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1、物理与能源开发物理与能源开发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
2、，核能、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到105.99亿吨油当
3、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215.6亿吨，2001年达到239.0亿吨，预计2010年将
4、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
5、；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
6、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
7、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
8、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
9、,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
10、,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4
11、00亿美元。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,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,200
12、2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
13、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1
14、70104kW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
15、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。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-
16、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。由于合成气中二氧化碳的浓度较高,又是高压,从中分离二氧化碳无论从技术上还是成本上看都比处理燃煤废气容易。与传统的分开生产电和其他产品的单元相比,合成气多联产可以降低成本。例如,单独生产甲醇的成本是每升12美分,三联产时甲醇的成本可以降低到每升615
17、美分。成本的降低是因为在集成的工艺中,合成气原料和过程余热可以被更有效、更充分的利用。在发电方面,将合成气用于联合循环发电可以获得比常规燃煤发电高的能源利用效率。目前,联合循环发电可以达到45%的效率,而且有望在将来接近60%。而大多数中国燃煤电厂的热效率仅30%。多联产、洁净化技术是实现煤基洁净能源的有竞争力的途径。物理学与节能节能的必要性随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，现在人们越来越关心我们赖以生存的地球，世界上大多数国家也充分认识到了环境对我们人类发展的重要性。各国都在采取积极有效的措施改善环境，减少污染。这其中最为重要也是最为紧迫的问题就是能源问题，要从根本上解决能源问题，除了
18、寻找新的能源，节能是关键的也是目前最直接有效的重要措施 ，在最近几年,通过努力，人们在节能技术的研究和产品开发上都取得了巨大的成果。发展和推广发光二极管(LED)全球电力约22%消耗在照明上,因此照明节能是一个重要方面。以化合物半导体材料为发光元件的半导体固态发光二极管(LED)是一种新型照明光源,正引发人类照明史上的一次革命。同样亮度下,半导体灯的电能消耗仅为白炽灯的1/8,而寿命则是白炽灯的100倍。半导体照明具有节能、长寿命、免维护、环保等特性。如同晶体管代替电子管一样,半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯,已是大势所趋: 第一,应用非常灵活,可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；第二,
19、环保效益很好,由于光谱中没有紫外线和红外线,属于典型的洁净照明光源；三是控制极为方便,只要调整电流,就可以随意调光。不同光色的组合变化多端,更能达到丰富多彩的动态变化效果。需要研究解决的物理和技术问题主要有:提高半导体芯片的发光效率；提高单管最大可发光通量；降低成本以降低价格；延长发光二极管的使用寿命等,以实现规模化的商用。发光二极管构造发展节能型建筑我国的能源消耗中,建筑耗能是大户,约占30%,现有建筑的绝大多数是高耗能建筑。发达国家在低能耗,甚至零能耗建筑方面已有大量成功经验,我国也开始了示范工程。许多物理方法有助于建筑节能。可通过建筑材料和结构设计的改进,利用太阳能发电、供暖(冷)。如皇
20、明集团提出的“太阳能建筑一体化”设计；光伏电站的群控系统和用户电源智能化控制系统(青海、西藏)；聚苯板粘贴外墙保温体系与“低温热水地板辐射供暖(哈密)；被动式太阳能采暖房(甘肃)；太阳能热循环系统采暖、恒温建筑示范工程(北京)；100kWP光伏并网发电系统和360kW太阳能空调制冷、采暖和热水综合系统(北京)等,都是非常有益的实践。新型建筑结构交通节能在中国的能源消耗中,汽车占有相当的比例,且呈不断增长势头,必须限制汽车总量,同时用先进的清洁、低耗能的汽车取代高耗能的大排气量汽车,发展混合动力型汽车、绿色柴油车、电动和燃料电池汽车等。粗略的估计表明,2020年全国平均每百人中拥有10辆汽车比拥
21、有6辆汽车汽油的消耗要多6000104t甚至更多!所以,第一,我国必须控制汽车的总保有量；第二,必须发展小排量、低排放的环保、节能、经济型汽车,鼓励发展轻型车,提高燃油经济性。为此,需要研究不同燃料的燃烧学,发展减排降污技术、燃料电池技术、氢能利用、摩擦学与磨损学的研究等与物理学息息相关的工作,这些对交通节能有重大效益。总之,物理学对照明节能、建筑节能和交通节能都有实际的意义。控制中国能源消耗的总量,大力节能,是中国能源可持续发展的必然战略选择。物理学将为此做出多方面的贡献。还有一些物理学的新成果将为未来的能源发展做出有份量的贡献。如低温物理的一个光辉篇章是超导体的研究。20世纪从低温超导到高
22、温超导取得了迅速发展,并开始得到多方面的应用。在能源领域,超导将在电能输运、储能等方面产生显著的效益。纵观当今世界能源利用状况，我们仍然以纵观当今世界能源利用状况，我们仍然以化石燃料作为主要能源，对环境的破坏极化石燃料作为主要能源，对环境的破坏极大，并且面临着枯竭。从目前新能源发展大，并且面临着枯竭。从目前新能源发展状况来看，发展力度仍不够大，对多能源状况来看，发展力度仍不够大，对多能源结构的转换仅处于过渡或者说是只是开始结构的转换仅处于过渡或者说是只是开始的阶段。所以加大力度发展新能源是人类的阶段。所以加大力度发展新能源是人类目前一项重要并且紧迫的工作。目前一项重要并且紧迫的工作。谢谢 谢谢个人观点供参考，欢迎讨论
