杨理理 梁凤丽

[摘 要]工程热力学基础是一门能源动力类、航空航天类、机械类等相关专业的重要专业基础课，课程中的能量守恒定律、熵、?等热力学概念和原理是能源高效利用重要的理论基础。在本课程的教学过程中，将多种能源梯级利用，提高能量释放品位和效率，实现能源的高效利用。

[关键词]工程热力学;基础能源;源头节能

[基金项目]2019年南京航空航天大学公共基础精品课程建设专项“工程热力学”（2019JG0234K）

[作者简介]杨理理（1984—），女，江苏南通人，博士，南京航空航天大学能源与动力学院讲师，主要从事太阳能利用研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-08-18

能源和环境是影响国民经济可持续发展的两个关键因素。随着全球经济的持续快速发展和世界人口的不断高速增长，传统化石能源探明储量面临枯竭，使用化石能源引起的废气排放与环境污染等问题愈发严重，对能源利用方式提出了更高的要求。因此，世界各国正调整各自能源发展战略，一方面努力提高传统能源的利用效率;另一方面大力发展清洁能源和可再生能源，以逐渐减小对传统化石能源的依赖和抵御未来化石能源短缺的风险，进而保障能源安全和国民经济可持续发展。基于不同能源利用系统对能量品质需求不同的特点，通过不同的能源利用技术方式、不同能源利用系统的合理配置与耦合使用，提高能源利用效率。

“工程热力学基础”作为一门能源动力类、航空航天类、机械类等相关专业必修的重要专业基础课，研究对象主要是工程技术上热能和机械能相互转换的规律，尤其是其中的能量守恒定律、熵、?等热力学概念和原理对当今社会广泛关注的能源高效利用和可再生能源的开发利用等问题具有重要的理论指导意义。

一、能源高效利用的重要性

能源是社会持续发展的重要物质基础，社会的快速发展对能源的需求不断增加，由此带来的传统能源短缺及其引起的环境问题已成为社会关注的焦点。国际能源署（IEA）公开数据显示，由于可再生能源的积极效应，2019年碳排放总量与2018年几乎持平，在330亿吨左右。这一数据说明，能源转型正在进行中，同时这一数据也意味着《巴黎协定》提出的21世纪平均气温上升幅度要控制在2摄氏度以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内的目标很难如期完成。为了缓解经济发展引起的能源危机和环境问题，世界各国正在大力发展替代传统化石能源的新兴能源，但是高效再生能源的发展速度跟不上人类的需求，化石能源的使用仍在持续增长。因此，面对严峻的能源问题，发展可再生能源、清洁能源利用技术，提高能源利用效率对实现人口、经济、能源与环境的协调发展具有重要意义。

二、“工程热力学基础”课程与能源高效利用的关系

“工程热力学基础”课程主要研究的是工程技术上热能和机械能相互转换规律、方法途径及其应用。通过本课程的学习，掌握热力学基本概念，研究分析热力系统和循环特性，提出改善系统和循环性能的方法，从而提高能源转化效率。课程中核心的热力学第一定律和热力学第二定律分别从数量和能量品味两个不同角度深刻阐述了能源转换问题，是解决能源有效利用的理论基础。在不同热力系统中的能量转换和释放过程中，可以通过不同形式能源的能量互补、品位耦合，提高能量释放品位和效率，实现能源“源头节能”，为同时解决能源高效利用和节能减排提供一种途径。

三、教学过程中的思考与探索

在工程热力学基础的教学过程中，可以综合利用线上、线下课程教学的优点，打造立体教学模式。首先在慕课、超星等网络平台发布教材章节内容或知识点解析等教学课程视频，将教学内容以不同形式呈现;设置课堂练习、随堂测试等环节，及时了解學生对课程内容的掌握情况;采用分组讨论，激发学生在学习过程中的积极性和好奇心，明确学习目标，掌握本课程的特点和学习方法。

基于以上的教学模式，在课程绪论部分可以充分利用线上平台教学的优势，结合实际案例和视频材料给学生系统地介绍当前能源利用的现状和存在的问题，阐述工程热力学基础这门课程与能源利用之间的关系。在能源传递转换与利用过程中，遵循本课程核心的内容“热力学第一定律”和“热力学第二定律”，能量数量守恒，但由于不可逆性，能量品质会降低。因此在教学过程中，分析某一过程或循环时，引导学生可以分别通过热效率、熵效率和?效率来评价其能量利用情况。例如，锅炉的热效率一般可以达到90%以上，而相同参数条件下，由于内部的不可逆性，其?效率可能只有50%，远低于其热效率。因此，需要从工程热力学的角度，分析?损失的原因，找寻合适的改善措施，从而提高其能量利用效率。

除了理论教学之外，基于能量高效梯级利用可以增加实验环节的内容。在当前可再生能源形式中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、分布广泛、使用清洁等优势，已成为能源可持续发展及可再生能源发展战略的重要组成部分。从本课程的内容出发，通过太阳能与化石能源的能量互补、品位耦合，提高能量释放品位和转换效率，替代部分传统化石能源的消耗，有利于化石能源“源头节能”，减少污染物排放，同时可以有效提高太阳能转换效率，实现太阳能与化石能源的梯级利用。

以典型理想蒸汽动力循环为例，主要由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器这个设备组成，如图1所示。工作过程如下：水通过给水泵加压泵入锅炉，在锅炉中加热汽化形成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，而后得到低压乏汽在冷凝器中被冷凝，形成水后再送入给水泵，从而完成一个蒸汽动力循环。在这过程中，热量由水在锅炉中被加热产生的，需要消耗大量的煤，同时会产生大量的燃烧产物。利用太阳能代替传统能源，形成太阳能集热—蒸汽联合循环，同时实现源头节能和清洁用能，如图2所示。该循环主要由太阳能定日场镜、集热器、换热器、汽轮机、冷凝器、水泵这几个设备组成。与传统蒸汽动力循环相比，其工作过程有以下几个特点：（1）利用反射镜将太阳能集中在集热器表面，通过聚集的太阳能把工质加热，产生高温高压的过热蒸汽;（2）高温高压的过热蒸汽不直接在汽轮机中膨胀做功，而是在换热器中与冷水进行换热，然后加热后的蒸汽再进入汽轮机膨胀、对外做功;（3）有两个蒸汽循环和两个给水泵。值得注意的是，系统中的换热器也是蓄热器，兼具储存高温工质和加热冷水的功能。

此外，太阳能光伏—光热耦合利用是太阳能与传统能源耦合利用的另一种重要利用形式。1976 年，Wolf首次提出了光伏—余热耦合利用系统，主要是利用了太阳光伏电池工作时产生的低品位余热，余热温度一般在50℃～100℃范围。该系统的工作原理是：通过流体带走光伏电池产生的余热，获得生活热水，从而实现电能和热能的综合利用，如图3所示。太阳能综合利用效率可达60%～80%，高于单独光伏发电系统或太阳能集热系统。

太阳能全光谱能量波段范围是300nm～2500nm，虽然光伏电池直接将太阳辐射光子能量转化成电能，没有降级利用。但以硅电池为例，小于1100nm波长的太阳辐射能量才可以被光伏电池吸收利用转化成电能，1100nm～2500nm波段的太阳辐射能量无法被光伏电池利用，利用效率低;单一的光热利用虽效率较高，但会降低太阳能的能量品味。因此，从能量利用效率和品味综合考虑，利用分频式太阳能光伏—光热耦合系统，太阳能辐射光子通过分频器分成高能光子（300nm～1100nm）和低能光子（1100nm～2500nm）两部分能量，高能光子被太阳能光伏电池利用，低能光子被太阳能热发电子系统利用，如图4所示。因此在提高太阳能全光谱 “量”的利用效率同时，实现了太阳能全光谱能量品味耦合，提升了太阳能利用的“质”。

因此，基于以上多种太阳能光—热—电的互补利用，组织学生设计并搭建太阳能热互补系统，从实验的角度获得系统及和部分组件的转换效率。由于太陽能全光谱利用的转换过程存在不可逆损失，导致全光谱转换实际效率与理论效率极限有较大差距，减小不可逆损失对于实现太阳能全光谱高效梯级利用至关重要。因此引导学生从能量“质”和“量”两个方面分析问题，提高动手能力和解决实际问题能力的同时，也强化了学生的源头节能、梯级利用的用能意识。

四、结语

我国明确提出构建清洁低碳安全高效的能源体系的战略要求，能源高效利用将是能源利用的重要发展方向，将其贯穿于工程热力学基础的教学过程中，不仅可以增强学生的节能和高效利用的能源意识，也为学习专业知识提供了充分的应用背景，同时为今后解决相关生产实际问题奠定了理论基础。

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On the Efficient Use of Energy in the Teaching of "Fundamentals of Engineering Thermodynamics"

YANG Li-li， LIANG Feng-li

（College of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，

Nanjing， Jiangsu 210016， China）

Abstract： Fundamentals of Engineering Thermodynamics is an important basic course for energy and power， aerospace， machinery and other related majors. The law of energy conservation， entropy， and other thermodynamic concepts and principles in the course are important theoretical basis for energy efficient utilization. In the teaching process of this course， a variety of energy resources will be used step by step to improve the energy release grade and efficiency and realize the efficient utilization of energy.

Key words： Fundamentals of Engineering Thermodynamics;energy; source energy saving