新能源技术第一章.

新能源技术主讲：杜一庆Email:[e-mail]13986133307教材：返回总目录《新能源技术》黄素逸，杜一庆，明庭臻中国电力出版社2011第一章能量与能源•第一节能量•第二节能源的分类与评价•第三节能源与人类文明•第四节能源资源生产与消费•第五节能源与环境•第六节能源的可持续发展返回总目录•物质和能量是构成客观世界的基础。•科学史观认为，世界是由物质构成的，没有物质，世界便虚无飘渺；运动是物质存在的方式，是物质固有的属性，能量则是物质运动的度量。•宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。•所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换。第一节能量人类所认识的六种能量形式•机械能•热能•电能•辐射能•化学能•核能机械能•机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能。机械能•如果质量为m的物体的运动速度为v则该物体的动能Ek可以用下式计算：•重力势能Ep可以用下式计算：2k21mvEmgHEp机械能•弹性势能的计算式为：•表面能可用下式计算：2τ21kxESEsτEsE热能•构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。通常热能Eq可表述成如下的形式：STEdq电能•电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。UIEe辐射能•辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。•物体的辐射能Er可由下式计算：40r100TcE化学能•化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。•按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。核能•核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。•轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。能量的性质•状态性•可加性•传递性•转换性•做功性•贬值性能量的转换•能量在空间上的转移，即能量的传输。•能量在时间上的转移，即能量的储存。能量的转换能量的传递能量传递过程的特点•能量传递是有条件的，即在有能量密度差的条件下，能量总是从能量密度大的物质或能量集中的地方，向能量密度小的物质或地方传递；总是从集中到分散并逐步达到平衡。能量传递过程的特点•能量传递遵循一定的规律，即能量传递的速率正比于传递的动力而反比于传递的阻力。能量传递过程的特点•能量的传递包括转移与转换两种形式。转移是某种形态的能量从一地转移到另一地，从一物转移到另一物；转换则是能量由一种形态变为另一形态。能量传递过程的特点•能量传递的途径主要有两条：由物质交换和质量输运而携带的能量称为携带能；在体系边界面上的能量交换称为交换能。能量传递过程的特点•在体系边界面上的能量交换通常以两种方法进行：传热——由温差引起的能量交换，这是能量传递的微观形式；做功——由非温差引起的能量交换，这是能量传递的宏观形式。能量传递过程的特点•通过能量交换而实现的能量传递，即传热和做功，其具体方式为：传热的三种基本方式是热传导、热对流和热辐射；做功（这里指机械功）的三种基本方式是容积功、转动轴功和流动功（推动功）。能量传递过程的特点•能量传递的结果主要体现在两方面，即能量使用过程中所起的作用以及能量传递的最终去向。•能量传递的最终去向通常只有两条：或转移到产品，或散失于环境，包括直接损失和用于过程后再进入环境这两种情况。能量传递过程的特点•能量传递的实质实际上就是能量利用的实质。如果把产品的使用也包括在内，能量的最终去向只能是唯一的，即最终进入环境。第二节能源的分类与评价能源的分类•所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。•自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。•为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。能源的分类•由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下六种不同的分类方法：（1）按地球上的能量来源分；（2）按被利用的程度分；（3）按获得的方法分；（4）按能否再生分；（5）按能源本身的性质分；（6）按对环境的污染情况分。按地球上的能量来源分•来自于地球本身，如核能、地热能等；•来自于地球外天体，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。按被利用的程度分•常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；•新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。按获得的方法分•一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；•二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，是高品质的能源。按能源能否再生分•可再生能源，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；•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。按能源本身的性质分•含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；•过程性能源（非燃料能源），如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等，它们无法直接储存。按对环境的污染情况分•清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；•非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。能源的评价•能源多种多样，各有优缺点，为了正确选择和使用能源，必须对各种能源进行正确的评价。能源的评价•储量•能量密度•储能的可能性与供能的连续性•能源的地理分布•开发费用和利用能源的设备费用•运输费用与损耗•能源的可再生性•能源的品位•对环境的影响第三节能源与人类文明能源更迭与社会发展•人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。(1)火的发现和利用；(2)畜力、风力、水力等自然动力的利用；(3)化石燃料的开发和热的利用；(4)电的发现及开发利用；(5)原子核能的发现及开发利用。能源更迭与社会发展人类社会已经历了三个能源时期：•薪柴时期；•煤炭时期；•石油时期。薪柴时期•主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。煤炭时期•18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很快。•19世纪，电力成为工矿企业的主要动力，成为生产和生活照明的主要来源。但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料。石油时期•石油资源的发展，开始了能源利用的新时期。近30年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。•进入21世纪，核能将成为世界能源的主角，清洁能源的时代也将随之到来。能源与国民经济•能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，是推动国民经济发展的强大动力。能源与国民经济•经济的增长和经济发展水平的提高都需要能源来支撑，因此，能源消费与经济发展有着密不可分的关系。从世界能源消费的增长趋势看，能源消费与世界经济发展的趋势是一致的。能源与国民经济•世界各国经济发展的实践证明，在经济正常发展的情况下，能源消耗总量和能源消耗增长速度与国民经济生产总值和国民经济生产总值增长率成正比例关系。能源与国民经济•世界经济和能源发展的历史显示，处于工业化初期的国家，经济的增长主要依靠能源密集型工业的发展，能源效率也较低，因此能源弹性系数多大于1。(能源弹性系数亦称能源弹性。弹性可简单地理解为反应性或敏感性，它是衡量某一变量的变化引起另一相关变量的相对变化的指标。通常表示为在某一变量变化1%时，另一变量变化的相对程度。)能源与人民生活•人们的日常生活处处离不开能源，不仅衣、食、住、行，而且文化娱乐、医疗卫生等都与能源密切相关。能源与人民生活•《BP世界能源统计回顾2012》报告数据显示，2011年，中国一次能源消费总量为26.13亿吨油当量，自2009年以来连续三年超过美国位居世界第一。2014年中国一次能源消费为29.721亿吨油当量。但由于人口过多，人均能耗水平仍很低，全面建设小康社会仍然是我国人民面临的重要任务。第四节能源资源生产与消费1994年世界化石燃料探明可采储量1973年和2002年世界硬煤产量的地区分布图1973年和2002年世界石油产量的地区分布图1973年和2002年世界天然气产量的地区分布图1971年和2001年世界一次能源供应量的地区分布图能源消费•当今世界的能源消费仍以石油为主。世界能源消耗特点、分布及现状•特点主要来自一次不可再生能源(如煤炭、石油、天然气)；能源消耗水平差异大：占世界1/4的工业化国家消耗了世界能源的3/4;世界能源消耗仍在增长。•分布世界能源储量分布是不平衡的。石油中东占56.8%；天然气和煤炭储量最多是欧洲，各占54.6%和45%。亚洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然气都只有5%多一点。1973年和2001年世界能源终端总消费量的构成1973年和2001年世界煤炭消费的行业构成1973年和2001年世界石油消费的行业构成1973年和2001年世界天然气消费的行业构成第五节能源与环境全球环境状况•联合国最新公布的研究结果显示，在过去30年中，虽然国际社会在环保领域取得了一定成绩，但全球整体环境状况持续恶化。国际社会普遍认为，贫困和过度消费导致人类无节制地开发和破坏自然资源，这是造成环境恶化的罪魁祸首。全球环境状况•世界经济发展和人类赖以生存的环境是不协调的，经济发展和人口增长给环境造成了巨大的压力，对发展中国家这种情况尤为突出。全球环境状况•全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受到威胁等多方面，同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和强度大幅增加。•1999年发现的臭氧空洞是有史以来观测到的最大一次，达到2600万km2的面积。天空正在塌陷•2003年臭氧空洞天空正在塌陷全球正在变暖•海平面上升与陆地淹没；•气候带的移动；•飓风的加剧；•植被的迁徙与物种灭绝；•洋流的变化与厄尔尼诺现象；•雨型的改变。CO2浓度/106温度偏差/ºC年份地球表面温度的历史变迁资料来源：TheCarbonDioxideinformationAnalysisCenter.OakRidgeNationalLaboratory.1995CO2浓度平均温度偏差地球森林覆盖量正在减少大气环境的三大问题•20世纪80年代中期，在南极上空发现了臭氧空洞，它与地球变暖及所谓的温室效应和酸雨沉降问题构成全球性的大气环境问题，明显地危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注，使当今的世界环境问题具有明显的时代特征。世界十大严重污染城市中国占：个7因二氧化硫排放，每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元)!占全国排放比例：燃煤污染物SO2：85%CO2：85%NOx：60%粉尘：70%我国的污染现状我国城市空气中主要污染物浓度变化趋势年份我国大气SO2浓度最高的城市状况年日均值(mg昺-3)超标倍数年日均值(mg昺-3)超标倍数宜宾0.619.17—贵阳0.4346.230.4356.25南方重庆0.436.170.365南充0.314.17石家庄0.2743.570.2613.35青岛0.2483.13—北方太原0.2430.2473.12大同0.1291.150.2072.45城市年度1987年1988年中日两国部分城市SO2浓度比较城市东京横滨川崎四日北京上海重庆贵阳年日均值0.1720.129