2 能量的转换和储存-1次

第二讲 能量的转换和储存
尤占平
主要内容
能量的基本性质 能量转换的主要燃料 热能的产生 机械能的获取 电能的生产 能量的储存
一、能量的基本性质
1、能量的基本性质—热科学 能量的基本性质—
宏观运动、 有序 有序能 宏观运动、电子运动 ⇒ 运动 无序 无序能 微观分子运动
→ 有序能 有序能 无序能 ← 、有条件 不完全、 不完全
完全 完全、无条件
2、能量之间的转换
→ “量”的多少
能量守恒与转换定律 能量贬值原理
→ “质”的高低
能量守恒与转换定律
自然界一切物体都具有能量， 自然界一切物体都具有能量，能量有 各种不同形式， 各种不同形式，它能从一种形式转化 为另一种形式， 为另一种形式，从一个物体传递给另 一个物体， 一个物体，在转化和传递中能量的总 量恒定不变。 量恒定不变。
2、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） 寿命（重复使用的次数） 对环境的影响
3、能量的储存途径
机械能储存 电能储存 热能储存
4、机械能的储存
形式： 形式： 机械能能以动能或势能 动能或势能的形式储存 机械能能以动能或势能的形式储存 动能储存 储存： 以动能储存：旋转飞轮 势能储存 弹簧、扭力杆、 重力装置、 储存： 以势能储存：弹簧、扭力杆、 重力装置、 压缩空气储能、 压缩空气储能、 抽水储能 压缩空气：工业中常用的气源， 压缩空气：工业中常用的气源，除了吹 清砂外， 灰、清砂外，还是风动工具和气动控制 系统的动力源。 系统的动力源。
广州从化抽水蓄能电站：大亚湾核电站的配套， 山上、山下垂直高差达530多米，两座水库的 蓄水量达2500万立方米，上、下水库和发电厂 之间有直径达9米的巨大水管
地下厂房
大型电站
广州抽水蓄能电站，装机容量240万kW，当今世 电站，装机容量240
界上装机规模最大的抽水蓄能电站， 界上装机规模最大的抽水蓄能电站，一期全部竣 工仅58个月 个月。 工仅 个月。 浙江天荒坪电站，装机容量180万kW，单级可逆 电站，装机容量180 式水泵水轮机组单机容量300MW 设计水头500m 式水泵水轮机组单机容量300MW，设计水头500m 以上，为世界先进水平。天荒坪平均达79.4% 以上，为世界先进水平。天荒坪平均达79.4%，最 高达80.6%。 高达80.6% 山西西龙池抽水蓄能电站，最大扬程达704m，进 抽水蓄能电站，最大扬程达704m， 入了世界上已投运的单级混流式抽水蓄能机组中 扬程最高； 扬程最高； 北京十三陵电站，装机容量80万kW 十三陵电站，装机容量80 1992年建成的河北潘家口电站，装机容量27万kW 潘家口电站，装机容量27 年建成的
蓄电池
铅酸蓄电池 碱性蓄电池 起动用 牵引车辆用 固定型 其它用 镉 — 镍 铁 — 镍 锌 — 镍 镉 — 银
第三类永动机：做功要以消耗单一热源的 能量为代价，理论上不违反热力学第一定 律；而若要不违反热力学第二定律，即满 足熵增加原理(∆S>0)，则必须使绝对温度 T<0，或者说存在负绝对温度。这就是第三 类永动机的工作环境，也是第二类永动机 与第三类永动机的区别所在 1951年珀塞尔和庞德在实验中成功地证实 了负绝对温度的存在。但负绝对温度存在 所必须的苛刻条件注定了第三类永动机在 实际中根本无法实现。
水力、 水力、风 机械能 潮汐、 力、潮汐、 机械能 海流、 海流、波 浪 光能 光能 光能 光能 光能 光能 电磁波
太阳能
热能 热能 机械能 电能 热能 电能 电能 化学能 生物能 电能
能源
能源形态转换过程
核分裂 核分裂 核分裂 核分裂 核聚变 电能 电能 热能 机械能 热能 热能 电能 电磁能 电能 机械能 热能
用于电动自行车的金属储氢装置
5、光电转换
光伏 效应
电洞
有单晶硅、 有单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳光电池
单晶硅
太阳能光伏发电
小型核电池： 小型核电池：同位素的衰变产生电能
六 能量的储存
1、能量的储存
在机械能、热能、化学能、 在机械能、热能、化学能、 辐射能、电能、 辐射能、电能、核能等六种 主要类型的能量中， 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。 种类的能量形式中。
5、电能的储存
机械能的形式储存 以机械能的形式储存 化学能的形式储存 以化学能的形式储存 于蓄电池中 电能的形式储存在 以电能的形式储存在 静电场和感应电场中
蓄电池
利用电化学原理
充电：电能 → 化学能 充电：
可逆吸热反应
放电： 放电：化学能 放热的化学反应→电能
首个成型第二类永动机装置： 年美国人约 首个成型第二类永动机装置：1881年美国人约 年美国人 嘎姆吉为美国海军设计的零发动机， 翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，利用海水 嘎姆吉为美国海军设计的零发动机 的热量将液氨汽化，推动机械运转。 的热量将液氨汽化，推动机械运转。无法持续运 转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条 件下无法重新液化，因而不能完成循环。 件下无法重新液化，因而不能完成循环。
2、热机转换
热机效率： 热机效率：卡诺效率 内燃机： 内燃机： ——往复运动热机 燃 燃气轮机： 燃气轮机： 料 ——外燃式热机 蒸汽轮机 ——将蒸汽热能转换
为机械功的热机 空气
燃烧室 发电机 废气
3、电机转换
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
山西西龙池抽水蓄能电站： 山西西龙池抽水蓄能电站： 额定水头624m，上水库 额定水头 ，上水库1492.5m，下水库正常 ， 蓄水位838m 蓄水位
中型电站
江苏 浙江 安徽 湖北 西藏
将建电站
山东泰安电站，装机容量100 山东泰安电站，装机容量100万kW 泰安电站 浙江桐柏电站 装机容量120 桐柏电站， 浙江桐柏电站，装机容量120万kW 江苏宜兴电站 装机容量100 宜兴电站， 江苏宜兴电站，装机容量100万kW 河北张河湾电站 装机容量100 张河湾电站， 河北张河湾电站，装机容量100万kW 安徽琅琊山电站 装机容量60 琅琊山电站， 安徽琅琊山电站，装机容量60万kW
二、能量转换的主要燃料
1、能量转换的主要燃料
燃料：通过燃烧过程而将化学能转换为
热能的物质。 热能的物质。 所有化石燃料 化石燃料及由化石燃料加工而成的 所有化石燃料及由化石燃料加工而成的 其它含能体； 其它含能体； 所有生物燃料 生物燃料以及由生物燃料加工而成 所有生物燃料以及由生物燃料加工而成 的含能体。 的含能体。
4、第二类永动机的例子
第二类永动机：把能够从单一热源取热， 第二类永动机：把能够从单一热源取热，使之完全变 为功而不引起其它变化的机器。 为功而不引起其它变化的机器。并不违反热力学第一 定律。 100％，而且可以利用大气、 定律。热效率100％，而且可以利用大气、海洋和地 壳作热源。 壳作热源。 以海洋为热源， 的海水， 6.88× 以海洋为热源，共有6.88×1020t的海水，海水的温度 的热量， 2.88× 下降1℃，可放出2.88×1024KJ的热量，约 .8× 标准煤， 合.8×1016t标准煤，相当于目前全世界每年能耗的10 万倍。
2、能量转换过程及转换设备或系统
能源
石油、 石油、煤 炭、天然 气等矿物 燃料
能源形态转换过程
化学能 化学能 化学能 热能 热能 热能 机械能 机械能
转换机械或系统
炉子、 炉子、燃烧器 各种热力发动机 热机、发电机， 电能 热机、发电机，磁流体 发电，EGD发电 发电（ 发电，EGD发电（压电 效应） 效应） 热力发电， 热力发电，热电子发电 燃料电池
燃料电池、蓄电池 燃料电池、蓄电池
磁流体发电技术（等离子体发电技术）：燃料（石油、天然气、燃 煤、核能等）直接加热成易于电离的气体---在2000℃的高温下电离 成导电的离子流---在磁场中高速流动时，切割磁力线，产生感应电 动势。由热能直接转换成电流，由于无需经过机械转换环节，所以 称之为“直接发电”。。
能量贬值原理
一个封闭系统中的任何自发 一个封闭系统中的任何自发 性变化， 性变化，都必然朝着能量贬值 熵增）的方向发展， （熵增）的方向发展，而最后 的平衡状态，则对应于熵的最 的平衡状态， 大可能值。能量有品位。 大可能值。能量有品位。
3、热力学第二定律
克劳修斯说法： 克劳修斯说法：“不可能把热量从低温物体 传到高温物体而不引起其它变化。 传到高温物体而不引起其它变化。” 开尔文说法： 开尔文说法：“不可能从单一热源吸取热量 使之完全转变成功而不产生其它影响。 使之完全转变成功而不产生其它影响。” 能量转换过程的方向 条件及限度。 方向、 能量转换过程的方向、条件及限度。有限势 温差、浓度差等) 差(温差、浓度差等)，自发过程总是朝着消 除势差的方向进行。 除势差的方向进行。 所谓提高能量的有效利用， 所谓提高能量的有效利用，其实质就在于防 止和减少能量贬值发生。 止和减少能量贬值发生。
励磁绕组与电枢绕组并联、 励磁绕组与电枢绕组并联、串联或多个
五 电能的生产
1、电能的生产
化学能 → 太阳能电池 太阳能电池 辐射能 → 电能 核电池 核电池 核能 → 磁流体发电、热电偶温差 磁流体发电、 热能 →
转换机械或系统
核能
核发电， 电能 核发电，磁流体发电 核能炼钢 热力发电， 热力发电，热电子发电 光电池 电能 核聚变发电
激光） 光（激光） 热能 热能 聚变
三、热能的产生
1、热能产生的途径
燃料燃烧 核能转换 太阳能转换 地热 电能转换
2、有关燃烧的知识
燃料燃烧的必要条件 燃烧所需的空气量 燃烧产生的烟气量