能量的轉(zhuǎn)換與儲存

第二章能量的轉(zhuǎn)換與儲存第三節(jié)：能量轉(zhuǎn)換的主要燃料第四節(jié)：機(jī)械能的獲取第五節(jié)：能量的儲存第六節(jié)：能量的傳輸1第三節(jié)能量轉(zhuǎn)換的主要燃料2燃料通常是指能夠通過燃燒過程而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的物質(zhì)。所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其它含能體；所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的含能體。常用的化石燃料為煤、石油和天然氣，化石燃料有時又稱為礦物燃料。3核燃料天然鈾有三種同位素：鈾—238，占99.27%；鈾—235，占0.724%；鈾—234，占0.006%。這三種同位素化學(xué)性質(zhì)基本相同。但中子數(shù)目不同；鈾—238有146個中子，鈾—235有143個中子，鈾—234有142個中子。這三種同位素的核特性相差很大，只有鈾—235的原子核才容易分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核，也就是我們所說的裂變。其它兩種同位素不易裂變。45第四節(jié)機(jī)械能的獲取6機(jī)械能的獲取

7將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能是目前獲得機(jī)械能的最主要的方式。熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱之為熱機(jī)。因為熱機(jī)能為各種機(jī)械提供動力，故通常又將其稱之為動力機(jī)械。一、熱能的轉(zhuǎn)換1.熱機(jī)的效率應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)有內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。8內(nèi)燃機(jī)主要為各種運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械提供動力，也用于可移動的發(fā)電機(jī)組。蒸汽輪機(jī)主要用于發(fā)電廠中，用它帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；也作為大型船舶的動力；或拖動大型水泵和大型壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)除用于發(fā)電外，還是飛機(jī)的主要動力來源，也用作船舶的動力。廣泛應(yīng)用的電能主要由機(jī)械能轉(zhuǎn)換得到。在火力發(fā)電廠中蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；在水電站中水能先轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的機(jī)械能，水輪機(jī)再帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。92.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)包括汽油機(jī)和柴油機(jī)，是應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)。大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)是往復(fù)式，有氣缸和活塞。內(nèi)燃機(jī)有很多分類方法，但常用的是根據(jù)點火順序分類或根據(jù)氣缸排列方式分類。按點火或著火順序可將內(nèi)燃機(jī)分成四沖程發(fā)動機(jī)和二沖程發(fā)動機(jī)。10應(yīng)用廣泛11四沖程發(fā)動機(jī)完成一個循環(huán)要求有四個完全的活塞沖程：

1）進(jìn)氣沖程：活塞下行，進(jìn)氣門打開，空氣被吸入而充滿氣缸。2）壓縮沖程：所有氣門關(guān)閉，活塞上行壓縮空氣，在接近壓縮沖程終點時，開始噴射燃油。3）膨脹沖程（即下行沖程）：所有氣門關(guān)閉，燃燒的混合氣膨脹，推動活塞下行，此沖程是四個沖程中唯一做功的沖程。4）排氣沖程：排氣門打開，活塞上行將燃燒后的廢氣排出氣缸，開始下一個循環(huán)。12四沖程發(fā)動機(jī)13二沖程發(fā)動機(jī)是將四沖程發(fā)動機(jī)完成一個工作循環(huán)所需要的四個沖程納入二個沖程中完成。當(dāng)活塞在膨脹沖程中沿氣缸下行時，首先開啟排氣口，高壓廢氣開始排入大氣。當(dāng)活塞向下運(yùn)動時，同時壓縮曲軸箱內(nèi)的空氣—燃油混合氣；當(dāng)活塞繼續(xù)下行時，活塞開啟進(jìn)氣口，使被壓縮的空氣—燃油混合汽從曲軸箱進(jìn)入氣缸。在壓縮沖程，活塞先關(guān)閉進(jìn)氣口，然后關(guān)閉排氣口，壓縮氣缸中的混合氣。在活塞將要到達(dá)上止點之前，火花塞將混合氣點燃。于是活塞被燃燒膨脹的燃?xì)馔葡蛳滦?，開始另一膨脹做功沖程。當(dāng)活塞在上止點附近時，化油器進(jìn)氣口開啟，新鮮空氣—燃油混合氣進(jìn)入曲軸箱。14

二沖程發(fā)動機(jī)15二沖程發(fā)動機(jī)16四沖程發(fā)動機(jī)和二沖程發(fā)動機(jī)相比，經(jīng)濟(jì)性好，滑潤條件好，易于冷卻；但二沖程發(fā)動機(jī)運(yùn)動部件少，重量輕，發(fā)動機(jī)運(yùn)動較平穩(wěn)。

內(nèi)燃機(jī)只能將燃料熱能中的25%~45%轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其余部分大多被排氣或冷卻介質(zhì)帶走。因此如何利用內(nèi)燃機(jī)排氣中的能量就成了提高內(nèi)燃機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性中的主要問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，絕熱柴油機(jī)、全電子控制內(nèi)燃機(jī)、燃用天然氣、醇類代用燃料和氫的新型發(fā)動機(jī)都相繼問世。進(jìn)入21世紀(jì)，由于環(huán)境問題日益突出，因此研制新一代高效低排放的發(fā)動機(jī)已成為科學(xué)家們共同努力的目標(biāo)。173.燃汽輪機(jī)燃汽輪機(jī)和蒸汽輪機(jī)最大的不同是，它不是以水蒸汽做工質(zhì)而是以氣體做工質(zhì)。燃料燃燒時所產(chǎn)生的高溫氣體直接推動燃汽輪機(jī)的葉輪對外作功，因此以燃汽輪機(jī)作為熱機(jī)的火力發(fā)電廠不需要鍋爐。它包括三個主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。18compressorCombustionchamberturbine19輻流式燃汽輪機(jī)20定子盤和轉(zhuǎn)子盤21軸流式燃汽輪機(jī)2223小型燃?xì)廨啓C(jī)24CompressorandDiffuserCompressorandDiffuserTurbineWheels25燃汽輪機(jī)具有以下優(yōu)點：1）重量輕、體積小、投資省。燃汽輪機(jī)的重量及所占的容積只有汽輪機(jī)裝置的幾分一或幾十分之一，因此它耗材少，投資費用低，建設(shè)周期短。2）起動快、操作方便。從冷態(tài)起動到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機(jī)裝置則需幾分鐘到幾小時。3）水、電、潤滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水的地區(qū)運(yùn)行；輔助設(shè)備用電少，潤滑油消耗少，通常只占燃料費的1%左右，而汽輪機(jī)要占6%左右。264.汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)，簡稱汽輪機(jī)，是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的熱機(jī)。汽輪機(jī)單機(jī)功率大、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)，在現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電站中都用它驅(qū)動發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電量占總發(fā)電量的80%以上。此外汽輪機(jī)還用來驅(qū)動大型鼓風(fēng)機(jī)、水泵和氣體壓縮機(jī)，也用作艦船的動力。27282930汽輪機(jī)如何工作A228MWaxialflowturbine.AxialflowofsteamChangeofradialmomentumdrivesrotorroundMiniaturelab.turbineRotormotion.31GasflowthroughtheturbineThediameterofthecompressorstagesgetsprogressivelysmallerasthegaspressurerises.Conversely,theturbinestagesgetprogressivelybiggerasthehotgasexpands,transferringmomentumtotheturbinebladesandpushingthemround.32二、水能和風(fēng)能的轉(zhuǎn)換三、電能的轉(zhuǎn)換33第五節(jié)能量的儲存34一、概述在機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、輻射能、核能等六種主要類型的能量中，除輻射能外，都能儲存在一些普通種類的能量形式中。機(jī)械能——以動能、勢能形式儲存。熱能——以潛熱、顯熱形式儲存。電能——感應(yīng)場能或靜電場能?；瘜W(xué)能、核能——自身即為儲能形式。35主要指標(biāo)儲能密度儲存過程的能量損耗儲存裝置的經(jīng)濟(jì)性儲能和取能的速率壽命（重復(fù)使用的次數(shù)）對環(huán)境的影響36二、機(jī)械能的儲存以動能形式儲存飛輪以勢能形式儲存。彈簧、扭力桿和重力裝置壓縮空氣儲能抽水蓄能電站純抽水蓄能電站混合式抽水蓄能電站

37飛輪動能儲存系統(tǒng)38SatCon飛輪能量儲存系統(tǒng)可以提供常規(guī)鉛酸蓄電池50倍的能量儲存容量NASA開發(fā)的飛輪能量儲存技術(shù)39液態(tài)空氣能量儲存系統(tǒng)40從上世紀(jì)80年代開始起步，到目前為止，我國已在9個省、區(qū)、市建成11座抽水蓄能電站，裝機(jī)容量約為570萬kW，占全國裝機(jī)容量的1.8％。大型電站廣州電站，裝機(jī)容量240萬kW浙江天荒坪電站，裝機(jī)容量180萬kW北京十三陵電站，裝機(jī)容量80萬kW河北潘家口電站，裝機(jī)容量27萬kW4142三、電能的儲存蓄電池發(fā)展方向：廉價、高效、能大規(guī)模儲能靜電場和感應(yīng)電場電容器在直流電路中廣泛用作儲能裝置；在交流電路中則用于提高電力系統(tǒng)或負(fù)荷的功率因數(shù)，調(diào)整電壓高電壓技術(shù)、高能核物理、激光技術(shù)、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器超導(dǎo)磁鐵蓄能43蓄電池利用電化學(xué)原理44蓄電池蓄電池由正極、負(fù)極、電解液、隔膜和容器等5部分組成。45蓄電池作為電能儲存系統(tǒng)4647帶有超導(dǎo)磁鐵的飛輪電力儲存系統(tǒng)48四、熱能的儲存熱能儲存是把一個時期內(nèi)暫時不需要的多余熱量通過某種方式收集并儲存起來，等到需要時再提取使用。顯熱儲存潛熱儲存化學(xué)儲存地下含水層儲存熱能49儲存時間隨時儲存，以小時或更短的時間為周期，隨時調(diào)整熱能供需之間的不平衡；短期儲存，以天或周為儲熱周期，維持一天（或一周）的熱能供需平衡；長期儲存，以季節(jié)或年為儲存周期，調(diào)節(jié)季節(jié)（或年）的熱量供需關(guān)系。501.顯熱式蓄熱蓄熱裝置設(shè)計、運(yùn)行和管理簡單方便裝置體積龐大熱損失大2.潛熱儲存利用蓄熱材料發(fā)生相變而儲熱儲能密度高，裝置體積小，熱損失小過程等溫或近似等溫，易與運(yùn)行系統(tǒng)匹配。51熱量儲存523.化學(xué)能儲存一種高能量密度的儲存方法利用某些物質(zhì)在可逆化學(xué)反應(yīng)中的吸熱和放熱過程來達(dá)到熱能的儲存和提取技術(shù)上困難，目前尚難實際應(yīng)用4.地下含水層儲熱含水層儲冷：冬季將凈化過的冷水用管井灌入含水層里儲存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。含水層儲熱：夏季將高溫水或工廠余熱水經(jīng)凈化后用管井灌入含水層里儲存，到冬季時抽取使用，叫“夏灌冬用”53地下含水層儲熱54第六節(jié)能量的傳輸55一、概述能量的傳輸實質(zhì)上是能量在空間的轉(zhuǎn)移。廣義上的能量傳輸通常有兩種含義：一種含義是指能量本身的傳遞，即能量從某一處傳至另一處，例如熱量從高溫物體傳至低溫物體。另一種含義是指能源的輸運(yùn)，即含能體如煤、石油、天然氣等從生產(chǎn)地向用能處輸送。56能源輸送是能源利用中的一個重要環(huán)節(jié)。能源輸送方式很多，通常有鐵路、水路、公路、管道、輸電線路等多種方式。不同的輸送方式有不同的特點和適用范圍。受資源分布、能源消費多寡、交通運(yùn)輸格局等諸多因素的影響，能源輸送工作是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。57二、電能的輸送

電能的特點是發(fā)電、傳輸、用電都是同時發(fā)生。由于目前尚不能大規(guī)模地儲存電能，因此電能生產(chǎn)中的發(fā)電、供電、配電必須緊密配合，具有不間斷連續(xù)工作的功能，用戶在每一瞬間需要多少電，就能夠供給多少電。電力過剩就會造成電力生產(chǎn)能力的積壓浪費，電力短缺就會影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。采用大機(jī)組發(fā)電，建設(shè)大電網(wǎng)，提高輸電電壓成為電力工業(yè)發(fā)展的趨勢。581.電力產(chǎn)生2.通過升壓變電站電壓升高3.電能傳送4.通過降壓變電所降低電壓5.分配電力6.到達(dá)需要電力的地點59電能的輸送60升壓和降壓變壓器61我國電能輸送存在的問題是：電壓等級偏低，電壓層次過多，造成重復(fù)容量多，線路長、線損高，事故多，調(diào)度不靈。輸電方式單一，缺乏超高壓直流輸電。電網(wǎng)容量小，聯(lián)網(wǎng)發(fā)展緩慢，影響了電網(wǎng)整體效益的發(fā)揮。變配電設(shè)備陳舊老化，難以適應(yīng)電力輸送發(fā)展的需要。62三、煤炭的輸運(yùn)

1.煤炭的鐵路輸送

我國煤炭輸送主要是以山西、陜西和內(nèi)蒙西部（所謂“三西”）為中心向全國缺煤省市輸送。632.煤炭的水路輸送

海運(yùn)是北煤南運(yùn)的主通道，華北煤炭供應(yīng)華東和華南地區(qū)，海運(yùn)約占55%，鐵路直達(dá)運(yùn)輸約占43%。除了海運(yùn)外，長江和大運(yùn)河北段也是煤炭的主要水運(yùn)通道。3.煤炭的公路運(yùn)輸

公路主要承擔(dān)短距離的煤炭輸運(yùn)，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦生產(chǎn)規(guī)模小，布點分散，大量煤炭靠汽車集運(yùn)到鐵路車站。由于鐵路運(yùn)力不足，公路運(yùn)輸作為輔助運(yùn)輸手段，對煤炭的運(yùn)輸也起到了重要作用。

64四、石油和天然氣的輸運(yùn)

1.石油天然氣產(chǎn)銷區(qū)域分布

我國原油產(chǎn)地主要在長江以北，其中大慶、勝利和遼河油田的原油產(chǎn)量約占全國的60%，而對煉油能力而言，遼寧、吉林、黑龍江約占30%，京津冀占11%，山東占8%，蘇浙滬占19%，長江中游11%，廣東9%，西北11%，西南地區(qū)則沒有大、中型煉油廠，成品油基本上以煉油廠為中心就地供應(yīng)，但也有相當(dāng)數(shù)量的長距離跨省區(qū)輸送。65我國原油的輸送主要是通過管道、水運(yùn)和鐵路，其中管道是主力。1990年管道輸油占64.62%，水運(yùn)占28.54%，鐵路占6.84%；1996年則分別為69.0%,21.1%和9.9%。對水運(yùn)和鐵路而言，1990~1995年油的運(yùn)量占水運(yùn)總量的23%，鐵路則僅為4.5%。天然氣則幾乎全部采用管道運(yùn)送。2.石油輸送

原油輸送以管道輸送為主，通常陸上油田向煉油廠輸送原油的方式有三種：通過管道直接輸送到煉油廠；原油經(jīng)管道輸送再轉(zhuǎn)海運(yùn)或江運(yùn)至煉油廠；原油管道運(yùn)輸轉(zhuǎn)鐵路送至煉油廠。

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