能源概论

1第二章能源概論2-1能源的分類2-2能源的形式2-3能源轉換2-4能源守恆2-5能源的單位2-6能量與功2何謂能源能源的原意是活動的意思，指供給能而使之動作的原料和資源。能源可以動能、位能、熱能的型態出現。如：以電能的形式出現使電燈發亮。3能源的分類•初級能源(PrimaryEnergy)或一次能源：自然界中以原有的形式存在，無需任何加工或轉換就可直接取得的能源，例如：化石燃料、核能及生質物等。•二次能源(SecondaryEnergy)指由一次能源經加工轉換成另一種型態的能源，例如：蒸汽、電力、氫氣、生質柴油、生質酒精、焦炭及工業製程廢熱等等。•一次能源不論經過幾次轉換所得到的另一種能源皆稱為二次能源。不會消耗殆盡一旦開發或開採後，其可能在相當短的時間內即消耗殆盡4化石燃料目前我們能源的主要來源是化石燃料，包括煤炭、石油、天然氣等。千百萬年前，靠近海岸的微生物或動植物殘骸，經細菌的分解及長期在高壓、高溫的作用下，產生了構造複雜的碳氫化合物5核能-1核能主要來自核分裂和核融合。謂核分裂是指鈾、鈽等元素，受到中子撞擊時分裂成為二個質量較輕約略相等的分裂產物，並釋放出大量的能量。圖片來源：清蔚園科學館6核能-2核能可以由很少量的燃料，生成龐大的能量，如1公克的鈾-235完全分裂後所產生的能量，大約和燃燒2000公斤的石油，或3噸重煤炭的能量，或是看23萬小時電視（100瓦特）的電能是相同的。核融合要在很高的溫度下才會發生，又稱熱核反應。核融合沒有輻射、廢料、燃料來源的問題。7水力水是地球上重要的資源之一，也是地球上含量最多的化合物。自古人類便利用水力來推動水車灌溉，近代主要作為水力發電。8水力發電組發電流程9海洋能-1利用海洋的潮汐、溫差、海浪和海流所貯藏的能源來發電。10海洋能-2它們具有無污水、不會浪費資源的優點，唯發電成本比較高些。11台灣西岸為台灣海峽，而東岸則屬於太平洋，因為地理環境之不同，故海流狀況也不相同。總體而言，臺灣鄰近海域的海流主要是以西岸的臺灣海峽海流及東岸的黑潮洋流所組成。以接近表層（水下20公尺）的海流為例，平均的流向主要是以東北流為主，流速也都超過50cm/s，但是有相當明顯的季節性與空間的變化，尤其是西岸台灣海峽內的海流（除了澎湖水道以外），不過位於東岸的黑潮洋流其季節性變化則相對較低且流速較強，洋流經過的海底水深也甚深，為較適合進行海流發電的場址。6-4海流能台灣海流狀況126-4海流能台灣鄰近海域表層海流（水下20公尺）之年平均變化136-4海流能黑潮1.黑潮源於北赤道海流，沿菲東岸北流至台灣東部；2.黑潮於台灣東岸流幅寬約100餘公里，最大流速約1m/s。3.黑潮影響深度淺於1000公尺。4.黑潮北流至宜蘭外海，受海脊阻擋，分二支，一支東轉沿琉球島弧北流，一支直接越過海脊沿台灣東岸北流。5.黑潮主軸有季節性變化，冬天近台灣，夏天離台灣較遠。6.黑潮向北輸送量約20－30×106m3/s。7.主軸沿台灣東岸終年向北流，其支流有時也會繞過台灣南端北上台灣西岸，黑潮流速流量，分佈的寬度及深度會有季節性變化。146-4海流能黑潮因此，黑潮以流速强、流幅窄和厚度大而著稱。根據1998年4月下旬與1999年6月下旬於蘇澳、綠島與蘭嶼三個探測海域之斷面，蘇澳以東的黑潮平均有3.3GW及1.35GW的總蘊藏能量為最高；其次是綠島海域的南北兩斷面共1.1GW及0.44GW；最少的是蘭嶼附近海域（南斷面、南斷面及西斷面），總蘊藏能量為0.87GW及0.23GW。由此可知黑潮之能量蘊藏情形。15地熱-1台灣地熱蘊藏豐富，溫泉和噴氣孔偏佈全島，民國66年起開始積極探勘，尋求可利用之資源。16地熱-2目前已在宜蘭清水建立一座3000仟瓦的地熱發電廠175-2風能風力-1依據本島風能評估結果顯示，西部沿海包括桃園、新竹、苗栗、台中、彰化等地以及外島地區的澎湖與蘭嶼離島等地區，年平均風速可達5~6m/s以上，風能密度達250W/m2以上，深具開發風能的潛力，如能多加利用將可促進國內能源多元化與自主性。18風力-2麥寮風力發電示範系統完工圖Enercon600kW風力機外貌示意圖195-2風能風力-3離岸式風力發電由於陸地上可用面積有限，加之海上風向較均勻且無障礙，風力資源優於陸地，可於海底深5~20m的淺海地區設置離岸式風力發電廠。20太陽能-1太陽能就是地球接收來自太陽所放射的輻射能。近代發展許多太陽能轉換能源的應用，如太陽能熱水系統、太陽能暖房系統、太陽能發電、太陽能蒸餾法、太陽能炊具、太陽能冷房、太陽能冷凍系統、太陽能電池等。21太陽能-2(photocourtesyofDOE/NREL,WarrenGretz)22HowSolarCellsWorkOperationofaPVcellTheeffectoftheelectricfieldinaPVcellGeneralschematicofaresidentialPVsystemwithbatterystorageBasicstructureofagenericsiliconPVcell23太陽能-424生質能利用動植物所衍生的能源稱為生質能。如牲畜的糞便、農作物的殘渣、薪柴、製糖作物、城市垃圾、城市污水、水生植物等。生質能生物直接燃燒，獲取能源利用醱酵程序利用氣化、裂解程序257-1生質能印度鄉間生質能－牛糞26能源的型態能源核能化學能機械能電能光能熱能271.化學能:能量係儲存於某些物質中，而當該物質經歷化學反應時即會釋放出能量。2.熱能:熱能乃伴隨著介質中分子的自由運動，而其量化的指標即為溫度。3.質能:質量可轉換成能量，而其最著名的公式即愛因斯坦所推導出的質能互換公式。4.動能:為機械能的一種，當一質量運動時所蘊含的能量。能源的形式FormsofEnergy285.位能:亦屬於機械能，其大小與物質於力場中的位置有關。6.電能:電能猶如水於重力場中。7.電磁輻射:太陽能量照射道地球及其他星球即為電磁輻射能量的傳遞。能源的形式FormsofEnergy29能源的形式FormsofEnergyExample(1):KineticEnergy30能源的形式FormsofEnergyExample(2):KineticEnergy31能源的形式FormsofEnergyExample(1):PotentialEnergy32能源的形式FormsofEnergyExample(2):PotentialEnergy33能源轉換效率(η)%100EE(%)inout2-3能源轉換EnergyConversions34能源運送與運用之總效率2-3能源轉換EnergyConversions35各種能源設備之能源轉換過程與轉換效率名稱能源轉換過程效率發電機機械能→電能70~99%電動馬達電能→機械能50~90%燃氣工業爐化學能→熱能70~95%風力發電機機械能→電能35~50%化石燃料電廠化學能→熱能→機械能→電能30~40%核電廠核能→熱能→機械能30~35%汽車引擎化學能→熱能→機械能→電能20~30%日光燈管電能→光能20%白熾燈電能→光能5%太陽電池光能→電能5~28%燃料電池化學能→電能40~60%2-3能源轉換EnergyConversions36能量的形態機械能動能物體運動的能量位能物體因位置而具有的能量化學能食物、化石燃料等物質儲存的能量核能原子核內的能量電能以電流、電壓呈現的能量輻射能以電磁波方式呈現的能量熱能一種與溫度有關的能量形態37能量轉換轉換後轉換前化學能電能熱能光能機械能化學能食物植物電池燃料電池爐火食物蠟燭磷光火箭動物肌肉電能電池電解電鍍電晶體變壓器烤麵包機熱電燈火星塞日光燈發光二極體馬達電驛熱能氣化蒸發熱電偶熱泵熱交換器爐火渦輪機氣體引擎蒸汽引擎光能植物光合作用相機底片太陽電池熱燈太陽輻射雷射光電開門器機械能熱電池(結晶體)發電機交流發電機煞車摩擦打火石火花飛輪鐘擺水輪機38能量轉換(例)39發電廠的能量轉換示意圖40能量守恆能量表現的形式:位能、動能(機械能)、電能、光能、熱能、化學能、核能(放射能)能量儲存的方式:化學能(石化燃料、電池)、核能(核燃料)、位能(水庫)、動能(飛輪)熱力學第一定律:密閉隔絕系統的總能量不變宇宙能源守恒:有效能量(源)無效能量(熱)有效能量(功)41假設單擺於運動過程中沒有能量耗損，當該單擺位於最低點(B點)時，其速度是整個運動過程中最快時刻，因而動能最大。反之，當單擺移至最高點(A點)時，此時速度為零，即動能為零，而所有能量轉換成位能，因而單擺位於最高點，此即為單擺的能量守恆。mmυ2m21hmgυ0KEhmgPE0PEm21KE2υhAB2-4能源守恆EnergyConservation42溫室所接受的能量=儲存於內部空間能量+藉由傳導、對流或輻射方式向外部傳遞能量2-4能源守恆EnergyConservation432-4能源守恆EnergyConservation•Blockdiagramofafossil-fueledelectricgeneratingstation.Energyin=EnergyoutNoenergyisstored.44能量單位45運動與功的能量物理量SI英制轉換速度m/sft/s1ft/s=0.305m/s加速度m/s2ft/s21ft/s2=0.305m/s2力牛頓(N)lb1lb=4.45N能源焦耳(J)ft-lb1ft-lb=1.356J功率瓦特(W)ft-lb/s,hp550ft-lb/s=1hp=746W46功與能量能量的定義為「可以作功的能力」，功是傳遞能量至一物體的一種方式。功(work)等於力與距離兩者的乘積，其中距離是指沿該力方向所造成的位移。dFW距離力功47能量單位Btu一磅的水溫度上升１度F所需能量Calorie(cal)一克的水溫度上升１度C所需能量ft-lb使一磅的物體移動一呎所作的功Joule(J)使一公斤的物體移動一公尺所作的功hp-hr,hpKw-hr,W,KwQuad=1兆Btu48能源的單位1.焦耳當一牛頓力作用經過一公尺，能量為一焦耳。2.卡1卡定義為使1克水升高1℃所需之熱量，其相當於4.184焦耳。3.英制熱單位(Btu)1Btu的定義為使一磅的水升高華氏1度所需之能量，其相當於1,055焦耳，同時也相當於252卡。4.英呎-磅1英呎-磅定義為1磅力作用1英呎之能量5.電子伏特1電子伏特(簡寫為1eV)，定義為使一電子通過一伏特電位差所需的能量。49功率的定義為單位時間所輸出或使用的能量。1瓦特即相當於每秒有1焦耳的能量或1焦耳=1瓦特1秒1千瓦－小時(kWh)，即俗稱的度。由於1小時相當於3,600秒，因此1度電就相當於3.6×106焦耳。功率時間能量時間功功率秒焦耳瓦特11150能量單位轉換能量單位•1Btu=1055J=778ft-lb=252cal•1ft-lb=1.356J=0.33cal•1calorie=4.184J•1foodCalorie=1000cal=1kcal•1hp-hr=2.68×106J=0.747kWh•1kWh=3.61×106J=3413Btu=2.65×106ft-lb•1Quad=1015Btu•1GJ=109J=948,000Btu功率單位•1Watt=1J/s=3.41Btu/h•1hp=550ft-lb/s=2545Btu/h=746W51能源(燃料)單位原油1桶(bbl)=5.8E6Btu=6.12E9J天然氣1標準立方呎(SCF)=1000Btu煙煤1噸=2.5E6Btu鈾-235=70E12Btu原油:MBPD油當量:相當於原油的量1噸煙煤=4.3bbl1噸鈾-235=12E6bbl521000MW電廠所需燃料煤:9000ton/day原油:40,000bbl/day天然氣:240,000,000SCF/day鈾-235:3Kg/day53Questions何謂一次能源與二次能源？何謂再生能源與非再生能源？