核电机组数量最多、堆型最丰富、装机最大的核电基地。

图为：秦山核电站中国秦山核电站1986年4月26日切尔诺贝利核事故！乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生了爆炸。连续的爆炸引发了大火并散发出大量高能辐射物质到大气层中，爆炸最终导致20多万平方公里的土地受到污染。所释放出的辐射线剂量是二战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上。被称作历史上最严重的核电事故。切尔诺贝利城因此被废弃。

核的灾难2011年3月11日，日本福岛核电站爆炸！

受日本大地震和海啸的影响，福岛第一核电站损毁极为严重，大量放射性物质泄漏到外部。日本东京电力公司2013年11月20日宣布，将对福岛第一核电站第五和第六座核反应堆实施封堆作业。福岛第一核电站将完全退出历史舞台。美国的核动力航母美国的“企业”号航母上装备核动力装置，使航空母舰具有更大的机动性和惊人的续航力，更换一次核燃料可连续航行10年（50万海里）。国家现役后备建造中美国1013意大利200中国102英国102印度202俄罗斯100法国100巴西100泰国100总计2019世界航母一览表（2015年）（二）太阳能（SolarEnergy）太阳能：是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，是太阳的热辐射能，主要表现就是太阳光线。

广义的太阳能所包括的范围非常大：生物质能、化石燃料能（如煤、石油、天然气等）、风能、水能、海洋能等归根结底也是来源于太阳的辐射能。所以人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。

太阳能的优点：（1）普遍：太阳光普照大地，处处皆有，可直接开发和利用，无须开采和运输。（2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。（3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属世界上可以开发的最大能源。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分。（4）长久：根据太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命约为几十亿年，可以说太阳的能量是用之不竭的。太阳能的缺点：（1）分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量很大，但是能流密度很低。需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。（2）不稳定性：受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制及阴、雨等气象因素的影响，为了使太阳能成为连续、稳定的能源，必须解决蓄能问题，但目前蓄能也是较为薄弱的环节之一。（3）效率低和成本高：太阳能利用装置效率偏低（现在的实验室利用效率也不超过30%），成本较高，经济性还不能与常规能源相竞争。太阳能利用的发展，主要受到经济性的制约。1、太阳能的利用方式

人类对太阳能的开发直接利用的太阳能，主要有：光热转换光电转换光化学转换

（1）光热转换技术

光－热转换技术的概念：是将太阳辐射的能量通过各种集热部件转变成热能后被直接利用。

光热转换技术的发展概况：我国战国时期就已使用凹面镜聚集太阳能去点火。1837年英国人赫胥黎首次使用太阳灶烧饭。1875年出现了太阳能热水器。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。光热转化的类型光－热转换可分为低温（100℃～300℃）与高温（300℃以上）两种。低温的用于工业用热、制冷、空调、烹调等。高温的用于发电、材料高温处理等。太阳灶：是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。图为：太阳灶。

太阳能热水器的集热原理阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热。加热的水变轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶，桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充，如此不断循环，使保温储水桶内的水不断加热。太阳能热水器集热原理

太阳能热水器

（2）光电转换技术

光电转换技术的概念：是利用光电效应把太阳能直接转换成电能，使用的是太阳能电池。

太阳能电池：是利用半导体材料的光电效应（光生伏特效应），将太阳能转换成电能的装置。太阳能电池的种类：有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、硫化镉电池和有机半导体电池等。图为：太阳能路灯

太阳能电池的应用硅太阳能电池已成为人造卫星、宇宙飞船和星际空间站等宇宙飞船的主要能源之一。太阳能电池还可以用来驱动很多交通工具，如太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能船、太阳能自行车等。图为：太阳能汽车。

太阳能还可以用来发电。太阳能发电的基本装置就是太阳能电池：当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就成为比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能发电的优点：太阳能发电是一种新兴的可再生能源。具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能发电的缺点太阳照射的能量分布密度小，要占用巨大面积；获得的能源受四季、昼夜及阴晴等气象条件限制。以目前的科学技术来讲，利用太阳能来发电，设备成本高，太阳能利用率却较低，主要用在一些特殊环境下，如卫星等。航天器太阳能发电原理图

光伏板组件：是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。美国内华达州和加州交界的Mojave沙漠中的太阳能发电站。伊万帕太阳能发电站：

2014年2月13日，世界上最大的太阳能发电站开始运行。由NRG能源公司、谷歌公司和BrightSource能源公司合作经营的。其产生的电力可供给14万户家庭使用。17.3万个高效镜子将阳光反射到140米的高塔顶端，产生的热量驱动蒸汽轮机发电。某种意义上，这是阿基米德用镜子烧毁战船传说的复兴。图为：太阳能发电站。日本太阳能电力公司Kyocera建造的水上太阳能发电站。韩国春川太阳能电站

春川以雪景闻名，因优美的湖光山色，被誉为“韩国最适合居住的城市”。韩国春川太阳能电站被誉为全球最美丽的光伏电站。中国有7座太阳能发电站。太阳能发电站分为：光伏（电）发电、光热发电。

光伏发电站：上海崇明（1MW)、内蒙古鄂尔多斯（25KW)、甘肃敦煌（10MW）、青海柴达木盆地（1GW)、四川西昌（10MW）。光热发电站：南京江宁（7KW)、北京延庆（10MW）。

光化学转换：是光与物质相互作用引起化学反应的过程。

绿色植物的光合作用就是光化学转换的过程。人类可以控制的光化学转换方法是采用光化学电池。

光化学电池：是利用光照射半导体和电解液界面，在电解液内形成电流，并使水电离直接产生氢和氧的电池，这里所生成的氢和氧的光化学过程实质上是“光－电－化学”过程，而不是直接的光－化学过程。

（3）光化学转换技术太阳能的其他应用实例图为：太阳能计算器“皇明日月坛微排大厦”是2010年第四届世界太阳城大会的主会场。它综合应用了多项太阳能新技术，如吊顶辐射采暖、制冷、光伏发电、光电遮阳、游泳池节水、雨水收集、中水处理系统、滞水层跨季节蓄能等技术。德州皇明蔚来城：以环保节能为标准，以科技为载体。2014年德州学院机电学院研制的太阳能三轮电动车（三）风能（ThewindEnergy）下图：风力发电1、风能的概念风能：是指空气的动能。2、风的形成地球表面接受太阳辐射能的不同，使各地大气温度不同，造成大气密度和气压的差别从而形成风。所以风能是由太阳辐射能转化过来的。3、风能的开发价值（1）风能是地球上无所不在、永不枯竭的能源。地球上近地层风能总储量约为1.3×1012kW，但目前开发利用的只是极少的一部分。据估计，全世界每年燃烧所获得的能量不及风力1年内提供的能量的1/1000。

我国风能储量估计为1.6×109kW，在世界上排位第三，可开发利用的约为1/10。

可以有效利用的风速范围为3m/s～20m/s。（2）风能具有明显的优势，蕴量大、分布广、可再生、无污染。（3）风能作为新能源有着巨大的发展潜力，特别是对于沿海岛屿、边远地区、草原牧场以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。风力提水：风车的使用。

风帆助航：风帆的使用。

风力发电：风力发电站。4、风能的应用荷兰风车荷兰地势低洼，积水严重。处在西风带上，风力强劲，荷兰人利用风能，造风车来为田地排水，并带动磨坊碾盘工作。图为：澳大利亚风力发电图为：海上风能的应用丹麦“号角礁”海上风力发电站：由于叶片的转动，每个叶片后面都形成了美丽的尾迹云。我国风能、太阳能资源分布图图为：达坂城风力发电站

2015.8.13摄于张北草原天路2001-2013年全球风电累计装机容量及增长率分析按照2013年底的风电累计装机容量计算，全球前五大风电市场依次为中国、美国、德国、西班牙和印度，在2001年至2013年间，上述5个国家风电累计装机容量年均增长率如下表所示：

（四）海洋能（OceanEnergy）1、海洋能的概念海洋能：指蕴藏在海洋中的可再生能源，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。海洋占地球面积的71%，却集中了地球上97%的水量。2、海洋能技术的概念海洋能技术：是将海洋能转换成电能或机械能的技术。

3、海洋能的利用

海洋能可以再生，且取之不尽，用之不竭，不会造成环境污染，还可通过综合利用（如潮汐发电、可利用水库发展养殖业）降低成本。

海洋能主要被转变成电能加以利用：有潮汐发电、海流发电、海浪发电、温差发电。目前有效开发利用的是潮汐发电。

4、潮汐（Thetides）潮汐：是在月球和太阳引力作用下，海洋水面周期性的涨落现象。形成原因是月球和太阳对地球上不同部分产生的引力差异。潮汐能成因示意图加拿大芬地湾-世界上潮汐落差最大的海湾浙江钱塘江大潮：8月17日，钱塘江北岸沿线大潮汹涌。

潮汐能

潮汐能量与潮差大小和潮量成正比，潮差在我国沿海最大可达7m～8m，利用潮汐能的最普遍形式是潮水涨落发电。

潮汐发电分为两种形式：一种是潮流直接冲击水轮机，利用潮流动能发电。另一种是建造潮汐水库，在潮差比较大的海湾或河口处构筑拦潮蓄能大坝，形成水库，并在堤坝内装上水轮发电机组。利用涨、落潮，推动水轮发电机组发电。

潮汐水库电站的实际应用更为广泛。涨潮时退潮时潮汐电站工作原理国外三大著名潮汐电站

地点建成年代装机容量（kW）设计水头（m）机组数法国朗斯河口19662400005.624俄罗斯基斯洛湾196820001.355加拿大芬地湾1980200005.51法国朗斯潮汐电站

站名建成年代装机容量（kW）设计水头(m)机组数浙江岳普197115003.54浙江海山19751502.02广东甘竹滩19755001.311山东白沙口19789601.26浙江江厦198032003.05福建幸福洋198912803.024国内已（曾）运行的潮汐电站曾在全世界长期排名第三位的江厦潮汐电站（五）地热能（GeothermalEnergy）1、地热能的概念地热能：是来自地球深处的可再生性热能，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地球内部推测温度分布曲线图为：西藏阿里地区地热田图为：地热应用形式：地下热水、地热蒸气。应用范围：发电、洗浴、取暖、灌溉等。（1）200～400℃直接发电及综合利用。

（2）150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工。

（3）100～150℃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。

（4）50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥。（5）20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。2.地热能的具体应用

工业上：地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。

农业生产上：地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。

浴用医疗方面：人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等，不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。

地热能因价廉、清洁，被称为是“21世纪的能源”，利用前景十分广阔。西藏羊八井地热电站—我国最大的地热电站图为：地热养殖各地还利用地热大力发展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼虾等。

科罗拉多州地热种植地热之国——冰岛

冰岛开发利用得最好。该国早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取7740吨80℃的热水，供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。冰岛的地热能系统冰岛地热供暖系统冰岛温泉洗浴（六）生物质能（BiologicalEnergy）1、生物质能的概念生物质能：是指通过植物的光合作用而将太阳辐射能量以一种化学能（生物质）形式储存在生物体内部的能源。太阳能照射到地球后，一部分转化为热能，一部分被植物吸收，转化为生物质能。

2、生物质的概念从广