能源概论复习提纲.ppt

能源概论1.能源分类a来自地球以外的天体的能量-太阳辐射能。按来源分b来自地球内部蕴藏的能量-地球热能和原子核能。c来自地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能等。a一次能源以现有的形式存在于自然界的能源。可再生能源不会随着自身的转化或被利用按存在和产生形式分而减少的能源。非再生能源随着被利用而逐渐减少的能源。b二次能源需依靠其他能源来制取或产生的能源。,a含能体能源能量以某种载体形式存储起来被利用。按本身性质分b过程性能源能量在物质运动的过程中存在，无法存储。a常规能源目前被普遍采用的能源。按利用时间和普及程度分b新能源新近才被利用或正在开发研究的能源。,2.评价能源品质的技术指标a能流密度在一定空间或面积内从某种能源实际所能得出的能量和功率。太阳能和风能的能流密度很小，核能和其他常规能源的能流密度较大。b开发费用和设备价格勘测、开采、加工等需要的人力和物力的投资。对于开发费，太阳能、风能等不需成本，而矿物燃料和核燃料，则此项成本很高；关于设备价格，太阳能、风能、海洋能等发电设备的初投资大，资金周转慢，而煤和水力的设备初投资相对便宜。c存储可能性和供能连续性能源不用时可以存储起来，需用时立即放出能量。矿石燃料和核燃料容易做到，太阳能、风能等不易做到。,d运输费用与耗损把能源送给用户的运费及过程中的损失。矿石燃料容易运输，太阳能、风能、地热能等难以运输，而水力发电，如远距离输电损失也大。e环境污染的评价能源使用中对环境产生危害的程度。污染主要来源于耗能设备，如矿石燃料对大气的污染；水力对生态平衡、土地盐碱化、航运的影响；原子能的可能危险性；太阳能、风能等属于清洁能源。f存储量能源酝藏的数量。我国煤炭、水力资源相对丰富。g能源品位能源可直接利用和转换的难易成度。能够直接变成机械能和电能的能源品位比必须经过“热”这个环节的能源高一些，如水力比矿物燃料高。,3.常规能源的有限性和我国主要能源资源状况煤炭储量5.06万亿吨；前苏联6.8万亿吨、美国3.6万亿吨石油储量33亿吨；（前四位沙特、加拿大、伊朗、伊拉克）天然气储量133.6万亿m3；（前四位俄罗斯、伊朗、卡塔尔沙特）水力资源中国水力资源相对丰富，技术上可开发19233亿kwh/Y，居世界首位，发展空间大。能源战略中国（能源中长期发展规划纲要）提出要坚持把节约能源放在首位，实行全面、严格的节约能源制度和措施，显著提高能源利用效率；坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略。,煤炭资源分布储量丰富，分布面广，品种齐全。据中国第二次煤田预测，埋深在1000m以浅的煤炭总资源量为2.6万亿t。其中大别山-秦岭-昆仑山一线以北地区资源量约2.45万亿t，占全国总资源量的94；以南的广大地区仅占6左右。新疆、内蒙古、山西和陕西等四省区占全国资源总量的81.3，东北三省占1.6，华东七省占2.8，江南九省占1.6。中国煤炭资源的种类较多，在现有探明储量中，烟煤占75、无烟煤占12、褐煤占13。其中，原料煤占27，动力煤占73。动力煤储量主要分布在华北和西北，分别占全国的46和38。炼焦煤主要集中在华北，无烟煤主要集中在山西和贵州两省。,石油资源1996年底中国石油探明储量约33亿t，居世界第九位。1949年石油地质储量为0.29亿t，产量为12万t。1959年9月发现大庆油田，1961年石油地质储量达到26亿t。1978年中国石油产量突破1亿t，地质储量达到68.1亿t。1985年石油产量为1.249亿t，地质储量达到116亿t。1990年中国石油产量为1.383亿t，居世界第5位。,按照2003年国家开发银行组织研究的2000～2020能源发展规划和“十一五”重大项目研究报告，至2020年我国一次能源消费总量将达到28.94～30.22亿吨标准煤，年均增长3.9～4.2。在能源实际消费中，煤炭23.7～25.5亿吨；石油4.3亿吨；天然气1800亿立方米；水电发电量8500亿千瓦时；核电发电量2600亿千瓦时；可再生能源发电量290亿千瓦时。届时全国电力装机容量将达到10亿千瓦，其中水电装机容量2.6亿千瓦，燃煤火电装机容量6.5亿千瓦左右，燃油火电装机容量1500万千瓦，天然气发电装机容量6000万千瓦，核电装机容量4000万千瓦，风电等其他类型发电装机容量1000万千瓦。2020年核电装机容量要占总电力装机容量的4，即达到4000万千瓦，核电装机容量将至少新增2700万千瓦，比现在增加300以上，这是一个很大的市场。,4.能源利用与环境保护能源利用不仅应考虑能源资源的不可再生性，更应考虑环境保护。温室效应燃用化石燃料大气中的二氧化碳含量不断增加，正以1.3ppm/Y的速度上升，引起温室效应和全球气候恶化。预计2030年全球的平均气温将上升1.5-4.5度，海平面上升700mm。酸雨燃用化石燃料大气中的SOx和NOx的排放量也在上升。NOx是形成城市中光化学烟雾的主要化合物，同时与SOx一起会引起酸雨。我国几乎40的国土面积受到酸雨的威胁。21世纪，能源和环境是人类迫切需要解决的问题，它直接影响到全球生态平衡和人类的可持续发展。里约宣言保护和恢复地球生态，防止环境恶化，各国共担责任。我国在21世纪议程中提出的能源政策综合能源规划与管理，提高能源利用效率和节约能源，推广少污染的煤炭开采技术和清洁煤技术，开发利用新能源和可再生能源。,5.新能源利用展望,核能核能是一种比较理想的能源，当前核电站已经达到技术上成熟、工业上可以大规模推广的阶段。在运秦山核电站1x302x65万千瓦（11台）大亚湾核电站2x98.4万千瓦岭澳核电站2x992x100万千瓦田湾核电站2x106万千瓦在建红沿河核电站6x100万千瓦（12座）宁德核电站6x100万千瓦福清核电站6x100万千瓦秦山核电站2x72.8万千瓦阳江核电站8x100万千瓦中国实验快堆25万千瓦三门核电站6x125万千瓦台山核电站6x175万千瓦海阳核电站6x125万千瓦石岛湾核电站1x206x100万千瓦昌江核电站4x65万千瓦方家山核电站2x110万千瓦,太阳能太阳能是一种取之不尽、用之不竭、无污染的能源。光-热转换（利用太阳辐射能直接转换成热能）。光-电转换（利用太阳辐射能直接转换成电能），太阳能电池转换效率可达13-20，在宇宙空间高达35。,,风能中国风能总储量约10亿KW陆上2.53亿KW，海上7.5亿KW）。欧盟沿岸海上风能资源约8.5亿KW，比欧盟国家目前年用电量还大。德国风能总装机444万KW。欧盟国家风电发展目标是2020年达到1亿KW，届时风电占总电力的比例将超过10。我国经贸委预计，2030年风电占总电力的比例可能达到10。目前，风电投资成本8元/瓦左右，估计2030为4元/瓦左右。,海洋能海洋能的理论储量很大。可分为潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等。估计可开发利用的有价值的海洋能功率为64亿千瓦。我国是世界上建造潮汐电站最多的国家，潮汐发电机组技术已基本成熟，航标灯、微型潮汐发电装置已趋商品化。我国是世界上主要的波能研究开发国家之一，波力发电技术发展很快，小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列。,地热能地热能的理论储量很大，是一种廉价能源，但属于低品位能源,利用比重不会很大。来源地球深处的高温熔融体和放射性元素的衰变。分类水热型、低压地热型、干热盐地热型、岩浆热能型。全球地热能可采资源量为500EJ/年，中国地热资源潜力占全球的7.9。1997年统计，全球地热发电累计为8021MW，亚洲地热发电累计为2937MW，我国累计为32MW。我国已建立了一套比较完整的地热勘探技术，有专业制造厂，地热电站单机可以达到10兆瓦，具备5000米深度的地热钻探水平，我国2010年地热发电累计100MW，地热采暖累计2500万平方米。,生物质能目前，生物质能在我国是仅次于煤炭、石油、天然气的第4位能源，生物质能主要包括薪材、秸秆、畜粪和垃圾等。垃圾作为生物质能源，利用相应的无害化处理技术，可得到有效能源，如沼气、热能、电能。生物质转换技术分为直接燃烧、热化学转换、生物化学转换。,氢能氢能是一种理想的代替石油燃料的新的二次能源，氢的原料是水。目前液氢广泛用作航天动力燃料。氢的发热值是汽油发热值的3倍（142351KJ/Kg）。廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题，世界各国投入大量的人力、财力、物力研究利用太阳能制氢技术。我国对氢能的研究从60年代初开始，主要为适应我国航天事业的发展，目前在单项技术的研究方面有的达到了世界先进水平，但氢能系统技术的总体水平与发达国家有一定差距。,可燃冰许多科学家一致认为“可燃冰”可能成为人类新的后续能源来源，帮助人类摆脱日益临近的能源危机。全世界可燃冰的储量是煤和石油总和的两倍多。我国在青藏高原的冰土层中、东海、南海、黄海的海底，都有可能存在大量的可燃冰。开发研究较早的美、俄已进入初级工业开发阶段。我国已实验室内人工合成可燃冰。新兴的有潜力的新能源有风能发电、生物质和废弃物焚烧发电。,6.核能核裂变是指较重的原子核（如U235）分裂成较轻的原子核，同时放出能量的反应过程。1kgU235裂变后放出能量为8.32x1010kJ。核聚变是指较轻的原子核（如氘）聚合成较重的原子核，同时放出能量的反应过程。1kg氘聚变时放出能量为3.5x1011kJ，相当于，4倍U235。核裂变反应堆的分类热中子反应堆（热堆）将作为核裂变链式反应媒介的中子，由减速剂减速后成为热中子，用热中子来轰击原子核引起核裂变的堆型，简称热堆。快中子增殖堆（快堆）使用未经减速的中子，即快中子来轰击原子核，引起核裂变反应的堆型，简称快堆。,7.核电站的一般工作原理和主要类型利用核能发电的电站称为核电站，包括一回路和二回路。核电站系统的示意图如图2-1所示，核燃料在反应堆内进行核裂变的链式反应，产生大量热量，由冷却剂水或气体带出，在蒸汽发生器内把热量传给水，将水加热成蒸汽来转动汽轮发电机发电。冷却剂把热量传给水后，再用泵把它送回反应堆里去吸热，循环应用，不断地把反应堆中释放的原子核能引导出来。核电站里的反应堆和蒸汽发生器相当于火电站中的锅炉，所以有人把它叫做原子锅炉。核电站的其它设备与火电站基本相同。,反应堆类型轻水堆以轻水（普通水）作为核燃料的慢化剂和冷却剂。重水堆以重水D2O作慢化剂和冷却剂，以天然铀为燃料。发电用的重水堆主要是加拿大的压力管式重水堆。石墨气冷堆以石墨为慢化剂、气体为冷却剂的堆型。分为天然铀气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆三种。快中子增殖堆不用慢化剂，直接用高速中子引起核裂变链式反应并增殖核燃料的反应堆。采用传热性能好、不慢化中子的工质钠作为冷却剂。核电站的突出特点结构和运行比较简单、尺寸小、造价低、具有良好的安全性、可靠性与经济性，应用广泛。,,轻水堆包括压水堆和沸水堆，在新建核电站中占90以上。,核电站评价核燃料资源核燃料的储量远远超过矿物燃料。核电站的安全性核电站最大的危险是强放射性裂变产物对环境的污染。98以上的裂变产物放射性保持在燃料芯体中，只要芯体不熔化，放射性裂变产物就不会释放出来。只有1-2的裂变产物放射性容纳在芯体和包壳之间的空隙中。核电站有三道屏障燃料元件包壳；一回路管道和容器；安全壳。经济性造价比火电站高，轻水堆高出50-100，而重水堆造价更高些。,核能和核反应核力能克服质子与质子之间的电磁斥力而把核子凝聚在一起的力，称为核力。核能原子核在某种东西轰击下发生破裂，在破裂过程中能放出比任何一种化学反应都大得多的能量，称此能量为原子能或核能。核裂变反应的实现由于中子没有电性，所以利用中子在高速、中速、低速下轰击一个重核并使之裂变，是得到持续核反应的唯一实际可行的方法。,核能和核反应,控制棒的类型及作用安全棒的作用安全棒要有较强的中子吸收能力。当反应堆运行时它们全部抽出堆心，旦反应堆发生事故，安全棒靠重力或弹簧作用迅速插入堆芯使反应堆迅速停堆，以保证安全；补偿棒的作用用来补偿由于燃耗、中毒和温度效应等引起的反应性降低。调节棒的作用用来调节反应堆的功率，使之达到并保持在所需的水平。抵消反应堆运行时各种因素引起的反应性波动，要求移动灵敏，对传动机构及调节系统都有相应的要求。在大功率压水堆中，除了采用束棒控制之外，又采用了化学和容积控制的方法，作为控制过剩反应性的另一控制方法。这种方法是在冷却剂中加入一定浓度的可溶性中子吸收剂硼酸，称为可溶毒物。通过调节溶液中可溶毒物的浓度或溶液总的体积来补偿反应性的变化，起补偿棒的作用。因而可以减少控制棒的数目，使堆芯设计简化。,核燃料的转换和增殖新裂变燃料的产生所需的中子来自另一种裂变燃料的消耗，称这种过程为核燃料的转换。非裂变核燃料铀238在反应堆中吸收中子后，经过两次衰变，生成新的裂变燃料钚239，其反应式如下,新核燃料的生成率与原裂变原料的消耗率的比值称为转换比或增殖比。转换比和增殖比都是新裂变燃料生成率对于原裂变燃料消耗率的比值，在这一点上，两者是同义的，用同一符号r代表。一般地说，对于r＜1的反应堆称为转换堆，对于r1的反应堆称为增殖堆。当核电站反应堆r＞l时，反应堆在发电过程中每消耗l公斤的可裂变核燃料，同时还能生产出超过1公斤的新核燃料，这种增殖型反应堆，不仅大量发电，同时核燃料将随着反应堆的运转逐渐积累，经过一定时间的运行，将反应堆内产生的积余核燃料提取，又可建造新的反应堆。而加入核电站反应堆中只是自然界大量蕴藏的非裂变核燃料，核电站反应堆成为一座可裂变核燃料的加工厂，这样使自然界中比铀-235蕴藏量大千百倍的非裂变核燃料获得充分的利用，为核能发电提供丰富的资源。,8.反应堆热工对于给定的反应堆，其释放功率的大小主要受热工限制，而不是受核限制。在各种运行工况下，堆芯内的燃料和包壳温度都不允许超过安全限度，否则可能导致燃料元件损坏，甚至整个堆芯熔化，放射线外逸，危及运行人员和附近居民的安全。压水堆的冷却剂，又兼作慢化剂和反射层，冷却剂的热工、水力特性不仅影响核电站的热效率，还会直接影响物理设计。此外，堆芯外部冷却回路、蒸汽发生器、稳压器、凝汽器、泵、汽轮机等设备的设计都与冷却剂的热工、水力特性有关。这些设备的投资在核电站的总投资中占有相当大的比例。可见，反应堆的热工、水力特性对核电站的经济性有着明显的影响。,反应堆内热量传递过程主要包括（1）燃料芯块内的热传导；（2）燃料与包壳之问的传热；（3）金属包壳内的热传导；（4）包壳外表面与冷却剂之间的对流放热。,燃料芯块的热传导假设燃料棒产生的热量沿径向和轴向均匀分布，棒形元件的长度比径向尺寸大的多，近似看作仅有径向导热。,燃料与包壳之间的传热在芯块和包壳之间存在一定的间隙，内充一定压力的氦气。气隙内传热情况比较复杂，由于芯块和包壳不会完全同心以及由于芯块的热膨胀作用，造成芯块与包壳局部接触。因此，在气隙内，既有通过气体的传热，又有通道接触点的接触传热。在计算中，通常用气隙放热系数来表示，可得通过气隙的温差为,金属包壳内的热传导燃料芯块内的热量通过导热从包壳的内表面传递到外表面。包壳本身的发热很小，可以忽略不计，近似认为是无内热源的单纯导热过程。包壳内外壁的温差表示为,包壳与冷却剂之间的对流传热燃料元件内部发出的热量传至包壳表面后，再往外传热给冷却剂。导出堆芯内发出的热量是动力堆设计中的主要问题之一。这首先是由于反应堆的释热率比大多数常规热源高几个数量级之故，在堆芯内产生热量并不困难，问题是如何在燃料元件内及燃料包壳上温度不过高的条件下，将热量导出堆外。,9.反应堆流体系统设计反应堆的热量由流体带出堆外，因此，反应堆堆芯的热工特性与流体的流动特性密切相关。流体系统的设计包括各部分压力损失、流量分配及所需的输送功率，在两相流动的情况下还需研究流动的稳定性。单相流体压降经过堆芯的压降大致可分为四部分（1）经过流道的摩擦阻力损失；（2）经过燃料组件格架的阻力损失；（3）经过堆芯出入口的压力损失扩大和缩小；（4）流体的重位压降。,（1）经过流道的摩擦阻力损失（2）经过燃料组件格架、堆芯进出口以及其它局部阻力阻力损失,（3）流体的重位压降,两相流体压降在分析沸水堆时，必须知道汽水混合物的含汽率x以及汽泡份额a，以便进行堆芯核性能及热工水力特性计算。汽水混合物含汽率的定义为,汽水混合物中汽泡份额的定义为,（1）两相流体的摩擦压降通常是按总质量流量计算出液相的摩擦压降，再乘上两相摩擦压降的增长因子，即,（2）两相流体局部阻力按下式计算,（3）两相流体的重位压降（4）冷却剂的汽水膨胀引起的加速度压降,10.堆芯的热工设计反应堆热工、水力设计的任务是保证在各种运行条件下，反应堆堆芯都能得到足够的冷却，并尽可能提高堆芯的功率密度单位堆芯体积所发出的热功率和燃料比功率每公斤燃料所发出的热功率，以减小堆芯的体积和燃料装载量。在设计中主要的限制如下燃料温度的限制对燃料温度的主要限制是防止燃料熔化。目前在动力堆中所用的燃料主要是二氧化铀和碳化铀。它们的熔点分别为2800℃和2500℃，而且燃料的熔点会随着辐照下降。包壳的热工限制包壳是防止裂变产物进入冷却剂的主要屏障，所以在运行过程中必须维持它的完整性。包壳表面的局部最大热通量必须低于临界热通量，井应有一定的安全裕度，同时不允许发生流动不稳定性，以防止包壳温度过高而发生熔化。包壳应有足够的强度，能承受冷却剂压力、裂变气体压力以及燃料膨胀所造成的压力。此外，还应防止冷却剂对包壳的腐蚀作用。为了避免包壳损坏，对它的运行温度必须加以限制。,冷却剂的温度限制在动力堆中，对冷却剂的温度也要进行限制。例如，在压水堆中要求冷却剂的流体温度低于饱和温度，避免产生容积沸腾。在钠冷快堆中，为提高冷却剂的传热能力，也希望钠温不太高。为了减少热冲击如在快速停堆期间，对冷却剂的进出口温升也要进行限制。例如压水堆典型的进出口温升为32℃左右，钠冷快堆的进出口温升可达140℃，而在高温气冷堆中，氦气温升可高达500℃左右。由于反应性对冷却剂的温度很敏感，因此必须限制冷却剂的温度。,11.核电站安全核电站厂址的选择，除要求具备常规电站的基本要求外，还要考虑如下原则1厂址周围环境不存在能引起反应堆发生事故的隐患；2一旦发生重大事故，则可能导致事故扩大的趋势要小；3居民容易疏散等。为此，核电站的厂址选择应避开多地震区；避开可能对核电站有严重危害的工业设施，如炼油厂、石油化工厂、炸药制造厂和仓库、飞机场等；避开大型牧业区、鱼类等水生生物繁殖场、饲养场等地区；保证在发生历史记载的最大风暴、洪水、潮汐和海啸时，核电站的安全不受影响。核电站，应远离人口集中的城镇并座落在城镇的主导风向的下风向。核电站厂址般分为三区，即厂区非居民区或称隔离区、控制区、低人口区和居民区。这些区域的半径，根据所建核电站的堆型、功率大小以及所采取的保安措施的完善程度，分别为数百米、数公里至数十公里不等。核电站在运行过程中产生大量的放射性物质。放射性物质的主要来源是燃料元件的裂变产物，其次来源于结构材料和冷却剂的活化。,核电站几项关键的安全设施为快速停堆信号系统用来监测有损于反应堆安全的瞬态及误操作等异常状态，为快速插入控制棒、互锁停止提升控制棒、发出警报和关闭主蒸汽隔离阀等，及时提供动作信号。堆芯危急冷却系统在一次冷却系统管道发生大型断裂事故、反应堆处于危急时，为了防止因燃料过热而引起包壳破损直至元件熔化所设置的极为重要的安全设施。紧急停堆系统为防止事故扩大，往往需要紧急停堆。对本系统的要求是当控制棒因故不能插入堆芯时，立即投入以快速停闭反应堆。无论哪种堆型，安全壳及其附属设备的设置，都是考虑核电站万一发生最严重事故时能有效防止裂变产物放射性物质向环境大量逸出。,对于可能泄漏出来的放射性物质和射线，主要采用辐射屏蔽和辐射监测两种防护管理措施，以保证正常运行时的人身安全。辐射屏蔽由于反应堆在运行过程中产生各种强辐射源，其中快中子和高能射线的穿透力很强，因此要设置屏蔽层。屏蔽材料大多用普通混凝土和水，局部用重混凝土混凝土中掺进铁屑、重晶石、铁矿石等、石墨、石蜡、铸铁块、硼钢和铝板等。一般，重材料主要用于屏蔽射线，轻材料用于屏蔽快中子，含硼材料吸收热中子，重混凝土则多用于屏蔽层不能太厚的部位。辐射监测为确保工作人员、场所和环境的安全，对于放射性物质和射线应进行全面监督。其手段是各种固定式或携带式射线监测仪，对象应包括核电站操作人员、内外环境和工艺流程等。,12.太阳能太阳能是指太阳辐射出的能量。在地球上，除了原子能外，太阳能是各种能量燃料能、风能、水能等的来源。太阳是一个炽热的气体球，直径为1.39x106km，表面温度约为6000K,太阳内部持续不断地进行着核聚变反应，在此反应中损失的质量转变成能量，使内部产生数百万度的高温，这就是太阳向空间辐射出巨大能量的源泉。大气层外太阳辐射光谱美国国家航空和宇航局NASA提出的最新太阳辐射光谱标准曲线为,进入大气层前,0.2-4.0m的波段内能量集中占99。,地球表面的太阳辐射大气层对太阳辐射的吸收减弱作用吸收在电离层氮、氧等大气成分吸收太阳光谱中的x射线及其它超短波；大气中的臭氧对于紫外线区域的选择性吸收；大气中H2O、CO2对波长大于0.69m的红外线区域的选择性吸收；大气中悬浮固体微粒和水滴对太阳辐射中各种波长射线的连续性吸收。散射大气中悬浮固体微粒和水滴对太阳辐射中波长大于0.69m红外区域的连续性散射作用。漫反射大气中悬浮的各种粉尘对太阳光的漫反射作用。经多原子气体减弱作用达到地面的太阳辐射，主要是可见光和红外辐射。影响太阳辐射的地理几何因素太阳高度太阳与观察者联线与地平面的夹角称为太阳高度角或太阳高度。日照时间任何纬度一天内可见太阳的时间。,13.太阳能平板集热器1）平板型集热器（吸热板、玻璃盖板和框架是最主要的部件）优点不用昂贵、复杂的跟踪设备，就能收集到大量太阳辐射；使用、维修方便，投资少；既可接收直接辐射，又可接收散射辐射，吸收辐射范围广。缺点只能提供中、低温载热介质，不能提高辐射强度，多用在供暖、空调等方面。近些年由于集热效率不断提高，在小型热发电装置上也有应用。,热损失假定1集热器处于热稳定状态；2并联管内流动均匀；3通过玻璃盖的热流为一维；4玻璃盖不吸收太阳能；5玻璃盖层温降可忽略；6吸热板厚度方向温降不计，板温度均匀；7天空做黑体处理。,背面板热损失系数,顶部板热损失系数,,总热损失系数,平板型集热器的热平衡和效率因子在稳定工况下，吸收的太阳能部分传给了载热介质，还有一部分散失到周围环境中，据此，可以建立热平衡方方程,2）聚焦型集热器太阳能热力发电站要求在高温条件下运行，由于投射到地面上太阳能的能量密度较低，极大地限制了平板型集热器所应达到的温度，因此，使用平板集热器的热力发电装置的理论效率一般不超过35％。聚焦型集热器利用聚焦镜，能成百上千倍地提高接收器的能量密度，其热力发电装置的效率可以达到15％。聚焦型集热器由聚光镜和接收器组成（聚光方式有反射聚光和折射聚光）。与平板型集热器相比，聚焦型集热器的缺点是结构复杂、造价昂贵，不能收集占总辐射20一40％的漫射辐射。,聚焦型集热器的工作特性和效率工作特性以柱型抛物面集热器为例，说明聚焦型集热器的光学聚焦特性。图中a为聚光镜口径；f为聚光镜焦距；d为接收器直径；L为集热器长度。,C称为聚光度，表示能流密度被放大的倍数（假设反射中无损失）,如忽略接收器的热损失，接收器未被照射部分完全绝热，则有,效率仍以柱形抛物面集热器为例，当太阳辐射汇聚到接收器后，立即被接收器中载热介质所吸收，将光能转为热能。但在能量传递转换过程中存在光学损失和散热损失。,,,典型的太阳能热力发电系统1塔式太阳能发电系统这种系统是在采光场的中心设有高大的竖塔，塔顶装有接收器（相当于太阳锅炉）。塔中心四周布置许多定日镜，电站功率越大定日镜数目越多。为了使入射光尽量接近反射镜法线方向和避免镜间遮挡，接收塔高度随功率增加而增高，计算分析表明，塔高大致等于定日镜场当量直径的1/4。塔式系统聚光度可高达500以上，接收塔辐射热流密度达500kW/m2，因此，汽温、汽压都很高。电站的参数可以达到温度350℃-510℃；压力10.44Mpa；平均效率15。,,塔式双工质太阳热发电系统要提高循环效率，就必须同时提高工质温度和压力，但这将增加金属重量和投资。为此，提出了用液态金属钠作为载热介质的双回路循环系统。图3-52是美国通用电气研究发展中心设计的100MW液态钠太阳能热电站的示意图。电站为双工质循环，在塔顶接收器内被加热到593℃的液态钠，在换热器中把热量传给水，产生过热蒸汽，送到汽轮机。冷却了的钠重新被送往塔顶接收器。塔顶接收器的尺寸比以水为工质的接收器小，重量较轻，运行压力低。从而使高塔和接收器的投资费用减少，管道费用大大降低。此外，液体钠也是一种很好的蓄热介质，在没有日光的情况下，可从热钠贮存罐中抽取热量，保证太阳热电站满负荷运行3小时。,分散布置曲面聚焦发电系统用许多串、并联的曲面聚焦集热器取代定日镜阵和高塔接收器。聚焦集热器的连接可以是几个串联在一起，自成一个受热单元，然后几个受热单元再并联在一起，如图3-53所示。串联数目的多少取决于工质被加热的程度，虽然它的聚光度低一些，但它也可以获得350度以上的中等压力蒸汽。这种发电方式的容量可大、可小，不象塔式那样只有在容量大时才合算。此外，它的集热器等设备都分布在地面上，安装、维修、操作都比较方便，跟踪太阳精度要求比塔式定日镜低。缺点主要是输热管道系统比塔式电站复杂，输热损失大，造价较高。集热器工作温度不及塔式高，所以效率低一些，大约为10左右。,平板型集热器发电系统平板型集热器的聚光度为1，工质温度一般为60-70度，最高不超过150度。当以水为工质，集热器出口水温不越过40度时，需采用减压扩容方式发电，其系统如图3-54所示。扩容器、汽轮机、冷凝器等均在部分真空下运行。用真空泵维持真空，用排水泵排出扩容器内的热水。这种系统本身的能量消耗较多，热效率低，可作小功率电站选择方案之一。为了提高低温热源的热能利用率，平板型集热器热电站常用低沸点物质作为工作介质。低沸点工质在常温下易于蒸发，为正压。因此，系统可以在正压下运行，免去抽气装置。低沸点工质涡轮机尺寸紧凑小巧、造价比低压汽轮机低。,,图3-55是低佛点工质循环。对于这种发电方式须注意整个系统的密封性，以防工质泄漏。平板集热器热电站还可以采用水低沸点工质的双循环系统，图3-56是这种发电方式的示意图。水回路为强制循环，低沸点工质回路包括有预热器、蒸发器、涡轮机、冷凝器和低沸点工质泵。为了避免太阳被遮蔽时，辐射强度急剧变化对发电的影响，系统中还设有热水储存器。这种方式的系统复杂，但它的运行特性比上面的两种要好。,平板集热器热电站的特点是结构简单，不需要跟踪装置，造价比高塔式、分散曲面聚焦式低。可以利用太阳直接辐射和漫射辐射。效率低，不适用于大容量。,14.地热发电地球是巨大的热库，10km以内地壳含能量相当于全世界储煤热量的2000倍。1904年意大利首先在拉德瑞罗建立了世界第一座天然蒸汽试验电站。1970年我国广东丰顺县建成第一座地热发电站。地热资源1）类型（1）水热资源地下储存有大量热能的蓄水层称为水热资源，分蒸汽地热田和热水地热田。（2）地压资源它是处于深处沉积岩中的含有甲烷的高盐分热水，由上部岩石盖层使热储封闭起来，热水压力超过水静压力。,（3）干热岩它是地层深处具有150-650度的热岩层，这里不存在流体，故称干热岩。（4）熔岩它是温度为650-1200度处于塑性状态或完全熔化的熔岩，其埋藏部位最深。2）地下热水的形成（1）深循环型大气降水渗入岩层被加热，在压力作用下又沿另外的岩缝向地表移动（喷泉），冷水下降热水上升形成循环。（2）特殊热源型岩层破裂岩浆涌出或形成火山或停驻一定深度成为岩浆侵入体，它是特殊的高温热源，使渗入水异常加热。3）地热田的类型（1）热水田多为深循环型热水，60-120度。储水层上方透水。（2）蒸汽田储水层上方不透水，储水层长期受热就形成了具有一定压力和温度的蒸汽田。,地热发电系统1）背压式汽轮机循环,2）凝汽式汽轮机循环,4）减压扩容蒸汽循环,5）低沸点工质循环,15.生物质能发电1）生物质能源种类包括直接来自光合作用的树木、草类、农作物及水生植物等绿色植物；也包括各类有机废物、城市垃圾、有机废水、下水污泥等。2）开发利用途径燃烧把柴薪、秸秆、城市垃圾等固体生物质燃料的化学能转化为热能或电力。气化将固体生物质在缺乏空气的条件下加热至高温，分解出中热值可燃气，同时产生少量焦油和固体残留物。热解炭化在隔绝空气的条件下加热木材，使固体生物质分解，生成木炭和少量焦油及低热值可燃气。生物制氢通过厌氧微生物的作用，将有机物质转化为甲烷。制乙醇在厌氧条件下将单糖和二糖物质直接转化为乙醇。,3）生物质转化技术特点转换途径多样化；生物质能资源可梯度利用；低品位能源向高品位能源转换；能源工程与环境工程紧密结合。4）厌氧菌发酵技术沼气制取和利用厌氧菌发酵制取沼气是利用污水和污泥中没有溶解氧环境下繁殖的厌氧菌的作用，使有机物通过液化、气化分解产生沼气。在此过程中，将病原菌、寄生虫卵杀死。此技术是目前生物质利用的主要方式。5）生物质气化技术生物质气化技术是利用生物质缺氧燃烧或热解制取可燃气。热解气化装置生物质被加热到200-600度后将产生热分解而释放出中热值可燃气及油料，同时还产生副产品焦炭。生物质气化炉从结构上分为流化床、移动床及固定床气化炉。接触气体是进入气化炉与生物质接触的气体，如纯氧气、空气。上吸式气化炉是一种结构简单的气化装置。,16.风能在太阳向地球投射的太阳辐射中，大约有20％被地球大气层所吸收，这些能量使大气加热，并促成大气的对流运动。大气和海洋的对流流动拥有的风能功率约为2xl013kw，相当于1972年全世界能耗的三倍。如果利用1／l00，则相当于世界能耗的3％，如用于发电，则可生产世界总发电量的89％。风能是免费的取之不尽、用之不竭的清洁能源，不存在燃料运输、灰渣处理和环境污染等问题，凡是平均风速较高的地方都可以常年取用风能，,组成转子齿轮箱塔架基座控制装置发电机类型水平轴,1）水平轴风力发电机示意图,风能发电成本与装置的总效率、容量和年平均风速有关，其中风速影响很大。对于592kw的机组，年平均风速为11m／s和4.5m／s比较，每度电成本降低3倍。2）风轮机基本理论瞬时风速、平均风速、风速频率和风能玫瑰图风速是随时间变化的，所以用瞬时风速和平均风速来描述它。瞬时风速在很短的时间间隔内一秒或几秒的风速。它是实际发生作用的风速。平均风速指一长段时间间隔内一小时或数小时，以致一昼夜24小时所得的各瞬时速度的平均值，即,风速频率某地一年内或一月内，风以某一相同风速吹过的总时数占一年或一个月时效的％。它是勘测风能资源和确定风能电站全年可能工作时数的基本数据之一。任一地点都可能吹刮来自各个方向的风，其吹刮时间并不相同，强弱也不相同。风能玫瑰图根据各方向上测定的平均风速、风速频率（某一方向上风速频率与平均风速立方值的乘积）绘制。根据风能玫瑰图可看出那个方向上的风具有能量优势。,3）风能每1m2与空气流相垂直的截面上流过的空气能量密度为,理想风轮机所能提取能量的理论最大值为理想风轮机的能量密度为,17.海洋能1）潮汐能发电我国先后在广东、上海、福建、山东、浙江、江苏等地建成了几十处潮汐发电站。第一座单库双向式潮汐电站浙江温岭县江厦潮汐电站6x500千瓦第一台机组于1980午5月正式建成发电。（1）单库单向电站在河口湾处修建水坝，将河口与海湾隔开，在河口内形成一水库。海水在涨潮时进入水库，落潮时，利用水库与海面的水位差推动水轮机发电。我国浙江温岭县沙山潮汐电站即采用这种型式，电站平面示意图如图6--1所示。涨潮时，把进水闸打开，将潮水引蓄在水库内，退潮时，将排水闸打开，使库内的存水通过水轮机排出，从而转动水轮机，并带动发电机发电。,电站只需建造一道堤坝，水轮发电机组只需满足单方向通水发电要求，建筑物和发电设备的结构简单，投资省。但只能在落潮时发电，发电量和发电时间少，潮汐能源利用不充分。,（2）单库双向发电站电站用一个水库，涨潮或者落潮时均可发电，只是在平潮时，即水库内外水位相平，不能发电。浙江温岭县江厦潮汐电站即采用这种型式，如图62所示。电站也只需一道堤坝，但在水轮发电机组结构上及厂房水工建筑物的结构上需满足涨潮及落潮两个方向均能通水发电的要求，结构较前一种复杂。由于涨、落潮时均可发电，所以发电时间和发电量多，能充分利用潮汐能源。,（3）发电功率,2）波浪能发电波浪具有很大的能量。每平方公里的海面上，波浪的功率可达10一20万千瓦。如果把波浪能加以利用，则将在广阔的海洋上获得是巨大的能源。波浪能与波浪高度的平方和波的周期的乘积成正比。设波高为H米，周期为T秒，则每米宽的波浪所蕴藏的能量P为数十年前，已有人试验研究利用波浪能发电。最初的波浪发电装置是利用波浪推动装有空气活塞的浮标作上下垂直运动，产生压缩空气推动涡轮发电机组发电。这种装置发电量不大，仅几十瓦，只能用于海上导航航标灯。1978年，日本成功地利用波浪能驱动空气活塞发电装置，发电量达100千瓦。,发电原理波浪能发电装置大致分为利用海面波浪的上下运动产生空气流或水流而使轮机转动；利用波浪装置前后摆动或转动产生空气流动或水流而使轮机转动；把低压大波浪变为小体积高压水，然后把水引入某一高位水池使其产生一个水头，从而冲动水轮机。空气活塞式波浪发电原理如图67所示。其方法是利用波浪的推力使放置在海面上的浮体上下波动，从而使空气活塞室中的空气不断受到压缩和扩张，因而把波浪能转化成空气流动，然后由气流推动空气涡轮机产生高速旋转，带动发电机发电。,当装置位于波峰时，浮体受波浪力作用上浮，但管内水位不变，故中央管内气压为负压，通过吸气阀吸入空气。当位于波谷时，浮体因自重下落，但管内水位也不变，浮体下沉部分空间的空气从排气阀排出，推动涡轮机转动，带动发电机发电。波浪上下运动，空气活塞室内的空气形成往复运动的气流。,3）海洋温差发电海洋发电原理以海洋受太阳能加热的表层海水25-28℃作高温热源，以500一1000米深处的海水4-7℃）作低温热源，用热机组成热力循环进行发电。从高温热源到低温热源，最终可获得具有工程意义的11℃温差的能量。海洋表层海水不断地由太阳能补给热量，不断进行更新，深层海水也不断地从极地环流到赤道，含有高低温两个热源，本身是个天然的蓄能场。因此，与太阳能的直接利用样，无论何时都可取用，其能量是取之不尽的。循环发电系统由蒸发器、冷凝器、汽轮发电机、泵、海洋构筑物、取水管和定位设备所组成。开式循环系统简图如图6-13所示。利用海洋表层温热的海水在蒸发器中闪蒸得到的蒸汽推动汽轮机发电，然后在冷凝器中用深层冷海水冷却，再冷凝成水。由于开式循环系统使用低压水蒸汽，在系统内漏入大量的空气，为了除去空气，真空泵要消耗很大的电力，因此，这种方法不经济。,,闭式循环又称郎肯循环，它是以丙烷、氨、氟利昂等低沸点工质代替水蒸汽。系统如图614所示。由涡轮机排出的低压蒸汽在冷凝器中用海洋深层冷水冷却成液体，再经泵压到高压循环使用。通过这种低沸点工质的循环，可利用海洋温差连续发电。,,4）海流发电海流是海水朝着一个方向连续不断地流动的现象。在辽阔的海洋里，海流就象海洋中的河流，有一定的长度、宽度、深度和流速。其宽度一般在几十公里到几百公里之间，长度可达几千公里。海流的速度通常为每小时12哩，有的达4