第一章新能源技術(shù)緒論課件

新能源技術(shù)

TechnologyofNewEnergy

1/5/20251目錄一、新能源緒論2學(xué)時(shí)二、太陽能4學(xué)時(shí)三、氫能與燃料電池6學(xué)時(shí)四、風(fēng)能2學(xué)時(shí)五、地?zé)崮?學(xué)時(shí)六、海洋能2學(xué)時(shí)七、生物質(zhì)能6學(xué)時(shí)八、其他能源2學(xué)時(shí)考試2學(xué)時(shí)1/5/20252

參考書

21世紀(jì)可持續(xù)能源叢書；化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005年

第一章緒論

《能源與可持續(xù)發(fā)展》王革華編第二章太陽能

《太陽能利用技術(shù)》羅運(yùn)俊編第三章風(fēng)能

《風(fēng)能開發(fā)利用》張希良編第四章生物質(zhì)能

《生物質(zhì)能資源清潔轉(zhuǎn)化利用技術(shù)》姚向君編第五章海洋能

《海洋能資源開發(fā)利用》褚同金編第六章地?zé)崮?/p>

《地?zé)豳Y源及其開發(fā)利用和保護(hù)》劉時(shí)彬編第七章氫能

《氫能-21世紀(jì)的綠色能源》毛宗強(qiáng)編

《能源概論》黃素逸高偉編1/5/20253第一章新能源緒論能量能源新能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)與新能源技術(shù)國家戰(zhàn)略與新能源技術(shù)新能源技術(shù)工程師的位置1/5/202541.1能量的定義1.2能量的主要形式1.3能量的屬性1.4能量的單位1.5能量的轉(zhuǎn)換與利用

1.能量

1/5/20255能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的度量。能量是人類社會(huì)進(jìn)步的動(dòng)力。

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，一切物質(zhì)都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以一切物質(zhì)都具有能量。1.1能量的定義生命在于運(yùn)動(dòng)生命就是能量的最高表現(xiàn)1/5/202561.2能量的主要形式

機(jī)械能：物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與位能之和，又分低位和高位熱能（一般以400C為界）；電能化學(xué)能核能輻射能:與物體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)或空間狀態(tài)相關(guān)的能量，動(dòng)能與勢(shì)能；熱能：與電荷的運(yùn)動(dòng)和積蓄有關(guān)的能量；：通過化學(xué)反應(yīng)釋放的能量；：通過核反應(yīng)釋放的能量；：物體以電磁波的形式發(fā)射的能量。1/5/20257機(jī)械能如果質(zhì)量為m的物體的運(yùn)動(dòng)速度為v則該物體的動(dòng)能Ek可以用下式計(jì)算：重力勢(shì)能Ep可以用下式計(jì)算：1/5/20258熱能構(gòu)成物質(zhì)的微觀分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能總和稱為熱能。這種能量的宏觀表現(xiàn)是溫度的高低，它反映了分子運(yùn)動(dòng)的激烈程度。通常熱能Eq可表述成如下的形式：dS-熵變化1/5/20259電能電能是和電子流動(dòng)與積累有關(guān)的一種能量，通常由電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來，或是通過發(fā)電機(jī)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換得到；反之，電能也可以通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而顯示出電做功的本領(lǐng)。U-電動(dòng)勢(shì)I-電流1/5/202510化學(xué)能化學(xué)能是物質(zhì)結(jié)構(gòu)能的一種，即原子核外進(jìn)行化學(xué)變化時(shí)放出的能量。按化學(xué)熱力學(xué)定義，物質(zhì)或物系在化學(xué)反應(yīng)過程中以熱能形式釋放的內(nèi)能稱為化學(xué)能。H2+O2=H2O△H1/5/202511核能核能是蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能。輕質(zhì)量的原子核（氘、氚等）和重質(zhì)量的原子核（鈾等）核子之間的結(jié)合力比中等質(zhì)量原子核的結(jié)合力小，這兩類原子核在一定的條件下可以通過核聚變和核裂變轉(zhuǎn)變?yōu)樵谧匀唤绺€(wěn)定的中等質(zhì)量原子核，同時(shí)釋放出巨大的結(jié)合能。這種結(jié)合能就是核能?！鱁=mc21/5/202512輻射能輻射能是物體以電磁波形式發(fā)射的能量。物體的輻射能Er可由下式計(jì)算：ε-物體發(fā)射率С0-黑體輻射系數(shù)T-物體絕對(duì)溫度1/5/2025131.3能量的屬性●量的屬性----熱力學(xué)第一定律自然界遵循的2大定律各種能量在第一定律面前人人平等，并具有可加和性。沒有品質(zhì)高低之分。光有第一定律顯然是不夠的??！物質(zhì)守恒與轉(zhuǎn)換定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律1/5/202514

●質(zhì)的屬性----熱力學(xué)第二定律電能＞機(jī)械能＞高溫?zé)崮埽境責(zé)崮艿蜏責(zé)崮埽ɡ淞浚境責(zé)崮苣芰渴怯衅焚|(zhì)高低之分的。第二定律指出：任何事物的變化都伴隨著能量質(zhì)的變化，能量的品質(zhì)只能從高走向低，而不可能自發(fā)的從低走向高，最多是保持品質(zhì)不變。因此，任何過程都是一個(gè)能量貶值的過程!!1/5/202515能量的屬性狀態(tài)性可加性傳遞性轉(zhuǎn)換性做功性貶值性1/5/202516能量的轉(zhuǎn)換能量在空間上的轉(zhuǎn)移，即能量的傳輸。能量在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移，即能量的儲(chǔ)存。1/5/202517能量的轉(zhuǎn)換1/5/202518能量傳遞過程的特點(diǎn)能量傳遞是有條件的，即在有能量密度差的條件下，能量總是從能量密度大的物質(zhì)或能量集中的地方，向能量密度小的物質(zhì)或地方傳遞；總是從集中到分散并逐步達(dá)到平衡。1/5/202519能量傳遞過程的特點(diǎn)能量傳遞遵循一定的規(guī)律，即能量傳遞的速率正比于傳遞的動(dòng)力而反比于傳遞的阻力。1/5/202520能量傳遞過程的特點(diǎn)能量的傳遞包括轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換兩種形式。轉(zhuǎn)移是某種形態(tài)的能量從一地轉(zhuǎn)移到另一地，從一物轉(zhuǎn)移到另一物；轉(zhuǎn)換則是能量由一種形態(tài)變?yōu)榱硪恍螒B(tài)。1/5/202521能量傳遞過程的特點(diǎn)能量傳遞的途徑主要有兩條：由物質(zhì)交換和質(zhì)量輸運(yùn)而攜帶的能量稱為攜帶能；在體系邊界面上的能量交換稱為交換能。1/5/202522能量傳遞過程的特點(diǎn)在體系邊界面上的能量交換通常以兩種方法進(jìn)行：傳熱——由溫差引起的能量交換，這是能量傳遞的微觀形式；做功——由非溫差引起的能量交換，這是能量傳遞的宏觀形式。1/5/202523能量傳遞過程的特點(diǎn)通過能量交換而實(shí)現(xiàn)的能量傳遞，即傳熱和做功，其具體方式為：傳熱的三種基本方式是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射；做功（這里指機(jī)械功）的三種基本方式是容積功、轉(zhuǎn)動(dòng)軸功和流動(dòng)功（推動(dòng)功）。1/5/202524能量傳遞過程的特點(diǎn)能量傳遞的結(jié)果主要體現(xiàn)在兩方面，即能量使用過程中所起的作用以及能量傳遞的最終去向。能量傳遞的最終去向通常只有兩條：或轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品，或散失于環(huán)境，包括直接損失和用于過程后再進(jìn)入環(huán)境這兩種情況。1/5/202525能量傳遞過程的特點(diǎn)能量傳遞的實(shí)質(zhì)實(shí)際上就是能量利用的實(shí)質(zhì)。如果把產(chǎn)品的使用也包括在內(nèi)，能量的最終去向只能是唯一的，即最終進(jìn)入環(huán)境。1/5/202526

1.4能量的單位●能量單位焦J；卡cal；kWh（度）

●功率的單位kJ/h；kcal/h；kW；馬力(匹)HP●熱值的單位kcal/kg；kcal/Nm31/5/2025271.5能量的轉(zhuǎn)換與利用能量的利用過程，實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過程。能量典型的轉(zhuǎn)換裝置=熱機(jī)

人體其實(shí)就是一部高端的熱機(jī):所需熱量≈2000kcal/人·天功耗≈100W/人（基本代謝率），150W（上課）蓄能量≈8kWh/人（可生存七天）1/5/2025281/5/202529氫、酒精等二次能源

燃料電池

電能機(jī)械能輻射能熱能風(fēng)能、水能、海洋能

機(jī)械

機(jī)械能直接利用發(fā)電機(jī)煤、石油、天然氣

熱能熱機(jī)直接利用核能核反應(yīng)太陽能光合作用生物質(zhì)能燃燒食物利用集熱器光電池燃燒1.5能量的轉(zhuǎn)換與利用1/5/2025302.能源2.1能源的定義2.2能源的分類2.3能源對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重要意義2.4我國能源利用的現(xiàn)狀及主要問題2.5能源的可持續(xù)發(fā)展1/5/202531一、什么是能源問題：我們每天要吃飯、喝水，用什么來煮飯、燒水呢？回答：煤，煤氣，柴草、天然氣……

1/5/202532問題：那么要開動(dòng)汽車、火車、飛機(jī)等交通工具需要消耗什么呢？回答：汽油或者柴油、煤油等

1/5/202533問題：煤，煤氣，柴草、天然氣、汽油、煤油或者柴油等它們?cè)谄鹗裁醋饔?？答案：它們?cè)谝陨瞎ぷ鞯淖饔镁褪翘峁┠芰?1/5/202534問題：你知道還有什么可以提供能量嗎？回答：江河里的水流、流動(dòng)的空氣、電、太陽光.1/5/202535能源是指像煤、天然氣、汽油、水流、風(fēng)、電、太陽光等能夠直接或間接提供能量的物質(zhì)資源?？梢灾苯踊蚪?jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任何形式的載能體資源。2.1能源的定義1/5/2025362.2能源分類

1）按開發(fā)利用的情況：常規(guī)能源：煤、石油、天然氣、水能、核能等。新能源：太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑司圩內(nèi)剂系取?/p>

2）按開發(fā)的步驟：一次能源:

煤、石油、天然氣、風(fēng)能、水能、二次能源:

電力、煤氣、汽油、沼氣、氫氣太陽能、地?zé)崮?、海洋能等。甲醇、酒精等。一次能源是自然界直接提供的能源。二次能源由自然界提供的能源轉(zhuǎn)化而來的能源。1/5/2025373）按能否再生：可再生能源：水能、太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿龋?/p>

非再生能源：煤、石油、天然氣、核能等。

4）按開發(fā)利用過程中對(duì)環(huán)境的污染情況：清潔能源：太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能等；非清潔能源：煤、石油、天然氣等。1/5/2025382.3能源對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重要意義

能源是人類社會(huì)生存的基礎(chǔ)；能源的開發(fā)和利用是人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力；能源開發(fā)和利用水平是人類社會(huì)文明的重要標(biāo)志之一。1/5/202539能源問題是全世界關(guān)注的重大問題，從20世紀(jì)70年代起，就被列入世界5大問題之一。全世界關(guān)注的5大問題：1）能源2）人口3）糧食4）環(huán)境5）資源能源建設(shè)也是我國四化建設(shè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。

3EProblemEnergyEcologyEconomy2.3能源對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重要意義

1/5/2025402.4我國能源利用的現(xiàn)狀及主要問題正常情況下，每個(gè)國家能源消費(fèi)總量及增長(zhǎng)速度與其國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值及增長(zhǎng)速度成正比，而能源的人均消費(fèi)量的多少則反映國民生活水平的高低。

我國的能源結(jié)構(gòu)1/5/202541

1）人均儲(chǔ)備量少，遠(yuǎn)低于世界平均水平：

原煤：95噸/人（世界人均209噸/人）；原油：3噸/人（世界人均28噸/人）；天然氣：1416m3/人（世界人均28400m3/人）。1/5/202542我國大陸地區(qū)總發(fā)電量2.5億千瓦，人均0.2

千瓦/人；臺(tái)灣地區(qū)人均1.0千瓦/人；

歐、美、日本等發(fā)達(dá)國家6千瓦/人。

我國的人均能源消費(fèi)水平低，遠(yuǎn)低于世界發(fā)達(dá)國家的水平：

人均能源消費(fèi)水平：1/5/2025432）能源開發(fā)利用設(shè)備和技術(shù)落后，能源利用效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重

我國能源的終端利用效率為32～33％；發(fā)達(dá)國家能源的終端利用效率大于42％。我國每萬元國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值（GDP）的能耗是日本的6倍，是美國的3倍，是韓國的4.5倍。我國單位產(chǎn)品的能耗平均比發(fā)達(dá)國家要高40％左右。1/5/202544中國與日本工業(yè)能耗比較1/5/202545中國發(fā)電的平均耗煤量g/kW.h1/5/2025463）環(huán)境污染嚴(yán)重

工業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，據(jù)調(diào)查，我國有57%的城市空氣中總懸浮顆粒超標(biāo)；有48個(gè)大中城市空氣中的SO2濃度超標(biāo)；有82%城市出現(xiàn)過酸雨；我國的CO2排放量?jī)H次于美國，居世界第二，占世界總排放量的13.6%。據(jù)世界銀行報(bào)導(dǎo)，我國城市空氣污染對(duì)人體健康和生產(chǎn)造成的損失估計(jì)每年200億美元；酸雨使農(nóng)作物減產(chǎn)每年損失達(dá)50億美元。1/5/2025473）環(huán)境污染嚴(yán)重

20世紀(jì)八大公害事件：比利時(shí)馬斯河谷煙霧事件：1930年12月比利時(shí)工業(yè)區(qū)，一周內(nèi)60人死亡。美國多諾拉煙霧事件：1948年美國賓夕法尼亞，全鎮(zhèn)43%發(fā)病，17人死亡。倫敦?zé)熿F事件：1952年12月四天中比同期多死亡4萬人。美國洛杉磯化學(xué)煙霧事件：20世紀(jì)40年代，以臭氧為主的光化學(xué)煙霧。1/5/2025483）環(huán)境污染嚴(yán)重

20世紀(jì)八大公害事件：日本水梧病事件：1953-56年，含汞廢水污染水梧灣及不知火海的魚，283人中毒，60人死亡。日本四日市哮喘病事件：1961年，哮喘病患者817，死亡10人以上。日本米糠油事件：多氯聯(lián)苯污染物混入，13000人中毒，數(shù)十萬只雞死亡。日本富山骨痛病事件：1955-72，鋅、鉛等污染神通川水體，使稻米和飲用水含鎘中毒，患病130人，死亡81人。1/5/2025493）環(huán)境污染嚴(yán)重

環(huán)境污染的幾方面表現(xiàn)：臭氧層損耗：臭氧總量減少1%→地面紫外線增加2%→皮膚癌、白內(nèi)障、農(nóng)作物減產(chǎn)等?；哪觿。菏澜缟值钠茐乃俣葹?130萬公頃，20世紀(jì)末，森林占陸地面積1/6，日本森林覆蓋率為65%，中國只有13%。生物多樣性減少：大陸上66%的脊椎動(dòng)物已經(jīng)成為瀕危物種。溫室效應(yīng)和全球氣候變化：21世紀(jì)末全球氣溫將增高2-50C，增幅為過去一萬年所未有的。1/5/2025501）可持續(xù)發(fā)展的概念與內(nèi)涵我國古代樸素的可持續(xù)思想：孔子：“釣而不綱，弋不射宿”--《論語·述而》“山林非時(shí)不升斤斧，以成草木之長(zhǎng)；川澤非時(shí)不入網(wǎng)罟，以成魚鱉之長(zhǎng)”--《逸周書·文傳解》“春二月，毋敢伐樹木山林及雍堤水。不夏月，毋敢夜草為灰，取生荔，……毒魚鱉，置阱罔，到七月而縱之”--《田律》-11號(hào)秦墓竹簡(jiǎn)2.5能源的可持續(xù)發(fā)展1/5/2025511）可持續(xù)發(fā)展的概念與內(nèi)涵現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理論：增長(zhǎng)的極限和沒有極限的增長(zhǎng)1960年Forester發(fā)表Science《世界末日：公元2026年11月23日，星期五》1972年，以D。L。米都斯為首的美、德、挪威科學(xué)家提出《增長(zhǎng)的極限報(bào)告》1984年，JulianLSimon提出《沒有極限的增長(zhǎng)》即《最后的資源》2.5能源的可持續(xù)發(fā)展1/5/2025521）可持續(xù)發(fā)展的概念與內(nèi)涵現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理論：可持續(xù)發(fā)展的定義在連續(xù)的基礎(chǔ)上保持或提高生活質(zhì)量；在不損害后代人的利益時(shí)，從資產(chǎn)中可能得到的最大利益；既滿足當(dāng)代人的需求又不危及后代滿足其需求的發(fā)展；當(dāng)發(fā)展能夠保證當(dāng)代人的福利增加時(shí)，也不應(yīng)使后代人的福利減少；2.5能源的可持續(xù)發(fā)展1/5/2025531）可持續(xù)發(fā)展的概念與內(nèi)涵現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理論：可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵

可持續(xù)性：保持或延長(zhǎng)資源的生產(chǎn)使用性和資源基礎(chǔ)的完整性，意味著使自然資源的利用不應(yīng)該影響后代人的生產(chǎn)和生活

發(fā)展：不否定經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)以自然資產(chǎn)為基礎(chǔ)，同環(huán)境承載力相協(xié)調(diào)以提高生活質(zhì)量為目標(biāo)簡(jiǎn)而言之：人與自然界的共同進(jìn)化；當(dāng)代與后代兼顧；效率與公平目標(biāo)兼容，絕不能“吃祖宗飯，斷子孫路”2.5能源的可持續(xù)發(fā)展1/5/202554我國的能源建設(shè)要走可持續(xù)發(fā)展的道路，必須兩條腿走路：（1）合理利用能源，提高能源利用率。主要途徑就是改造或更新技術(shù)落后的能源利用終端設(shè)備；（2）大力開發(fā)對(duì)環(huán)境無污染或污染很小的新能源，如太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能以及核能等；（3）大力發(fā)展可再生能源。2.5能源的可持續(xù)發(fā)展1/5/2025553.新能源

3.1人類的能源利用史3.2新能源技術(shù)3.3新能源技術(shù)必須吻合的5要素3.4什么是新能源？1/5/2025563.1人類的能源利用史生物質(zhì)能（薪柴）→太陽能（谷物干燥）→地?zé)崮埽厝Γㄋ嚕L(fēng)能（帆船）→煤炭→石油→核能今天所謂的新能源其實(shí)并不新??！1/5/2025573.2新能源技術(shù)燃料電池技術(shù)生物質(zhì)能利用技術(shù)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)風(fēng)能發(fā)電技術(shù)地?zé)崮芾眉夹g(shù)海洋能發(fā)電技術(shù)··········1/5/2025583.3新能源技術(shù)必須吻合的5要素高效率---熱效率大幅提高（30%以上）2.環(huán)境友好---零排放、無振動(dòng)、低噪音3.產(chǎn)業(yè)化規(guī)模4.能量的LCA可行性(LifeCycleAnalysis)5.經(jīng)濟(jì)可行性1/5/2025593.4什么是新能源？新能源=某種能源+某種新能源技術(shù)今可再生能源未必就是新能源?。?/5/2025604.循環(huán)經(jīng)濟(jì)與新能源技術(shù)

4.1

什么是循環(huán)經(jīng)濟(jì)？一種最大限度地利用資源和保護(hù)環(huán)境的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。它主要是通過對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)改造創(chuàng)新，最大限度地減少資源消耗和廢物排放，從根本上消解長(zhǎng)期以來環(huán)境與發(fā)展之間的尖銳矛