審計學(xué)院-新能源技術(shù)

1、新能源與材料科學(xué)新能源及材料科學(xué)基礎(chǔ)與進(jìn)展新能源技術(shù)一、能源技術(shù)概述1. 基本概念能量形式: 機(jī)械能(風(fēng)能、水能等)、電磁能、熱能、化學(xué)能、原子能、光能。能源: 自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。能源種類：按生成方式分: 天然(一次)能源和人工(二次)能源按原始來源分: 地內(nèi)能源和地外能源以及相互作用能源。按對能源的認(rèn)識過程分：常規(guī)能源和新能源。天然(一次)能源和人工(二次)能源二次能源：它是指經(jīng)過消耗一次能源加工轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的誕生能源。如電能、熱能、煤氣、柴油、氫能、焦炭、沼氣等。 非再生能源：石油、天然氣、原煤、核燃料等一次能源 再生能源：太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能生物質(zhì)能等地內(nèi)能

2、源：地?zé)崮?地下蒸氣、溫泉、火山)、核能地外能源：主要來自太陽，包括由太陽能轉(zhuǎn)變來的風(fēng)能、水能、 礦物燃料(煤，石油等)，及少量宇宙輻射能相互作用能源：主要指潮汐能。常規(guī)能源：已被廣泛利用的能源，如煤、石油、水力、電能新能源：原子能、太陽能(對發(fā)展中國家而言)、雷電能、宇宙射線能、 火山能、地震能等。 2. 能源問題 能源模式的演變：木材煤石油核能或多種形式能源目前人類使用的能源儲量和分布 非再生能源: 石油、天然氣、煤炭和裂變核燃料約占能源總消費量的90%左右再生能源: 水力、植物燃料等只占10%左右再生能源分布: 太陽能占99.44%, 水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能等不?%在非再生能源中，

3、利用海水中的氘資源產(chǎn)生的人造太陽能(聚變核能)幾乎占100%，煤炭、石油、天然氣、裂變核燃料加起來也不足千萬分之一。所以，人類使用的能源歸根到底要依靠太陽能，太陽能是人類永恒發(fā)展的能源保證。 世界能源儲量分布與利用世界非再生能源儲量分布: 中東地區(qū): 石油儲量最多, 占56.8%；歐洲: 天然氣和煤炭儲量最多, 各占54.6%和45%亞洲、大洋洲: 煤炭各占18% 石油、天然氣只有5%我國能源資源地區(qū)分布不均衡煤炭，主要集中在華北和西北石油、天然氣，主要分布在黑龍江、遼寧、河北、河南、山東、四川、甘肅和新疆等省區(qū)內(nèi)可開發(fā)水力資源有，主要集中在西南太陽能和風(fēng)能資源豐富，有很大利用潛力。我國能源資

4、源豐富煤炭資源(探明儲量)和水力資源均居世界第一位；石油資源占世界第十一位；天然氣資源占世界第十四位；太陽能資源居世界第二位；潮汐、地?zé)?、風(fēng)力和核燃料資源都很豐富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。利用能源的過程直接污染地球環(huán)境。主要來源：1) 煤、石油等燃料的燃燒；2) 汽車排放的廢氣；3) 工業(yè)生產(chǎn)(化工廠、煉焦廠等)過程中產(chǎn)生的廢氣。大氣污染：1) 酸雨問題；2) 溫室效應(yīng)；3) 臭氧層破壞。能源問題 即環(huán)境與能源關(guān)系問題 聯(lián)合國提出可持續(xù)發(fā)展概念，即要滿足當(dāng)代人的需要，又要考慮不損害后代的需要。因此, 今后的能源戰(zhàn)略是多元結(jié)構(gòu)的能源系統(tǒng)和高效清潔的能源技術(shù)。二、能源技術(shù) 1. 潔

5、煤技術(shù) 煤碳的污染物和二氧化碳可能導(dǎo)致全球變暖?，F(xiàn)在有兩條潔煤途徑： (1) 先進(jìn)燃燒和污染處理，潔煤技術(shù)可用于燃燒前、中、后期。 (2) 氣化和液化煤，將煤轉(zhuǎn)化為含一氧化碳和氫的“合成氣”。2. 煤炭液化(煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)之一) 對固體煤炭以特殊方法進(jìn)行化學(xué)加工成為液態(tài)后，可作液體燃料和化工原料使用。從工藝上可分為直接液化: 在高溫高壓下加氫，使煤炭直接生成液態(tài)物質(zhì)；間接液化: 先把煤炭氣化，制成煤氣，再合成為液體燃料。煤炭液化技術(shù)復(fù)雜，難度高，投資大，比天然石油成本高，目前還沒有競爭能力。3. 煤炭氣化 (煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的一個重要部分)現(xiàn)狀：煤炭自身氫碳比低，含有灰分、硫分等雜質(zhì)，在開采、運

6、輸、燃燒過程中會污染環(huán)境，燃燒時熱效率低。煤炭氣化目的： 制取清潔的氣體燃料； 制取化工合成用的氣體原料。地上氣化 采出煤炭后進(jìn)行熱加工的一種過程: 以煤炭作為原料，以氧或氫作氣化介質(zhì)，控制氧化程度，使煤炭轉(zhuǎn)化成為一氧化碳、氫和甲烷等可燃性氣體。地下氣化 在未經(jīng)開采的煤層中進(jìn)行的熱加工過程: 通過從地面鉆進(jìn)的一批特定鉆孔，把氣化介質(zhì)送進(jìn)煤層，使煤炭在地下進(jìn)行發(fā)生爐煤氣反應(yīng)，生成的煤氣從另一批特定鉆孔引出。4. 石油的精煉 目的 從復(fù)雜的原油中提取粘度較小的能充分燃燒 把不好的分子轉(zhuǎn)變?yōu)楹玫姆肿尤玳L鏈烷烴容易引起汽缸爆震現(xiàn)在觀點，大多數(shù)石油是由埋藏在地下沉積層中的有機(jī)物經(jīng)過幾百萬年在75200的

7、溫度下形成的。 微生物將地表以下的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，剩下的埋藏在深層地?通常具有商業(yè)價值的油田都位于地表以下500米700米深處，最深的油井在約6公里深的地底)的有機(jī)物則在溫度和壓力下經(jīng)過分解及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成石油。精煉方法: 先根據(jù)不同沸點把不同成分分離開， 然后除硫再向高辛烷轉(zhuǎn)變。 5. 天然氣液化 通過施加一定高壓，使天然氣由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，貯存在專門容器內(nèi)。天然氣是埋藏在地層深處的一種富含碳?xì)浠衔锏目扇細(xì)怏w，由億萬年前的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重質(zhì)氣態(tài)烴類。甲醇俗稱“木精”，性能穩(wěn)定，象石油一樣能直接當(dāng)作燃料，使用時不污染環(huán)境，便于運輸和

8、貯存。20世紀(jì)末，甲醇合成技術(shù)已獲成功，如果在天然氣產(chǎn)地附近設(shè)立甲醇工廠，把天然氣加工成甲醇，可經(jīng)濟(jì)合理地解決天然氣液化問題。 6. 水能的利用 水力發(fā)電優(yōu)點，經(jīng)濟(jì)、干凈和易維修葛州壩水利樞紐裝機(jī)容量為271萬千瓦三峽水電站總?cè)萘繛?768萬千瓦當(dāng)今世界僅次于三峽水電站的第二大的水電站-伊泰普水電站,位于巴拉那河流經(jīng)巴西與巴拉圭兩國邊境的河段. 總裝機(jī)容量1260萬千瓦，年發(fā)電量可達(dá)750億度。7. 蓄能技術(shù)針對熱能或電能儲存，著眼于大規(guī)模、長時間應(yīng)用。電能儲存是當(dāng)前研究的重點。 蓄能技術(shù)一般要求: 儲能密度大 變換損耗小 運行費用低 維護(hù)較容易不污染環(huán)境根據(jù)這些要求衡量，抽水蓄能方案較優(yōu)越電

9、的蓄能技術(shù)大致分三類： 直接儲存電磁能 超導(dǎo)線圈蓄能系統(tǒng) 把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存 鉛電池,鈉硫電池,鋅氯電池,鋰電池等 把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲存 壓縮空氣, 需要時釋放電池：儲存電能轉(zhuǎn)化而來的化學(xué)能鉛酸電池中的鉛在回收中容易流失，對環(huán)境存在二次污染鎳氫電池：一種密封電池，可以在任何位置下工作，使用方便。特點：可隨時充放，循環(huán)使用，且不用維護(hù)。以過充過放為一次使用過程，預(yù)計可使用1000次。鋰電池: 采取了3層保護(hù)措施，可抗過充過放，使用更安全方便。特點: 體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長、環(huán)保(不需要回收) 。燃?xì)潆姵?、納米碳管(一個裝電的容器，像擰水龍頭一樣放電)將是電動自行車動力源未來的發(fā)展方向。

10、 。 由于它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵觯员环Q為燃料電池。它是利用氫和氧生成水的過程來產(chǎn)生電力的一種裝置。 燃料電池：第四種電力(電力火電、水電、核電為三種當(dāng)今能以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的電力)工作原理: 通過物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì))-燃料和氧化劑, 促使物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的發(fā)電機(jī)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的固體電解質(zhì)板所組成。工作時向負(fù)極供給燃料(氫H2)，向正極供給氧化劑(空氣O2)。氫在負(fù)極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載

11、就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。燃料電池的用途: 電動車動力源,可移動電源、家庭電源與分散電站等三、能源利用與開發(fā) 1. 常見的能源 (1)熱能及其到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換紐科曼(T.Newcomen，16631729)1711年發(fā)明蒸氣機(jī)瓦特(J.Watt，17361819) 1765年發(fā)明分離冷凝器，使蒸氣機(jī)成為主要動力裝置。熱機(jī)效率：430以上卡諾循環(huán) 熱能及其到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換 天然氣的開發(fā)； 地?zé)崮埽坏責(zé)崮苁莵碜缘貧ぶ碌母邷啬茉?。一個典型的地?zé)崮茈妶隹梢暂p松地輸送100MW電量，這是風(fēng)能和太陽能所無法企及的。 (2)

12、電能電能指電以各種形式做功的能力。有直流電能、交流電能、高頻電能等，這幾種電能均可相互轉(zhuǎn)換。 (3)機(jī)械能 水力發(fā)電； 海洋能(潮汐能、海浪能、溫差能)； 風(fēng)能利用 (4)太陽能 光電轉(zhuǎn)換方式； 光熱轉(zhuǎn)換方式； 光化學(xué)轉(zhuǎn)換方式。家用太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)工作原理1）晴天的白天：太陽能電池板陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電力，再經(jīng)由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔀橛秒娫O(shè)備供電的交流電力。發(fā)電電力大于用電設(shè)備的消費電力時剩余電力將被返送回電網(wǎng)，電力公司將依據(jù)售電電能表記錄的數(shù)值支付給用戶相應(yīng)的費用。2）多云或陰雨天氣的白天：此種天氣下，我們的太陽能系統(tǒng)根據(jù)實際的日射量仍可以發(fā)電，但此時發(fā)電量較少，當(dāng)用電設(shè)備消費電力較大時，不足部

13、分將由電力公司通過電網(wǎng)補充提供。3）夜晚：夜間太陽能發(fā)電系統(tǒng)不提供電力，用電設(shè)備由電力公司提供的常規(guī)電力供電。 光熱轉(zhuǎn)換光熱轉(zhuǎn)換就是把太陽輻射能通過各種集熱裝置（集熱器）轉(zhuǎn)變成熱能。太陽能熱發(fā)電；太陽能高溫爐冶煉高溫材料；太陽能節(jié)能建筑太陽房；利用太陽能使海水淡化；太陽池（鹽湖水太陽能發(fā)電技術(shù)）；太陽能熱水器。最基本的應(yīng)用熱水器在某些國家太陽能已成為熱水生產(chǎn)的主要方式，帶來良好的環(huán)境效應(yīng)。10 MW 太陽能電廠 in Barstow, California大面積收集熱，利用蒸氣機(jī)發(fā)電。1900定日鏡；每個 20 ft 20 ft；中心塔高 295 ft；總效率可達(dá) 25%.太陽能光熱電轉(zhuǎn)換首次

14、實現(xiàn)太陽能熱泵中央熱水系統(tǒng)方案，以太陽能為主要熱源，輔以少量的電能驅(qū)動雙熱源熱泵，保證了陰雨天氣及冬季太陽能資源不足時熱水供應(yīng)，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。 北京月壇奧運會游泳館太陽能塑料菜棚太陽能熱水器光電轉(zhuǎn)換 通過太陽能電池（光電池、光伏電池）將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變成電能。太陽能電池的工作原理是光電效應(yīng)。太陽能電池已廣泛應(yīng)用于宇宙飛行器；太陽能電池還用來作為交通工具的能源；太陽能電池應(yīng)用在自動控制領(lǐng)域；太陽能電池還可以用來發(fā)電（光伏電站）。太陽能紅綠燈太陽能景觀燈美國無人駕駛太陽能飛機(jī)太陽能汽車?yán)锰柲艿碾妱榆?上海世博會主體建筑屋頂上的太陽能裝置阿姆斯特丹附近的“太陽能村”(位于阿姆斯福特

15、市)是一個近年建成的以建筑節(jié)能為中心的、裝機(jī)容量名列世界前茅的太陽能發(fā)電居住區(qū)，也是當(dāng)今荷蘭住宅建設(shè)的示范項目。太陽能住宅光化學(xué)轉(zhuǎn)換用光和物質(zhì)相互作用引起化學(xué)變化的過程稱光化學(xué)轉(zhuǎn)換。 綠色植物的光合作用； 利用光化學(xué)電池制氫。光化學(xué)轉(zhuǎn)換到目前為止還只限于實驗室試驗，沒有重大突破。(5)氫能“喝”氫的汽車越來越多的科學(xué)家相信未來潔凈能源的最大一部分也許就藏在海底或高緯度永凍區(qū)。有專家預(yù)測，可燃冰至少能為人類提供1000年的能源，它將來有望替代煤、石油和天然氣，成為“21世紀(jì)的新能源”?？扇急膶W(xué)名是天然氣水合物(Gas Hydrates ),這是天然氣和水在特定的條件下所形成的一種透明的冰狀結(jié)晶

16、體,又稱“氣冰”、“固體瓦斯”。外貌類似冰雪，可以像酒精塊一樣燃燒，故稱為“可燃冰”。是一種清潔高效、使用方便的新能源。2. 超級能源：可燃冰 可燃冰的性能能量密度高，燃燒值高。1m3相當(dāng)于164m3的天然氣。清潔無污染（幾乎不產(chǎn)生任何燃燒廢棄物，SO2比燃燒油或煤低2個數(shù)量級）使用方便。壓力降低就足以使天然氣水合物晶體分解并釋放出大量甲烷氣體。注意：甲烷的溫室效應(yīng)比CO221倍，是一種對環(huán)境破壞作用最大的溫室氣體危險性高可燃冰的開發(fā)利用1810年，英國，達(dá)威在實驗室發(fā)現(xiàn)“天然冰”。 雖然是塊香餑餑，但開發(fā)利用仍然很困難：勘探定位技術(shù)， 開采技術(shù);提制可燃?xì)獾募夹g(shù);運輸?shù)膯栴};低成本開發(fā)其它：

17、未燃燒的天然氣水合物直接排入大氣產(chǎn)生的強(qiáng)烈溫室效應(yīng)未燃燒的天然氣水合物對海底已有油氣管道造成危險對魚的生長的威脅對航行的威脅天可燃冰如何保持高壓、低溫狀態(tài)等3. 裂變反應(yīng)堆核電站 裂變發(fā)現(xiàn)及裂變能的釋放裂變的發(fā)現(xiàn)1934年，費米(E.Fermi，意大利，19011954)1938年，居里夫人實現(xiàn)中子使鈾核裂變；1939年，哈恩(O.Hahn，18791968)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)，重復(fù)了居里的實驗；L.meitner和O.R.Frisch對此做出正確解釋，首次引入fission(裂變)一詞；1947年，錢三強(qiáng)和何澤慧進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)裂變的三分裂和四分裂現(xiàn)象。2) 核裂變的特點(1

18、) 裂變過程釋放巨大能量1g的鈾裂變所釋放的能量，相當(dāng)于3噸以上的煤燃燒所釋放的能量。(2) 裂變產(chǎn)物有多種組合方式，裂變時放出中子 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可能性和可控性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可能性中子增殖一次鈾核裂變中，平均可以放出2.4個中子2) 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以控制緩發(fā)中子 可控式鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的實現(xiàn)1) 中子必須慢化核裂變中釋放的中子，動能大多在Mev的數(shù)量級，必須使快中子慢化為熱中子。慢化劑：水，重水，石墨等。2) 臨界體積增殖系數(shù)加大K的方法： 提高濃縮鈾中235U的比例 加大反應(yīng)體的體積事實證明：當(dāng)反應(yīng)體積達(dá)到一定的臨界體積時，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會持續(xù)。3) 用控制棒控制反應(yīng)堆的速率控制棒：易于吸收中子的硼或鎘核反應(yīng)堆，

19、又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。 核反應(yīng)堆=裂變原子核熱載體 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的歷史(1942年12月2日)原子彈、氫彈、中子彈核電站簡介核電站利用原子核裂變反應(yīng)所放出的核能，由冷卻劑帶出，把水加熱為蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。兩個回路系統(tǒng)核蒸氣供應(yīng)系統(tǒng)蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)工作的系統(tǒng)秦山核電站(30萬千瓦)，1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電坐落于浙江海鹽縣秦山雙龍崗的鳥瞰圖 大亞灣核電站(290萬千瓦)臺灣6座, 40。美國109座, 供電量占全國21%；法國56座, 80%；日本，德國，俄羅斯，加拿大均有大量的核電站。美國日本蘇聯(lián)莫斯科附近(1954第一

20、座)法國格拉弗林檬電站(世界第一) 1954年，前蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站；現(xiàn)在世界上有30多個國家的400多座核電站在運行，占世界總電力的20%左右；我國秦山核電站、大亞灣核電站已建成和正式發(fā)電，秦山二期、三期核電工程、嶺澳核電工程、連云港核電工程也將于近年內(nèi)建成發(fā)電。核電站的安全性 一般來說，如果防范措施得當(dāng)，核電站是很安全的。歷史上曾發(fā)生過兩次核電站核泄露事故： 一次是1979年3月18日，美國三里島核電站堆芯熔毀； 另一次是1986年4月26日，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站4號反應(yīng)堆發(fā)生爆炸。核電站的主要問題是放射性核廢料的處理、儲存和最終處置。4. 生物能生物能也叫生物質(zhì)能，它是指綠色植

21、物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量；生物質(zhì)能的種類繁多，目前可被利用的大致有六大類：(1)木材和森林工業(yè)廢棄物（樹枝、樹葉、樹根等）； (2)農(nóng)業(yè)廢棄物（秸桿、果核、玉米芯等）；(3)水生植物（藻類等）；(4)油料作物（棉籽、麻籽、油桐等）；(5)城市與工業(yè)有機(jī)廢棄物（垃圾和食品、屠宰、制酒、制紙工業(yè)的排泄物等）；(6)糞便。56 微藻制油 微藻，這些廣泛分布于鹽堿水、淡水、海水、沼澤、溫泉等水域的微小生物，因其具有生物量大、生長周期短、易培養(yǎng)及脂類含量較高等特點，成為制備生物質(zhì)能源的良好材料。據(jù)新奧科技發(fā)展有限公司生物質(zhì)能源研究中心總經(jīng)理劉敏勝介紹，目前世界上已知的微

22、藻種類達(dá)到幾千萬種，經(jīng)過認(rèn)證可以利用的有幾萬種?！暗嬲龑崿F(xiàn)利用的微藻目前只有幾十種，還有很大的潛力可挖?！?2007年，美國啟動了微藻能源計劃，稱為“微型曼哈頓計劃”；2008年10月，英國碳基金公司啟動了目前世界上最大的藻類生物燃料項目，投入2600萬英鎊用于發(fā)展相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，該項目預(yù)計到2020年實現(xiàn)商業(yè)化。廈門大學(xué)中國能源經(jīng)濟(jì)研究中心主任林伯強(qiáng)在接受中國經(jīng)濟(jì)周刊采訪時表示，中國煤炭行業(yè)的產(chǎn)能目前在30億噸31億噸，1噸煤產(chǎn)生2.5噸二氧化碳排放，碳吸收和碳利用是今后一個很重要的方向。記者獲悉，占地1平方公里的養(yǎng)藻場一年可處理5萬噸二氧化碳。照此計算，假設(shè)有15萬平方公里養(yǎng)藻場，即可全部處理煤炭產(chǎn)生的二氧化碳。 5. 風(fēng)能風(fēng)能是太陽輻射造成地球各部分受熱不均，引起空氣運動而產(chǎn)生的能量；風(fēng)能的利用主要靠風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械；利用風(fēng)力可以發(fā)電、提水、助航、制冷、致熱等。6. 地?zé)崮艿厍騼?nèi)部蘊藏著的熱能稱為地?zé)崮?，來?1)高溫巖漿，(2)巖石中放射性元素衰變；在地球上所有的能源中，