物理與能源開發(fā)研究性學習報告專題省名師優(yōu)質課賽課獲獎課件市賽課一等獎課件

物理與能源開發(fā)第1頁研究背景選題依據(jù)翻開人類社會發(fā)展史，能夠發(fā)覺能源與人類社會進步結下了不解之緣。人類利用能源方式每一次進步，都會引發(fā)生產和社會重大變革。早在遠古時期，鉆木取火為人類帶來溫暖和光明，使人類結束了茹毛飲血原始生活，創(chuàng)造了最初文明；18世紀，煤開發(fā)和使用促成了蒸汽機創(chuàng)造及應用，從此開啟了人類文明史上第一次工業(yè)革命，人類開始走出刀耕火種時期，進入工業(yè)化大生產時代。伴隨社會發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等一次能源得到大量開發(fā)，在此期間，電力作為二次能源出現(xiàn)，深入推進了人類文明，并以其不可思議力量徹底改變了人類生活。步入當代社會以后，人類開發(fā)能源視野更為遼闊，核能、氫能等新型能源陸續(xù)得到開發(fā)，為人類社會進步提供了源源不停動力。能夠說，人類社會發(fā)展史在一定意義上就是一部能源開發(fā)和利用歷史。第2頁研究背景一、世界能源消費現(xiàn)實狀況及特點

1.受經(jīng)濟發(fā)展和人口增加影響，世界一次能源消費量不停增加2.世界能源消費展現(xiàn)不一樣增加模式，發(fā)達國家增加速率顯著低于發(fā)展中國家3.世界能源消費結構趨向優(yōu)質化，但地域差異依然很大4.世界能源資源仍比較豐富，但能源貿易及運輸壓力增大

第3頁研究背景二、世界能源供給和消費趨勢依據(jù)美國能源信息署（EIA）最新預測結果，伴隨世界經(jīng)濟、社會發(fā)展，未來世界能源需求量將繼續(xù)增加。預計，年世界能源需求量將到達105.99億噸油當量，年到達128.89億噸油當量，2025年到達136.50億噸油當量，年均增加率為1.2%。歐洲和北美洲兩個發(fā)達地域能源消費占世界總量百分比將繼續(xù)呈下降趨勢，而亞洲、中東、中南美洲等地域將保持增加態(tài)勢。伴伴隨世界能源儲量分布集中度日益增大，對能源資源爭奪將日趨激烈，爭奪方式也愈加復雜，由能源爭奪而引發(fā)沖突或戰(zhàn)爭可能性依然存在。

第4頁研究背景伴隨世界能源消費量增大，二氧化碳、氮氧化物、灰塵顆粒物等環(huán)境污染物排放量逐年增大，化石能源對環(huán)境污染和全球氣候影響將日趨嚴重。據(jù)EIA統(tǒng)計，1990年世界二氧化碳排放量約為215.6億噸，年到達239.0億噸，預計年將為277.2億噸，2025年到達371.2億噸，年均增加1.85%。面對以上挑戰(zhàn)，未來世界能源供給和消費將向多元化、清潔化、高效化、全球化和市場化方向發(fā)展。第5頁當代能源開發(fā)

第6頁原子核物理學與核能工程核能發(fā)展史1905年愛因斯坦在“論動體電動力學”一文中,提出了高速運動下相對性理論,提出了四維時空新概念；作為相對論一個推論,愛因斯坦又提出了質能關系及著名表示式E=mc2,開創(chuàng)了原子核物理和核能應用新時代。第7頁原子核物理學與核能工程在此之前,19世紀末,相繼發(fā)覺了X射線、放射性和電子。在此之后,1911年盧瑟福提出了原子核式模型；1913年玻爾完善了原子結構理論；1932年,查德威克發(fā)覺中子；同年,海森伯和伊凡寧柯分別獨立提出了原子核由質子和中子組成模型；1934年約里奧-居里夫婦成功地用人工方法產生了放射性同位素。第8頁原子核物理學與核能工程經(jīng)過科學家們幾年波折研究和嚴謹分析,1939年初,宣告了哈恩和斯特拉

斯曼發(fā)覺在中子轟擊下鈾核裂變以及梅特納和弗里什理論解釋。對核結構和核質量研究,造成了人們對

原子核結合能隨原子量改變規(guī)律認識:當一個重核分裂成兩個中等質量核時,會釋放能量；釋放能量大小可由愛因斯坦質能關系式計,E=Δmc2,Δm即裂變或聚變反應時原子核質量改變,稱作質量虧損,而一次核聚變時放出能量要比核裂變時大4倍

以上。

第9頁原子核物理學與核能工程這些原子核物理發(fā)覺,奠定了裂變核能與聚變核能應用基礎。而核能應用實現(xiàn)還必須深入處理一系列應用物理學和工程技術上問題。在突破了核武器技術之后,遂開始把核能引向和平利用方向,作為潔凈能源,為人類造福。當前已做出實際貢獻核能是基于核裂變反應堆核電站。在我國當前主要是壓水堆(PWR)核電站。核電站由核島和常規(guī)島兩大部分組成,在核島內要使核能以可控、安全、長久連續(xù)形式釋放出來,再經(jīng)過常規(guī)島轉換成電能供人們使用。第10頁原子核物理學與核能工程所以,在核燃料選擇、制備、控制方法、結構設計、安全設計等方面,要處理一系列工程、技術問題。第11頁核電發(fā)展情況當前,在世界電力結構中,核電已占有總電力16%。我國發(fā)展核電決議較晚,當前核電貢獻即使僅有約1%,但國家已明確了主動發(fā)展核電方針,至年,這一百分比將到達約4%,并將深入加緊發(fā)展。

原子核物理學與核能工程第12頁原子核物理學與核能工程核電未來走向基于核聚變反應堆聚變電站是處理人類未來能源問題一個希望,它既要實現(xiàn)熱核燃料“點火”并有凈能量輸出,還必須控制熱核能聚變反應速率,其中高溫等離子體物理研究含有主要意義。當前較有希望技術路徑是磁約束受控聚變(MCF),這是一項有難度大科學工程,當前處于前期試驗研究階段。國際上有ITER合作研究計劃,我國在國內研究基礎上,也主動參加國際合作。當前是試驗堆階段,然后還要經(jīng)過演示堆階段,再進入商用堆開發(fā)。據(jù)預計,在21世紀后半期,受控聚變核能將開始為清潔能源作出實際貢獻。這對能源長久連續(xù)發(fā)展含有主要意義。第13頁物理學與可再生新能源①光電效應與光伏發(fā)電愛因斯坦在提出光量子理論基礎上,深入提出了光電效應概念,這是發(fā)光二極管理論基礎,也是光伏發(fā)電理論基礎。當太陽光光子被適當材料吸收后,其能量將轉換到電子上。

第14頁太陽能發(fā)電誘人前景

抵達地球表面太陽光功率強度約為1000W/m2。當前應用光伏能量轉換器大部分是單晶硅太陽能電池。商用硅太陽能電池光電轉換效率已達16%,試驗室研究中已抵達24%。

太陽能在處理能源供給和環(huán)境保護上有顯著優(yōu)勢。中國2/3以上國土年日照大于2200h,年輻射總量平均大于5900MJ/m2,資源非常豐富,有必要和可能大力發(fā)展。中國太陽能光電池產業(yè)發(fā)展快速,生產能力從幾年前不足10MW增加到當前100MW以上。深圳最近建成亞洲最大1MW太陽光電系統(tǒng),年發(fā)電量100×104kW·h,年北京奧運村80%路燈將采取太陽能供電,已建立7座光電站。最近,尚德企業(yè)生產能力為120MW晶體硅太陽能電池生產線已正式投入運行。預計年,太陽能發(fā)電裝機容量可達200×104kW。

第15頁太陽能發(fā)電發(fā)展方向太陽能能量密度低,集能面積大,需要在科學技術上取得重大突破,大幅度提升光電轉換效率,降低成本。

技術創(chuàng)新方向之一是提升光電轉換效率。硅對光吸收效率不高,所以需用厚吸收層,花費材料。薄片太陽能電池可能是一個出路,其中使用對光吸收性能更加好半導體材料。深入提升光電效率路徑也在探索中,比如,串列結構半導體材料、半導體納米結構迭成量子阱系統(tǒng),使用復合材料或有機染料等。這些都有賴于物理上和技術上創(chuàng)造性努力。我國將在天津建設一條銅銦硒薄膜太陽能電池中試線。太陽能發(fā)電事業(yè)前景遼闊。

第16頁空間太陽能電站——

即在地球靜止軌道上建太陽能電站,然后將能量轉換成微波,定向發(fā)送到地球上加以利用。與在地球上利用太陽能相比,空間利用太陽能優(yōu)點是:光強高,光照時間更長,環(huán)境比較潔凈。但在太空利用太陽能,需要處理一些物理上和技術上難題,比如,需要提升能量轉換效率；要有低成本地面接收；還有結構、輕量化等很多難題。1997年美國宇航局提出兩個太陽能電站方案,即電池陣由數(shù)百個圓盤形電站組成太陽塔方案；用高效薄膜電池陣發(fā)電太陽盤方案,這么一個電站大約需要400億美元。空間太陽能即使比煤炭、核能、水電要貴,但比地面利用太陽能要廉價。假如這個方案把造價降到100億美元以下,它就含有可行性了；聯(lián)合國第三次外空會議號召加強空間太陽能電站技術與經(jīng)濟可行性研究,推進國際合作。預計到2030年,第一個試驗性空間太陽能電站可望升空第17頁②風能中國古代就有大量利用風能風車。初步探明,中國可開發(fā)利用地表風電資源,陸地約215×108kW,海上數(shù)億kW,假如擴展到50～60m以上高空,風力資源更多,如能開發(fā)其中2/3,就能提供約10×108kW以上電力,再加上約5×108kW水電,將能大幅度補充2050年所需電力缺額。

第18頁近20年來,國際上風能發(fā)電發(fā)展快速,年,全世界風電裝機容量到達3200×104kW,平均年增加速度超出30%,近10年成本下降了二分之一。至年,風力發(fā)電可提供世界電力需求12%,創(chuàng)造180萬個就業(yè)機會,并降低100×108t以上CO?排放。中國風力發(fā)電十幾年來快速發(fā)展,建成了43座大型風電場,年并網(wǎng)風電裝機容量到達57×104kW,但總體規(guī)模仍不大,對國家能源供給貢獻很小。風力發(fā)電是當前中國最含有大規(guī)模產業(yè)化前景可再生能源,年裝機容量有望超出3000×104kW。當前,國家正在推進大型風電設備國產化,以大幅降低風電成本,提升產業(yè)競爭力。

第19頁③生物質能生物質主要有農林產品和生產及加工廢棄物、工業(yè)廢水、城市生活垃圾等。開發(fā)生物質能是在不破壞環(huán)境前提下,利用各種生物質、采取先進技術開發(fā)和生產各種氣體、液體和固體能源,以及電力和熱能,當前主要包含沼氣、生物乙醇、生物柴油和生活垃圾發(fā)電。

第20頁生物質能示意圖第21頁廉價能源——秸稈中國生物質能資源量很大,據(jù)初步估算,每年可利用生物質能資源總量為5×108t標準煤。中國是農業(yè)大國,農業(yè)廢棄物資源量巨大,其中秸桿年產量超出6×108t,可作為能源有315×108t,折合115×108t標準煤。但利用中國農村分散秸桿,也存在效費比問題。

第22頁變廢為寶——沼氣中國當前農村和工業(yè)利用生物廢棄物和廢水產生沼氣,每年產量達45×108m3。生物質發(fā)電裝機容量已經(jīng)到達190×104kW,其中170×104kW為利用甘蔗渣熱電聯(lián)產,15×104kW是利用垃圾發(fā)電,5×104kW是利用稻殼發(fā)電。近年來,中國生物乙醇和生物柴油等產業(yè)不停發(fā)展,生物乙醇生產已超出100×104t,已在全國5個省大規(guī)模使用,是有希望液體燃料和石油替換燃料。生物質還可固化成型作為高效燃料。

第23頁沼氣示意圖第24頁待處理問題在生物質能產業(yè)鏈條中,有一系列物理問題需要處理。如生物質燃燒過程中鍋爐受熱面腐蝕性機理和防治辦法研究；垃圾燃燒發(fā)電過程中對不可燃物處理及燃燒生成氣體中有害物在排放之前化學、物理處理等。第25頁物理化學與煤多聯(lián)產及潔凈化技術我國能源資源豐富,其中煤炭資源可開采儲量為622億噸,居世界第三位(美國第一,原獨聯(lián)體第二)。我國煤炭人均占有量僅為世界平均水平二分之一,其中焦煤等稀缺煤種儲量更少。礦產資源總量約占世界12％，僅次于美國和前蘇聯(lián)，居世界第3位，但人均占有量居世界第53位。

第26頁煤是我國能源中大戶,今后相當長時期內仍將如此。但當前燃煤所帶來環(huán)境污染,已到了不能容忍地步。為了可連續(xù)發(fā)展,必須提升燃煤效率和發(fā)展煤潔凈化技術,加強超臨界發(fā)電技術,控制污染物排放。這是我國能源可連續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略選擇。多聯(lián)產技術是利用物理-化學方法到達煤高效、潔凈利用路徑。它以煤氣化為中心,能夠將95%以上煤轉換成一個稱為合成氣可燃氣體。主要成份是一氧化碳和氫氣合成氣,類似于天然氣那樣可用于蒸汽輪機-燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；它又是一個基本原料,能夠用來生產化工產品和合成液體燃料,如氫氣、氨氣、二甲醚、“費一托”汽油和柴油。所以,多聯(lián)產就是用單一合成原料生產多項產品,其中包含電力。

第27頁煤炭氣化技術主要優(yōu)點是靈活原料、高氣體產率以及相對輕易污染控制,降低硫和顆粒物排放比燃煤鍋爐情況要輕易。合成氣多聯(lián)產另一個突出優(yōu)點是可能防止二氧化碳排放。因為合成氣中二氧化碳濃度較高,又是高壓,從中分離二氧化碳不論從技術上還是成本上看都比處理燃煤廢氣輕易。與傳統(tǒng)分開生產電和其它產品單元相比,合成氣多聯(lián)產能夠降低成本。比如,單獨生產甲醇成本是每升12美分,三聯(lián)產時甲醇成本能夠降低到每升615美分。成本降低是因為在集成工藝中,合成氣原料和過程余熱能夠被更有效、更充分利用。在發(fā)電方面,將合成氣用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電能夠取得比常規(guī)燃煤發(fā)電高能源利用效率。當前,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電能夠到達45%效率,而且有望在未來靠近60%。而大多數(shù)中國燃煤電廠熱效率僅30%。多聯(lián)產、潔凈化技術是實現(xiàn)煤基潔凈能源有競爭力路徑。第28頁物理學與節(jié)能

節(jié)能必要性伴隨社會不停進步與科學技術不停發(fā)展，現(xiàn)在人們越來越關心我們賴以生存地球，世界上大多數(shù)國家也充分認識到了環(huán)境對我們人類發(fā)展主要性。各國都在采取主動有效辦法改進環(huán)境，降低污染。這其中最為主要也是最為緊迫問題就是能源問題，要從根本上處理能源問題，除了尋找新能源，節(jié)能是關鍵也是當前最直接有效主要辦法，在最近幾年,經(jīng)過努力，人們在節(jié)能技術研究和產品開發(fā)上都取得了巨大結果。

第29頁①發(fā)展和推廣發(fā)光二極管(LED)全球電力約22%消耗在照明上,所以照明節(jié)能是一個主要方面。以化合物半導體材料為發(fā)光元件半導體固態(tài)發(fā)光二極管(LED)是一個新型照明光源,正引發(fā)人類照明史上一次革命。一樣亮度下,半導體燈電能消耗僅為白熾燈1/8,而壽命則是白熾燈100倍。半導體照明含有節(jié)能、長壽命、免維護、環(huán)境保護等特征。如同晶體管代替電子管一樣,半導體燈替換傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈,已是大勢所趨:第一,應用非常靈活,能夠做成點、線、面各種形式輕薄短小產品；第二,環(huán)境保護效益很好,因為光譜中沒有紫外線和紅外線,屬于經(jīng)典潔凈照明光源；三是控制極為方便,只要調整電流,就能夠隨意調光。不一樣光色組合改變多端,更能到達豐富多彩動態(tài)改變效果。需要研究處理物理和技術問題主要有:提升半導體芯片發(fā)光效率；提升單管最大可發(fā)光通量；降低成本以降低價格；延長發(fā)光二極管使用壽命等,以實現(xiàn)規(guī)?；逃?。第30頁發(fā)光二極管結構第31頁②發(fā)展節(jié)能型建筑我國能源消耗中,建筑耗能是大戶,約占30%,現(xiàn)有建筑絕大多數(shù)是高耗能建筑。發(fā)達國家在低能耗,甚至零能耗建筑方面已經(jīng)有大量成功經(jīng)驗,我國也開始了示范工程。許多物理方法有利于建筑節(jié)能。

可經(jīng)過建筑材料和結構設計改進,利用太陽能發(fā)電、供暖(冷)。如皇明集團提出“太陽能建筑一體化”設計；光伏電站群控系統(tǒng)和用戶電源智能化控制系統(tǒng)(青海、西藏)；聚苯板粘貼外墻保溫體系與“低溫熱水地板輻射供暖(哈密)；被動式太陽能采暖房(甘肅)；太陽能熱循環(huán)系統(tǒng)采暖、恒溫建筑示范工程(北京)；100kWP光伏并