物理学与新能源教材课件

第九章

物理学与新能源

人类生存与可持续发展所面临的重要问题之一2011-11-07一.能源的利用、现状和危机人类随着进化的过程，开始使用火，被引进了消耗能源的时代，人类生活离不开能源。直接利用“一次能源”：

—木材，石油，天然气，煤炭—不可再生能源

—风能，水能，太阳能—可再生能源（可以不断取得）18世纪：发明蒸汽机，实现热能—机械能的转换，开始应用“二次能源”—热能。19世纪：发明发电机以及电能的应用，是目前人类应用最普遍的二次能源。

一切二次能源的利用都是以一次能源的消耗为代价。一次能源的蕴藏量是有限的，总有一天要枯竭。目前主要利用的能源都是史前时期地壳变迁所造成的（化石能源）：

煤：原始森林被掩埋在地下经几十万年的炭化而形成；石油、天然气：动物尸体被掩埋在地下经几十万年转化及变质裂解而产生的液态、气态碳氢化合物。——这种自然形成的条件和过程目前已不可能重现，石油，天然气，煤炭等

只会越用越少，不可能再生。随着全球人口增加，社会发展和生活需求的提高，对能源的需求越来越大，人均消耗的能源越来越多现已查明的石油，天然气地下资源将在40-60年内告罄，煤炭地下资源只够维持200年左右，——人类将面临传统能源枯竭的威胁，人类的社会生活将面临崩溃的命运—前景可怕！煤炭:间接的太阳能露天煤矿矿坑石油:间接的太阳能海上钻井平台

石油、天然气:间接的太阳能新疆克拉玛依油田——连绵100Km的抽油机中国的能源状况能源是现代社会赖以生存和发展的基础，供给能力关系国民经济的可持续性发展，是国家战略安全保障的基础之一。(控制了粮食，你就控制了一个民族；控制了能源，你就控制了一个国家——基辛格）能源消耗大国，2000年一次能源消费量为7.5亿吨油当量，仅次于美国成为世界第二人能源消费国，到本世纪中叶中国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。人均一次能源的消费量不到美国的1／18，仅为世界平均水平的1／3。与世界一次能源构成不同的是中国以煤为主，煤占一次能源的比例为63.6%，由于煤的高效、洁净利用难度大，使用过程中已对人类的生存环境带来严重的污染。人均能源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均的1／10，人均煤炭储量仅为世界平均值的1／2。预计到2010年，中国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。开发洁净可再生能源已成为紧迫的课题。

火力发电厂三峡水电站西气东输——天然气主要用途：

1、天然气发电——缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有竞争力。

2、天然气化工工业，天然气是制造氮肥的最佳原料，具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为80%左右。

3、城市燃气事业——随着生活水平提高及环保意识增强，天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。大部分城市对天然气的需求明显增加。4、压缩天然气汽车，以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少、安全等优点。1.“温室效应”——地表温度逐年上升（直接影响农业生产），北极冰山加速融化（海平面逐渐上升，危险沿海地区人民生存）

2.对地球周围臭氧层产生破坏——人类逐渐丧失对紫外线的屏蔽，紫外辐射的增强加深对地球生态平衡的破坏，还增加患皮肤癌的概率

3.酸雨——硫化物、氢氧化物在空中与大气中水蒸气作用的产物，造成农业重大损失(我国许多地区属危害严重区域）由于煤炭、石油等传统能源的大量利用，地球生态遭受极大的破坏，环境危机影响当代以及子孙后代

煤炭、石油燃烧过程释放大量二氧化碳、二氧化硫等有害气体，造成环境危机：

为了人类的生存和可持续发展，进入20世纪中叶，全球开始关注新能源的寻求和开发利用寻找新能源来替代即将枯竭的传统能源这种新能源必须是没有污染的“绿色能源”这种新能源大量存在于地球，等待人类去开发利用学习和掌握物理学知识，认识、开发和利用新能源，具有重要意义可再生能源泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类有生之年都不会耗尽的能源，包括：

太阳能，氢能，原子能，地热能、风能，水能……二.可再生能源的开发利用正确认识物理学与能源勘探及开发利用的关系能源的种类和特性太阳能，核能，氢能，地热能，水力发电，潮汐发电，开源节流——开发与节约并进 胡锦涛同志指出：“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。”1.太阳能的利用太阳是离地球最近的恒星（半径是地球的109倍，质量是地球的33万倍，密度是地球的1/4倍，是一个气团，氢71%，氦27%），是不断放出能源的巨大的热核反应器，中心温度1.5107K，

氢是太阳热核反应的主要燃料，氦是其主要产物。每烧掉4个氢核（质子），可释放结合能26.7MeV，目前每天释放能量2.11044MeV，相当于烧掉51013吨氢。太阳巨大的质量可再燃烧50亿年太阳是一个巨大的、取之不竭的清洁能源。实际上目前人类所利用的能源绝大部分来自太阳能，包括人类和动物的食物。植物靠光合作用而生长；人类和动物直接或间接以植物为食；煤炭、石油和天然气等均由植物、动物在地下演化而来；风力、水力也是由太阳加热地球表面造成大气和水蒸气的循环所提供——属于太阳能的间接利用人类间接利用的太阳能只占太阳辐射到地球表面总能量的极小一部分，大部分没有得到有效利用。人们正努力实现太阳能的直接利用

——太阳能发电，太阳能供热太阳能发电（太阳能直接转换为电能） 太阳能-硅光电池-电能（半导体光电效应-太阳能电池） 太阳能–热机–发电机（热力发电） 例：路灯，人造卫星，宇宙飞船，空间站，光纤通讯系统，汽车，空间太阳能发电厂（微波传输到地球）……太阳能供热（加热。制冷）

太阳灶，太阳能热水器，太阳能采暖（空调），太阳能冰箱 目前利用太阳能发电还存在（光电池）成本高、转换效率低的问题

日本在太阳能热利用和光电转换技术方面均居世界前列

太阳能热水器太阳能灶太阳能电池

法国：奥德约太阳能发电站是世界上第一个实现太阳能发电的太阳能电站。当时发电功率才６４千瓦，为后来的太阳能电站的研究与设计奠定了基础。美国：１９８２年建成一座１０００万千瓦塔式太阳热中间试验电站。计划到２０２０年，生产的电量占总能量的２５％。光热转换器（聚光器）需要占据较大的空间采光受热。美国在加利福尼亚州计划建一座１万千瓦发电设备为例，集光装置达４０万平方米。大型太阳能发电站效率仅为３０％左右。还需要有应付晚上和阴天用电需要的蓄电器，所需的聚光器造价昂贵，发电经济性差，影响广泛地推广应用。（绿色电能的经济性问题）瑞士阳光动力公司“阳光动力号”重1.5吨，翼长61米,机翼承载200平方米的光伏电池面板，造价500万美元,可在夜间飞行,目前仅能容纳1人,3年后环球飞行国际航空运输协会希望能在2050年实现飞行器碳排放量为零。阳光动力公司设想，40多年后，能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运营。2.原子能原子核中蕴藏巨大的能量；原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放；由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。每克氘聚变时所释放的能量：5.8×108KJ，每克U－235裂变时所释放的能量：8.2×107KJ

核裂变能： 原子反应，又称为核反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。

原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀—235的原子核受到外来中子轰击时，会吸收一个中子并裂变成两个质量较小的原子核，同时放出2—3个中子。裂变产生的中子再轰击其他铀—235原子核，引起新的裂变——裂变的链式反应。链式反应产生大量热能，用循环水带走热量以避免反应堆过热烧毁，导出的热量可使水变成水蒸气，推动气轮机发电。核反应堆最基本组成是裂变原子核＋热载体。核反应堆是受控系统，根据人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，必须有可靠的防护措施。核反应堆用途：1.提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆。2.为发电而发生热量的核反应堆。3.用于推进船舶、飞机、火箭等的核反应堆。4.用于卫星供电的核反应堆。核能独特优越性：不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力；少耗料、高能量，一次装料后可以长时间供能，可作为火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇、航空母舰等的特殊动力。现在人类进行的太空探索，还局限于太阳系，飞行器所需能量不大，用太阳能电池就可以了。如要到太阳系外其他星系探索，核动力将是唯一的选择。美、俄等国从事核动力卫星的研究，把发电能力达上百千瓦的发电设备装在卫星上。有了大功率电源，卫星在通讯、军事等方面的威力将大大增强。1997年10月15日美国宇航局发射的“卡西尼”号核动力空间探测飞船，它要飞往土星，历时7年，行程长达35亿公里。

核电厂欧美发达国家核能发电的比例高（法国，美国，日本）。我国已建成多座核电厂并投入使用（秦山，大亚湾….）计划在十一五期间在沿海地区建站十几座核电厂，满足能源困难和日益增长的电能需求秦山核电站反应堆原子反应堆核电厂安全吗？被密封的切尔诺贝利核电站是一种经济、安全、清洁的热源，20世纪80年代发展起来，在世界上受到广泛重视。在能源结构上，用于低温(如供暖等)的热源，占总热耗量的一半，这部分热多由直接燃煤取得，造成环境严重污染。我国能源结构中，近70%的能量是以热能形式消耗的，而其中约60%是120℃以下的低温热能。发展核反应堆低温供热，对缓解供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面都有重要意义。核能也可以用来制冷。清华大学在五兆瓦的低温供热堆上已经进行过成功的试验。核供热用于海水淡化，是各种海水淡化方案中经济性最好的一种。核能供热核动力推进，主要用于核潜艇、核航空母舰和核破冰船。核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能运行很长时间；核裂变能的产生不需要氧气，核潜艇可在水下长时间航行。全世界己制造的用于舰船推进的核反应堆数目已达数百座、超过了核电站中的反应堆数目。现在核航空母舰、核驱逐舰、核巡洋舰与核潜艇一起，已形成了一支强大的海上核力量。我国从70年代开始能自行建造核动力潜艇

核动力核聚变能核聚变是指由质量小的原子（主要是氘或氚）在一定条件下（超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。与核裂变相比，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。

核聚变放出比核裂变更大的能量。太阳发出的光和热是由内部连续进行的氢聚变成氦的核聚变过程产生。

目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行——受控核聚变。

核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。每升海水中含有0.03克氘，地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，将使人类摆脱能源危机困扰。

进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。 尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。 人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。

3.氢能源的开发与利用水能灭火，也能生火 (O2+H2 H2O)H2：地球上储量最大的元素之一，主要存在于海水中（11%），燃烧价值高，热效率接近100%，1kg氢燃烧产生的热量相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量；氢燃料燃烧后又生成水，不排放烟尘和有害气体（大型火箭燃料）实际应用中氢的制取、存储与运输问题。制约氢能发展化学方法提取氢（电解水）不适合能源应用（提取过程消耗能量大于燃烧过程放出能量，否则违法热力学第二定律）利用太阳能分解水制取氢存储问题：液化（-253C）？金属储氢（材料学）？现在，氢能的利用已有长足进步。1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油：氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。4.风能的开发利用风能源于太阳加热地球表面造成大气循环。利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和致热等。风力发电是主要的开发利用方式。 优点：清洁，一次性投资

缺点：风向及大小变幻不定，不连续性，其经济性和实用性由多种因素综合决定。

发展前景：未来15年，风力是耗资最小、最易发展的替代煤和天然气发电的能源。风力发电效率日益提高，世界上不少国家都对风力发电制定了发展计划。在未来25年，美国对风电的投资将达到5000亿美元。到2030年，风电将占美国总发电量的20%。国家海上风电示范项目、上海市重大工程——东海大桥100兆瓦海上风电场的第二、第三台巨型风机安装在东海大桥畔中国的风能总储量估计为1.6×109千瓦，列世界第三位，有广阔的开发前景。（新疆，内蒙地区）

风能是一种自然能源，风的方向及大小都变幻不定，其经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。5.水力资源水力发电：——利用构建拦河大坝形成的巨大水位差，通过水流驱动水力发电机叶轮，实现重力势能–动能–电能的转换中国是水力资源丰富的国家（长江，黄河，耶鲁藏布江，怒江等)，充分开发利用水资源将带来巨大的经济效益。

优点：清洁，一次投资，长期收益，多功能兼具

缺点：水资源蕴藏量大的地方，地势多险恶；工程投资巨大，难度大，周期长，对环境的影响？波力发电：用海浪发电

潮汐发电：——由太阳和月亮的引力造成海水涨、落潮形成的水位落差发电中国有很长的海岸线，适合用作潮汐发电。

缺点：落差有限，间隙发电，受地形影响，利用价值有限三峡水电站6.地热能地球半径约6370km，构造主要分为三层：“地壳”（厚度各处不均，由几千米到70km不等），“地幔”（主要是由熔融状态的岩浆构成，厚度约为2900km），“地核”（又分为外地核和内地核）。地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能（火山喷出的熔岩温度1200oC，天然温泉温度在60oC～140oC）地球每一层的温度很不相同的。从地表以下平均每下降100米，温度就升高3oC，在地热异常区，温度随深度增加的更快。根据各种资料推断，地壳底部和地幔上部的温度约为1100oC~1300oC，地核约为2000oC～5000oC。地壳内部的温度产生的热量，它的热量是由于地球物质中所含的放射性元素衰变产生的热量。据估计，在地球的历史中，地球内部由于放射性元素衰变而产生的热量，平均为每年5万亿亿卡。1981年8月，据联合国新能源会议技术报告介绍，全球地热能的潜在资源相当于现在全球能源消耗总量的45万倍。地下热能的总量约为煤全部燃烧所放出热量的1.7亿倍。中国西藏是地热资源丰富的地区。

西藏羊八井地区地热流体羊八井地热温室（内景）能源的现状和未来木材煤油气裂变太阳能

年比例185019001950200020502100世界能源的发展历史与预测图三.能源的节约节能降耗是关系到人类生存和可持续发展的重大问题。开发新能源，节约能源（提高能源利用效率）物理学所能发挥的指导作用：

产生能量的新机制 能量守恒与转换效率 提高能量使用效率的新方法我国目前不仅是能源消耗大国，而且是每单位GDP能耗很大的国家——任重道远具体途径：电能：大型高效发电设备降低能耗，提高能源利用率（超临界发电）耗能产品技术发展，提高效率（飞机、汽车发动机，家用电器，新光源）耗能产品合理使用

热能：提高热机效率（卡诺循环）可再生能源的利用：热能的回收利用，太阳能的充分利用水资源的节约利用—（我国是水资源严重缺乏的国家，国民经济发展严重受此制约）其他可再生资源的回收利用（贵金属，有色金属，纸，橡胶）能源消费水平世界各国能源消费水平有很大差距。现代化社会每年每人平均最低能耗１６１５千克标准煤，其中： 衣１０８千克，食３２３千克，住３２３千克，行２１５千克，其他６４６千克。美、英、德、法等国能源消费量平均每年每人为６７００千克，超过最低限度４倍以上，美国超过７～８倍。这些发达国家人口只占世界人口的１０％，而能源消费已达世界总能耗的４０％。中国人口平均能耗仅有６２０千克，仅为最低限度的２／５。上世纪70年代，节能意味着关灯。今天，《家庭节能方案》一书的作者保罗·舍克尔说：“现在到了利用技术把同样一件事做得更好的时候了。”美国现在每创造1美元经济产出消耗的能源比30年前减少了47%，这在很大程度上要归功于技术进步。令人遗憾的是，生产出来的大量能源都在传输途中浪费掉了。消费者对此无能为力，但在家里节约能源却非常简单——电费下降就是报偿。洛矶山研究所的艾默里·洛文斯说：我把这称为“负瓦特”。最便宜、最清洁的能源，莫过于没有制造出来的能源。 关键：提高能源使用效率

温室效应：随着人类活动的加剧，大量温室气体排放造成地球气温不断增高。从18世纪中叶工业革命至今，全球平均气温增高了0．75摄氏度。 全球气候变暖，导致了冰川融化、冰盖缩小、冰架断裂。冰川的消融使上述地区的永冻土层丧失了“粘合剂”的功能，致使山崩和泥石流频发。 气象观测发现，过去几十年，北极永久海冰在减少，冰川和冻土在融化。欧洲航天局专家根据卫星图片分析后发现，2006年夏季，欧洲北部至北冰洋区域大约5％至10％的永冻冰开始松动融化。此外，南极在过去十几年里也有三大部分的冰架坍塌，而缺乏冰架支撑的冰川活动显著加速，冰层也随之变薄。

四.减少CO2排放量——低碳

冰川融化导致海平面升高，较低地势的海岛及海洋沿岸城市就会面临被淹没的危险。如果全球平均气温的升高按目前状况持续千年的话，会最终导致格陵兰冰盖的完全融化，进而导致海