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4、简述:
我国地热能资源的分布特点及类型;
中国地热资源分布带有哪7个?
5、地热能直接利用有哪几种形式?
6、简述:
二种地热水发电的基本原理。
第七章后续能源技术
1、核能的概念;
简述核裂变与核聚变的基本原理;
2、简述核反应堆的分类;
3、氢的制造技术有哪些?
简述其原理;
4、还有哪些后续能源新技术?
5、什么是天然气水合物?
目前天然气水合物的开采技术有哪5种?
各章内容简要
第一节新能源和可再生能源的含义、能源分类
一、新能源和可再生能源的含义
(一)能源:
可以从其中获得能量(如热、光、动力)的资源。
(二)新能源和可再生能源(NRSE,NewandRenewableSourcesofEnergy):
1981年8月10-21日,“联合国新能源与可再生能源会议”:
以新技术和新材料为基础,使传统的可再生能源得到现代化的利用,用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代资源有限、对环境有污染的化石能源,重点在于开发太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能等;
在我国,习惯性称“新能源”,主要指:
除常规能源和大型水力发电之外的生物质能、风能、太阳能、小水电、海洋能、地热能、氢能等能源资源。
“新能源”对应“传统能源”。
二、能源分类
(一)按照能源来源分类
1、来自太阳的能源
广义上讲,太阳辐射(光热和光伏)、化石能源、生物质能、风能、水能、海洋波力能等,除地热能、核能、潮汐能等外,几乎所有的能源都属于此类。
2、地球本身蕴藏的能源
主要包括:
地热能和原子核能。
地下10km深度地热总量相当于全球能源年消费量的400多万倍。
核裂变(核电站)与核聚变(全超导托克马克/人造小太阳/EAST)
3、地球和月球、太阳等天体之间有规律的运动及相对位置的变化所形成的能源
主要指潮汐能。
(二)按能源形成的条件分
1、一次能源
自然界中现成存在,没有经过加工或转换的能源资源。
如:
煤、石油、天然气、水能、太阳能、风能、薪柴等。
2、二次能源
由一次能源经过加工或转换的能源产品。
电力、煤气、石油制品、蒸汽、焦炭等。
(三)按能源的使用消耗分类
1、可再生能源
指自然界中不会随本身的转化或人类的利用而日益减少,并且有规律的得到补充(再生)的能源。
风能、水能、生物质能等。
2、不可再生能源
经过地球地质变化亿万年形成的、使用后不断减少、短期内无法恢复的能源。
如:
石油、煤炭、天然气等化石能源,核能等。
(四)按能源利用的技术状况(成熟度)分类
1、常规能源
一定历史时期和科技水平下,被人们广泛应用的能源。
煤炭、石油、天然气、电力等。
2、新能源
对古老的能源采用先进的方法加以广泛利用,以及用新发展的先进技术而得以利用的能源。
太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、核能、海洋能、天然气水合物等。
(五)按能源使用性能分类
1、燃料能源
煤、石油、天然气、煤气、生物质、沼气、酒精、氢能、核燃料等。
2、非燃料能源
太阳能、风能、水能、地热、电力等。
(六)按能源在经济流通领域中的地位
1、商品能源
进入市场,在国内、国际市场上买卖的能源。
煤炭、石油及其制品、焦炭、电力等。
2、非商品能源
没有进入市场流通或流通规模很小的能源。
秸秆、薪柴、牲畜粪便等生物质能,可燃冰、太阳能光伏、小水电等。
(七)按照存储介质形态分类
气态(天然气、沼气、氢气、生物质裂解气、风能等)、液态(水能、海洋能、石油及其精加工油品、生物柴油、燃料乙醇、二甲醚等)、固态(煤炭、薪柴、秸秆、焦炭、垃圾、天然气水合物、核能等)、其他形态(太阳能辐射、电力等。
)
目前能源利用的最直接形式(或者说各种能源转化的最终方向):
热能、电能和机械能。
第二节新能源和可再生能源的利用状况
主要是指对太阳能、生物质能、风能、水力发电、海洋能、地热能等采取现代新技术、高层次、多渠道、多功能、高效的开发互补利用。
国际上主要经历了3个阶段:
1、20世纪70年代(1973年10月,中东战争爆发,能源危机)以来;
2、20世纪80年代以来;
3、21世纪:
据预测,至21世纪中叶,可能生能源将占到全球能源消费总量的50%。
我国2005年2月28日,十届全国人大第十四次会议通过《可再生能源法》,2006年1月1日起施行。
3万亿新能源振兴计划、节能家电补贴、太阳能屋顶计划、太阳能行动计划…
太阳能、生物质能、风能、水力发电、地热能等利用现状及发展趋势:
利用现状较为局限(规模小、技术不成熟、经济成本及资源量限制等)、发展前景非常广阔(国家支持、人心所向、有望解决能源与环境问题、解决人类发展与资源消耗的矛盾、形成全球经济新增长点等)!
第一章太阳能
第一节太阳辐射及其测量
一、太阳能利用概述
太阳能量来源:
核聚变反应H·
H→He;
太阳辐射到地球的能量:
2.5亿桶(158.98L,128-142kg)石油/天;
500万t标煤/s;
风能、水能、海洋能、生物质能、化石燃料等几乎所有的能源均来自太阳;
我国太阳能资源丰富,陆地每年辐射总量3.3×
103-8.4×
106kJ/(m2·
年),相当于2.4×
104亿t标煤,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h,日照在5×
年)以上;
丰富地区:
大兴安岭向西南,经北京西侧,兰州,昆明再折向北到西藏南部,这一条线以西、以北广大地区;
二、太阳能的特点
1、取之不尽、用之不竭;
从地球诞生起,太阳已向地球提供能源47亿年,太阳寿命还可有60亿年。
2、清洁、无污染;
不会造成环境污染,不影响生态平衡。
3、太阳能能量密度低,并且受地区、昼夜、气候等自然条件限制;
即便是晴天中午,每平方米太阳能最多仅1kW。
三、太阳对地球的辐射
1、太阳常数
指的是地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位面积上每秒所接受的太阳辐射能量强度。
太阳可视为一个温度为5762K的黑体,经长期实测与推算,太阳常数为1353w/m2。
2、大气质量
到达地面的太阳辐射受大气层厚度的影响,大气层越厚对太阳辐射的吸收、散射、反射越严重,到达地面的辐射能量就越少;
而太阳辐射穿过大气层路径的长短与太阳辐射方向有关。
3、太阳辐射在大气层中的衰减
各种气体(臭氧、温室气体、水汽等)、尘埃等对太阳辐射的吸收、反射、散射。
太阳辐射能够到达地面的是很少一部分,波长范围在0.29-2.5µ
m,占太阳辐射能量的95%,其中紫外区(0.3-0.4µ
m)能量很少,可见光区(0.4-0.76µ
m)和红外区(0.76-2.5µ
m)各占50%。
太阳辐射强度的峰值随太阳高度减少向长波方向移动(红移),因此日出和日落时太阳光呈橘(暗)红色。
4、到达地面太阳辐射(日射)的强度
直射(直接接受且方向没有改变)+散射(反射和散射,来自半球天空各个方向)
四、太阳辐射的测量
太阳直射强度:
太阳光垂直的表面上单位面积单位时间内所接收到的太阳辐射能。
总辐射强度:
水平面上单位面积单位时间内所接收到的来自整个半球形天空的太阳辐射能总和,包括直射和散射。
太阳直射仪和太阳总辐射仪。
第二节太阳能集热器
太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并转化为热量向工质传热的基本部件。
一、平板型太阳能集热器
(一)概述
平板型集热器属于非聚光型太阳能集热器,特点是:
直接采集自然光,其采光面积=集热面积=散热面积,因此,一般集热温度较低(小于100℃)。
1、分类(以工质种类不同):
(1)热水器:
工质为液体(一般为水);
(2)空气集热器:
工质为气体(常为空气);
2、特点(相对于聚光型)
(1)整体结构简单,不许跟踪;
(2)可同时利用直射辐射和散射辐射;
(3)接受副照度较低,故工质温度较低;
(4)成本较低,使用方便,安全可靠。
3、应用范围
原则上温度低于100℃的环境都可应用。
(1)供给热水;
(生活、工业)
(2)工农业生产方面;
(干燥、养鱼、温室加温等)
(3)采暖、空调与制冷;
(室内采暖、泳池加温等)
(二)工作原理、结构和温度分级
1、工作原理:
“热箱”原理。
2、基本结构:
由“集热板、透明盖板、隔热层、外壳(支架)”四部分组成
(1)集热器应符合特性:
①吸收表面的阳光热吸收率高,热辐射率低(无光黑板漆涂层+少量炭黑);
②传热结构设计合理,热效率高;
③具有良好的耐候性和耐热性,适合长期自然环境下使用;
④对集热介质具有良好的耐腐蚀性;
⑤加工工艺简单;
⑥省材料,价格便宜。
(2)透明盖板应具备的特性:
①阳光透过率高,吸收率和反射率低;
②对热辐射具有低的透过率;
③具有较强的机械强度,能够抵御风雪载荷及小规模的意外撞击;
④不透水;
⑤对环境中腐蚀性气体、雨水等具备一定的耐受能力;
⑥长期暴露在自然环境中,上述特性无严重恶化。
(透明玻璃或塑料)
(3)隔热层应具备特性:
①材料导热系数低;
②工作温度超过200℃;
③浸水或受自然环境作用后,
无有毒、有害物质泄露。
(4)外壳(支架)应具备特性:
①良好的机械强度;
②良好的腐蚀性和耐天后性;
3、温度分级
(四)平板型太阳能集热器的板型结构
1、管板式
2、管式
3、扁盒式
二、聚光型太阳能集热器
特点是:
太阳能利用效率更高,能量密度高,吸收器尺寸小,热损低。
(一)聚光型太阳能集热器的构成:
聚光器、吸收器、跟踪系统。
(二)聚光系统的分类
1、根据所使用光学系统分
①抛物面/球形聚光器,反射系统;
②菲涅尔透镜,折射系统;
2、根据焦斑形状分类
①一维聚光(线聚焦)系统;
②二维聚光(点聚焦)系统;
第三节太阳能热水器
一、概述
太阳能热水器是现实的、比较经济的,并且已经得到广泛应用的太阳能热利用装置。
1929年,美国加利福尼亚州最早使用;
20世纪40年代中期,澳大利亚、以色列、日本等能源短缺国家广泛使用;
目前,太阳能热水器已在全球范围内得到普遍关注与大规模应用。
二、太阳能热水器的类型及系统
根据流动方式而言,分为三类:
循环式、直流式和整体式。
(一)循环式
自然循环式和强制循环式。
1、自然循环式:
动力来源为“温差压头”。
优点:
结构简单、运行可靠且控制不需要外来能源;
缺点:
蓄水箱必须置于上方;
不适用于大型装置;
要求良好保温;
2、自然循环定温放水式
原理:
在自然循环基础上增加电磁控制阀,当温度达到设定温度时,热水自动流入贮水箱。
3、强制循环式
当集热器底部与底部温差达到一定值时,采用水泵强制循环,适用于大型热水系统,例如太阳能集中供热系统。
(二)直流式(一次式)
1、热虹吸式
补水箱水位由球阀控制,
阳光照射形成温度压头。
2、定温放水型
增加电磁控制阀,根据出口温度来控制调节流量。
直流式优点:
不需要水泵(仍靠自然循环),但可避免自然循环缺点(水箱必须位于上方、不适用于大型装置等)。
(三)整体式
特点:
集热器与蓄水箱合二为一。
分类:
开放式、塑料薄膜袋式、闷晒式(圆筒式、方箱式)。
三、真空管太阳能热水器
具有中国特色的太阳能热水器。
(一)类型和结构
类型:
全玻璃真空管太阳集热管和玻璃-金属结构真空太阳集热管。
1、全玻璃真空管太阳集热管:
“拉长的暖水瓶”。
2、玻璃-金属结构太阳集热管:
美国康宁(Corning)公司、日本三洋、(Sanyo)公司、原联邦德国Pring公司、荷兰菲利浦(Philips)公司。
原理:
具有选择性吸收层的翅片紧贴金属管,金属管与玻璃真空熔封。
(二)材料与工艺流程概述
1、玻璃要求:
透光性好,SiO2和B2O3含量超过90%的高硼硅玻璃;
热膨胀系数低、耐热冲击;
具有较强的机械强度。
δ=2.2mm、λ=0.3-2.5µ
m时,τ=87.5%
2、选择性涂层材料
要求:
不破坏真空、耐高温(400℃以上)、吸收率高(大于90%)。
蓝黑色、紫黑色、黑色均可。
工艺:
磁控溅射工艺。
目前我国大部分企业采用“铝-氮/铝选择性吸收涂层”,少数企业采用“不锈钢-碳/铝选择性吸收涂层”。
四、太阳能热水器的防冻措施
①结冰季节排空,系统不工作;
②设置自动排空装置;
③覆盖防冻材料;
④强制循环采用“落水”方法;
⑤复合回路系统;
⑥采用热管式平板集热器;
第四节太阳能的热贮存
解决地表太阳能受昼夜和季节变化以及天气等随机因素的影响具有的不稳定性、不均匀性。
根据存贮时间长短,分为:
短期热存贮:
贮热时间16h左右,调整1d内热量供给与消费的不平衡;
中期热存贮:
贮热时间3-5d(最多1周),满足阴雨天热负荷需要;
长期热存贮:
贮热时间1个月甚至跨季度几个月,为了调整季度间热量供给和消费之间的不平衡。
根据贮热原理不同,分为:
显热贮热、潜热贮热和化学贮热。
显热
物体在加热或冷却过程中,温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量,称为“显热”。
它能使人们有明显的冷热变化感觉,通常可用温度计测量出来。
(如将水从20℃的升高到80℃所吸收到的热量,就叫显热。
潜热物质发生相变(物态变化),在温度不发生变化时吸收或放出的热量叫作“潜热”。
物质由低能状态转变为高能状态时吸收潜热,反之则放出潜热。
例如,液体沸腾时吸收的潜热一部分用来克服分子间的引力,另一部分用来在膨胀过程中反抗大气压强做功。
熔解热、汽化热、升华热都是潜热。
潜热的量值常常用每单位质量的物质或用每摩尔物质在相变时所吸收或放出的热量来表示。
一、显热贮存
原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉、实际使用较为普遍。
当对蓄热介质加热时,其温度升高,内能增加,从而将热能以显热的形式贮存起来;
分类(存贮介质不同):
液体显热贮热和固体显热贮热;
单介质(液体,水)和双介质(固体,岩石)。
低温范围内,显热贮热的液体材料较好,若固体以砂、石较为适宜;
当温度较高时,可视情况选用石块、卵石或无机氧化物材料。
(一)液体显热贮热
低温贮热,水为介质(经济,既是载体,又是介质);
1、贮热水箱
2、地下含水层蓄热
通过井孔将温度高于含水层原有温度的热水灌入地下含水层,利用含水层作为贮热介质来贮存热量,待需要时再抽取使用。
可大规模跨季度贮热,贮热温度可达150-200℃,能量回收率达70%,主要有单井贮热和双井贮热两种。
也可用于夏季制冷(空调)。
3、太阳池(热池)
水温4℃后密度随温度升高而减小,从而引起热损。
采取一定的技术尽量减少或防止吸收到的热量散失掉的水池就是现代意义的太阳池。
分为对流式太阳池和非对流式太阳池。
①覆盖透明膜或玻璃降低热损。
②充满水的塑料管组成,长窄的塑料袋,顶部透明,袋底黑色。
非对流式太阳池中溶有NaCl或MgCl,利用盐溶液浓度梯度形成池底温度大于表面。
4、太阳能泳池
环境条件适合时,适宜的游泳水温为26℃。
太阳能泳池有两大类方法:
①主动式:
水经过平板型太阳能热水器,加温后排入泳池;
或使泳池水在太阳光照条件下通过地面涂黑的通道流过,水温即可上升2℃左右;
②不需外界动力:
将泳池建在室内(温室),水温、气温均可升高;
法国人发明了一种方法,将透明的塑料小气泡投入池中,形成透明盖层。
(二)固体显热贮热
液体贮热具有经济、设备简单、低温效果好的优点,但高温段(100℃以上)其缺点明显:
加压防止气化、设备要求较高。
固体介质贮热在岩石等资源丰富地区,成本低廉,使用方便。
3种方式:
石块床贮热、被动式太阳房墙体贮热和地下土壤贮热。
地下土壤贮热,当输热管插入土壤深度25m以上时,蓄热效率可达75%以上。
二、潜热贮热
利用物质相变时需要吸收(或放出)大量热量的性质来实现贮热和放热,又称为相变贮热或溶解贮热。
液→→气;
固→→气;
固→→液;
优点:
蓄能密度高(几百至几千千焦)、温度波动小(2-3℃);
材料多为水合盐类(无机盐水合物)和有机化合物。
(一)水合盐类贮热
贮能密度多在120-300kJ/kg,与冰的溶解潜热相当。
常用Na2SO4·
10H2O。
(二)有机化合物贮热
常用碳氢化合物(石蜡)、某些聚合物(塑料)、天然生成的有机酸(CnH2n+2)等。
三、化学贮热
利用可逆的热化学反应贮热:
AB+热﹤﹦﹥A+B。
常用的有:
4KO2+热﹤﹦﹥2K2O+3O2300-800℃,2.1MJ/kg
2PbO2+热﹤﹦﹥PbO+O2300-350℃,0.26MJ/kg
Mg(OH)2+热﹤﹦﹥MgO+H2O375℃,1.3MJ/kg
Ca(OH)2+热﹤﹦﹥CaO+H2O550℃
四、长期贮热
常采用地下土壤贮热、地下含水层贮热、岩石井孔贮热等。
第五节太阳房
一、太阳房概述
是一种集取、蓄存和分配太阳能的建筑。
分为:
被动式太阳房和主动式太阳房。
被动式太阳房:
温室,偿还年限短、供暖效果好,易与传统建筑相结合,目前应用较为广泛;
主动式太阳房:
热泵,供暖、制冷和空调相结合。
集热、贮热、保温是太阳房中三个重要环节,缺一不可。
二、太阳房的分类和构造
(一)主动式太阳房
组成:
太阳能集热器、贮能装置、供暖房间及相关设备;
备用系统(辅助热源)
(二)被动式太阳房
不需要专门的太阳能集热器、热交换器、水泵(或风机)等主动式太阳房所需不见,而是利用建筑物本身作为集热装置,依靠建筑物方位的合理布置,提高建筑物的门、窗、屋顶等构件,以自然热交换方式(辐射、传导、对流)使建筑物在冬季尽可能地多吸收和贮存热量,以达到供暖的目的。
分类:
①直接收益式;
②集热蓄热墙式;
③附加温室式;
④屋顶集热蓄热式;
⑤热虹吸式。
三、太阳房的基本热工参数(略)
四、被动式太阳房设计
(一)建房位置的选择
1、与周围环境相协调,注意周围环境对太阳能建筑及装置的不良影响;
2、供暖为主要目的的太阳房,应考虑东至9:
00-15:
00阳光尽量照射;
3、注意当地气候、气象环境的变化特点(风等)。
(二)太阳房的形状和方位
1、平面形状:
矩形设置;
2、北方地区“坐北朝南,冬暖夏凉”;
华北可朝南偏东(8°
-10°
)避西。
(三)太阳房构件的设计
1、窗的设计:
采光、通风之外,考虑热工性能(集热,热损等);
a、朝南;
b、采用双层中空玻璃;
与单层相比,传热系数由21kJ/(m2·
h·
℃)下降到9.61kJ/(m2·
℃),但太阳辐射透过率由0.9减小到0.81.
2、遮阳与日照间距
主要考虑夏天遮阳、冬天采暖,以及前方(南面)建筑物遮挡;
房檐长度一般根据夏至和东至日正午太阳直射角度计算;
3、外围结构最佳隔热层厚度的确定
一般当室内外温差为20℃时,单位供暖面积的最大热损失控制在126-251kJ/(m2·
h·
℃);
隔热层厚度应根据年供暖成本与年保温成本之和的年总费用取最小值时的厚度确定。
4、集热蓄热墙上、下风口面积的确定
根据房屋用途确定,一般取集热墙面积的1%-3%,居室取下限;
无论风口面积大小,都要注意防止夜间室内气流倒流,以减少室内热损。
(四)太阳房的层高与建筑进深
一般要求不低于2.8m,进深不超过层高的2.5倍(7m以内)。
可获得比较满意的节能率。
(五)太阳房的蓄热和出入口的防冷风渗透措施
1、太阳房的蓄热
要求建筑材料(地级、墙体、屋顶等)具有较高的体积热容和导热系数,常用砖石和混凝土结构,地面适当加厚,铺设防潮材料(油毡或塑料薄膜),再铺150-200mm干炉渣或80mm1:
8水泥膨胀珍珠岩保暖,再铺300-400mm毛石、卵石等来贮热,表面按常规处理;
2、太阳房出入口的防冷风渗透措施
(1)设置门斗;
(2)出入口设阳光间;
(3)增设冬季使用的辅助出入口;
第六节太阳能干燥技术
太阳能干燥是指利用太阳辐射能,利用太阳能干燥装置,所进行的干燥作业。
一般农产品要求的干燥温度在40-70℃,与太阳能热利用领域中低温热利用相匹配;
太阳能干燥系统设备简单、投资少,节省燃料、避免污染,经济效益显著。
一、干燥的基础知识(自学)
二、太阳能干燥系统及应用
(一)特点
1、节省常规能源:
蒸发1kg水分,约需2466.2kJ热量;
2、缩短干燥时间:
表1-9太阳能干燥与传统自然干燥的干燥速度比较
3、提高产品质量
(二)温室干燥系统
受结构限制,干燥室单位容积所占采光面积较小,因此,接受太阳辐射量较小,不宜用来干燥含水量大且要求干燥周期短的物料。
(三)集热器型干燥系统
适宜干燥不允许直接接收阳光暴晒,或干燥温度要求较高的物料;
将集热器和干燥室分开,利用太阳能和空气集热器加热空气,被加热的空气由风机送到干燥室,与待干燥物料之间产生对流热交换,从而达到干燥的目的。
(四)温室—集热器组合式太阳能干燥系统
解决干燥周期短与干燥用热量大的矛盾,适用于含水量大、干燥时间短物料干燥要求,例如鱼、水果干燥等。
第七节太阳电池基本知识及应用
一、太阳电池的基本原理
二、硅太阳电池
是目前世界上使用最广泛的太阳电池,根据硅材料晶体结构区分,有单晶、多晶和非晶硅三种,晶体硅太阳电池占全球市场约90%。
(一)单晶硅太阳电池
1、单晶硅太阳电池的制造
石英砂→熔融C还原→冶金硅(纯度98%-99%)→氯化(Cl2或HCl)硅→氢气还原→多晶硅(99.999%-99.9999%)→拉制单晶硅棒→切片(300µ
m)→清洗表面杂质→去除切割损伤→制作p-n结→表面处理→产品制作
2、单晶硅太阳电池的性能
目前国产产品光电转换效率通常为13%-15%,国外较好产品为14%-16%
(二)多晶硅太阳电池
多晶硅材料是由多个不同取向的单晶晶粒组成,影响其性能的主要因素
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