5能源概论新能源与可再生能源4142.pptx

1第四章第四章 新能源与可再生能源新能源与可再生能源 能源危机已成为能源危机已成为2121世纪全球的主要问题，世纪全球的主要问题，解决能源危机的办法：解决能源危机的办法：n一是提高燃烧效率以减少资源消耗，实现一是提高燃烧效率以减少资源消耗，实现清洁煤燃烧以减少污染；清洁煤燃烧以减少污染；n二是开发新能源，积极利用再生能源；二是开发新能源，积极利用再生能源；n三是开发新材料、新工艺，最大限度地实三是开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能。现节能。2主要内容：主要内容：n4.1 4.1 新能源与可再生能源概述新能源与可再生能源概述n4.2 4.2 太阳能太阳能n4.3 4.3 风能风能n4.4 4.4 核能核能n4.5 4.5 氢能氢能n4.6 4.6 海洋能海洋能n4.7 4.7 地热能地热能n4.8 4.8 生物质能生物质能3本次课主要内容4.1 4.1 新能源与可再生能源概述新能源与可再生能源概述n讲述新能源和可再生能源的基本含义；新能源和讲述新能源和可再生能源的基本含义；新能源和可再生能源的主要特点；新能源和可再生能源的可再生能源的主要特点；新能源和可再生能源的种类；种类；4.2 4.2 太阳能太阳能n什么是太阳能？什么是太阳能？利用太阳能的主要方法有哪些？利用太阳能的主要方法有哪些？n太阳能发电的两种方法及原理太阳能发电的两种方法及原理:热发电、光伏发电热发电、光伏发电44.1 4.1 新能源与可再生能源概述新能源与可再生能源概述一、新能源和可再生能源的基本含义一、新能源和可再生能源的基本含义n常规能源（传统能源）常规能源（传统能源）：已经大规模生产和广泛利用的煤炭、石：已经大规模生产和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源。油、天然气、水能等能源。n新能源：在新技术的基础上系统地开发利用的可再生能源。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。新能源是如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能、氢能等。新能源是世界新技术革命的重要内容，是未来世界持久能源系统的基础。世界新技术革命的重要内容，是未来世界持久能源系统的基础。n可再生能源：可连续再生、永续利用的一次能源。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，包括太阳能、水能、生物质能、这类能源大都直接或间接来自太阳，包括太阳能、水能、生物质能、风能、波浪能以及海洋表面与深层之间的热循环等。风能、波浪能以及海洋表面与深层之间的热循环等。地热能也可算作可再生能源。地热能也可算作可再生能源。5新能源是指和长期广泛使用、技术上较为成熟的常新能源是指和长期广泛使用、技术上较为成熟的常规能源规能源(如煤、石油、天然气、水能等如煤、石油、天然气、水能等)对比而言，对比而言，以新技术为基础，系统开发利用的能源，即人类新以新技术为基础，系统开发利用的能源，即人类新近才开发利用的能源，包括太阳能、潮汐能、波浪近才开发利用的能源，包括太阳能、潮汐能、波浪能、海流能、风能、地热能、生物能、氢能、核聚能、海流能、风能、地热能、生物能、氢能、核聚变能等变能等,是一种已经开发但尚未大规模使用，或正在是一种已经开发但尚未大规模使用，或正在研究试验，尚需进一步开发的能源。研究试验，尚需进一步开发的能源。什么是新能源？什么是新能源？6可再生能源是指在自然界中可以不断再生、可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。洋能等。什么是可再生能源？什么是可再生能源？7二、新能源和可再生能源的主要特点：二、新能源和可再生能源的主要特点：1.1.能量密度较低且高度分散；能量密度较低且高度分散；2.2.资源丰富，可以再生；资源丰富，可以再生；3.3.清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染物排放；物排放；4.4.太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机性；性；5.5.开发利用的难度大。开发利用的难度大。8三、新能源和可再生能源的种类：三、新能源和可再生能源的种类：n太阳能太阳能n风能风能n水能水能n生物质能生物质能n地热能地热能n海洋能海洋能n可燃冰可燃冰9太阳能太阳能氢能氢能生物质能生物质能(沼气沼气)地热地热潮汐潮汐可燃冰可燃冰102008年全球可再生能源生产结构图（其中乙醇燃料为（其中乙醇燃料为6%）1112134.2 4.2 太阳能太阳能1415一、什么是太阳能一、什么是太阳能太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由在太阳内部进行的由“氢氢”聚变成聚变成“氦氦”的原子核反应，不的原子核反应，不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持上百亿年的时间。太太阳内部的这种核聚变反应，可以维持上百亿年的时间。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为阳向宇宙空间发射的辐射功率为383810102121kWkW的辐射值，其中的辐射值，其中2020亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%30%被被大气层反射，大气层反射，23%23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为率为8 810101313kWkW。太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500500万吨煤释放万吨煤释放的热量。的热量。16广义上的太阳能广义上的太阳能:是地球上许多能量的来源，是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能，生物质能等等。如风能，化学能，水的势能，生物质能等等。狭义的太阳能狭义的太阳能:则限于太阳辐射能的光热、光则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。电和光化学的直接转换。狭义的太阳能是我们在此讨论的太阳能。狭义的太阳能是我们在此讨论的太阳能。17n太阳是太阳系的中太阳是太阳系的中心天体心天体,是太阳系是太阳系里唯一的一颗恒星里唯一的一颗恒星,也是离地球最近也是离地球最近的一颗恒星。的一颗恒星。18n太阳是一个炽热的气态球体，没有固体的星体太阳是一个炽热的气态球体，没有固体的星体或核心。或核心。n它的直径约为它的直径约为1.39101.39106 6kmkm，是地球的，是地球的10109 9倍，倍，质量约为质量约为2.2l02.2l02727t t，为地球质量的，为地球质量的3.32103.32105 5倍，体积则比地球大倍，体积则比地球大1.3101.3106 6倍，平均密度为倍，平均密度为地球的地球的1/41/4。其主要组成气体为氢（约。其主要组成气体为氢（约7171）和氦（约和氦（约2727）。）。19n科学家研究表明，太阳每小时辐射到地球的能量科学家研究表明，太阳每小时辐射到地球的能量约为约为1818万兆瓦，相当于燃烧万兆瓦，相当于燃烧9090兆吨优质煤的热量；兆吨优质煤的热量；太阳能是取之不尽，用之不竭的且无污染的能源。太阳能是取之不尽，用之不竭的且无污染的能源。2021问题：问题：1、你能说说太阳能的特点吗？、你能说说太阳能的特点吗？2、目前利用太阳能的主要方法有哪些？、目前利用太阳能的主要方法有哪些？2223太阳能利用方式主要有光热转换和光电转换两种方式。太阳能利用方式主要有光热转换和光电转换两种方式。光电转换（光伏发电、太阳电池）：将太阳能直接光电转换（光伏发电、太阳电池）：将太阳能直接转换为电能，通过光电转换把太阳光中包含的能量转转换为电能，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；化为电能；光热利用：太阳光的热量加热水，并利用热水发电；光热利用：太阳光的热量加热水，并利用热水发电；太阳能热水系统；太阳能取暖、制冷；太阳能烟囱；太阳能热水系统；太阳能取暖、制冷；太阳能烟囱；太阳能热发电。太阳能热发电。二、太阳能的利用方式二、太阳能的利用方式24n存在问题：太阳能的利用还逐步普及，利用太阳能存在问题：太阳能的利用还逐步普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，发电还存在成本高、转换效率低的问题，n太阳电池为人造卫星很多领域提供能源方面得到了太阳电池为人造卫星很多领域提供能源方面得到了应用。应用。25太太阳阳能能太阳灶太阳灶航天器航天器太阳能热水器太阳能热水器太阳能发电装置太阳能发电装置262728293031三、太阳能资源三、太阳能资源太阳能资源丰富，全国三分太阳能资源丰富，全国三分之二日照小时数大于之二日照小时数大于2200小时。小时。2004年底，太阳光伏发电年底，太阳光伏发电装机为装机为6.5万千瓦。主要用万千瓦。主要用于解决偏远地区和特殊行业于解决偏远地区和特殊行业用电问题用电问题323334四、太阳能开发利用现状四、太阳能开发利用现状（一）太阳能热水器（一）太阳能热水器n累计累计65006500万平方米，年生产万平方米，年生产能力能力15001500万平方米。万平方米。n生产量和使用量均为世界第生产量和使用量均为世界第一一n产业体系较完整产业体系较完整353637太阳能热水器与其它热水器太阳能热水器与其它热水器使用效益比较表使用效益比较表 热水器装置类别热水器装置类别太阳能热水太阳能热水器器燃气热水器燃气热水器电热水器电热水器装置投资（元）装置投资（元）30001000（加钢瓶）（加钢瓶）600装置寿命（年）装置寿命（年）1565每年燃料动力费每年燃料动力费（元）（元）081067515年需总费用（元）年需总费用（元）30002560011925每年使用每年使用300天，每天洗浴人数：冬季天，每天洗浴人数：冬季4人，夏季人，夏季9人。人。液化气价格液化气价格50元元/15公斤，居民电价公斤，居民电价0.6元元/度度。3839不同类型的太阳灶不同类型的太阳灶40（二）太阳能发电（二）太阳能发电太阳能发电有两种方法。太阳能发电有两种方法。n一种是将太阳能转换为热能，然后按常规方式发一种是将太阳能转换为热能，然后按常规方式发电，称为太阳能热发电。电，称为太阳能热发电。n另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳能直接转换为电能，称为太阳能光伏发电。能直接转换为电能，称为太阳能光伏发电。411.1.太阳能热发电太阳能热发电n太阳能热发电也叫做太阳能聚光发电，是将太阳辐射太阳能热发电也叫做太阳能聚光发电，是将太阳辐射从面积上浓缩产生高温发电的装置。从面积上浓缩产生高温发电的装置。n由于太阳光聚集后可以产生高温，因此该技术用于与由于太阳光聚集后可以产生高温，因此该技术用于与热发电机相连来构成发电系统。热发电机相连来构成发电系统。n太阳能聚光技术最早可以追溯到太阳能聚光技术最早可以追溯到140140年前年前,科学家科学家18821882年在法国所做的研究工作。在上世纪年在法国所做的研究工作。在上世纪8080年代，由于年代，由于7070年代的石油危机，太阳能热发电得到了重视，一批大年代的石油危机，太阳能热发电得到了重视，一批大规模的太阳聚光器在世界各国安装。规模的太阳聚光器在世界各国安装。42n当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为划分为（1 1）太阳能塔式发电；）太阳能塔式发电；（2 2）太阳能槽式发电；）太阳能槽式发电；（3 3）太阳能碟式发电；）太阳能碟式发电；43太阳能热发电技术碟式系统是利用由旋转抛物面反射镜将太阳光聚焦到焦点上，加热位于焦点处接收器内的传热工质至较高温度以驱动发动机进行发电。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。塔式系统是利用定日镜将阳光聚焦到塔顶的吸热器上。通过集热器将辐射能转换成热能，然后通过汽轮发电机进行发电。槽式碟式塔式44454647484950槽式太阳能热发电原理：槽式太阳能热发电原理：n这种集热方式是横向线性，使用柱面集热器，被这种集热方式是横向线性，使用柱面集热器，被加热工质沿聚焦线流动，比塔式的定日镜聚焦简加热工质沿聚焦线流动，比塔式的定日镜聚焦简便，不要建高塔，以平面装置，一般直接用水做便，不要建高塔，以平面装置，一般直接用水做工质，水在集热器中受热后进入过热器，由过热工质，水在集热器中受热后进入过热器，由过热器产生蒸汽送入汽轮机，即可带动发电机发电。器产生蒸汽送入汽轮机，即可带动发电机发电。5152蒸汽轮机发电原理蒸汽轮机发电原理n蒸汽发生装置产生高温高压蒸汽；蒸汽发生装置产生高温高压蒸汽；n蒸汽在汽轮机中使汽轮机转子高速旋转（蒸汽在汽轮机中使汽轮机转子高速旋转（30003000转转/分钟）分钟）n汽轮机转子带动发电机转子旋转，利用电磁感应发电。汽轮机转子带动发电机转子旋转，利用电磁感应发电。53汽轮发电机组动力原理汽轮发电机组动力原理5455塔式太阳能热发电原理塔式太阳能热发电原理n塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统。它是利用众多的平面反射镜阵列，将电系统。它是利用众多的平面反射镜阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的太阳能接收器太阳辐射反射到置于高塔顶部的太阳能接收器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，从而将太阳能转化为电能。机组发电，从而将太阳能转化为电能。n塔式太阳能热发电站系统主要由塔式太阳能热发电站系统主要由4 4部分构成：部分构成：聚光装置、集热装置、蓄热装置和汽轮发电装聚光装置、集热装置、蓄热装置和汽轮发电装置。置。56塔式发电塔式发电575859THEMIS,法国,1983EURELIOS,意大利,1981SSPS-CRS,西班牙,1981年Solar one,美国,198280年代的塔式太阳能热发电站60已建成并投入运行的塔式太阳能热发电站 61目前已商业化的塔式太阳能热发电站PS20,西班牙,2009PS10,西班牙,200762正在建造和计划建造的塔式太阳能热发电站 63n美国的二座大型示范工程：美国的二座大型示范工程：太阳能太阳能1 1号号 和和 太阳能太阳能2 2号号，容量均为，容量均为10MW10MW。太阳能太阳能1 1号号 从从19821982年到年到19881988年共生产年共生产38000MWh38000MWh电能。电能。太阳能太阳能2 2号号 为为 太阳能太阳能1 1号号 的改进型，的改进型，在在19961996年投产，采用熔盐作为传热介质和热能贮存，可年投产，采用熔盐作为传热介质和热能贮存，可以在多云天气和晚上连续供电。以在多云天气和晚上连续供电。n在美国东南部沙漠中，计划建设在美国东南部沙漠中，计划建设303050MW50MW塔式电站。第塔式电站。第一座塔式电站投资在一座塔式电站投资在1 1亿美元左右，电价为亿美元左右，电价为1515美分美分/kWh/kWh，在考虑规模效应和技术进步后，有可能降到在考虑规模效应和技术进步后，有可能降到7 7美分美分/kWh/kWh。64碟式发电原理：碟式发电原理：n该太阳能发电装置主要采用碟形聚光器，并在聚该太阳能发电装置主要采用碟形聚光器，并在聚焦面上安装外热式斯特林发电机组。焦面上安装外热式斯特林发电机组。n碟形聚光器自动调整方向捕捉阳光，将阳光导向碟形聚光器自动调整方向捕捉阳光，将阳光导向一台接收器，然后将热能转入一个充满氢气的发一台接收器，然后将热能转入一个充满氢气的发动机动机,随着氢气的受热和冷却，发动机的压力随着氢气的受热和冷却，发动机的压力也随也随之改变，从而驱动活塞运动，为发电机提供动力之改变，从而驱动活塞运动，为发电机提供动力,发电机进行发电。发电机进行发电。6566n发动机内的气体是循环加热的（通过酒精灯）并且膨胀推动动力活塞发动机内的气体是循环加热的（通过酒精灯）并且膨胀推动动力活塞（图中蓝色）向右运动。当动力活塞运动到最右边时，黄色连杆迫使（图中蓝色）向右运动。当动力活塞运动到最右边时，黄色连杆迫使松配合的红色活塞（在机器左半边内）将气体挤压到机器较冷的一边。松配合的红色活塞（在机器左半边内）将气体挤压到机器较冷的一边。n在较冷一边的气体将热量散失到外界并且收缩，并把蓝色活塞拉向左在较冷一边的气体将热量散失到外界并且收缩，并把蓝色活塞拉向左边。气体在此转移，被挤压回发动机的较热区域，如此循环往复。边。气体在此转移，被挤压回发动机的较热区域，如此循环往复。6768697071722.2.太阳能光伏电池的原理太阳能光伏电池的原理n太阳能电池内部存在太阳能电池内部存在P-NP-N结，当结，当P-NP-N结处于平衡状态时，在结处于平衡状态时，在P-NP-N结处形结处形成耗尽层，存在由成耗尽层，存在由N N区到区到P P区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射入电池内部的太阳光子，把电子从价带激发到导禁带宽度的时候，射入电池内部的太阳光子，把电子从价带激发到导带，产生一个电子带，产生一个电子-空穴对。电子空穴对。电子-空穴对随即被势垒电场分离，电子空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向和空穴被分别推向N N区和区和P P区，并向区，并向P-NP-N结交接面处扩散，当到达势垒结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时，受势垒电场的作用，电子留在电场边界时，受势垒电场的作用，电子留在N N区，空穴留在区，空穴留在P P区，形成区，形成内建电场。内建电场。n而由于内建电场的作用，而由于内建电场的作用，N N区中的空穴和区中的空穴和P P区中的电子被分别推向对方区中的电子被分别推向对方区域，使区域，使N N区积累了过剩的电子，区积累了过剩的电子，P P区积累了过剩的空穴，即在区积累了过剩的空穴，即在P-NP-N结结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，当接入负载后，就会两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，当接入负载后，就会产生电流流出。产生电流流出。7374757677783.3.太阳能烟囱发电太阳能烟囱发电太阳能烟囱发电技术是通过集热棚吸取太阳热能使棚太阳能烟囱发电技术是通过集热棚吸取太阳热能使棚内空气温度升高，根据烟囱的原理，在烟囱内将形成强大内空气温度升高，根据烟囱的原理，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股气流形成的风力驱动风机，带动发电机的气流，利用这股气流形成的风力驱动风机，带动发电机发电。发电。7980小结小结1 14.1 4.1 新能源与可再生能源概述新能源与可再生能源概述n讲述了新能源和可再生能源的基本含义；讲述了新能源和可再生能源的基本含义；1.1.新能源：以新技术为基础，系统开发利用的能源，新能源：以新技术为基础，系统开发利用的能源，即人类新近才开发利用的能源；即人类新近才开发利用的能源；2.2.可再生能源：是指在自然界中可以不断再生、永可再生能源：是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，续利用、取之不尽、用之不竭的资源，n新能源和可再生能源的主要特点；新能源和可再生能源的主要特点；n新能源和可再生能源的种类；新能源和可再生能源的种类；81小结小结2 24.2 4.2 太阳能太阳能n什么是太阳能？什么是太阳能？狭义的太阳能狭义的太阳能:则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。接转换。n利用太阳能的主要方法有哪些？利用太阳能的主要方法有哪些？n太阳能发电的两种方法及原理太阳能发电的两种方法及原理:热发电（塔式、槽式、碟式）热发电（塔式、槽式、碟式）光伏发电（原理）光伏发电（原理）太阳能烟囱太阳能烟囱82复习题：复习题：n说明新能源和可再生能源的基本含义；说明新能源和可再生能源的基本含义；n说明新能源和可再生能源的主要特点；说明新能源和可再生能源的主要特点；n说明新能源和可再生能源的种类；说明新能源和可再生能源的种类；n太阳能利用的方式有哪些？太阳能利用的方式有哪些？n太阳能热利用的方式？太阳能热利用的方式？n太阳能发电的方式及原理。太阳能发电的方式及原理。