新能源与可再生能源

1第四章新能源与可再生能源2主要内容：4.3风能4.4核能4.5氢能4.6海洋能4.7地热能4.8生物质能3•本次课主要内容4.3风能讲述风能的基本含义；风能资源；风力发电的基本原理；4.4核能什么是核能？核能的利用方法有哪些？核能发电的方式和原理。4•本次课主要内容4.5氢能什么是氢能？氢能的利用途径有哪些？氢能特点。燃料电池的基本原理是什么？4.6海洋能什么是海洋能？海洋能的利用方式有哪些？海洋能发电的基本原理是什么？4.7地热能地热能的形式有哪几类？地热能的利用形式有哪些？地热发电的基本原理是什么？4.8生物质能什么是生物质能？生物质能的利用方式有哪些？生物质发电的基本原理是什么？54.3风能风能就是空气的动能，是指风所负载的能量。风能的大小决定于风速和空气的密度。6什么是风？地球上和大气中，各处接收到的太阳辐射能和放出的长波辐射能是不同的，因此在各处的温度也不同，这就造成了气压的差别。大气便由气压高的地方向气压低的地方流动。水平方向的大气流动就是风。风的能量也是由太阳辐射能转化来的。7一、风能资源据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源较丰富，全国风能密度100W／m2，风能资源总储量约1.6×105MW；风能发展历史一千多年，但是与其他能源利用形式比较，发展缓慢。风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。8全球风能资源分布图9全球风能资源分布1011风能区划分标准区指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度≥200200～150150～50≤50年风速大于3m/s风的年累计小时数≥50005000～40004000～2000≤2000占全国面积（%）81850241213二、风能的利用发展情况风车：我国历史悠久（3000年商代；荷兰）帆船：我国历史久远（3000年商代）风力发电：19世纪末，丹麦人14风能主要是风力发电上。风力发电优点：1.洁净；2.建造风力发电场费用低；3.无燃料问题；1516福建省东山岛澳仔山风电场1718风能利用前景：风能是可以持续利用，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。全球陆地风能资源总量约为53万亿千瓦时，相当于2002年全球发电量的2倍，再加上海上可利用风能资源，全球风能资源总量超过200万亿千瓦时。风力发电成本已经可以同煤炭发电的方法一比高下，二者成本大约都在每度电4美分左右，如果再加上污染治理以及卫生保健等额外的费用，用煤炭发电的成本便增加到5.5-8.3美分了，而作为一种非常清洁环保的技术，风力发电不需要卫生保健的成本，因此风能是一种目前看来最有商业使用价值的可再生能源。191996-2007年全球累计装机容量变化趋势20三、我国风能利用情况中国现代风力发电机技术的开发利用始于20世纪70年代，大风力发电技术的应用起始于20世纪80年代，风力发电技术的商业化发展则是90年代初期。2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦。2005年底并网风力发电装机容量，名列世界第十，亚洲第三。212000-2008年中国累计风电装机容量变化趋势22风能发电的原理•利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。•小型风力发电系统组成：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。•风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。23各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。24252627284.4核能一、概述1896年法国物理学家贝可勒尔发现铀天然放射性。两方面应用：和平利用：核电站（X射线检测等）武器：核武器29303132333435二、核能利用核聚变、核裂变1、核聚变热核反应，氘和氚在一定条件下，聚合成一个较重的结合能较大的原子核，同时释放巨大的热量。局部高温。36氢的同位素，如氚（3H）的原子核在一定条件下也可以聚合成氦（He）原子核，同时放出能量，这种核聚变反应放出的核能称为“聚变能”。37382、核裂变（1）链式反应：铀核裂变时可产生2-3个中子，这些中子又轰击其他铀核，产生更多的反应，引起一连串的裂变反应。可通过控制中子数方法控制反应，用吸收中子的材料制成控制棒，移动控制棒来控制。39如图，235U原子核在裂变后生成裂变碎片并同时放出2～3个中子，如果新产生的中子能够轰击其它的235U原子核并导致新的核裂变，裂变反应就可以不断持续下去，我们将这个过程形象地称作“链式反应”,在不断的链式反应下，核能被源源不断地释放出来。4041一个铀２３５原子核在吸收了一个能量适中的中子后，这个原子核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的原子核（称为裂变碎片），这种现象叫做核裂变。每次核裂变可释放出约２００兆电子伏能量和２～３个新的中子。只要条件适当，这些新的中子就可以使其他的原子核发生新的裂变，释放出更多的中子，从而使核裂变反应持续进行下去，形成所谓的链式裂变反应，使原子核内的能量被源源不断地释放出来，这就是核裂变能，也就是核能。42（2）反应堆：实现大规模可控核裂变链式反应的装置。（3）动力堆：可获得动力的反应堆装置。轻水堆、重水堆、气冷堆、快中子增殖堆轻水堆是最主要的堆型，有两种型式（沸水堆和压水堆）。①沸水堆：作为冷却剂的水在堆中沸腾。②压水堆：反应堆中压力高，冷却剂水的出口温度低于相应压力下的饱和温度，不沸腾，故称压水堆。43444546★快中子增殖反应堆快堆特点：运行时一方面消耗裂变燃料（铀-235或钚-239等），同时又生产出裂变燃料(钚-239等)，而且产大于耗，真正消耗的是在热中子反应堆中不大能利用的、且在天然铀中占99.2%以上的铀-238,铀-238吸收中子后变成钚-239。在快堆中，裂变燃料越烧越多，得到了增殖，故快堆的全名为快中子增殖反应堆。47目前的核电站中，大多数使用的是轻水堆。铀-235和铀-238都是铀的同位素，它们的原子核都会裂变，但铀-235有其独特的裂变方式，当中子撞击其原子核时，原子核会分裂成重量几乎相等的两部分，而铀-238却不具备上述裂变方式，所以不能用作轻水堆的燃料。轻水堆是热中子堆（或称慢中子堆），主要利用铀-235作为裂变燃料,而铀-235只占天然铀的0.7%左右。对压水堆来说，烧一次只能烧掉核燃料（即投入铀资源）的0.45%左右,剩下的99%还是烧不掉,其中主要是铀-238。为了解决上述问题，使铀资源得到充分利用，开发研究快中子反应堆，简称“快堆”。481.快堆不用铀-235，而用钚-239作燃料。2.在堆心燃料钚-239的外围再生区里放置铀-238（占天然铀中99.2%以上），钚-239产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀-238吸收，铀-238就会很快变成钚-239。这样，钚-239裂变，在产生能量的同时，又不断地将铀-238变成可用燃料钚-239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越烧越多，快速增殖，所以这种反应堆又称“快速增殖堆”。3.快中子反应堆则使用一种效率较低的冷却剂,例如液态钠,来让这些中子保持高能量状态。虽然这些快中子并不擅长引发裂变,但它们却带来了一个额外的好处:它们能够轻而易举地被同位素铀238俘获,然后,将铀238变成钚239。有些反应堆是专为这个目的而设计的,以便使钚的产量最大化,然后将钚作为燃料使用,49理论上，发展快堆能将铀资源的利用率提高到100%,但考虑到加工、处理中的损耗，一般来说可以达到60％～70％的利用率，是压水堆燃料一次通过的利用率的130～160倍。5051三、核电站组成：两大部分一是核岛：核的系统和设备二是常规岛：常规的系统和设备压水堆核电站和沸水堆核电站见下图52核电站的工作原理我们知道重核裂变时可释放出巨大的核能，而且我们已经掌握了控制裂变链式反应速度的方法.利用核能发电的电站叫做核电站.目前已建成的核电站都是利用重核裂变的链式反应释放的能量来发电的.核电站的核心是核反应堆，世界上第一座铀核链式反应堆是在物理学家费米领导下于1942年12月在美国芝加哥大学体育场建成的.53核反应堆第一回路：在第一回路中，先用泵把水或其他液体压入核反应堆，在那里获得铀核裂变释放的核能，被加热，然后进入热交换器，在那里把热量传递给第二回路中的水，再被泵压回反应堆重新被加热.第二回路：在热交换器内，第二回路中的水被加热成高温高压蒸汽后，进入汽轮发电机推动汽轮机做功，把内能转化成电能.做功后的蒸汽温度和压强都降低了，它将进入冷凝器冷却成水，再由泵压回热交换器重新加热成高温高压蒸汽.54核电站工作原理汽轮机带动发电机发电：通过两个回路的不断循环，把核反应堆中铀核裂变释放的核能，源源不断地转化成第二回路中水的内能，去推动汽轮发电机发电，转化成我们所需要的电能.这就是核电站的工作原理.55压水堆原理示意图565758广州大亚湾核电站是我国大陆第一座大型商用核电站广东岭澳核电站592007年世界有核电国家和地区核电装机容量★★核电发展606162632006年644.5氢能氢能是氢的化学能。氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢构成了宇宙质量的75%。氢气必须从水、化石燃料、植物等含氢物质中制得，是二次能源。65工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢、生物质制氢等。氢能主要优点：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。66氢121061焦耳/克；甲烷仅为50054焦耳/克；汽油为44467焦耳/克；甲醇为20254焦耳/克；煤和生物质为20238焦耳/克。67686970一、氢能概述清洁能源、利用形式多、热值高、燃烧迅速、本身无毒、二、氢能利用1、制氢：化学制氢、电解水制氢、热化学制氢、太阳能制氢等2、储氢物理和化学法两大类3、利用运输、燃料71氢的产生途径1.电解水制氢:2.矿物燃料制氢：（1）煤为原料制取氢气；（2）以天然气或轻质油为原料制取氢气：（3）以重油为原料部分氧化法制取氢气3.生物质制氢：（1）生物质气化制氢（2）微生物制氢4.其它合氢物质制氢72制氢途径73储氢氢气储存有物理和化学法两大类。物理法主要有：液氢储存、高压氢气储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存、活性炭吸附储存、碳纳米管储存（也包含部分的化学吸附储存）。化学法主要有：金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、无机物储存、氧化铁吸附储存。74氢能的利用1.冶金业中，用氢气作为还原剂将金属氧化物还原为金属，在金属高温加工过程中可以作为保护气；2.航天业上，氢气是作为高能燃料使用，可以使用于飞机、汽车；3.炼油业中，石脑油、燃料油、粗柴油、重油等加氢炼制得到质量更好的油产品；4.合成氨工业中，氢气是重要的合成原料之一；5.食品工业中，食用的色拉油就是对植物油进行加氢处理的产物，植物油加氢处理后，性能稳定、易存放，且有抵抗细菌生长、易被人体吸收之功效；6.电子工业中，氢气用做保护气，如电子管、显像管等制备过程；7.分析测试中，氢气可作为标准气；8.燃料电池。757677燃料电池利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。工作时，向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。燃料电池是氢的理想的转化装置，是氢能利用的关键技术