第一章绪论-2010

按能源本身的性质分
• 含能体能源（燃料能源），如石油、煤、 含能体能源（燃料能源），如石油、 ），如石油 天然气、地热、氢等， 天然气、地热、氢等，它们可以直接储 存； • 过程性能源（非燃料能源），它们无法 过程性能源（非燃料能源），它们无法 ）， 直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、 直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、 波浪、火山爆发、雷电、 波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般 热能等。 热能等。
能源与人类文明
能源更迭与社会发展
• 人类利用能源的历史，也就是人类认识 人类利用能源的历史， 和征服自然的历史。 和征服自然的历史。 (1)火的发现和利用 火的发现和利用 (2)畜力、风力、水力等自然动力的利用 畜力、 畜力 风力、 (3)化石燃料的开发和热的利用 化石燃料的开发和热的利用 (4)电的发现及开发利用 电的发现及开发利用 (5)核能的发现及开发利用 核能的发现及开发利用
开发费用和利用能源的设备费用
• 太阳能、风能等不花费任何成本就能得到。各 太阳能、风能等不花费任何成本就能得到。 种化石燃料与核燃料从勘探、 种化石燃料与核燃料从勘探、开采到加工都需 要人力和物力的投资。根据目前的技术水平， 要人力和物力的投资。根据目前的技术水平， 太阳能、风能、 太阳能、风能、海洋能等发电设备的单价每千 瓦几千元到上万元，初投资太大， 瓦几千元到上万元，初投资太大，资金周转太 慢；而烧天然气和石油装置的价格只有前者的 几十分之一，初投资便宜。 几十分之一，初投资便宜。用煤和水力的发电 设备，单价每千瓦为几百元到1000元，也比 设备，单价每千瓦为几百元到 元 太阳能、风能等便宜。 太阳能、风能等便宜。
运输费用与损耗
• 太阳能、风能和地热等能源很难输送出去，石 油和天然气可以很方便地从产地输送到用户， 运煤要困难一些。水力发电如果与用户离得太 远，按目前技术水平远距离输电线路损耗也不 小，是投资较大的一项基建工程。核燃料的运 输很容易，因为它的能流密度很大，发同样功 率的电能核燃料占的体积和重量都很小。
• 机械能是与物体宏观机械运动或空间状 态相关的能量，前者称之为动能， 态相关的能量，前者称之为动能，后者 称之为势能。 称之为势能。
机械能
• 如果质量为 的物体的运动速度为v,则 如果质量为m的物体的运动速度为 则 的物体的运动速度为 该物体的动能E 可以用下式计算： 该物体的动能 k可以用下式计算：
能源的分类
由于可被人类利用的能源多种多样， 由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下 多种不同的分类方法： 多种不同的分类方法： • 按地球上的能量来源分 • 按被利用的程度分 • 按获得的方法分 • 按能否再生分 • 按能源本身的性质分 • 按是否能作为燃料分 • 按对环境的污染情况分
按地球上的能量来源分
大学能源动力类专业基础课程
新能源与节能技术
主讲教师 李夔宁
Email：leekn@
第一章 绪论
第一节 能量与能源 第二节 能源资源、供应与消费 第三节 能源与环境保护 第四节 能源与可持续发展
第一节 能量与能源
• 物质、能量和信息是构成客观世界的基 物质、 础。 • 世界是由物质构成的，运动是物质存在 世界是由物质构成的， 的形式，能量则是物质运动的度量。 的形式，能量则是物质运动的度量。
能流密度
能流密度是指在一定空间或面积内，从某 种能源实际所能得到的能量或功率。 按照目前的技术水平，太阳能和风能的能 流密度很小，大约每平方米几十到几百瓦左右。 一般说来，各种常规能源的能流密度都比较大， 如1公斤标准煤发热量为29307千焦，而1公斤 标准石油发热量为41860千焦。核燃料的能流 密度很大，1公斤铀235裂变时将放出686.6亿 千焦的热量。
按能否再生分
• 可再生能源，即不会随它本身的转化或 可再生能源， 人类的利用而越来越少，如水能、风能、 人类的利用而越来越少，如水能、风能、 潮汐能、太阳能等； 潮汐能、太阳能等； • 非再生能源，它随人类的利用而越来越 非再生能源， 如石油、 天然气、核燃料等。 少，如石油、煤、天然气、核燃料等。
能源的品位
• 作为能源需要分析它的品位高低。水力能够 作为能源需要分析它的品位高低。 直接转变为机械能和电能， 直接转变为机械能和电能，它的品位要比必 须先经过热转换的化石燃料要高一些。 须先经过热转换的化石燃料要高一些。在热 机中，热源温度愈高，冷源温度愈低， 机中，热源温度愈高，冷源温度愈低，则循 环热效率就愈高， 环热效率就愈高，因此热源温度高的能源称 为高品位能源。在使用能源时品位能源的合理利用。
按被利用的程度分
• 常规能源：如煤炭、石油、天然气、薪 常规能源：如煤炭、石油、天然气、 柴燃料、水能等； 柴燃料、水能等； • 新能源：如太阳能、地热能、潮汐能、 新能源：如太阳能、地热能、潮汐能、 风能、生物质能等，另外还有核能。 风能、生物质能等，另外还有核能。
按获得的方法分
• 一次能源，即可供直接利用的能源，如 一次能源，即可供直接利用的能源， 石油、天然气、风能、水能等； 煤、石油、天然气、风能、水能等； • 二次能源，即由一次能源直接或间接转 二次能源， 换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、 换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤 氢等，它们使用方便，易于利用， 气、氢等，它们使用方便，易于利用， 是高品质的能源。 是高品质的能源。
核能
• 核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。 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、氚等）和重质量的原子 轻质量的原子核（ 氚等） 铀等） 核（铀等）其核子之间的结合力比中等质量原 子核的结合力小， 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 聚变和核裂变转变为在自然界更 下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更 稳定的中等质量原子核， 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。 合能。这种结合能就是核能。
• 来自于地球本身，如核能、地热能等； 来自于地球本身，如核能、地热能等； • 来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳能，以 来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳能， 及由太阳引起的水能、风能、波浪能、 及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温 差能、生物质能、光合作用、化石燃料等； 差能、生物质能、光合作用、化石燃料等； • 来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。 来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。
能源的评价
• • • • • • • • • 储量 能量密度 储能的可能性与供能的连续性 能源的地理分布 开发费用和利用能源的设备费用 运输费用与损耗 能源的可再生性 能源的品位 对环境的影响
储量
• 作为能源一个必要的条件是储量要足够 丰富。我国煤炭 水力资源非常丰富 煤炭、 非常丰富， 丰富。我国煤炭、水力资源非常丰富， 其他常规能源和新能源资源也不少， 其他常规能源和新能源资源也不少，有 些正在勘探之中，前景很好。 些正在勘探之中，前景很好。
按对环境的污染分
• 清洁能源，即对环境无污染或污染很小 清洁能源， 的能源，如太阳能、水能、海洋能等； 的能源，如太阳能、水能、海洋能等； • 非清洁能源，即对环境污染较大的能源， 非清洁能源，即对环境污染较大的能源， 如煤、石油等。 如煤、石油等。
能源的评价
• 能源多种多样，各有优缺点，为了正 能源多种多样，各有优缺点， 确选择和使用能源， 确选择和使用能源，必须对各种能源 进行正确的评价。 进行正确的评价。
E q = ∫ Tds
电能
• 电能是和电子流动与积累有关的一种能 通常是由电池中的化学能转换而来， 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； 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换为机械能， 之电能也可以通过电动机转换为机械能， 从而显示出电做功的本领。 从而显示出电做功的本领。
对环境的污染
• 使用一种能源，还要考虑到环境污染情况。核 使用一种能源，还要考虑到环境污染情况。 能的可能危害性大家都很重视， 能的可能危害性大家都很重视，应用时一定会 采取各种安全措施； 采取各种安全措施；但对烧煤的污染危害性没 有充分认识，不够重视。水力资源的应用， 有充分认识，不够重视。水力资源的应用，也 有它的独特问题，如对生态平衡、土壤盐碱化、 有它的独特问题，如对生态平衡、土壤盐碱化、 灌溉与航运的影响，也需加以注意。太阳能、 灌溉与航运的影响，也需加以注意。太阳能、 风能、氢能则是没有污染的清洁能源。 风能、氢能则是没有污染的清洁能源。
能源更迭与社会发展
人类社会已经历了三个能源时期： 人类社会已经历了三个能源时期： • 薪柴时期； 薪柴时期； • 煤炭时期； 煤炭时期； • 石油时期。 石油时期。
能量与能源
• 所谓能量，也就是“产生某种效果 所谓能量，也就是“ （变 的能力” 反过来说， 化）的能力”。反过来说，产生某种 效果（变化） 效果（变化）必然要伴随能量的消耗 和转化。 和转化。
人类所认识的六种能量形式
• • • • • • 机械能 热 能 电 能 辐射能 化学能 核 能
机械能
1 2 E k = mv 2
• 重力势能 可以用下式计算： 重力势能E可以用下式计算： 可以用下式计算
E p = mgH
机械能
• 弹性势能 Eτ 的计算式为： 的计算式为：
1 2 E τ = kx 2
• 表面能 E s 可用下式计算： 可用下式计算：
E s = σS
热能
• 构成物质的微观分子运动的动能和势能 总和称之为热能。 总和称之为热能。这种能量的宏观表现 温度的高低 的高低， 是温度的高低，它反映了分子运动的激 烈程度。通常热能E 烈程度。通常热能 q可表述成如下的形 式：
储能可能性与供能连续性
• 储能可能性则是指当能源不用时可以储存起来， 需用时又能立即供给所需的能量。这方面太阳 能、风能等目前还不容易做到，而各种化石燃 料和核燃料则比较容易实现。 • 供能连续性是指按需要和所需的速度，连续不 断地供应能量。