第1章緒論1

1.1能源概述1

1.1.1能源的分類1

1.1.2能源的轉換、輸送和儲存2

1.2能源與社會3

1.2.1能源與人類社會發展3

1.2.2能源與經濟可持續發展4

1.3能源資源5

1.3.1全球能源資源現狀6

1.3.2我國能源資源現狀6

1.4我國能源與動力工程發展前景7

1.4.1能源與動力工程概述7

1.4.2我國能源與動力發展趨勢與政策8

參考文獻10



第2章常規化石能源及其利用11

2.1煤炭及其利用11

2.1.1煤的形成與性質12

2.1.2煤的清潔利用技術14

2.2石油及其利用30

2.2.1石油的形成及特性30

2.2.2石油資源與開采31

2.2.3石油煉制及產品37

2.2.4中國石油產能簡況39

2.3天然氣及其利用40

2.3.1天然氣的形成及特性40

2.3.2天然氣資源與開采41

2.3.3天然氣的利用44

2.3.4中國天然氣產能簡況46

參考文獻48



第3章可再生能源及其利用49

3.1太陽能51

3.1.1太陽能資源51

3.1.2太陽能分布51

3.1.3太陽能特點52

3.1.4太陽能應用52

3.2風能57

3.2.1風能資源57

3.2.2風力發電繫統59

3.2.3產業發展61

3.3生物質能62

3.3.1生物質的物理轉化和化學轉化63

3.3.2生物質的生物轉化65

3.4氫能66

3.4.1氫的制取66

3.4.2氫的儲存和運輸68

3.5核能69

3.5.1概述69

3.5.2核能的優勢70

3.5.3核燃料71

3.5.4海洋的核資源72

3.6地熱能73

3.6.1地熱資源及其特點73

3.6.2地熱發電74

3.6.3地源熱泵75

3.7海洋能76

3.8水能77

3.8.1簡況77

3.8.2水力發電技術78

參考文獻81



第4章儲能材料與儲能技術83

4.1引言83

4.2機械儲能84

4.2.1抽水儲能84

4.2.2壓縮空氣儲能85

4.2.3飛輪儲能86

4.3電化學儲能86

4.3.1鉛酸蓄電池86

4.3.2鋰離子電池88

4.3.3鎳基堿性二次電池90

4.3.4燃料電池91

4.3.5其他種類電池94

4.4熱質儲能96

4.4.1顯熱儲熱技術96

4.4.2相變儲熱技術96

4.4.3相變儲熱材料97

4.4.4相變儲熱工程應用100

4.4.5化學儲熱技術100

4.5電磁儲能101

4.5.1超導儲能技術102

4.5.2超級電容器儲能103

4.6儲氫104

4.6.1儲氫概述104

4.6.2壓力儲氫105

4.6.3低溫儲氫105

4.6.4固態儲氫106

4.7氣體水合物儲能技術107

4.7.1天然氣水合物儲氣107

4.7.2氣體水合物蓄冷108

4.8微網技術與儲能110

參考文獻111



第5章電能的生產及其裝備113

5.1我國電力發展簡況113

5.2燃煤發電設備117

5.2.1概述117

5.2.2鍋爐120

5.2.3汽輪機122

5.2.4輔機設備125

5.3燃氣發電設備128

5.3.1用於發電的燃氣輪機簡況128

5.3.2燃氣輪機129

5.3.3餘熱鍋爐130

5.3.4示範工程131

5.4清潔高效發電技術133

5.4.1燃煤發電技術133

5.4.2電力環保技術137

5.4.3新型動力循環發電143

5.5核能發電144

5.5.1基本原理145

5.5.2主要設備145

5.5.3安全保障148

5.6智慧能源與新型電力繫統151

5.6.1能源互聯網151

5.6.2綜合能源繫統152

5.6.3虛擬電廠152

參考文獻154



第6章航天航空與交通運輸動力裝備155

6.1航天動力裝置155

6.1.1航天器及火箭發動機簡況155

6.1.2固體火箭發動機159

6.1.3液體火箭發動機160

6.1.4電火箭發動機161

6.1.5核火箭發動機162

6.2航空動力裝置162

6.2.1航空發動機發展簡況162

6.2.2航空活塞式發動機166

6.2.3航空燃氣渦輪發動機167

6.3陸地交通工具動力裝備169

6.3.1汽車動力裝備發展簡況169

6.3.2軌道交通工具動力裝備發展簡況171

6.3.3汽車內燃機173

6.3.4電動汽車動力裝備175

6.3.5軌道交通工具動力裝備176

6.4水上交通動力裝備177

6.4.1水上交通工具動力裝備發展簡況177

6.4.2船用蒸汽輪機182

6.4.3船用燃氣輪機183

6.4.4船用柴油機184

參考文獻185



第7章制冷與低溫工程186

7.1制冷與低溫技術發展簡況186

7.1.1制冷技術發展簡況186

7.1.2低溫技術發展簡況187

7.2制冷技術與環境問題188

7.2.1制冷劑對環境的影響188

7.2.2制冷空調設備和繫統的節能問題189

7.3制冷技術與冷鏈190

7.3.1食品儲運中的冷鏈技術190

7.3.2食品生產過程中的制冷技術和設備191

7.3.3冷庫193

7.3.4冷藏運輸設備和裝置194

7.3.5輕型商用制冷技術與設備195

7.3.6冰箱196

7.4制冷技術與人工環境197

7.4.1空調技術及設備198

7.4.2熱泵技術及設備203

7.4.3制冷技術與冰雪運動206

7.5制冷低溫技術與氣體液化分離206

7.5.1低溫空分繫統和裝置207

7.5.2天然氣液化繫統和裝置210

7.6制冷低溫技術與生命科學213

7.6.1生物樣本低溫保存及樣本庫建設與管理213

7.6.2食品、藥品及生物制品的冷凍干燥215

7.6.3低溫醫療裝備216

7.7制冷低溫技術與國防航天217

7.7.1飛機環境控制及地面保障裝備217

7.7.2低溫火箭燃料218

7.7.3紅外探測器的低溫制冷裝置219

7.7.4低溫環境實驗裝置220

7.8制冷低溫與高科技222

7.8.1基礎前沿科學對制冷低溫的需求222

7.8.2大科學裝置中的低溫制冷技術223

7.9中國制冷低溫行業的發展機遇與挑戰224

7.9.1節能減排與低碳發展225

7.9.2新型城鎮化和基礎設施225

7.9.3保障民生建設，提高人民生活水平226

7.9.4制造業發展模式的轉型227

參考文獻228



第8章能源與環境229

8.1常規化石能源開采利用過程引發的環境問題229

8.1.1煤炭開采過程引發的環境問題229

8.1.2石油和天然氣開采利用過程引發的環境問題230

8.2能源利用與環境協調發展231

8.2.1我國全面建設社會主義現代化國家之路232

8.2.2推動經濟能源環境協同是實現可持續發展的必由之路232

8.2.3經濟能源環境三者之間相輔相成233

參考文獻234



第9章節能與能源安全235

9.1煤炭安全235

9.1.1我國煤炭供給安全的現狀235

9.1.2保障我國煤炭供應安全的措施236

9.2石油安全237

9.2.1我國石油供給安全的現狀237

9.2.2我國石油供給安全存在的問題238

9.2.3我國石油供給安全問題的對策239

9.3天然氣安全239

9.3.1我國天然氣供給現狀239

9.3.2對天然氣供應安全擔憂的原因240

9.3.3保障我國天然氣供應安全的建議241

9.4“雙碳”目標背景下的能源安全242

9.5我國工業節能技術與餘熱利用244

9.5.1我國工業節能技術244

9.5.2工業餘熱利用技術244

9.5.3典型工業餘熱回收繫統245

參考文獻246



第10章能源發247

10.1清潔的能源供應體繫247

10.1.1優先發展非化石能源247

10.1.2清潔高效發展化石能源249

10.1.3加快建設儲運調峰體繫249

10.2推動能源技術創新250

10.2.1創新能源技術250

10.2.2發展“互聯網 ”智慧能源253

10.3共建“一帶一路”能源綠色可持續發展255

10.3.1能源國際合作面臨的機遇與安全的思考256

10.3.2構建人類能源命運共同體256

10.4中國碳中和計劃的機遇與挑戰257

10.4.1碳中和的概念與挑戰258

10.4.2碳中和背景下我國能源動力學科建設259

參考文獻260

能源與動力工程以能源的高效潔淨開發、生產、轉換和利用為應用背景和終目的，研究能量的熱、光、勢能和動能等形式向功、電等形式轉化或互逆轉換的過程中能量轉化、傳遞的基本規律，以及按此規律有效地實現這些過程的設備和繫統的設計、制造和運行。其所涉及的相關行業對整個國民經濟和工程技術發展起著基礎、支撐和驅動的作用。隨著化石能源過度消耗和人類環境保護意識的增強，節能減排、提高能效和發展可再生及其他清潔能源已成為本學科的主要任務。人類社會的可持續發展必然促進能源結構的清潔化，以及用能繫統和相關設備的高效、集成、智能、低成本和低排放。以動力工程及工程熱物理學科為例，其研究範圍涵蓋熱力循環理論與繫統仿真、熱流體力學與葉輪機械、內燃機燃燒與排放控制、汽車動力總成與控制、工程熱物理、制冷空調中的能源利用、低溫繫統流動傳熱、煤的多相流燃燒熱物理、新能源轉化與儲能等，在碳中和背景下國家能源戰略規劃對學科發展又提出了新的時代要求。

能源與動力工程教學和科研面向我國碳達峰、碳中和的重大戰略目標，探究新時代能源高質量發展之路，為構建清潔低碳安全高效的能源體繫、實施重點行業領域轉型升級行動、實現綠色低碳技術重大突破、完善綠色低碳政策和市場體繫、營造綠色低碳生活、提升生態碳彙能力、加強應對氣候變化國際合作等提供科研支撐和人纔保障。

本書結合能源的資源形式、轉換利用技術、可再生能源的開發利用、節能環保技術及相關動力裝備發展情況，重點介紹了我國在相應領域的工作，引發在碳中和背景下能源結構如何調整的思考。結合國內外相關行業的發展，希望通過創新驅動，開發顛覆性技術以適應新形勢要求，而不是拘泥於現有技術的集成。為改善生態環境，高效利用能源，開發並且大力推廣可再生能源是未來發展趨勢。因此了解、學習有關知識十分必要。

本書以能源與動力工程為基礎，協同多學科內容，力求滿足科學素質教育的要求，同時兼顧專業性與通識性，融入相關行業較新的研究成果和工程實踐案例，為讀者提供重要參考。

本書共10章，第1章由李凌編寫，第2章由張守玉、高鵬編寫，第3章由張冠華編寫，第4章由劉妮編寫，第5章由楊其國、陳家星編寫，第6章由楊荟楠編寫，第7章由陳曦編寫，第8章、第9章由高鵬、楊其國編寫，第10章由楊亮、焦雪勐編寫；全書後由楊其國統稿並定稿。另外，張華教授對本書提出了建設性的意見。本書的編寫得到了上海理工大學一流本科繫列教材建設項目立項支持，在此一並表示感謝。

限於編者編寫時間及水平，書中不妥及疏漏之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。



編者

2022年5月