资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,物理与能源开发,第1页,研究背景,选题依据,翻开人类社会发展史，能够发觉能源与人类社会进步结下了不解之缘。人类利用能源方式每一次进步，都会引发生产和社会重大变革。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原始生活，创造了最初文明；,18,世纪，煤开发和使,用促成了蒸汽机创造及应用，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。伴随社会发展，煤炭、石油、天然气等一次能源得到大量开发，在此期间，电力作为二次能源出现，深入推进了人类文明，并以其不可思议力量彻底改变了人类生活。步入当代社会以后，人类开发能源视野更为辽阔，核能、氢能等新型能源陆续得到开发，为人类社会进步提供了源源不停动力。能够说，人类社会发展史在一定意义上就是一部能源开发和利用历史。,第2页,研究背景,一、世界能源消费现实状况及特点,1.,受经济发展和人口增加影响，世界一次,能,源消费量不停增加,2.,世界能源消费展现不一样增加模式，发达国家增加速率显著低于发展中国家,3.,世界能源消费结构趋向优质化，但地域差异依然很大,4.,世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大,第3页,研究背景,二、世界能源供给和消费趋势,依据美国能源信息署（,EIA,）最新预测结果，伴随世界经济、社会发展，未来世界能源需求量将继续增加。预计，,年世界能源需求量将到达,105.99,亿吨油当量，,年到达,128.89,亿吨油当量，,2025,年到达,136.50,亿吨油当量，年均增加率为,1.2%,。欧洲和北美洲两个发达地域能源消费占世界总量百分比将继续呈下降趋势，而亚洲、中东、中南美洲等地域将保持增加态势。伴伴随世界能源储量分布集中度日益增大，对能源资源争夺将日趋激烈，争夺方式也愈加复杂，由能源争夺而引发冲突或战争可能性依然存在。,第4页,研究背景,伴随世界能源消费量增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物排放量逐年增大，化石能源对环境污染和全球气候影响将日趋严重。据,EIA,统计，,1990,年世界二氧化碳,排放量约为,215.6,亿吨，,年到达,239.0,亿吨，预计,年将为,277.2,亿吨，,2025,年到达,371.2,亿吨，年均增加,1.85%,。,面对以上挑战，未来世界能源供给和消费将向多元化、清洁化、高效化、全球化和市场化方向发展。,第5页,当代能源开发,第6页,原子核物理学与核能工程,核能发展史,1905,年爱因斯坦在,“,论动体电动力学,”,一文中,提出了高速运动下相对性理论,提出了四维时空新概念；作为相对论一个推论,爱因斯坦又提出了质能关系及著名表示式,E=mc,开创了原子核物理和核能应用新时代。,第7页,原子核物理学与核能工程,在此之前,19,世纪末,相继发觉了,X,射线、放射性和电子。在此之后,1911,年卢瑟福提出了原子核式模型；,1913,年玻尔完善了原子结构理论；,1932,年,查德威克发觉中子；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。,第8页,原子核物理学与核能工程,经过科学家们几年波折研究和严谨分析,1939,年初,宣告了哈恩和斯特拉,斯曼发觉在中子轰击下铀核裂变以及梅特纳和弗里什理论解释。对核结构和核质量研究,造成了人们对,原子核结合能随原子量改变规律认识,:,当一个重核分裂成两个中等质量核时,会释放能量；释放能量大小可由爱因斯坦质能关系式计,E=mc2,m,即裂变或聚变反应时原子核质量改变,称作质量亏损,而一次核聚变时放出能量要比核裂变时大,4,倍,以上。,第9页,原子核物理学与核能工程,这些原子,核,物理发觉,奠定了裂变核能与聚变核能应用基础。而核能应用实现还必须深入处理一系列应用物理学和工程技术上问题。,在突破了核武器技术之后,遂,开,始把核能引向和平利用方向,作为洁净能,源,为,人类造福。当前已做出实际贡献核能是基于核裂变反应堆,核电,站。在我国当前主要是压水堆,(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、安全、长久连续形式释放,出,来,再经过常规岛转换成电能供人们使用。,第10页,原子核物理学与核能工程,所以,在核燃料选择、制备、控制方法、结构设计、安全设计等方面,要处理一系列工程、技术问题。,第11页,核电发展情况,当前,在世界电力结构中,核电已占有总电力,16%,。我国发展核电决议较晚,当前核电贡献即使仅有约,1%,但国家已明确了主动发展核电方针,至,年,这一百分比将到达约,4%,并将深入加紧发展。,原子核物理学与核能工程,第12页,原子核物理学与核能工程,核电未来走向,基于核聚变反应堆聚变电站是处理人类未来能源问题一个希望,它既要实现热核燃料,“,点火,”,并有净能量输出,还必须,控制热核,能聚变反应速率,其中高温等离子体,物理研究,含有主要意义。当前较有希望技术路径是磁约束受控聚变,(MCF),这是一,项有难度,大科学工程,当前处于前期试验研究阶段。国际上有,ITER,合作研究计划,我国在国内研究基础上,也主动参加国际合作。当前是试验堆阶段,然后还要经过演示堆阶段,再进入商用堆开发。据预计,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。这对能源长久连续发展含有主要意义。,第13页,物理学与可再生新能源,光电效应与光伏发电,爱因斯坦在提出光量子理论基础上,深入提出了光电效应概念,这是,发光二极管理论基础,也是光伏发电理论基础。当太阳光光子被适当材料吸收后,其能量将转换到电子上。,第14页,太阳能发电诱人前景,抵达地球表面太阳光功率强度约为,1000W/m2,。当前应用光伏能量转换器大部分是单晶硅太阳能电池。商用硅太阳能电池光电转换效率已达,16%,试验室研究中已抵达,24%,。,太阳能在处理能源供给和环境保护上有显著优势。中国,2/3,以上国土年日照大于,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快速,生产能力从几年前不足,10MW,增加到当前,100MW,以上。深圳最近建成亚洲最大,1MW,太阳光电系统,年发电量,100104 kWh,年北京奥运村,80%,路灯将采取太阳能供电,已建立,7,座光电站。最近,尚德企业生产能力为,120MW,晶体硅太阳能电池生产线已正式投入运行。预计,年,太阳能发电装机容量可达,200104 kW,。,第15页,太阳能发电发展方向,太,阳能能量密度低,集能面积大,需要在科学技术上取得重大突破,大幅度提升光电转换效率,降低成本。,技术创新方向之一是提升光电转换效率。硅对光吸收效率不高,所以需用厚吸收层,花费材料。薄片太阳能电池可能是一个出路,其中使用,对光吸收性能更加好半导体材料。深入提升光电效率路径也在探索中,比如,串列结构半导体材料、半导体纳米结构迭成量子阱系统,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辽阔。,第16页,空间太阳能电站,即在地球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,需要处理一些物理上和技术上难题,比如,需要提升能量转换效率；要有低成本,地面接收；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太阳塔方案；用高效薄膜电池阵发电太阳盘方案,这么一个电站大约需要,400,亿美元。空间太阳能即使比煤炭、核能、水电要贵,但比地面利用太阳能要廉价。假如这个方案把造价降到,100,亿美元以下,它就含有可行性了；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研究,推进国际合作。预计到,2030,年,第一个试验性空间太阳能电站可望升空,第17页,风能,中国古代就有大量利用风能风车。初步探明,中国可开发利用地表风电资源,陆地约,215108kW,海上数亿,kW,假如扩展到,50,60m,以上高空,风力资源更多,如能开发其中,2/3,就能提供约,10 108 kW,以上电力,再加上约,5108kW,水电,将能大幅度补充,2050,年所需电力缺额。,第18页,近,20,年来,国际上风能发电发展快速,年,全世界风电装机容量到达,3200104kW,平均年增加速度超出,30%,近,10,年成本下降了二分之一。至,年,风力发电可提供世界电力需求,12%,创造,180,万个就业机会,并降低,100108t,以上,CO,排放。中国风力发电十几年来快速发展,建成了,43,座大型风电场,年并网风电装机容量到达,57104kW,但总体规模仍不大,对国家能源供给贡献很小。风力发电是当前中国最含有大规模产业化前景可再生能源,年装机容量有望超出,3000104 kW,。当前,国家正在推进大型风电设备国产化,以大幅降低风电成本,提升产业竞争力。,第19页,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前提下,利用各种生物质、采取先进技术开发和生产各种气体、液体和固体能源,以及电力和热能,当前主要包含沼气、生物乙醇、生物柴油和生活垃圾发电。,第20页,生物质能示意图,第21页,廉价能源,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,其中秸杆年产量超出,6108t,可作为能源有,315108t,折合,115108t,标准煤。但利用中国农村分散秸杆,也存在效费比问题。,第22页,变废为宝,沼气,中国当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,。生物质发电装机,容量已经到达,190104kW,其中,170104kW,为利用甘蔗渣热电联产,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停发展,生物乙醇生产已超出,100104t,已在全国,5,个省大规模使用,是有希望液体燃料和石油替换燃料。生物质还可固化成型作为高效燃料。,第23页,沼气示意图,第24页,待处理问题,在生物质能产业链条中,有一系列物理问题需要处理。如生物质燃烧过程中锅炉受热面腐蚀性机理和防治办法研究；垃圾燃烧发电过程中对不可燃物处理及燃烧生成气体中有害物在排放之前化学、物理处理等。,第25页,物理化学与煤多联产及洁净化技术,我国能源资源丰富,其中煤炭资源可开采储量为,622,亿吨,居世界第三位,(,美国第一,原独联体第二,),。我国煤炭人均占有量仅为世界平均水平二分之一,其中焦煤等稀缺煤种储量更少。矿产资源总量约占世界,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。,第26页,煤是我国能源中大户,今后相当长时期内仍将如此。但当前燃煤所带来环境污染,已到了不能容忍地步。为了可连续发展,必须提升燃煤效率和发展煤洁净化技术,加强超临界发电技术,控制污染物排放。这是我国能源可连续发展战略选择。,多联产技术是利用物理,-,化学方法到达煤高效、洁净利用路径。它以煤气化为中心,能够将,95%,以上煤转换成一个称为合成气可燃气体。主要成份是一氧化碳和氢气合成气,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；它又是一个基本原料,能够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。所以,多联产就是用单一合成原料生产多项产品,其中包含电力。,第27页,煤炭气化技术主要优点是灵活原料、高气体产率以及相对轻易污染控制,降低硫和颗粒物排放比燃煤锅炉情况要轻易。合成气多联产另一个突出优点是可能防止二氧化碳排放。因为合成气中二氧化碳浓度较高,又是高压,从中分离二氧化碳不论从技术上还是成本上看都比处理燃煤废气轻易。,与传统分开生产电和其它产品单元相比,合成气多联产能够降低成本。比如,单独生产甲醇成本是每升,12,美分,三联产时甲醇成本能够降低到每升,615,美分。成本降低是因为在集成工艺中,合成气原料和过程余热能够被更有效、更充分利用。在发电方面,将合成气用于联合循环发电能够取得比常规燃煤发电高能源利用效率。当前,联合循环发电能够到达,45%,效率,而且有望在未来靠近,60%,。而大多数中国燃煤电厂热效率仅,30%,。多联产、洁净化技术是实现煤基洁净能源有竞争力路径。,第28页,物理学与节能,节能必要性,伴随社会不停进步与科学技术不停发展，现在人们越来越关心我们赖以生存地球，世界上大多数国家也充分认识到了环境对我们人类发展,主要性。各国都在采取主动有效办法改进环境，降低污染。这其中最为主要也是最为紧迫问题就是能源问题，要从根本上处理能源问题，除了寻找新能源，节能是关键也是当前最直接有效主要办法，在最近几年,经过努力，人们在节能技术研究和产品开发上都取得了巨大结果。,第29页,发展和推广发光二极管,(LED),全球电力约,22%,消耗在照明上,所以照明节能是一个主要方面。以化合物半导体材料为发光元件半导体固态发光二极管,(LED),是一个新型照明光源,正引发人类照明史上一次革命。一样亮度下,半导体灯,电能消耗仅为白炽灯,1/8,而寿命则是白炽灯,100,倍。半导体照明含有节能、长寿命、免维护、环境保护等特征。如同晶体管代替电子管一样,半导体灯替换传统白炽灯和荧光灯,已是大势所趋,:,第一,应用非常灵活,能够做成点、线、面各种形式轻薄短小产品；第二,环境保护效益很好,因为光谱中没有紫外线和红外线,属于经典洁净照明光源；三是控制极为方便,只要调整电流,就能够随意调光。不一样光色组合改变多端,更能到达丰富多彩动态改变效果。需要研究处理物理和技术问题主要有,:,提升半导体芯片发光效率；提升单管最大可发光通量；降低成本以降低价格；延长发光二极管使用寿命等,以实现规模化商用。,第30页,发光二极管结构,第31页,发展节能型建筑,我国能源消耗中,建筑耗能是大户,约占,30%,现有建筑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经有大量成功经验,我国也开始了示范工程。许,多物理方法有利于建筑节能。,可经过建筑材料和结构设计改进,利用太阳能发电、供暖,(,冷,),。如皇明集团提出,“,太阳能建筑一体化,”,设计；光伏电站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,都是非常有益实践。,第32页,新型建筑结构,第33页,交通节能,在中国能源消耗中,汽车占有相当百分比,且呈不停增加势头,必须限制汽车总量,同时用先进清洁、低耗能汽车取代高耗能大排气量汽车,发展混合动力型汽车、绿色柴油车、电动和燃料电池汽车等。,粗略预计表明,年全国平均每百人中拥有,10,辆汽车比拥有,6,辆汽车汽油消耗要多,6000104t,甚至更多,!,所以,第一,我国必须控制汽车总保有量；第二,必须发展小排量、低排放环境保护、节能、经济型汽车,勉励发展轻型车,提升燃油经济性。为此,需要研究不一样燃料燃烧学,发展减排降污技术、燃料电池技术、氢能利用、摩擦学与磨损,学研究等与物理学息息相关工作,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意义。控制中国能源消耗总量,大力节能,是中国能源可连续发展必定战略选择。物理学将为此做出多方面贡献。,还有一些物理学新结果将为未来能源发展做出有份量贡献。如低温物理一个光芒篇章是超导体研究。,20,世纪从低温超导到高温超导取得了快速发展,并开始得到多方面应用。在能源领域,超导将在电能输运、储能等方面产生显著效益。,第34页,纵观当今世界能源利用情况，我们依然以化石燃料作为主要能源，对环境破坏极大，而且面临着枯竭。从当前新能源发展情况来看，发展力度仍不够大，对多能源结构转换仅处于过渡或者说是只是开始阶段。所以加大力度发展新能源是人类当前一项主要而且紧迫工作。,第35页,谢 谢,第36页,
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
