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1、21世纪能源的科学利用和可持续发展的探讨,何雅玲 西安交通大学 能源与动力工程学院 2010年9月9日,于西安,大唐电力公司技术人员现代科技前沿知识培训班,2,3 能源结构的多元化,加强石油天然气勘探开发,优化发展煤电,加快开发和利用核能,水能,可再生能源与新能源。,3,核裂变,链式核裂变,根据爱因斯坦的质能互换公式: ,当一定量的物质消失时就产生一定量的能量;由于光速极高,少量物质就能产生巨大的能量。,3.1 核能,4,核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常有3种同位素构成:铀-238,约占铀总量的99.3%;铀-235,占铀的总量不到0.7;还有极少量的铀-234。,核燃料使用有两个突出的特点
2、: (1)生产过程复杂,要经过采矿、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料;(2)使用后还要进行“后处理”。,核裂变燃料及其处理,3.1 核能,5,截至2002年,全世界有32个国家的442座核电站在运行(另一数据:2006-12有435座,总装机容量369.7GWe)。 目前全世界核电提供的电能占世界电力供应的16 % -17%。为此每年可以减少23亿吨CO2的排放量,这意味着如果不使用核电,全世界CO2的排放量将增10%。,全世界核能利用现状,核电站核裂变的和平利用,3.1 核能,6,世界各国核电占总发电量的份额(200211),目前我国核电装机容量为总容
3、的1.6% (王乃彦,2006-06),3.1 核能,7,火电站与核电站的区别:原子能锅炉代替燃煤锅炉,3.1 核能,8,压水堆核电站示意图,3.1 核能,9,火电厂的工作原理是朗肯循环;朗肯循环的效率受卡诺定律的限制:取决于循环的最高温度与环境温度,卡诺循环效率,3.1 核能,10,中国已经投运的核电站压水堆主要参数,3.1 核能,11,秦山核电一期工程使中国核电从无到有,从此成为继美国、法国、加拿大、瑞典之后 ,第七个拥有完整核电技术的国家; 秦山核电二期是在“以我为主,中外合作”的方针指导下,中国第一座自主设计,自主建造,自主管理,自主运行的百万千瓦级国际化商用核电站。,到2020年我国
4、计划增加核电装机容量40GWe,占该时期新增总量600GWe的6.67%(王乃彦),3.1 核能,12,秦山核电站二期核反应堆在装料,3.1 核能,13,秦山核电站二期安全壳穹顶整体吊装,3.1 核能,14,美国三里岛(压水堆)和前苏联切尔诺贝利核电 站(沸水堆)事故引起公众对核电的恐惧。,1979-3-28清晨三里岛核电站2号机组因误操作发生严重失水事故,40燃料原件熔化,50气态裂变物释放到安全壳中。 该事故中仅3名工作人员辐射计量稍微超标,周围80公里200万居民中增加的辐射剂量,不超过带一年夜光表或看一年彩电所受到的剂量。,核电的安全性,3.1 核能,15,美国三里岛核电站,3.1 核
5、能,16,1986-4-26前苏联切尔诺贝利电站因一系列误操作,4号反应堆燃料过热,堆芯熔化,引起爆炸,放射性物质大量散入环境。前苏联采用了强有力的措施,调动大批部队,4小时后扑灭大火,爆炸后十分钟内抢救出第一批伤员。,该事故中有134人得急性放射病,14人在十年内死亡。向事故反应堆投下1000多吨沙子,5000多吨白云石与铅,最后四周用6000多吨金属结构以及1m 厚的混凝土,形成一个“石棺”,其下安置了冷却水系统。,3.1 核能,17,切尔诺贝利电站被毁坏的4号反应堆,3.1 核能,18,切尔诺贝利电站的“石棺”,3.1 核能,19,切尔诺贝里电站与三里岛电站的不同:有无安全壳!,3.1
6、核能,20,核电的发展方向,研究和发展更先进的核反应堆第四代核电系统(阿根廷,巴西,法国,美国,英国,日本,韩国等10国):堆芯融化概率低于106/堆年;事故条件下无放射性向厂外释放。我国处于从第二代(压水堆)向第三代(大型先进压水堆)过渡;,逐步解决高放射性核废料的最终处置问题: 反应堆用过的核废料放射性强,毒性大,寿命长,半衰期达106年,一般采用深埋与生物圈隔离的方法放置。我国2020年建成地质处置地下试验室,并开展分离嬗变研究。,3.1 核能,21,由两个较轻原子核结合时释放出的能量称为核聚变。氢弹就是利用核聚变制成。有控制地缓慢释放核聚变能实现和平利用聚变能称为受控核聚变。,核聚变,
7、可控核聚变能量的利用前景,3.1 核能,22,最容易实现核聚变反应的是原子核中最轻的核, 例如氢的同位素氘、氚等,热核反应是氘和氚聚合成 氦的反应,氘在地球上的海水中的储量特别丰富。,核聚变的核燃料,在发生核聚变的超高温下,以辐射的形式损失的热量是非常巨大的。如果聚变反应释放的能量小于辐射损失,热核反应就会中止。因此存在一临界温度,这一临界温度就被称作临界点火温度。对于氘氚反应,临界点火温度约为4 400万,聚变的生成物称为等离子体。,3.1 核能,23,核聚变反应的等离子体温度如此之高,以致任何材料制成的器壁都承受不了如此高温,因此必须对等离子体进行约束,即将它与周围环境隔离开来。目前有两种
8、不同的约束途径:磁约束和惯性约束。,高温等离子体由高速运动的荷电粒子(离子、电子)组成,可利用磁场来约束高温等离子体,使带电粒子只能沿着一个螺旋形的轨道运动,这样磁场的作用就相当于一个容器。这就是磁约束系统的思想。,磁约束系统,3.1 核能,24,磁约束有各种不同的形式,其中一种叫托卡马克(Tokamak,载电流的环形真空磁线圈)的系统是目前性能最好的磁约束装置 。,Central solenoid-中央纵向磁场,Toroidal-环向磁场,Poloidal-极向磁场,3.1 核能,25,托克马克原理图,3.1 核能,26,1985年作为结束冷战的标志行动,戈尔巴乔夫与里根在日内瓦倡议启动国际
9、热核聚变实验堆计划(International Thermal nuclear fusion Experimental ReactorITER) 。,2006年11月7个成员国(欧共体、日本、美国、俄国、中国、韩国和印度)政府正式签订国际协定:将上亿度高温的氚氘等离子体约束在体积为837m3的磁笼中,产生50万千瓦的聚变功率,维持500秒时间。,ITER计划,3.1 核能,27,ITER 计划谈判圆满结束,2006-11-21法国爱丽舍宫,3.1 核能,28,ITER Location 设置在何处?,Caradache (France) ITER装在法国,Rokkasho (Japan) 部分
10、设备放在日本,3.1 核能,29,ITER实验装置图,中国承担工程造价47亿美元的10,享有全部知识产权。 ITER是当前世界上投资第二巨大的国际大科学工程。,3.1 核能,30,全世界经过半个多世纪的努力在托克马克式核聚变实验堆研究方面已经取得一定成绩:,美国聚变功率超过10兆瓦; 欧洲聚变功率超过16兆瓦; 日本巨变输出功率/输入功率(等效Q值)达到1.25; 最高温度达到2-4亿度。,但所有上述成绩都是在脉冲堆上取得的,要稳态 运行必须研制全超导的托克马克实验堆;目前只有我国的EAST和ITER是全超导的实验堆。,3.1 核能,31,我国2006年在合肥建成的全超导托克马克(EAST),
11、放电时间超过1000秒,温度超过1亿度,极限真空1.310-5Pa, 氦气制冷总能力大于2400W。2007年3月通过国家验收 。,32,研究受控核聚变的目的是要在地球上实现“人造太阳”,为人类提供一个干净、安全、实际上无穷无尽的能源 。支撑受控核聚变的技术十分复杂,对人类科技提出了强烈挑战。,由于技术的高度复杂性,核聚变反应堆要真正商业化还有漫长的路要走!,33,内 容,34,无污染物质排 放(Nox,SOx,CO) 无温室效应气体 排放(CO2) 无毒害,无放射 性危害,燃料可再生产 产物可再利用,可作为工业原料或者 燃料、民用、运输工 具燃料等 可长期储藏,远距离 输送,绿色能源,环境友
12、好 可再生产 安全可靠,开发与研究可再生能源具有重大战略意义 是未来能源的发展方向,3.2 可再生能源,35,安装41盏,每盏可供55瓦钠灯每天照明8小时,每年节电6570度,青岛奥帆中心主防波堤风能灯,36,国家体育场“鸟巢”旁的太阳能路灯,太阳能路灯,37,利用风能、太阳能的奥运村建筑,奥运村建筑节能83% ,使用可再生能源占26.9%,38,可再生能源发展目标,注:世界各国制定的未来国家能源构成中,可再生能源的发电量占总发电量的比例。,39,可再生能源利用与成本预测,开再生能源的开发成本比较图(2020),可再生能源的利用率比较图,风能生物能次之太阳能,风能最低、太阳能次之,生物质最高,
13、注:国际能源署预测:到2030年 可再生能源的利用量-可再生能源的总利用量,40,我国2010、2020可再生能源发展前景,5 对可再生能源的大力发展,41,大幅度降低成本是太阳能研究的主要目标。,太阳能的优势、利用中的困难,3.2.1 太阳能利用技术,42,1994-2007 年全球太阳能装机容量,来源:EPIA, Photovoltaic energy electricity from the sun, 2008,世界太阳能利用状况,2007年比2000年装机容量增加8倍之多,3.2.1 太阳能利用技术,43,我国太阳能资源状况,太阳能资源非常丰富,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2
14、000小时 太阳年辐射总量,西部地区高于东部地区 青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心,3.2.1 太阳能利用技术,44,太阳能资源非常丰富,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时 太阳年辐射总量,西部地区高于东部地区 青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心,各地区太阳能资源分类,5.1 太阳能利用技术,45,目前主要应用,太阳能空调,制冷,干燥,转化为热能 (光热),太阳能建筑一体化,太阳能集热器,太阳能灶,太阳房,温室,转为化学能 (光化),太阳能海水淡化,自然光合作用(效率低,1),人工光合作用(基因转换,催化),制氢(光催化,热分解),能源植物(switchgrass),
15、太阳能光伏发电,太阳能热力发电,转化为电能 (光电),水蒸汽,气体 (烟囱,Stirling),槽式,蝶式,塔式,低沸点工质(太阳池),太阳能利用方式,3.2.1 太阳能利用技术,46,47,太阳能热发电系统,集热模块,发电模块,热传输模块,蓄换热模块,槽式聚焦,碟式系统,朗肯循环,塔式系统,斯特林循环,布雷顿循环,关键部件,辅助部件,关键部件,48,美国南加州SEGS,13-80MW,加热有机油到390,太阳能热电系统示范工程,49,美国加州Bastow Solar-1,10MW,太阳能热电系统示范工程,50,1996年,亚利桑那州的7kW碟式/斯特林热发电系统,德国雷根斯堡科技大学研制的3
16、50W碟式/斯特林热发电系统,效率接近20%,DISTAL I,DISTAL II,1992和1996年, 西班牙研制的9kW(I)和10kW(II)碟式/斯特林热发电系统,效率为21%左右,太阳能热电系统示范工程,51,太阳池循环热效率较低,约15。,太阳池是有一定浓度梯度的盐水池,兼具集热和蓄热的功能,可用于发电、供热等,特别适合具有盐资源的地区;,国际上最早由以色列Tabor提出,目前最大太阳池发电厂建于美国加州,已并网。,太阳池发电,52,尽管热气流发电热力学效率很低,只要能获得有竞争力的发电成本,仍有开发价值。,我国西部地区多山:天山、阿尔泰山,祁连山,东西走向,南坡是建造斜坡热气流
17、发电的理想场所。,坡顶烟囱,西班牙50kW试验电站,53,澳大利亚大规模太阳能热气流电站,安装地点,2003年,太阳能热气流电站动工建设,发电能力为200MW,计划投资6.7亿美元。供应20万户居民用电。,烟囱1000m,烟囱底面直径170m, 集热棚直径7000m,54,我国太阳能利用的思考,大力发展太阳能发电技术,采用经济性好的塔式和槽式 动力采用空气透平,提高发电效率 开展材料方面的研究,如吸热涂层和反射膜 加强蓄能的研究 大力发展太阳能热水器,3.2.1 太阳能利用技术,55,太阳能的空间应用,光-伏电利用现状,3.2.1 太阳能利用技术,56,The NASA Helios prot
18、otype solar-powered wing on its first test flight over the Pacific Ocean on July 14, 2001. Each of the 14 solar panels powers 2-horse-power electric motor, which drives one of the 14 propellers,3.2.1 太阳能利用技术,57,3.2.1 太阳能利用技术,58,光 伏 发 电 应用 举例,3.2.1 太阳能利用技术,59,60,柏林的太阳能候车亭,日本街上的卫生间,3.2.1 太阳能利用技术,61,安装
19、了光伏并网发电系统的深圳国际园林花卉博览园,1MW, 亚洲第一。,62,世界光伏电池发展情况,(1) 从1988到2003光伏电池产量平均每年递增20,近年来发展更快。,63,我国光伏电池近年发展更为迅速,无锡尚德生产能力2007年全球排行榜第3位,64,来源:EWEA, Pure power, 2008,94,122 MW,1990-2007年全球风电装机容量,3.2.2 风能发电技术,2007年比2000年装机容量增加6倍之多,世界风能发电发展,65,陆地风电场,3.2.2 风能发电技术,66,海上风电场,67,内蒙古草原上的风力电厂,南澳风力发电厂,达坂城风力电厂,68,风机叶片,目前,
20、最大的风力发电机是5-6MW,叶片直径126米,3.2.2 风能发电技术,69,全球风力发电量前十位国家,3.2.2 风能发电技术,70,全球风力发电地区分布(GW),2001年以来,全球每年风机装机增长速度为20%-30% 目前欧洲风力发电所占比例最大 我国近几年来风力发电增长速度较快,3.2.2 风能发电技术,71,我国风能发电状况,2007各国风电装机占有率,2050年BLUE系列下各国风电装机占有率,目前我国风电占有率较小,仅为6%。欧洲所占比例最大 未来几十年我国风电将快速发展,预计在2050年,将达到全球风电装机的31%,72,我国风能资源分布,我国风能资源丰富,73,我国风能资源
21、丰富 风能资源总储量约32.26 亿kW 可开发和利用的陆地上风能储量有2.53 亿kW,近海储量有7.5 亿kW,共计约10 亿kW 我国陆地风能密度150200W/m2的地区占26,风能密度在50150W/m2的地区占50 风能发电技术基本成熟 风力发电相对于太阳能、生物质等可再生能源技术更为成熟,74,我国风电和煤电价格比较,5.3 风能发电技术,风电价格逐年降低,预计到2020风电价格将与煤电价格持平,75,风力发电成本将大幅降低 技术装备国产化比例提高 海上风力发电成为重要能源形式 风力发电机组不断向大型化发展,5.3 风能发电技术,我国风力发电趋势,76,目前全世界风电应用中的两个瓶颈问题:(1)由于间隙性给风电并网带来困难;(2)海上风电设备极易损坏。国家973项目正在研究。,77,风电场风能资源预测和模拟方法 复杂地形和天气条件的风能资源形成与变化规律 近地风能资源形成机理 叶片的三维设计理论和优化设计方法 风电机组噪声产生机理和控制策略,5.3 风能发电技术,我国风电发展需解决问题,78,可开发水能资源3.78亿千瓦,可开发潮汐能2000万千瓦,地热总储量为4626亿吨标准煤,3.2.3 其他可再生能源,其他可再生能源,79,内 容,80,衷心感谢!,
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