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制作者：生态与园林建筑学院于清东序言能源：是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。人类社会的存在与发展离不开能源。化石能源：是千万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，如煤炭、石油、天然气等。它们虽然极大的推动了人类社会的发展，但化石能源的枯竭在所难免，大部分能源在本世纪将被开采殆尽。新能源正在塑造未来的世界形态，未来属于领先新能源技术的国家。因此，了解和掌握新能源，就是拥抱未来。第一节新能源简介新能源是近几十年来人类采用新技术开发的可再生能源。新能源的开发和利用将从根本上解决能源问题。如：原子核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和氢能等。新能源的开发和利用，虽短期成本较高，长期将占优势，能大量节省能源，大幅减少污染，提高人民生活的质量，获得显著的经济和环保效益。新能源能再生，对环境影响小，但对开发的技术要求高。美国：风能首当其冲日本：太阳能铺就新能源路英国：风能核能并举丹麦：靠风“驱动”的国家芬兰：生物能源独辟蹊径冰岛：利用地热不再依赖石油挪威：借风发展“氢经济”1、原子核能2、太阳能3、风能4、氢能5、海洋能6、地热能7、生物质能第二节原子核能1、原子核能原子核能是原子核结构发生变化时释放出的能量，习惯上称作核能或原子能。原子核的变化过程有两种：一种是自发的变化过程，叫放射性锐变。地球上由放射性锐变释放的原子核能在地球内部可以转变为地热。另一种是人工制造的变化过程，叫核反应。核反应是原子核与原子核或原子核与基本粒子相互作用时释放的能量的过程。核反应有两种：一是核裂变反应，是重元素的原子核发生分裂的反应。二是核聚变反应，是氢元素的原子核发生聚合的反应。这两种反应所释放出来的巨大能量在原子弹爆炸和氢弹爆炸中得到了证明。2、原子核能的利用（1）原子弹原子弹中的核燃料是高浓缩铀（浓度达93%）或钚。将弹壳内铀块（或钚块）分成各自低于临界质量的两部分，但总质量超过临界质量。原子弹爆炸时，首先引爆装在铀燃料外部的普通TNT炸药层，其冲击力会把两块铀235压聚在一起，超过临界质量的铀块立即会产生雪崩似的链式反应，即发生核爆炸。（2）核电站核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。核电站主要由两部分组成。一部分是反应装置及冷却装置，其核心为一个反应堆，是维持和控制核裂变反应的装置，在内部实现核能转换为为热能。释放出的热能由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供应系统，也叫核岛，相当于常规火电厂的锅炉系统。另一部分由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回系统，与常规火电厂的汽轮机发电机系统基本相同，也称作常规岛。原子弹爆炸核能发电原理核能发电示意图3、原子核能的价值1千克铀235的原子核所释放出来的热量，大约相当于2800吨（2800000千克）标准煤燃烧时所放出的热量。建造一座发电量为100万千瓦的电站，如果是核电站，每年需要补充的核燃料为30吨，六辆解放牌载重汽车就可运进。如果是烧煤的火力电站，每年要消耗300多万吨煤。运输这些煤炭，平均每天要开三列火车，每列火车挂40节车皮；或是每天要开一艘万吨级的轮船。核电厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。核能发电1954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站核能发电英国的原子能发电站苏联的核能灯塔2003年建成，地处浙江省海盐县。中国秦山核电站位于广东省深圳市龙岗区大鹏半岛大亚湾核电站4、我国核能发展趋势中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。第三节太阳能1、太阳能简介：在人类利用的能源中，太阳能是最重要的。各种草木燃料能、化石燃料能、风能、水能、海洋流能、海洋温差等归根结底也是来源于太阳的辐射能。太阳能是一种巨大且对环境无污染的能源。太阳能中只有大约二十二亿分之一辐射到地球，其中30%被大气层反射掉，23%被大气层吸收掉，但是每秒钟辐射到地面的总能量有8.0×1013kW，相当于目前全世界发电总量的8万倍。对太阳能的利用，有间接利用与直接利用两种。间接利用是利用由太阳能转化的其他能量，如生物质能、化石能、风能、水能、海洋能等。人类对太阳能的开发时直接利用太阳能，主要有：光热转换、光电转换和光化学转换。（1）光热转换技术光－热转换技术是将太阳辐射的能量通过各种集热部件转变成热能后被直接利用。我国战国时期就已使用凹面镜聚集太阳能去点火。1837年英国人赫胥黎首次使用太阳灶烧饭，1875年出现了太阳能热水器。光－热转换可分为低温（100℃～300℃）与高温（300℃以上）两种。低温的用于工业用热、制冷、空调、烹调等，高温的用于发电、材料高温处理等。太阳能集热器以空气或液体（水或防冻液）为传热介质。吸热方式可以是直接吸收太阳辐射能，也可以是太阳光经会聚后集中照射。分为平板式和聚光式。光电转换技术是利用光电效应把太阳辐直接转换成电能，使用的是太阳能电池。太阳能电池有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、硫化镉电池、磷化铟电池、砷化锌电池、砷化镓电池和有机半导体电池等。硅太阳电池已成为人造卫星、宇宙飞船和星际空间站等宇宙飞船器的主要能源之一。1958年美国“先锋”号人造地球卫星、1971年我国制造的“东方红”号人造卫星上，都安装了太阳能电池。我国自行研制的高效砷化镓太阳能电池也已经在第二颗“风云”1号气象卫星上正常使用。太阳能电池还可以用来驱动很多交通工具，如太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能船、太阳能自行车等。太阳能电池还可以用来发电。美国、德国已经研制成功地面太阳能电池发电站（又称光伏发电站）并投入使用。（2）光电转换技术光化学转换是光与物质相互作用引起化学反应的过程。绿色植物的光合作用就是光化学转换的过程。人类可以控制的光化学转换方法是采用光化学电池。光化学电池是利用光照射半导体和电解液界面，在电解液内形成电流，并使水电离直接产生氢和氧的电池，这里所生成的氢和氧的光化学过程实质上是“光－电－化学”过程，而不是直接的光－化学过程。（3）光化学转换技术地球每小时从太阳获得的太阳能量比目前全世界在一年内能源生产的总量还多，可见太阳能有多么巨大。根据科学家推算，太阳像现在这样不停地向外辐射能量，还可以维持50亿年以上，对于人类来说，太阳能可以说是一种取之不尽，用之不竭的永久性能源。2、太阳能的价值太阳灶航天器太阳能热水器太阳能发电装置3、太阳能的应用太阳能计算器太阳能手提灯太阳能汽车太阳能发电站第四节风能1、风能的概念：风能是指空气的动能。2、风能的形成：地球表面接受太阳辐射能的不同，使各地大气温度不同，造成大气密度和气压的差别从而形成风。所以风能是由太阳辐射能转化过来的。3、风能的应用：风力发电：建风力发电站风帆助航：风帆的使用风力提水：风车的使用风力致热：风力机的使用4、风能的开发价值：风能是地球上无所不在、永不枯竭的能源。地球上近地层风能总储量约为1.3×1012kW,但目前开发利用的只是极少的一部分。据估计，全世界每年燃烧所获得的能量不及风力1年内提供的能量的1/1000。我国风能储量估计为1.6×109kW，在世界上排位第三，可开发利用的约为1/10。可以有效利用的风速范围为3m/s～20m/s。风能与其他能源相比，具有明显的优势，蕴量大、分布广、可再生、无污染。风能作为新能源有着巨大的发展潜力，特别是对于沿海岛屿、边远地区、草原牧场以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。5、风能的应用风力发电海上风能的应用风能的应用澳大利亚风力发电风能的应用第五节氢能1、氢能的概念氢能是指氢在发生化学变化和电化学学变化过程中产生的能量。2、获得氢的主要方法（1）电解法（2）热化学法（3）光电化学法（4）重整法3、氢能的利用（1）直接燃料氢气目前主要用作火箭的高能燃料。此外还可用作飞机、汽车的燃料。（2）燃料电池的燃料燃料电池是一种把燃料的化学能直接变成电能的装置。氢燃料电池以氢为燃料，通过氢、氧燃烧反应产生电能。一种10kW～20kW的碱性H2-O2燃料电池已成功用于航天飞机。（3）能源转换介质（能源中间载体）氢与很多金属或合金的的氧化反应都是可逆的，而且反应过程中伴随着热能、机械能和化学能的转换。（4）作为发电燃料通过燃料电池或燃气-蒸汽涡轮发电装置发电。（5）作为家用燃料如燃氢的家用热水器、取暖器和炊灶等。氢动3号4、氢能的开发价值氢气热值高，燃烧产物是水，完全无污染。而且制氢原料主要也是水，取之不尽，用之不竭。所以氢能是前景广阔的清洁燃料。氢能燃料火箭第六节海洋能1、海洋能的概念海洋能是蕴藏在海洋中的可再生能源。海洋占地球面积的71%，却集中了地球上97%的水量。太阳到达地球的能量，大部分落在海洋的上空中和海水中，部分转化为各种形式海洋能。海洋能是潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、潮流能和海流能等不同的能源形态。其中，温差能是热能，潮汐、波浪、海流都是机械能，海水盐度差是化学能。这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存在于海洋之中。海洋能技术是将海洋能转换成电能或机械能的技术。海洋能可以再生，且取之不尽，用之不竭，不会造成环境污染，还可通过综合利用（如潮汐发电可利用水库发展养殖业）降低成本。在海洋能中，目前有效开发利用的是潮汐能。世界上大规模利用海洋能开始于1968年法国建立的朗斯潮汐电站，此电站装有24台功率相同的机组，总装机24万千瓦。加拿大芬地湾潮汐电站装机462万千瓦，单机和总容量最大。日本1250kW容量的波浪能发电装置和美国的50kW温差发电装置都已通过实验。目前国际海洋能的开发正朝着深层次、大型化和商品化方向发展。海洋能主要被转变成电能加以利用，有潮汐发电、海流发电、海浪发电、温差发电。2、海洋能的利用（1）潮汐能潮汐能是由于地球和月球、太阳相互作用产生的能量。潮汐能成因示意图潮汐能量与潮差大小和潮量成正比，海洋潮汐以24小时50分钟为一周期，一周期内有高潮和低潮。潮差在我国沿海最大可达7m～8m，利用潮汐能的最普遍形式是潮水涨落发电。据估计，全世界的潮汐能源有1.0×109kW，如能充分利用，每年可发电1.24×108kW·h。潮汐发电分为两种形式：一种是潮流直接冲击水轮机，利用潮流动能发电；另一种是建造潮汐水库，在潮差比较大的海湾或河口处构筑拦潮蓄能大坝，形成水库，并在堤坝内装上水轮发电机组。利用涨、落潮位差，把潮汐位能转化为动能，推动水轮发电机组发电。潮汐水库电站的实际应用更为广泛。潮汐电站有单库单项式、单库双向式和双库双向式三种。①单库单向式只建一座水库，水轮发电机组仅在海水落潮时单方向推动水轮机发电。②单库双向式也是只建一座水库，安装的水轮机叶轮可正反两个方向运转，涨潮落潮均可发电。③双库单向式是通过建三道坝，分隔出两座彼此相通的水库，单向水轮机安装在两座水库分隔坝的底部。其中一个水库安装进水闸，涨潮时放海水入库，另一座水库安装泄水闸，落潮时向外放水，两水库始终存在着水位差，从而达到连续发电的目的。世界主要潮汐电站国家站名潮差/m容量/MW投运时间法国朗斯8.52401966加拿大安纳波利斯7.119.11984前苏联基斯拉雅3.90.41968中国江厦5.13.21980中国白沙口2.40.641978中国幸福洋4.51.281989中国岳浦3.60.151971中国海山4.90.151975中国沙山5.10.041961中国例河2.10.151976中国果子山2.50.041977涨潮时退潮时潮汐电站工作原理潮汐能的应用浙江温岭江厦潮汐试验电站全国第一、世界第三法国朗斯潮汐电站波浪能是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能形式