1、第四章 新能源,第一节 核能 第二节 太阳能 第三节 风能 第四节 地热能 第五节 海洋能 第六节 生物质能 第七节 氢能,返回总目录,第一节 核 能,核能的来源,“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力核力。 核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。,当中子和质子形成原子核时，会放出能量，这种能量称为该原子核的结合能。 结合能的大小可以通过爱因斯坦的质能关系式求得：E=mc2 式中 E结合能，J；m质量亏损，kg；c光速，m/s； 不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。,爱因斯坦的质能关系式,当质量数小于60或大于60的原子核由于
2、某种原因向质量数等于60这个方向变换时，比结合能增大。也就是说，在这样的变换中必定伴随着能量的释放。,两种释放能量的途径,根据这一原理，核能的实际利用有两种方法：一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法，这就是核裂变反应堆的原理；二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法，这就是核聚变反应的原理 。,核裂变反应,核裂变反应,核聚变反应,核燃料,核裂变的核燃料 核聚变的核燃料,核裂变的燃料,核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7；还有极少量的铀-234。,与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：（1）是生产过程
3、复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料；（2）是还要进行“后处理”。,核燃料的循环,铀的浓缩方法：（1）气体扩散法； （2）激光分离法。,核聚变的核燃料,最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，例如氢、氘、氚、锂等。 其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反应。 作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034 g，地球上有151014亿吨海水，故海水中的氘含量即达450亿吨，因此几乎是取之不尽的。,世界核能利用的现状,截至1999年，全世界有29个国家的433座核电站在运行。 目前全世界核电提供的电能占世界电力
4、供应的17%，为此每年可以减少23亿吨CO2的排放量，这意味着如果不使用核电，全世界CO2的排放量将增加10%。,美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故引起公众对核的恐惧。在过去10年中，核电变成了一个倍受争议的话题，它已从世界发展最快的能源沦为发展最慢的能源。,但是这种恐核心理导致的核电发展停滞，已带来严重的负面影响，例如，1999年瑞典核电占47%，因为关闭核电站，只能被迫向丹麦燃煤电厂购电，不但电费上涨，而且导致西欧CO2的排放总量超标。由于电力紧张，美国也中止了暂停建核电站的规定，重新起动核电站建设计划。,与欧美发达国家相反，亚洲由于经济迅速崛起，核电发展方兴未艾，亚洲目前共有90座核
5、电站在运行，其中2/3集中在日本。韩国、中国大陆和台湾地区、印度、巴基斯坦等仍有许多座新核电站在建设之中。,由于先进堆型的开发，核电技术的不断完善，核安全程度越来越高，加上全球经济的迅速发展，以及为了解决温室气体排放及酸雨等环境问题，核电在未来20年又将有一个新的发展，对发展中国家更是如此。,反应堆,反应堆的分类,按反应堆的用途分类：生产堆 、动力堆 、试验堆 、供热堆。 按反应堆采用的冷却剂分类：水冷堆、气冷堆、有机介质堆、液态金属冷却堆。,反应堆的分类,按反应堆采用的核燃料分类：天然铀堆、浓缩铀堆、钚堆。 按反应堆采用的慢化剂分类：石墨堆、轻水堆、重水堆。 按核燃料的分布分类：均匀堆、非均
6、匀堆。 按中子的能量分类：热中子堆、快中子堆。,动力堆,动力堆主要有轻水堆、重水堆、气冷堆和快中子增殖堆。,轻水堆,轻水堆是动力堆中最主要的堆型。在全世界的核电站中轻水堆约占85.9%。普通水(轻水)在反应堆中既作冷却剂又作慢化剂。轻水堆又有两种堆型：沸水堆和压水堆。,压水反应堆,沸水反应堆,重水堆,重水堆以重水作为冷却剂和慢化剂。由于重水对中子的慢化性能好，吸收中子的几率小，因此重水堆可以采用天然铀作燃料。这对天然铀资源丰富，又缺乏浓缩铀能力的国家是一种非常有吸引力的堆型。 在核电站中，重水堆约占4.5%。重水堆中最有代表性的加拿大坎杜堆 。,重水反应堆,气冷堆,气冷堆是以气体作冷却剂，石墨
7、作慢化剂。气冷堆经历了三代。 第三代为高温气冷堆。采用高浓缩铀作燃料，并用氦作为冷却剂。由于氦冷却效果好，燃料为弥散型无包壳，堆芯石墨又能承受高温，所以堆芯气体出口温度可高达800，故称之为高温气冷堆。 核电站的各种堆型中，气冷堆约占2%3%。,高温气冷堆,快中子增殖堆,快中子反应堆不用慢化剂，裂变主要依靠能量较大的快中子。 快中子堆所能利用的铀资源中的潜在能量要比热中子堆大几十倍。这正是快堆突出的优点。,快中子增殖堆,由于快堆堆芯中没有慢化剂，故堆芯结构紧凑、体积小，功率密度比一般轻水堆高48倍。由于快堆体积小，功率密度大，故传热问题显得特别突出。 快中子堆虽然前途广阔，但技术难度非常大，目
8、前在核电站的各种堆型中仅占0.7%。,供热堆,供热堆是专门用于供热的一种反应堆，当然也可以利用供热堆提供的热能，采用吸收式制冷或喷射制冷的方式实现冷、热联产；或用于海水淡化。 我国5 MW的供热堆，1989年已开始在清华大学运行，至今已取得良好的经济效益。200 MW的供热站也正在建设之中。,核电站,核电站和火电站的主要区别是热源不同，而将热能转换为机械能，再转换成电能的装置则基本相同。 火电站靠烧煤、石油或天然气来取得热量，而核电站则依靠反应推中的冷却剂将核燃料裂变链式反应所产生的热量带出来。,火电站与核电站的区别,核电站的系统和设备通常由两大部分组成：核的系统和设备，又称核岛；常规的系统和
9、设备，又称常规岛。目前核电站中广泛采用的是轻水堆，即压水堆和沸水堆。 压水堆核电站的最大特点是整个系统分成两大部分，即一回路系统和二回路系统。,压水堆核电站,蒸汽发生器,稳压器,通常一个压水堆有24个并联的一回路系统(又称环路)，但只有一个稳压器。每一个环路都有一台蒸发器和12台冷却剂泵。 压水堆核电站由于以轻水作慢化剂和冷却剂，反应堆体积小，建设周期短，造价较低；加之一回路系统和二回路系统分开，运行维护方便，需处理的放射性废气、废液、废物少，因此在核电站中占主导地位。,核电站系统,核电站是一个复杂的系统工程，它集中了当代的许多高新技术。为了使核电站能稳定、经济地运行，以及一旦发生事故时能保证
10、反应堆的安全和防止放射性物质外泄，核电站设置有各种辅助系统、控制系统和安全设施。以压水堆核电站为例，主要有以下系统。,核岛的核蒸汽供应系统,核蒸汽供应系统包括下述子系统： 一回路主系统（包括压水堆、冷却剂泵、蒸汽发生器、稳压器和主管道等）、化学和容积控制系统、 余热排出系统（又称停堆冷却系统）、 安全注射系统（又称紧急堆芯冷却系统）、控制、保护和检测系统。,核岛的辅助系统,核岛辅助系统包括以下主要的子系统： 设备冷却水系统、 硼回收系统、 反应堆的安全壳及喷淋系统、 核燃料的装换料及贮存系统、 安全壳及核辅助厂房通风和过滤系统、柴油发电机组。,常规岛的系统,常规岛系统与火电站的系统相似，它通常
11、包括： 二回路系统、 循环冷却水系统、电气系统。,核电站的安全性,核电与核弹,在核电迅猛发展的今天，公众最关心的仍是核电的安全问题。首先公众提出的第一个问题是：核电站的反应堆发生事故时会不会像核武器一样爆炸？回答是否定的。,核弹是由高浓度（90%）的裂变物质（几乎是纯235U或纯239Pu）和复杂精密的引爆系统组成的，当引爆装置点火起爆后，弹内的裂变物质被爆炸力迅猛地压紧到一起，大大超过了临界体积，巨大核能在瞬间释放出来，于是产生破坏力极强的、毁灭性的核爆炸。,核电反应堆的结构和特性与核弹完全不同，既没有高浓度的裂变物质，又没有复杂精密的引爆系统，不具备核爆炸所必须的条件，当然不会产生像核弹那
12、样的核爆炸。核电反应堆通常采用天然铀或低浓度（约3%）裂变物质作燃料，再加上一套安全可靠的控制系统从而能使核能缓慢地有控制地释放出来。,核电站放射性影响,核电站的放射性也是公众最担心的问题。其实人们生活在大自然与现代文明之中，每时每刻都在不知不觉地受到来源于天然放射性的本底和各种人工放射性辐射影响。,各种液体的放射性水准,核电站排放物会使人的一生寿命缩短24s。这与因抽烟缩短寿命710年相比，可以说微乎其微。,防止放射性泄漏的屏障,为了防止放射性裂变物质泄漏，核安全规程对核电站设置了如下7道屏障：陶瓷燃料芯块、 燃料元件包壳、 压力容器和管道、混凝土屏蔽、 圆顶的安全壳构筑物、 隔离区、低人口
13、区。 有了以上7道屏障，加上核工业和核技术的进步，今后是不再可能发生前苏联切尔诺贝利电站那样的事故的。,核电站的多层安全保护,可控核聚变,核聚变反应是在极高温度下发生的。在这种极高的温度下，参加反应的原子（氘原子、氚原子等）的核外电子都被剥离，成为裸露的原子核，这种由完全带正电的原子核（离子）和带负电的电子构成的高度电离的气体就称为等离子体。要实现可控核聚变，除了需要极高温度外，还需要解决等离子体密度和约束时间问题。,核聚变能,辐射传热与温度的四次方成正比，在发生核聚变的超高温下，等离子体以辐射的形式损失的热量是非常巨大的。如果聚变反应释放的能量小于辐射损失，热核反应就会中止。因此存在一临界温
14、度，当超过这一温度时，聚变反应就能持续进行。这一临界温度就被称作临界点火温度，对于氘氚反应，临界点火温度约为4 400万 ，纯氘反应，点火温度约为2亿 。,核聚变反应的等离子体温度极高，任何材料制成的器壁都承受不了如此高温，因此必须对等离子体进行约束，即将它与周围环境隔离开来。目前有两种不同的约束途径：磁约束和惯性约束。,磁约束系统,由于高温等离子体是由高速运动的荷电粒子（离子、电子）组成，如果利用设计的磁场来约束高温等离子体，使带电粒子只能沿着一个螺旋形的轨道运动，这样磁场的作用就相当于一个容器了。这就是磁约束系统的思想。,磁约束有各种不同的形式，其中一种叫托卡马克的系统是目前性能最好的磁约
15、束装置 。,惯性约束系统,基本设想是，在原子核飞行的极短时间内完成聚变反应，就无需采取什么措施来约束等离子体，这样等离子体将被自身惯性约束。 惯性约束的关键是在极短的时间内能完成核聚变反应，为此需将燃料制成微型丸，丸的半径为1 mm。,惯性约束系统,目前正在研究的方法是，用几路或十几路短脉冲强激光从不同方向集中轰击氘氚微丸，使微丸加热到聚变点火温度并同时产生向心爆炸。这个向心爆炸的巨大压力将使燃料大大压缩这种激光引爆方法将获得净能量输出。,惯性约束系统示意图,在21世纪，核能利用将在我国取得更大的进展，并在改善我国能源结构中发挥越来越大的作用。,第二节 太 阳 能,概述,太阳是一个巨大、久远、
16、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75l026 W）的22亿分之一，但已高达1.731017 W，换句话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤。,地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。,太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。,但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。,太阳能利用,人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用
17、主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。 太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。 太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。,太阳的构造,太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39106 km，质量约为2.21019亿吨，为地球质量的3.32105倍，体积则比地球大1.3106倍，平均密度为地球的l4。其主要组成气体为氢（约80%）和氦（约19%）。,由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。 由核聚变可知，氢聚
18、合成氦在释放巨大能量的同时，每1 g质量将亏损0.0072 g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持100亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。,太阳内部有“里三层”，从中心向外，依次是核反应区，这里是太阳热能产生的基地；辐射区，太阳能先通过这里传播出去；对流区，太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。,太阳结构示意图,太阳外部有“外三层”。依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球层厚约500 km，温度为5 762 K，密度为10-6 g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此
19、向太空发射的。,太阳构造示意图,从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中，通常将它视为一个温度为 6 000 K，发射波长为0.33m的黑体。,太阳能热利用,太阳能集热器,太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能热利用中的关键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。 平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。,为了更有效地利用太阳能必须提高入射阳光的能量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集
20、热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。 聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与人射太阳辐射总是互相垂直的。,太阳能热利用,太阳能热水器,太阳热水器于20年代流行于美国的西南部地区。随着石油和电力价格的上升，更有效率的太阳能热水器和太阳能热暖器亦随之产生。20世纪70年代在澳大利亚、日本、以色列和前苏联就已普遍地使用。在美国北部，每平方公尺的太阳能热接收器，每6个月可节省30.5公升的热气用的汽油，或是215kWh的电力。,太阳
21、能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成。按照流体流动的方式分类，可将太阳能热水器分成三大类：闷晒式、直流式和循环式。,太阳能集热器工作原理图,太阳能采暖,太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。而被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，因此它又称为被动式太阳房。,太阳房工作原理示意图,太阳能干燥,近年来世界各国对太阳能干燥进行了许多研究。太阳能干燥不但可以节约燃料，缩短干燥时间，而且由于采用专门的干燥室，因此干净卫生，必要时还可采用杀虫灭菌措施，既可提高产品质量，又可延长产品
22、贮存时间。 太阳能干燥器按干燥器（或干燥室）获得能量的方式可分为：集热器型干燥器，温室型干燥器，集热器温室型干燥器。,太阳能海水淡化,地球上的水资源中，含盐的海水占了97%，随着人口增加，大工业发展，使得城市用水日趋紧张。为了解决日益严重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。 世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计、1872年在北智利建立的，面积为44 504 m2，日产淡水17.7吨。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一直工作到1910年 。,太阳能海水淡化装置中最简单的是池式太阳能蒸馏器 。 还有另一类多效太阳能蒸馏器。它是一种间接太阳能蒸馏器，主要由吸收太阳能的集热器和海水蒸发器组成，
23、并利用集热器中的热水将蒸发器中的海水加热蒸发。 在干旱的沙漠地带，将咸水淡化和太阳能温室结合起来非常有前途。,太阳能热动力发电,太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向，根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组，然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。,太阳能热动力发电,为了降低塔式太阳能热动力系统的投资，发展了一种太阳坑发电技术
24、。它是在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温蒸汽。试验证实太阳坑发电的方案是可行的。由于其技术简单，成本低，有巨大的市场潜力。,另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为50 kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。,太阳能光利用,太阳能光利用最成功的是用光电转换原理制成的太阳电池（又称光电池）。太阳电池1
25、954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。,太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“PN结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞 硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。,太阳能电池结构原理图,常用太阳电池按其材料可以分为：晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。 太阳电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车、太阳
26、能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机都相继问世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。 太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况，人类都期待这一天的到来。,第三节 风 能,风能资源,太阳光从上而下照射大气层，使之升温。又由于地球的自转和公转，地面附近各处受热不均，大气温差发生变化，引起空气流动。空气在水平方向上的流动就形成了风。,风能资源,由于风有一定的质量和速度，并且有一定温度，因此它具有能量。太阳辐射到地球的光能大约有2转变为风能。尽管如此，风能的数量依然很大。它相当于全球目前每年耗煤能量的1 000倍以上。,中国是季风盛行的国家，风能资源量大面广。风能理论总储量约为161011W，可
27、利用的风能资源约2.51011W。据气象部门多年观测资料，中国风能资源较好的地区为东部沿海及一些岛屿；内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风能资源也较丰富。平均风能密度150300 W/m2，一年中有效风速超过3 m/s的时间为4 0008 000小时。,风能利用,风能利用历史悠久，我国是世界上最早利用风能的国家之一。 风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、致冷和致热等。,风力发电,风力发电通常有三种运行方式：一是独立运行方式，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式相结合；三是风力发电并入常规电网运行。,近十年来，全球的风
28、电发展迅速，自1995年以来，世界风能发电以48.7的速率增长，即几乎增加近5倍。去年年底全球装机容量为13 932 MW(5个半核电厂)，自20世纪90年代以来，全球风电的增长，每年为40(和行动电话的成长可比美)，仅德国去年一年就装了1 568 MW(半个核电厂)，超过了其他传统的发电总合。,风机和风场,风力泵水,风力泵水从古至今一直得到较普遍的应用。 现代风力泵水机根据用途可以分为两类：一类是高扬程小流量的风力泵水机，它与活塞泵相配提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮水；另一类是低扬程大流量的风力泵水机，它与螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。
29、,风帆助航,在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。,风力致热,“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法：一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能；二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能；三是将风力机直接转换成热能。第三种方法致热效率最高。,风力机,风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的类型很多，通常将其分为水平轴风力机、垂直轴风力机和特殊风力机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风力机。,WTC型风力机内部结构示意图,风能优点,风能蕴藏量大，分布广；不枯竭，可再生，无污染，是一种可就地利用而且干
30、净的能源。,风能缺点,受地理环境、季节、昼夜等因素的影响，要充分、有效地利用风能比较困难，需要综合运用高新技术。就学科而言，它涉及空气动力学、电机学、结构力学、材料学、气象学和控制论等。,第四节 地 热 能,地热能综述,我们人类居住的这个星球，很像是一个巨大的“热水瓶”，外凉内热，而且是越往里温度越高。人们把蕴藏于地球内部的热能称为“地热能”。地球通过火山爆发和温泉外溢等途径，将其内部蕴藏的热能源源不断地输送到地面上来。,地热能综述,现代人们常说的温泉，就是人类的祖先在很久以前就开始利用的一种地热能。不过，人类对地热能的大规模开发利用，可以说现在才刚刚起步。因此地热能是一种开发潜力很大的新型能
31、源。,地热循环,地球内部推测温度分布曲线,地热资源的类型,热水型。它是反映以水为主体的对流水热系统。这种地热能分布较广，约占已探明的热资源的10%；其温度范围也很广，从接近于室温到高达390。,地热资源的类型,蒸汽型。是指以蒸汽为主体的对流水热系统，以生产温度较高的过热蒸汽为主，其中夹杂有少量的不凝结气体和少量的水(有的不含水)。这类地热能比较容易开发利用，但储量不多，仅占已探明的地热资源总量的0.5%左右。,地热资源的类型,地压型。是指在高压下由深部地层提取含有可溶性甲烷(沼气)的高盐分热水。它的温度约为150260；其储量较大，约占已探明的地热资源的20%。地压型地热能的开发利用目前尚处于
32、研究探索阶段。,地热资源的类型,干热岩型。是反映地层深处广泛存在的不含水分（或含有少量蒸汽）的岩石。它的温度约为150650；其储量更大，约占已探明的地热资源总量的30%。,地热资源的类型,熔岩型。是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩(即岩浆)，其温度高达6501 200。熔岩储存的热能比其他几种都多，约占已探明的地热资源总量的40%。不过在开采这种地热能时，需要在火山地区打几千米深的钻孔，所冒的风险很大，因此这种地热能目前尚未得到实际开发利用。,地热能的利用,目前世界上大约有120多个国家和地区，已经发现和开采的地热泉及地热井多达7 500多处。对于地热能的开发利用，目前主要是在采暖、发电、
33、育种、温室栽培和洗浴等方面。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。,地热能的利用,在工业上，地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。 在农业生产上，地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如，地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜、水果、花卉和香蕉，近年来又栽培了咖啡、橡胶等热带经济作物。,地热能的利用,在浴用医疗方面，人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等，不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。,地热发电系统,地热发电系统主要有四种： 地热蒸汽发电系统：利用地热蒸汽推动汽轮机运转，产生电能。本系统技术成熟、运行安全可靠，是地热发电的主要形式。西
34、藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。,地热蒸汽发电系统,地热发电系统,双循环发电系统：也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。,双循环发电系统,地热发电系统,全流发电系统：本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定的难度，尚在攻关。,全流发电系统,地热发电系统,干热岩发电系统：利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。
35、1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。,干热岩,地热发电的好处,利用地热能来进行发电其好处很多： 建造电站的投资少，通常低于水电站； 发电成本比火电、核电及水电都低； 发电设备的利用时间较长； 地热能比较干净，不会污染环境； 发电用过的蒸汽和热水，还可以再加以利用，如取暖、洗浴、医疗、化工生产等。,地热能的直接利用,地热能直接利用于烹饪、沐浴及暖房，已有悠久的历史。至今，天然温泉与人工开采的地下热水仍被人类
36、广泛使用。据联合国统计，世界地热水的直接利用远远超过地热发电。中国的地热水直接利用居世界首位，其次是日本。 地热水的直接用途非常广泛，主要有采暖空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅温泉疗养保健等。,地热供暖,地热务农,地热养殖,我国的地热资源,据估计，全世界地热资源总量相当于4 948万亿吨标准煤，据不完全统计，我国已查明地热资源相当于2 000万亿吨标准煤。西藏、云南、四川、广东、福建等地的温泉多达1 503处，占全国温泉总数的61.3。在全国121个水温高于80 的温泉中，云南，西藏占62，广东、福建占18.2，其他省区不足15。,我国地热资源,我国地热资源的特点是类型较多，有近期火山和
37、岩浆活动类型；有把皱山区断裂构造类型；还有中新生代自流水盆地类型。其形成主要受构造体系和地震活动的影响，与火山活动密切相关。,我国地热资源,根据其形成的地质作用和赋存条件，可以划分为三种类型：（1）火山或岩浆型地热资源；（2）盆地型中低温地热资源；（3）断裂带型中低温地热资源。,地热能的未来,在21世纪，一个个地热电站将屹立在世界各地。地热带出的硫化氢被浓缩、提炼成为制造硫酸和其他化工产品的原料。地热水经过利用后，又成为清洁的水源供人们生产和生活使用，开拓了一条新水源。,地热能的未来,未来随着科学技术的发展和进步，一座座活火山将成为一个个热电厂；一块块地震频发区，反而成为一个个地热开采的中心；
38、地热资源是地球奉献给人类的又一个能量宝库，有其不可估量的前途。,第五节 海 洋 能,可再生的海洋能源,海洋是一个巨大的能源宝库，仅大洋中的波浪、潮汐、海流等动能和海洋温度差、盐度差能等的存储量高达天文数字。这些海洋能源都是取之不尽、用之不竭的可再生能源。,可再生的海洋能源,海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。,海洋能的特点,海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单
39、位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。 它具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。,海洋能的特点,海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。既不稳定又无规律的是波浪能。 海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。,潮 汐 能,潮汐能,因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能
40、量，称为潮汐能。潮汐能是以位能形态出现的海洋能，是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。,潮汐中的巨大能量,海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，凶涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转换为势能，在落潮的过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转换为动能。,潮差,潮起潮落所形成的水位差，即相邻高潮潮位与低潮潮位的高度差，称为潮位差或潮差。通常，海洋中的潮差不大，一般只有几十厘米至1m左右。而在喇叭状海岸或河口的地区，其潮差就比较大。,蓝色的煤海,据专家们估计，全球海洋中所蕴藏的潮汐能约有27亿kW，若能把它充分利用起来，其每年的发电量可达33 480万亿kW
41、h。无怪乎人们把巨大的潮汐能誉为“蓝色的煤海”！,潮汐发电,潮汐能利用的主要方式是发电，潮汐发电与水力发电的原理相似。通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。,潮汐发电,具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同，可以分成单库单向型、单库双向型和双库单向型三种。,潮汐发电的主要优点,潮汐电站的水库都是利用河口或海
42、湾来建造的，不占用耕地，也不像河川水电站或火电站那样要淹没或占用大量的良田； 它既不像河川水电站那样受洪水和枯水季节的影响，也不像火电站那样污染环境，是一种既不受气候条件影响而又非常“干净”的发电站； 潮汐电站的堤坝较低，建造容易。其投资也相对较少。,世界主要潮汐电站,法国朗斯潮汐电站,江厦潮汐发电站,波 浪 能,波浪能,波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。,波浪能,全世界波浪能的理论估算值为109 kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.31
43、07 kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波浪能丰富的地区。,波浪能利用,波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项，获得专利证书的也达数百件。波浪能利用被称为“发明家的乐园”。,波浪能利用的几个基本原理,利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。 早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置。道理很简单，就是利用波浪上下起伏的力量，通过压缩空气，推动
44、汲筒中的活塞往复运动而做功。,波浪发电站示意图,波浪能供电的灯光浮标,温 差 能,温差能,温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。 海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。另一方面，接近冰点的海水大面积地在不到 1 000 m的深度从极地缓慢地流向赤道。这样，就在许多热带或亚热带海域终年形成20以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力循环并发电。,温差发电,温差发电的基本原理就是借助一种工作介质，使表层海水中的热能向深层冷水中转移，从而做功发电。,海洋温差能利用,除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统中
45、的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置,可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。,盐 差 能,盐差能,盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。 同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。,盐差能的利用,盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机协化学式等，其中渗透压式方案最受重视。,海 流 能,海流能,海流
46、能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。 海流能的能量与流速的平方和流量成正比。,海流能的利用,海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。但由于海水的密度约为空气的1 000倍，且装置必须放于水下。故海流发电存在一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。,我国的海洋能开发,我国海洋能开发已有近40年的历史，迄今已建成潮汐电站8座。 我国的海洋发电技术已有较好的基础和丰富的经验，小型潮汐发电技术基本成熟，已具备开发中型潮汐电站的技术条件。,第
47、六节 生物质能,生物质能简介,生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质能是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。,生物质能简介,生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14，但在发展中国家占40以上。,生物质能的来源,柴薪至今仍是许多发展中国家的重要能源。但由于柴薪的需求导致林地日减，应适当规划与广泛植林。 牲畜粪便，牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，可产生甲烷和肥料。 制糖作物，制糖作物可直接发酵，转变为乙醇。 水生植物，同柴薪一样，水生植物也可转化成燃料。,
