能量的转换与储存

1第二章能量的转换与储存第三节：能量转换的主要燃料第四节：机械能的获取第五节：能量的储存第六节：能量的传输2第三节3•燃料通常是指能够通过燃烧过程而将化学能转换为热能的物质。•所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其它含能体；•所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的含能体。•常用的化石燃料为煤、石油和天然气，化石燃料有时又称为矿物燃料。4•核燃料•天然铀有三种同位素：铀—238，占99.27%；铀—235，占0.724%；铀—234，占0.006%。•这三种同位素化学性质基本相同。但中子数目不同；铀—238有146个中子，铀—235有143个中子，铀—234有142个中子。这三种同位素的核特性相差很大，只有铀—235的原子核才容易分裂成两个中等质量的原子核，也就是我们所说的裂变。其它两种同位素不易裂变。56第四节7机械能的获取机械能化学能8•将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。热能转换成机械能的装置称之为热机。因为热机能为各种机械提供动力，故通常又将其称之为动力机械。•一、热能的转换•1.热机的效率•应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。9•内燃机主要为各种运输车辆、工程机械提供动力，也用于可移动的发电机组。•蒸汽轮机主要用于发电厂中，用它带动发电机发电；也作为大型船舶的动力；或拖动大型水泵和大型压缩机、风机。•燃气轮机除用于发电外，还是飞机的主要动力来源，也用作船舶的动力。•广泛应用的电能主要由机械能转换得到。在火力发电厂中蒸汽轮机、燃气轮机带动发电机发电；在水电站中水能先转换成水轮机的机械能，水轮机再带动发电机发电。10•2.内燃机•内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。•大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。11应用广泛12•四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的活塞冲程：•1）进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气被吸入而充满气缸。•2）压缩冲程：所有气门关闭，活塞上行压缩空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。•3）膨胀冲程（即下行冲程）：所有气门关闭，燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，此冲程是四个冲程中唯一做功的冲程。•4）排气冲程：排气门打开，活塞上行将燃烧后的废气排出气缸，开始下一个循环。13四冲程发动机14•二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作循环所需要的四个冲程纳入二个冲程中完成。•当活塞在膨胀冲程中沿气缸下行时，首先开启排气口，高压废气开始排入大气。当活塞向下运动时，同时压缩曲轴箱内的空气—燃油混合气；当活塞继续下行时，活塞开启进气口，使被压缩的空气—燃油混合汽从曲轴箱进入气缸。在压缩冲程，活塞先关闭进气口，然后关闭排气口，压缩气缸中的混合气。在活塞将要到达上止点之前，火花塞将混合气点燃。于是活塞被燃烧膨胀的燃气推向下行，开始另一膨胀做功冲程。当活塞在上止点附近时，化油器进气口开启，新鲜空气—燃油混合气进入曲轴箱。15二冲程发动机16二冲程发动机17•四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好，滑润条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动部件少，重量轻，发动机运动较平稳。•内燃机只能将燃料热能中的25%~45%转换成机械能，其余部分大多被排气或冷却介质带走。因此如何利用内燃机排气中的能量就成了提高内燃机动力性和经济性中的主要问题。•随着科学技术的发展，绝热柴油机、全电子控制内燃机、燃用天然气、醇类代用燃料和氢的新型发动机都相继问世。进入21世纪，由于环境问题日益突出，因此研制新一代高效低排放的发动机已成为科学家们共同努力的目标。18•3.燃汽轮机•燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸汽做工质而是以气体做工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外作功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。•它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。19compressorCombustionchamberturbine20辐流式燃汽轮机21定子盘和转子盘22轴流式燃汽轮机2324小型燃气轮机25CompressorandDiffuserCompressorandDiffuserTurbineWheels26•燃汽轮机具有以下优点：•1）重量轻、体积小、投资省。燃汽轮机的重量及所占的容积只有汽轮机装置的几分一或几十分之一，因此它耗材少，投资费用低，建设周期短。•2）起动快、操作方便。从冷态起动到满载只需几十秒或几十分钟，而汽轮机装置则需几分钟到几小时。•3）水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或不用水，因此可以在缺水的地区运行；辅助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。27•4.汽轮机•蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。•汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。•此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。28293031汽轮机如何工作A228MWaxialflowturbine.AxialflowofsteamChangeofradialmomentumdrivesrotorroundMiniaturelab.turbineRotormotion.32GasflowthroughtheturbineThediameterofthecompressorstagesgetsprogressivelysmallerasthegaspressurerises.Conversely,theturbinestagesgetprogressivelybiggerasthehotgasexpands,transferringmomentumtotheturbinebladesandpushingthemround.33•二、水能和风能的转换•三、电能的转换异步电动机同步电动机交流电动机复励式并励式串励式直流电动机34第五节35•一、概述•在机械能、热能、化学能、辐射能、核能等六种主要类型的能量中，除辐射能外，都能储存在一些普通种类的能量形式中。•机械能——以动能、势能形式储存。•热能——以潜热、显热形式储存。•电能——感应场能或静电场能。•化学能、核能——自身即为储能形式。36•主要指标•储能密度•储存过程的能量损耗•储存装置的经济性•储能和取能的速率•寿命（重复使用的次数）•对环境的影响37•二、机械能的储存•以动能形式储存•飞轮•以势能形式储存。•弹簧、扭力杆和重力装置•压缩空气储能•抽水蓄能电站•纯抽水蓄能电站•混合式抽水蓄能电站38飞轮动能储存系统39SatCon飞轮能量储存系统可以提供常规铅酸蓄电池50倍的能量储存容量NASA开发的飞轮能量储存技术40液态空气能量储存系统41•从上世纪80年代开始起步，到目前为止，我国已在9个省、区、市建成11座抽水蓄能电站，装机容量约为570万kW，占全国装机容量的1.8％。•大型电站•广州电站，装机容量240万kW•浙江天荒坪电站，装机容量180万kW•北京十三陵电站，装机容量80万kW•河北潘家口电站，装机容量27万kW4243•三、电能的储存•蓄电池•发展方向：廉价、高效、能大规模储能•静电场和感应电场•电容器在直流电路中广泛用作储能装置；在交流电路中则用于提高电力系统或负荷的功率因数，调整电压•高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器•超导磁铁蓄能44蓄电池•利用电化学原理放电：化学能化学能放热的化学反应45蓄电池银—镉镍—锌镍—铁镍—镉碱性蓄电池其它用固定型牵引车辆用起动用铅酸蓄电池蓄电池由正极、负极、电解液、隔膜和容器等5部分组成。46•蓄电池作为电能储存系统4748带有超导磁铁的飞轮电力储存系统49•四、热能的储存•热能储存是把一个时期内暂时不需要的多余热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取使用。•显热储存•潜热储存•化学储存•地下含水层储存热能50•储存时间•随时储存，以小时或更短的时间为周期，随时调整热能供需之间的不平衡；•短期储存，以天或周为储热周期，维持一天（或一周）的热能供需平衡；•长期储存，以季节或年为储存周期，调节季节（或年）的热量供需关系。51•1.显热式蓄热•蓄热装置设计、运行和管理简单方便•装置体积庞大•热损失大•2.潜热储存•利用蓄热材料发生相变而储热•储能密度高，装置体积小，热损失小•过程等温或近似等温，易与运行系统匹配。52热量储存53•3.化学能储存•一种高能量密度的储存方法•利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取•技术上困难，目前尚难实际应用•4.地下含水层储热•含水层储冷：冬季将净化过的冷水用管井灌入含水层里储存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。•含水层储热：夏季将高温水或工厂余热水经净化后用管井灌入含水层里储存，到冬季时抽取使用，叫“夏灌冬用”54地下含水层储热55第六节56•一、概述•能量的传输实质上是能量在空间的转移。•广义上的能量传输通常有两种含义：一种含义是指能量本身的传递，即能量从某一处传至另一处，例如热量从高温物体传至低温物体。另一种含义是指能源的输运，即含能体如煤、石油、天然气等从生产地向用能处输送。57•能源输送是能源利用中的一个重要环节。•能源输送方式很多，通常有铁路、水路、公路、管道、输电线路等多种方式。不同的输送方式有不同的特点和适用范围。•受资源分布、能源消费多寡、交通运输格局等诸多因素的影响，能源输送工作是一项十分复杂的系统工程。58•二、电能的输送•电能的特点是发电、传输、用电都是同时发生。•由于目前尚不能大规模地储存电能，因此电能生产中的发电、供电、配电必须紧密配合，具有不间断连续工作的功能，用户在每一瞬间需要多少电，就能够供给多少电。电力过剩就会造成电力生产能力的积压浪费，电力短缺就会影响国民经济的发展。•采用大机组发电，建设大电网，提高输电电压成为电力工业发展的趋势。591.电力产生2.通过升压变电站电压升高3.电能传送4.通过降压变电所降低电压5.分配电力6.到达需要电力的地点60电能的输送61升压和降压变压器62•我国电能输送存在的问题是：•电压等级偏低，电压层次过多，造成重复容量多，线路长、线损高，事故多，调度不灵。•输电方式单一，缺乏超高压直流输电。•电网容量小，联网发展缓慢，影响了电网整体效益的发挥。•变配电设备陈旧老化，难以适应电力输送发展的需要。63•三、煤炭的输运•1.煤炭的铁路输送•我国煤炭输送主要是以山西、陕西和内蒙西部（所谓“三西”）为中心向全国缺煤省市输送。64•2.煤炭的水路输送•海运是北煤南运的主通道，华北煤炭供应华东和华南地区，海运约占55%，铁路直达运输约占43%。•除了海运外，长江和大运河北段也是煤炭的主要水运通道。•3.煤炭的公路运输•公路主要承担短距离的煤炭输运，特别是乡镇煤矿生产规模小，布点分散，大量煤炭靠汽车集运到铁路车站。由于铁路运力不足，公路运输作为辅助运输手段，对煤炭的运输也起到了重要作用。65•四、石油和天然气的输运•1.石油天然气产销区域分布•我国原油产地主要在长江以北，其中大庆、胜利和辽河油田的原油产量约占全国的60%，而对炼油能力而言，辽宁、吉林、黑龙江约占30%，京津冀占11%，山东占8%，苏浙沪占19%，长江中游11%，广东9%，西北11%，西南地区则没有大、中型炼油厂，成品油基本上以炼油厂为中心就地供应，但也有相当数量的长距离跨省区输送。66•我国原油的输送主要是通过管道、水运和铁路，其中管道是主力。1990年管道输油占64.62%，水运占28.54%，铁路占6.84%；1996年则分别为69.0%,21.1%和9.9%。对水运和铁路而言，1990~1995年油的运量占水运总量的23%，铁路则仅为4.5%。天然气则几乎全