第5次课-第4章新能源与可再生能源-(4.3-4.8)

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4.3 风能
风能就是空气的动能，是指风所负载的能量。 风能的大小决定于风速和空气的密度。
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什么是风？
地球上和大气中，各处接收到的太阳辐射能和 放出的长波辐射能是不同的，因此在各处的温 度也不同，这就造成了气压的差别。大气便由 气压高的地方向气压低的地方流动。水平方向 的大气流动就是风。
风的能量也是由太阳辐射能转化来的。
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2000-2008年中国累计风电装机容量变化趋势
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风能发电的原理
• 利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋 转的速度提升，来促使发电机发电。 • 小型风力发电系统组成：风力发电机＋充电器＋ 数字逆变器。 • 风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
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各部分功能为： 叶片用来接受风力并通过机头转为电能； 尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的
风能； 转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的
功能； 机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生
电能。
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4.4 核能 一、概述
1896年法国物理学家贝可勒尔发现铀天然放射性。
两方面应用： 和平利用：核电站 （X射线检测等） 武器：核武器
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≥5000 5000～4000 4000～2000 ≤2000
占全国面积（%） 8
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二、风能的利用 发展情况 风车：我国历史悠久（3000年商代；荷兰） 帆船：我国历史久远（3000年商代） 风力发电：19世纪末，丹麦人
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风能主要是风力发电上。 风力发电优点： 1. 洁净； 2. 建造风力发电场费用低； 3. 无燃料问题；
第四章 新能源与可再生能源
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主要内容：
4.3 风能 4.4 核能 4.5 氢能 4.6 海洋能 4.7 地热能 4.8 生物质能
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•本次课主要内容
4.3 风能 讲述风能的基本含义； 风能资源； 风力发电的基本原理； 4.4 核能 什么是核能？核能的利用方法有哪些？ 核能发电的方式和原理。
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（2）反应堆：实现大规模可控核裂变链式反 应的装置。
（3）动力堆：可获得动力的反应堆装置。 轻水堆、重水堆、气冷堆、快中子增殖堆 轻水堆是最主要的堆型，有两种型式（沸
水堆和压水堆）。 ①沸水堆：作为冷却剂的水在堆中沸腾。 ②压水堆：反应堆中压力高，冷却剂水的出
口温度低于相应压力下的饱和温度，不沸 腾，故称压水堆。
氢能主要优点：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的 热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5 倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。
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氢121061焦耳/克； 甲烷仅为50054焦耳/克； 汽油为44467焦耳/克； 甲醇为20254焦耳/克； 煤和生物质为20238焦耳/克。
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•本次课主要内容
4.5 氢能 什么是氢能？氢能的利用途径有哪些？氢能特点。 燃料电池的基本原理是什么？ 4.6 海洋能 什么是海洋能？海洋能的利用方式有哪些？ 海洋能发电的基本原理是什么？ 4.7 地热能 地热能的形式有哪几类？地热能的利用形式有哪些？ 地热发电的基本原理是什么？ 4.8 生物质能 什么是生物质能？生物质能的利用方式有哪些？ 生物质发电的基本原理是什么？
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二、核能利用 核聚变、核裂变 1、核聚变 热核反应，氘和氚在一定条件下，聚合成一
个较重的结合能较大的原子核，同时释放巨 大的热量。 局部高温。
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氢的同位素，如氚（3H）的原子核在一定 条件下也可以聚合成氦（He）原子核，同 时放出能量，这种核聚变反应放出的核能称 为“聚变能”。
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核电站的工作原理
我们知道重核裂变时可释放出巨大的核能， 而且我们已经掌握了控制裂变链式反应速度 的方法.利用核能发电的电站叫做核电站.目 前已建成的核电站都是利用重核裂变的链式 反应释放的能量来发电的.
核电站的核心是核反应堆，世界上第一座铀 核链式反应堆是在物理学家费米领导下于 1942年12月在美国芝加哥大学体育场建成的.
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★ ★ 核电发展
2007年世界有核电国家和地区核电装机容量
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2006年
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4.5 氢能
氢能是氢的化学能。 氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。 氢构成了宇宙质量的75%。 氢气必须从水、化石燃料、植物等含氢物质中制
得，是二次能源。
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工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、 煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制 氢、生物质制氢等。
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一、风能资源
据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化 为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能 约为2.74×109MW，其中可利用风能为 2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还 要大10倍。
我国风能资源较丰富，全国风能密度100W／m2， 风能资源总储量约1.6×105MW；
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目前的核电站中，大多数使用的是轻水堆。 铀-235和铀-238都是铀的同位素，它们的原子核都会裂
变，但铀-235有其独特的裂变方式，当中子撞击其原子 核时，原子核会分裂成重量几乎相等的两部分，而铀238却不具备上述裂变方式，所以不能用作轻水堆的燃料。 轻水堆是热中子堆（或称慢中子堆），主要利用铀-235 作为裂变燃料,而铀-235只占天然铀的0.7%左右。对压水 堆来说，烧一次只能烧掉核燃料（即投入铀资源）的 0.45%左右,剩下的99%还是烧不掉,其中主要是铀-238。 为了解决上述问题，使铀资源得到充分利用，开发研究快 中子反应堆，简称“快堆”。
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制氢途径
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储氢
氢气储存有物理和化学法两大类。物理法主要 有：液氢储存、高压氢气储存、玻璃微球储存、 地下岩洞储存、活性炭吸附储存、碳纳米管储 存（也包含部分的化学吸附储存）。化学法主 要有：金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、 无机物储存、氧化铁吸附储存。
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氢能的利用
1. 冶金业中，用氢气作为还原剂将金属氧化物还原为金属，在金属高 温加工过程中可以作为保护气；
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★快中子增殖反应堆
快堆特点： 运行时一方面消耗裂变燃料（铀-235或钚-239等），同
时又生产出裂变燃料(钚-239等)，而且产大于耗，真正消 耗的是在热中子反应堆中不大能利用的、且在天然铀中占 99.2%以上的铀-238,铀-238吸收中子后变成钚-239。 在快堆中，裂变燃料越烧越多，得到了增殖，故快堆的全 名为快中子增殖反应堆。
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1996-2007年全球累计装机容量变化趋势
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三、我国风能利用情况 中国现代风力发电机技术的开发利用始于20世纪
70年代，大风力发电技术的应用起始于20世纪80 年代，风力发电技术的商业化发展则是90年代初 期。 2004年全国在建项目的装机容量约150万千 瓦。
2005年底并网风力发电装机容量，名列世界第十， 亚洲第三。
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1. 快堆不用铀-235，而用钚-239作燃料。 2. 在堆心燃料钚-239的外围再生区里放置铀-238（占天然铀中
99.2%以上），钚-239产生裂变反应时放出来的快中子，被 装在外围再生区的铀-238吸收，铀-238就会很快变成钚-239。 这样，钚-239裂变，在产生能量的同时，又不断地将铀-238 变成可用燃料钚-239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料 越烧越多，快速增殖，所以这种反应堆又称“快速增殖堆”。 3. 快中子反应堆则使用一种效率较低的冷却剂,例如液态钠,来让 这些中子保持高能量状态。虽然这些快中子并不擅长引发裂变, 但它们却带来了一个额外的好处:它们能够轻而易举地被同位 素铀238俘获,然后,将铀238变成钚239。有些反应堆是专为 这个目的而设计的,以便使钚的产量最大化,然后将钚作为燃料 使用,
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一个铀２３５原子核在吸收了一个能量适中的中 子后，这个原子核由于内部不稳定而分裂成两个 或多个质量较小的原子核（称为裂变碎片），这 种现象叫做核裂变。每次核裂变可释放出约２０ ０兆电子伏能量和２～３个新的中子。只要条件 适当，这些新的中子就可以使其他的原子核发生 新的裂变，释放出更多的中子，从而使核裂变反 应持续进行下去，形成所谓的链式裂变反应，使 原子核内的能量被源源不断地释放出来，这就是 核裂变能，也就是核能。
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2、核裂变 （1）链式反应：铀核裂变时可产生2-3个中
子，这些中子又轰击其他铀核，产生更多的 反应，引起一连串的裂变反应。 可通过控制中子数方法控制反应，用吸收中 子的材料制成控制棒，移动控制棒来控制。
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如图， 235U原子核在裂变后生成裂变碎片并同 时放出2～3个中子，如果新产生的中子能够轰击其 它的235U原子核并导致新的核 裂变，裂变反应就 可以不断持续下去，我们将这个过程形象地称作 “链式反应”,在不断的链式反应下，核能被源源不 断地释放出来。
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核电站工作原理
汽轮机带动发电机发电：通过两个回路的不 断循环，把核反应堆中铀核裂变释放的核能， 源源不断地转化成第二回路中水的内能，去 推动汽轮发电机发电，转化成我们所需要的 电能.这就是核电站的工作原理.
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压水堆原理示意图
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广东岭澳核电站
广州大亚湾核电站是 我国大陆第一座大型 商用核电站
2. 航天业上，氢气是作为高能燃料使用，可以使用于飞机、汽车； 3.炼油业中，石脑油、燃料油、粗柴油、重油等加氢炼制得到质量更
好的油产品； 4.合成氨工业中，氢气是重要的合成原料之一； 5.食品工业中，食用的色拉油就是对植物油进行加氢处理的产物，植
物油加氢处理后，性能稳定、易存放，且有抵抗细菌生长、易被人 体吸收之功效； 6.电子工业中，氢气用做保护气，如电子管、显像管等制备过程； 7.分析测试中，氢气可作为标准气； 8.燃料电池。