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新能源科学与工程导论

作者：陈军，严振华

出版社：科学出版社出版时间：2022-02-01

开本：其他页数： 296

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作者简介

新能源科学与工程导论版权信息

ISBN：9787030702036
条形码：9787030702036 ; 978-7-03-070203-6
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
教材
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工学

新能源科学与工程导论内容简介

本书结合国内外新能源科学与工程的积累及发展，对新能源领域的基本原理和应用进行了梳理、归纳、总结，使读者对新能源科学与工程领域有初步全面的了解。全书共六章，**章为绪论，主要介绍能源的基本概念、新能源及发展趋势，并介绍科学与工程的区别和联系。第二章为能量转换，介绍能量的基本性质、能量转换的基本原理和能量转换方法等。第三章为能量储存，包括能量储存技术的分类和储能产业发展情况等。第四章为新能源概论，从工程化的角度介绍太阳能、风能、氢能、生物质能、地热能、海洋能、核能等新能源工程技术。第五章为新能源关联产业，包括智能电网产业、电动汽车产业和电子产品、智能电源、人工智能产业及能源数字经济等。第六章对新能源科学与工程专业就业前景进行了介绍和分析。

新能源科学与工程导论目录

目录
丛书序
前言
第1章绪论 1
1.1 能源与新能源简介 1
1.1.1 能源的定义与概述 1
1.1.2 能源分类 1
1.1.3 能源利用史 2
1.1.4 新能源的定义和分类 5
1.2 科学与工程 10
1.2.1 什么是科学 10
1.2.2 什么是工程 11
1.2.3 科学与工程的区别和联系 12
1.3 新能源科学与工程 13
1.3.1 新能源科学与工程概述 13
1.3.2 新能源科学与工程专业对学生的要求 18
思考题 24
第2章能量转换 25
2.1 能量的基本性质 25
2.1.1 能量的六种基本属性 25
2.1.2 能量的分类 26
2.1.3 能量的单位 27
2.2 能量转换的基本原理 27
2.2.1 热力学**定律和第二定律 27
2.2.2 能量转换效率的计算 30
2.3 能量转换方法 31
2.3.1 其他能量转换为机械能 32
2.3.2 其他能量转换为热能 37
2.3.3 其他能量转换为电能 45
2.3.4 其他能量转换为辐射能 51
2.3.5 其他能量转换为化学能 53
思考题 56
第3章能量储存 57
3.1 能量储存技术及分类 57
3.1.1 引言 57
3.1.2 储能技术分类 58
3.2 常规储能技术 61
3.2.1 机械储能 61
3.2.2 电磁储能 66
3.2.3 超级电容器储能 69
3.2.4 相变储能 70
3.3 电池储能技术 71
3.3.1 引言 71
3.3.2 电池的基本概念 72
3.3.3 电池的发展史 76
3.3.4 铅酸电池 77
3.3.5 镍氢电池 83
3.3.6 液流电池 88
3.3.7 金属离子电池 94
3.3.8 金属电池 100
3.4 储能产业 106
3.4.1 储能设备应用场景 106
3.4.2 储能产业市场 109
3.4.3 我国储能产业发展前景 111
思考题 113
第4章新能源概论 114
4.1 太阳能工程 114
4.1.1 太阳能简介 114
4.1.2 资源分布 115
4.1.3 太阳能的利用方式 118
4.1.4 光伏电池的工作原理、制造及应用场景 122
4.2 风能工程 134
4.2.1 基本概念 134
4.2.2 资源分布 136
4.2.3 利用方式 138
4.2.4 风力发电机组的结构和原理 140
4.2.5 风力发电发展概况 149
4.2.6 风能产业市场 151
4.2.7 风力发电产业发展前景 157
4.3 氢能工程 159
4.3.1 基本概念 159
4.3.2 氢能的特点 159
4.3.3 氢能的利用方式 160
4.3.4 燃料电池 162
4.3.5 制氢技术工程 165
4.3.6 发展现状与趋势 172
4.4 生物质能工程 174
4.4.1 概述 174
4.4.2 光合作用 174
4.4.3 生物质资源的种类与特点 175
4.4.4 生物质能的利用方式 176
4.4.5 生物质能应用场景 178
4.4.6 生物质能的发展现状与趋势 184
4.5 地热能 187
4.5.1 地热能简介 187
4.5.2 热量在地球内部的传递 188
4.5.3 地热资源的分布、勘探与评价 192
4.5.4 地热能利用条件、方式与技术 193
4.5.5 地热能的发展现状、前景与挑战 200
4.6 海洋能 201
4.6.1 概述 201
4.6.2 海洋能的分类 202
4.6.3 海洋能的储量与分布 206
4.6.4 海洋能的利用方式与技术 212
4.6.5 海洋能的发展现状、前景与挑战 222
4.7 核能 223
4.7.1 概述 223
4.7.2 核反应与核能理论基础 224
4.7.3 核能的利用方式与技术 230
4.7.4 核能的发展现状、前景与挑战 236
思考题 238
第5章新能源关联产业 239
5.1 智能电网产业 239
5.1.1 智能电网概述 239
5.1.2 智能电网的关键技术 240
5.1.3 智能电网的发展现状与趋势 243
5.2 电动汽车产业 245
5.2.1 电动汽车的发展历程 245
5.2.2 电动汽车的分类与组成 247
5.2.3 电动汽车的关键技术 248
5.2.4 电动汽车的发展前景 253
5.3 电子产品、智能电源和人工智能产业 257
5.3.1 电子产品 257
5.3.2 智能电源 260
5.3.3 人工智能 261
5.4 能源数字经济 266
5.4.1 概述 266
5.4.2 发展能源数字经济的重要意义 266
5.4.3 能源数字经济的发展现状、趋势与挑战 267
思考题 268
第6章新能源科学与工程专业就业前景分析 269
6.1 新能源科学与工程专业就业发展分析 270
6.2 新能源科学与工程专业就业类型分析 270
6.3 新能源科学与工程专业就业面临的发展形势 275
6.4 新能源相关大型知名企业、期刊、机构介绍 276
思考题 280
参考文献 281

展开全部

新能源科学与工程导论节选

第1章绪论　　1.1能源与新能源简介　　1.1.1 能源的定义与概述　　根据《能源百科全书》可知，能源是可以直接或经转换给人类提供所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。“能源” (energy)一词昀早出现于 1599年，含义是“力量或活力的表现”，其词根来源于希腊文“ ergon”，含有“工作”之意。能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。　　地球上现有的能源主要来自太阳或地球本身，以不同的形式存在，如热能、电能、辐射能和化学能等。人类社会的发展离不开能源的使用和管理，特别是工业革命后，随着社会的快速发展，能源的消耗量越来越大。能源在人类社会发展史上起着至关重要的作用，但同时也带来很多负面影响，特别是化石能源的大量开采和使用，使得二氧化碳等温室气体和二氧化硫等有害气体排放量急剧增加，同时伴随着细颗粒物如 PM2.5等的生成，这些气体和颗粒物在大气中不断积累，带来一系列环境问题，对地球生态环境和生物多样性等造成了严重威胁。另外，由于制造业和运输业等经济活动的快速发展，人们对能源使用方式、利用效率、依赖程度，以及涉及的社会经济和国家安全等问题格外关注。　　1.1.2 能源分类　　能源有很多不同的分类方法，可以根据地球上能量的来源、产生的方式、获得的方法、使用类型以及被开发利用程度、是否可再生等来进行分类。　　根据地球上能量的来源可将能源分为三大类：**类是来自地球本身的能量，包括地球内部蕴藏的地热能 (如地下蒸汽、地下热水和干热岩体等 )以及地壳内铀、钍等核燃料所蕴藏的原子核能 (如核聚变能和核裂变能等 )；第二类是来自太阳的能量，包括直接来自太阳的能量 (如太阳光热辐射能 )和间接来自太阳的能量 (如煤炭、石油、天然气、油页岩等可燃矿物及薪材等生物质能，水能和风能等 )；第三类是地球与太阳、月球等天体相互作用产生的能量，如潮汐能等。　　另外，比较常见的是按照能源的产生方式以及获得的方法进行分类，可以将能源分为一次能源和二次能源 (图 1.1)。一次能源是指在自然界现存的能源，如石油、天然气、煤炭等。二次能源是指由一次能源加工或转换而成的能源产品，如氢能、煤气、蒸汽、电力以及各种石油制品等。　　图 1.1能源的基本分类　　一次能源又可分为可再生能源 (如太阳能、风能、生物质能和水能等 )和非再生能源 (如石油、煤炭和天然气等 )。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称之为可再生能源。太阳能、海洋能、风能、水能和生物质能等是可再生能源。而非再生能源一般是需要经过亿万年形成并且在短期内无法恢复，如石油、天然气和煤炭等，也称化石能源。石油一般认为是由地层中的有机物质“油母质”经地温长时间的熬炼，一点一滴地生成而浮游于地层中。天然气是一种碳氢化合物，主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类组成，其中甲烷占 80%～90%。天然气的生成过程和石油类似，但比石油更容易生成。煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没在地下，在适宜的地质环境中经过漫长的时间演变而成，含碳量一般为 46%～97%。煤是重要的燃料和化学工业原料。随着大规模的开采利用，非再生能源的储量越来越少，甚至面临枯竭的问题，造成能源危机。因此，自 20世纪 70年代出现能源危机以来，各国都重视节约使用非再生能源，并加速对可再生能源的研究与开发。　　二次能源，也称次级能源或人工能源，是一次能源经过加工转换成另一种形态的能源，因此严格地说它不是“能源”，而应称之为“二次能”。主要有氢能、煤气、焦炭、液化石油气、乙醇、沼气、蒸汽、热水、电力和汽油、煤油、柴油、重油等石油制品。一次能源加工转换成二次能源时，总会有转换损失，即存在转换效率；但二次能源比一次能源有较高的终端利用效率，也更清洁和便于利用。在生产过程中排出的余能，如高温烟气、高温物料热，排放的可燃气和有压流体等，也属二次能源。一次能源无论经过几次转换所得到的另一种能源产品都称为二次能源。一般来说，二次能源大多是提高了品质的能源，应珍惜使用。例如，为满足各种用油设备的需求，把原油加工成汽油、煤油、柴油等石油制品；为提高劳动生产率，需要使用各种电动设备，所以要把煤、油等燃料转换成电能。　　1.1.3 能源利用史　　人类对能源的利用昀早可追溯到火的发现和使用，火的使用开启了人类对外部能源利用的历史。随着人类对能源认识的加深和科技的不断进步，人类社会使用的能源也在不断地发展和演变。能源应用技术的发明和普及改变了人类社会的生产方式、消费模式、交通模式、定居模式和组织形式。能源的大规模使用为人类享受高水平物质生活提供了重要基础。　　到目前为止，人类利用能源的历史大致可以分为四个重要的阶段，分别是以植物燃料(如柴薪和木炭等 )为主的“柴薪时代”，以煤炭为主的“煤炭时代”，以石油和天然气为主的“石油时代”，以及当今清洁新能源如太阳能、风能和核能等快速发展的“新能源时代”。　　柴薪是人类**代主体能源。生火是人类掌握的**项技术，恩格斯在评价火的作用时说：“摩擦生火**次使人支配了一种自然力，从而昀终把人同动物分开。 ”柴薪就是人类以自然界生长的木柴作为燃料的一种能源，属于可再生能源。柴薪利用贯穿整个人类的文明发展史。据估计，人类以柴薪为主要能源的时代长达百万年。在煤炭和石油未被开发出来之前，柴薪一直是人类的主要能源利用形式，至今仍是许多发展中国家的重要能源。随着社会的进步和人口的增加，人类对能源的需求量不断提高，需要足够的燃料来保证大规模的工业化生产。在 18世纪中叶以前，钢铁的冶炼几乎全部使用木炭。由于人类长期以来对柴薪大量无节制的使用，造成了一系列环境问题，也给人类自身的生存环境带来了严重的影响，如林地日减、土地荒漠化、干旱等。世界性环境问题的日益突出使人们意识到树木对人类生存的重要性，各国都花了相当大的力气改善森林植被，节制对树木的砍伐，广泛造林。到 18世纪中叶，煤炭作为一种比柴薪更适合工业化生产要求的能源开始崭露头角，并逐步大量应用于蒸汽机、金属冶炼、矿石开发和舰船等，人类社会开始进入“煤炭时代”。　　煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。煤炭形成过程缓慢，具有不可再生性质。煤炭被人们誉为“黑色的金子”“工业的食粮”，它是 18世纪以来人类使用的主要能源之一。人类对煤炭的认识昀早可追溯到公元前，古代中国、古希腊、古罗马等地都有使用煤炭的记录。由于生产力的限制，人们对煤炭的认识尚处于早期，柴薪仍是昀主要的能源。宋应星于 1637年刊出了被誉为“中国 17世纪的工艺百科全书”的《天工开物》，记载了明朝中叶以前中国古代的各项技术，其中就提到了关于采煤的技术。世界近代煤炭工业是从 18世纪 60年代英国的工业革命开始的，煤炭是欧美各国工业化的动力基础。蒸汽机的发明巩固了煤炭在能源中的地位，从此煤炭成为世界工业化的动力基础，也成为世界主要能源之一。　　石油时代始于 19世纪初，那时世界对石油的消耗和对内燃机的使用迅速增加。在我国，昀早提出“石油”一词是在公元 977年北宋时期的《太平广记》中。北宋杰出的科学家沈括在所著《梦溪笔谈》中，根据这种油“生于水际，沙石与泉水相杂，惘惘而出”而将其正式命名为“石油”。在“石油”一词出现之前，国外称石油为“魔鬼的汗珠”“发光的水”等，中国则称为“石脂水”“猛火油”“石漆”等。在石油时代后期，石油成为世界主要能源，石油开采技术高速发展，而各国也大量开采石油以应对极高的石油需求。根据世界各大能源机构的预测结果，在未来较长时期内，石油、天然气和煤炭仍将是能源领域非常重要的三个组成部分。　　20世纪 40年代，著名科学家费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学成功启动了世界上**座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。随后，苏联、美国、法国等发达国家建造了大量核电站。核能分为核裂变能和核聚变能两种，前者是由核裂变反应释放的能量，后者则是由核聚变反应释放的能量。核裂变能是目前核能利用的主要形式，商用核电站均属于核裂变能，其优点是少量原料就可产生巨大的电能、环境污染少且不存在对化石燃料的依赖。我国的核工业起步于 20世纪 50年代中期，现已形成比较完善的核工业体系。我国在 1971年开始进行核电厂的研究和设计，经过几十年的努力，迄今已经建成和正在建设的核电机组达到 70余套，先后建成了秦山、大亚湾、田湾等多个核电基地。目前核聚变能还处于研究阶段，人类还没有完全掌握控制聚变过程的技术。与核裂变相比，核聚变不会产生长寿命和高放射性的核废料，也不产生温室气体，因此基本不污染环境；此外，地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。然而，未来核聚变能要成为可供人类大规模利用的能源，除了技术可行性和安全性之外，还需要把成本控制得足够低才有竞争力。　　当今世界正处在能源过渡时期：后化石能源时代对新能源的不断探索。能源过渡时期的主要特点是煤炭、石油和天然气仍是消费昀多的能源，但是它们消费的比重有逐渐下降的趋势，加大了对太阳能、风能和生物质能等新能源的开发和利用，能源消费结构开始从以石油等为主的化石能源逐步向多元化能源结构过渡。　　发展新能源是实现低碳发展的关键，新能源开发利用步伐加快，已经成为全球能源增长的新动力。随着科学技术的进步，新能源开发利用成本不断下降，与化石能源相比已经具有较强的竞争力，新能源发展渐入“黄金期”。加强新能源科技攻关已成共识，新能源革命到来的速度有可能超过预期，特别是新能源发电成本降低和电池储能技术的突破将强力推动“新能源时代”的来临。可再生能源发电装机容量快速增长与电网容纳能力不足的矛盾是限制发展的瓶颈问题。通过优化调整电网结构，发展蓄能和多能源电网技术组合，可提升电网中可再生能源的消纳比例。电力的存储技术是决定新能源能否对传统化石能源实现革命性替代的关键。　　能源的利用和人类的工业化进程密切相关，人类历史上的几次工业革命都离不开能源的革新 (图 1.2)。　　图 1.2能源利用与工业革命　　**次工业革命 (蒸汽时代 )：18世纪中期至 19世纪 40年代，以纺织机械变革为发端，以蒸汽机的发明和改进为标志的技术革命；给资本主义生产的各个领域带来极其深刻的影响，掀起了遍及欧洲资本主义世界的近代产业革命；引起燃料、原料、化工、运输等的加速化连锁反应；动力能源的需求特别是煤炭成为技术革命的重大需求与关键问题。从此，人类开始进入机械化时代。　　第二次工业革命 (电气时代 )：19世纪 60年代后期，由蒸汽时代进入电气时代。在这一时期，一些发达资本主义国家的工业总产值超过了农业总产值；工业重心由轻纺工业转为重工业，出现了电气、化学、石油等新兴工业部门。 19世纪 70年代以后发电机、电动机相继问世，以及远距离输电技术的出现，推动了电气工业迅速发展，电力在生产和生活中得到广泛应用。　　第三次工业革命 (信息时代 )：20世纪 30～40年代以来，以原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为主要标志，涉及信息技术、能源技术、材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。第三次工业革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且影响了人类生活方式和思维方式，使人类社会生活和现代化向更高境界发展，开始进入自动化时代。　　前三次工业革命使得人类发展进入了空前繁荣的时代，与此同时，也造成了大量的能源、资源消耗，付出了巨大的环境代价、生态成本，急剧地扩大了人与自然之间的矛盾。　　第四次工业革命 (智能时代 )：进入 21世纪，人类面临空前的全球能源与资源危机、全球生态与环境危机、全球气候变化危机的多重挑战，由此引发了第四次工业革命。第四次工业革命是以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表，以人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、生物医用技术、虚拟现实、数字经济等为主的全新技术革命，借助互联网和无线通信构建网络物理智能系统。　　1.1.4 新能源的定义和分类　　1. 新能源的定义　　长期以来，人们对于“新能源”的认识存在一些争议，定义比较含糊，范围不够清晰。“新能源”的“新”字是区别于传统的“旧”能源利用方式及能源系统，还是仅仅指一种新的能源技术？“新”不仅区别于工业化时代以化石燃料为主的能源利用形态，而且区别于旧式的只强调转换端效率而不注重能源需求侧的综合利用效率；区别于只强调企业自身经济效益，不注重资源、环境代价的旧的传统能源利用思维模式。　　1980年联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能、核能 (原子能 )和水能。　　新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括各种可再生能源和核能。新能源的各种形式都是直接或间接来自太阳或地球内部深处所产生的热能，以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。可再生能源指在自然界可以循环再生，是取之不尽、用之不竭的能源。可再生能源不需要人力参与便会自动再生，是相对于会穷尽的不可再生能源的一种能源。可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能、地热能等。相反，煤、石油和天然气等化石能源是不可再生能源。　　传统的燃油车会消耗大量的石油等化石燃料，同时排放尾气造成环境污染。而新能源汽车是指采用非常规的车用燃料 (除汽油、柴油之外的燃料 )作为动力来源 (或使用常规的车用燃料但采用新型车载动力装置 )，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术和新结构的汽车。新能源汽车包括四大类型：混合动力电动汽车 (HEV)、纯电动汽车 (BEV，包括二次电池和太阳能电池驱动的汽车 )、燃料电池电动汽车 (FCEV)、其他新能源 (如超级电容器、飞轮等高效储能器 )汽车等，主要趋势是电动化，电池、电机、电控是关键。常说的电动汽车是新能源汽车的一种。　　随着常规能源的有限性和环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。新能源是缓解经济发展与能源及环境之间矛盾的必经之路，可以减少污染物的排放，保护生态环境，构建可持续发展社会，对实现国家碳达峰和碳中和的“双碳”战略目标具有深远的意义。　　2. 新能源的分类　　联合国开发计划署 (The United Nations Development Programme)把新能源细分为以下三大类：大中型水电；新可再生能源，包括风能、小水电、现代生物质能、海洋能、太阳能、地热能；传统生物质能。在不同的历史时期，科学技术水平不同，新能源的内容也有不同的内涵。根据我国现有的状况，新能源应该包括太阳能 (太阳能集热、光伏发电、太阳能热发电等 )、风能、氢能、生物质能、地热能、海洋能、核能、水能 (水能发电 )等，其中生物质能还包括多种形式的能源：生物质发电 (农林残留物发电、生活垃圾发电 )、生物燃料(生物柴油、生物乙醇 )、沼气、秸秆等。新能源的大致分类如图 1.3所示，具体叙述如下。　　太阳能(solar energy)一般是指太阳光的辐射能量和热量 (简称太阳的辐射能 )。太阳的辐射能几乎全部来自其内部的核聚变反应，也是地球上昀主要的能量来源。太阳辐射能可划分为如下几个部分：直接太阳辐射、天空散射辐射、地表反射辐射、地面长波辐射及大气长波辐射。太阳辐射能控制大气圈、水圈、生物圈及岩石圈发生的各种生物作用、化学作用及其他作用，提供地球表面风化、剥蚀等外力作用所需能量。太阳辐射能对海洋和陆地的影响深度分别为 150～500 m和 10～20 m。　　风能(wind energy)是空气流动所产生的动能，其本质是太阳能的一种转化形式。由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成风。风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，但它的能量密度低，并且不稳定。在一定的技术条件下，风能可作为一种重要的能源得到开发利用。

新能源科学与工程导论作者简介

陈军，无机化学家，中国科学院院士，南开大学教授、博士生导师、副校长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。陈军主要从事能源材料化学与高能电池的研究。提出了“室温—氧化还原—转晶”新合成方法，室温合成出系列稳定的导电纳米尖晶石复合催化剂，替代了贵金属铂电极，应用于可充电金属锂、锌空气电池；提出电极微纳化可改善多电子电极反应活性和结构稳定性的设想，经大量实验制备了可充锂、钠、镁电池的微纳多级结构电极，提高了电池的安全性；发展了系列高比能有机电极材料和复合固态电解质。研究成果为降低电池电极材料成本、提高电池能量密度及解决电池燃烧爆炸隐患提供了新思路。陈军以第一作者编著《能源化学》和《化学电源：原理、技术与应用》，并主讲能源化学、新能源科学与工程导论、化学概论等课程。入选国家教学团队、国家实验教学示范中心、教育部精品视频公开课，获国家教学成果一等奖（2009年，第八完成人）、宝钢优秀教师特等奖提名奖（2013年）。主持的“新能源科学与工程专业创新创业人才培养体系研究”入选教育部2018年公布的首批“新工科”研究与实践项目，并组织编写了“新能源科学与工程教学丛书”。

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