1、2022-7-2612022-7-2625l能源科學的內涵？能源科學的內涵？l何謂新能源？何謂新能源？l新能源有那些主要特徵？新能源有那些主要特徵？l新能源的類型？新能源的類型？l怎樣開發利用新能源？怎樣開發利用新能源？2022-7-2635.1能源概說能源概說 能源是自然界中能為人類提供某種形式能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質資源。能量的物質資源。自古以來，材料、能源、資訊是人類社自古以來，材料、能源、資訊是人類社會進步發展的三大要素，其中能源是人類生會進步發展的三大要素，其中能源是人類生存和發展不可缺少的物質基礎，它的開發和存和發展不可缺少的物質基礎，它的開發和利用狀況是衡量一
2、個時代、一個國家經濟發利用狀況是衡量一個時代、一個國家經濟發展和科學技術水準的重要標誌，直接關係到展和科學技術水準的重要標誌，直接關係到人們生活水準的高低。人們生活水準的高低。2022-7-2645.1.1能源的分類能源的分類 1.與太陽有關的能源與太陽有關的能源 地球每天接收的太陽能，相當於地球每天接收的太陽能，相當於全球一年所消耗的總能量的全球一年所消耗的總能量的200倍。倍。太陽發光放熱的歷史已達四十多億年太陽發光放熱的歷史已達四十多億年以上，據科學家們預計，太陽釋放巨以上，據科學家們預計，太陽釋放巨大能量的時間還將持續幾十億年。因大能量的時間還將持續幾十億年。因此，太陽可稱得上是人類取
3、之不盡、此，太陽可稱得上是人類取之不盡、用之不竭的能源寶庫。用之不竭的能源寶庫。2022-7-265太陽能的優點：太陽能的優點：l1）它沒有一般煤炭、石油等礦物）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產生的有害氣體和廢渣，因而燃料產生的有害氣體和廢渣，因而不污染環境，被稱作不污染環境，被稱作“潔淨能源潔淨能源”。l2）太陽能到處都可以獲得，使用）太陽能到處都可以獲得，使用方便、安全。方便、安全。l3）成本低廉，可以再生。）成本低廉，可以再生。2022-7-2662與地球內部的熱能有關的能源與地球內部的熱能有關的能源 地球是一個大熱庫，從地面向下地球是一個大熱庫，從地面向下，隨著深度的增加，溫度也不斷增
4、高，隨著深度的增加，溫度也不斷增高。從地下噴出地面的溫泉和火山爆發。從地下噴出地面的溫泉和火山爆發噴出的岩漿就是地熱的表現。地球上噴出的岩漿就是地熱的表現。地球上的地熱資源儲量也很大，按目前鑽井的地熱資源儲量也很大，按目前鑽井技術可鑽到地下技術可鑽到地下10 km的深度，估計地的深度，估計地熱能資源總量相當於世界年能源消費熱能資源總量相當於世界年能源消費量的量的400多萬倍。多萬倍。2022-7-267 3與原子核反應有關的能源與原子核反應有關的能源 這是某些物質在發生原子核反應時釋放的能量。這是某些物質在發生原子核反應時釋放的能量。原子核反應主要有裂變反應和聚變反應。目前在世界原子核反應主要
5、有裂變反應和聚變反應。目前在世界各地運行的各地運行的440多座核電站就是使用鈾原子核裂變時多座核電站就是使用鈾原子核裂變時放出的熱量。世界上已探明的鈾儲量約放出的熱量。世界上已探明的鈾儲量約490萬萬t，釷儲，釷儲量約量約275萬萬t。這些裂變燃料足夠人類使用到迎接聚變。這些裂變燃料足夠人類使用到迎接聚變能的到來。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量能的到來。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量為為0.03gL，據估計地球上的海水量約為，據估計地球上的海水量約為138億億億億m3，所以世界上氘的儲量約所以世界上氘的儲量約40萬億萬億t；地球上的鋰儲量雖；地球上的鋰儲量雖比氘少得多，也有比氘少得
6、多，也有2 000多億多億t，用它來製造氚，足夠，用它來製造氚，足夠人類過渡到氘、氚聚變的年代。這些聚變燃料所釋放人類過渡到氘、氚聚變的年代。這些聚變燃料所釋放的能量比全世界現有能源總量放出的能量大千萬倍。的能量比全世界現有能源總量放出的能量大千萬倍。按目前世界能源消費的水準，地球上可供原子核聚變按目前世界能源消費的水準，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。的氘和氚，能供人類使用上千億年。2022-7-268 4與地球與地球-月球月球-太陽相互聯繫有關的太陽相互聯繫有關的能源能源 地球、月亮、太陽之間有規律的地球、月亮、太陽之間有規律的運動，造成相對位置週期性的變化，運動，造成
7、相對位置週期性的變化，它們之間產生的引力使海水漲落而形它們之間產生的引力使海水漲落而形成潮汐能。成潮汐能。與上述三類能源相比，潮汐能的與上述三類能源相比，潮汐能的數量很小，全世界的潮汐能折合成煤數量很小，全世界的潮汐能折合成煤約為每年約為每年30億億t，而實際可用的只是淺，而實際可用的只是淺海區那一部分，每年約為海區那一部分，每年約為6 000萬萬t煤。煤。2022-7-269l1非再生能源資源面臨枯竭的危險 像煤炭、石油、天然氣及鈾之類的能源只能是越消耗越少，屬於非再生能源資源。l2直接燃燒化石燃料對環境構成嚴重威脅 燃燒化石燃料給環境造成的危害是當今世界性的嚴重問題。常規能源的生產和利用是
8、產生公害的重要原因。常規能源中煤、石油耗量的增加導致大氣中二氧化碳濃度相應增加，使全球氣溫隨之升高，即產生“溫室效應”。5.1.2人類面臨著能源挑戰人類面臨著能源挑戰2022-7-26105.1.3探索和開發新能源探索和開發新能源 所謂新能源指的是新近才利用的或正所謂新能源指的是新近才利用的或正在開發研究的能源，這種能源包含有：在開發研究的能源，這種能源包含有：l 太陽能太陽能l 核能核能l 沼氣沼氣l 風能風能l 氫能氫能l 地熱能地熱能l 海洋能、地磁能等海洋能、地磁能等2022-7-2611l現代高科技的發展序列是：現代高科技的發展序列是：以資訊技術為先導，以新材料技術為基以資訊技術為先
9、導，以新材料技術為基礎，以新能源技術為支柱，沿微尺度領域向礎，以新能源技術為支柱，沿微尺度領域向生物技術開拓，沿宏尺度領域向海洋和空間生物技術開拓，沿宏尺度領域向海洋和空間技術擴展。由此可見，新能源技術在現代高技術擴展。由此可見，新能源技術在現代高科技中佔有多麼重要的地位。科技中佔有多麼重要的地位。新能源的應用與發展，不僅會推動社會新能源的應用與發展，不僅會推動社會生產力的發展，而且將使人類從有限的一次生產力的發展，而且將使人類從有限的一次性能源的使用，轉向多樣化的、再生的、取性能源的使用，轉向多樣化的、再生的、取之不盡的潔淨能源的使用。這樣，在未來世之不盡的潔淨能源的使用。這樣，在未來世紀中
10、，人們可以不再為能源的枯竭、環境的紀中，人們可以不再為能源的枯竭、環境的污染和生態的破壞而擔憂。污染和生態的破壞而擔憂。2022-7-26122022-7-26132022-7-2614l從太陽光譜分析中發現，氫和氦占整個從太陽光譜分析中發現，氫和氦占整個太陽品質太陽品質96，太陽能的來源主要是氫，太陽能的來源主要是氫原子核間的高溫熱核聚變反應所釋放的原子核間的高溫熱核聚變反應所釋放的輻射能，這種熱核反應不停地進行著，輻射能，這種熱核反應不停地進行著，所以太陽不斷地向宇宙空間輻射出巨大所以太陽不斷地向宇宙空間輻射出巨大的能量。其輻射功率約為的能量。其輻射功率約為3.81023 kW。能達到地球
11、大氣層的能量僅占總輻射能能達到地球大氣層的能量僅占總輻射能的二十億分之一，而其中的的二十億分之一，而其中的30被大氣被大氣層反射回宇宙空間，層反射回宇宙空間，23被大氣層吸收，被大氣層吸收，真正能夠達到地面的輻射功率仍高達真正能夠達到地面的輻射功率仍高達8.01013 kW，相當於目前地球上總發電，相當於目前地球上總發電功率的功率的8萬倍。萬倍。2022-7-2615l我國戰國時代就已經用金屬凹面鏡（即陽隧）聚我國戰國時代就已經用金屬凹面鏡（即陽隧）聚焦太陽光用以點火，又據晉代焦太陽光用以點火，又據晉代博物志博物志記載；記載；“消冰命圓、舉以向日，以艾承其影，則得火消冰命圓、舉以向日，以艾承其
12、影，則得火”。l將冰製成凸透鏡也可以聚焦陽光而點火。將冰製成凸透鏡也可以聚焦陽光而點火。l1837年英國天文學家赫胥黎在去非洲探險途中首年英國天文學家赫胥黎在去非洲探險途中首先使用太陽灶燒飯。先使用太陽灶燒飯。l1860年出現了用抛物面反射陽光裝置，可使聚焦年出現了用抛物面反射陽光裝置，可使聚焦面溫度達面溫度達500C。l1875年又出現了太陽能集能器。要充分收收集並年又出現了太陽能集能器。要充分收收集並使用太陽光發揮熱能效益，就必須採取能把太陽使用太陽光發揮熱能效益，就必須採取能把太陽光反射並集中在一起、變成熱能的系統，還要有光反射並集中在一起、變成熱能的系統，還要有把收集的熱能加以儲存和熱
13、交換的設備。把收集的熱能加以儲存和熱交換的設備。5.2.1光熱轉換光熱轉換1太陽能光熱轉換的基本原理太陽能光熱轉換的基本原理光熱轉換是把太陽輻射能直接轉換成熱能，就是設法使太陽光熱轉換是把太陽輻射能直接轉換成熱能，就是設法使太陽光聚集，用以加熱某物體獲得熱能。光聚集，用以加熱某物體獲得熱能。2022-7-2616l聚光裝置有平板型集熱器和抛物面型反射聚光器。太陽能熱水器就是最簡單的平板型集熱器，它由塗黑的采熱板及與采熱板接觸的水構成，用透明蓋層與外界隔開，防止散熱。輸人冷水後，可以得到較高溫度的水。l利用平板型太陽集熱器可以製造各種太陽能熱水器滿足各方面的熱水需要。截止1994年底，我國安裝太
14、陽熱水器面積近3.00106m2，居世界首位。l聚光型集熱器是利用光線的反射和折射原理，採用反射或折射器使陽光改變方向，集中照射在吸熱物體上，吸熱體面積小於採光面積，聚焦處可得到較高溫度，一般應用在太陽能聚光灶和太陽能高溫爐。2022-7-2617l圖圖5-2立柱式單碟太陽能聚光器立柱式單碟太陽能聚光器 圖圖5-3槽式太陽能聚光器槽式太陽能聚光器 2022-7-2618 2光熱轉換的應用光熱轉換的應用 （1）太陽能熱電站。光熱轉換的最典型應用是太）太陽能熱電站。光熱轉換的最典型應用是太陽能熱電站。這種既可發熱又可發電的裝置先將陽能熱電站。這種既可發熱又可發電的裝置先將太陽光轉變成熱能，然後再通
15、過機械裝置將熱能太陽光轉變成熱能，然後再通過機械裝置將熱能轉變成電能。其能量轉換的過程是：利用集熱器轉變成電能。其能量轉換的過程是：利用集熱器（聚光鏡）和吸熱器（鍋爐）把分散的太陽輻射（聚光鏡）和吸熱器（鍋爐）把分散的太陽輻射能彙聚成集中的熱能，經熱換器和汽輪發電機把能彙聚成集中的熱能，經熱換器和汽輪發電機把熱能變成機械能，再變成電能。它與一般火力發熱能變成機械能，再變成電能。它與一般火力發電廠的區別在於，其動力來源不是煤或燃油，而電廠的區別在於，其動力來源不是煤或燃油，而是太陽的輻射能。一般來說，太陽能電站多數採是太陽的輻射能。一般來說，太陽能電站多數採用在地面上設置許多聚光鏡，以不同角度和
16、方向用在地面上設置許多聚光鏡，以不同角度和方向把太陽光收集起來，集中反射到一個高塔頂部的把太陽光收集起來，集中反射到一個高塔頂部的專用鍋爐上，使鍋爐裡的水受熱變為高壓蒸汽，專用鍋爐上，使鍋爐裡的水受熱變為高壓蒸汽，用來驅動汽輪機，再由汽輪機帶動發電機發電。用來驅動汽輪機，再由汽輪機帶動發電機發電。2022-7-26192022-7-2620（2）太陽能熱管。又叫真空集熱管，它在結構）太陽能熱管。又叫真空集熱管，它在結構上與平常所用的熱水瓶相似，但熱水瓶只能用上與平常所用的熱水瓶相似，但熱水瓶只能用來保溫，而太陽能熱管卻能巧妙地吸收太陽的來保溫，而太陽能熱管卻能巧妙地吸收太陽的熱能，即使陽光很微
17、弱，它也能達到較高的溫熱能，即使陽光很微弱，它也能達到較高的溫度。度。熱管有一個透明的玻璃管殼，裡面密封著能熱管有一個透明的玻璃管殼，裡面密封著能裝液體或氣體的吸熱管，兩管之間抽成真空。裝液體或氣體的吸熱管，兩管之間抽成真空。這樣，在吸熱管周圍形成了性能良好的真空絕這樣，在吸熱管周圍形成了性能良好的真空絕熱層，防止熱量散失出去。吸熱管的材料可以熱層，防止熱量散失出去。吸熱管的材料可以是金屬，也可以是玻璃，在它的外表面塗有選是金屬，也可以是玻璃，在它的外表面塗有選擇性的吸熱塗層。當陽光照在熱管上，吸熱管擇性的吸熱塗層。當陽光照在熱管上，吸熱管的塗層就能大量吸收光能，並將光能轉變成熱的塗層就能大量
18、吸收光能，並將光能轉變成熱能，從而使吸熱管內裝的液體或氣體的溫度升能，從而使吸熱管內裝的液體或氣體的溫度升高。高。2022-7-2621 5.2.2光電轉換光電轉換 光電轉換就是把太陽的輻射能直接轉換成電能，所利光電轉換就是把太陽的輻射能直接轉換成電能，所利用的原理就是用的原理就是“光電效應光電效應”。太陽能電池就是利用光電效。太陽能電池就是利用光電效應將太陽輻射直接轉換成電能的裝置，分結晶太陽能電池應將太陽輻射直接轉換成電能的裝置，分結晶太陽能電池和非結晶太陽能電池兩種。和非結晶太陽能電池兩種。（1）光伏電池，光生伏打效應是指當物體受到光照射時，）光伏電池，光生伏打效應是指當物體受到光照射時
19、，物體內部就會產生電流或電動勢的現象。物體內部就會產生電流或電動勢的現象。（2）太陽能電池是半導體材料內部光電效應的產物，當）太陽能電池是半導體材料內部光電效應的產物，當太陽光照射到矽半導體的太陽光照射到矽半導體的pn結上時，波長極短的光很容易結上時，波長極短的光很容易被半導體晶體內部吸收。並去碰撞矽原子中的價電子，價被半導體晶體內部吸收。並去碰撞矽原子中的價電子，價電子得到能量成為自由電子而逸出晶格，產生電子流動。電子得到能量成為自由電子而逸出晶格，產生電子流動。2022-7-26222022-7-2623 以太陽能電池為動力的以太陽能電池為動力的j轎車，已經在墨西哥試轎車，已經在墨西哥試製
20、成功。這種汽車的外形像一輛三輪摩托車，在車製成功。這種汽車的外形像一輛三輪摩托車，在車頂上架了一個裝有太陽能電池的大篷。在陽光照射頂上架了一個裝有太陽能電池的大篷。在陽光照射下，太陽能電池供給汽車電能，使汽車以下，太陽能電池供給汽車電能，使汽車以40km/h的的速度向前行駛速度向前行駛。2022-7-2624 l光化學轉換是將太陽輻射能直接轉換為化學能，實現這種轉換方式主要是利用植物的光合作用。但通過綠色植物實現光化學轉換不能完全受人控制，是非完全可控的能量轉換過程。完全可控的光化學轉換只有類比綠色植物的光合作用才能實現。5.2.3光化學轉換光化學轉換2022-7-2625 5.2.4太陽能的
21、其他應用方式太陽能的其他應用方式l1太陽池發電l太陽池是吸收太陽能水池的簡稱。水準如鏡的水池也能用來發電，這可能是許多人沒有想到的。因此，利用水池收集太陽能發電，可以說是迄今為止將太陽輻射能轉換為電能的最美妙的構想之一。l太陽池發電的最突出優點是構造簡單，生產成本低；它幾乎不需要價格昂貴的不銹鋼、玻璃和塑膠一類的材料，只要一處淺水池和發電設備即可；另外它能將大量的熱儲存起來，可以常年不斷地利用陽光發電，即使在夜晚和冬季也照常可以利用。因此，有人說太陽池發電是所有太陽能應用中最為廉價和便於推廣的一種技術。2022-7-2626l2太陽能氣流電站太陽能氣流電站 利用太陽能發電的方式很多，其中最為利
22、用太陽能發電的方式很多，其中最為新奇的是太陽能氣流發電。由於這種電站有新奇的是太陽能氣流發電。由於這種電站有一個高大的一個高大的“煙囪煙囪”，所以也被稱作太陽能，所以也被稱作太陽能煙囪電站。太陽能電站既不燒煤，也不用油，煙囪電站。太陽能電站既不燒煤，也不用油，所以這個煙囪並非是用來排煙的，而是用它所以這個煙囪並非是用來排煙的，而是用它抽吸空氣，所以確切點說應稱其為太陽能氣抽吸空氣，所以確切點說應稱其為太陽能氣流電站。流電站。l 3太陽能空間電力站太陽能空間電力站 把太陽能發電站搬到宇宙空間把太陽能發電站搬到宇宙空間去，以便得到去，以便得到更多的太陽能。而且這樣還能避免地面太陽更多的太陽能。而且
23、這樣還能避免地面太陽能電站接收太陽光時斷時續的缺點。能電站接收太陽光時斷時續的缺點。2022-7-26275.3核能的開發和利用核能的開發和利用l核能俗稱原子能，它是指原子核發生裂變或聚變時核能俗稱原子能，它是指原子核發生裂變或聚變時所放出的能量。所放出的能量。核能分為兩類核能分為兩類:l一類叫核裂變能，是指重元素（鈾或鈈等）的原子一類叫核裂變能，是指重元素（鈾或鈈等）的原子核發生裂變時放出的能量。核發生裂變時放出的能量。l另一類叫聚變能，是指輕元素（氘和氚）的原子核另一類叫聚變能，是指輕元素（氘和氚）的原子核發生聚變反應時放出的能量。發生聚變反應時放出的能量。核能是人類解決能源問題的希望核能
24、是人類解決能源問題的希望!截止截止2006年年12月，全世界已有月，全世界已有37個國家或地區個國家或地區438座核電站在運行，正在建造核電站座核電站在運行，正在建造核電站61座，座，核發電量占世界總發電量的核發電量占世界總發電量的17以上以上。2022-7-2628l一切物質都是由原子組成的，原子由居於中心一切物質都是由原子組成的，原子由居於中心帶正電的原子核與核外帶負電的電子組成。原帶正電的原子核與核外帶負電的電子組成。原子核體積很小，只占原子體積的千億分之一。子核體積很小，只占原子體積的千億分之一。原子核由不同數量的質子與中子組成，質子與原子核由不同數量的質子與中子組成，質子與中子統稱為
25、核子，核子間靠核力緊密結合在一中子統稱為核子，核子間靠核力緊密結合在一起。把這種使核子凝聚在一起的能量稱為起。把這種使核子凝聚在一起的能量稱為“結結合能合能”，原子只有在受外力作用時，才能釋放，原子只有在受外力作用時，才能釋放出能量。出能量。l1898年年12月，波蘭科學家居里夫人發現放射性月，波蘭科學家居里夫人發現放射性元素鐳，並發現鐳在蛻變時伴隨著能量的釋放。元素鐳，並發現鐳在蛻變時伴隨著能量的釋放。5.3.1核裂變能核裂變能2022-7-2629鏈式反應鏈式反應l用高速運動的帶電粒子轟擊原子核可使能量釋放出來，但命用高速運動的帶電粒子轟擊原子核可使能量釋放出來，但命中率太低，直到中率太低
26、，直到1938年年12月月22日德國放射化學家哈恩和奧地日德國放射化學家哈恩和奧地利籍猶太人邁特納兩位科學家在利籍猶太人邁特納兩位科學家在自然自然上發文確認：鈾核上發文確認：鈾核在中子的轟擊下分裂成了品質相近的兩塊碎片，並計算出反在中子的轟擊下分裂成了品質相近的兩塊碎片，並計算出反應過程中釋放出了應過程中釋放出了2 MeV的能量。的能量。l居里夫人的女兒伊倫居里夫人的女兒伊倫約裡奧約裡奧居裡和費米等人此前也在著手居裡和費米等人此前也在著手從裂變中尋找自由中子，並幾乎與之同時得到肯定的答案。從裂變中尋找自由中子，並幾乎與之同時得到肯定的答案。他們發現用中子轟擊鈾原子核，除產生兩個裂變原子核並釋他
27、們發現用中子轟擊鈾原子核，除產生兩個裂變原子核並釋放出能量外，還會產生出兩三個新的中子來，這兩三個中子放出能量外，還會產生出兩三個新的中子來，這兩三個中子再轟擊兩三個鈾核，再分裂出更多的中子。如此按幾何級數再轟擊兩三個鈾核，再分裂出更多的中子。如此按幾何級數陡增的眾多中子可使鈾核瞬間全部分裂，在這過程中，失去陡增的眾多中子可使鈾核瞬間全部分裂，在這過程中，失去的品質轉變為巨大的能量釋放出來，即核能。的品質轉變為巨大的能量釋放出來，即核能。l“鏈式反應鏈式反應”的發現為人類利用核能開闢了通路。核能的開的發現為人類利用核能開闢了通路。核能的開發和利用就是在這樣的基礎上產生和發展起來的。發和利用就是
28、在這樣的基礎上產生和發展起來的。2022-7-2630 1905年，愛因斯坦提出質能關係式年，愛因斯坦提出質能關係式:E=mv2 從理論上預示了核能利用的可能性，從理論上預示了核能利用的可能性，為核能的利用打開了大門。核能的成就為核能的利用打開了大門。核能的成就雖然首先用於軍事目的，但此後很快就雖然首先用於軍事目的，但此後很快就實現了它的和平利用，最主要的是通過實現了它的和平利用，最主要的是通過核電站發電。核電站發電。2022-7-2631核反應堆2022-7-2632圖圖5-10正在建設的熱中子轉換堆正在建設的熱中子轉換堆2022-7-26335.3.2核聚變能核聚變能l核聚變能是利用輕原子
29、核（氘一氘或氘一氚）在核聚變能是利用輕原子核（氘一氘或氘一氚）在極高溫（幾千萬度或上億度）下聚合成較重原子極高溫（幾千萬度或上億度）下聚合成較重原子核（如氦）過程中釋放出來巨大能量。核（如氦）過程中釋放出來巨大能量。l建立受控熱核聚變反應裝置，使核聚變順從地在建立受控熱核聚變反應裝置，使核聚變順從地在人為的控制下進行人為的控制下進行。兩種可能的途徑：兩種可能的途徑：一是用強磁場把低密度的高溫重氫原子核長時間一是用強磁場把低密度的高溫重氫原子核長時間約束在容器內使其發生聚變反應，稱為磁約束受約束在容器內使其發生聚變反應，稱為磁約束受控核聚變。控核聚變。二是利用運動慣性把高密度的高溫重氫原子核在二
30、是利用運動慣性把高密度的高溫重氫原子核在短時間內約束住，使其形成微型爆炸式的聚變反短時間內約束住，使其形成微型爆炸式的聚變反應，稱為慣性約束核聚變。應，稱為慣性約束核聚變。2022-7-2634 新新一一代代核核聚聚變變實實驗驗裝裝置置2022-7-26355.3.3核能利用的安全性核能利用的安全性（1）核電站不會像原於彈那樣爆炸，建造核）核電站不會像原於彈那樣爆炸，建造核電站的設計和使用的材料、燃料等都與原電站的設計和使用的材料、燃料等都與原子彈完全不同，其工作方式和介質也不一子彈完全不同，其工作方式和介質也不一樣，不可能發生核爆炸。樣，不可能發生核爆炸。（2）核能應用的安全保障措施：今後發
31、展的核能應用的安全保障措施：今後發展的先進核反應爐是先進核反應爐是“固有安全性固有安全性”的反應堆，的反應堆，即當反應出現異常情況時，可以不靠人為即當反應出現異常情況時，可以不靠人為操作或外部設備的強制性干預，而是依靠操作或外部設備的強制性干預，而是依靠反應堆的自然安全性和非能動安全性，使反應堆的自然安全性和非能動安全性，使反應堆趨於正常運行或完全停閉。反應堆趨於正常運行或完全停閉。2022-7-2636l 風是地球上常見的一種自然現象，它是由風是地球上常見的一種自然現象，它是由太陽輻射熱引起的。地球各處受熱情況不同，太陽輻射熱引起的。地球各處受熱情況不同，由溫差而形成大氣壓差，形成地表大量空
32、氣的由溫差而形成大氣壓差，形成地表大量空氣的流動。流動。西元前，風車提水、磨米和風帆助航等是西元前，風車提水、磨米和風帆助航等是人類利用風能的較早形式。風能存在能量密度人類利用風能的較早形式。風能存在能量密度低、不穩定、地區差異性大等特點從而影響了低、不穩定、地區差異性大等特點從而影響了它的發展。它的發展。2022-7-2637l風能是蘊藏量大、分佈廣、可再生、無污風能是蘊藏量大、分佈廣、可再生、無污染的能源，據估算，全世界可開發的風力染的能源，據估算，全世界可開發的風力達達21010 kW，比地球上可開發的水力資，比地球上可開發的水力資源大源大10倍；據倍；據2005年的能源資源調查，我年的
33、能源資源調查，我國的鋒利資源達國的鋒利資源達10億億kW的資源潛力。在的資源潛力。在現代科技的支持下，風能正在成為新能源現代科技的支持下，風能正在成為新能源的重要成員。的重要成員。2022-7-2638l風能的利用主要有以下幾種形式：風能的利用主要有以下幾種形式：l（1）風能轉換成機械能。）風能轉換成機械能。l（2）風能轉換成電能）風能轉換成電能。2022-7-26395.4.2地熱能地熱能l地球內部蘊藏著巨大的熱能，人類很久以前地球內部蘊藏著巨大的熱能，人類很久以前開採溫泉洗澡、取暖、醫療等，但是把它視開採溫泉洗澡、取暖、醫療等，但是把它視為一種儲量巨大、有經濟競爭力的能源，特為一種儲量巨大
34、、有經濟競爭力的能源，特別是用來發電，還是別是用來發電，還是20世紀初才開始的。世紀初才開始的。l地熱來源於地球內部，地球是一個平均半徑地熱來源於地球內部，地球是一個平均半徑為為6 370 km的實心橢圓球體，其構造分為三的實心橢圓球體，其構造分為三層，地殼、地幔、地核。地殼厚度不均，幾層，地殼、地幔、地核。地殼厚度不均，幾千米至幾十千米。地球內部熱量來自地殼下千米至幾十千米。地球內部熱量來自地殼下放射性元素緩慢放射性衰變不斷釋放的熱量。放射性元素緩慢放射性衰變不斷釋放的熱量。2022-7-2640l1地熱發電地熱發電 地熱發電的基本原理和一般人力發電一地熱發電的基本原理和一般人力發電一樣，是
35、利用地熱能通過機械能的中間轉換樣，是利用地熱能通過機械能的中間轉換產生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱能產生電能，它不用燃料，不需鍋爐，熱能直接取自於地熱流體。直接取自於地熱流體。（1）地熱幹蒸汽發電。）地熱幹蒸汽發電。（2）地下熱水（濕蒸汽）發電。）地下熱水（濕蒸汽）發電。2022-7-2641圖圖5-13美國加利福尼亞州的地熱發電廠美國加利福尼亞州的地熱發電廠圖圖5-14我國西藏羊八井地熱發電我國西藏羊八井地熱發電 2022-7-26422地熱採暖地熱採暖l地熱能源的利用，除用於發電外，地地熱能源的利用，除用於發電外，地熱能供熱、供暖、供水是僅次於發電熱能供熱、供暖、供水是僅次於發電的地熱能
36、利用方法。地熱能在用來採的地熱能利用方法。地熱能在用來採暖、供熱是最經濟、最簡便、最有效暖、供熱是最經濟、最簡便、最有效的用途，採用這種利用方式的國家很的用途，採用這種利用方式的國家很多，最典型的國家是冰島，首都雷克多，最典型的國家是冰島，首都雷克雅維克在雅維克在20世紀世紀40年代就實現了年代就實現了“天天然暖氣化然暖氣化”，是世界最清潔的城市之，是世界最清潔的城市之一。一。2022-7-26435.4.3生物質能和石油植物能源生物質能和石油植物能源l1生物質能 生物質能又稱“綠色能源”，它是指通過植物的光合作用而將太陽的輻射能量以一種生物質形式固定下來的能源。它包括世界上所有的動物、植物和
37、微生物，以及這些生物產生的排泄物和代謝物。生物質能來源於太陽輻射能，是取之不盡的再生能源，據推算，地球上每年由植物固定下來的太陽輻射能是當今世界年能耗總量的10倍多。2022-7-2644生物質能的轉換技術：生物質能的轉換技術：l（1）直接燃燒，獲取熱量。這是最簡單的方法，但）直接燃燒，獲取熱量。這是最簡單的方法，但轉換效率很低，且污染環境，目前有的國家研究生轉換效率很低，且污染環境，目前有的國家研究生物質壓塊燃料以提高熱效。物質壓塊燃料以提高熱效。l（2）生物轉換技術。通過微生物發酵方法將生物質）生物轉換技術。通過微生物發酵方法將生物質轉換成液體或氣體燃料。我國農村廣泛使用的轉換成液體或氣體
38、燃料。我國農村廣泛使用的“沼沼氣氣”就是這種轉換。沼氣發酵原料十分廣泛而豐富，就是這種轉換。沼氣發酵原料十分廣泛而豐富，這是解決農村能源和處理城市垃圾變廢為寶的現實這是解決農村能源和處理城市垃圾變廢為寶的現實途徑，而且潛力很大。據推測，我國的農作物廢棄途徑，而且潛力很大。據推測，我國的農作物廢棄物和人畜糞便等如全部入池發酵，每年可制取物和人畜糞便等如全部入池發酵，每年可制取1011 m3沼氣。從沼氣。從20世紀世紀80年代以來，沼氣的利用已從生年代以來，沼氣的利用已從生活領域走向生產領域，從農村走向城鎮。活領域走向生產領域，從農村走向城鎮。l（3）化學轉換技術。通過化學方法使生物質轉換成）化學
39、轉換技術。通過化學方法使生物質轉換成燃料物質，化學方法目前有三種：有機溶劑提取法、燃料物質，化學方法目前有三種：有機溶劑提取法、氣化法、熱分解法。氣化法、熱分解法。2022-7-2645l2石油植物石油植物 所謂所謂“石油植物石油植物”，是指那些可以直，是指那些可以直接生產工業用接生產工業用“燃料油燃料油”，或經發酵加工，或經發酵加工可生產可生產“燃料油燃料油”的植物的總稱。例如，的植物的總稱。例如，現已發現的大量可直接生產燃料油的植物，現已發現的大量可直接生產燃料油的植物，主要分佈在大戟科，如綠玉樹、三角戟、主要分佈在大戟科，如綠玉樹、三角戟、續隨子等。這些石油植物能生產低分子量續隨子等。這
40、些石油植物能生產低分子量氫化合物，加工後可合成汽油或柴油的代氫化合物，加工後可合成汽油或柴油的代用品。用品。2022-7-2646圖圖5-15種植的石油植物種植的石油植物 圖圖5-16狗仔花狗仔花一種石油植物一種石油植物2022-7-26475.4.4氫能氫能l1氫能的特點氫能的特點 在眾多的能源品種中，人們一直在選擇能量最大、使用在眾多的能源品種中，人們一直在選擇能量最大、使用方便、來源豐富和沒有污染的持久能源，這就是氫能。氫方便、來源豐富和沒有污染的持久能源，這就是氫能。氫在常溫常壓下是氣體狀態，在超低溫高壓下又可成為液態。在常溫常壓下是氣體狀態，在超低溫高壓下又可成為液態。l（1）品質最
41、輕，它的原子序數為）品質最輕，它的原子序數為1。l（2）熱值高，是汽油熱值的）熱值高，是汽油熱值的3倍。倍。l（3）爆發力強，極易燃燒，且燃燒速度快。）爆發力強，極易燃燒，且燃燒速度快。l（4）來源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態儲）來源廣，除空氣中含有外，主要以化合物的形態儲存于水中。存于水中。l（5）品質最純潔，本身無色、無臭、無毒，十分純淨，）品質最純潔，本身無色、無臭、無毒，十分純淨，燃燒後生成們水而無碳化物污染。燃燒後生成們水而無碳化物污染。l（6）能量形式多，可通過燃燒產生熱能，也可以通過燃）能量形式多，可通過燃燒產生熱能，也可以通過燃料電池和燃氣料電池和燃氣蒸汽渦輪發電機轉
42、換成電能。蒸汽渦輪發電機轉換成電能。l（7）儲運方便，可以用氣態、液態或固態金屬氫化物形）儲運方便，可以用氣態、液態或固態金屬氫化物形態加以運輸和儲存。態加以運輸和儲存。2022-7-2648l2氫的制取氫的制取 天然的純氫畢竟是有限的，氫一天然的純氫畢竟是有限的，氫一般屬於二次能源。要大量的利用氫般屬於二次能源。要大量的利用氫能，必須通過科學方法，利用其他能，必須通過科學方法，利用其他能源來制取。能源來制取。（1）水解法制氫。）水解法制氫。（2）生物制氫技術。）生物制氫技術。2022-7-2649圖圖5-17生物制氫的反應過程生物制氫的反應過程圖圖5-18生物制氫裝置生物制氫裝置2022-7
43、-26505.4.5磁流體發電技術磁流體發電技術l磁流體發電是一種可靠的新發電技術，可以將磁流體發電是一種可靠的新發電技術，可以將燃料熱能直接轉變成電能。燃料熱能直接轉變成電能。l磁流體發電是首先對燃料（石油、天然氣、煤）磁流體發電是首先對燃料（石油、天然氣、煤）進行高溫加熱，直至電離成導電的等離子氣體，進行高溫加熱，直至電離成導電的等離子氣體，高速通過磁場，切割磁感應線產生感應電動勢，高速通過磁場，切割磁感應線產生感應電動勢，這樣直接將熱能轉換成電能。由於磁流體發電這樣直接將熱能轉換成電能。由於磁流體發電排氣溫度很高，如果與常規汽輪發電廠聯合迴排氣溫度很高，如果與常規汽輪發電廠聯合迴圈發電，
44、可將燃料熱能利用率從圈發電，可將燃料熱能利用率從40提高到提高到60。l磁流體發電技術是一種新的能源轉換方式，它磁流體發電技術是一種新的能源轉換方式，它不僅熱效率高，而且在很大程度上降低了排入不僅熱效率高，而且在很大程度上降低了排入大氣中的粉塵和二氧化硫等有害氣體，可大大大氣中的粉塵和二氧化硫等有害氣體，可大大減輕對大氣的污染。減輕對大氣的污染。2022-7-2651圖圖5-19磁流體發電工作原理圖磁流體發電工作原理圖2022-7-2652磁流體發電的優越性：磁流體發電的優越性：l（1）綜合效率高。磁流體的熱效率可以從火）綜合效率高。磁流體的熱效率可以從火力發電的力發電的30%40提高到提高到
45、50%60，預，預計將來還會再提高。計將來還會再提高。l（2）啟動快。在幾秒鐘的時間內，磁流體發）啟動快。在幾秒鐘的時間內，磁流體發電就能達到滿功率運行，這是其他任何發電電就能達到滿功率運行，這是其他任何發電裝置無法相比的，因此，磁流體發電不僅可裝置無法相比的，因此，磁流體發電不僅可作為大功率民用電源，而且還可以作為高峰作為大功率民用電源，而且還可以作為高峰負荷電源和特殊電源使用，如作為風洞試驗負荷電源和特殊電源使用，如作為風洞試驗電源、鐳射武器的脈衝電源等。電源、鐳射武器的脈衝電源等。2022-7-2653l（3）去硫方便，對環境污染少。磁流體發電）去硫方便，對環境污染少。磁流體發電雖然也使
46、用煤炭、石油等燃料，但由於它使雖然也使用煤炭、石油等燃料，但由於它使用的是細煤粉，而且高溫氣體還摻雜著少量用的是細煤粉，而且高溫氣體還摻雜著少量的鉀、鈉和銫的化合物等，容易和硫發生化的鉀、鈉和銫的化合物等，容易和硫發生化學反應，生成硫化物，在發電後回收這些金學反應，生成硫化物，在發電後回收這些金屬的同時也將硫回收了。從這一點來說，磁屬的同時也將硫回收了。從這一點來說，磁流體發電可以充分利用含硫較多的劣質煤。流體發電可以充分利用含硫較多的劣質煤。另外，由於磁流體發電的熱效率高，因而排另外，由於磁流體發電的熱效率高，因而排放的廢熱也少，產生的污染物自然就少多了。放的廢熱也少，產生的污染物自然就少多
47、了。l（4）無高速旋轉部件，雜訊小，設備結構簡）無高速旋轉部件，雜訊小，設備結構簡單，體積和重量也大大減小。由於磁流體發單，體積和重量也大大減小。由於磁流體發電時的溫度高，所以可將磁流體發電與其他電時的溫度高，所以可將磁流體發電與其他發電方式聯合組成效率高的大型發電站，作發電方式聯合組成效率高的大型發電站，作為經常滿載運行的基本負荷電站。為經常滿載運行的基本負荷電站。2022-7-26545.4.6燃料電池發電技術燃料電池發電技術l1燃料電池的工作原理與特點燃料電池的工作原理與特點 燃料電池和傳統電池的原理基本相同，燃料電池和傳統電池的原理基本相同，也是通過電化學反應把物質的化學能轉換也是通過
48、電化學反應把物質的化學能轉換成電能。所不同的是，傳統電池是將內部成電能。所不同的是，傳統電池是將內部物質事先充填好，而燃料電池進行化學反物質事先充填好，而燃料電池進行化學反應所用的物質則是由外部不斷充填，就像應所用的物質則是由外部不斷充填，就像往爐膛裡添加煤和油等燃料一樣，因此，往爐膛裡添加煤和油等燃料一樣，因此，它能夠源源不斷地發電，所以人們稱它為它能夠源源不斷地發電，所以人們稱它為燃料電池。燃料電池。2022-7-2655圖圖5-20燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理2022-7-2656燃料電池優點：燃料電池優點：l（1）發電效率高，而且穩定。一般的火力發電）發電效率高，而且穩定。一般
49、的火力發電的能源轉換效率只有的能源轉換效率只有30%40，而燃料電池，而燃料電池在所有的發電裝置中轉換效率是最高的，目前在所有的發電裝置中轉換效率是最高的，目前已達到已達到50%70，預計將來可達到，預計將來可達到80。l（2）工作可靠，不產生污染和雜訊。燃料電池）工作可靠，不產生污染和雜訊。燃料電池在反應過程中只產生水蒸汽，所以不會污染環在反應過程中只產生水蒸汽，所以不會污染環境，由於它沒有運動部件，自然不會產生雜訊。境，由於它沒有運動部件，自然不會產生雜訊。l（3）使用方便，電損耗低。燃料電池可以安裝）使用方便，電損耗低。燃料電池可以安裝在用戶跟前，既簡化了輸電設備，又降低了輸在用戶跟前，
50、既簡化了輸電設備，又降低了輸電線路的電損耗。電線路的電損耗。2022-7-2657l（4）建發電站用的時間短，而且還可根據）建發電站用的時間短，而且還可根據需要隨時擴大規模。燃料電池本身是由模需要隨時擴大規模。燃料電池本身是由模組組合件構成的，幾百上千瓦的發電部件組組合件構成的，幾百上千瓦的發電部件可以預先在工廠裡做好，然後再把它運到可以預先在工廠裡做好，然後再把它運到燃料電池發電站去進行組裝。因此，可大燃料電池發電站去進行組裝。因此，可大大縮短建站時間，而且電站規模可隨著電大縮短建站時間，而且電站規模可隨著電力需求量的增加不斷擴大。力需求量的增加不斷擴大。l（5）它的體積小、重量輕、使用壽命
