能源技术概论讲义剖析.docx
《能源技术概论讲义剖析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《能源技术概论讲义剖析.docx（56页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
能源技术概论讲义剖析
能源技术概论讲义
授课教师：
焦燕
山西财经大学经济学院能源经济教研室
能源的发展，是全世界、全人类共同关系的问题。
人类从原始社会发展到今天工业文明发达、社会生活丰富多彩的世界，是在消耗大量能量的条件下取得的。
从某中意义上讲，人类社会的发展离不开能源的开发和先进能源技术的使用，能源是整个世界发展和经济增长的最近本的动力，是人类赖以生存的基础。
第一章导论
教学目的和要求：
本章主要介绍能源技术概论的基本研究内容，以及本门课程与相关学科的关系。
教学手段：
多媒体教学与黑板教学相结合
教学方法：
案例教学与课堂讲述相结合、理论与实际相结合、启发式教学与课堂讨论相结合。
课时时数：
3学时
课时分配：
教学学时
教学章节
教学重点与难点
备注
第一、二学时
第一节
能源技术概论的研究对象、研究任务及研究内容
第三学时
第二节
能源技术概论与相关学科的关系
作业与思考：
简述能源技术概论的研究对象、研究任务和主要的研究内容
主要教学内容
第一节能源技术概论的研究对象
能源是国民经济的命脉，能源与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在可持续发展中起着举足轻重的作用。
能源技术概论以能源科学为介绍对象，将对能源资源、能源与环境、能量的转换与储存、常规能源、新能源、节能与能源系统工程进行深入的探讨和分析。
第二节能源与经济社会发展的关系
一、能源与社会发展
人类社会发展的历史就是能源不断被开发和利用的历史。
人类社会发展的早期，能源获取和利用方式单一。
（原始社会：
钻木取火；
奴隶社会：
人力；封建社会：
畜力）
直到蒸汽机的发明，人类开始了对煤炭的使用，内燃机的发明，人类开始了对石油的利用，人类获取和利用方式逐渐向多元化房展。
现代能源与生活：
获取和利用方式多样。
社会发展的各个阶段的发展水平体现---能源的获取和利用水平
全面建设小康社会的环境要求：
可持续发展能力不断增强，生态环境得到改善，资源利用效率显著提高，促进人与自然的和谐，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。
（十六大报告中四个主要目标之一）
十二五节能减排规划：
扎实推进节能减排、生态建设和环境保护；提出到2020年我国控制温室气体排放行动目标和政策措施，制定实施节能减排综合性工作方案；大力发展清洁能源，新增发电装机容量4.45亿千瓦，其中水电9601万千瓦、核电384万千瓦。
目标：
非化石能源消耗量达到11.4%;GDP能耗降低16%，二氧化碳排放降低17%.
二、能源与国防
三、能源工业
能源工业是能量消耗与转换的典型代表。
能源是经济社会持续发展的血液和强大动力
四、能源对现代生活的影响
五、能源技术革命
六、能源热点问题
v石油资源危机与能源安全
在过去100年内，人类消耗了地球历经数百万年所集聚形成的碳氢化合物的一半，石油资源已过“供应顶点”。
油价升降关系到国家的能源安全。
涨价不是最可怕的，可怕的是不按市场规律动作，像2007年全球油价上涨，中国市场没有及时跟进,只有靠补贴这样的非市场行为解决,最终会带来许许多多的问题。
“在工业化社会中,石油比粮食更珍贵,粮食是可以政府补贴的,成品油是绝不可以补贴的。
”
v南水北调
1、东线调水工程
从长江下游扬州附近抽引长江水，利用和扩建京杭大运河逐级提水北送，经洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖，在位山附近穿过黄河后可自流，经位临运河、南运河到天津。
输水主干线长1150km,其中黄河以南660km，黄河以北490km。
全线最高处东平湖蓄水位与抽江水位之差为40m，共建13个梯级泵站，总扬程65m。
东线工程的供水范围是黄淮海平原东部地区，包括苏北、皖北、山东、河北黑龙港和运东地区、天津市等。
主要任务是供水，并兼有航运、防洪、除涝等综合利用效益。
v西气东输
中国西部地区天然气向东部地区输送，主要是新疆塔里木盆地的天然气输往长江三角洲地区。
输气管道西起新疆塔里木的轮南油田，向东最终到达上海，延至杭州。
途经11省区，全长4000km。
设计年输气能力120亿立方米，最终输气能力200亿立方米。
2004年10月1日全线贯通并投产。
v气候变暖
讨论1：
气候是否真正变暖？
气候变暖的真正原因是什么？
v节能降耗
加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。
v新能源与先进热管理技术
新能源
（1）中国科学院院长路甬祥在中国科学院2009年度工作会议上预言，人类的第四次科技革命已在国际金融危机中酝酿，而新能源革命将是这次科技革命的关键突破口。
（2）与大量消耗煤炭、石油等化石能源不同的是，呼之欲出的新能源，将以可再生能源为主重组能源消费结构和能源利用方式，从而催生以新能源为主导的又一次全球新技术和新产业革命。
（3）联合国开发计划署把新能源分为以下三大类：
大中型水电；新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能；穿透生物质能。
先进热管理技术
v能源灾难
能源是一把双刃剑，需要进行能源管理。
v火山喷发
v地震
v海啸
v气候异常变化
v核辐射（切尔诺贝利、福岛核电站）
第二章能量与能源
教学目的和要求：
本章主要介绍能量及其形式，能源及其种类，我国能源资源的分布情况。
教学手段：
多媒体教学与黑板教学相结合
教学方法：
案例教学与课堂讲述相结合、理论与实际相结合、启发式教学与课堂讨论相结合。
课时时数：
6时
课时分配：
教学学时
教学章节
教学重点与难点
备注
第一、二、三学时
第一节
能量的概念；能量的形式
第四、五、六学时
第二节
能源的种类；能源的分布、消费、供应
作业与思考：
（1）能量和物质质量之间的关系。
（2）机械能、热能、电能、辐射能、化学能的定义及特征。
（3）谈谈我国目前的能源消费和供应情况。
主要教学内容
第一节能量
物质、能量和信息是构成客观世界的基础。
科学使馆认为，世界是由物质构成的，没有物质，世界变虚无缥缈。
运动是物质存在的形式，是物质固有的属性。
没有运动的物质正如没有物质的运动一样是不可思议的。
能量则是物质运动的度量。
由于物质存在各种不同的运动形式，因此能量也就有不同的形式。
信息则是客观事物和主观认识相结合的产物，没有信息，物质和能量既无从认知，也毫无用处。
一、能量的概念
物质运动不仅具有表现各异的形式，不同形式的物质运动还可通过做功、传热等方式实现相互转换，这表明这些运动不仅具有共性，还存在内在的统一的度量，即能量。
1、宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。
人类一切活动都与能量及其使用密切相关。
所谓能量，广义地说，就是“产生某种效用（变化）的能力”。
反过来说，产生某种效用（变化）的过程必然伴随着能量的消耗或转化。
例1：
要是物体沿着某一方向移动一定的距离S[m]，就需要消耗一定的功，若推动物理的力为F[N]，则所消耗的功为W=F*S[J],也就是说需要消耗W=F*S的能量才能产生上述效果。
例2：
要使质量为m[kg]的物体从静止状态加速到速度为v[m/s],则要消耗
。
。
。
的能量。
例3：
加热质量为m[kg]的水，使其温度由T1升高到T2，则耗能为,c为水的比热，
。
例4：
移动q[C]电荷跨越电位差U[V]时，要消耗能量。
2、能量不能被创造和消灭
科学史观认为，物质是某种既定的东西，既不能被创造也不能被消灭。
因此，作为物质属性的能量也一样不能创造和消灭。
能量和物质质量之间的关系是爱因斯坦于1992年揭示的，即
式中：
E表示物质释放的能量，J；m为转变为能量的物质的质量，kg；c为光速，3×108m/s。
上述公式表示的是一个可逆过程，其前提是质量和能量的总和在任何能量的转化过程中都必须保持不变。
3、能量的单位
在国际单位制中，能量的单位，功及热量的单位通常都用焦（J）表示，二单位时间所做的功或吸收（释放）的热量则称之为功率，单位为瓦（W）。
因为在能量的转换和使用中焦和瓦的单位都太小，因此更多的是用千焦（kJ），或兆焦（MJ）或兆瓦（MW）。
在能源研究中还会用到更大的单位，如GW,TW等。
能源利用中常用的国家制的词冠见表2-1。
表2-1能源种常用的国际制词冠
幂
词冠
国际代号
中文代号
1018
艾可萨（cxa）
E
爱
1015
拍他（peta）
P
拍
1012
太拉（tera）
T
太
109
吉珈（giga）
G
吉
106
兆（mega）
M
兆
103
千（kilo）
k
千
102
百
h
百
10
十
da
十
二、能量的形式
讨论1：
请大家回忆一下高中物理课程学过的能量的形式。
1、机械能
机械能在物理学中已经有详细的阐述，它包括宏观的动能和势能。
动能：
物体由于运动而具有的能叫动能，它通常被定义成使某物体从静止状态至运动状态所做的功。
它的大小是运动物体的质量和速度平方乘积的二分之一。
势能（位能）：
由于物体在地球重力场中处于一定的位置而具有的能量。
它是用把物体从任一标准平面（通常指海平面）抬升到物体所在位置所需做的功来计算的。
机械能是人类较早认识和利用的能量，如风能、水能等。
2、热能
热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的，因此热能在能量利用中有重要意义。
构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称之为热能。
这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。
通常热能Eq可表述成如下的形式：
3、电能
电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常是由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之电能也可以通过电动机转化为机械能，从而显示出电做功的本领。
如果驱动电子流动的电动势为U，电流强度为I，则其电能Ee可表述为：
4、辐射能
辐射能是物理以电磁波形式发射的能量。
物体会因各种原因发出辐射能，其中从能量利用的角度而言，因热的原因而发出的辐射能（有称热辐射能）是最有意义的，例如地球表面所接受的太阳能就是最重要的热辐射能。
物体的辐射能Er可表示为：
5、化学能
化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。
按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的热力学能称为化学能。
人力利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢，而这两种元素正是煤、石油、天然气、柴薪等燃料中最主要的可燃元素。
燃料燃烧时的化学能通常用燃料的发热值表示。
6、核能
核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。
轻质量的原子核（氘和氚）和重质量的原子（铀等）其核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界中更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。
这种结合能就是核能。
由于原子核内部的运动非常复杂，目前还不能给出核力的完全描述。
但在核聚变和核裂变反映中有所谓的“质量亏损”，这种质量和能量之间的转换完全可以用式
描述。
第二节能源
一、能源的分类
（一）内涵
能源就是能量的来源，是提供能量的资源，这些来源或资源，要么来自物质，要么来自物质的运动，前者如煤炭、石油、天然气等矿物燃料（又称化石燃料），后者如水流、风流、海浪、潮汐等。
（二）分类
1.按地球上的能量来源分
（1）地球本身蕴藏的能源，如核能、地热能等。
（2）来自地球外天体的能源，如太阳能，以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用、化石燃料等。
（3）地球与其他天体相互作用的能源，如潮汐能。
2.按被利用的程度分
（1）常规能源。
（2）新能源。
3.按获得的方法分
（1）一次能源
（2）二次能源
4.按能否再生
（1）可再生能源
（2）非再生能源
5．按能源本身的性质分
（1）含能体能源
（2）过程性能源
6．按是否能作为燃料分
（1）燃料能源
（2）非燃料能源
7.按对环境的污染情况分
（1）清洁能源
（2）非清洁能源。
（三）评价
1.储量
2.能量密度
3.储能的可能性
4.功能的连续性
5.能源的地理分布
6.开发费用和利用能源的设备费用
7.运输费用和损耗
8.能源的可再生性
9.能源的品位
10对环境的影响
二、能源的分布、消费和供应
（一）概述
世界能源资源分布式不均衡的。
例如石油储量最多的地区是中东，占56.8%；天然气和煤炭储量最多的是欧洲，各占54.6%和45%。
亚洲、大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然气都只有5%多一点。
这种能源资源分布的不均衡，给世界的政治、经济格局带来重大影响。
（举例）
请同学查《中国统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》及其他相关年鉴获得如下时间序列数据（1978-2011）：
1）我国能源生产总量及构成
2）我国能源加工转换效率
3）我国分品种能源年消费总量
（二）能源供应与消费
1、煤炭资源、供应与消费
2、石油资源、供应与消费
3、天然气资源、供应与消费
第三章能量相互转化原理
教学目的和要求：
通过本章学习使学生掌握能量转化的原理，包括热力学基础、化学能、热能向化学能的转化、光能向化学能的转化，并了解能的变换的定义及目的、有效能的概念及有效能的损耗。
教学手段：
多媒体教学与黑板教学相结合
教学方法：
案例教学与课堂讲述相结合、理论与实际相结合、启发式教学与课堂讨论相结合。
教学设计：
课时时数：
6学时
课时分配：
教学学时
教学章节
教学重点与难点
备注
第1-3学时
第一、二、三节
热力学基础、化学能、热能向化学能的转化
第4-6学时
第四、五、六节
光能向化学能的转化、能的变换、有效能
作业与思考：
（1）简述能量守恒原理。
（2）简述有效能的概念及有效能的损耗。
主要教学内容
第一节热力学基础
一、能量守恒原理
1、功和内能
各种状态的能之间可以相互转化，在转化工程中，常见的能态有热和功，其中功有机械功、电功、体积功等。
功可以用广义的力（温度差除外）和广义的位移之乘积表示：
热力学把分子内部的能成为内能，这是除物质全体运动所体现的机械能之外的所有其他能态的总成。
内能的绝对值无法确定，因此过程的内能变化情况总是围绕其相对值展开的。
2、热
过程的热可分为嫌热和潜热两种。
体系由于温度升高所储存的热叫显热；当体系处在相变温度（熔点、沸点等）时，如果与环境发生有限量的热交换而温度却无变化，也不做其他功，那么，这有限的热不再是显热而叫相变潜热，或简称潜热。
3、热力学第一定律
热力学第一定律认为，能量是守恒的，即能既不会产生，也不会消灭。
各种物质都有能，能有多种形态，各种能态之间可以相互转化。
但在转化过程中，能的总量不变。
热力学第一定律的数学表达式为：
既然能量是守恒的，那么便永远也造不出一种不消耗能源却源源不断地做出功来的机器（第一永动机）。
二、能量转化的限度
1、卡诺定理
以理想气体为工作物质的可逆卡诺循环，其热效率仅取决于高温及低温两个热源的温度。
以热力学第二定律为基础，可以将之推广为适用于任意可逆循环的普遍结论，称为“卡诺定理”。
卡诺定理是卡诺1824年提出来的，其表述如下：
（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关，与可逆循环的种类也无关。
（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。
2、热力学第二定律
热力学第二定律（secondlawofthermodynamics），认为可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。
热力学第二定律，又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。
热力学第一定律和热力学第二定律都是人来长期经验的总结，已经渗透到几乎所有学科中，并把学科的分支联系了起来。
3、熵
1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。
一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。
在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。
让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：
热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。
克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式：
dS=（dQ/dT）。
三、能量转化的推动力
总所周知，压力差是传递体积功的推动力，温度差是热传递的推动力，但要统一论述广义的推动力，还必须在热力学原理基础上进一步的讨论。
1、吉布斯自由能
吉布斯自由能又叫吉布斯函数，（英Gibbsfreeenergy,GibbsenergyorGibbsfunction;alsoknownasfreeenthalpy）是热力学中一个重要的参量，常用G表示，它的定义是：
G=U−TS+pV=H−TS，
其中U是系统的内能，T是温度，S是熵，p是压强，V是体积，H是焓。
吉布斯自由能的微分形式是：
dG=−SdT+Vdp+μdN，
其中μ是化学势，也就是说每个粒子的平均吉布斯自由能等于化学势。
2、麦克斯韦关系式
麦克斯韦关系式是热力学中的一套方程，可以从热力学势的定义推出。
麦克斯韦关系式是热力学势的二阶导数之间的等式的陈述。
它们可以直接从二元解析函数的高阶导数与求导次序无关的事实推出。
3、化学势
化学势（chemicalpotential），多组分均相系统中，在等温等压并保持系统中其他物质的量都不变的条件下，系统的吉布斯自由能随某一组分的物质的量的变化率。
第二节化学能
化学能的储存密度（即单位质量的能量）是除核能以外最大的。
而且现在的科学技术已能使化学能与其他能态（除核能外）实现相互转换，所以，化学能在目前人类的生产和日常生活中占有特殊重要的地位。
一、化学能的本质
1、化学键能
化学能的本质是原子核与电子之间的静电引力所体现的能。
当两个独立的远在结合在一起形成稳定的双原子分子时，分子所具有的能量比两个独立的原子所具有的能量之和少，即成键时放出一部分能。
反过来，要使该双原子之间的化学键断裂，使两个原子重新成为彼此独立的原子，则必须提供恰等于成键时所放出的能量，这部分能量等于化学键能。
化学能来自化学键能。
2、化学反应的类型
二、化学能的释放
1、化学反应热效应
当体系发生化学变化而不做非体积功时，若使反应产物与反应物的温度相同，此时体系所放出或吸收的热量叫化学反应的热效应。
在等压条件下，热效应Qp等于体系的焓变△H。
化学反映热与温度、压力及物相有关。
因此，当提到化学反应热时，必须指明反映的温度和压力，以及反应物和产物的物相。
例如：
①碳和氧在25.C及105Pa下燃烧生成CO2的反应
△H为负值，表示这是一个放热反应。
②水在105Pa和100.C的条件下蒸发
△H为正值，这是一个吸热反映。
2、盖斯定律
1840年俄国化学家盖斯（Hess，也译作赫斯）在总结大量实验事实（热化学实验数据）的基础上提出在“定压或定容条件下的任意化学反应，在不做其它功时，不论是一步完成的还是几步完成的，其热效应总是相同的（反应热的总值相等）。
”这叫作盖斯定律。
3、生成热和燃烧热
生成热（heatofformation）：
在一定温度和压力下，由最稳定的单质生成1摩尔纯物质的热效应。
现在多称生成焓，因为此生成反应的热效应等于该过程体系焓的增量。
标准状态下（各单质与生成的纯物质皆处于标准状态）的生成焓称为标准生成热（standardheatofformation），现行手册上称为摩尔标准生成焓，简称标准生成焓，用符号△fHθm表示，单位是千焦/摩（KJ/mol）。
如298.15开（即25℃）时金刚石与乙炔（气）的△fHθm分别为+1.896与-226.73千焦/摩。
负值表示放热，即体系的焓减少。
燃烧热（ΔcH0）是指物质与氧气进行燃烧反应时放出的热量。
它一般用单位物质的量、单位质量或单位体积的燃料燃烧时放出的能量计量。
燃烧反应通常是烃类在氧气中燃烧生成二氧化碳、水并放热的反应。
燃烧热可以用弹式量热计测量，也可以直接查表获得反应物、产物的生成焓（ΔfH0）再相减求得。
4、化学反应热与温度
在定压条件下，同一化学反应分别在两个不同温度T1和T2时的热效应一般不同。
如果已知某化学反应在T1时的反应热△H1，可用基尔霍夫方程式求得反应在相同压力和温度为T2时的反应热△H2
5、电化学反应
属于电化学范畴的化学反应。
电化学是有关电与化学变化关系的一个化学分支。
电化学是边缘学科，是多领域的跨学科。
对“电化学”，古老的定义认为它是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。
以后Bockris下了定义，认为是“研究带电界面上所发生现象的科学[1]”。
当代电化学领域已经比Bockris定义的范围又拓宽了许多。
实际上还有学者认为电化学领域更宽。
如日本的学者小泽昭弥则认为，电化学涵盖了电子（以电子的得失为主）、离子和量子的流动现象的所有领域，它横跨了理学和工学两大方面，从而可将光化学、磁学、电子学等收入版图之中。
若从宏观和微观两个反应与电的关系的科学”。
三、化学能转化的限度
1、化学势对浓度的依赖关系
2、标准吉布斯自由能变化
3、标准生成吉布斯自由能
第三节热能向化学能的转化
将热能变换成化学能，主要目的在于能量的储存和输送。
例如，将高温气冷核反应堆（HTGR）所输出的1000.C左右的热能通过循环化学的方式分解水制氢，于是，热能变换成氢的化学能，通过管道或金属氢化物的形式输往各地。
由于氢是未来代替石油、煤和天然气的理想“清洁”的二次能源，所以，通过上述变换便能达到能的合理利用的目的。
一、化学热管
人能与化学能之间的相互变换的另一种形式是所谓的化学热管（Chemicalheatpipe）,即利用可逆反应，经过吸热反应将热源的热能变成生成物的化学能，通过管道进行远距离输送。
到达目的地后，再通过可逆的放热反应将热能取出来加以利用。
取出热能后的物质再用管道反输回去继续使用。
例如：
（1）高温气冷堆的热输送
（2）太阳能的储存和利用
二、化学热泵
上述化学热管，由于过程熵的增加的降低，使得能的品位有所降低。
能的品位降低也是能的损耗的一种表现。
利用化学热泵（Chemicalheatpump）可使传递的一部分热能的温度得以提高，因而使能量得到更为合理的利用。
例如：
（1）如果将低温热源用于分离操作，以分离代替吸热的你反应，正反应为放热反应，便有可能得到较高温度的热。
（2）用低温热源的热使硝酸减压整流分离，分离后的硝酸加水时，由于水合热的作用可以得到比热源温度高的温度。
这种方法可将温度由28.C升至46.C。
第四节光能向化学能的转化
一、概述
光由光量子组成，一个光量子所有的能量可用公式表示为
太阳投向地球的光能，目前大部分没有被利用，而是反射或散射到宇宙空间中去了，被固定下来的只是很小的一部分。
在这很小的一部分中，以热的形式固定下来的太阳能占了很大的比重。
它使水蒸发，
升级会员 