第十八章能源与可持续发展

1初三物理（第24讲）主讲教师：王婷（苏州立达中学）[本讲内容]第十八章能源与可持续发展[学习目标]1、了解不同历史时代人类利用的重要能源2、了解能源与人类社会发展的关系3、了解能源的分类[方法指导]1、新能源新能源是相对于常规能源说的，有核能、太刚能、风能、生物质能、氢能、地热能利潮汐能等许多种。新能源的共同特点是比较干净，除核裂变燃料外，几乎是永远用不完的。由于煤、油、气常规能源具有污染环境和不可再生的缺点，因此，人类越来越重视新能源的开发利利用。⑴核能技术。核能有核裂变能利核聚变能两种。核裂变能是指重元素(如铀、钍)的原子核发生分裂反应时所释放的能量，通常叫原子能。核聚变能是指轻元素(如氘、氚)的原子核发生聚合反应时所释放的能量。核能产生的人量热能可以发电，也可以供热。核能的最大优点是无大气污染，集中生产量大，可以替代煤炭、石油和天然气燃料。①核裂变技术，从1954年世界上第一座原子能电站建成以后，全世界已有20多个国家建成400多个核电站，发电量占全世界16%。我国自己设计制造建成的第一座核心站是浙江秦山核电站30万千瓦：引进技术建成的是广东人亚湾核电站180万千瓦。核电站同常规火电站的区别是核反应堆代替锅炉，核反应堆按引起裂变的中子不同分为热中子反应堆和快中子反应堆。由于热中子堆比较容易控制，所以采用较多。热中子堆按慢化剂、冷却剂和核燃料的不同，有轻水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆，这些堆型各有优点，目前一般采用轻水堆较多。快中子反应堆的优点可以充分利用天然铀资源，热中子堆只能利用天然铀中2%的左右的铀，而快中子增值堆可以利用60%以上。②核聚变技术，这是在极高温度下把两个以上轻原子核聚合，故叫热核反应。由于聚变核燃料氘在海水中储量丰富，几乎人类可用之不尽。可以说，世界人类永恒发展的能源保证是核聚变能。⑵太阳能技术。①太刚能热利用技术比较成熟，有太阳能热水器、太刚能锅炉烧蒸汽发电、太阳能制冷、太刚能聚焦高温加工、太阳灶等，在工业和民用中应用较多：②太阳能光电转换技术，通过太刚能光电池把光能转换成屯能(直流电)，主要是光电池制造技术，太阳能电池有单晶硅、多晶硅、非晶砖、硫化镉和砷化锌电池许多种。这种发电技术利用最方便，但大功率发电成本太高。③光化学转换技术，利用太阳能光化学电池把水电解分离产生氢气，氢气是很干净的燃料。⑶风能技术。风能是一种机械能，风力发电是常用技术，目前世界上最大风力发电机为3200千瓦，风机直径97.5米，安装在美国夏威夷。我国风力发电装机总共20万千瓦，最大风力发电机为120千瓦。⑷生物质能技术。这是利用动植物有机废弃物(如木材、柴草、粪便等)的技术。①热化学转换技术，2把木材等废料通过气化炉加热转换成煤气，或者通过于馏将生物质变成煤气、焦油和木炭：②生物化学转换技术，主要把粪便等生物质通过沼气池厌气发酵生成沼气，沼气的主要成分是甲烷。沼气技术在我国农村得到较好应用，工业沼气技术也开始应用。③生物质压块成型技术，把烘干粉碎的生物质挤压成型，变成高密度的固体燃料。⑸氢能技术。氢气热值高，燃烧产物是水，完全无污染。而且制氢原料主要也是水，取之不尽，用之不竭。所以氢能是前景广阔的清洁燃料。⑹地热能技术。地热能有蒸汽和热水两种。地热蒸汽有较高压力和温度，可直接通过蒸汽轮机发电；地热热水最好是梯级利用，先将高温地热水用于高温用途，再将用过的中温地热水用于中温用途，然后再将用过的低热水再利用，最后用于养鱼、游泳池等。⑺潮汐能技术。潮汐发电技术是低水头水力发电技术，容量小，造价高。我国海岸线长达14000公里，有丰富潮汐能。据估算，全国可开发利用潮汐发电装机容量为2800万千瓦，年发电700亿千瓦时。2、太阳能热利用(1)太阳能热水系统早期最广泛的太阳能应用即用于捋水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置(如电热器等)以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：(a)自然循环式此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现象(thermosiphon)，促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。(b)强制循环式热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置捋启动水使水流动。水入口处设有止水阀(checkvalve)以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知(因来自水的流量可知)，容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处；但因其必须利用水，故有水电力、维护(如漏水等)以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。(2)暖房太阳能暖房系统(space-heateng)利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冶地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体捋热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房3间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接捋热能用到暖房的直接式暖房设计，或者捋太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冶暖房的热(heatpump)装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其捋热水通至储热装置之中(固体、液体或相变化的储热系统)，然后利用风扇捋室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，在把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。3、太阳能电池的开发太阳能电池是一种有效地稀收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件。下面介绍北京太阳能光电研究中心对太阳能电池的研究情况．晶体硅高效太阳电池和多晶硅薄膜太阳电池的研究开发以及研究成果向产业化转化。⑴高效晶体硅太阳电池光电中心高效晶体硅太阳电池研究开发项目有钝化发射区太阳电池(PESC)、埋栅太阳电池(BCSC)及多晶硅太阳电池。●钝化发射区太阳电池(PESC)光电中心研究钝化发射区太阳电池(PESC)的基本目的是探索影响电池效率的各种机制，为降低太阳电池成本提供理论和工艺依据，推动太阳电池理论的发展。实验中采用的材料为区熔(FZ)、p-型(掺硼)[100]单晶硅，电阻率0．2～1．2cm，厚度t=280～350m，双面抛光。电池工艺包括正面倒金字塔织构化、前后表面钝化、制备选择性发射区、减反射表面、背场、前后金属接触等。目前电池达到的水平见表1。表1PESC的电池的性能（测试条件AM1.5，25℃）Vco(mV)Jsc(mA/cm2)FF(%)A(cm2)测试单位656.137.40.80619.794.04北京市太阳能研究所*Voc开路电压，Jsc短路电流密度，FF填充因子，转换效率，A太阳电池面积⑵多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池既具有体材料晶体硅电池性能稳定、工艺成熟和高效的优点，又有大幅度减少材料用量从而大幅度降低成本的潜力，因而成为目前光伏界的研究热点。光电中心采用快速热化学气相沉积(RTCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和a-Si／uc-Si迭层电池等不同工艺对多晶硅薄膜太阳电池进行了研究。RTCVD多晶硅薄膜SiH2C12或SiCl4为原料气体在石英管反应室内沉积而成。研究工作初期，以重掺杂非活性硅为衬底。4、太阳能热利用技术⑴新型高效太阳能集热器开发和利用丰富、广阔的太阳能，对环境不产生和很少产生污染，既是近期急需的补充能源，又是未来能源结构的基础。国际上，太阳能的使用技术已进入新的发展阶段。在太阳能热利用系统中，重要的一个技术关键是如何高效率地收集太阳光并将其转变为热能。国内平板型太阳能集热器和全玻璃真空管太阳能热水器已形成产业，近20年来产量逐年增长，年产量达80多万平方米。近几年，我国又研制成具有国际先进水平的热管式真空管热水器，具有良好的应用前景。然而，我国太阳能热利用多限于低温范围，“九五”期间应扩大到中温和高温范围。这就要研究开发新型高效太阳能集热器。4⑵目标研究、开发、应用新型高效太阳能集热器，为逐步扩人热利用的温度范围打下技术基础。研究开发四种新型高效集热器，并应用于太阳能空调及太阳能工业热水及发电系统等。⑶内容①直通式真空管集热器②同心套管式真空管集热器③储热式真空管集热器④聚光式真空管集热器●太阳能热利用系统研究及示范工程热利用在太阳能利用技术中占有重要位置，是综合项目。但是，以往所取得的成绩是太阳能低温热水系统，而太阳能中、高温供热系统的研究是与工厂供热系统结合的大型太阳能利用工程，其中太阳能热发电是人类大规模利用太阳能的重要途径，是太阳能热利用的一个重要发展方向。事实上，只有与工业企业结合，太阳能的利用才能有更高的经济效益，更充分发挥出太阳能利用的优势，体现未来能源的意义。●目标建立两个太阳能工业用热的示范十程，功率为200千瓦，工作温度为150—200度。建立太刚能热发电中试电站。通过以上两项研究和示范，拓宽我国太阳能热利用的领域。●内容①太阳能工业用热系统的研究及示范工程功率：200千瓦工作温度：150—200℃例题选讲例1：人们利用太阳能共有________种渠道，其中太阳能被直接利用的有________种方式，即太阳能转化为___________，如___________；太阳能转化为__________，如_______；太阳能转化为_________，如___________。解析：太阳是一个巨大的天然能源，人类时刻离不开它，利用太阳能主要有四种渠道，其中被直接就有三种：太阳能转化为内能，如太阳灶、太阳能热水器等，太阳能转化为电能如太阳能电池；太阳能转化为化学能，如植物通过太阳进行光合作用，生长粮食、水果等为人类提供丰富的食物。答案：四，三，内能，太阳能热水器，电能，太阳能电池，化学能，植物进行光合作用。例2：在煤、煤气、木柴、酒精、流水、电能、石油、汽油中，属于一次能源的有_______，属于二次能源的有___________。解析：我们首先要搞清，一次能源是不要通过制取而自然和现成地存在着，如木柴、流水等，它们是直接存在于自然界，拿来即可使用；而电、煤气等则不然，电要有电池和发电站，发电厂来提供，煤气要用煤来制取、酒精由粮食等制取，而汽油则由石油提炼。答案：煤、木柴、流水、石油；煤气、酒精、电能、汽油例3：关于太阳能的转化：太阳把空气和地面晒热，太阳能转化为________，晒热的空气上升，空气流动形成风，又转化为_________；太阳使地面上一部分水蒸发，蒸发的水汽升空形成云，云又以雨雪等形式落下，流入江河，太阳能转化为_________；植物吸收太阳能，进行光合作用，太阳能转化为__________，5植物被动物吃掉，又转化为动物的_______。解析：应填：内能，机械能（或“风的动能”），机械能（或“水的重力势能和动能”），化学能，化学能。例4：为什么煤、石油和天然气统称为化石燃料？解析：亿万年前的动植物由于地质变迁，苍海桑田，被深埋地下，经过细菌作用和温度及压力的影响形成化石，有的煤里可以看到明显的树干痕迹，所以称为化石燃料。例5：太阳能电池有哪些用途？解析：太阳能电池用途相当的广泛，天上的人造卫星所需能量由太阳能电池供给，有太阳时可产生电能，用不完的贮藏