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能源概论授课教师：王树群课程要求：1.完成1篇论文2.结业考试3.按照学生手册要求进行教学4.请假制度参考书《能源科学导论》（第一版），黄素逸主编；中国电力出版社；《能源概论》（第一版），陈砺、王红林、方利国编；化学工业出版社；《能源与环境工程概论》（第一版），方梦祥主编；中国电力出版社Chapter1能源概述•本节课主要内容什么是能量？能量的形式有哪些？什么是能源？能源的种类有哪些？能量转换的含义是什么？人类利用能源的主要时期有哪几个？石油、煤炭、天然气是如何形成的？电有哪些特点？发电厂的类型有哪些？Chapter1-1能源的分类Chapter1-2能源的利用和转换Chapter1-3常规能源的的开发和利用Chapter1能源概述第一章能源概述第一节能源分类能量1.定义：产生某种效果（变化）的能力。2.形式：机械能、热能、电能、辐射能、化学能、核能一、能源定义定义：比较集中的含能体或能量过程称为能源。能直接或间接经过转换而获得某种能量的自然资源。二、能源分类：1.按照能量蕴藏方式分：地球本身蕴藏的能源——核能、地热能；来自地球外天体的能源——宇宙射线及太阳能；地球与天体相互作用的能源——潮汐能。2.按照能源形态、特性分类：形态：固体、液体、气体特性：常规能源——煤炭、石油等；新能源——太阳能、地热能、风能。3.按照获得方法分：一次能源——可直接利用的，如煤、石油。二次能源——由一次能源直接或间接转换来的，如电、蒸汽等。4.按照是否可再生分：可再生能源——水能、风能、太阳能；不可再生能源——煤炭、石油等。三、一次能源和二次能源1.一次能源：分可再生和非可再生。定义：可直接从自然界获取，没有经过加工转换的各种能量和资源。化石能源：煤炭、石油、天然气是经过漫长地质年代形成的，称为化石能源。化石能源是当今世界的三大支柱。2.二次能源定义：指无法从自然界直接获取，必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。四、常规能源、新能源和可再生能源1.常规能源：又称传统能源。在相当长的历史时期和一定的科学技术水平下，已经被人类大规模生产和广泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气、水能、生物质能源。2.可再生能源：可连续再生、永续利用的一次能源。这类能源大都直接或间接来自太阳。3.新能源：在新技术的基础上系统地开发利用的可再生能源。如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能、氢能等。新能源也可称为替代能源。五、分布式能源（一）定义建立在用户端的能源供应方式，既可以独立运行，也可并网运行。相对于传统的集中供电方式，指将冷热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立输出冷热电能的系统。（二）分布式能源主要特征高效性环保性能源利用的多样性调峰作用安全性和可靠性减少国家输配电投资解决边远地区的供电问题1.高效性：分布式能源可用发电后工质的余热制热、制冷，能源得以合理的梯级利用，可根据自己所需来向电网输电和购电，可提高能源的利用效率(达60%～90%)。投资回报的周期较短，投资回报率高，可降低一次性的投资和成本的费用；降低网损(包括输电和配电网的网损)。2.环保性：减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；减少了高压输电线的电磁污染，减少了高压输电线的线路走廊和相应的征地面积，减少了对线路下树木的砍伐。分布式能源系统由于实现了优质能源梯级合理利用，能效可达80%以上，超过燃煤火电机组一倍，SO2和固体废弃物排放几乎为零，温室气体（CO2）减少50%以上，NOx减少80%，大气悬浮颗粒总数减少95%，占地面积与耗水量减少60%以上。3.能源利用的多样性：布式能源可利用多种能源，同时为用户提供电、热、冷等多种能源应用方式，是节约能源、解决能源短缺、能源危机和能源安全问题的一种很好的途径。4.调峰作用：夏季和冬季往往是电力负荷的高峰时期，此时采用可降低电力峰荷，起到了电力调峰作用。天然气作为一种恒定的燃料源用于发电，发挥了天然气与电力的互补作用。5.安全性和可靠性：大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行。分布式发电系统比较简单，易于再启动，有利于大电力系统在崩溃后的黑启动，由此可提高供电的安全性和可靠性。6.减少国家输配电投资：就地组合，协同供应，节省投资、运行费和损失。7.边远地区的供电问题：我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电，采用太阳能光伏发电、小型风力发电和生物质能发电的独立发电系统不失为一种优选的方法。（三）分布式能源的应用1.在一些重要的部门或场所，用户往往自行安装一些小型发电设备，作为紧急备用电源；2.早期用作自备电厂的燃煤小热电，这些也可认为是分布式发电的范畴，由于其技术性能差或效率低下，或对环保有影响，已被逐渐淘汰或取代。目前所谓的分布式发电(电源)通常并非指采用柴油发电机组的紧急备用电源或燃煤的自备小火力发电厂，而是指以天然气、煤层气或沼气为燃料的燃气轮机、内燃机、微型气轮机发电、太阳能光伏发电、以天然气、氢气为燃料的燃料电池发电、生物质能发电、小型风力发电等。其应用范围也相当广泛，如可用于医院、疗养院、大型商厦、办公楼、宾馆、体育馆等。第二节能量的转换与利用含义：能量形态上的转换、能量空间的转换（传输）、能量时间上的转换（储存）。能量转换和守恒定律：输入能量—输出能量=储存能量的变化能量转换过程、设备及系统。燃烧煤的炉中：煤炭燃烧，化学能→热能；太阳能热水器中：太阳能→热能。转换的流程:一次能源二次能源终端能源一、能源的转换1.能源转换流程：一次能源→二次能源→终端使用能源2.一次能源转换成二次能源的方法：多种不同的方法。中心电站生产电力，有时还进行区域供热。石油炼制成更方便的液体燃料→汽油、喷气燃料、柴油等。能源转换设备有时是系统的终点，如核裂变能，在核电站发电以前，要进行化学转换，同位素浓缩，核燃料制作等。简单的机器，如水电或风力机。☆但一次能源转换成二次能源无论如何都会有转换损失，把能源送到用户会有输送损失。把这些损失当作浪费是错误的。3.最后阶段是二次能源转换成终端使用的能源。如汽车、炉子、计算机或灯泡所用的能源。随后终端能源变成有效能，能量实际上储存在产品中，或用于服务。二、能源利用与转换的历史人类对能源的利用主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；第三次是２０世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换。人类利用能源的历史可分为五大阶段：火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；原子核能的发现及开发利用。１８世纪前，木材长期占居首位。１９世纪下半叶，出现了人类历史上第一次能源转换。１８６０年，煤炭在世界一次能源消费结构中占２４％，１９２０年上升为６２％。从此，世界进入了“煤炭时代”。１９世纪７０年代，电力代替了蒸汽机，电器工业迅速发展，煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。１９６５年，石油首次取代煤炭占居首位，世界进入了“石油时代”。１９７９年，世界能源消费结构的比重是：石油占５４％，天然气和煤炭各占１８％，油、气之和高达７２％。石油取代煤炭完成了能源的第二次转换。石油的储量有限，已开始从以石油为主要能源逐步向多元能源结构过渡。新能源开始大量应用。第三节常规能源的开发和利用内容概述：石油的形成、性质，石油工业概述；煤炭的形成、分类、分布、用途；天然气的形成、特点；电力生产特点、电力生产过程、发电厂类型、电力工业环节。一、石油（一）概念1.概念：石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体，与煤一样属于化石燃料。2.分类：天然石油和人造石油。天然石油是从地下采出的石油；人造石油是从煤或油页岩中提炼出的液态碳氢化合物。组成原油的主要元素是碳、氢、硫、氮、氧。3.石油用途：提炼燃料、化工原料。我们平时的日常生活中到处都可以见到石油或其附属品的身影。比如汽油、柴油、煤油、润滑油、沥青、塑料、纤维等还有很多，这些都是从石油中提炼出来的。（二）石油的形成石油是由古代有机物(主要是单细胞植物，如蓝－绿海藻类；单细胞动物，如有孔虫类)变来的。在漫长的地质年代里，海洋里繁殖了大量的海洋生物，它们死亡后的遗体随着泥沙一起沉到海底，长年累月地一层层堆积起来，跟外界空气隔绝着，经过细菌的分解，以及地层内的高温、高压作用，生物遗体逐渐分解、转化成石油和天然气。世界石油分布产量是极不平衡的，探明储量有1.2万亿桶，仅中东地区就占68％的可采储量。其余依次为美洲、非洲、俄罗斯和亚太地区，分别占14％、7％、4.8％和4.27％。（三）石油的性质1.物理性质（1）石油是可以流动的液体，比重小于水，比其他燃料容易开采；（2）占有的容积小，容易运输。与一般燃料比较，它的可燃性好，发热量高，1千克石油燃烧起来可以产生10000多大卡的热量，比煤炭的发热量高1倍，比木柴的发热量高4～5倍。（3）石油又有易燃烧、燃烧充分和燃后不留灰烬的特点。石油的性质因产地而异，密度为0.8～1.0克/厘米3，粘度范围很宽，凝固点差别很大（30°C～60°C），沸点范围为常温到500°C以上，可溶于多种有机溶剂，不溶于水，但可与水形成乳状液。2.化学性质（1）组成元素：组成石油的化学元素主要是碳（83%～87%）、氢（11%～14%），其余为硫（0.06%～0.8%）、氮（0.02%～1.7%）、氧（0.08%～1.82%）及微量金属元素（镍、钒、铁等）。由碳和氢化合形成的烃类构成石油的主要组成部分，约占95%～99%，含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油加工中应尽量除去。我国主要原油的特点是含蜡较多，凝固点高，硫含量低，镍、氮含量中等，钒含量极少。除个别油田外，原油中汽油馏分较少，渣油占1/3。（2）原油的成分：主要有油质（这是其主要成分）、胶质（一种粘性的半固体物质）、沥青质（暗褐色或黑色脆性固体物质）、碳质（一种非碳氢化合物）。（3）原油的颜色：有红、金黄、墨绿、黑、褐红、甚至透明；原油的颜色决定于它本身所含胶质、沥青质的含量，含的越高颜色越深，原油的颜色越浅其油质越好。透明的原油可直接加在汽车油箱中代替汽油。（四）石油工业石油工业四个主要环节：寻找、开采、输送和加工；四个环节一般又分别称为“石油勘探”、“油田开发”、“油气集输”和“石油炼制”。1.“石油勘探”：通过勘探手段进行石油勘测，使用测量手段勘察地下是否有油。2.“油田开发”：指的是用钻井的办法证实了油气的分布范围。从这个意义上说，1821年四川富顺县自流井气田的开发是世界上最早的天然气田。3.“油气集输”：收集石油并进行输油。4.“石油炼制”：进行石油炼制，获得石油产品。二、煤炭（一）煤的形成在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化.当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形成的煤也不尽相同。一座煤矿的煤层厚薄与这地区的地壳下降速度及植物遗骸堆积的多少有关。地壳下降的速度快，植物遗骸堆积得厚，这座煤矿的煤层就厚，反之，地壳下降的速度缓慢，植物遗骸堆积的薄，这座煤矿的煤层就薄。又由于地壳的构造运动使原来水平的煤层发生褶皱和断裂，有一些煤层埋到地下更深的地方，有的又被排挤到地表，甚至露出地面，比较容易被人们发现。还有一些煤层相对比较薄，而且面积也不大，所以没有开采价值。（二）煤的分类：依据碳化程度深浅不同，可将其分为无烟煤、烟煤、褐煤、泥煤等几种类型；以其挥发物含量和焦结性为主要依据，烟煤又可分为贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、漆煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤等。（三）煤分布：根据成煤条件，地球上的煤