工程热物理前沿课程论文(DOC)

研究生“工程热物理前沿”论文重庆大学动力工程学院二O一四年一月摘要我国是世界上能源结构以煤为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国。

随着经济的发展，能源问题成为社会与经济发展的一个长期制约因素。

关系全局的主要能源问题有：能源需求增长迅速，供需矛盾尖锐；能源结构不合理，优质能源短缺；效率低下，浪费惊人；环境影响更加严重。

面对时代的召唤，工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。

本文主要介绍了工程热物理学科在核能发电技术、太阳能发电技术、生物质气化技术、燃料电池技术等新能源领域，及循环流化床洁净高效燃烧技术方面取得的成绩及未来发展方向。

关键词：工程热物理，核能发电，太阳能发电，生物质气化技术，燃料电池，循环流化床ABSTRACTChina is not only one of the countries whose energy structure is coal-based, but also one of the world's largest coal consumers. With the development of economy, the energy issue is the social and economic development of a long-term relationship factors, the main energy problem has global demand is growing rapidly, energy sharp contradiction between supply and demand, The energy structure unreasonable, high-quality energy shortage, Low efficiency and waste astonishing, The environmental impact is more serious. Facing the call of The Times, engineering thermal physical related subject will assume the development of our national economy energy and environment of the great demand to promote energy conservation and science use has become disciplines guiding ideology and the core, to grasp fossil fuel clean technology, vigorously develop renewable energy and new energy technology is engineering thermal physical development of the discipline of strategic emphasis. This article mainly introduced the engineering thermal physical sciences in solar power generation technology, nuclear power technology, biomass gasification technology, fuel cell technology and other new energy field, and circulating fluidized bed clean efficient combustion technology's achievements and future development direction.Keywords：Engineering thermal physical, nuclear power, solar energy, biomass gasification, fuel cells, fluidized bed一、我国能源现状我国是世界上的能源消费大国，也是世界能源市场的重要参与者，占世界一次能源需求总量的10%以上，在未来的一段时期内，我国经济的强劲增长将继续拉动我国能源需求的快速增长和进口。

煤是我国能源的主力，虽然煤在总能源中所占的比例会逐渐下降（从75%下降到60%），但总量仍会不断增加。

特别是在电力行业，煤用于发电的比例会越来越大，从目前的50%增加到70%以上。

我国石油短缺，车用液体燃料还是得从煤基替代燃料上找出路。

我国2005 年进口原油及其成品油约 1.3 亿吨，估计2010 年将进口石油2.5 亿吨，对外依存度将超过50%，这会引起一系列的能源安全问题。

关系全局的主要能源问题有：能源需求增长迅速，供需矛盾尖锐；能源结构不合理，优质能源短缺；效率低下，浪费惊人；环境影响更加严重，减排治污、保护生态刻不容缓；能源安全问题突出，全球战略势在必行等。

综上所述，我国面临能源和环境双重巨大压力，是经济和社会发展的长期瓶颈，是始终必须高度重视的重大问题。

能源发展、保护环境、节能减排对我国至关重要，是确保清洁、经济、充足、安全能源供应的根本出路。

大量研究和历史经验表明，解决能源与环境问题的根本途径是依靠科学技术进步，因此工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。

面对时代的召唤，工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。

二、工程热物理的发展方向及重要研究成果2.1 核能发电核能在运行过程中基本没有排放（核废料除外），能提供清洁的电能。

核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放的热能进行发电的方式。

核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。

裂变反应指铀．235、钚．239、铀．233等重元素在中子作用下分裂为两个，同时放出中子和大量能量的过程。

反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。

若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。

实现链式反应是核能发电的前提。

核电堆型种类很多，但技术比较成熟且投入商业营运的，主要有以下几种堆型：压水堆、沸水堆、重水堆、气冷堆、压力管式石墨沸水堆、快中子增殖堆。

在目前，核电站中以压水堆、沸水堆所占的比例最大。

核电站的核心设备是核反应堆，核反应堆中最重要的部分是堆芯，由核燃料组件和控制棒组件组成，堆芯堆载在压力容器中。

核燃料组件是由圆柱状的二氧化铀芯块做成的燃料棒，然后按照一定顺序组装起来。

控制棒组件控制核反应堆的开、停以及功率的变化，控制棒内的材料能强烈吸收中子，可以控制反应堆内链式裂变反应的进行，通过调节控制棒的高度来控制反应速度。

安全壳是核电站必不可缺的建筑，核聚变反应所用的原料具有很强的放射性，所以需要安全壳来进行保护，安全壳是由钢筋混凝土制成，有很大的强度，能承受各种冲击，并确保核反应堆内的放射性物质不逸入环境。

虽然目前核电站都是采用的核裂变反应堆，但是许多国家包括我国都投入大量的人力物力在积极探索研制核聚变反应堆，核聚变是两个较轻的原子结合形成一个较重的原子，在这个过程中将会产生比核裂变更多的能量，这种能量是一种更加安全、清洁、经济的能源，且有可能实现能量直接转换，具有极高的热效率。

相比于裂变所需的铀、钚等重元素原料，核聚变却可以利用氘、氚等储存量更大，分布更广泛的轻元素，在放射性方面也降低了很多。

核电不会像化石燃料会释放大量的污染物质到大气中，不会造成环境污染，核能发电不会加剧地球温室效应，目前核能发电所用的铀原料能量密度大。

所以发出同样的电量，核燃料所占的体积小，便于运输和储存，另外，核燃料所占的费用比例比较少，不会像石油等其它能源价格一直浮动较大，核能发电的成本相比较稳定。

随着核电技术越来越成熟，核电将凭借其突出的优点逐步提升它在总发电量中的比例，进而会在未来的能源产业中占据主要地位，我们有理由相信核电的发展前景是光明的。

2.2 太阳能发电太阳能光伏利用是一个有十分广阔前景的方向，可惜的是近年来PV 的研究虽然取得了很大成绩，但相对常规发电，单位容量价格仍高几十倍，要真正变成有份额的发电还有很长的道路要走。

我国在PV 材料与工艺方面和国外先进技术相比还有不小的差距，在这方面开展深入的材料制备、先进工艺和提高转化效率方面的基础和基础性研究是十分必要的，国家也应加大投入力度。

太阳能的光--电转换包括太阳能光伏电池发电和太阳能热动力发电以及太阳能热化学发电等。

太阳能光伏发电是利用了部分半导体材料在光照下产生光伏效应的直接光电转换。

太阳能电池是利用半导体p-n结的光生电动势效应，将太阳能直接转换成电能的器件。

光生电动势效应是光照射半导体时，激发自由电子和空穴分别向左右漂移，聚集在两端电极上而产生电动式，接上负荷就可以产生电流。

整个独立供电的光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。

太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。

根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载使用需要时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电;当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。

控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。

逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。

目前应用比较成熟的是硅系列太阳能电池。

硅系列太阳能电池中，单晶硅电池的效率最高，技术也最成熟，但单晶硅材料居高不下，而且电池工艺比较繁琐，因此大幅度降低单晶硅电池的价格十分困难。

单晶硅的代替电池是薄膜太阳能电池，包括多晶硅、非晶硅以及CaAs等化合物薄膜电池。

有机半导体太阳能电池始于1980年初，具有成本低，重量轻，光谱响应宽，便于大面积工业化生产以及可进行分子水平设计等优点。

20多年研究已经取得了很大的进步，目前此类太阳能电池的最高光电转换效率可达到3.5% 。