六升七 物理能源利用课｜了解核能太阳能

202XLOGO1能源世界的重要分支——核能演讲人2026-06-13能源世界的重要分支——核能01两种能源的协同互补：构建清洁高效的能源系统02来自太阳的无尽馈赠——太阳能03课程总结04目录六升七物理能源利用课｜了解核能太阳能各位即将升入初中的同学们，大家好。我是一名从事能源技术服务工作的从业者，从业至今已有十余年，期间参与过火电、水电、风电、光伏、核电等多种能源项目的技术交流与运维服务，也亲眼见证了我国能源产业从传统化石能源向清洁能源转型的全过程。今天这节课，我们将聚焦两种极具潜力的清洁能源——核能与太阳能，带着大家从基础认知到实际应用，全面了解这两种能源的奥秘。01能源世界的重要分支——核能1从原子核中释放的能量：核能的基本定义首先我们要明确，核能并非凭空产生的能量，它来自于原子核内部的结构变化。我们知道，原子是构成物质的基本单位，而原子核则是原子的核心部分，内部蕴含着巨大的能量。当原子核发生裂变（分裂成两个较轻的原子核）或者聚变（两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核）时，就会释放出远超常规化学反应的能量，这就是核能。目前我们日常使用的商用核能，几乎全部来自核裂变反应——这也是我们这节课重点讲解的内容。去年我曾赴浙江秦山核电站开展技术交流，亲眼看到这座中国自行设计建造的第一座核电站的运行现场，工作人员指着反应堆厂房告诉我，这里的核燃料就是铀-235，通过可控的链式裂变反应持续释放热量，为华东地区输送清洁电力。2核电站的“工作流水线”：核能发电的原理很多同学会好奇，核能是怎么变成我们家里用的电的？其实核电站的发电逻辑和火电站有相似之处，只是热源不同。我们可以把核电站看作一条精密的“能量转换流水线”：第一步，核反应堆作为核心热源，通过可控的铀-235裂变反应释放热量，将反应堆内的冷却剂（通常是水或者液态金属）加热到高温；第二步，高温冷却剂通过换热器将热量传递给另一侧的纯水，将纯水加热成高压蒸汽；第三步，高压蒸汽推动汽轮机高速旋转，就像风吹动风车一样；第四步，汽轮机带动发电机的转子转动，利用电磁感应原理将机械能转换成电能。整个过程中，核裂变产生的热量不会直接接触发电机，而是通过冷却剂和蒸汽作为中间介质传递，既保证了能量转换的效率，也最大程度保障了操作人员的安全。我在秦山核电站的中控室看到，数百个显示屏实时监控着反应堆的温度、压力、辐射剂量等数据，每一个参数都有严格的阈值，任何异常都会触发自动保护机制。3无可替代的清洁优势：核能的核心特点和大家熟悉的火电站相比，核能有着三个最突出的优势：第一是清洁低碳。火电站燃烧煤炭或者天然气时，会排放大量的二氧化碳、二氧化硫等污染物，是雾霾和温室效应的重要来源之一。而核电站在运行过程中，不会产生任何废气、废渣，也不会排放二氧化碳，一座百万千瓦级的核电站，每年可以减少约240万吨二氧化碳的排放，相当于种植了1.2亿棵树。第二是能量密度极高。1公斤铀-235完全裂变所释放的能量，大约相当于2700吨标准煤完全燃烧放出的热量。一座百万千瓦级的核电站，一年仅需要约30吨核燃料，而同样规模的火电站，一年则需要消耗约300万吨标准煤，不仅运输和储存的压力小得多，也节省了大量的土地资源。3无可替代的清洁优势：核能的核心特点第三是供电稳定可靠。和风电、太阳能这类受天气影响较大的能源不同，核电站可以24小时连续稳定运行，只要核燃料充足，就能持续输出电力。在我国的电网系统中，核电站承担着基础负荷电源的角色，就像电网的“压舱石”，保障了电力供应的稳定性。4拨开迷雾看真相：核能的安全认知与误区纠正提到核能，很多同学都会联想到原子弹爆炸、福岛核事故等新闻，难免会有安全方面的顾虑。其实这是对核能的误解，我们可以从三个层面澄清误区：首先，核电站的核燃料不会像原子弹那样爆炸。原子弹需要使用浓度超过90%的高浓缩铀，而核电站使用的核燃料铀-235浓度仅为3%-5%，远远达不到爆炸的临界条件，就像啤酒和白酒的区别，啤酒酒精浓度低，无法点燃，白酒浓度高才能燃烧。其次，现代核电站有着三道严密的安全屏障：第一道是燃料包壳，将核燃料密封在锆合金管中，防止放射性物质泄漏；第二道是压力壳，将反应堆整体密封在高强度的钢制容器中，即使燃料包壳出现破损，放射性物质也不会外泄；第三道是安全壳，是厚度超过1米的钢筋混凝土结构，可以抵御地震、台风、飞机撞击等极端情况，是最后一道防线。4拨开迷雾看真相：核能的安全认知与误区纠正最后，历史上的核事故大多是由设计缺陷或者人为失误导致的。比如切尔诺贝利事故，是因为苏联时期的反应堆没有安全壳设计，且操作人员违反了操作规程；福岛核事故则是因为特大地震和海啸摧毁了冷却系统，导致反应堆过热。而我国目前运行的第三代核电站，比如华龙一号，采用了被动安全设计，即使失去外部电源和冷却系统，也能依靠重力和自然循环完成冷却，彻底避免类似事故的发生。我曾参与过华龙一号的调试培训，亲眼看到工作人员模拟断电场景下的应急操作，整套流程严谨有序，让我对核能的安全性有了十足的信心。5从当下到未来：核能的发展现状与前景目前全球范围内，核能已经成为第三大发电电源，约占全球总发电量的10%。我国的核电发展起步较晚，但进步神速，截至2024年，我国在运的核电站有57台，装机容量超过5800万千瓦，在建的核电站有24台，装机容量超过2600万千瓦，在建规模位居全球第一。华龙一号作为我国自主研发的第三代核电站技术，已经出口到巴基斯坦、英国等国家，成为我国高端装备制造的一张名片。除了成熟的核裂变技术，核聚变也是未来核能的发展方向。核聚变的原料是氘和氚，来自海水，几乎取之不尽，而且反应产物没有放射性污染，是真正的“无限能源”。我曾去过合肥的中国科学院等离子体物理研究所，参观了EAST全超导托卡马克装置，也就是大家常说的“人造太阳”。目前EAST已经实现了1.2亿摄氏度的等离子体运行，持续时间超过1000秒，虽然距离商业化应用还有很长的路要走，但这一技术的突破，为人类未来的能源问题提供了全新的解决方案。02来自太阳的无尽馈赠——太阳能1地球最本源的能源：太阳能的本质聊完了核能，我们再来看另一种触手可及的清洁能源——太阳能。简单来说，太阳能就是太阳内部核聚变反应释放的能量，以光和热的形式传播到地球。我们日常使用的化石能源，比如煤炭、石油、天然气，其实都是古代生物储存的太阳能：古代的植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，埋藏在地下经过亿万年的地质变化形成煤炭；古代的海洋生物则将太阳能转化为石油和天然气。可以说，太阳能是地球所有能源的本源。去年春节我回老家山东农村，发现村口的路灯都换成了太阳能路灯，村干部告诉我，这些路灯不需要连接电网，白天通过光伏板吸收太阳能转化为电能储存起来，晚上自动点亮，每年能为村里省下不少电费。这也是太阳能走进我们日常生活的一个缩影。2多元的利用路径：太阳能的两种核心利用方式太阳能的利用方式主要分为两大类：光热利用和光电利用。第一类是光热利用，也就是将太阳能转化为热能。最常见的就是家里的太阳能热水器，通过真空管吸收太阳能，将水加热；还有太阳能供暖系统，通过集热器收集太阳能，为建筑物提供采暖；另外还有太阳能制冷系统，利用太阳能驱动溴化锂制冷机，为夏季的房间降温。第二类是光电利用，也就是将太阳能直接转化为电能，也就是我们常说的光伏发电。这也是目前太阳能利用最广泛的方式，从家用的光伏屋顶，到大型的沙漠光伏电站，都是通过光伏发电系统实现的。3光伏板背后的科学：光伏发电的基本原理很多同学会好奇，一块蓝色的光伏板，是怎么把太阳光变成电的？其实背后的原理叫做“光伏效应”。光伏板的核心材料是硅，这是一种半导体材料，当太阳光照射到硅片上时，光子的能量会激发硅原子中的电子，让电子从束缚状态变成自由状态，从而形成电流。一块完整的光伏发电系统，主要由光伏组件、逆变器、储能装置和控制系统组成：光伏组件将太阳能转化为直流电，逆变器将直流电转换成我们日常使用的交流电，储能装置可以将多余的电能储存起来，供晚上或者阴天使用，控制系统则负责监控整个系统的运行状态。我曾参与过山东济宁的一个分布式光伏电站项目，这个电站安装在当地一家工厂的屋顶上，每年可以发电约200万千瓦时，不仅满足了工厂的部分用电需求，还将多余的电力卖给了电网，为工厂带来了额外的收益。4利弊兼具的现实：太阳能的优势与挑战太阳能有着很多无可比拟的优势：首先是取之不尽。太阳的寿命还有约50亿年，对于人类来说，太阳能就是一种“无限能源”；其次是分布广泛。只要有阳光的地方，就可以利用太阳能，不管是城市的屋顶、农村的田野，还是荒凉的沙漠，都可以安装光伏电站；第三是安装灵活。光伏发电系统可以根据需求灵活调整规模，小到家用的光伏路灯，大到百万千瓦级的沙漠光伏电站，都可以实现；第四是清洁无污染。在运行过程中，光伏发电不会产生任何废气、废渣和噪音，是真正的绿色能源。当然，太阳能也存在一些挑战：4利弊兼具的现实：太阳能的优势与挑战第一是受天气和时间影响较大。晚上没有阳光，阴天和雨天的光照强度也会大幅降低，无法稳定发电；第二是能量密度较低。太阳能的能量密度大约只有每平方米1000瓦左右，要获得足够的电力，需要安装大量的光伏板，占用较多的土地资源；第三是储能成本较高。目前主流的储能方式是锂电池储能，虽然成本在不断下降，但仍然是光伏发电推广的一大瓶颈。我曾参与过一个储能电站的项目，看到数百个锂电池柜整齐排列，工作人员告诉我，这些电池可以储存约10万千瓦时的电力，相当于2万户家庭一天的用电量，但整个项目的投资超过了2亿元。5遍地开花的未来：太阳能的发展格局与展望近年来，我国的太阳能产业发展迅猛，根据国家能源局的数据，2023年我国新增光伏发电装机容量超过1.2亿千瓦，累计装机容量超过5.3亿千瓦，连续多年位居全球第一。我国不仅是全球最大的光伏产品生产国，也是最大的光伏应用市场，几乎所有的光伏组件、逆变器等核心设备都实现了国产化，成本比十年前下降了90%以上。除了地面光伏电站，分布式光伏也迎来了快速发展的时期。很多家庭、工厂、商业建筑都安装了屋顶光伏系统，不仅实现了自发自用，还可以将多余的电力卖给电网，实现“双碳”目标的同时，也为用户带来了经济收益。另外，我国还在沙漠、戈壁、荒漠地区建设了大型光伏基地，比如塔克拉玛干沙漠的光伏电站，将荒凉的沙漠变成了绿色能源基地，不仅解决了当地的就业问题，还为东部地区输送了大量的清洁电力。5遍地开花的未来：太阳能的发展格局与展望未来，太阳能的发展方向主要有两个：一个是高效光伏技术，比如钙钛矿光伏电池，转换效率已经超过了30%，远高于传统的硅基光伏电池；另一个是太空太阳能电站，将光伏板安装在地球同步轨道上，不受天气和黑夜的影响，收集太阳能后通过微波或者激光传输到地球表面，这一技术虽然还处于实验阶段，但一旦实现，将彻底解决人类的能源问题。03两种能源的协同互补：构建清洁高效的能源系统两种能源的协同互补：构建清洁高效的能源系统聊到这里，相信大家已经对核能和太阳能有了全面的认识。很多同学会问，这两种能源到底哪一种更好？其实它们并非对立的关系，而是可以互补协同，共同构建起安全、清洁、高效的新型能源系统。核能的优势是稳定可靠、能量密度高，适合作为基础负荷电源，保障电网的基本供电需求；而太阳能的优势是分布广泛、安装灵活，适合作为分布式电源和补充电源，填补电网的峰值负荷。比如在我国的西北电网中，核电站作为基础负荷电源，24小时稳定运行，而太阳能和风电作为补充电源，在光照和风力充足的时候增加发电，储能装置则负责调节电力的供需平衡，这样既保证了电力供应的稳定性，又最大程度减少了碳排放。两种能源的协同互补：构建清洁高效的能源系统我曾参与过一个区域能源项目的规划，这个项目位于江苏沿海地区，规划建设了两座百万千瓦级的核电站，同时在周边的滩涂上建设了百万千瓦级的光伏电站和风电电站，再配套建设了储能电站，形成了“核电为基、风光互补、储能调峰”的新型能源系统。这个项目不仅可以满足当地的用电需求，还可以将多余的电力输送到华东地区，为我国的能源转型提供了全新的样板。04课程总结课程总结今天这节课，我们从基础认知到实际应用，全面了解了核能与太阳能这两种清洁能源。