能源工程管理与评估：能源品质与能量转换

能源工程管理

2能源一次能源二次能源常规能源新能源非可再生能源可再生能源煤制品石油制品电力、氢能、沼气等非可再生能源可再生能源如：水能如：太阳能如：焦炭、煤气如：汽油、煤油能源的品位：转换为机械能或作功的能力。能源品质与能量转换3常用能源：煤、石油、天然气新能源：太阳能、核能、地热能一次能源：直接来自然界的能源，如石油、煤炭等。二次能源：从一次能源直接或间接转化而来的能源，如电能等。燃料能源：煤、石油、天然气、核能非燃料能源：太阳能、风能、地热能等4太阳能太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3.8×10^23kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10^13kW。据估算，地球上每年接收的太阳能，相当于地球上每年燃烧其他燃料所获能量的3000倍，因此，大力开发利用太阳能是21世纪的高新技术。5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。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。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。6石油类燃料石油是水中堆积的微生物残骸，在高压的作用下形成的碳氢化合物。石油经过精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。石油在地球上分布不均，中东占54%，北美占12%，南美占9%，几乎占了可确认埋藏量的3/4。7煤炭煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4．84×104亿t标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66．8％。煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地热的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水份、二氧化碳、甲烷等气体后，含氧量减少而形成的，含炭量非常丰富。由于地质条件和进化程度不同，含炭量不同，从而发热量也就不同。按发热量大小顺序分为无烟煤、烟煤和褐煤等。8水电水力发电是从流动的水的能量中产生的电能。原理是利用一条大堤坝蓄水成湖，引水流过大堤坝的涡轮桨叶，从而推动涡轮电机发电。水力发电最丰富的地方，通常都有高山峻岭和充沛的雨量，形成流速高、流量大的河流。水力发电是可再生的能源，不会污染空气。9潮汐能潮汐与潮流能来源于月球、太阳引力。潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比；潮流、海流的能量与流速平方和通流量成正比。据调查统计，我国沿岸和海岛附近的可开发潮汐能资源理论装机容量达2179万kW，理论年发电量约624亿kWH，波浪能理论平均功率约1285万kW，潮流能理论平均功率1394万kW。10生物能生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。目前世界各国都正在着手开发和利用，如沼气。11地热能地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，地热能是指贮存在地球内部的热能。其储量比目前人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。12核能在50多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2-3个中子和大量的能量，放出的能量比化学反应中释放的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说的核能。13机械能（动能、势能）内能（热能）电能磁能化学能太阳能(光能)核能(原子能)能以多种形式存在于自然界，每一种形式的能对应于一种运动形式。能的形式14151617能的转化不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。不同形式的能之间可以在一定条件的情况下相互转化，而且在转化过程中总量保持不变。功是能量转化的量度重力做功：重力势能和其他能相互转化弹力做功：弹性势能和其他能相互转化1819在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化和转移在热传递过程中。运动的甲钢球碰击静止的乙钢球；能量转移：能量转化：小朋友滑滑梯；水力发电；火力发电；电流通过电热器时。特点：能量的形式没有变特点：能量的形式发生变化20指出下列现象中能量的转化或转移情况：（1）人在跑步时，身体发热（）（2）风吹动帆船前进（）（3）放在火炉旁的冷水变热（）（4）电流通过灯泡，灯泡发光（）（5）植物进行光合作用（）化学能转化为内能风的机械能转移到帆船上内能由火炉转移给水电能转化为光能光能转化为化学能21能量从何处来能量向何处去？能源物质同等形式存在转化为其他形式消失22在一定条件下，系统内的动能和势能相互转化，但其和保持不变，即服从机械能守恒定律。当其它形式的能量如电能、内能、化学能、光能等参与转化时，是否服从类似的规律呢？23能量转换定律自然界的一切物质具有能量，能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递到另一物体，在能量转换与传递过程中能量的总量恒定不变24历史回眸英国物理学家焦耳（JamesPrescortJoule,1818～1889）一生致力于实验研究。从1840年到1878年的将近40年的时间里，他研究了电流的热效应，压缩空气的温度升高以及电、化学和机械作用之间的联系。他做了400多次实验，用各种方法测定了热功当量的值，为能量守恒定律的发现奠定了坚实的实验基础。

焦耳测定热功当量的实验装置25能量守恒定律的意义能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。26能量的转化机械能<->内能（燧木取火）水能

-->电能（水力发电）风能

-->电能（风力发电）太阳能-->电能（太阳能发电）太阳能-->化学能（光合作用）核能

-->内能（原子弹爆炸）27机械能内能电能化学能核能核反应堆燃烧蒸汽机发电机、电动机电热器蓄电池28光合作用高温高压、无氧燃烧热机机械能太阳能化学能生物能内能电能发电机2930奥恩库尔的永动机模型据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆。他设想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些,就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。31滚珠永动机

滚珠永动机是利用格板的特殊形状，使一边重球滚到比另一边的距离轮心远些的地方。设计者本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。32软臂永动机

软臂永动机的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，力却增大了，转轮只能停止在原地

33阿基米德螺旋永动机把水从蓄水池里汲到上面的水槽里，让它冲击水轮使之转动，轮子在带动水磨的同时，又通过一组齿轮带动螺旋汲水器把水重新提到水槽里去。这样，整台机械就可以永不停息地运转下去。这样的设计当然也必然以失败告终。因为即使没有摩擦力，从水槽中流下的水的冲力,也不足以既带动水磨工作,又带动汲水器把全部流下的水重新汲回到原来的高度。

34能量耗散在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上却降低了，从便于利用变成不便于利用的了。这是能源危机更深层