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1、第五节 新能源技术,第三章 当代高新技术的发展,一、能源概述,能源是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。 能源的分类 来自于地球本身，如核能、地热能等； 来自于球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等； 来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。,能源的分类,常规能源：如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等； 新能源：如核能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。 可再生能源：即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能、生物质能等； 非再生能源：它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等
2、。,能源危机能源资源短缺 煤储量6800亿吨，年消耗35亿吨，可使用200年 石油储量3000亿吨，年消耗40亿吨，可使用70年 能源消费的费用迅速增加能源资源的勘探、开采越来越难，投入资金多、建设周期长、科技含量高,人类所面临的能源问题,人类所面临的能源问题,能源对环境的污染 研究和开发储量丰富、无污染的新能源势在必行,二、核能的开发及利用,核能又称原子能或原子核能。它是原子核结构发生变化时发出的能量。核能是一种高度密集的能量，目前地球上还没有任何一种能源可以与之相比。 使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来方法有两种 核裂变：重元素的原子核发生分裂反应释放裂变能 核聚变：轻元素的原子核发生聚合反
3、应释放聚变能,核反应,核裂变能,如果1kg铀全部裂变，它放出的原子能相当于2500吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能 将原子核裂变释放的核能转换成热能，再转变为电能的系统和设施，称为核电站。 反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行,核反应堆及核电站,链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。 核反应堆的结构：核燃料慢化剂热载体控制设施防护装置。,核电站是经济的能源,虽然核电站的投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本，使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。,核电站在一些国家已经成为主要
4、的能量来源之一。 截止2005年9月底，全世界正在运行的核电机组443座，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总量的16%；反应堆拥有量排名前三位的美国、法国、日本的反应堆总和占全世界的49.4%，装机容量占56.9%。,我国核电站发展情况,1991年12月我国第一座自行设计制造的30万千瓦秦山压水堆核电站并网发电 目前已有6座核电站共11台机组906.8万千瓦先后运行 2020年我国核电装机容量将达到4000万千瓦，占全国电力装机容量的4%。,秦山核电站,大亚湾核电站,秦山三期核电站一号气轮机组,核聚变能,一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时能释放出17.6Mev的能量，平均每个核子放出能量
5、是裂变的几倍，是化学燃料的几百万倍 作为聚变燃料的氘的储量在地球上是异常丰富的，能为人类提供1025Kw小时的能量，按目前世界能量的消耗率估计可用1010年以上 聚变反应的产物是4He，无放射性，清洁能源。 一座核聚变反应堆，可连续工作3000年之久，可谓“人造太阳”,实现受控核聚变作为工业应用需要四个条件,超高温：把氘和氘等轻元素加热到12亿，克服粒子相互间的库仑斥力 高密度：使中子的密度达到每立方厘米50万亿个 约束时间长：对等离子体加以约束，使它能维持1秒以上的时间，以保证充分地发生核反应 约束时间长：对等离子体加以约束，即使它能维持1秒以上的时间 保持干净：从原料到容器须高度纯洁，容器
6、在装入核燃料前就必须达到大气压的十亿分之一的高度真空。 大约有20多个国家建造了200余座核聚变实验装置，设计了各种受控热核反应堆发电装置,国际热核聚变实验堆ITER,美国、日本、俄罗斯、欧州共同体决定共同出资兴建 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)“人造太阳”计划 ITER（道路）：用受控核聚变发电，走和平利用核能的道路，为人类寻找可替代的洁净能源。 在计划提出近20年，选址耗时18年后，全球最大、代表世界未来能源科技最高水平的核聚变反应装置ITER的建设地点终于滑落法国南部的卡达拉什（Cadarache）,国际热核聚
7、变实验堆ITER,为期30年、投资超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目，其意义不亚于国际空间站计划和人类基因组计划 该计划已耗资120亿美元，涉及领域包括超导研究、高真空、环境科学、生命科学、等离子计量和控制、信息通信、纳米材料等多个学科。 2010年前后建成，如果实现, 21世纪中叶有可能建成商业聚变堆并开始实际使用聚变能,磁约束聚变装置ITER,ITER的环形真空室,我国新一代“人造太阳” 实验装置,2006年9月，耗时8年、耗资2亿元人民币的我国新一代“人造太阳” 实验装置位于合肥的全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)实现了跨国远程控制的等离子体放电 美国通用原子能公司(Gene
8、ral Atomics USA)专家通过专用数据网，轻点鼠标即可轻松启动并运行地球另一端的中国核聚变实验装置 EAST的建成，使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列。 中国的人造太阳.wmv,积极开发、合理利用核能源,切尔诺贝利核电站爆炸及影响,三、太阳能未来最理想的能源,太阳是一个炽热的气态球体，没有固体的星体或核心。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，其氢的储量足够维持100亿年 太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量；太阳能是取之不尽，用之不竭的且无污染的能源。,太阳能的利用
9、,太阳能利用涉及多项技术问题 具有共性的技术是太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用光热利用、光电利用和光化学利用。,光热转换利用太阳能,利用太阳辐射能加热集热器，把吸收的热能转换为机械能或电能。 德国青年自制太阳能汽车环游世界 太阳能烘干机可以烘干粮食、烟叶、干果、农副产品及木材等； 主动和被动的太阳房是利用太阳能采暖，是空调的一种简单、经济、有实效的项目； 可利用太阳能蒸馏器进行海水淡化,太阳能热发电,集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位
10、于场地中心附近的高塔顶端的接受器上，将太阳的能量聚集在一起，加热来驱动汽轮机发电,光电转换利用太阳能,通过半导体材料直接将太阳辐射能转变为电能(直流电)。 太阳能电池的种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等电池。 太阳能电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。,薄如纸片的太阳电池,澳大利亚节能环保船长翅膀 太阳方舟：世界上最酷最大的太阳能建筑,太阳能新产品,太阳能照像机：日本研制成功世界上第一架太阳能照像机，重最仅475克，机内装有高效太阳能电池板和蓄电池，蓄足电力可连续使用4年。美国一家公司也生产出了一种新型的135照像机，其动力由太阳能电池板供应，
11、只要有光线就能提供能源。 太阳能汽车：日本东京电机大学设计出一种轻型太阳能轿车，其车顶上安装了两组蓄电池，利用太阳光充电后交替使用。一组蓄电池充电后可行驶110公里，夏季日照最长季节可达150公里，最适宜于日照时间长的地区使用。不用燃油，不污染环境。,太阳能新产品,太阳能电话机：在法国的图尔市，新建了世界上第一批太阳能电话机。设有这种电话机的电话亭的顶端装设了太阳能电池，电话机完全依靠太阳能作无线通讯的能源。这种电话机话音清晰无障碍。它将在法国各公路沿线普遍设立。 英国一家无线电公司，也研制成功了类似的电话机。,四、地热能的开发利用,地球本身是一座巨大的天然储热库。地壳、地幔、地核不同层次蕴藏
12、着不同量的热能。从地面向下，在15Km以内，深度每增加100m，温度平均升高3左右。在100Km深处，温度高达1400。 全世界地热资源的总量大约为14.51025焦，是全部煤炭资源的储量的1.7亿倍。接世界年耗10亿t标准煤计算，可满足人类几十万年能源之用。,地热能的利用,2O0-400直接发电及综合利用； 150-200双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工； 10O-15O双循环发电，供暖、制冷、工业干燥、脱水加工、回收盐类、罐头食品； 50-100供暖，温室、家庭用热水、工业干燥； 20-50沐浴，水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工,地热发电,地热发电是利用地热能的代表性技术和重要
13、方向之一。 地热发电是通过热能、机械能的中间转换产生电能，但地热发电所需的蒸汽能量是直接来源于地热能，不需要燃料、锅炉、运输设备等，因此，地热发电是一种比煤、石油、天然气、核能等发电便宜得多的能源利用方式。 俄堪察加半岛地热发电站成本低、清洁环保,地热发电,全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1104Mw，分布在20多个国家，其中美国占40%。 我国用于发电的地热资源主要集中在西藏、云南的横断山脉一线，全国地热发电装机容量88%集中在西藏，第一座地热电站羊八井电站已稳定运行了近30年。,五、氢能的开发利用,氢能也叫氢燃料，是新型的“二次能源”，在超低温和高压下可成为液态 重量轻；热值高
14、；“爆发力”强；来源广品质最纯洁；能量形式多；储运方便 用氢能取代碳氢化合物能源，将是一个重要发展趋势 真正做到大量而又廉价地获取氢能还存在着一定的技术问题,五、氢能的开发利用,太阳热分解水制氢法、太阳能电解水制氢法、太阳能光电化学电池分解水制氢法、模拟植物光合作用分解水制氢法、太阳光络合催化分解水制氢法、微生物发酵制氢法、光合微生物制氢法等高技术制氢方法 绝大部分仍处于理论研究和实验室阶段，距离大规模工业实用化，还有一个相当大的距离 液态氢从1960年首次作为太空火箭的动力燃料，发展到今天已成为各种航天器的基本燃料 意大利设计在日内瓦发布Vadh液氢动力概念车,六、生物质能的利用,生物质能，
15、即蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量 自然界各种植物、人畜排泄物等废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物等,生物质能的特点,可再生性，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，可保证能源的永续利用； 低污染性，生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SO2等较少，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应； 广泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能； 总量十分
16、丰富，仅次于煤炭、石油和天然气。,利用现代技术将生物质转化为能量的方法,生物转换技术，将生物质通过微生物发酵方法转换为液体或气体燃料的技术，如酒精、沼气的生产技术； 化学转换技术，这是生物质通过化学方法转换为燃料物质的技术，主要包括有机溶剂提取法、气化法、热分解法。,生物柴油,以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料，通过酯交换工艺制成、可代替柴油的再生性燃油 大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科植物，从它们的茎、叶伤口处有乳白色或黄褐色液体流出来，其中含有与石油成分相似的碳氢化合物 一英亩三角大戟可生产相当于 50吨石油的燃料,一公顷象草平均每年可收获12t生物石油,三角大戟,七、能源的合理使用,风能的利用,工厂热能造福居民生活,七、能源的合理使用,英国充分利用可再生能源,七、能源的合理使用,七、能源的合理使用,节能减排新方法 再生能源进万家,课后作业,查阅资料，试评价核能利用新技术的前景。 查阅资料，综述保持能源可持续发展的措施。 参考网站：中国新能源网http:/,