第二次课：能量的转换和储存靳090306

能源科学导论第二讲能量转换和储存的基本规律靳世平能源与动力工程学院全球气候变化2℃-自然界最后的安全阀蝴蝶效应趁我们还在这里,快来看吧三十年领土之争被暖化碳基能源与人类文明人的肌力-100W煤与工业革命石油与战争油国三硬汉和伊拉克泥潭一颗红心,两叶黑肺哥本哈根的意义京都议定书斯特恩与戈尔巴厘岛路线图CAP在哥本哈根中美国的破产瓦克斯曼-马基法案科技创新未来中国要解决能源问题,科技创新是根本途径。2050年后,全球四大能源替代方向将有:核聚变。2050年左右建成世界第一座商业核聚变电站。天然气水合物。空间太阳能发电,通过微波或激光传到地面。氢能。一旦制氢、储氢和用氢技术突破,将成为主力能源。现阶段(2010年-2030年),科技研究与开发重点三方面:煤炭的清洁高效利用;能源结构多样化,可再生能源由辅助走向主流;提高能源系统总效率,包括采集、转化、终端利用效率。主要内容能量转换的基本规律能量转换设备或系统热能\机械能\电能氢能\太阳能\核能\生物质能能量的储存与运输能量转换的基本规律日落西山常见面水流东海不回头“量”的多少→能量守恒与转换定律“质”的高低→能量贬值原理能量转换基本定律能量的基本性质不完全、有条件无序能有序能无序有序运动能量守恒与转换定律自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的总量恒定不变。能量贬值原理一个封闭系统中的任何自发性变化，都必然朝着能量贬值（熵增）的方向发展，而最后的平衡状态，则对应于熵的最大可能值。热力学第二定律克劳修斯说法：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。”开尔文说法：“不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影响。”幻想中的永动机以海洋为热源，海洋共有6.88×1020t的海水，如果海水的温度下降1℃，可放出2.88×1024KJ的热量，约合9.8×1016t标准煤，相当于目前全世界每年能耗的10万倍。热量不可能自动从低温热源传向高温热源。克劳修斯说法热泵技术是制冷的基础•不可能制造“一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之全部变为功，而不向低温热源放出热量，或者说不引起其它变化。”•这种热机称为第二类永动机或单热源热机开尔文说法1、工作在相同的高温热源与相同的低温热源之间的一切可逆热机，不论用何种工质，它们的效率都相等，即2、工作在相同的高温热源与相同的低温热源之间的不可逆热机，其效率都不可能大于工作在同样热源之间的可逆热机的效率，即提高热机效率的方法，即除了加大热源温差外，应尽量减少摩擦、漏气、散热等耗散因素。卡诺定理能量转换过程及转换设备或系统能源能源形态转换过程转换机械或系统石油、煤炭、天然气等矿物燃料生物能氢和酒精等二次能源化学能热能化学能热能机械能化学能热能机械能电能化学能热能电能化学能电能炉子、燃烧器各种热力发动机热机、发电机，磁流体发电，EGD发电（压电效应）热力发电，热电子发电燃料电池能量转换过程及转换设备或系统能源能源形态转换过程转换机械或系统水力、风力、潮汐、海流、波浪太阳能机械能机械能机械能机械能电能光能热能光能热能机械能电能光能热能电能光能电能光能化学能光能生物能电磁波电能水车、风车。水轮机——发电机，波力发电、风力发电、潮汐发电、海流发电热水器，采暖、太阳灶太阳能热发动机，太阳热发电热力发电，热电子发电光电池光化学电池光化学反应（水分解）光合成能量转换过程及转换设备或系统能源能源形态转换过程转换机械或系统核能核分裂热能机械能电能核分裂热能核分裂热能电能核分裂电磁能电能核聚变热能机械能电能电能光（激光）热能电能热能聚变核发电，磁流体发电核能炼钢热力发电，热电子发电光电池核聚变发电热能燃料燃烧核能太阳能地热电能热能有关燃烧的知识燃料燃烧(化学反应)的必要条件燃烧所需的空气量(氧化剂)燃烧反应的温度燃烧设备燃烧器燃烧容器内燃烧气体燃料的燃烧外燃内燃油的燃烧层燃（层状燃烧）室燃（粉状燃烧）煤的燃烧燃烧方式燃烧设备锅炉工业炉窑化学能热能机械能热能电能水能风能机械能热机转换内燃机——往复运动热机燃气轮机——外燃式热机蒸汽轮机——将蒸汽热能转换为机械功的热机燃烧室发电机燃料空气废气航空发动机电机转换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电能的生产电能辐射能化学能机械能差磁流体发电、热电偶温机电转换电动机发电机热电转换磁流体发电热电偶温差发电热电子发电电化学电池燃料电池燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。用于电动自行车的金属储氢装置氢能-天然气/电解水/光分解水制氢光电转换光伏效应太阳能电池发电原理晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。能量的储存与运输能量的储存在机械能、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。8座的太阳能电动游览车，当不使用的时候，铺设在车顶的太阳能电池板就会将源源不断的太阳能转换成电能储存起来，以供你需要时提供足够的电能。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）对环境的影响能量的储存机械能储存电能储存热能储存机械能的储存机械能能以动能或势能的形式储存以动能储存：旋转飞轮以势能储存：弹簧、扭力杆、重力装置、压缩空气储能、抽水储能压缩空气储能压缩空气是工业中常用的气源，除了吹灰、清砂外，还是风动工具和气动控制系统的动力源。抽水储能电站纯抽水蓄能电站混合式抽水蓄能电站我国抽水蓄能电站开发现状从上世纪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kW将建电站山东泰安电站，装机容量100万kW浙江桐柏电站，装机容量120万kW山西西龙池电站，装机容量120万kW江苏宜兴电站，装机容量100万kW河北张河湾电站，装机容量100万kW安徽琅琊山电站，装机容量60万kW电能的储存以机械能的形式储存以化学能的形式储存于蓄电池中以电能的形式储存在静电场和感应电场中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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。静电场电能可用静电场的形式储存在电容器中。在直流电路中，广泛用作储能装置。在交流电路中，用于提高电力系统或负荷的功率因素。储能电容器广泛应用于高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面。感应电场电能还可以储存在由电流通过电磁铁这类大型感应器而建立的磁场中。利用感应电场储存电能不常用，因为它需要一个电流流经绕组去保持感应磁场。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。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。热能储存方法显热储存潜热储存化学能储存地下含水层储热热能潜热储存利用蓄热材料发生相变而储热固体－液体相变蓄热液体－汽体相变蓄热（蒸汽蓄热器）地下含水层储热解决采暖和空调的季节性负荷问题的重要途径之一。利用地下岩层的空隙、裂隙、溶洞等储水构造以及地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点，用管井回灌的方法，把冬季大气环境中太丰富的“冷”和夏季不要钱的“热”储存在含水层中，在冷、热不是同时需要的场所实现供冷、供热。地下含水层储能含水层储热——夏灌冬用含水层储冷——冬灌夏用必须具备灌得进、存得住、保温好、抽得出等条件。回灌水源：地表水、地下水、工业排放水。用途广泛用于纺织、化工、制药、食品等工业部门，也用于影剧院和宾馆等建筑物的夏季降温空调、冷却和洗涤用水，冬季采暖及锅炉房供水等。能源储备及运输石油战略储备电力超高压输送及电网调度石油、天然气管道输送液化天然气运输煤炭运输及坑口电厂分布式能源系统