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1、环境保护与新能源,几个值得思考的问题,人类社会为什么要以今天这种方式发展?（本课程之外的话题）为什么我们一定要关注环境？社会发展一定要以破坏环境为代价吗？有没有一种办法既能让社会发展又不破坏环境呢？如果有的话，我们如何才能做到呢？,环境保护与新能源,一、能源与社会发展,二、能源与环境,三、新能源,能源是社会发展的基石,能源与社会发展,能源与社会发展,二、能源消耗与环境保护,京都议定书,为了世纪的地球免受气候变暖的威胁，年月，个国家和地区的代表在日本东京召开联合国气候变化框架公约缔约方通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。,美国人口仅占全球人口的至，而所排放的二氧化碳却
2、占全球排放量的以上。,京都议定书规定，到年，所有发达国家排放的二氧化碳等种温室气体的数量，要比年减少.，发展中国家没有减排义务。,能源消耗与环境保护我们消耗哪些能源,我国的能源结构,世界的能源结构,石油,天然气,煤,其他,能源消耗与大气污染,污染源 污染物 一吨燃料或原料产生 污染物重量(公斤),锅炉(燃料)粉尘、二氧化硫、一氧化碳、515 酸类和有机物,汽车(燃料)二氧化氮、一氧化碳、酸类、有机物 4070,炼油(燃料)二氧化硫、硫化氢、氨、一氧化碳、25150 碳化氢、硫醇,化工(燃料)二氧化硫、氨、一氧化碳、酸、溶媒、50200 有机物、硫化物,冶金(燃料)二氧化硫、一氧化碳、氟化物、有
3、机物 50200,采矿(矿石处理加工)二氧化硫、一氧化碳、(原料)氟化物、有机物 100300,每年排放的二氧化碳达210万吨，化石能源开采高峰20202030年,呼唤新能源,化石燃料（老能源）消耗所造成的严重环境污染以及其自身不可再生人类今后面临能源枯竭社会要发展就一定要消耗大量能源，消耗大量能源就一定要破坏环境吗？,三、新能源的开发与应用,新能源,风能,生物能,太阳能,核能,地热能,潮汐能,氢能,核能原子世界的奇迹,核能的威力体验原子弹与氢弹图片,中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云,束缚能,束缚能就是指“把粒子从它的母体中分离出来所需要给它的能量”。比如把基态氢原子中的电子电离出来，必须给
4、它13.55电子伏特的能量，则基态氢原子的束缚能就是13.55电子伏特。,原子核(Nucleus)的构成,原子核包含两种粒子：中子(Neutron)与质子(Proton)中子与质子的质量相近，约为电子质量的1840倍。质子为什么会聚在一核之内？（万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用）,中子、质子、电子的质量,它们质量很小，通常以“原子质量单位”u表示1u=1.6610-27 kg1me=9.10910-31 kg=0.00055 u1mp=1.6726210-27 kg=1.00730 u1mn=1.6749310-27 kg=1.00869 u,原子核的结合能,中子的质量,质子的质
5、量,氘核的质量（质子+中子）,核能何来,核能的来源的两个途径可以获得能量：重核裂变，即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。轻核聚变。当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能。,重核裂变与轻核聚变,核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，这个过程会释放能量。,核聚变：数个小原子核结合并释放能量。,原子能的开发与利用,一、原子能的开发1、裂变的机制2、链式反应3、聚变反应的实现二、原子能的利用1、原子弹与氢弹2、核电站3、可控核聚变的研究现状与前景,裂变的机制中子扰动克服强相互作用,裂变过
6、程中的核形变,核裂变反应,链式反应,聚变反应高温高压克服电磁排斥,氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。,太阳上的核聚变反应,视频：太阳,原子弹与氢弹核能的直接体验,原子弹：它是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。氢弹：又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的裂变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与原子弹基本相同，但威力比原子弹大几十甚至上千倍。,原子弹与氢弹图片,中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云,视频：原子弹与核能,核电站可控裂
7、变反应核裂变能的利用,核电站一般分为两部分：1、利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和2、利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统）。,压水堆核电站基本工作原理,核岛,常规岛,视频：核电站,中国现有的核电站包括：秦山核电站（运营中）大亚湾核电站（运营中）岭澳核电站（运营中）田湾核电站（建设中）三门核电站（建设中）,大亚湾核电站,广东省深圳市龙岗区大鹏镇大坑村,岭澳I期核电站,广东省深圳市龙岗区大鹏镇岭澳村,秦山I期核电站,浙江省嘉兴市海盐县秦山镇,秦山II期核电站,浙江省嘉兴市海盐县武原镇杨柳山,秦山III期核电站,CANDU型重水压水堆由加拿大原子能源有限公司(AECL
8、 Atomic Energy of Canada Limited)投资设计建造并经营，运行20年后产权和管理归属中国。,秦山三期重水堆核电站,三门核电站,浙江省嘉兴市海盐县秦山镇螳螂山,田湾核电站,江苏省连云港市连云区高公岛乡田湾,核能优点,减少依赖化石燃料。生产巨大能量。只需小量原料。铀矿蕴藏量足够长期使用。运作成本较低（约为火力发电三分之一）。生产电力时不会造成空气污染。,核能的缺点呼唤人类技术进步,如果核能发电厂发生爆炸就会放出大量的辐射。,切尔诺贝利核电站大爆炸已有近万人死亡，十万人受到核辐射伤害，造成直接经济损失数十亿美元，间接经济损失数千亿美元，后患将影响一百年以上。有专家认为，苏
9、联境内将有两万五千人死于核污染引起的癌症。,核废料的处理不当将造成辐射污染,核能发展现状与国家能源需求,核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源一座百千瓦核裂变电站，300万吨原煤/年法国核电约占总发电量的70%左右英、美等国核电约占总发电量的20%左右,而中国大陆仅1%左右，核电可大有作为!,可控核聚变的研究现状与前景,中国、日本、韩国、俄罗斯、美国和欧盟6大ITER成员国2005年6月28日在莫斯科敲定法国的卡达拉舍（Cadalache）为可控核聚变反应堆建设地，这一为期30年、共计投资将超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目很快就将正式启动。,托卡马克装置,托卡马
10、克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由苏联的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。,托卡马克装置,Tokamak Fusion Test Reactor,1989,USA,托卡马克装置,Glowing Plasma inside the Tokamak Fusion Test Re
11、actor,中国的托卡马克装置,中国的超导托卡马克 EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak)-中国的人造太阳实验室研发阶段,核辐射及其防护三种射线、和,1899年卢瑟福（E.Rutherford）发现了、射线1900年法国维拉尔发现了射线卢瑟福是这三类辐射术语的命名者。射线是带两个正电荷的氦核流；射线是带是带负电的电子流；射线是电中性的电磁辐射（高能光子流）。,三种射线在电场中的偏转,对这三种射线，用它们在垂直于运动方向的电场（或磁场）中的轨迹即可区分。,视频：三种射线,三种射线穿透性比较,放射性活度和电离辐射剂量,1、放射性活度一
12、定量的放射性核素在单位时间内的衰变数单位：1贝克勒尔（Bq）=1次衰变/秒 1居里（Ci）=3.71010 Bq放射性活度只取决于放射源的性质2、电离辐射与辐射剂量 电离辐射：、与射线可以直接或间接引起物质电离,放射性活度和电离辐射剂量,3、电离辐射的照射剂量单位电离辐射剂量描述放射性射线与物质的相互作用后使物质发生电离能力的大小。单位：1伦琴（R）=2.58104 库仑/千克4、吸收剂量及单位吸收剂量：单位质量的被照射物吸收辐照能量的能力单位：1戈瑞（Gray）=1焦耳/千克,放射性活度和电离辐射剂量,辐射剂量当量和有效剂量当量：描述生物组织对辐射吸收剂量所产生的效应单位：1希沃特（Sv）=
13、1焦耳/千克常用单位：毫希（mSv）1Sv=1000mSv常用单位：雷姆（rem）1Sv=100rem,日常生活中接触到的辐射剂量,国家规定安全剂量 5 mSv年 北京地区天然本底 2 mSv年 吃食物 0.2 mSv年 砖制房屋 0.4 mSv年 乘飞机 0.01 mSv小时,日常生活中接触到的辐射剂量,胸部透视 大于0.1 mSv次 消化道造影大于13.7 mSv次吸烟20支天 1 mSv年门诊透视 大于0.3 mSv次 泥土、空气 0.5 mSv年,太阳能,1、你能说说太阳能的特点吗？2、目前利用太阳能的主要方法有哪些？,太阳灶,太阳能热水器,航天器,太阳能发电装置,太阳能汽车,太阳能发
14、电站,太阳能储备,太阳能电池,1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。,太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect
15、)由太阳光与材料相互作用而产生电势。,太阳光谱图,太阳能电池的种类,按照所用材料的不同：,无机太阳能电池半导体硅(单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）光化学太阳能电池（纳米TiO2等）,无机太阳能电池,工作原理,当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。,无机太阳能电池研究进展,表1 无机太阳能电池的性能及应用,单晶硅：澳大利亚新南威尔士大
16、学格林教授发电成本可降低为58美分/（kWh）,M.Grtzel,Photoelectrochemical cells,Nature 2001(414),338,有机太阳能电池,工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。研究进展:美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供07V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。,色素敏化光化学太阳能电池（DSSCs）,阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料 阴极：镀铂的导
17、电玻璃电解质：I3-/I-,太阳能电池的发展方向,材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合_环保建筑架设太阳电池组件日本：1994-2000年 2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划 280Mw美国：19972010年 百万屋顶计划 3025MW 发电成本6美分集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃,风能发电,澳大利亚风力发电,生物能广大农村地区,沼气能源,可燃冰,可燃冰是一种天然气水合物的俗称，这种物质在低温和40多个大气压下才是稳定的。可燃冰到达水面可以立即融化，同时成分中的甲烷开始燃烧。每立方米可燃冰可释放164立方米甲烷。,可燃冰分布广，资源丰富，据计算这种未来的能源可供人类使用上千年。可燃冰杂质少，无污染。可燃冰虽好，但开采不易。,地热能,冰岛地热,西藏羊八井地热电站，是我国最大的地热电站,潮汐能,浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。,潮汐的形成,思考题,1、对人类未来能源发展与消费，你有什么更好的方案2、你赞同在你家附近建立核电站吗？3、你赞成政府花大量资金开发“人造太阳”吗？4、在所有这些新能源当中，你认为哪一种更有发展前途？,
