能源概論課件

1、可再生能源概論能源與動(dòng)力系2017年9月1.能源、社會(huì)與環(huán)境能源是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，也是人類(lèi)從事任何生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。能源的開(kāi)發(fā)利用程度標(biāo)志著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)化和發(fā)展的程度。能源對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)的重要性如同糧食對(duì)于人類(lèi)的重要性。 -沒(méi)有糧食，人類(lèi)將不能生存； -沒(méi)有能源，現(xiàn)代社會(huì)將陷入癱瘓，人類(lèi)只能回到遠(yuǎn)古的 刀耕火種時(shí)代。能源的消費(fèi)水平，是衡量國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志。近200年來(lái)，人類(lèi)的能源消耗增長(zhǎng)速度大大超過(guò)了人口增長(zhǎng)速度。在20世紀(jì)的一百年中，世界人口從16億增長(zhǎng)到60億，約增長(zhǎng)4倍；而同一時(shí)期，世界一次能源的年消耗量從20億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)到200億噸，增長(zhǎng)了10倍。 人類(lèi)正面臨

2、著嚴(yán)峻的能源危機(jī)2002年世界人口62億，消耗的能源為451EJ（1EJ=1018J），其中化石能源占總能量的3/4。據(jù)預(yù)測(cè)，以目前的消耗速度，地球上的煤儲(chǔ)藏，大約還能維持200年，石油最多只有40年xx！天然氣約60年！而且全世界的石油產(chǎn)量，很可能在2010年左右即達(dá)到峰值。因此，人類(lèi)正面臨日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)！ 1.1 人類(lèi)利用能源的歷史人類(lèi)進(jìn)化發(fā)展的歷史，也是一部不斷地向自然界索取能源的歷史。伴隨著能源的開(kāi)發(fā)利用，人類(lèi)社會(huì)逐漸地從遠(yuǎn)古的刀耕火種走向現(xiàn)代文明。 人類(lèi)使用能源的四個(gè)歷史時(shí)期 1.柴草時(shí)期從遠(yuǎn)古時(shí)代一直到18世紀(jì)中葉 大約50萬(wàn)年前，人類(lèi)學(xué)會(huì)了使用工具和火。此時(shí)的燃料主要是樹(shù)枝、

3、雜草等，人類(lèi)完成了從猿到人的進(jìn)化，能源利用進(jìn)入了柴草時(shí)期。人類(lèi)以柴草燒飯、取暖和照明，以人力、畜力和極少量水車(chē)、風(fēng)車(chē)為動(dòng)力，從事手工生產(chǎn)和交通運(yùn)輸。這一時(shí)期生產(chǎn)力低下，人類(lèi)受制于大自然。2.煤炭時(shí)期從18世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，以蒸汽機(jī) 的發(fā)明為代表17世紀(jì)開(kāi)始，英國(guó)人開(kāi)始大規(guī)模地開(kāi)采和利用煤。煤氣燈的使用，結(jié)束了人類(lèi)的漫漫長(zhǎng)夜。18世紀(jì)中葉，蒸汽機(jī)的發(fā)明，使煤炭一躍成為第二代主體能源。以煤炭作燃料的蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，使紡織、冶金、采礦、機(jī)械加工等產(chǎn)業(yè)獲得迅速發(fā)展。同時(shí)，蒸汽機(jī)車(chē)、輪船的出現(xiàn)，使交通運(yùn)輸業(yè)得到巨大進(jìn)步。以煤炭作為主要的動(dòng)力能源，人類(lèi)開(kāi)始對(duì)大自然進(jìn)行大規(guī)模的改造。 3. 石油時(shí)期從

4、20世紀(jì)初至今，以?xún)?nèi)燃機(jī)和電力為 代表 中國(guó)人很早就發(fā)現(xiàn)石油是一種可燃液體，宋朝的沈括對(duì)石油作了詳細(xì)的記載。1854年，美國(guó)賓夕法尼亞州打出世界上第一口油井，現(xiàn)代石油工業(yè)由此發(fā)端。1886年，德國(guó)人本茨和戴姆勒研制成以汽油為燃料、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的世界第一輛汽車(chē)，開(kāi)始了利用石油的汽車(chē)時(shí)代。19世紀(jì)初法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，19世紀(jì)末愛(ài)迪生發(fā)明電燈，作為一次能源的石油和煤炭被轉(zhuǎn)換成更加便于輸送和利用的二次能源電能。20世紀(jì)60年代，全球石油的消費(fèi)量超過(guò)煤炭，成為第三代主體能源。以石油和電能為基礎(chǔ)，汽車(chē)、輪船、飛機(jī)、電力機(jī)車(chē)、發(fā)電站、以及電話(huà)、電視、電子計(jì)算機(jī)等信息設(shè)備的發(fā)明和使用，將人類(lèi)快速推進(jìn)到現(xiàn)代

5、文明時(shí)代。 4. 可再生能源時(shí)期從21世紀(jì)中葉開(kāi)始，多種能源 的聯(lián)合利用 進(jìn)入21世紀(jì)，人類(lèi)將逐漸步入可再生能源時(shí)代傳統(tǒng)的化石能源面臨枯竭，且具有環(huán)境污染，石油、煤、天然氣等化石能源將逐漸推出歷史舞臺(tái)水力能以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等可再生能源逐漸走上歷史舞臺(tái)，發(fā)揮主導(dǎo)作用。按照目前的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)中葉，能源利用很可能是包括水力能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源以及核能（核裂變和核聚變）的多種能源聯(lián)合利用的體系。1.3 能源的定義和分類(lèi)什么是能源？廣義地講，能源即能夠向人類(lèi)提供能量的自然資源。如煤和石油等化石能源提供熱能，水力和風(fēng)力提供機(jī)械能，地?zé)崽峁崮?，太?yáng)提供電磁輻

6、射能（可轉(zhuǎn)化為熱能或電能）。 許多自然過(guò)程都產(chǎn)生一定的能量，甚至普通的垃圾也可以產(chǎn)生能量，但轉(zhuǎn)化的數(shù)量和轉(zhuǎn)化的難易程度則差異極大。*因此能源又可定義為較集中而又較容易轉(zhuǎn)化的含能物質(zhì)或含能資源。 第一類(lèi)能源(直接或間接來(lái)自太陽(yáng)輻射)太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力能、海浪能、海流能、海水溫差能、生物質(zhì)能煤、石油、天然氣、油頁(yè)巖、可燃冰第二類(lèi)能源(地球內(nèi)部帶來(lái)的能量)地?zé)崮堋⒒鹕?、地震、海嘯核燃料（鈾、釷、钚、氘等）第三類(lèi)能源(地球天體相互作用能)潮汐能按照來(lái)源的不同，能源可分為:來(lái)自太陽(yáng)的輻射能、地球內(nèi)部固有的能、地球與其它天體相互作用產(chǎn)生的能共三大類(lèi)。(2) 按照不同的資源形態(tài)，能源可分為:含能體能源：能量

7、存在于物質(zhì)中，易于儲(chǔ)存。包括化石燃料（煤、石油、天然氣）、草木秸稈、核燃料、地?zé)崴蚱淠艿?。過(guò)程性能源：能量存在于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)法直接儲(chǔ)存。包括太陽(yáng)輻射、風(fēng)、河流、海流、潮汐、波浪、地震、閃電等。(3) 按照開(kāi)發(fā)和使用程度，能源可分為:常規(guī)能源：使用較普遍、技術(shù)較成熟的能源。如煤、石油、水力等。新能源：正在研發(fā)利用、但尚未普遍使用的能源。如太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能等。 *核能曾屬于新能源，但隨著其廣泛的開(kāi)發(fā)程度，已歸納為常規(guī)能源。（4）按照能否反復(fù)使用，能源可分為:不可再生能源，即只能一次性使用，用完后不可再生的能源。包括所有化石能和核能。據(jù)估計(jì)，地球上的石油最多還可使用40年，天然氣還可使用

8、60年，煤還可使用20年?？稍偕茉?，即可以反復(fù)使用，不斷再生，不會(huì)耗盡的能源。它包括太陽(yáng)直接輻射能（以后即稱(chēng)太陽(yáng)能）、水力能、風(fēng)能、海浪能、地?zé)崮艿取?5) 按照是否經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換，能源又分為：一次能源，指自然界中以天然形態(tài)存在，未經(jīng)任何形式轉(zhuǎn)換的能源。如原油、原煤、天然氣、薪柴、水流、核燃料，以及太陽(yáng)輻射、地?zé)帷⒊毕?。二次能源，指由一次能源?jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換得到的能源。如煤氣、焦炭、汽油、煤油、熱水、電能、氫能等。電能是最重要、也是最方便的二次能源。（6）按照國(guó)際能源組織（IEA）的推薦，新能源和可 再生能源又可分為三類(lèi)： 第一類(lèi):大中型水電； 第二類(lèi):傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用； 第三類(lèi):新的可再

9、生能源。 前兩類(lèi)為舊的可再生能源，因?yàn)樗鼈兊拈_(kāi)發(fā)相對(duì)較成熟，而且都對(duì)環(huán)境有較大的不利影響。第三類(lèi)即為新的可再生能源，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮?、海洋能和小水電等?新的可再生能源除了不會(huì)耗盡外，也較少污染排放，對(duì)環(huán)境最友好。表1-2. 一次能源、二次能源、可再生能源、不可再生能源分類(lèi)表一次能源可再生能源直接太陽(yáng)輻射、生物質(zhì)、風(fēng)、流水、海浪、潮汐、海流、海水溫差、地?zé)崴?、地?zé)嵴羝?、熱巖層不可再生能源化石燃料（煤、石油、天然氣、油頁(yè)巖、可燃冰）、核燃料（鈾、釷、钚、氘等）二次能源電能、氫能、汽油、煤油、柴油、火藥、酒精、甲醇、丙烷、苯胺、焦炭、硝化棉、硝化甘油等圖1-3. 能量的

10、各種形式和轉(zhuǎn)換1.4 能源的品質(zhì)評(píng)價(jià)(1)能流密度：即在單位體積或單位面積內(nèi)從能源獲得的功率。太陽(yáng)能和風(fēng)能的能流密度較小，只有幾百瓦/平米；常規(guī)能源和核能的能流密度大。能流密度小，是可再生能源的共性。因此太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源利用需占用較大的接收面積。(2)能源開(kāi)發(fā)投資：化石能源與核燃料，從勘測(cè)、開(kāi)采，到加工、運(yùn)輸，需投入大量人力物力，本身即耗能。太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，由大自然提供，不需能源費(fèi)用，主要花費(fèi)是一次性投資。 *可再生能源設(shè)備的一次性投資仍較貴。按目前的技術(shù)水平，太陽(yáng)能、海洋能等發(fā)電設(shè)備的價(jià)格為每kW上萬(wàn)元到幾十萬(wàn)元，風(fēng)能則已經(jīng)降到每kW1萬(wàn)元以下；燃燒天然氣和石油的 裝置以及

11、水電設(shè)備，價(jià)格為每kW幾千元。(3)能源供應(yīng)的連續(xù)性和存儲(chǔ)的可能性。各種化石燃料和核燃料則比較容易實(shí)現(xiàn)這兩方面的要求?？稍偕茉慈缣?yáng)能、風(fēng)能則難以貯存，也難以連續(xù)供應(yīng)。(4)運(yùn)輸費(fèi)用和損耗。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿入y以運(yùn)輸；石油和天然氣可以用管道從產(chǎn)地輸送到用戶(hù)；由于煤是固體，運(yùn)輸則困難得多；水力發(fā)電站若遠(yuǎn)離用戶(hù)，遠(yuǎn)距離輸電損失也很大。(5)對(duì)環(huán)境的影響。環(huán)境污染已成為影響全球的重大問(wèn)題。幾種主要能源對(duì)環(huán)境的影響：核電站：放射線(xiàn)污染、核廢料。燃煤電站：溫室效應(yīng)、酸雨、污染物排放。水電站：淹沒(méi)土地、影響水生動(dòng)物生存、引發(fā)地震、土地鹽堿化、妨礙灌溉與航運(yùn)。太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、海浪能：對(duì)環(huán)境無(wú)直接

12、污染，但可能占用大量陸地或海面。風(fēng)能對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)、海洋能對(duì)魚(yú)類(lèi)及航運(yùn)都有部分影響。廢棄的太陽(yáng)電池如不及時(shí)回收，也會(huì)造成污染。（6）存儲(chǔ)量。我國(guó)煤炭資源和水力資源盡管豐富，但煤炭集中在北方，水力集中在西部，存在運(yùn)輸問(wèn)題。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量居世界第三，產(chǎn)量世界第一（約15億噸）。水力資源居世界第一位，但開(kāi)發(fā)率不足5（水力發(fā)電約占20總發(fā)電量，火力發(fā)電75），而美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)水力發(fā)電開(kāi)發(fā)率為40以上。（7）能源品位。較難轉(zhuǎn)化為電能的為低品位能源，即較易轉(zhuǎn)化為電能的為高品位能源。 *能源的品位高低是相對(duì)而言的，例如水力能可直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能；而化石燃料須先通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)

13、而到電能。因此水力能更容易轉(zhuǎn)化。 1.5 我國(guó)的能源問(wèn)題（1）人均能源不足。我國(guó)人均能源占有量不到世界平均水平的一半，人均煤炭?jī)?chǔ)量只相當(dāng)于世界平均值的1/2，人均石油可采儲(chǔ)量為世界平均值的1/10。人均用電量不足世界人均水平的一半。能源消耗總量?jī)H低于美國(guó)，排世界第二位。（2）能源分布不均。煤炭、石油和天然氣主要集中在東北、華北和西北，水電集中在西南，然而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口集中的東南沿海能源卻嚴(yán)重缺乏。因此，“北煤南運(yùn)”、“西電東送”的不合理格局將長(zhǎng)期存在。（3）能源構(gòu)成不合理。一次能源構(gòu)成中，煤炭占70%以上，而國(guó)際上煤炭平均僅占23%。大量燃煤造成嚴(yán)重的空氣污染。中國(guó)目前溫室氣體排放量占全世界總

14、排放量的10以上，是僅次于美國(guó)的第二大溫室氣體排放國(guó)。（4）能源效率低。人均能耗水平仍很低，不到1噸標(biāo)準(zhǔn)煤，為世界平均值的1/2，而單位產(chǎn)值能耗確是世界上最高的國(guó)家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每生產(chǎn)一美元GDP，消耗能源是美國(guó)的4倍、德國(guó)和法國(guó)的7倍、日本的 11倍。表1-4 2004年中國(guó)主要能源與世界的對(duì)比（中國(guó)能源網(wǎng)）煤炭石油天然氣世界總可采儲(chǔ)量9842億t1434億t146.4萬(wàn)億m3中國(guó)可采儲(chǔ)量1145億t38億t1.37萬(wàn)億m3中國(guó)所占比例（%）11.6%2.6%0.9%世界儲(chǔ)采比2184163中國(guó)儲(chǔ)采比922458中國(guó)產(chǎn)量名次1519表1-5 2004年我國(guó)能源剩余儲(chǔ)量和探明可開(kāi)采年限（中

15、國(guó)能源網(wǎng)）資源種類(lèi)煤炭（億噸）石油（億噸）天然氣（億立方米）水力（GW裝機(jī)）探明可開(kāi)采量1,14532,73611,704353可開(kāi)采年限54811520285838104可開(kāi)采到20502077年20112016年20242054年20342100年（5）農(nóng)村能源嚴(yán)重短缺。農(nóng)村生活用能2/3依靠薪材和秸稈。每年砍伐薪柴3000萬(wàn)噸，森林年生長(zhǎng)率3億立方米，而年消耗量4億立方米。我國(guó)單位面積糧食作物的能源投入超過(guò)以“石油農(nóng)業(yè)”著稱(chēng)的美國(guó)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高能耗、低效益。（6）能源過(guò)度依賴(lài)進(jìn)口。從1993年起，我國(guó)就成為石油凈進(jìn)口國(guó)，已成為僅次于美國(guó)的第二大石油進(jìn)口國(guó)，我國(guó)石油對(duì)外依存度為50以上。20

16、02 年中國(guó)進(jìn)口石油達(dá)7000 多萬(wàn)噸。（7）我國(guó)環(huán)境污染極為嚴(yán)重。生態(tài)平衡脆弱，污染排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)境容量和承載能力。土地荒漠化和沙化仍在擴(kuò)大，大氣空氣質(zhì)量繼續(xù)降低，水污染嚴(yán)重。1.6 能源與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系（1）溫室效應(yīng)：大氣中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等氣體允許來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射通過(guò)，卻能夠吸收地球發(fā)出的紅外長(zhǎng)波輻射，然后再輻射返還地球。過(guò)多的CO2等氣體如同溫室中的玻璃，阻擋地球的正常熱量散失，這就是溫室效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，自1840年工業(yè)革命以來(lái)，大氣中CO2的濃度增加了30，已經(jīng)從280ppmv增加到368ppmv，這可能是過(guò)去42萬(wàn)年中的最高值。目前，CO2含量每年增加

17、3，每年大約有230億噸 CO2被釋放到地球的大氣中，每秒釋放的CO2超過(guò)700噸。如果這種趨勢(shì)繼續(xù)下去，將在未來(lái)50年內(nèi)使全球氣溫將上升1.54.5，將使極地冰雪融化，海水升溫膨脹，將淹沒(méi)全球大多數(shù)沿海地區(qū)，氣候也將發(fā)生重大變化。圖1-5 兩千年來(lái)大氣中的CO2濃度趨勢(shì) （2）大氣污染 大氣污染包括硫氧化物(SO2)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)以及粉塵等有害物。原因主要是大量使用化石燃料、大規(guī)模燒毀森林、以及工業(yè)廢氣排放造成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1百萬(wàn)千瓦的煤電站年排煙塵（粉塵、CO等）100萬(wàn)噸，二氧化硫6萬(wàn)噸，強(qiáng)致癌物苯并芘630kg，形成酸雨，不僅破壞森林、莊稼，而且污染水源，動(dòng)物和人。北京

18、大氣中顆粒濃度約是東京的15倍，倫敦的2倍（1990年），肺癌發(fā)病率是全國(guó)平均值的3倍。在世界衛(wèi)生組織公布的全世界20大空氣污染最嚴(yán)重的城市中，中國(guó)占16個(gè)。 中國(guó)世界第？大石油進(jìn)口國(guó)和世界 第二位CO2排放國(guó)擁擠的交通和汽車(chē)尾氣（3）水污染 全世界都面臨著嚴(yán)峻的水資源短缺問(wèn)題，在我國(guó)尤甚。我國(guó)有世界第一的水力資源，卻是貧水大國(guó)，人均水資源為世界平均的1/4，美國(guó)的1/7，俄國(guó)的1/5。隨著人口的進(jìn)一步膨脹，我們的生存空間將更加狹窄，人均耕地為世界平均的1/3，在世界140個(gè)國(guó)家中排126位。全國(guó)30條主要河流，從東北的松花江、遼河，到中華民族的母親河黃河、長(zhǎng)江，一直到南方的長(zhǎng)江、珠江，都已受

19、到嚴(yán)重污染。工業(yè)和生活污水排放，全國(guó)只有5經(jīng)過(guò)處理，其它未經(jīng)任何處理即排放到江河湖海中。以“三湖”（滇池、太湖和巢湖）為代表的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化污染相當(dāng)嚴(yán)重，許多地區(qū)的地下水和飲用水源受到嚴(yán)重污染，對(duì)人體健康造成極大危害。太湖藍(lán)藻工業(yè)和生活污水（4）森林砍伐森林是人類(lèi)的自然生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，提供野生動(dòng)物棲息地，涵養(yǎng)水源，防風(fēng)固沙，調(diào)解氣候，保持水土，凈化大氣，吸收大量CO2，放出O2。熱帶雨林被稱(chēng)作“地球的肺部”，提供全球50的新鮮氧氣，并抵消溫室效應(yīng)的影響，自1945年以來(lái)，世界上一半以上的雨林被毀壞，目前覆蓋率不到地球的10，大多數(shù)分布在南美的巴西亞馬遜流域，少數(shù)分布在東南亞的印尼等國(guó)家。

20、我國(guó)是貧林大國(guó)，森林砍伐的情況相當(dāng)嚴(yán)重。森林覆蓋率僅有12，為世界平均的1/2，森林總面積占世界的4，排在140個(gè)國(guó)家中的107位。自1980年以來(lái)，我國(guó)原有森林面積減少23，從東北到西南，森林遭到嚴(yán)重破壞，東北大興安嶺森林的大量砍伐，使黑龍江省年降水量由過(guò)去的600mm降至380mm，過(guò)去罕見(jiàn)的春旱、伏旱現(xiàn)在常有發(fā)生。（5）臭氧空洞臭氧層位于距地面30公里左右的平流層內(nèi)，對(duì)太陽(yáng)紫外線(xiàn)有極強(qiáng)的吸收作用，能夠吸收99以上對(duì)人類(lèi)有害的太陽(yáng)紫外線(xiàn)，是地球上生命的天然屏障。1985年一支英國(guó)南極考察隊(duì)發(fā)現(xiàn)南極上空臭氧層出現(xiàn)空洞，該處O3含量?jī)H為正常值的4050，面積相當(dāng)于一個(gè)美國(guó)。其后北極上空也發(fā)現(xiàn)了空洞?？茖W(xué)家認(rèn)為，O3減少1，射到地面上的紫外輻射增加2，皮膚癌、白內(nèi)障發(fā)病率都將增加，海洋浮游生物無(wú)法進(jìn)行光合作用，一旦食物鏈?zhǔn)茏?，海洋生物將面臨滅絕。臭氧層破壞的主因是人類(lèi)排放的氟氯烴（CFCl）、甲烷等，上述物質(zhì)存在于冰箱、空調(diào)、滅火器、噴霧劑和化工生產(chǎn)中。臭氧層