高中物理 第四章 機械能和能源 第8節(jié) 能源的開發(fā)與利用教案1 粵教版必修2.doc

第8節(jié) 能源的開發(fā)與利用二、新課教學 1、一次能源和二次能源 教師：汽油、柴油都是從石油提煉出來的。那么煤、石油、天然氣等等是從哪里來的呢？ 學生：地下開采出來的。 教師：地下的這些東西又是從哪里來的呢？ 學生：煤、石油、天然氣都是由古代的動物、植物經(jīng)過長時間的地質(zhì)變遷中形成的。 教師：對于這類型的能源我們把它們統(tǒng)稱為化石燃料?；剂稀⑺?、風能、太陽能等等都是由自然界提供的能源叫做一次能源。 教師：一次能源是自然界直接提供的能源。教室里點燈，工廠里開動機器都要用電能，電能是哪里來的呢？火箭所使用的燃料氫又是怎么得到的？ 學生：電能是由發(fā)電廠供給的；電能可由化學能、水能、風能甚至還可由太陽能轉(zhuǎn)化而來。 教師：同學們說得都對。火電廠把煤、石油等化石燃料轉(zhuǎn)化成電能；水電站把水流能轉(zhuǎn)化成電能；干電池、蓄電池把化學能轉(zhuǎn)化成電能；太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，電能是由化石燃料、水能、風能、太陽能等等自然界直接提供的能源轉(zhuǎn)化而來的，所以叫做二次能源。 2能源危機 教師：請同學們談談我們國家目前的能源形式。 引導學生分析得：（鼓勵學生參與討論，適當引導，盡可能的提高積極性。） （1）國的能源比較豐富，但其分布很不均勻 （2）在一次性能源的構成中，煤炭仍然占有主要地位， （3）內(nèi)陸和中西部城鎮(zhèn)主要以煤和火電為主；廣大農(nóng)村和邊遠地區(qū)大多正從使用農(nóng)作物秸稈等生物能源。（4）人均能源資源不足。我國是世界第三大能源生產(chǎn)國和第二大能源消費國，而我國能源短缺，特別是油氣資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。相關數(shù)據(jù)煤炭、石油和天然氣的人均資源占有量只有95t，世界平均值為209t，約是世界人均值的1/2；我國人均石油可采儲量3t，世界平均值為28t，約為世界平均值的1/10。我國人均能源消費量不足1.2噸標準煤，居世界89位，不足世界人均能源消費水平的一半，僅占發(fā)達國家的1/51/10。其中人均消費650kg標準煤，是世界平均額的95%；人均消費石油相當145kg標準煤，為世界平均數(shù)的16.8%；人均消費天然氣相當17.7kg標準煤，為世界平均數(shù)的3.9%；人均消費電力501.5kwh，為世界平均水平的25%。（5）是能源消費結(jié)構不合理，突出存在著一低兩高：即電能消費比例低，非商品生物能源消費量高，一次性商品能源消費中原煤消費比重高。原煤消費達到75%，遠高于26.2%的世界平均水平。（6）是我國能源消費系數(shù)高，效率低，主要表現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)耗能高。據(jù)有關專家預測，我國主要耗能產(chǎn)品的單位產(chǎn)品能耗比國際先進水平高30%以上。能源系統(tǒng)的總效率低下，不到發(fā)達國家的1/2。這說明我國能源從開采、加工、轉(zhuǎn)換、輸送、分配到終端利用的全過程中,有70%80%被損失和浪費了。從單位gdp能源消費看，我國的能源效率也處于世界上很低的水平。（7）是環(huán)境形勢嚴峻。我國一次能源以煤為主，嚴重污染環(huán)境。相關數(shù)據(jù)so2的排放量居世界第一位，酸雨的覆蓋面積已超過國土面積的30%，co2的排放量占全球總排放量的13%，列世界第二位。燃煤造成的so2、co2、nox及tsp的排放量分別約占85%、85%、60%和70%。隨著政府和公眾社會對環(huán)境問題的日益關注，環(huán)境法規(guī)越來越嚴格，對煤炭利用市場尤其是高硫煤的銷售，造成了較大的影響。中國21世紀議程提出：“到本世紀末，全國二氧化硫總排放量控制在21002300萬t”。1998年1月國務院簽發(fā)的國務院關于酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)有關問題的批復指出：(1)禁止新建煤層含硫分大于3%的礦井，建成的生產(chǎn)煤層含硫分大于3%的礦井，逐步限產(chǎn)或關停。(2)禁止在大中城市及遠郊區(qū)新建燃煤電廠。北京市甚至還規(guī)定，將在四環(huán)路以內(nèi)城區(qū)取消燃煤鍋爐。可以說，日益嚴格的環(huán)保要求對煤炭的開發(fā)利用帶來了影響。3新能源的開發(fā)與利用 教師：同學們說得很好，我國的能源問題非常的餓嚴峻，大家考慮一下有什么辦法可以緩解或更好的辦法來解決我國的能源問題？解決能源問題的主要出路再何方？ 資料：化石燃料、水流能、風能等都來源于太陽光的輻射，即太陽能。太陽每秒鐘要向周圍空間輻射3.81026焦的能量，其中到達地球表面的太陽能只有1.71017焦，但仍有大量的太陽能還沒有被利用。近年來發(fā)明的太陽灶、太陽能熱水器、太陽能電池等對太陽能的直接利用還剛剛開始。這里還有很大的潛力可挖。此外自然界還存在大量的潮汐能和地熱能，我國和有的國家已試驗用潮汐能和地熱能來發(fā)電，由于有些技術問題還沒有解決，使造價過高，因此還沒有被廣泛采用。另外本世紀初還發(fā)現(xiàn)了原子核能（原子能），原子能已經(jīng)作為核潛艇、航空母艦和破冰船的核動力，也廣泛地用于核電站。 我們把化石燃料、水流能、風能等人類早就應用的能源叫做常規(guī)能源。 把核能、太陽能、地熱能、潮汐能等新近才開始利用的能源叫做新能源。 解決能源問題的主要出路（所有數(shù)據(jù)老師把握，整個新能源的得出由學生分組討論得到） 教師：開發(fā)和利用新能源是人類解決能源問題的主要出路。我國雖然蘊藏著豐富的煤炭資源，新油田也在不斷被發(fā)現(xiàn)，但是我國人口眾多，能耗巨大，節(jié)約常規(guī)能源的消耗，開發(fā)和利用新能源仍是我國的一項重要任務。 參考數(shù)據(jù)：全球再生能源可轉(zhuǎn)換成為二次能源的儲能為185.55億t標準煤，約為目前全球化石燃料消耗量的兩倍，說明再生能源大有可為。但是，除水能基本得到充分利用外（發(fā)達國家利用率90%，中國10），很多再生能源有待開發(fā)。有資料表明，美國到2030年再生能源在總利用能源中比重可達30，英國到2020年再生能源占總開發(fā)電量的20，但是不少人對此并不太樂觀。對中國來說，首要的是開發(fā)水力資源和生物質(zhì)能，其次是發(fā)展地熱能、風能和太陽能。太陽能和風能的利用存在較大的新材料問題。 （1）.核能核能是康價的清潔能源，核電占世界電能的17，已建核電裝置400余座。但是由于核電站的安全與廢料處理問題，目前核電發(fā)展緩慢。盡管如此，核電裝置的改進仍在不斷地進行，其中有不少材料問題，現(xiàn)僅就正在開發(fā)的兩類核電裝置分述如下?？熘凶釉鲋扯眩含F(xiàn)行裂變反應堆所用燃料都是235u，而鈾礦中235u含量只有0.7，98以上是238u?？熘凶釉鲋扯丫褪菍?38u吸收一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)?39pu，以此為燃料可使鈾的利用率達70。1200mw的快堆在法國己運行多年，但這種堆型存在一個嚴重的材料問題，即液體鈉的腐蝕，以致造成了多次泄漏事故。同時，半衰期很長的239pu，也可造成嚴重污染。最近提出的“加速器驅(qū)動的核反應堆”設想，就是利用擅變原理使239pu，自循環(huán)，從而解決污染問題，我國在這方面正開展基礎研究工作?？梢暈橛谰媚茉吹木圩兌眩簝蓚€輕原子融合成重原子叫核聚變，它比核裂變產(chǎn)生的能量更大。氖和氟是氫的同位素，它們在一定條件下發(fā)生聚變反應，釋放能量。海水中氛含量為0.034/kg，全球海水中氖含量多達0u，而每克氖相當100汽油，所以說一旦聚變堆開發(fā)成功，將成為永久能源.聚變反應的點火溫度高達5108，在210-10秒內(nèi)注入100萬的能量。目前歐美都己點火成功，但距商業(yè)化很遠，要在2050年或更長的時間才有可能。我國也有兩臺實驗裝置，用以探索物理原理，也可做一些材料研究。核聚變裝置對材料要求十分苛刻，如耐中子輻射、耐高溫和抗氫脆等。因此，材料是聚變堆能否實用化的關鍵因素。（2）.太陽能（在有太陽光的地方展示太陽能電池板收集太陽能可以帶動小電風扇旋轉(zhuǎn)）太陽照射到地面的能量相當于全球能耗（1.11010kw）的1.6萬倍，既無污染，又是永久性能源。可惜太陽輻射到地球的能量密度太低，只有1kw/m2，還受氣候影響。太陽能的利用形式主要有兩種:是熱能的直接利用，如利用鏡面或反射槽將太陽光聚焦在收集器上，由中間介質(zhì)吸熱產(chǎn)生蒸汽，推動氣輪機組發(fā)電，美國單臺容量己達80mw；另一種形式是利用小型太陽能裝置為房屋采暖供熱，現(xiàn)己大量應用。研制高效、長壽、廉價的光伏轉(zhuǎn)換材料已成為目前能源新材料領域的重要課題。當前不同材料的最高轉(zhuǎn)換效率為非晶硅（薄膜，可鋪覆）為12.7，理論上可達24，缺點是穩(wěn)定性較差；多晶硅為17.7，種復雜結(jié)構的多晶硅太陽能電池可達24.4；單晶硅為28.7，cdte或cds為13；cu(ga,in)te為17，gaas及gainp可高達25-30。目前，太陽能電池組價格為每峰瓦-5美元，估計要達到0.4美元左右才能在電價方面與常規(guī)發(fā)電相當。近年來正在研制便于大規(guī)模制造的燃料納米半導體材料及有機光伏轉(zhuǎn)換薄膜。盡管如此，在某些日照時間長、居民分散地區(qū)建立太陽能電站還是有意義的，因此發(fā)達國家都在積極開發(fā)太陽能，如美國百萬屋頂計劃，德國十萬屋頂計劃及日本1600個屋頂太陽能電池系統(tǒng)等。我國對西部地區(qū)的開發(fā)應把太陽能的利用列為重點，因為西部地區(qū)日照好、居民分散，適合發(fā)展太陽能。20世紀70年代美國有一個異想天開的計劃，就是在同步人造衛(wèi)星上裝兩個16km2的電池板和聚光系統(tǒng)，將所獲電能用微波傳到地面。由于在大氣層外陽光強度比地面高1.4倍，又不受氣候影響，據(jù)估計，由此得到的電能成本可與常規(guī)電能相比。但是，除了材料和技術問題以外，是否造成環(huán)境污染還需要論證。（3）.風力發(fā)電太陽能在地面上約2轉(zhuǎn)變?yōu)轱L能，全球風力用于發(fā)電功率可達11.3萬億kw，很有發(fā)展前景。風能與風速密切相關，我國沿海與西北地區(qū)的風力資源豐富，大有作為，但風車材料是關鍵。個2.5mw的風車，轉(zhuǎn)子葉片直徑要80，包括傳動箱的總重達30t；風車高近百米，用材幾百噸。風車葉片耍有足夠的強度和抗疲勞性能（全壽命轉(zhuǎn)數(shù)要求109以上），目前主要采用玻璃鋼或碳纖維增強塑料，正向增強木材發(fā)展。雖然風能發(fā)電裝置造價較高（1000美元kw），但電價可與常規(guī)能源相比具有較強的可操作性。（4）.氫能氫被認為是理想能源，熱值高、無污染。但是氫作為能源，存在兩個問題，一是氫的來源，只能通過電解水，太陽能分解水，生物制氫，以及化工、冶金等流程制氫，這就需要消耗能源；二是氫在存儲、運輸及應用過程中容易發(fā)生爆炸，加氫對材料產(chǎn)生氫脆、氫腐蝕，以及氫滲漏等，所以近年來對儲氫材料的研究很多。種儲氫方式是將材料與氫結(jié)禽成為氫化物，需要時加熱放氫，放完后還可繼續(xù)充氫。同時儲氫材料又是高能蓄電池的負極。儲氫材料都是金屬間化合物。這些金屬間化合物比重大，并有中毒問題，限制了其應用并且成本很高。目前正在研究的納