新能源全部课件3分解

新能源技术明廷臻能源与动力工程学院工程热物理系RenewableEnergyTechnology8/15/20241海洋能利用技术

Oceanenergy明廷臻能源与动力工程学院8/15/20242海洋能概述各种海洋能8/15/20243一、海洋能概述一望无际的汪洋大海，不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。8/15/20244海洋能分类海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。8/15/20245海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流和波浪为机械能，海水温差为热能，海水盐差为化学能。各种海洋能的蕴藏量是巨大的，据估计有750多亿千瓦，其中波浪能700亿千瓦，温度差能20亿千瓦，海流能10亿千瓦，盐度差能10亿千瓦。8/15/20246海洋能的特点蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。即要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。具有可再生性。来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，因而取之不尽，用之不竭。8/15/20247有较稳定与不稳定能源之分。温度差能、盐度差能和海流能较稳定，潮汐能与潮流能不稳定但变化有规律，波浪能既不稳定又无规律。海洋能属于清洁能源，一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。8/15/20248二、各种海洋能潮汐能波浪能海洋温差能海洋盐差能海流能8/15/20249潮汐能潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。8/15/202410潮汐能：因海水涨落及潮水流动所产生的能量。是以位能形态出现的海洋能。潮汐中蕴藏着的巨大能量：涨潮过程中巨大的动能，随着海水水位的升高，就转化为势能，在落潮的过程中，水位逐渐降低，势能又转化为动能。8/15/202411潮汐电站的优点清洁、可再生能源；虽然有周期性间歇，但具有准确的规律，可用计算机预报，有计划地纳入电网运行；一般离用电中心近，不必远距离输电；无淹没损失、移民等问题；水库内可发展水产养殖、围垦和旅游综合效益。8/15/202412潮汐电站的缺点发电具有间歇性，这种间歇性周期变化又和日夜昼夜变化不一致；潮汐属于低水头，故发电效率不高；由于涉及大量海工建筑，单位千瓦的造价较常规水电站高。8/15/202413全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿千瓦，若能充分利用起来，其每年的发电量可达33480万亿度。我国海岸线曲折，漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。理论蕴藏量达1.1×108kW，其中浙江、福建两省蕴藏量最大。8/15/202414我国主要港口潮差概况（单位：m）

大潮差小潮差湛江4.872.18（平均）黄浦2.500.30高雄0.400.20基隆1.200.30厦门4.602.90福州5.703.60上海3.002.00青岛3.481.91天津

2.48秦皇岛

1.00大连2.561.398/15/202415中国主要潮汐电站表站名潮差（米）容量(MW)投运时间江厦5.13.21980白沙口2.40.641978幸福洋4.51.281989岳浦3.60.151971海山4.90.151975沙山5.10.0419618/15/202416潮汐能利用的主要方式是发电。通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。8/15/202417潮汐能利用可分为两种形式：一是利用潮汐的动能，直接利用潮流前进的力量来推动水车、水泵或水轮机发电。二是利用潮汐的位能，在电站上下游有落差时引水发电。由于利用潮汐的动能比较困难，效率又低，所以潮汐发电多采用后一种形式，即利用潮汐的位能。潮汐电站的几种类型8/15/202418单库单向电站单库双向电站双库连续发电电站潮汐位能电站的分类8/15/202419在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，将海湾与外海分隔，形成水库。在涨潮时开启闸门将潮水充满水库。落潮时当外海潮位下降，控制水库水位与潮位保持一定落差，利用该落差水流流经厂房时推动机组发电。这种电站只建造一个水库，而且只在落潮时发电，称为单库单向发电。单库单向电站8/15/202420冲水工况：开启水闸，机组停电，上涨的潮水经水闸进入水库，至库内外水位齐平为止。等候工况：水闸关闭，机组停电，水库内水位保持不变，库外水位因落差逐步下降，待库内外水位差达到一定水头时，启动水轮机发电。发电工况：机组发电，库水位水流外泄，库水位下降，直至与外海潮位的水位差小于机组发电需要的最小水头为止。等候工况：机组停电，库水位保持不变，待库内外水位齐平后，转入下一循环。单库单向电站运行工况8/15/202421单库单向电站每昼夜发电两次，停电两次，平均每日发电约9~11小时。由于采用单向机组，机组结构简单，发电水头较大，机组效率较高。也可采用涨潮时发电充水，落潮时泄水的形式。多用于小型潮汐电站。电站评述8/15/202422单库双向电站为了在涨落潮时都能发电，须建造单库双向电站。这种电站一般有两种形式，一种是设置双向发电的水轮发电机组；一种是仍采用单向发电机组，但从水工建筑物布置上使流道在涨潮和或落潮时，都能使水流按同一方向进入和流出水轮机，从而使涨落潮两向均能发电。8/15/202423单库双向电站每昼夜发电4次，停电4次，平均每日发电约14~16小时。发电小时数约增长1/3，发电量约增加1/5。由于兼顾正反两向发电，所以发电平均水头较单向发电小，相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。设备制造和操作运行技术要求高，宜在大中型电站中采用。电站评述8/15/202424双库连续发电电站上述单库单向电站和单库双向电站都出现停机状况，给用户和系统带来很大不便。为保证连续供电，可建造双库连续发电电站。在海湾或河口处建造相邻的两个水库，各与外海用一个水闸相通，一个水库专门进潮（称高水库），一个水库专门出潮（称低水库），在两个水库之间设置发电厂房并相连通，在潮汐涨落中，控制进水闸和出水闸，是高水库与低水库间始终保持一定落差，从而在水流由高水库流向低水库时连续不断发电。8/15/202425电站评述双库连续发电电站的优点十分明显，但缺点时工程建筑物多、分散，工程投资高。由于把海湾或河口分隔成两个水库，使原来一个大水库与外海交换的水量变成两个水库之间的水量交换，因此发电利用的水量约减少了一半，发电量也相应减少较多。双库连续发电宜建设在地形条件十分优越的地方，如何利用天然地形不增建中间堤坝，布置厂房、水闸较方便。一般情况下这种电站单位造价比较昂贵。8/15/202426是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能8/15/202427波浪能分布全世界波浪能功率资源：2×1012W，对应于年可利用能源1.75×1013kWh电，相当于全世界一年的用电量。爱尔兰具有欧洲最好的波浪能，近岸波浪能达到每年4.8×1010kWh电，但却有超过90%的能源需要进口。8/15/202428我国有愈18000km的海岸线，7000多个大小岛屿，我国沿岸和海岛附近的波浪能理论年平均功率约为12.85GW。我国沿海波浪功率可达17~39kW/m，渤海湾更高达42kW/m，利用前景诱人。我国波浪能资源主要分布在经济发达而常规能源缺乏的东南沿海，主要是浙江、福建和广东沿海，以及台湾沿岸。开发波浪能资源，对于我国东南沿海地区的经济发展具有极为重要的意义。8/15/202429与太阳能、风能等技术相比，波浪能相对较为年轻，目前经济上无法与之竞争。能流密度在可再生能源中最高。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。波浪能利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项，获得专利证书的也达数百件。波浪能利用被称为“发明家的乐园”。8/15/202430波浪是由于风吹过海面引起。由于风与海面的相互作用，一部分风的能量传给了海水，变成了波浪的动能和势能。动能有海水的运动速度来描述，势能时偏离平均海平面的海水质量的函数。风传给海水的能量取决于风的速度、风与海水作用的路程长度和时间长度。波浪的速度取决于它们的波长——波长愈长，波浪运动愈快。这种现象在飓风中可以看到，此时风暴引起的长波长的波浪传播得比风暴更快，因此风暴前首先到来的是巨大的浪涌。波浪的形成8/15/202431波浪发生的三个过程开始时，空气吹过海水表面，由于粘性作用，对海水施加一个切向力。而水的表面张力提供了一个弹簧的恢复力，使水面产生一层微小的涟漪，它是波浪形成的前奏，此时的波称为表面张力波；靠近水表面的湍动的空气流引起剪切力和压力的波动，当这些波动与已有的波浪同相位时，波浪进一步加强；波浪继续受风的剪切力作用，与风共振，从风中吸取能量。波高逐渐加高，波长逐渐加长，最后到达波澜壮阔的情况，此时，迫使水面复原的恢复力为重力，故称为重力波。8/15/202432波浪分类表面波或涟漪（capillarywave）：当微风吹拂海面或掷一小石子于湖中，水面上一层层涟漪，波长仅数厘米，周期1~2s。恢复力是表面张力。微弱的涟漪是海浪形成的开始。重力波（gravitywave）：一般在海边看到的波浪，其周期从数秒至十数秒，波长由数米之数百米，波高亦可达十数米。恢复力是重力。引起波浪的外力是风，在刮风区的浪称为风浪wave，波浪传递远离刮风区后称之为涌浪swell。涌浪较平滑单周期和波长较长。俗语说：小船怕浪，大船怕涌。即是因为涌浪的波长长之故。8/15/202433海啸（Tsunami）：因海底地震所引起的波浪，此类波在大洋中并不很可怕，但在近岸浅水海域，波浪因浅化而波高剧增，可造成严重灾害。此波在大洋中传递极快，每秒速度可超过200m，时速逾700km，接近飞机速度。由于地震预报仍很困难，故海啸至今也难以预报。惯性重力波（inertia-gravitywave）：此类波运动尺度大，已感受到地球自转力（科氏力），故其恢复力时科氏力及重力。波周期可长达数十小时，波长可达数百甚至上千公里。潮波即为其中一种。8/15/202434行星波（planetarywave）：此类波的周期和波长更长，周期可达数月之久。其回复力是地球自转力随纬度变化的β效应。此类波首先于大气中发现，气象气压图中即常见此类波动。对海洋长期变化影响较大。8/15/202435可利用的波浪类型能够被利用的海洋波浪为重力波。风浪：波浪在靠近其形成的区域时称为风浪，它们形成复杂的、不规则的波浪。在任何风场产生的波浪尺寸取决于三个因素：风速、风作用于海水的持续时间、风作用于海水的路程长度（风距）涌浪：波浪可以以最小的能量损失从其形成区传播开去，在很远的距离产生涌浪近岸浪：风浪和涌浪传到海岸的浅水地区，变成近岸浪，近岸浪由于岸底对波浪的阻力，是的波浪向岸边倒转。8/15/202436波浪能的利用利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能。8/15/202437Whentheairflows,turbineisturnedanditwoulddrivethegenerator.Electricityisproduced.Sources:http:///education

8/15/202438http://.au/ago/ocean/wave.html8/15/202439FloatingDevices

(SalterDuck,Clam,Archimedes)SalterDuck-Electricityisgeneratedthroughthemovementofthedeviceonthewave(bobbingupanddown)8/15/202440Theworld'sfirstcommercialwavepowerstation,ontheScottishislandofIslay8/15/202441海洋温差能温差能是以热能形态出现的海洋能。海洋是地球上一个巨大的太阳能集热和蓄热器。投射到地球表面的太阳能大部分被海水吸收，使海洋表层水温升高，而在海洋深处海水温度却很低，这个垂直的温差就是一个可利用的巨大能源。8/15/202442全世界海洋温差能的理论估算值为106kW量级。根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国海域的温差能约为1.5×108kW，其中99％在南中国海。8/15/202443温差发电的基本原理：即借助一种工作介质，使表层海水中的热能向深层冷水中转移，从而做功发电。例如使用低沸点的二氧化硫、氨或氟利昂做介质，在表层温水热力作用下气化、沸腾，吹动透平机发电，再利用深层冷水把工作介质凝结成液态。如此循环不息，保持发电机运行。海洋温差能发电系统主要有开式循环和闭式循环两种方式。8/15/202444开式循环系统8/15/202445闭式循环系统8/15/202446OceanThermalEnergyConversion(OTEC)UsestemperaturegradienttodriveturbineWorkswellwheretropicwatersmeetarcticwatersOTECplantsarelargeandmovelotsofwaterOTECplantscanproduceelectricity24hoursadayhttp:///ocean_thermal_energy_conversion.htm8/15/202447除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。8/15/202448海洋盐差能盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度较大的一种可再生能源。8/15/202449通常，海水（3.5%盐度）和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度，这种位差可以利用半渗透膜在盐水和淡水交接处实现。浓度低的溶液就会向浓度高的溶液渗透。这一过程一直要持续到膜两侧盐浓度相等为止。根据这一原理，可以人为地从淡水水面引一股淡水与深入海面几十米的海水混和，在混合处将产生相当大的渗透压力差，该压力差将足以带动水轮机发电。8/15/2024508/15/202451海流能海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。海流能的变化平稳且有规律。潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向。8/15/202452全世界海流能的理论估算值约为108kW量级。计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度为15--30kW/m2，具有良好的开发值。中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一，特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密度在20kW／m2以上，开发环境和条件很好。8/15/202453海流能的利用方式主要是发电原理和风力发电相似，但装置必须放于水下。故海流发电存在一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。8/15/202454一种海流发电站，有许多转轮成串地安装在两个固定的浮体之间，在海流冲击下呈半环状张开，被称为花环式海流发电站。8/15/202455核能的利用

nuclearenergy8/15/202456核能概述核能的来源链式反应和反应堆各种类型的核电站8/15/202457一、核能概述1.安全洁净的能源少污染少废物少辐射2.有竞争力的能源8/15/202458Coal70NaturalGas0Oil30Nuclear0SO2排放(千兆瓦装置）（千吨/每年）Coal26Naturalgas16Oil14Nuclear0NO2排放(千兆瓦装置

)（千吨/每年）CO2排放(千兆瓦装置

)（千吨/每年）Coal6000NaturalGas3000Oil5000Nuclear08/15/202459放射性废物：固体、液体、气体（固体贮存，废气废液排放）核电站产生的废物是煤电站的十万分之五8/15/202460核电站的微量辐射对人们不构成危险。周围的自然环境充满着辐射，常来自土壤、水和空气中的天然放射性以及宇宙线辐射。核电站排出的水1－10微微居里／升家用水20″河水10－100″啤酒130″海水350″威士忌酒1200″牛奶1400″各种液体的放射性水准

8/15/202461核电站排放物会使人的一生寿命缩短24秒。这与因抽烟缩短寿命7－10年相比，可以说微乎其微减寿因素平均缩短寿命体重超过正常的25%3.6年男性比女性短寿3.0年抽烟每天1盒7.0年每天2盒10.0年居住在城市5.0年1970年核电站辐射小于1分钟2000年核电站辐射小于30分钟8/15/2024621973年开始，主要工业国的核电成本与火电相当。随着石油调价和核电技术的逐步成熟，核电成本已经低于其他电站的成本。Energyconversion-FuelsFirewood16MJ/kgBrowncoal9MJ/kgBlackcoal(lowQuality)13-20MJ/kgBlackcoal24-30MJ/kgNaturalGas39MJ/m3CrudeOil45-46MJ/kgUraniuminlightwaterreactor500,000MJ/kg8/15/202463二、核能的来源地球上存在的元素中，第92号元素铀是唯一容易裂变的元素天然铀有三种同位素：铀238，占99.27%；铀235，占0.724%；铀234，占0.006%。

0.724%为铀235的天然丰度。任意找来十万个铀原子，其中的铀235原子是七百多个。8/15/202464原子核的结合能：中子和质子形成原子核时会放出的能量。Eintein的质能关系式可求得结合能大小：

ΔE=Δmc2

不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。8/15/202465当A<60或A>60的原子核由于某种原因向A=60这个方向变换时，比结合能增大。也就是说，在这样变换时必定伴随着能量的释放。核能的实际利用有两种方法:核裂变方法；轻核聚变方法。核裂变核聚变8/15/202466核裂变自然界存在的天然铀：238U、235U、234U，仅235U在热中子作用下会发生裂变，也可通过反应堆运行制取233U、239Pu等易裂变核素目前世界上己建成的核反应堆绝大部分是以235U作为燃料。8/15/2024678/15/202468核聚变轻核聚变反应：两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一般条件下，发生聚变反应的概率很小。8/15/202469太阳和其他恒星能量的来源：在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核有足够的动能克服静电斥力而发生持续聚变。氢弹：利用氢的同位素氘、氚原子核的聚变反应，瞬时间释放出巨额能量以达到毁伤效果的核武器（也称聚变弹或热核弹）。8/15/2024708/15/202471核聚变的主要问题：它们都带正电，会彼此排斥。只有当原子间距离小到使核力发挥作用时，才能发生聚变反应。等离子体8/15/202472目前有代表性的实验装置：环形系统、仿真器型、磁镜型、角向收缩型和激光打靶型。前四种用磁场约束，第五种靠惯性约束；前三种为稳态或准稳态运行，后两种为快脉冲和超快脉冲运行。8/15/2024738/15/202474聚变有望彻底解决人类的能源问题：轻核聚变用的核燃料系氘和锂-6可以大量从海水中获取，得到比世界储油量多10亿倍的能量，可供人类500亿年之用。8/15/202475三、链式反应和反应堆1.链式反应引入有效增殖系数K的概念K有效=（系统内中子的产生率）/（系统内中子的吸收率+系统内中子的泄漏率）K有效=1，反应堆处于临界状态，即稳定运行工况。K有效<1，反应堆处于次临界状态，即降功率或停堆过程。K有效>1，反应堆处于超临界状态，即开堆或提升功率过程。8/15/2024768/15/2024772.反应堆的分类（1）按用途分：生产堆：生产核武器装料用的反应堆。为军用服务。动力堆：提供动力用的反应堆，最主要的是核电站和核潜艇用的反应堆。研究堆：为了从事核物理、反应堆材料、核工程等研究用的反应堆。（2）按反应堆采用的冷却剂分：水冷堆、气冷堆、有机介质堆、液态金属冷却堆8/15/202478（3）按反应堆采用的核燃料分：天然铀堆、浓缩铀堆、钍堆（4）按反应堆采用的慢化剂分：石墨堆、轻水堆、重水堆（5）按核燃料的分布分：均匀堆、非均匀堆。（6）按中子的能量分类：热中子堆：堆内核裂变由热中子引起。快中子堆：堆内核裂变由快中子引起。8/15/2024793.反应堆的组成反应堆主要由堆芯、反射层、屏蔽层等几部分组成。8/15/202480四、各种类型的核电站（1）压水堆核电站（2）沸水堆核电站（3）重水堆核电站（4）气冷堆核电站（5）快中子增殖反应堆8/15/202481（1）压水堆核电站：技术上最为成熟的一种核发电装置。发展经历了四个阶段：实验型核电站→示范型核电站→商用核电站→大型核电站（单堆总电功率1000兆瓦以上）8/15/202482热能-电能转换系统(或称二回路系统)，它与常规电站的动力回路没有显著差别。核供汽系统(或称一回路系统)，它是将反应堆核燃料释放的热能送往蒸汽发生器使之产生蒸汽的装置。8/15/202483按照压水堆的工作原理，原则上不允许冷却剂水发生沸腾。为了得到高温水，反应堆必须在高压15.5MPa左右的状态下工作。压水堆主要由堆芯、堆内构件、压力容器和控制棒驱动机构等部件组成8/15/202484压水堆核电站一回路系统的主要设备除反应堆外，还有蒸汽发生器、冷却剂泵、稳压器以及相应的管道阀门。蒸汽发生器是一个热交换设备，用来将冷却剂的热量传递给二回路侧工质(水)以产生一定压力、温度的蒸汽。8/15/2024858/15/202486冷却剂泵分屏蔽泵和轴封泵两种型式。近代压水堆核电站的冷却剂泵一般都采用立式单级轴封泵，这种泵的特点是泵和电动机分开，流量大，耐高温、高压。8/15/202487稳压器的结构形式是多种多样的。现代大型压水堆核电站一般都采用立式圆筒形电加热蒸汽稳压器。8/15/202488（2）沸水堆核电站采用轻水作减速剂和冷却剂，与压水堆相比较，具有以下特点：在反应堆本体内直接产生蒸汽，并直接作为工质送入汽轮机。但沸水堆堆芯不如压水堆紧凑。沸水堆电站系统比较简单，系单回路循环。只能从反应堆底部引入控制棒驱动系统及堆芯检测仪表系统，因而使维护检修不便，且反应堆底部应力集中。8/15/2024898/15/202490其蒸汽带有一定的放射性。采用喷射泵提高冷却剂的循环能力，安全壳带弛压系统。可用控制棒以及改变再循环泵的流量来控制调节功率。运行灵活。但燃料比功率小。8/15/202491沸水堆电站与压水堆电站各有其优缺点，在技术上和经济上不相上下。是目前国外核电站中仅次于压水堆的主要堆型之一，约占总核发电容量的28%。8/15/202492（3）重水堆核电站以重水为减速剂的反应堆称重水堆。重水堆的冷却剂可以用重水，也可以用轻水、有机物质或CO2气体。与轻水堆比较，重水堆的主要优点是：重水的中子慢化能力好。可采用价格便宜的天然铀作燃料。能更有效地利用核燃料。可连续更换燃料，产钚量比压水堆高2倍左右。8/15/202493重水堆主要问题：重水的用量大，价格昂贵；重水回路设备比较复杂，造价高；基本投资费高；重水的泄漏会造成“氚害”。重水堆核电站主要型式是“坎杜”(CANDU)型重水堆。8/15/2