工程热物理与能源利用学科发展战略

1、国家自然科学基金委工程热物理与能源利用学科发展战略-工程热物理与能源利用学科现状与发展趋势6可再生能源6.1学科内涵近年来，随着我国国民经济的快速发展，油荒、煤荒、电荒几乎是一夜之间凸现在人们的面前。 我国是人口大国，人均能源资源并不丰富。已探明储量的各类化石燃料中，煤炭资源最丰富，油气资源相对匮乏。受开采条件和资源枯竭等因素影响， 我国传统能源供应模式日益面临危机， 要实现 能源供应的可持续发展，必须坚持 节能优先、结构多元、环境保护、市场推动 ”的能源发展战略。 可再生能源利用是实现能源结构多元化的重要因素。可再生能源主要是指太阳能、风能、生物质能、地热、海洋能等资源量丰富，且可循环往复使

2、用的一类能源资源，其转化利用具有涉及领域广、研究对象复杂多变、交叉学科门类多、学科集成度高等特点。在可再生能源工程领域中，工程热物理学科主要研究可再生能源利用过程中能量和物 质转化、传递原理及规律等相关热物理问题。可再生能源利用形式多样，涉及工程热物理各个分支 学科，具有多学科交叉与耦合的特点。工程热物理学科相关分支学科的发展将为可再生能源利用技 术的研究和发展提供理论基础和技术保障，而可再生能源利用的研究又不断为工程热物理学科提出 新的研究方向和发展目标，促进工程热物理学科的发展。2006年开始实施的可再生能源法将大大推 进中国在可再生能源的研究、开发和应用。可再生能源的开发利用已成为我国能

3、源工业发展的重要 战略目标，必须咼度重视可再生能源利用技术的基础研究。6.1.1太阳能太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75 X026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒 钟照射到地球上的能量就相当于 500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质 能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上 说也是远古以来贮存下来的太阳能， 所以广义的太阳能所包括的范围非常大， 狭义的太阳能则限于 太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一

4、次能源，又是可再生能源。它资源丰 富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度 低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。太阳能转换利用主要指利用太阳辐射实现采暖、采光、热水供应、发电、水质净化以及空调制冷等能量转换过程，满足人们生活、工业应用以及国防科技需求的专门研究领域，主要包括太阳能 光热转换、光电转换和光化学转换等。太阳能光热利用指将太阳能转换为热能加以利用，如供应热 水、热力发电、驱动动力装置、驱动制冷循环、海水淡化、采暖和强化自然通风等等；光电利用指 通过太阳能电池的光伏效应将太阳辐射直接转化为电能加以利用的过程；光

5、化学利用则包括植物光合作用、太阳能光解水制氢、热解水制氢以及天然气重整等转换过程。涉及理论基础包括工程热物 理的几乎所有分支学科，关系最密切的是工程热力学、传热传质学和热物性学；要构成有实用价值 的太阳能利用系统，还需要进行热力系统动态学研究。太阳能转换利用还和化学、材料科学、光学工程、建筑科学，生物科学等学科有着密切联系，是一门综合性强，学科交叉特色鲜明的研究分支。 在工程热物理学科范畴内，应着重研究与各种太阳能转换利用过程相关的能量利用系统动态特性以 及与能量转换过程有关的热物理问题等。太阳能是最重要的可再生能源之一，资源总量大，分布广泛，使用清洁，不存在资源枯竭问题。 进入21世纪以来，

6、太阳能利用有令人振奋的新进展，太阳能热水器、太阳能电池等产品年产量一 直保持30%以上的增长速率，被称为“世界增长最快的能源”。我国太阳能热水器与德国的风力发 电、日本的太阳电池一样位居世界第一， 尽管在能源结构中所占比例还很小， 但在某些特定领域和 地区却发挥了至关重要的作用。太阳能资源开发利用的关键，是解决高效收集和转化过程中涉及的能量利用系统形式、能量蓄存和调节、材料研究和选择等等问题。除传统的太阳能热水系统，还有太阳能干燥、太阳能温室， 太阳能照明和太阳能养殖等系统和领域， 太阳能开发利用是建筑能源的一个重要方面，也是国防科技以及未来电力有很大潜力的领域。 从能源战略发展角度讲，太阳能

7、转换利用的研究能为解决能源 供应可持续发展问题做出贡献，有利于减少化石能源引起的环境污染及全球性温室效应，是实现能源结构多元化，构成可持续能源系统的关键之一。6.1.2生物质能所有含有内在化学能的非化石有机生物物质都称为生物质，包括各类植物和诸如城市生活垃 圾、城市下水道淤泥、动物排泄物、林业和农业废弃物以及某些类型的工业有机废弃物。某种意义上讲，生物质是可再生、天然可用、富含能量、完全足以替代化石燃料的含碳资源。地球每年生长 的生物质总量约为1400-1800亿吨（干重），含有的能量相当目前世界总能耗的10倍。生物质能源占可再生能源消费总量的35%以上，占一次能源消耗的15%左右。中国作为世

8、界上最大农业国， 具有丰富的生物质能资源，其主要来源有农林废弃物、粮食加工废弃物、木材加工废弃物和城市生 活垃圾等。我国每年产生大约 6.5亿吨农业秸秆，加上薪柴及林业废弃物等，折合能量 4.6亿吨标 准煤，预计到2010年将增加到7.3亿吨，相当于5.2亿吨标准煤。每年的森林耗材达到 2.1亿立方 米，折合1.2亿吨标准煤的能量。除数量巨大和可再生之外，生物质还有污染物质（含硫、含氮量 较小）少，燃烧相对清洁、廉价，将有机物转化为燃料可减少环境污染等优点。全国城市生活垃圾 年产量已超过 1.5亿吨，到 2020年年产生量将达 2.1亿吨，如果将这些垃圾焚烧发电或采用卫生填 埋方式，回收填埋气

9、发电， 可产生相当于 500 万吨标准煤的能源， 还有效地减轻环境污染。可以预 计，未来二三十年内生物质能源最有可能成为 21 世纪主要的新能源之一。生物质转化成有用的能量有多种不同的途径或方式，当前主要采用两种主要的技术：热化学技 术和生物化学技术。此外机械提取(包括酯化) 也是从生物质中获得能量的一种形式。热化学技术 包括三种方式：燃烧、气化和液化。生物化学技术包括两种方式：发酵(产生乙醇、甲烷等燃料物 质)和微生物制氢技术。通过以上方式，生物质能被转化成热能或动力、燃料和化学物质。生物质能利用的研究范围主要包括：作为一次能源的高效清洁燃烧技术；转换为二次能源的生 物质气化和液化技术， 生

10、物质催化液化和超临界液化技术， 微生物厌氧发酵技术， 微生物制氢技术， 以及生物质燃料改良技术等。 上述技术涉及到工程热物理与能源利用、 物理化学、 化学工程及工业 化学、微生物学、植物学、电工科学、信息科学等多个学科。工程热物理与能源利用学科主要解决 生物质能直接利用或能源转换过程中能量转换的基本原理以及热质传递规律等关键性热物理问题， 在生物质能利用领域起着非常重要的作用。 与之密切联系的学科方向有： 工程热力学、 传热传质学、 燃烧学、热物性与热物理测试技术等。图 6.1 显示了生物质能循环系统，其本质上来自于太阳能。图 6.1 理想的生物质利用概念图 ( Stephan H. Indu

11、strial biotechnology-a chance at redemption. Nature Biotrchnology, 2004(22):671675)风能风作为自然界空气运动的一种方式， 具有一定位能与动能。 风能利用的最大难题是风速与风向 的随机性和不连续性， 即风速、风向会随着时间和地点变化， 难以保证风力发电机组功率稳定输出。 风能利用的研究大体可分为： (1)大气边界层中风特性的研究； (2)风力机理论、新型叶片外形与材 料以及风力发电系统新型控制方法； (3)风能利用的方式以及多能互补综合利用系统的研究。风能取之不尽，用之不竭，地球上的风能资源每年约为200万亿kWh

12、，利用1 %就可满足人类对能源的需要。根据中国气象科学研究院估算，我国地面 10 米高度层风能的理论可开发量为 16 亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。随着桨叶空气动力学、 材料、发电机技术的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从 最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组， 20年来，风力机平均单机容量提高 20倍； 功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展；运行可靠性从 20 世纪 8 0 年代初 的 50%提高到 98%以上，风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。近十年 来，世界风力发电以年增长率 30%左右高速发展，至 2004年止，世界风

13、电总装机容量约为 4761.6 万千瓦，我国为 76.4 万千瓦。风力发电装机容量迅速增加，风电场从内陆向海上发展，风力发电 成本呈降低趋势， 是可与常规能源进行商业竞争的新能源。 欧洲风能协会和绿色和平组织在近期一 份报告中称：到 2020年风力发电将占世界电力总量的 12%。在普遍强调人口、资源、环境协调发 展的今天，风电已经成为世界上发展最快的发电方式之一。现代风力机系统包括自然风、 风轮、机械系统、控制系统和电力系统等相互作用的子系统，涉 及到工程热物理与能源利用、 大气科学、机械科学、电工科学、 材料科学、自动化科学等多个学科。 工程热物理与能源利用学科主要研究复杂地形和极端气候条件

14、下的大气边界层风特性、 风轮非定常 空气动力学、 刚柔耦合结构多体动力学、 多能互补综合利用系统和新型风能转换系统等问题， 密切 相关的分支学科有工程热力学、流体力学、热物性与热物理测试技术等。地热能地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。地热能是来自地球深处的可再生热能，起源 于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变， 集中分布在构造板块边缘一带、 该区域也是火山和地震多 发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度， 地热能便是可再生的。 地热能在世界很多地区应用 相当广泛，每年从地球内部传到地面的热能相当于 lOOPWh。地热能分布相对比较分散，开发难度 大。根据地热水温度的高低，地热资源分为

15、高温（150C）、中温（150-90C）和低温（v 90C = 3 种。高温地热能主要用于发电，中低温地热能一般可直接利用（供热、温室、旅游和疗养等） 。日 益关注全球气候变暖和矿物燃料利用所致各种环境污染的今天， 地热能作为一种清洁、 无污染的能 源倍受各国重视。 与地热能利用相关的工程热物理学科的基础科学问题包括： 地热资源勘测、 采集 中的热物理问题； 地热能利用中的含湿岩土多孔介质传热传质学问题； 地热能源综合利用系统和能 量转换原理及性能。海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能 量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之

16、中。潮汐与潮流能来源于月球、太 阳引力，其它海洋能均来源于太阳辐射，海洋面积占地球总面积的71%，太阳到达地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中， 部分转化为各种形式的海洋能。 海水温差能是热能， 低纬度的海面 水温较高，与深层冷水存在温度差，因而储存着温差热能，能量大小与温差和水量成正比；潮汐、 潮流，海流、波浪能都是机械能， 潮汐能是地球旋转所产生的能量通过太阳和月亮的引力作用而传 递给海洋，并由长周期波储存的能量， 潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比； 潮流、海流的能量与 流速平方和通流量成正比； 波浪能是在风的作用下产生， 并以位能和动能的形式由短周期波储存的 机械能， 与波高的平方和波

17、动水域面积成正比； 河口水域的海水盐度差能是化学能， 入海径流的淡 水与海洋盐水间有盐度差， 若隔以半透膜， 淡水向海水一侧渗透可产生渗透压力， 其能量与压力差 和渗透流量成正比。 各种能量涉及的物理过程、 开发利用方法和程度等方面均存在很大差异。 与海 洋能利用相关的工程热物理学科基础科学问题包括： 海洋能能量高效利用转换装置及原理； 洋流流 体力学与海洋能资源利用。6.2可再生能源科学的国内外研究进展和发展趋势621太阳能利用国内外研究进展和发展趋势我国很早就有“阳燧取火”的传说，古代建筑中采用较大的南窗以利用太阳辐射进行采暖等都是人们早期利用太阳能的实例，系统深入地将太阳能利用作为一门科

18、学研究始于上世纪70年代世界能源危机之后。太阳能转换利用形式日益多样化， 开发利用范围越来越广，已被公认为是最主要 的可再生清洁能源之一。当今世界各国都在大力开发利用太阳能资源。欧洲、澳大利亚、以色列和日本等国家，纷纷加 大投入积极探索实现太阳能规模化利用的有效途径。 德国等欧盟国家更是把太阳能、风能等可再生 能源作为替代化石燃料的主要替代能源大力扶植和发展。太阳能转换利用研究已经成为当前国际上技术学科中十分活跃的一个领域，每年都有国际学术会议频繁地举行。 最具代表性的有世界太阳能 大会和世界可再生能源大会，都是两年举办一次，时间正好相隔一年。有关专题分组、分地区学术讨论也非常之多。各国科研人

19、员主要研究方向可以分为两大类： 一是面向太阳能规模化利用的关键技术； 二是探 索太阳能利用新方法、新材料，发现和解决能量转化过程中的新现象、 新问题，特别是开展基于太 阳能转化利用现象的热力学优化、能量转换过程的高效化、能量利用装置的经济化等问题。为公共安全提供服务如为无电力设施的人口提供照明，对食品和药品进行冷藏，以及为世界所有地区提供通讯； 还 可以利用太阳能直接从海洋中生产淡水， 为灌溉系统提供抽水动力，实现污水和空气净化等。太阳 能还可规模化用于农产品的干燥过程等；图6.2太阳能利用与建筑一体化太阳能利用与建筑一体化各类建筑均是能耗大户，同时也是太阳能利用装置最好的载体。图6.2示意了

20、太阳能在建筑中的应用途径。工业国家全部的一次能源消耗35% -40%都用在建筑中，如果考虑消耗在建筑材料和服务性建筑基础设施中的能源成本，可能达到50%。美国建筑行业占一次能耗的48%，占CO2总排放的46%，且能耗和排放增长最快。欧洲 30%的能耗用于室内采暖和加热水，相当于全部建筑 能耗的75%。通过合理设计、充分利用建筑物维护结构和选择适合的能源转换形式，可实现利用 太阳能进行采暖、采光、热水供应、空调制冷、强化自然通风、部分电力供应以及水质净化等等功 能，极大地降低建筑使用能耗。早期的被动式太阳房采暖，现代的各种主动式太阳能技术和设备， 及未来可持续建筑中太阳能开发利用，正体现这样一种

21、趋势。太阳能发电实现太阳能发电的技术途径如图6.3所示。主要包括太阳能光伏发电和热发电两种技术，其中光伏发电系统以其安装简单、维护廉价、适应性强而获得广泛青睐。太阳电池成本比较高，但是与10年前相比成本已下降接近一半。21世纪以来，光伏产业以惊 人高速度增长(年均增长率超过 36.6%)。2003年，全世界生产销售超过750MWp的光伏组件，比 上年增长44%，预计2012年产值会达到275亿美元。相关传热和热力学研究，是目前发展高性能 太阳能电池、光电转换技术的热点。图 6.3 太阳能发电的技术途径(Prof. Hans M uller-steinhagen. Concentrating s

22、olar power: A vision for sustainable electricity generation,Institute for thermodynamics and thermal engineering, University of Stuttgart, Germany )太阳能热发电主要采用聚焦集热技术，产生驱动热力机需要的高温液体或蒸汽发电，现主要关注能与太阳能能量转换过程匹配的新型热动力循环、热力机械以及高效可靠的聚焦集热装置和技 术。目前最大的太阳能热力发电站在美国加州南部运行，太阳能热力发电成本约是光伏发电的1/2。全球对太阳能热力发电的兴趣与日聚增，美国、西班

23、牙、以色列和南非等地正建设新的太阳能热力电站，印度、埃及、摩洛哥等国家也极有兴趣。基于烟囱效应的太阳能集热和风力透平为核心的太 阳能热风发电已在西班牙等国家运行示范，这种系统虽然效率很低，但是可以和农业温室利用结合， 显示出良好的应用前景。目前澳大利亚、南非等国都在兴建新的太阳能热风发电站。此外还可以利用太阳池盐水浓度差进行蓄能发电，该工作在以色列等国家已有研究和示范。太阳能加热利用太阳能集热器对水、空气或其它流体加热是目前应用最广泛、相对最成熟的太阳能利用技术。但在大面积、高温位太阳能加热系统中存在气液相变造成汽阻、管道阻力分配不均匀等问题。 此外，提高经济性和研究适合的蓄能转换问题也是实现

24、规模工业化应用太阳能的关键。约旦、马来西亚等地区利用当地丰富的太阳能资源和特殊的蜂窝透明材料对输油管道进行加热以减少稠油的 粘性，我国西藏等地区推广应用的太阳灶等具有鲜明的特色。欧洲、日本、中东地区以及我国都在大力推广太阳能热水器、热水系统等技术，近年来全世界太阳能集热器安装面积大幅增长，但与应 用所具有的潜力相比还有很大的增长空间。游泳池加热系统和家用热水器方面应用较多，还可以直接利用聚焦式太阳能加热系统为工业应用提供热水和蒸汽。高效、可靠的高温集热器是未来太阳能热发电、空调制冷、热化学转化利用的关键之一，是研究的重点方向。太阳能制氢从太阳能等间歇性可再生能源中获得能源储备，最有可能的途径就

25、是制氢，将太阳能转换为燃料。如图6.4所示，实现太阳能-氢能转换途径有太阳能光催化制氢，太阳能电解制氢和太阳能热 分解制氢等。光催化制氢领域重点在于提高太阳光谱全波段能源利用率，特别是拓展可见光范围相应光催化剂的开发应用，提高能垒，提高太阳能利用率等。太阳能电解水制氢主要通过太阳能发电 以电解水制氢。电解水制氢相对比较成熟，与太阳能光电转换环节密切相关，关键是降低太阳能发电成本以及充分利用海水等资源。太阳能热分解制氢则主要包括太阳能热解水、生物质和化石燃料制氢等，通常需要与聚焦式高温太阳能集热装置结合，产生高温通过化学循环反应分解水、生物质以及化石燃料等制氢。由于技术工艺反应温度等要求较严格，

26、目前太阳能热化学分解水制氢尚处于 研究和示范阶段。此外，基于太阳能综合利用的热发电、 化学能与光热利用结合的复合能量转换系 统也有研究。图6.4太阳能制氢的途径（郭烈锦，太阳能利用中的热物理问题，可再生能源基础研究及优先领域研讨会，国家自然科学基金委员会工程与材料学部，广东东莞，2004年11月）（6）太阳能空调制冷图6.5示意了太阳能与燃气结合的太阳能空调制冷系统。太阳能空调制冷最大特点是与季节的匹配性好，夏季太阳越好，天气越热，太阳能空调系统制冷量也越大。 太阳能制冷技术包括主动制 冷和被动制冷两种方式。主动式太阳能制冷通过太阳能来驱动能量转换装置实现制冷，包括太阳能光伏系统驱动的蒸汽压缩

27、制冷，太阳能吸收式制冷，太阳能蒸汽喷射式制冷，太阳能固体吸附式制 冷，太阳能干燥冷却系统等等。被动式制冷是不需要能量转换装置，利用自然方式实现制冷，包括 夜间自然通风，屋顶池式蒸发冷却以及辐射冷却等等。目前主要发展主动式太阳能制冷， 通过太阳能光热转换产生热能驱动制冷机进行制冷的技术研究最多，可操作性最强。基础研究工作主要集中在两个方面：一是中低温太阳能集热器强化换热和筛选新的制冷流程实现利用低温位热能进行制 冷，另外就是研究集热效率高、性能可靠的中高温太阳能集热器，这种集热器可以产生150oC以上的蒸汽，从而直接驱动双效吸收式制冷机。图6.5太阳能复合空调系统（7）太阳能海水淡化利用太阳能等

28、可再生能源进行海水或苦咸水淡化是实现淡水资源可持续供应的重要途径。太阳能海水淡化领域研究在中东、北非以及欧洲地中海地区研究非常活跃， 美国、日本等国家也投入大 量的人力物力进行淡化技术的开发示范等。图6.6为以色列IDE技术公司一典型的太阳能海水淡化系统，该系统将太阳能热发电和海水淡化相结合，实现了太阳能的多目标利用。图6.6太阳能热发电多效蒸馏海水淡化联合系统（以色列，IDE Technologies, Ltd ）太阳能海水淡化技术领域的基础研究集中在： 完全靠太阳能和环境条件自然变化驱动的被动 式淡化水方法，如传统的太阳能蒸馏池，多效太阳能蒸馏器等；主动式淡化水方法，制备淡水需要少量的动力

29、消耗，同时还要求配备风机、水泵等额外装置，强化传热传质效果，提高系统性能； 实现能源梯级利用，上述技术与其它相关技术综合应用的复合系统等，如和太阳能温室相结合， 与压气蒸馏以及闪蒸法等工艺相结合等。主动式海水淡化方法由于改善了淡化装置的传热传质效 果，蒸发温度和冷凝温度可以分开调控，倍受重视。海水淡化过程中的能量、水分、盐分回收，传 热传质过程强化，部件中的结垢特性，能源利用效率和产水率提高等是研究的重点，太阳能转换利 用环节主要是中低温位的太阳能集热器， 与蒸馏、闪蒸、压汽蒸馏等工艺以及各种传热传质过程相 关的设备结合。太阳能直接转化利用是全球可再生能源发展战略的重要组成部份，特别是构成未来

30、分布式可 再生能源网的重要环节，利用太阳能可以为公共安全、电力供应、建筑节能和规模化热水供应等发 挥积极的作用。随着规模化开发利用太阳能资源步伐的加快，在太阳能转化利用过程中必将出现许多新的现象、新的问题，给工程热物理和能源利用学科提出了新的研究挑战。我国太阳能利用领域系统研究工作始于上世纪 70年代末。二十多年来，在被动式太阳房、太 阳温室、太阳能热水器、太阳能光伏发电、太阳能制冷空调以及太阳能制氢等诸多领域取得了一批 标志性成果。太阳能热水器技术最成熟、 应用最广泛、产业化发展最迅速，是20世纪70年代以来 我国可再生能源领域中产业化发展最成功的范例。 我国是世界上最大的太阳能热水器生产国

31、， 太阳 能热水器使用数量最大，但普及率与日本、以色列、希腊、塞浦路斯等国家有较大差距，仍有很大 的发展空间。除对太阳能集热器和被动式太阳房进行了较多的传热分析外，有关太阳能转换利用材料、蓄能机理、系统分析以及生产工艺方面开展的研究与国际先进水平相比，尚有差距。我国在中高温太阳能集热器、太阳能聚能技术领域与国际先进水平存在一定差距，特别是太阳能热发电、太阳能高温利用等领域代表性工作很少。聚焦式太阳能集热技术既可用于发电，也可用 来驱动热化学反应和光催化、光电效应等，由于能够以低成本获得较高的能量转换效率， 此项技术 已受到越来越多的重视，正在成为国际太阳能利用领域的重要研究方向。 我国发展太阳

32、能热动力发 电技术的主要困难在于初始投资大，发电成本高，核心技术尚待突破等。近年来我国的太阳能光伏发电技术、光伏产业得到长足发展，过去10年太阳能电池和组件生产年均增长率为25%，电池和组件性能不断提高，但无论是性能指标和生产工艺与国际上都存在 一定差距。有关光伏效应热力学，半导体热力学以及光伏系统极端温度条件下的工作性能等研究开 展很少。太阳能建筑，特别是太阳能利用与建筑一体化技术在我国受到高度重视并取得长足发展。在 传统被动式太阳房热性能分析基础之上，从建筑物复合能量利用系统角度开展基于提高太阳能利用 分数与充分利用建筑物结构为目的的太阳能采暖、热水供应、采光、通风、空调以及发电等系统分析

33、，是建筑节能和生态住宅技术中重要方面，尚需努力与先进国家看齐。太阳能聚光与光导管结合 的太阳能照明技术是建筑节能的重要发展方向。太阳能-氢能转换在我国研究较早，特别是与化工等领域结合，随着高性能燃料电池技术的快 速发展，制氢、储氢和利用氢能成为我国许多研究机构的热门研究课题，相应太阳能电解制氢、光催化制氢等研究也得到发展。该领域的差距主要在连续稳定制氢反应体系的构建原则、新型微多相反应体系的创新及反应动力学，多相连续制氢中催化剂及其它助剂的活性形成机理与测量、表征等研究方面。太阳能全波段利用以及高效、低成本制氢规模化理论有待攻关突破。图6.8生物质燃烧发电和供暖(0)我国从70年代开始对太阳能

34、制冷技术进行研究，主要是进行间歇式氨-水吸收式、连续式制冷和溴化锂吸收式、活性炭-甲醇工质对固体吸附式制冷系统等的深入研究，太阳能低温干燥储粮技术、太阳能住宅用空调制冷/供热系统研究也有涉足。太阳能制冷的另一个方向是开发研究中高 温聚焦式太阳能集热器，和现有制冷机组进行有机组合，特别是以太阳能为主，构成具有经济性的 多能源复合能量系统。得益于我国在太阳能集热器领域的制造优势和在吸附/吸收式制冷领域的技术优势，太阳能空调制冷工作某些方面走在了世界的前列，合适的复合能量利用系统、能量传递过 程的传热传质强化，热力学优化分析等工作有待进一步深入开展。太阳能海水淡化领域总体上缺乏系统性和规模效应，主要

35、技术和工艺方面研究不够深入，特别 是在一些代表性装置的性能指标方面与国际水平有较大差距。基于太阳能热能转换实现海水淡化过程的制淡工艺仍然是太阳能海水淡化方法的研究重点，能量回收、盐分回收和水分回收等许多环节有待进一步优化，制造工艺等亟需进一步提高。 621生物质能利用国内外研究进展和发展趋势各国极为重视生物质能的研发和应用。美国各种形式的生物质能源占可再生能源的 45%,占全 国消耗能源的4%,有350多座生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加工厂， 装机容量达7000MW，据预测，到2010年生物质发电将达到13000MW装机容量。欧盟生物质能源 约占总能源消耗的4%, 1

36、5年后预计可达15%。丹麦主要利用秸秆发电，使可再生能源占全国能源 消费总量的24%。芬兰和瑞典的木质系生物质能已分别占本国总能耗的16%和19%。生物质能的研究开发已成为世界热门课题之一，得到各国政府和科学家的普遍关注。图6.7表示了生物质能综合利用方案。图 6.7 生物质能综合利用示意图 (Bio-methane & Bio-hydrogen: Status and perspectives of biological methane and hydrogenproduction. Edited by: J.H. Reith, R.H. Wijffels and H. Barten ，IS

37、BN 90-9017165-7 ，2003)(1)生物质热化学转化技术生物质直接燃烧技术生物质在空气中燃烧是人类利用生物质能历史最悠久的、应用范围最广的一种基本能量转化利 用方式，主要技术有炉灶燃烧、锅炉燃烧、致密成型和垃圾焚烧技术，最终产物为热或者电。目前 的生物质燃料锅炉基本是流化床锅炉，具有燃料适应性好、效率高、负荷调节范围宽、操作简单、 NOx排放低等优点。15-715MW规模不等的流化床锅炉已商业化运行20年，美国就有100多座循环 流化床运行。瑞典、丹麦、德国等国家在流化床燃用生物质燃料技术方面具有较高的水平。生物质能燃烧的净生物能转化效率为20%- 40%,负荷达100MW以上或

38、采用与煤共混燃烧技术时可以得 到更高的转化效率。大型燃煤电厂将生物质与矿物燃料联合燃烧已成为新的概念，如将木材及其废弃物、农业废弃物和城市生活垃圾燃烧发电或直接供热，目前燃烧功率可达到50MW。美国的工作比较先进,相关的发电装机容量已达750万kW。图6.8为生物质燃烧发电和供暖应用途径示意。我国在生物质燃烧发电方面技术发展相对落后， 大量薪材和作物秸秆长期仅仅作为农村生活用 能资源使用，利用率极低，燃烧产生烟尘、NOx和SOx等污染物。垃圾和工业废弃物处理方面，我国已具备一定实力和基础， 一些大中城市生活垃圾焚烧发电已取得初步成果， 但是同国外相比在规 模和数量上还存在一定差距，城市固体有机

39、废弃物无害化处理还不到20%。生物质气化（热解气化）指将生物质在高温下（800-900C ）部分氧化，产生低热值燃气的一种技术，燃气可直接燃烧 或用作燃气轮机的燃料发电，也可以用来合成化学燃料。气化过程仅仅产生燃气和灰烬残余物， NOx和SO2等有害气体含量少、经济性高、是生物质清洁利用的一种主要形式。生物质气化技术起 源于 18世纪末， 经历了上吸式固定床气化器、下吸式固定床气化器、流化床气化器等发展过程。最近出现的生物质整体气化联合循环技术（BIG/CC ）气化效率保持在75%，输出能量可达到每小时4 千万千焦。采用该技术的30-60MW的发电厂的能量利用效率可以达到40-50%，目前BI

40、G/CC技 术还处于实验阶段。IGCC和HATC作为先进的生物质气化发电技术，从1990年起引起了极大的兴趣， 己在世界上不同地区 （如巴西、美国和欧洲联盟 ）建成示范装置，规模为 0.53MW （HATC） 、 730MW （IGCC），发电效率达35%- 40%。为解决生物质气化过程中气化不完全产生的焦油、颗 粒、碱金属、 含氮化合物等不同浓度的污染物， 人们正研究采用催化剂来提高气化率和消除气化中 的焦油。现在生物质热解气化所产生的气体均是低热值气体，一般发热量为5000kJ/m3。寻找低成本和高热值的生物质热解气化技术是生物质热解气化技术发展的一个重要方向。图 6.9 海南三亚电站 1

41、200kW 气化炉我国生物质气化技术正日趋成熟， 从单一固定床气化炉发展到流化床、 循环流化床、 双循环流 化床和氧化气化流化床等高新技术； 由低热值气化装置发展到中热值气化装置； 由户用燃气炉发展 到工业烘干、 集中供气和发电系统等工程应用， 建立了各种类型的试验示范系统， 某些方面已居国 际领先水平。中科院广州能源研究所在三亚建成的大型 1MW 生物质（木屑）气化发电厂已投入使 用（如图 6.9所示），开发的 4MW 生物质气化发电技术，获得成功，在生物质废弃物气化、稻草 气化以及生物质气化和发电系统等领域， 开展了采用 BIG/CC 的生物质热解气化技术研究。 但在稳 定运行、焦油清除、

42、气体净化等技术上还需要提高。高温分解（热解液化）热解液化是指在隔绝空气条件和500E左右的高温条件下将生物质热分解，产生液体燃料油（又 称生物油） 或化学物质的一种技术。 产生的液体是水和有机物混合物， 经过进一步的分离和提纯得 到生物质燃用油或用作其它工业原料 。生物质热解工艺可分为慢速、 快速和反应性热裂解三种类型。 在这三种工艺中以快速热解反应的研究和应用较广， 如果采用快速热解反应技术， 干生物质转化为 生物油的产油率可达75%。快速热解反应要求原料被快速加热到约 500E左右的温度，高温分解产 生的蒸气需被快速冷凝以减少二次反应。 反应器普遍采用流动床构造， 多数是鼓泡床、 循环流化

43、床等多种形式。此外还有真空高温裂解法，可获得高达60的液化率。图6.10英国Wellman的250kg/h生物质热解液化装置许多国家都先后开展了这方面的研究工作， 开发了很多不同的热解工艺， 已有商业化生产生物 质油的快速热解装置。具有代表性的快速热解工艺包括：美国乔治亚理工学院（ GIT ）开发的携带 床反应器；加拿大因森（ ENSYN ）开发的循环流化床反应器；加拿大拉瓦尔大学开发的多层真空 热解磨；加拿大达茂公司（Dyn amotive）开发的大型流化床反应器；美国国家可再生能源实验室 （NREL）开发的涡旋反应器；荷兰Twente乔特大学开发的旋转锥反应器工艺等。虽然欧美等发达国 家在

44、生物质快速裂解的工业化方面研究较多（图 6.10所示），但生物质快速热解液化理论研究始终 严重滞后，很大程度制约了该技术水平的提高与发展。目前，欧美等国已建成各种生物质液化示范装置，至今还没有产业化。根本原因是， 生物油组 成十分复杂，为水、焦油及含氧有机化合物等组成的不稳定混合物，包括羧酸、醇、醛、烃、酚类 等，直接作为燃料油热值低、 腐蚀性强， 而目前采用的加氢脱氧及催化裂解的改质提升方法成本较 高。开展生物油低成本精制新方法的研究将是该技术能否产业化的关键。近几年来，我国陆续开展生物质热解液化的研究。沈阳农业大学 1995 年从国外引进一套旋转 锥快速热解试验装置， 研究开发液化油技术。

45、 中科院广州能源所设计和建立一套适合于热解液化的 循环流化床装置， 进行热解液化热态小试及中试； 山东理工大学研究了热等离子体快速热解液化装 置，开发出离心分离陶瓷球加热下降管热裂解液化工业示范装置，达到200 千克 /小时加工能力；中国科技大学开发了流化床热解液化装置， 达到 15千克/小时加工能力； 东北林业大学开发了高速 旋转锥液化装置； 上海理工大学建立了小型旋转锥热解装置。 这些工作尚处于起步阶段， 还没有商 业化装置应用。（ 2）直接液化技术直接液化技术采用机械压榨或化学提取等工艺， 从生物质中直接提取生物柴油。 化学方法液化 可分为催化液化和超临界液化。 催化液化过程中， 溶剂和

46、催化剂的选择是影响产物产率和质量的重 要因素。常用的溶剂包括水、 苯酚、高沸点的杂环烃和芳香烃混合物。超临界液化利用超临界流体 良好的渗透能力、 溶解能力和传递特性而进行的生物质液化。 最近欧美等国正积极开展这方面的研 究工作， 包括超临界水液化纤维生物质、 超临界水和超临界甲醇液化木质素生物质等技术。 近年来 很多研究者致力于煤与废弃生物质共液化的研究。 实验结果表明， 与煤单独液化相比， 煤与生物质 共液化所得到的液化产品质量得到改善， 液相产物中低分子量的戊烷可溶物有增加。 该研究工作尚 处在起步阶段，生物质对煤的作用机理也未能完全了解。近年华东理工大学分别进行了生物质 （包括稻壳， 木

47、屑和木屑的水解残渣） 的单独液化和煤与 生物质的共液化。 结果表明生物质的加入确实促进了煤的裂解， 减缓了液化条件， 从而可在较温和 的条件下得到较高的转化率和油产率。 我国在该领域的研究还很少， 与国际先进研究水平有较大差 距。(3)生物化学技术 微生物厌氧发酵技术主要包括小型户用沼气池技术、 多种厌氧消化池技术、酒精发酵技术等。尽管形式多样， 基本 原理都是在严格厌氧条件下， 利用厌氧菌生理代谢将生物质分解产生乙醇、 甲醇或甲烷等目的产物。 目前主要包括液体燃料发酵生产技术和沼气发酵生产技术两种。图 6.11 生物质厌氧发酵反应器 ( Bio-methane & Bio-hydrogen:

48、 Status and perspectives of biological methane and hydrogenproduction, Edited by: J.H. Reith, R.H. Wijffels and H. Barten ， ISBN 90-9017165-7 ， 2003 ) 液体燃料发酵生产技术指酒精发酵和甲醇发酵生产技术，即微生物在适宜的生长和代谢条件 下，通过细胞产生的酶的作用， 将生物有机质代谢分解， 生产乙醇、甲醇等燃烧值较高的可燃性液 体。工业上利用粮食如含糖或淀粉的甘蔗、 玉米和甘薯等原料发酵生产乙醇的技术已趋成熟并规模 应用。但利用杂草、 秸秆等含大量纤

49、维素的植物发酵生产乙醇技术正在开发中。 巴西和美国都已将 燃料乙醇大量用于汽车燃料中， 1973年第一次石油危机后巴西制定了 “国家酒精计划 ”，利用该国丰 富的甘蔗资源生产燃料乙醇用以代替进口汽油。 1995年巴西 1500万辆在用汽车中有 500万辆汽车直 接燃用乙醇或掺有 22 %无水乙醇的汽油。 1995年美国燃料乙醇产量已达 550万千升，90 %产自玉米， 90 %用于掺入汽油中供汽车使用。沼气发酵生产技术在污水处理、 堆肥制造、人畜粪便、 农作物秸秆和食品废物处理等方面得到 广泛利用，反应器类型多种，如完全混合式厌氧反应器、厌氧接触式反应器、厌氧滤池等，图 6.11 为生物质厌氧

50、发酵反应器实例。目前沼气发酵生产技术已发展了将产气与发电相结合的综合技术， 如日本的朝日、麒麟等几个大啤酒厂都已配套建成了200kW的燃料电池发电机组；京都市将6个宾馆每天产生的6吨食物废渣集中发酵，并从所产沼气中提取氢气供100kW燃料电池发电；明电舍公司 等则成功地利用下水污泥生产沼气，或直供燃气轮机发电，或提取氢气供燃料电池发电。我国政府在 “十五”计划中决定发展燃料乙醇产业， 目的是：利用过剩玉米作原料， 同时增加农 民收入；替代 MTBE 掺入汽油，减少环境污染，提高汽油的辛烷值；代替汽油，减少石油进口。 黑龙江、吉林、河南等玉米重点产区已被列为项目的示范区，黑龙江省华润玉米酒精有限

51、公司10万吨燃料酒精装置已于 2000年投产，产品正式在车用燃油中使用。吉林省投资29亿元建设年产 60万吨燃料乙醇的项目已于 2001年批准动工。 除利用玉米生产燃料乙醇外， 还计划研究开发以植物秸 杆、枝叶等纤维素为主的原料生产燃料乙醇的技术， 国内许多单位开展了相关研究， 在关键问题的 突破上还有很大距离。 乙醇柴油的试验工作也有起步。 总体上我国在粮食发酵生产乙醇和甲醇方面 无论是规模上还是技术上同国外相比差距不大， 但利用乙醇和甲醇为燃料的技术推广中， 则存在较 大差距。我国的沼气应用历史很长， 在农村、农场和乡村工厂的应用效果都很好。 2000年我国的户用沼 气池达764万户，产气

52、25. 9亿m3，合185万tee，杭州、广州、马鞍山等已利用垃圾填埋场沼气发电。 农业部沼气科学研究所已成功研制了利用沼气发酵技术处理酒精废醪液工艺并在全国广泛推广， 取 得巨大的效益。目前采用的沼气发酵技术耗水量大， 增加了投资成本和运行管理费用。 发酵过程中产生的残渣 较多，容易成为恶臭来源。固体状有机质沼气发酵工艺、技术、设施开发研究得还不多，主要原因 在于对固体有机物厌氧降解过程中的各种物质生化反应的路径变化、 干扰过程进程的基础理论了解 尚不深入。 厌氧消化技术中的微生物代谢能量学、 生物膜动力学、 悬浮污泥系统与生物膜系统反应 器内的非均相动力学、热力学、传热传质学的基础研究均有

53、待加强。 微生物制氢技术传统的制氢技术主要采用电解水，煤、石油、天然气热化学分解、气化、部分氧化或催化裂解 等，这些制氢技术工艺复杂、能耗高、成本高、污染环境、净增能值低。因此无污染、能耗低、设 备要求简单的微生物产氢技术引起广泛的注意。 生物制氢的微生物可分为两类： 光合制氢生物 (分 为光能自养型和光能异养型两种) ；兼性厌氧和专性厌氧发酵制氢微生物。微生物法产氢方式： 发酵型细菌产氢，直接转化有机底物为 H2和C02；微藻光合生物制氢，将水分解为H2和O2；厌 氧光合产氢， 在光能驱动下光合微生物通过消耗有机物产生氢气。 将厌氧光合细菌产氢与发酵型细 菌产氢结合起来，能充分利用发酵型细菌

54、产生的有机酸，可有效地提高产氢率和降低污染物C0D。图6.12 示出了厌氧发酵制氢和光生物制氢工厂的典型实例。图6.12 日本厌氧发酵制氢工厂以及光生物制氢工 厂 (Sustainable Hydrogen: Direet Water Splitting and Hydrogen fromBiomass, Trygve Riis, 2003)目前人们对产氢机理进行了大量的研究， 由于生物代谢形式的多样性和复杂性， 还没有完全认 识产氢的机理， 特别是代谢途径。 产氢条件和产氢效率的研究工作表明： 光强度和波长、 照射面积、 底物浓度、pH值、温度、氧、酶和气相成分，被认为是影响光合产氢的关键因

55、素，生物制氢反应 器的传输性能对产氢率具有很大的影响。 目前对于制氢反应器的研究大多为操作条件和反应器结构 形式等因素影响的实验研究， 大部分集中于厌氧发酵制氢反应器。 从研究生物制氢反应器的传输特 性入手以提高反应器的产氢率正逐渐得到重视。由于微生物制氢技术在当前的能源多元化战略和环境保护中具有重要的地位， 国际上经济发达 国家正大力开展这方面的研究工作。这方面的研究我国起步较晚， 哈尔滨工业大学对厌氧发酵产氢技术取得一定的成果， 利用连续 流搅拌槽式反应器以有机废水为原料生产氢气中试实验已取得初步成功，正在开展规模化生产研 究。该技术集发酵法生物制氢和高浓度有机废水处理为一体， 在处理高浓

56、度有机废水的同时回收大 量清洁能源氢气和甲烷， 其中试研究成果达到了国际领先水平。 尽管如此， 微生物制氢的基础研究 差距很大， 工作偏于产氢菌生理生态学等机理研究和工程应用研究， 对生物制氢反应器内传输机理 与特性， 反应器最优设计与控制， 以及高效产氢菌群构建和分子生态学诊断等缺乏研究， 尤其对光 合制氢反应器的研究近乎空白。6.2.2 风能利用国内外研究进展和发展趋势风能是一种能量密度较低、稳定性较差的能源。适合进行风力发电的风能密度一般要求为 0.2 kW/m2 以上。风力发电装置的安放地点应在风能密度高， 能充分利用不同风速风能的风带区。 风力 机的单机容量已经从十年前的几千瓦级发展

57、到近年的兆瓦级，风轮叶片直径从15m到70-82m,毂的高度从22m到60-80m，风力机每单位面积重量从 20世纪80年代的32kg/m2降到5.026kg/m2, 已有效提高单机输出功率，降低风电成本和风能资源利用率。兆瓦级风力机已成为当前主流机型， 更大型的MW级风力机正在研制中，例如 REpower直径126米的5MW风力机，NEG Micon直径 110米的4.2MW风力机和Enercon直径114米的4.5MW无齿轮箱风力机。图6.13为陆地风电场及 兆瓦级风力机的应用实例。图 6.13 陆地风电场及兆瓦级风力机（叶枝全等，风力机技术的近期发展及其基础科学问题，可再生能源基础研究及

58、优先领域研讨 会，国家自然科学基金委员会工程与材料学部，广东东莞，2004 年 11 月）图 6.14 海上风电场（ Andrew R. Henderson , Delft University of Technology, The Netherlands;）地球上海岸线总长超过 50 万公里，可供开发的风力资源极为丰富，是风力发电的主要发展方 向。全世界海上可开发的风能储量每年达 37万亿kWh。我国在海水深2m至15m之间的海域内可 开发风能储量有7.5亿kW，约为陆上风能资源的3倍。随着风力机的大型化，海上运输和安装的 优势日益突出。从 1990年以来，采用大型风力机的海上风电场得到了迅

59、速的发展。至 2003年止， 已有丹麦、荷兰、瑞典、英国和爱尔兰等 5国家的共 16个海上风电场在运行，装机数 299台，总 装机容量552MW。图6.14为一典型的海上风电实例。（1）大气边界层中风特性的理论与实验研究 对大气中风速和风向的研究主要有两种方法：第一种是通过实验进行长期跟踪，应用数学统计方法进行研究和分析； 第二种是结合数学统计方法通过建立理论模型对其分布进行研究。 一些研 究学者结合气象学以及空气动力学对风能的分布进行了研究， 提出风能气象学的概念， 寻求气象学 与风能之间的关系， 认为风能气象学是基于边界层气象学、 气候学以及地理学的一门科学。 在进行 风能资源评估时， 十

60、分重视中、 小尺度数值模式用于模拟近地层的大气风场分布。 随着海上风力发 电技术的迅速发展，海上风场研究得到普遍关注。（2）风力机理论、新型叶片外形与材料以及风力发电系统新型控制方法风力机单机容量大型化后， 以商业应用为目标的各种新型风力机得到重视， 对比传统的定转速 失速控制型风力机和变桨距控制风力机，主要有以下特征：变转速控制， 以跟踪最佳效率；变桨距 控制，以降低构件载荷；桨叶独立变桨距，以满足大直径风轮的需要；大挠度柔性桨叶，以降低风 轮重量改善受力情况； 采用双馈发电机， 以满足并网发电的要求。 风力机技术开发的趋势是重量更 轻、结构更具柔性、直接驱动发电机（无齿轮箱）和变转速运行。