高中物理 第四章 機(jī)械能和能源 第8節(jié) 能源的開發(fā)與利用教案1 粵教版必修2.doc

第8節(jié) 能源的開發(fā)與利用二、新課教學(xué) 1、一次能源和二次能源 教師：汽油、柴油都是從石油提煉出來的。那么煤、石油、天然氣等等是從哪里來的呢？ 學(xué)生：地下開采出來的。 教師：地下的這些東西又是從哪里來的呢？ 學(xué)生：煤、石油、天然氣都是由古代的動(dòng)物、植物經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的地質(zhì)變遷中形成的。 教師：對(duì)于這類型的能源我們把它們統(tǒng)稱為化石燃料?；剂?、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等等都是由自然界提供的能源叫做一次能源。 教師：一次能源是自然界直接提供的能源。教室里點(diǎn)燈，工廠里開動(dòng)機(jī)器都要用電能，電能是哪里來的呢？火箭所使用的燃料氫又是怎么得到的？ 學(xué)生：電能是由發(fā)電廠供給的；電能可由化學(xué)能、水能、風(fēng)能甚至還可由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來。 教師：同學(xué)們說得都對(duì)?；痣姀S把煤、石油等化石燃料轉(zhuǎn)化成電能；水電站把水流能轉(zhuǎn)化成電能；干電池、蓄電池把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能；太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，電能是由化石燃料、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等等自然界直接提供的能源轉(zhuǎn)化而來的，所以叫做二次能源。 2能源危機(jī) 教師：請(qǐng)同學(xué)們談?wù)勎覀儑?guó)家目前的能源形式。 引導(dǎo)學(xué)生分析得：（鼓勵(lì)學(xué)生參與討論，適當(dāng)引導(dǎo)，盡可能的提高積極性。） （1）國(guó)的能源比較豐富，但其分布很不均勻 （2）在一次性能源的構(gòu)成中，煤炭仍然占有主要地位， （3）內(nèi)陸和中西部城鎮(zhèn)主要以煤和火電為主；廣大農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)大多正從使用農(nóng)作物秸稈等生物能源。（4）人均能源資源不足。我國(guó)是世界第三大能源生產(chǎn)國(guó)和第二大能源消費(fèi)國(guó)，而我國(guó)能源短缺，特別是油氣資源短缺已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。相關(guān)數(shù)據(jù)煤炭、石油和天然氣的人均資源占有量只有95t，世界平均值為209t，約是世界人均值的1/2；我國(guó)人均石油可采儲(chǔ)量3t，世界平均值為28t，約為世界平均值的1/10。我國(guó)人均能源消費(fèi)量不足1.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤，居世界89位，不足世界人均能源消費(fèi)水平的一半，僅占發(fā)達(dá)國(guó)家的1/51/10。其中人均消費(fèi)650kg標(biāo)準(zhǔn)煤，是世界平均額的95%；人均消費(fèi)石油相當(dāng)145kg標(biāo)準(zhǔn)煤，為世界平均數(shù)的16.8%；人均消費(fèi)天然氣相當(dāng)17.7kg標(biāo)準(zhǔn)煤，為世界平均數(shù)的3.9%；人均消費(fèi)電力501.5kwh，為世界平均水平的25%。（5）是能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理，突出存在著一低兩高：即電能消費(fèi)比例低，非商品生物能源消費(fèi)量高，一次性商品能源消費(fèi)中原煤消費(fèi)比重高。原煤消費(fèi)達(dá)到75%，遠(yuǎn)高于26.2%的世界平均水平。（6）是我國(guó)能源消費(fèi)系數(shù)高，效率低，主要表現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)耗能高。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，我國(guó)主要耗能產(chǎn)品的單位產(chǎn)品能耗比國(guó)際先進(jìn)水平高30%以上。能源系統(tǒng)的總效率低下，不到發(fā)達(dá)國(guó)家的1/2。這說明我國(guó)能源從開采、加工、轉(zhuǎn)換、輸送、分配到終端利用的全過程中,有70%80%被損失和浪費(fèi)了。從單位gdp能源消費(fèi)看，我國(guó)的能源效率也處于世界上很低的水平。（7）是環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻。我國(guó)一次能源以煤為主，嚴(yán)重污染環(huán)境。相關(guān)數(shù)據(jù)so2的排放量居世界第一位，酸雨的覆蓋面積已超過國(guó)土面積的30%，co2的排放量占全球總排放量的13%，列世界第二位。燃煤造成的so2、co2、nox及tsp的排放量分別約占85%、85%、60%和70%。隨著政府和公眾社會(huì)對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注，環(huán)境法規(guī)越來越嚴(yán)格，對(duì)煤炭利用市場(chǎng)尤其是高硫煤的銷售，造成了較大的影響。中國(guó)21世紀(jì)議程提出：“到本世紀(jì)末，全國(guó)二氧化硫總排放量控制在21002300萬t”。1998年1月國(guó)務(wù)院簽發(fā)的國(guó)務(wù)院關(guān)于酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)有關(guān)問題的批復(fù)指出：(1)禁止新建煤層含硫分大于3%的礦井，建成的生產(chǎn)煤層含硫分大于3%的礦井，逐步限產(chǎn)或關(guān)停。(2)禁止在大中城市及遠(yuǎn)郊區(qū)新建燃煤電廠。北京市甚至還規(guī)定，將在四環(huán)路以內(nèi)城區(qū)取消燃煤鍋爐?？梢哉f，日益嚴(yán)格的環(huán)保要求對(duì)煤炭的開發(fā)利用帶來了影響。3新能源的開發(fā)與利用 教師：同學(xué)們說得很好，我國(guó)的能源問題非常的餓嚴(yán)峻，大家考慮一下有什么辦法可以緩解或更好的辦法來解決我國(guó)的能源問題？解決能源問題的主要出路再何方？ 資料：化石燃料、水流能、風(fēng)能等都來源于太陽(yáng)光的輻射，即太陽(yáng)能。太陽(yáng)每秒鐘要向周圍空間輻射3.81026焦的能量，其中到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能只有1.71017焦，但仍有大量的太陽(yáng)能還沒有被利用。近年來發(fā)明的太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電池等對(duì)太陽(yáng)能的直接利用還剛剛開始。這里還有很大的潛力可挖。此外自然界還存在大量的潮汐能和地?zé)崮?，我?guó)和有的國(guó)家已試驗(yàn)用潮汐能和地?zé)崮軄戆l(fā)電，由于有些技術(shù)問題還沒有解決，使造價(jià)過高，因此還沒有被廣泛采用。另外本世紀(jì)初還發(fā)現(xiàn)了原子核能（原子能），原子能已經(jīng)作為核潛艇、航空母艦和破冰船的核動(dòng)力，也廣泛地用于核電站。 我們把化石燃料、水流能、風(fēng)能等人類早就應(yīng)用的能源叫做常規(guī)能源。 把核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、潮汐能等新近才開始利用的能源叫做新能源。 解決能源問題的主要出路（所有數(shù)據(jù)老師把握，整個(gè)新能源的得出由學(xué)生分組討論得到） 教師：開發(fā)和利用新能源是人類解決能源問題的主要出路。我國(guó)雖然蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，新油田也在不斷被發(fā)現(xiàn)，但是我國(guó)人口眾多，能耗巨大，節(jié)約常規(guī)能源的消耗，開發(fā)和利用新能源仍是我國(guó)的一項(xiàng)重要任務(wù)。 參考數(shù)據(jù)：全球再生能源可轉(zhuǎn)換成為二次能源的儲(chǔ)能為185.55億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約為目前全球化石燃料消耗量的兩倍，說明再生能源大有可為。但是，除水能基本得到充分利用外（發(fā)達(dá)國(guó)家利用率90%，中國(guó)10），很多再生能源有待開發(fā)。有資料表明，美國(guó)到2030年再生能源在總利用能源中比重可達(dá)30，英國(guó)到2020年再生能源占總開發(fā)電量的20，但是不少人對(duì)此并不太樂觀。對(duì)中國(guó)來說，首要的是開發(fā)水力資源和生物質(zhì)能，其次是發(fā)展地?zé)崮?、風(fēng)能和太陽(yáng)能。太陽(yáng)能和風(fēng)能的利用存在較大的新材料問題。 （1）.核能核能是康價(jià)的清潔能源，核電占世界電能的17，已建核電裝置400余座。但是由于核電站的安全與廢料處理問題，目前核電發(fā)展緩慢。盡管如此，核電裝置的改進(jìn)仍在不斷地進(jìn)行，其中有不少材料問題，現(xiàn)僅就正在開發(fā)的兩類核電裝置分述如下?？熘凶釉鲋扯眩含F(xiàn)行裂變反應(yīng)堆所用燃料都是235u，而鈾礦中235u含量只有0.7，98以上是238u?？熘凶釉鲋扯丫褪菍?38u吸收一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)?39pu，以此為燃料可使鈾的利用率達(dá)70。1200mw的快堆在法國(guó)己運(yùn)行多年，但這種堆型存在一個(gè)嚴(yán)重的材料問題，即液體鈉的腐蝕，以致造成了多次泄漏事故。同時(shí)，半衰期很長(zhǎng)的239pu，也可造成嚴(yán)重污染。最近提出的“加速器驅(qū)動(dòng)的核反應(yīng)堆”設(shè)想，就是利用擅變?cè)硎?39pu，自循環(huán)，從而解決污染問題，我國(guó)在這方面正開展基礎(chǔ)研究工作。可視為永久能源的聚變堆：兩個(gè)輕原子融合成重原子叫核聚變，它比核裂變產(chǎn)生的能量更大。氖和氟是氫的同位素，它們?cè)谝欢l件下發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放能量。海水中氛含量為0.034/kg，全球海水中氖含量多達(dá)0u，而每克氖相當(dāng)100汽油，所以說一旦聚變堆開發(fā)成功，將成為永久能源.聚變反應(yīng)的點(diǎn)火溫度高達(dá)5108，在210-10秒內(nèi)注入100萬的能量。目前歐美都己點(diǎn)火成功，但距商業(yè)化很遠(yuǎn)，要在2050年或更長(zhǎng)的時(shí)間才有可能。我國(guó)也有兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，用以探索物理原理，也可做一些材料研究。核聚變裝置對(duì)材料要求十分苛刻，如耐中子輻射、耐高溫和抗氫脆等。因此，材料是聚變堆能否實(shí)用化的關(guān)鍵因素。（2）.太陽(yáng)能（在有太陽(yáng)光的地方展示太陽(yáng)能電池板收集太陽(yáng)能可以帶動(dòng)小電風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)）太陽(yáng)照射到地面的能量相當(dāng)于全球能耗（1.11010kw）的1.6萬倍，既無污染，又是永久性能源?？上?yáng)輻射到地球的能量密度太低，只有1kw/m2，還受氣候影響。太陽(yáng)能的利用形式主要有兩種:是熱能的直接利用，如利用鏡面或反射槽將太陽(yáng)光聚焦在收集器上，由中間介質(zhì)吸熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)氣輪機(jī)組發(fā)電，美國(guó)單臺(tái)容量己達(dá)80mw；另一種形式是利用小型太陽(yáng)能裝置為房屋采暖供熱，現(xiàn)己大量應(yīng)用。研制高效、長(zhǎng)壽、廉價(jià)的光伏轉(zhuǎn)換材料已成為目前能源新材料領(lǐng)域的重要課題。當(dāng)前不同材料的最高轉(zhuǎn)換效率為非晶硅（薄膜，可鋪覆）為12.7，理論上可達(dá)24，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差；多晶硅為17.7，種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多晶硅太陽(yáng)能電池可達(dá)24.4；單晶硅為28.7，cdte或cds為13；cu(ga,in)te為17，gaas及gainp可高達(dá)25-30。目前，太陽(yáng)能電池組價(jià)格為每峰瓦-5美元，估計(jì)要達(dá)到0.4美元左右才能在電價(jià)方面與常規(guī)發(fā)電相當(dāng)。近年來正在研制便于大規(guī)模制造的燃料納米半導(dǎo)體材料及有機(jī)光伏轉(zhuǎn)換薄膜。盡管如此，在某些日照時(shí)間長(zhǎng)、居民分散地區(qū)建立太陽(yáng)能電站還是有意義的，因此發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極開發(fā)太陽(yáng)能，如美國(guó)百萬屋頂計(jì)劃，德國(guó)十萬屋頂計(jì)劃及日本1600個(gè)屋頂太陽(yáng)能電池系統(tǒng)等。我國(guó)對(duì)西部地區(qū)的開發(fā)應(yīng)把太陽(yáng)能的利用列為重點(diǎn)，因?yàn)槲鞑康貐^(qū)日照好、居民分散，適合發(fā)展太陽(yáng)能。20世紀(jì)70年代美國(guó)有一個(gè)異想天開的計(jì)劃，就是在同步人造衛(wèi)星上裝兩個(gè)16km2的電池板和聚光系統(tǒng)，將所獲電能用微波傳到地面。由于在大氣層外陽(yáng)光強(qiáng)度比地面高1.4倍，又不受氣候影響，據(jù)估計(jì)，由此得到的電能成本可與常規(guī)電能相比。但是，除了材料和技術(shù)問題以外，是否造成環(huán)境污染還需要論證。（3）.風(fēng)力發(fā)電太陽(yáng)能在地面上約2轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能，全球風(fēng)力用于發(fā)電功率可達(dá)11.3萬億kw，很有發(fā)展前景。風(fēng)能與風(fēng)速密切相關(guān)，我國(guó)沿海與西北地區(qū)的風(fēng)力資源豐富，大有作為，但風(fēng)車材料是關(guān)鍵。個(gè)2.5mw的風(fēng)車，轉(zhuǎn)子葉片直徑要80，包括傳動(dòng)箱的總重達(dá)30t；風(fēng)車高近百米，用材幾百噸。風(fēng)車葉片耍有足夠的強(qiáng)度和抗疲勞性能（全壽命轉(zhuǎn)數(shù)要求109以上），目前主要采用玻璃鋼或碳纖維增強(qiáng)塑料，正向增強(qiáng)木材發(fā)展。雖然風(fēng)能發(fā)電裝置造價(jià)較高（1000美元kw），但電價(jià)可與常規(guī)能源相比具有較強(qiáng)的可操作性。（4）.氫能氫被認(rèn)為是理想能源，熱值高、無污染。但是氫作為能源，存在兩個(gè)問題，一是氫的來源，只能通過電解水，太陽(yáng)能分解水，生物制氫，以及化工、冶金等流程制氫，這就需要消耗能源；二是氫在存儲(chǔ)、運(yùn)輸及應(yīng)用過程中容易發(fā)生爆炸，加氫對(duì)材料產(chǎn)生氫脆、氫腐蝕，以及氫滲漏等，所以近年來對(duì)儲(chǔ)氫材料的研究很多。種儲(chǔ)氫方式是將材料與氫結(jié)禽成為氫化物，需要時(shí)加熱放氫，放完后還可繼續(xù)充氫。同時(shí)儲(chǔ)氫材料又是高能蓄電池的負(fù)極。儲(chǔ)氫材料都是金屬間化合物。這些金屬間化合物比重大，并有中毒問題，限制了其應(yīng)用并且成本很高。目前正在研究的納