第二章能量的轉換與儲存第三節：能量轉換的主要燃料第四節：機械能的獲取第五節：能量的儲存第六節：能量的傳輸1第三節能量轉換的主要燃料2燃料通常是指能夠通過燃燒過程而將化學能轉換為熱能的物質。所有化石燃料及由化石燃料加工而成的其它含能體；所有生物燃料以及由生物燃料加工而成的含能體。常用的化石燃料為煤、石油和天然氣，化石燃料有時又稱為礦物燃料。3核燃料天然鈾有三種同位素：鈾—238，占99.27%；鈾—235，占0.724%；鈾—234，占0.006%。這三種同位素化學性質基本相同。但中子數目不同；鈾—238有146個中子，鈾—235有143個中子，鈾—234有142個中子。這三種同位素的核特性相差很大，只有鈾—235的原子核才容易分裂成兩個中等質量的原子核，也就是我們所說的裂變。其它兩種同位素不易裂變。45第四節機械能的獲取6機械能的獲取

7將熱能轉換為機械能是目前獲得機械能的最主要的方式。熱能轉換成機械能的裝置稱之為熱機。因為熱機能為各種機械提供動力，故通常又將其稱之為動力機械。一、熱能的轉換1.熱機的效率應用最廣泛的熱機有內燃機、蒸汽輪機、燃氣輪機等。8內燃機主要為各種運輸車輛、工程機械提供動力，也用于可移動的發電機組。蒸汽輪機主要用于發電廠中，用它帶動發電機發電；也作為大型船舶的動力；或拖動大型水泵和大型壓縮機、風機。燃氣輪機除用于發電外，還是飛機的主要動力來源，也用作船舶的動力。廣泛應用的電能主要由機械能轉換得到。在火力發電廠中蒸汽輪機、燃氣輪機帶動發電機發電；在水電站中水能先轉換成水輪機的機械能，水輪機再帶動發電機發電。92.內燃機內燃機包括汽油機和柴油機，是應用最廣泛的熱機。大多數內燃機是往復式，有氣缸和活塞。內燃機有很多分類方法，但常用的是根據點火順序分類或根據氣缸排列方式分類。按點火或著火順序可將內燃機分成四沖程發動機和二沖程發動機。10應用廣泛11四沖程發動機完成一個循環要求有四個完全的活塞沖程：

1）進氣沖程：活塞下行，進氣門打開，空氣被吸入而充滿氣缸。2）壓縮沖程：所有氣門關閉，活塞上行壓縮空氣，在接近壓縮沖程終點時，開始噴射燃油。3）膨脹沖程（即下行沖程）：所有氣門關閉，燃燒的混合氣膨脹，推動活塞下行，此沖程是四個沖程中唯一做功的沖程。4）排氣沖程：排氣門打開，活塞上行將燃燒后的廢氣排出氣缸，開始下一個循環。12四沖程發動機13二沖程發動機是將四沖程發動機完成一個工作循環所需要的四個沖程納入二個沖程中完成。當活塞在膨脹沖程中沿氣缸下行時，首先開啟排氣口，高壓廢氣開始排入大氣。當活塞向下運動時，同時壓縮曲軸箱內的空氣—燃油混合氣；當活塞繼續下行時，活塞開啟進氣口，使被壓縮的空氣—燃油混合汽從曲軸箱進入氣缸。在壓縮沖程，活塞先關閉進氣口，然后關閉排氣口，壓縮氣缸中的混合氣。在活塞將要到達上止點之前，火花塞將混合氣點燃。于是活塞被燃燒膨脹的燃氣推向下行，開始另一膨脹做功沖程。當活塞在上止點附近時，化油器進氣口開啟，新鮮空氣—燃油混合氣進入曲軸箱。14

二沖程發動機15二沖程發動機16四沖程發動機和二沖程發動機相比，經濟性好，滑潤條件好，易于冷卻；但二沖程發動機運動部件少，重量輕，發動機運動較平穩。

內燃機只能將燃料熱能中的25%~45%轉換成機械能，其余部分大多被排氣或冷卻介質帶走。因此如何利用內燃機排氣中的能量就成了提高內燃機動力性和經濟性中的主要問題。隨著科學技術的發展，絕熱柴油機、全電子控制內燃機、燃用天然氣、醇類代用燃料和氫的新型發動機都相繼問世。進入21世紀，由于環境問題日益突出，因此研制新一代高效低排放的發動機已成為科學家們共同努力的目標。173.燃汽輪機燃汽輪機和蒸汽輪機最大的不同是，它不是以水蒸汽做工質而是以氣體做工質。燃料燃燒時所產生的高溫氣體直接推動燃汽輪機的葉輪對外作功，因此以燃汽輪機作為熱機的火力發電廠不需要鍋爐。它包括三個主要部件：壓氣機、燃燒室和燃氣輪機。18compressorCombustionchamberturbine19輻流式燃汽輪機20定子盤和轉子盤21軸流式燃汽輪機2223小型燃氣輪機24CompressorandDiffuserCompressorandDiffuserTurbineWheels25燃汽輪機具有以下優點：1）重量輕、體積小、投資省。燃汽輪機的重量及所占的容積只有汽輪機裝置的幾分一或幾十分之一，因此它耗材少，投資費用低，建設周期短。2）起動快、操作方便。從冷態起動到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機裝置則需幾分鐘到幾小時。3）水、電、潤滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水的地區運行；輔助設備用電少，潤滑油消耗少，通常只占燃料費的1%左右，而汽輪機要占6%左右。264.汽輪機

蒸汽輪機，簡稱汽輪機，是將蒸汽的熱能轉換為機械功的熱機。汽輪機單機功率大、效率高、運行平穩，在現代火力發電廠和核電站中都用它驅動發電機。汽輪發電機組所發的電量占總發電量的80%以上。此外汽輪機還用來驅動大型鼓風機、水泵和氣體壓縮機，也用作艦船的動力。27282930汽輪機如何工作A228MWaxialflowturbine.AxialflowofsteamChangeofradialmomentumdrivesrotorroundMiniaturelab.turbineRotormotion.31GasflowthroughtheturbineThediameterofthecompressorstagesgetsprogressivelysmallerasthegaspressurerises.Conversely,theturbinestagesgetprogressivelybiggerasthehotgasexpands,transferringmomentumtotheturbinebladesandpushingthemround.32二、水能和風能的轉換三、電能的轉換33第五節能量的儲存34一、概述在機械能、熱能、化學能、輻射能、核能等六種主要類型的能量中，除輻射能外，都能儲存在一些普通種類的能量形式中。機械能——以動能、勢能形式儲存。熱能——以潛熱、顯熱形式儲存。電能——感應場能或靜電場能。化學能、核能——自身即為儲能形式。35主要指標儲能密度儲存過程的能量損耗儲存裝置的經濟性儲能和取能的速率壽命（重復使用的次數）對環境的影響36二、機械能的儲存以動能形式儲存飛輪以勢能形式儲存。彈簧、扭力桿和重力裝置壓縮空氣儲能抽水蓄能電站純抽水蓄能電站混合式抽水蓄能電站

37飛輪動能儲存系統38SatCon飛輪能量儲存系統可以提供常規鉛酸蓄電池50倍的能量儲存容量NASA開發的飛輪能量儲存技術39液態空氣能量儲存系統40從上世紀80年代開始起步，到目前為止，我國已在9個省、區、市建成11座抽水蓄能電站，裝機容量約為570萬kW，占全國裝機容量的1.8％。大型電站廣州電站，裝機容量240萬kW浙江天荒坪電站，裝機容量180萬kW北京十三陵電站，裝機容量80萬kW河北潘家口電站，裝機容量27萬kW4142三、電能的儲存蓄電池發展方向：廉價、高效、能大規模儲能靜電場和感應電場電容器在直流電路中廣泛用作儲能裝置；在交流電路中則用于提高電力系統或負荷的功率因數，調整電壓高電壓技術、高能核物理、激光技術、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器超導磁鐵蓄能43蓄電池利用電化學原理44蓄電池蓄電池由正極、負極、電解液、隔膜和容器等5部分組成。45蓄電池作為電能儲存系統4647帶有超導磁鐵的飛輪電力儲存系統48四、熱能的儲存熱能儲存是把一個時期內暫時不需要的多余熱量通過某種方式收集并儲存起來，等到需要時再提取使用。顯熱儲存潛熱儲存化學儲存地下含水層儲存熱能49儲存時間隨時儲存，以小時或更短的時間為周期，隨時調整熱能供需之間的不平衡；短期儲存，以天或周為儲熱周期，維持一天（或一周）的熱能供需平衡；長期儲存，以季節或年為儲存周期，調節季節（或年）的熱量供需關系。501.顯熱式蓄熱蓄熱裝置設計、運行和管理簡單方便裝置體積龐大熱損失大2.潛熱儲存利用蓄熱材料發生相變而儲熱儲能密度高，裝置體積小，熱損失小過程等溫或近似等溫，易與運行系統匹配。51熱量儲存523.化學能儲存一種高能量密度的儲存方法利用某些物質在可逆化學反應中的吸熱和放熱過程來達到熱能的儲存和提取技術上困難，目前尚難實際應用4.地下含水層儲熱含水層儲冷：冬季將凈化過的冷水用管井灌入含水層里儲存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。含水層儲熱：夏季將高溫水或工廠余熱水經凈化后用管井灌入含水層里儲存，到冬季時抽取使用，叫“夏灌冬用”53地下含水層儲熱54第六節能量的傳輸55一、概述能量的傳輸實質上是能量在空間的轉移。廣義上的能量傳輸通常有兩種含義：一種含義是指能量本身的傳遞，即能量從某一處傳至另一處，例如熱量從高溫物體傳至低溫物體。另一種含義是指能源的輸運，即含能體如煤、石油、天然氣等從生產地向用能處輸送。56能源輸送是能源利用中的一個重要環節。能源輸送方式很多，通常有鐵路、水路、公路、管道、輸電線路等多種方式。不同的輸送方式有不同的特點和適用范圍。受資源分布、能源消費多寡、交通運輸格局等諸多因素的影響，能源輸送工作是一項十分復雜的系統工程。57二、電能的輸送

電能的特點是發電、傳輸、用電都是同時發生。由于目前尚不能大規模地儲存電能，因此電能生產中的發電、供電、配電必須緊密配合，具有不間斷連續工作的功能，用戶在每一瞬間需要多少電，就能夠供給多少電。電力過剩就會造成電力生產能力的積壓浪費，電力短缺就會影響國民經濟的發展。采用大機組發電，建設大電網，提高輸電電壓成為電力工業發展的趨勢。581.電力產生2.通過升壓變電站電壓升高3.電能傳送4.通過降壓變電所降低電壓5.分配電力6.到達需要電力的地點59電能的輸送60升壓和降壓變壓器61我國電能輸送存在的問題是：電壓等級偏低，電壓層次過多，造成重復容量多，線路長、線損高，事故多，調度不靈。輸電方式單一，缺乏超高壓直流輸電。電網容量小，聯網發展緩慢，影響了電網整體效益的發揮。變配電設備陳舊老化，難以適應電力輸送發展的需要。62三、煤炭的輸運

1.煤炭的鐵路輸送

我國煤炭輸送主要是以山西、陜西和內蒙西部（所謂“三西”）為中心向全國缺煤省市輸送。632.煤炭的水路輸送

海運是北煤南運的主通道，華北煤炭供應華東和華南地區，海運約占55%，鐵路直達運輸約占43%。除了海運外，長江和大運河北段也是煤炭的主要水運通道。3.煤炭的公路運輸

公路主要承擔短距離的煤炭輸運，特別是鄉鎮煤礦生產規模小，布點分散，大量煤炭靠汽車集運到鐵路車站。由于鐵路運力不足，公路運輸作為輔助運輸手段，對煤炭的運輸也起到了重要作用。

64四、石油和天然氣的輸運

1.石油天然氣產銷區域分布

我國原油產地主要在長江以北，其中大慶、勝利和遼河油田的原油產量約占全國的60%，而對煉油能力而言，遼寧、吉林、黑龍江約占30%，京津冀占11%，山東占8%，蘇浙滬占19%，長江中游11%，廣東9%，西北11%，西南地區則沒有大、中型煉油廠，成品油基本上以煉油廠為中心就地供應，但也有相當數量的長距離跨省區輸送。65我國原油的輸送主要是通過管道、水運和鐵路，其中管道是主力。1990年管道輸油占64.62%，水運占28.54%，鐵路占6.84%；1996年則分別為69.0%,21.1%和9.9%。對水運和鐵路而言，1990~1995年油的運量占水運總量的23%，鐵路則僅為4.5%。天然氣則幾乎全部采用管道運送。2.石油輸送

原油輸送以管道輸送為主，通常陸上油田向煉油廠輸送原油的方式有三種：通過管道直接輸送到煉油廠；原油經管道輸送再轉海運或江運至煉油廠；原油管道運輸轉鐵路送至煉油廠。

66