中科大相變儲能課件00前言

1相變貯能

——理論與應(yīng)用熱科學(xué)和能源工程系2前言3主要內(nèi)容相變能源貯能材料4相與相變利用相變進(jìn)行貯能，涉及相變理論、材料科學(xué)、能源學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、熱物性測量以及相關(guān)的工程應(yīng)用方法。5相與相變凡是物理性質(zhì)在各點(diǎn)都相同的空間范圍稱為相。物理性質(zhì)均勻的部分稱為相。熱力學(xué)上所謂的相是指系統(tǒng)的一部分，這部分的性質(zhì)和成分是均勻的，是物理的有它本身的特性而且至少在理論上可以從系統(tǒng)的其他部分分離的。通常分為三態(tài)：固、液、氣在適當(dāng)?shù)臈l件下可以互相轉(zhuǎn)變（溫度、壓力、濃度）。相互作用和熱運(yùn)動(dòng)之間的此消彼長，形成了相變。不同的相之間的變化稱為相變。在均勻單相內(nèi)，或在幾個(gè)混合相中，出現(xiàn)了不同成分或不同結(jié)構(gòu)，不同組織形態(tài)或不同性質(zhì)的相，就成為相變。當(dāng)母相失穩(wěn)，而新相具有較高的穩(wěn)定性時(shí)，就會發(fā)生相變。6引起相變的物理量一般說來，強(qiáng)度量（如溫度、壓強(qiáng)、組分等）是控制宏觀系統(tǒng)發(fā)生相變的參數(shù)。三種狀態(tài)的變化固液，固氣，氣液相變?nèi)粘Ｉ钪兴南嘧儯囟龋┮夯瘹猓▔簭?qiáng)）鹽水（組分）7理論方程理想氣體臨界點(diǎn)范德瓦爾斯方程8相變理論厄倫菲斯特（Ehrenfest）依據(jù)熱力學(xué)勢及其導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性對相變進(jìn)行分類。自由能、內(nèi)能都是熱力學(xué)函數(shù)。它們的第一階導(dǎo)數(shù)是壓力(或體積)、熵(或溫度)、平均磁化強(qiáng)度等等，而第二階導(dǎo)數(shù)給出壓縮率、膨脹率、比熱．磁化率。9相變分類凡是熱力學(xué)勢本身連續(xù)，而第一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的狀態(tài)突變，稱為第一類相變。第一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，表示相變伴隨著明顯的體積變化和熱量的吸放(潛熱)。熱力學(xué)勢和它的第一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)變化，而第二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的情形，稱為第二類相變。這時(shí)沒有體積變化和潛熱，但比熱、壓縮率、磁化率等物理量隨溫度的變化曲線上出現(xiàn)躍變或無窮的尖峰。超流和沒有外磁場的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變、氣液臨界點(diǎn)，以及大量磁相變，屬于二類相變。10相變分類從熱力學(xué)函數(shù)的性質(zhì)看，一類相變點(diǎn)不是奇異點(diǎn)，它只是對應(yīng)兩個(gè)相的函數(shù)的交點(diǎn)。交點(diǎn)兩側(cè)每個(gè)相都可能存在，通常能量較低的那個(gè)得以實(shí)現(xiàn)，這是出現(xiàn)“過冷”或“過熱”的亞穩(wěn)態(tài)以及兩相共存的原因。二類相變則對應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的奇異點(diǎn)，它的奇異性質(zhì)目前并不完全清楚。在相變點(diǎn)每側(cè)只有一個(gè)相能夠存在，因此不容許過冷、過熱和兩相共存。事實(shí)上熱力學(xué)函數(shù)并不能在一類相變點(diǎn)的另一側(cè)無限延伸下去。11固液相變第一類相變：溫度不變潛熱熱膨脹12能源與貯能電池（化學(xué)能）、蓄能水庫（勢能）、植物（太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能）介質(zhì)-某種合適的物質(zhì)。能源品位（能量轉(zhuǎn)換，第二定律，熵）以高品位形式貯存熱能；機(jī)械能；電能；化學(xué)能等能源轉(zhuǎn)化，合理利用，不節(jié)能，13歷史發(fā)展人類社會的歷史在發(fā)展中經(jīng)歷了三個(gè)能源階段，即柴草時(shí)期、煤炭時(shí)期和石油時(shí)期。從以柴草為主的0S源時(shí)期，到18世紀(jì)以前的數(shù)千年中，生產(chǎn)力的發(fā)展很低。到了18世紀(jì)，煤的開采，蒸汽機(jī)的應(yīng)用，開辟了資本主義的第一次產(chǎn)業(yè)革命。19世紀(jì)70年代電能的利用，實(shí)現(xiàn)了資本主義的工業(yè)化，人類才有了現(xiàn)代的物質(zhì)文明。到了20世紀(jì)50年代，以石油為主的能源來臨了，不少國家依靠石油實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。原子能及新能源的利用則使人類社會進(jìn)入了高科技時(shí)代。而能源則成為工業(yè)的“糧食”，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)?？v觀當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、工業(yè)化程度最高的國家無一不是消耗能源最多的國家。美國、英國、德國、法國、日本、意大利、俄羅斯的總?cè)丝谥徽际澜缛丝诘奈宸种?，而他們的能源消耗卻占世界能源消耗的三分之二。特別是美國，它是世界上最大的能源消費(fèi)國。美國的人口僅占世界人口的5％，而他們對能源和其他物質(zhì)的消費(fèi)量卻占廠世界的四分之一”’14初級能源15中國能源16能源危機(jī)１９９８年６月７日，美國《洛杉磯時(shí)報(bào)》發(fā)表題為《即將來臨的石油危機(jī)——真正的危機(jī)》的文章認(rèn)為，今后１０年左右，世界石油供應(yīng)似乎是充足的。在今后２０年左右的時(shí)間，全球石油產(chǎn)量可能開始持續(xù)下降。17能源危機(jī)《中東報(bào)》認(rèn)為，到１９９７年底，開采石油已達(dá)８０７０億桶，其中一半是在石油動(dòng)蕩的７０年代開采的。根據(jù)一些保守的估計(jì)，石油儲量不會超過８３００億桶。還有一些報(bào)告指出，世界石油總儲量約達(dá)９９５０億桶。目前，世界每年消費(fèi)石油２４０億桶，而新勘探出的石油越來越少，每年只有５０億桶。中東地區(qū)以外的石油儲量正在下降。石油資源是有限的。

據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會估計(jì)，地球上尚未開采的原油儲藏量已不足兩萬億桶，可供人類開采時(shí)間不超過９５年。在２０５０年到來之前，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將越來越多地依賴煤炭。其后在２２５０到２５００年之間，煤炭也將消耗殆盡，礦物燃料供應(yīng)枯竭。18開源節(jié)流節(jié)能就是拯救明天

節(jié)能就是科學(xué)合理地利用現(xiàn)有能源，提高效率，推遲能源枯竭的時(shí)間。節(jié)能是要付出代價(jià)的，尋找合理的代價(jià)。

太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、核能以及生物質(zhì)能等存在于自然界中的能源被稱作“可再生能源”，由于這些能源對環(huán)境危害較少因此又叫做“綠色能源”。開發(fā)綠色能源是解決能源危機(jī)的重要途徑。

19開源節(jié)流截止到１９９９年，全世界處于運(yùn)營中的核電站共有４３６座。核發(fā)電量在總發(fā)電量中所占比例最高的１０個(gè)國家是：法國７５％、立陶宛７３.１％、比利時(shí)５７.７％、保加利亞４７.１％、斯洛伐克４７％、瑞典４６.８％、烏克蘭４３.８％、韓國４２.８％、匈牙利３８.３％亞美尼亞３６.４％。１９９９年全世界核發(fā)電量為２３９４．６兆兆瓦時(shí)，占所需全部電能的四分之一。20太陽能盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代。21能源與污染狀況我國能源短缺以煤炭為主，但每年6000萬噸石油依靠進(jìn)口。

能源污染我國1997年的二氧化硫排放中來自能源的消費(fèi)大約占了80％，是污染大戶。這是造成我國大面積酸雨的原因。大多數(shù)城市的大氣污染屬于煤煙型污染，近年交通污染也漸趨嚴(yán)重，煤煙污染和交通污染造成的光化學(xué)煙霧交替出現(xiàn)。中國的環(huán)境污染為典型的能源消費(fèi)型污染。所以抓住能源問題，就能解決環(huán)境問題。最關(guān)鍵的是煤炭。我國東部的大部分地區(qū)都受到酸雨的威脅。我們的酸雨或其它環(huán)境污染一年損失大約是國民生產(chǎn)總值的1.6％，達(dá)一千多億人民幣。2000年，中國排放了30億噸二氧化碳。溫室氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N20)、氫氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PFCS)、六氟化硫(SF6)。

22絕大多數(shù)亞洲城市的懸浮顆粒物和PM10含量已經(jīng)下降，但其中多數(shù)城市的含量仍超過歐盟40μg/m3和美國環(huán)保局50μg/m3的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中國尤其關(guān)注二氧化硫和氮氧化物的排放，中國工業(yè)的迅速發(fā)展和不斷增長的能源需求加劇了空氣污染。城市空氣嚴(yán)重污染的主要原因是中國廣泛使用煤進(jìn)行發(fā)電和家庭供暖以及汽車數(shù)量的增長23環(huán)境危機(jī)在世界大多數(shù)地區(qū)，燃燒化石和生物質(zhì)能燃料產(chǎn)生的廢氣排放，是與能源相關(guān)的空氣污染的最主要原因。從化石燃料的開采到生產(chǎn)所引發(fā)的上游排放，到化石燃料燃燒供能，諸如交通、取暖和做飯等終端排放，能源相關(guān)污染是全過程排放的。24環(huán)境危機(jī)在上世紀(jì)八十年代，表明人類活動(dòng)溫室氣體排放量與全球氣候變化危險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)的科學(xué)證據(jù)開始引起公眾的關(guān)注。聯(lián)合國大會在l990年，建立了氣候變化框架公約政府間談判委員會。政府間談判委員會起草了《公約》于1992年5月9日在紐約聯(lián)合國總部通過了這項(xiàng)《公約》?！豆s》在l992年6月的里約熱內(nèi)盧地球問題首腦會議上開放簽署?！豆s》于l994年3月2日生效。至l998年中期，已有約

l75個(gè)國家批準(zhǔn)或加入了《公約》，從而接受了《公約》規(guī)定的約束。第三屆會議在日本京都舉行。會議通過了《京都議定書》，要求《議定書》的發(fā)達(dá)國家締約方承諾，在2008至2012年期間將其溫室氣體排放總量從l990年水平至少減少5%。25聯(lián)合國氣候變化框架公約

目標(biāo)

本公約以及締約方會議可能通過的任何相關(guān)法律文書的最終目標(biāo)：根據(jù)本公約的各項(xiàng)有關(guān)規(guī)定，將大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在防止氣候系統(tǒng)受到危險(xiǎn)的人為干擾的水平上。這一水平應(yīng)當(dāng)在足以使生態(tài)系統(tǒng)能夠自然地適應(yīng)氣候變化、確保糧食生產(chǎn)免受威脅并使經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠可持續(xù)地進(jìn)行的時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。26京都議定書

為實(shí)現(xiàn)《公約》第二條所述的最終目標(biāo)附件一所列締約方應(yīng)個(gè)別地或共同地確保其在附件A中所列溫室氣體的人為二氧化碳當(dāng)量排放總量不超過按照附件B中所載其量化的限制和減少排放的承諾和根據(jù)本條的規(guī)定所計(jì)算的其分配數(shù)量，以使其在2008年至2012年承諾期內(nèi)這些氣體的全部排放量從1990年水平至少減少5%。27溫室氣體二氧化碳(CO2)甲烷(CH4)氧化亞氮(N20)氫氟碳化物(HFCS)全氟化碳(PFCS)六氟化硫(SF6)2829能源模式2002年召開的世界可持續(xù)發(fā)展首腦會議通過了《約翰內(nèi)斯堡實(shí)施計(jì)劃》，該計(jì)劃包括以下承諾：增加能源供應(yīng)方式、提高可再生能源的全球份額；提供更加可靠、廉價(jià)、經(jīng)濟(jì)前景好、社會接受、環(huán)境友好型的能源服務(wù)和資源；制訂提高能源效率的國內(nèi)規(guī)劃。2004年在波恩舉行的國際可再生能源大會通過了一項(xiàng)國際行動(dòng)計(jì)劃，列出了各國政府和其他機(jī)構(gòu)200多項(xiàng)推動(dòng)可持續(xù)型能源的承諾和行動(dòng)。當(dāng)前世界上至少有45個(gè)國家制定了發(fā)展可持續(xù)能源的計(jì)劃，至少有43個(gè)國家確定了該國到2005年中期可再生能源供給的國家目標(biāo)。30政策因素社會利益，國家利益，個(gè)人利益犧牲國家利益，維護(hù)個(gè)人利益，保障社會利益。電能緩解電力負(fù)荷峰谷差。實(shí)行電價(jià)分時(shí)制。太陽能：能源補(bǔ)貼31貯能意義高效科學(xué)合理地利用能源降低污染中國約50%的石油進(jìn)口，而且還在持續(xù)增加；中國對進(jìn)口石油的高度依賴，會造成突發(fā)性石油供應(yīng)中斷帶來的災(zāi)難性的打擊；世界十大污染城市中國占七個(gè)，汽車尾氣污染是中國城市空氣污染的最大來源；中