能量的转换与储存
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
The diameter of the compressor stages gets progressively smaller as the gas pressure rises. Conversely, the turbine stages get progressively bigger as the hot gas expands, transferring momentum to the turbine blades and pushing them round.
8
• 内燃机主要为各种运输车辆、工程机械提供动 力，也用于可移动的发电机组。 • 蒸汽轮机主要用于发电厂中，用它带动发电机 发电；也作为大型船舶的动力；或拖动大型水 泵和大型压缩机、风机。 • 燃气轮机除用于发电外，还是飞机的主要动力 来源，也用作船舶的动力。 • 广泛应用的电能主要由机械能转换得到。在火 力发电厂中蒸汽轮机、燃气轮机带动发电机发 电；在水电站中水能先转换成水轮机的机械能， 水轮机再带动发电机发电。
9
• 2.内燃机 • 内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最 广泛的热机。 • 大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。 内燃机有很多分类方法，但常用的是根 据点火顺序分类或根据气缸排列方式分 类。按点火或着火顺序可将内燃机分成 四冲程发动机和二冲程发动机。
10
应用广泛
11
• 四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的 活塞冲程： • 1）进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气 被吸入而充满气缸。 • 2）压缩冲程：所有气门关闭，活塞上行压缩 空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。 • 3）膨胀冲程（即下行冲程）：所有气门关闭， 燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，此冲程是 四个冲程中唯一做功的冲程。 • 4）排气冲程：排气门打开，活塞上行将燃烧 后的废气排出气缸，开始下一个循环。
17
• 3.燃汽轮机 • 燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它 不是以水蒸汽做工质而是以气体做工质。 燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动 燃汽轮机的叶轮对外作功，因此以燃汽 轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。 • 它包括三个主要部件：压气机、燃烧室 和燃气轮机。
18
compressor
Combustion chamber
14
二来自百度文库程 发动机
15
二冲程发动机
16
• 四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好， 滑润条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动 部件少，重量轻，发动机运动较平稳。 • 内燃机只能将燃料热能中的25%~45%转换 成机械能，其余部分大多被排气或冷却介质带 走。因此如何利用内燃机排气中的能量就成了 提高内燃机动力性和经济性中的主要问题。 • 随着科学技术的发展，绝热柴油机、全电子控 制内燃机、燃用天然气、醇类代用燃料和氢的 新型发动机都相继问世。进入21世纪，由于环 境问题日益突出，因此研制新一代高效低排放 的发动机已成为科学家们共同努力的目标。
turbine
19
辐流式燃汽轮机
20
定子盘和转子盘
21
轴流式燃汽轮机
22
23
小型燃气轮机
24
Compressor and Diffuser
Compressor and Diffuser
Turbine Wheels
25
• 燃汽轮机具有以下优点： • 1）重量轻、体积小、投资省。燃汽轮机的重 量及所占的容积只有汽轮机装置的几分 一或 几十分之一，因此它耗材少，投资费用低，建 设周期短。 • 2）起动快、操作方便。从冷态起动到满载只 需几十秒或几十分钟，而汽轮机装置则需几分 钟到几小时 。 • 3）水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却 水或不用水，因此可以在缺水的地区运行；辅 助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料 费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。
12
四冲程发动机
13
• 二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作 循环所需要的四个冲程纳入二个冲程中完成。 • 当活塞在膨胀冲程中沿气缸下行时，首先开启 排气口，高压废气开始排入大气。当活塞向下 运动时，同时压缩曲轴箱内的空气—燃油混合 气；当活塞继续下行时，活塞开启进气口，使 被压缩的空气—燃油混合汽从曲轴箱进入气缸。 在压缩冲程，活塞先关闭进气口，然后关闭排 气口，压缩气缸中的混合气。在活塞将要到达 上止点之前，火花塞将混合气点燃。于是活塞 被燃烧膨胀的燃气推向下行，开始另一膨胀做 功冲程。当活塞在上止点附近时，化油器进气 口开启，新鲜空气—燃油混合气进入曲轴箱。
35
•
•
• • • • •
主要指标 储能密度 储存过程的能量损耗 储存装置的经济性 储能和取能的速率 寿命（重复使用的次数） 对环境的影响
36
• 二、机械能的储存 • 以动能形式储存 • 飞轮 • 以势能形式储存。 • 弹簧、扭力杆和重力装置 • 压缩空气储能 • 抽水蓄能电站 •纯抽水蓄能电站 •混合式抽水蓄能电站
蓄电池
•
利用电化学原理
可逆吸热反应
充电：电能 化学能 放电：化学能 电能
放热的化学反应
44
蓄电池
起动用 铅酸蓄电池牵引车辆用 固定型 其它用 镉 — 镍 铁 — 镍 碱性蓄电池 锌 — 镍 镉 — 银
62
• 三、煤炭的输运 • 1.煤炭的铁路输 送 • 我国煤炭输送主 要是以山西、陕 西和内蒙西部 （所谓“三西”） 为中心向全国缺 煤省市输送。
51
热量储存
52
• 3.化学能储存 • 一种高能量密度的储存方法 • 利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热 过程来达到热能的储存和提取 • 技术上困难，目前尚难实际应用 • 4.地下含水层储热 • 含水层储冷：冬季将净化过的冷水用管井灌入 含水层里储存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏 用”。 • 含水层储热：夏季将高温水或工厂余热水经净 化后用管井灌入含水层里储存，到冬季时抽取 使用，叫“夏灌冬用”
4
5
第四节
6
机械能的获取
热能 电能 水能 风能 化学能
7
机械能
• 将热能转换为机械能是目前获得机械能 的最主要的方式。热能转换成机械能的 装置称之为热机。因为热机能为各种机 械提供动力，故通常又将其称之为动力 机械。 • 一、热能的转换 • 1.热机的效率 • 应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、 燃气轮机等。
第二章 能量的转换与储存
第三节：能量转换的主要燃料 第四节：机械能的获取 第五节：能量的储存 第六节：能量的传输
1
第三节
2
• 燃料通常是指能够通过燃烧过程而 将化学能转换为热能的物质。 • 所有化石燃料及由化石燃料加工而 成的其它含能体； • 所有生物燃料以及由生物燃料加工 而成的含能体。 • 常用的化石燃料为煤、石油和天然 气，化石燃料有时又称为矿物燃料。
蓄电池由正 极、负极、 电解液、隔 膜和容器等 5部分组成。
45
•蓄电池作为电能储存系统
46
47
带有超导磁铁的飞轮电力储存系统
48
• 四、热能的储存 • 热能储存是把一个时期内暂时不需 要的多余热量通过某种方式收集并 储存起来，等到需要时再提取使用。 • 显热储存 • 潜热储存 • 化学储存 • 地下含水层储存
3
• 核燃料
• 天然铀有三种同位素：铀—238，占 99.27%；铀—235，占0.724%；铀— 234，占0.006%。 • 这三种同位素化学性质基本相同。但中 子数目不同；铀—238有146个中子， 铀—235有143个中子，铀—234有142个 中子。这三种同位素的核特性相差很大， 只有铀—235的原子核才容易分裂成两个 中等质量的原子核，也就是我们所说的 裂变。其它两种同位素不易裂变。
53
地下含水层储热
54
第六节
55
• 一、概述 • 能量的传输实质上是能量在空间的转移。 • 广义上的能量传输通常有两种含义：一 种含义是指能量本身的传递，即能量从 某一处传至另一处，例如热量从高温物 体传至低温物体。另一种含义是指能源 的输运，即含能体如煤、石油、天然气 等从生产地向用能处输送。
37
飞轮动能储存系统
38
NASA 开发的飞轮能量储存技 术
SatCon飞轮能量储存系统可 以提供常规铅酸蓄电池50倍 的能量储存容量
39
液态空气能量储存系统
40
•
• • •
•
•
从上世纪80年代开始起步，到目前为止， 我国已在9个省、区、市建成11座抽水蓄 能电站，装机容量约为570万kW，占全 国装机容量的1.8％。 大型电站 广州电站，装机容量240万kW 浙江天荒坪电站，装机容量180万kW 北京十三陵电站，装机容量80万kW 河北潘家口电站，装机容量27万kW
41
42
• 三、电能的储存 • 蓄电池 • 发展方向：廉价、高效、能大规模储能 • 静电场和感应电场 • 电容器在直流电路中广泛用作储能装置； 在交流电路中则用于提高电力系统或负 荷的功率因数，调整电压 • 高电压技术、高能核物理、激光技术、 地震勘探等方面采用的直流高压电容器 • 超导磁铁蓄能 43
58
1. 电力产生2. 通过升压变电站电压升高3. 电能传送4. 通过降 压变电所降低电压5.分配电力6.到达需要电力的地点
59
电能的输送
60
升压和降压变压器
61
• 我国电能输送存在的问题是 ： • 电压等级偏低，电压层次过多，造成重 复容量多，线路长、线损高，事故多， 调度不灵。 • 输电方式单一，缺乏超高压直流输电。 • 电网容量小，联网发展缓慢，影响了电 网整体效益的发挥。 • 变配电设备陈旧老化，难以适应电力输 送发展的需要。
28
29
30
汽轮机如何工作
A 228 MW axial flow turbine. Axial flow of steam
Change of radial momentum drives rotor round
Miniature lab. turbine
Rotor motion.
31
Gas flow through the turbine
56
• 能源输送是能源利用中的一个重要环节。 • 能源输送方式很多，通常有铁路、水路、 公路、管道、输电线路等多种方式。不 同的输送方式有不同的特点和适用范围。 • 受资源分布、能源消费多寡、交通运输 格局等诸多因素的影响，能源输送工作 是一项十分复杂的系统工程。
57
• 二、电能的输送 • 电能的特点是发电、传输、用电都是同时发生。 • 由于目前尚不能大规模地储存电能，因此电能生 产中的发电、供电、配电必须紧密配合，具有不 间断连续工作的功能，用户在每一瞬间需要多少 电，就能够供给多少电。电力过剩就会造成电力 生产能力的积压浪费，电力短缺就会影响国民经 济的发展。 • 采用大机组发电，建设大电网，提高输电电压成 为电力工业发展的趋势。
32
• 二、水能和风能的转换 • 三、电能的转换
同步电动机 交流电动机 异步电动机
串励式 直流电动机并励式 复励式
33
第五节
34
• 一、概述 • 在机械能、热能、化学能、辐射能、核 能等六种主要类型的能量中，除辐射能 外，都能储存在一些普通种类的能量形 式中。 • 机械能——以动能、势能形式储存。 • 热能——以潜热、显热形式储存。 • 电能——感应场能或静电场能。 • 化学能、核能——自身即为储能形式。
热能
49
•
•
• •
储存时间 随时储存，以小时或更短的时间为周期， 随时调整热能供需之间的不平衡； 短期储存，以天或周为储热周期，维持 一天（或一周）的热能供需平衡； 长期储存，以季节或年为储存周期，调 节季节（或年）的热量供需关系。
50
• • • • • • • •
1.显热式蓄热 蓄热装置设计、运行和管理简单方便 装置体积庞大 热损失大 2.潜热储存 利用蓄热材料发生相变而储热 储能密度高，装置体积小，热损失小 过程等温或近似等温，易与运行系统匹 配。
26
• 4.汽轮机 • 蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热 能转换为机械功的热机。 • 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳， 在现代火力发电厂和核电站中都用它驱 动发电机。汽轮发电机组所发的电量占 总发电量的80%以上。 • 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水 泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
27
8
• 内燃机主要为各种运输车辆、工程机械提供动 力，也用于可移动的发电机组。 • 蒸汽轮机主要用于发电厂中，用它带动发电机 发电；也作为大型船舶的动力；或拖动大型水 泵和大型压缩机、风机。 • 燃气轮机除用于发电外，还是飞机的主要动力 来源，也用作船舶的动力。 • 广泛应用的电能主要由机械能转换得到。在火 力发电厂中蒸汽轮机、燃气轮机带动发电机发 电；在水电站中水能先转换成水轮机的机械能， 水轮机再带动发电机发电。
9
• 2.内燃机 • 内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最 广泛的热机。 • 大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。 内燃机有很多分类方法，但常用的是根 据点火顺序分类或根据气缸排列方式分 类。按点火或着火顺序可将内燃机分成 四冲程发动机和二冲程发动机。
10
应用广泛
11
• 四冲程发动机完成一个循环要求有四个完全的 活塞冲程： • 1）进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气 被吸入而充满气缸。 • 2）压缩冲程：所有气门关闭，活塞上行压缩 空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。 • 3）膨胀冲程（即下行冲程）：所有气门关闭， 燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，此冲程是 四个冲程中唯一做功的冲程。 • 4）排气冲程：排气门打开，活塞上行将燃烧 后的废气排出气缸，开始下一个循环。
17
• 3.燃汽轮机 • 燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它 不是以水蒸汽做工质而是以气体做工质。 燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动 燃汽轮机的叶轮对外作功，因此以燃汽 轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。 • 它包括三个主要部件：压气机、燃烧室 和燃气轮机。
18
compressor
Combustion chamber
14
二来自百度文库程 发动机
15
二冲程发动机
16
• 四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好， 滑润条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动 部件少，重量轻，发动机运动较平稳。 • 内燃机只能将燃料热能中的25%~45%转换 成机械能，其余部分大多被排气或冷却介质带 走。因此如何利用内燃机排气中的能量就成了 提高内燃机动力性和经济性中的主要问题。 • 随着科学技术的发展，绝热柴油机、全电子控 制内燃机、燃用天然气、醇类代用燃料和氢的 新型发动机都相继问世。进入21世纪，由于环 境问题日益突出，因此研制新一代高效低排放 的发动机已成为科学家们共同努力的目标。
turbine
19
辐流式燃汽轮机
20
定子盘和转子盘
21
轴流式燃汽轮机
22
23
小型燃气轮机
24
Compressor and Diffuser
Compressor and Diffuser
Turbine Wheels
25
• 燃汽轮机具有以下优点： • 1）重量轻、体积小、投资省。燃汽轮机的重 量及所占的容积只有汽轮机装置的几分 一或 几十分之一，因此它耗材少，投资费用低，建 设周期短。 • 2）起动快、操作方便。从冷态起动到满载只 需几十秒或几十分钟，而汽轮机装置则需几分 钟到几小时 。 • 3）水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却 水或不用水，因此可以在缺水的地区运行；辅 助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料 费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。
12
四冲程发动机
13
• 二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作 循环所需要的四个冲程纳入二个冲程中完成。 • 当活塞在膨胀冲程中沿气缸下行时，首先开启 排气口，高压废气开始排入大气。当活塞向下 运动时，同时压缩曲轴箱内的空气—燃油混合 气；当活塞继续下行时，活塞开启进气口，使 被压缩的空气—燃油混合汽从曲轴箱进入气缸。 在压缩冲程，活塞先关闭进气口，然后关闭排 气口，压缩气缸中的混合气。在活塞将要到达 上止点之前，火花塞将混合气点燃。于是活塞 被燃烧膨胀的燃气推向下行，开始另一膨胀做 功冲程。当活塞在上止点附近时，化油器进气 口开启，新鲜空气—燃油混合气进入曲轴箱。
35
•
•
• • • • •
主要指标 储能密度 储存过程的能量损耗 储存装置的经济性 储能和取能的速率 寿命（重复使用的次数） 对环境的影响
36
• 二、机械能的储存 • 以动能形式储存 • 飞轮 • 以势能形式储存。 • 弹簧、扭力杆和重力装置 • 压缩空气储能 • 抽水蓄能电站 •纯抽水蓄能电站 •混合式抽水蓄能电站
蓄电池
•
利用电化学原理
可逆吸热反应
充电：电能 化学能 放电：化学能 电能
放热的化学反应
44
蓄电池
起动用 铅酸蓄电池牵引车辆用 固定型 其它用 镉 — 镍 铁 — 镍 碱性蓄电池 锌 — 镍 镉 — 银
62
• 三、煤炭的输运 • 1.煤炭的铁路输 送 • 我国煤炭输送主 要是以山西、陕 西和内蒙西部 （所谓“三西”） 为中心向全国缺 煤省市输送。
51
热量储存
52
• 3.化学能储存 • 一种高能量密度的储存方法 • 利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热 过程来达到热能的储存和提取 • 技术上困难，目前尚难实际应用 • 4.地下含水层储热 • 含水层储冷：冬季将净化过的冷水用管井灌入 含水层里储存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏 用”。 • 含水层储热：夏季将高温水或工厂余热水经净 化后用管井灌入含水层里储存，到冬季时抽取 使用，叫“夏灌冬用”
4
5
第四节
6
机械能的获取
热能 电能 水能 风能 化学能
7
机械能
• 将热能转换为机械能是目前获得机械能 的最主要的方式。热能转换成机械能的 装置称之为热机。因为热机能为各种机 械提供动力，故通常又将其称之为动力 机械。 • 一、热能的转换 • 1.热机的效率 • 应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、 燃气轮机等。
第二章 能量的转换与储存
第三节：能量转换的主要燃料 第四节：机械能的获取 第五节：能量的储存 第六节：能量的传输
1
第三节
2
• 燃料通常是指能够通过燃烧过程而 将化学能转换为热能的物质。 • 所有化石燃料及由化石燃料加工而 成的其它含能体； • 所有生物燃料以及由生物燃料加工 而成的含能体。 • 常用的化石燃料为煤、石油和天然 气，化石燃料有时又称为矿物燃料。
蓄电池由正 极、负极、 电解液、隔 膜和容器等 5部分组成。
45
•蓄电池作为电能储存系统
46
47
带有超导磁铁的飞轮电力储存系统
48
• 四、热能的储存 • 热能储存是把一个时期内暂时不需 要的多余热量通过某种方式收集并 储存起来，等到需要时再提取使用。 • 显热储存 • 潜热储存 • 化学储存 • 地下含水层储存
3
• 核燃料
• 天然铀有三种同位素：铀—238，占 99.27%；铀—235，占0.724%；铀— 234，占0.006%。 • 这三种同位素化学性质基本相同。但中 子数目不同；铀—238有146个中子， 铀—235有143个中子，铀—234有142个 中子。这三种同位素的核特性相差很大， 只有铀—235的原子核才容易分裂成两个 中等质量的原子核，也就是我们所说的 裂变。其它两种同位素不易裂变。
53
地下含水层储热
54
第六节
55
• 一、概述 • 能量的传输实质上是能量在空间的转移。 • 广义上的能量传输通常有两种含义：一 种含义是指能量本身的传递，即能量从 某一处传至另一处，例如热量从高温物 体传至低温物体。另一种含义是指能源 的输运，即含能体如煤、石油、天然气 等从生产地向用能处输送。
37
飞轮动能储存系统
38
NASA 开发的飞轮能量储存技 术
SatCon飞轮能量储存系统可 以提供常规铅酸蓄电池50倍 的能量储存容量
39
液态空气能量储存系统
40
•
• • •
•
•
从上世纪80年代开始起步，到目前为止， 我国已在9个省、区、市建成11座抽水蓄 能电站，装机容量约为570万kW，占全 国装机容量的1.8％。 大型电站 广州电站，装机容量240万kW 浙江天荒坪电站，装机容量180万kW 北京十三陵电站，装机容量80万kW 河北潘家口电站，装机容量27万kW
41
42
• 三、电能的储存 • 蓄电池 • 发展方向：廉价、高效、能大规模储能 • 静电场和感应电场 • 电容器在直流电路中广泛用作储能装置； 在交流电路中则用于提高电力系统或负 荷的功率因数，调整电压 • 高电压技术、高能核物理、激光技术、 地震勘探等方面采用的直流高压电容器 • 超导磁铁蓄能 43
58
1. 电力产生2. 通过升压变电站电压升高3. 电能传送4. 通过降 压变电所降低电压5.分配电力6.到达需要电力的地点
59
电能的输送
60
升压和降压变压器
61
• 我国电能输送存在的问题是 ： • 电压等级偏低，电压层次过多，造成重 复容量多，线路长、线损高，事故多， 调度不灵。 • 输电方式单一，缺乏超高压直流输电。 • 电网容量小，联网发展缓慢，影响了电 网整体效益的发挥。 • 变配电设备陈旧老化，难以适应电力输 送发展的需要。
28
29
30
汽轮机如何工作
A 228 MW axial flow turbine. Axial flow of steam
Change of radial momentum drives rotor round
Miniature lab. turbine
Rotor motion.
31
Gas flow through the turbine
56
• 能源输送是能源利用中的一个重要环节。 • 能源输送方式很多，通常有铁路、水路、 公路、管道、输电线路等多种方式。不 同的输送方式有不同的特点和适用范围。 • 受资源分布、能源消费多寡、交通运输 格局等诸多因素的影响，能源输送工作 是一项十分复杂的系统工程。
57
• 二、电能的输送 • 电能的特点是发电、传输、用电都是同时发生。 • 由于目前尚不能大规模地储存电能，因此电能生 产中的发电、供电、配电必须紧密配合，具有不 间断连续工作的功能，用户在每一瞬间需要多少 电，就能够供给多少电。电力过剩就会造成电力 生产能力的积压浪费，电力短缺就会影响国民经 济的发展。 • 采用大机组发电，建设大电网，提高输电电压成 为电力工业发展的趋势。
32
• 二、水能和风能的转换 • 三、电能的转换
同步电动机 交流电动机 异步电动机
串励式 直流电动机并励式 复励式
33
第五节
34
• 一、概述 • 在机械能、热能、化学能、辐射能、核 能等六种主要类型的能量中，除辐射能 外，都能储存在一些普通种类的能量形 式中。 • 机械能——以动能、势能形式储存。 • 热能——以潜热、显热形式储存。 • 电能——感应场能或静电场能。 • 化学能、核能——自身即为储能形式。
热能
49
•
•
• •
储存时间 随时储存，以小时或更短的时间为周期， 随时调整热能供需之间的不平衡； 短期储存，以天或周为储热周期，维持 一天（或一周）的热能供需平衡； 长期储存，以季节或年为储存周期，调 节季节（或年）的热量供需关系。
50
• • • • • • • •
1.显热式蓄热 蓄热装置设计、运行和管理简单方便 装置体积庞大 热损失大 2.潜热储存 利用蓄热材料发生相变而储热 储能密度高，装置体积小，热损失小 过程等温或近似等温，易与运行系统匹 配。
26
• 4.汽轮机 • 蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热 能转换为机械功的热机。 • 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳， 在现代火力发电厂和核电站中都用它驱 动发电机。汽轮发电机组所发的电量占 总发电量的80%以上。 • 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水 泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
27