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1、 研究背景 选题依据翻开人类社会的发展史，可以发现能源与人类社会的进步结下了不解 之缘。人类利用能源方式的每一次进步，都会引起生产和社会的重大 变革。早在远古时期，钻木取火为人类带来温暖和光明，使人类结束 了茹毛饮血的原始生活，创造了最初的文明；18世纪，煤的开发和使 用促成了蒸汽机的发明及应用，从此开启了人类文明史上第一次工业 革命，人类开始走出刀耕火种时期，进入工业化大生产时代。随着社 会的发展，煤炭、石油、天然气等一次能源得到大量开发，在此期间 ，电力作为二次能源的出现，进一步推进了人类文明，并以其不可思 议的力量彻底改变了人类的生活。步入现代社会以后，人类开发能源 的视野更为广阔，核能
2、、氢能等新型能源陆续得到开发，为人类社会 的进步提供了源源不断的动力。可以说，人类社会发展史在一定意义 上就是一部能源开发和利用的历史。研究背景 一、世界能源消费现状及特点 1. 受经济发展和人口增长的影响，世界一 次能源消费量不断增加 2. 世界能源消费呈现不同的增长模式，发 达国家增长速率明显低于发展中国家 3. 世界能源消费结构趋向优质化，但地区 差异仍然很大 4. 世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易 及运输压力增大研究背景 二、世界能源供应和消费趋势 根据美国能源信息署（EIA）最新预测结果，随着 世界经济、社会的发展，未来世界能源需求量将 继续增加。预计，2010年世界能源需求量将达
3、到 105.99亿吨油当量，2020年达到128.89亿吨油当 量，2025年达到136.50亿吨油当量，年均增长率 为1.2%。欧洲和北美洲两个发达地区能源消费占 世界总量的比例将继续呈下降的趋势，而亚洲、 中东、中南美洲等地区将保持增长态势。伴随着 世界能源储量分布集中度的日益增大，对能源资 源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂， 由能源争夺而引发冲突或战争的可能性依然存在 。研究背景 随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化 物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大 ，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日 趋严重。据EIA统计，1990年世界二氧化碳的排 放量约为215.6亿
4、吨，2001年达到239.0亿吨，预 计2010年将为277.2亿吨，2025年达到371.2亿吨 ，年均增长1.85%。 面对以上挑战，未来世界能源供应和消费将向多 元化、清洁化、高效化、全球化和市场化方向发 展。现代能源开发原子核物理学与核能工程 核能发展史 1905 年爱因斯坦在“论动体的电动力学”一文中,提 出了高速运动下的相对性理论,提出了四维时空的 新概念；作为相对论的一个推论,爱因斯坦又提出 了质能关系及著名表达式E = mc ,开创了原子核 物理和核能应用的新时代。原子核物理学与核能工程 在此之前,19世纪末,相继发现了X射线、放射性和 电子。在此之后,1911年卢瑟福提出了原
5、子的核式 模型；1913年玻尔完善了原子结构理论；1932年 ,查德威克发现中子；同年,海森伯和伊凡宁柯分别 独立提出了原子核由质子和中子组成的模型； 1934年约里奥- 居里夫妇成功地用人工方法产生 了放射性同位素。原子核物理学与核能工程 经过科学家们几年曲折的研究和严谨的分析,1939 年初,宣布了哈恩和斯特拉 斯曼发现在中子轰击 下的铀核裂变以及梅特纳和弗里什的理论解释。 对核结构和核质量的研究,导致了人们对 原子 核结合能随原子量变化规律的认识: 当一个重核分 裂成两个中等质量的核时,会释放能量；释放能量 的大小可由爱因斯坦的质能关系式计 ,E=mc2,m 即裂变或聚变反应时原子核质量
6、的 变化,称作质量亏损,而一次核聚变时放出的能量要 比核裂变时大4倍 以上。原子核物理学与核能工程 这些原子核物理的发现,奠定了裂变核能与聚变核 能应用的基础。而核能应用的实现还必须进一步 解决一系列应用物理学和工程技术上的问题。 在突破了核武器技术之后,遂开始把核能引向 和平利用的方向,作为洁净的能源,为人类造福。目 前已做出实际贡献的核能是基于核裂变反应堆的 核电站。在我国目前主要是压水堆(PWR)核电站 。核电站由核岛和常规岛两大部分组成,在核岛内 要使核能以可控的、安全的、长期持续的形式释 放出来,再通过常规岛转换成电能供人们使用。原子核物理学与核能工程 因此,在核燃料的选择、制备、控
7、制方法、 结构设计、安全设计等方面,要解决一系列 的工程、技术问题。原子核物理学与核能工程原子核物理学与核能工程 核电未来走向 基于核聚变反应堆的聚变电站是解决人类未来能 源问题的一个希望,它既要实现热核燃料的“点火” 并有净能量输出,还必须控制热核能聚变反应的速 率,其中高温等离子体物理的研究具有重要意义。 目前较有希望的技术途径是磁约束受控聚变 (MCF),这是一项有难度的大科学工程,目前处于前 期实验研究阶段。国际上有ITER合作研究计划,我 国在国内研究的基础上,也积极参与国际合作。目 前是实验堆阶段,然后还要经过演示堆阶段,再进入 商用堆开发。据估计,在21 世纪后半期,受控聚变 核
8、能将开始为清洁能源作出实际贡献。这对能源 的长期持续发展具有重要意义。物理学与可再生新能源 光电效应与光伏发电 爱因斯坦在提出光的量子理论的基础上,进 一步提出了光电效应的概念,这是发光二极 管的理论基础,也是光伏发电的理论基础。 当太阳光的光子被适当的材料吸收后,其能 量将转换到电子上。 太阳能发电的诱人前景 到达地球表面的太阳光功率强度约为1000W/m2。 当前应用的光伏能量转换器大部分是单晶硅太阳能电池。 商用的硅太阳能电池的光电转换效率已达16%,实验室研 究中的已达到24%。太阳能在解决能源供应和环境保护上有明显优势。中 国2/3以上国土的年日照大于2200h,年辐射总量平均大于
9、5900MJ/m2,资源非常丰富,有必要和可能大力发展。中国 太阳能光电池产业发展迅速,生产能力从几年前的不足 10MW增加到目前的100MW以上。深圳最近建成亚洲最 大的1MW太阳光电系统,年发电量100104 kWh,2008年 北京奥运村80%的路灯将采用太阳能供电,已建立7座光电 站。最近,尚德公司生产能力为120MW的晶体硅太阳能电 池生产线已正式投入运行。预计2020年,太阳能发电装机 容量可达200104 kW。 太阳能发电的发展方向 太阳能的能量密度低,集能面积大,需要在科学技术 上取得重大突破,大幅度提高光电转换效率,降低成 本。技术创新的方向之一是提高光电转换效率。 硅对光
10、的吸收效率不高,所以需用厚的吸收层,耗费 材料。薄片太阳能电池可能是一个出路,其中使用 对光吸收性能更好的半导体材料。进一步提高光 电效率的途径也在探索中,例如,串列结构的半导体 材料、半导体纳米结构迭成的量子阱系统,使用复 合材料或有机染料等。这些都有赖于物理上和技 术上创造性的努力。我国将在天津建设一条铜铟 硒薄膜太阳能电池中试线。太阳能发电事业前景 广阔。 空间太阳能电站即在地球的静止轨道上建太阳能电站,然后将能量转换成微 波,定向发送到地球上加以利用。与在地球上利用太阳能 相比,空间利用太阳能的优点是:光强高,光照时间更长,环境 比较洁净。但在太空利用太阳能,需要解决一些物理上和 技术
11、上的难题,例如,需要提高能量转换效率；要有低成本 的地面接受；还有结构、轻量化等很多难题。1997年美国 宇航局提出两个太阳能电站方案,即电池阵由数百个圆盘 形电站组成的太阳塔方案；用高效薄膜电池阵发电的太阳 盘方案,这样一个电站大概需要400亿美元。空间太阳能虽 然比煤炭、核能、水电要贵,但比地面利用太阳能要便宜 。如果这个方案把造价降到100亿美元以下,它就具有可行 性了；联合国第三次外空会议号召加强空间太阳能电站技 术与经济可行性的研究,推动国际合作。预计到2030年,第 一个试验性的空间太阳能电站可望升空 风能 中国古代就有大量利用风能的风车。初步探明,中 国可开发利用的地表风电资源,
12、陆地约 215108kW,海上数亿kW,如果扩展到5060m以 上高空,风力资源更多,如能开发其中的2/3,就能提 供约10 108 kW以上的电力,再加上约5108kW 的水电,将能大幅度补充2050年所需电力的缺额。 近20年来,国际上风能发电发展迅速,2002年,全世 界风电装机容量达到3200104kW,平均年增长速 度超过30%,近10年成本下降了一半。至2020年, 风力发电可提供世界电力需求的12%,创造180万 个就业机会,并减少100108t以上的CO排放。中 国风力发电十几年来迅速发展,建成了43 座大型 风电场,2004 年并网风电装机容量达到 57104kW,但总体规模
13、仍不大,对国家能源供应的 贡献很小。风力发电是目前中国最具有大规模产 业化前景的可再生能源,2020年装机容量有望超过 3000104 kW。目前,国家正在推进大型风电设备 的国产化,以大幅降低风电成本,提升产业竞争力。 生物质能 生物质主要有农林产品和生产及加工废弃 物、工业废水、城市生活垃圾等。开发生 物质能是在不破坏环境的前提下,利用各种 生物质、采用先进技术开发和生产的各种 气体、液体和固体能源,以及电力和热能,目 前主要包括沼气、生物乙醇、生物柴油和 生活垃圾发电。生物质能的示 意图 廉价的能源秸秆 中国生物质能资源量很大,据初步估算,每年 可利用的生物质能资源总量为5108t标准
14、煤。中国是农业大国,农业废弃物资源量巨 大,其中秸杆年产量超过6108t,可作为能源 的有315108t,折合115108t标准煤。但利 用中国农村分散的秸杆,也存在效费比的问 题。 变废为宝沼气 中国目前农村和工业利用生物废弃物和废水产生 沼气,每年产量达45108m3。生物质发电的装机 容量已经达到190104kW,其中170104kW为利 用甘蔗渣的热电联产,15104kW是利用垃圾发电 ,5104kW是利用稻壳发电。近年来,中国生物乙 醇和生物柴油等产业不断发展,生物乙醇生产已超 过100104t,已在全国5个省大规模使用,是有希望 的液体燃料和石油替代燃料。生物质还可固化成 型作为高
15、效燃料。沼气示意图 待解决问题 在生物质能的产业链条中,有一系列物理问 题需要解决。如生物质燃烧过程中锅炉受 热面的腐蚀性机理和防治措施的研究；垃 圾燃烧发电过程中对不可燃物的处理及燃 烧生成气体中的有害物在排放之前的化学 、物理处理等。 物理化学与煤的多联产及洁净化技术 我国的能源资源丰富,其中煤炭资源的可开 采储量为622亿吨,居世界第三位(美国第一, 原独联体第二)。我国煤炭的人均占有量仅 为世界平均水平的一半,其中焦煤等稀缺煤 种储量更少。矿产资源总量约占世界的12 ，仅次于美国和前苏联，居世界第3位， 但人均占有量居世界第53位。 煤是我国能源中的大户,今后相当长的时期内仍将如此。
16、但目前的燃煤所带来的环境污染,已到了不能容忍的地步 。为了可持续发展,必须提高燃煤效率和发展煤的洁净化 技术,加强超临界发电技术,控制污染物的排放。这是我国 能源可持续发展的战略选择。 多联产技术是利用物理-化学方法达到煤的高效、洁净利 用的途径。它以煤气化为中心,可以将95%以上的煤转换 成一种称为合成气的可燃气体。主要成分是一氧化碳和氢 气的合成气,类似于天然气那样可用于蒸汽轮机-燃气轮机 联合循环发电；它又是一种基本原料,可以用来生产化工 产品和合成液体燃料,如氢气、氨气、二甲醚、“费一托”汽 油和柴油。因此,多联产就是用单一的合成原料生产多项 产品,其中包括电力。煤炭气化技术的主要优点是灵活的原料、高气体产率以及相对容易的 污染控制,减少硫和颗粒物的排放比燃煤锅炉的情况要容易。合成气多 联产的另一个突出优点是可能避免二氧化碳的排放。由于合成气
