能源的开发与利用

能源的开发与利用韶关市铁路第一中学汤望华教材依据广东教育出版社高中物理必修二第四章第八节教学流程案例引→出学生讨论：能源危→机能源开发（环境问题）综合运用教学目标１．知识与技能（１）知道什么是能源。知道什么是一次能源、二次能源。（２）能够区分可再生能源和不可再生能源。知道哪些能源是常规能源、哪些能源是新能源。２．过程与方法采用探究式教学法。授课思维基本框架：发现问题（能源危机→）分析讨论（能源特点、能源形势→）解决问题（发现新能源、应用新能源→）思想道德教育（忧患意识、节能意识、环保意识）３．情感态度与价值观（１）通过学生的积极参与，培养学生的开放思维和大局观，提高学生的分析表达能力。（２）熟习我国乃至世界的能源形式，能够思考能源问题的重要性和主要出路。树立自觉的节能意识和环保意识。教学重点能源的开发和利用教学难点怎样辨别一次、二次能源，可再生和不可再生能源。教学方法开放式讨论教学器材太阳能演示器、风车教学环境通风、采光的科技室或露天英语角教学实录一、引入新课教师：现在我们大量使用能源——电能，但实际消耗的还是转化成电能的其它能源——目前我国主要还是消耗化石燃料。随着科学技术的发展和进步，特别是近三、四十年以来，随着工、农业生产和科学技术的现代化，人们的生活也渐趋现代化，使能量消耗的增长趋势十分明显，为了便于比较，我们把各种能源的消耗量都折合成燃烧值为2.93×107焦／千克的标准煤计算（在1950年是26亿吨，1987年就是110多亿吨，估计到2000年要超过200亿吨）。我们国家的能源消耗量也在迅速增加，1953年全国能源消耗仅为0.54亿吨标准煤，到1992年已达到10.89亿吨标准煤，增加了近20倍，预计到2000年将增加到14～17亿吨标准煤，几乎接近20世纪初全世界1年能源消耗的总量。能源消耗的迅速增长。会不会引起“能源危机”呢？人类能不能解决这个问题呢？学生：煤和石油越采越少，人类可能要出现能源危机。教师：怎么办？学生：人们可以寻找新的能源。教师：今天我们就来讨论一下有关能源的问题——能源的开发与利用二、新课教学1、一次能源和二次能源教师：汽油、柴油都是从石油提炼出来的。那么煤、石油、天然气等等是从哪里来的呢？学生：地下开采出来的。教师：地下的这些东西又是从哪里来的呢？学生：煤、石油、天然气都是由古代的动物、植物经过长时间的地质变迁中形成的。教师：对于这类型的能源我们把它们统称为化石燃料。化石燃料、水能、风能、太阳能等等都是由自然界提供的能源叫做一次能源。教师：一次能源是自然界直接提供的能源。教室里点灯，工厂里开动机器都要用电能，电能是哪里来的呢？火箭所使用的燃料——氢又是怎么得到的？学生：电能是由发电厂供给的；电能可由化学能、水能、风能甚至还可由太阳能转化而来。教师：同学们说得都对。火电厂把煤、石油等化石燃料转化成电能；水电站把水流能转化成电能；干电池、蓄电池把化学能转化成电能；太阳能电池把太阳能转化成电能，……电能是由化石燃料、水能、风能、太阳能等等自然界直接提供的能源转化而来的，所以叫做二次能源。2．能源危机教师：请同学们谈谈我们国家目前的能源形式。引导学生分析得：（鼓励学生参与讨论，适当引导，尽可能的提高积极性。）（1）国的能源比较丰富，但其分布很不均匀（2）在一次性能源的构成中，煤炭仍然占有主要地位，（3）内陆和中西部城镇主要以煤和火电为主；广大农村和边远地区大多正从使用农作物秸秆等生物能源。（4）人均能源资源不足。我国是世界第三大能源生产国和第二大能源消费国，而我国能源短缺，特别是油气资源短缺已成为制约我国经济发展的重要因素。相关数据——煤炭、石油和天然气的人均资源占有量只有95t，世界平均值为209t，约是世界人均值的1/2；我国人均石油可采储量3t，世界平均值为28t，约为世界平均值的1/10。我国人均能源消费量不足1.2吨标准煤，居世界89位，不足世界人均能源消费水平的一半，仅占发达国家的1/5～1/10。其中人均消费650kg标准煤，是世界平均额的95%；人均消费石油相当145kg标准煤，为世界平均数的16.8%；人均消费天然气相当17.7kg标准煤，为世界平均数的3.9%；人均消费电力501.5kWh，为世界平均水平的25%。（5）是能源消费结构不合理，突出存在着一低两高：即电能消费比例低，非商品生物能源消费量高，一次性商品能源消费中原煤消费比重高。原煤消费达到75%，远高于26.2%的世界平均水平。（6）是我国能源消费系数高，效率低，主要表现在工业生产耗能高。据有关专家预测，我国主要耗能产品的单位产品能耗比国际先进水平高30%以上。能源系统的总效率低下，不到发达国家的1/2。这说明我国能源从开采、加工、转换、输送、分配到终端利用的全过程中,有70%～80%被损失和浪费了。从单位GDP能源消费看，我国的能源效率也处于世界上很低的水平。（7）是环境形势严峻。我国一次能源以煤为主，严重污染环境。相关数据——SO2的排放量居世界第一位，酸雨的覆盖面积已超过国土面积的30%，CO2的排放量占全球总排放量的13%，列世界第二位。燃煤造成的SO2、CO2、NOx及TSP的排放量分别约占85%、85%、60%和70%。随着政府和公众社会对环境问题的日益关注，环境法规越来越严格，对煤炭利用市场尤其是高硫煤的销售，造成了较大的影响。《中国21世纪议程》提出：“到本世纪末，全国二氧化硫总排放量控制在2100～2300万t”。1998年1月国务院签发的《国务院关于酸雨控制区和二氧化硫污染控制区有关问题的批复》指出：(1)禁止新建煤层含硫分大于3%的矿井，建成的生产煤层含硫分大于3%的矿井，逐步限产或关停。(2)禁止在大中城市及远郊区新建燃煤电厂。北京市甚至还规定，将在四环路以内城区取消燃煤锅炉。可以说，日益严格的环保要求对煤炭的开发利用带来了影响。3．新能源的开发与利用教师：同学们说得很好，我国的能源问题非常的饿严峻，大家考虑一下有什么办法可以缓解或更好的办法来解决我国的能源问题？解决能源问题的主要出路再何方？资料：化石燃料、水流能、风能等都来源于太阳光的辐射，即太阳能。太阳每秒钟要向周围空间辐射3.8×1026焦的能量，其中到达地球表面的太阳能只有1.7×1017焦，但仍有大量的太阳能还没有被利用。近年来发明的太阳灶、太阳能热水器、太阳能电池等对太阳能的直接利用还刚刚开始。这里还有很大的潜力可挖。此外自然界还存在大量的潮汐能和地热能，我国和有的国家已试验用潮汐能和地热能来发电，由于有些技术问题还没有解决，使造价过高，因此还没有被广泛采用。另外本世纪初还发现了原子核能（原子能），原子能已经作为核潜艇、航空母舰和破冰船的核动力，也广泛地用于核电站。我们把化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源叫做常规能源。把核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源叫做新能源。解决能源问题的主要出路（所有数据老师把握，整个新能源的得出由学生分组讨论得到）教师：开发和利用新能源是人类解决能源问题的主要出路。我国虽然蕴藏着丰富的煤炭资源，新油田也在不断被发现，但是我国人口众多，能耗巨大，节约常规能源的消耗，开发和利用新能源仍是我国的一项重要任务。参考数据：全球再生能源可转换成为二次能源的储能为185.55亿t标准煤，约为目前全球化石燃料消耗量的两倍，说明再生能源大有可为。但是，除水能基本得到充分利用外（发达国家利用率90%，中国10％），很多再生能源有待开发。有资料表明，美国到2030年再生能源在总利用能源中比重可达30％，英国到2020年再生能源占总开发电量的20％，但是不少人对此并不太乐观。对中国来说，首要的是开发水力资源和生物质能，其次是发展地热能、风能和太阳能。太阳能和风能的利用存在较大的新材料问题。（1）.核能核能是康价的清洁能源，核电占世界电能的17％，已建核电装置400余座。但是由于核电站的安全与废料处理问题，目前核电发展缓慢。尽管如此，核电装置的改进仍在不断地进行，其中有不少材料问题，现仅就正在开发的两类核电装置分述如下。快中子增殖堆：现行裂变反应堆所用燃料都是235U，而铀矿中235U含量只有0.7％，98％以上是238U。快中子增殖堆就是将238U吸收一个中子转变为239Pu，以此为燃料可使铀的利用率达70％。1200MW的快堆在法国己运行多年，但这种堆型存在一个严重的材料问题，即液体钠的腐蚀，以致造成了多次泄漏事故。同时，半衰期很长的239Pu，也可造成严重污染。最近提出的“加速器驱动的核反应堆”设想，就是利用擅变原理使239Pu，自循环，从而解决污染问题，我国在这方面正开展基础研究工作。可视为永久能源的聚变堆：两个轻原子融合成重原子叫核聚变，它比核裂变产生的能量更大。氖和氟是氢的同位素，它们在一定条件下发生聚变反应，释放能量。海水中氛含量为0.034ｇ/kg，全球海水中氖含量多达ｌ0Uｔ，而每克氖相当100Ｌ汽油，所以说一旦聚变堆开发成功，将成为永久能源.聚变反应的点火温度高达5×108℃，在2×10-10秒内注入100万Ｊ的能量。目前欧美都己点火成功，但距商业化很远，要在2050年或更长的时间才有可能。我国也有两台实验装置，用以探索物理原理，也可做一些材料研究。核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等。因此，材料是聚变堆能否实用化的关键因素。（2）.太阳能（在有太阳光的地方展示太阳能电池板收集太阳能可以带动小电风扇旋转）太阳照射到地面的能量相当于全球能耗（1.1×1010kW）的1.6万倍，既无污染，又是永久性能源。可惜太阳辐射到地球的能量密度太低，只有1kW/m2，，还受气候影响。太阳能的利用形式主要有两种:－是热能的直接利用，如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电，美国单台容量己达80MW；另一种形式是利用小型太阳能装置为房屋采暖供热，现己大量应用。研制高效、长寿、廉价的光伏转换材料已成为目前能源新材料领域的重要课题。当前不同材料的最高转换效率为'非晶硅（薄膜，可铺覆）为12.7％，理论上可达24％，缺点是稳定性较差；多晶硅为17.7％，－种复杂结构的多晶硅太阳能电池可达24.4％；单晶硅为28.7％，CdTe或Cds为13％；Cu(Ga,In)Te为17％，GaAs及GaInp可高达25％-30％。目前，太阳能电池组价格为每峰瓦４-5美元，估计要达到0.4美元左右才能在电价方面与常规发电相当。近年来正在研制便于大规模制造的燃料纳米半导体材料及有机光伏转换薄膜。尽管如此，在某些日照时间长、居民分散地区建立太阳能电站还是有意义的，因此发达国家都在积极开发太阳能，如美国百万屋顶计划，德国十万屋顶计划及日本1600个屋顶太阳能电池系统等。我国对西部地区的开发应把太阳能的利用列为重点，因为西部地区日照好、居民分散，适合发展太阳能。20世纪70年代美国有一个异想天开的计划，就是在同步人造卫星上装两个16km2的电池板和聚光系统，将所获电能用微波传到地面。由于在大气层外阳光强度比地面高1.4倍，又不受气候影响，据估计，由此得到的电能成本可与常规电能相比。但是，除了材料和技术问题以外，是否造成环境污染还需要论证。（3）.风力发电太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，我国沿海与西北地区的风力资源丰富，大有作为，但风车材料是关键。－个2.5MW的风车，转子叶片直径要80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片耍有足够的强度和抗疲劳性能（全寿命转数要求109以上），目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材发展。虽然风能发电装置造价较高（1000美元／kW），但电价可与常规能源相比具有较强的可操作性。（4）.氢能氢被认为是理想能源，热值高、无污染。但是氢作为能源，存在两个问题，一是氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源；二是氢在存储、运输及应用过程中容易发生爆炸，加」氢对材料产生氢脆