工程熱物理與能源利用學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略課件

1、國(guó)家自然科學(xué)基金委工程熱物理與能源利用學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略- 工程熱物理與能源利用學(xué)科現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)6 可再生能源近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油荒、煤荒、電荒幾乎是一夜之間凸現(xiàn)在人們的面前。我國(guó)是人口大國(guó)，人均能源資源并不豐富。已探明儲(chǔ)量的各類化石燃料中，煤炭資源最豐富，油氣資源相對(duì)匱乏。受開采條件和資源枯竭等因素影響，我國(guó)傳統(tǒng)能源供應(yīng)模式日益面臨危機(jī)，要實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展，必須堅(jiān)持“節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境保護(hù)、市場(chǎng)推動(dòng)”的能源發(fā)展戰(zhàn)略?？稍偕茉蠢檬菍?shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化的重要因素?？稍偕茉粗饕侵柑?yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)?、海洋能等資源量豐富，且可循環(huán)往復(fù)使用的一類能源資源，其轉(zhuǎn)

2、化利用具有涉及領(lǐng)域廣、研究對(duì)象復(fù)雜多變、交叉學(xué)科門類多、學(xué)科集成度高等特點(diǎn)。在可再生能源工程領(lǐng)域中，工程熱物理學(xué)科主要研究可再生能源利用過程中能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)化、傳遞原理及規(guī)律等相關(guān)熱物理問題?？稍偕茉蠢眯问蕉鄻?，涉及工程熱物理各個(gè)分支學(xué)科，具有多學(xué)科交叉與耦合的特點(diǎn)。工程熱物理學(xué)科相關(guān)分支學(xué)科的發(fā)展將為可再生能源利用技術(shù)的研究和發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障，而可再生能源利用的研究又不斷為工程熱物理學(xué)科提出新的研究方向和發(fā)展目標(biāo)，促進(jìn)工程熱物理學(xué)科的發(fā)展。2006年開始實(shí)施的可再生能源法將大大推進(jìn)中國(guó)在可再生能源的研究、開發(fā)和應(yīng)用。可再生能源的開發(fā)利用已成為我國(guó)能源工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，必須高

3、度重視可再生能源利用技術(shù)的基礎(chǔ)研究。6.1.1 太陽(yáng)能太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽(yáng)能，所以廣義的太陽(yáng)能所包括的范圍非常大，狹義的太陽(yáng)能則限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，

4、既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。但太陽(yáng)能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響不能維持常量。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用主要指利用太陽(yáng)輻射實(shí)現(xiàn)采暖、采光、熱水供應(yīng)、發(fā)電、水質(zhì)凈化以及空調(diào)制冷等能量轉(zhuǎn)換過程，滿足人們生活、工業(yè)應(yīng)用以及國(guó)防科技需求的專門研究領(lǐng)域，主要包括太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換等。太陽(yáng)能光熱利用指將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能加以利用，如供應(yīng)熱水、熱力發(fā)電、驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置、驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)、海水淡化、采暖和強(qiáng)化自然通風(fēng)等等；光電利用指通過太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)化為電能加以利用的過程；光化學(xué)利用則包括植物光合作用、太陽(yáng)能光解水制氫、

5、熱解水制氫以及天然氣重整等轉(zhuǎn)換過程。涉及理論基礎(chǔ)包括工程熱物理的幾乎所有分支學(xué)科，關(guān)系最密切的是工程熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和熱物性學(xué)；要構(gòu)成有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能利用系統(tǒng)，還需要進(jìn)行熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)研究。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用還和化學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)工程、建筑科學(xué)，生物科學(xué)等學(xué)科有著密切聯(lián)系，是一門綜合性強(qiáng)，學(xué)科交叉特色鮮明的研究分支。在工程熱物理學(xué)科范疇內(nèi)，應(yīng)著重研究與各種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用過程相關(guān)的能量利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及與能量轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的熱物理問題等。太陽(yáng)能是最重要的可再生能源之一，資源總量大，分布廣泛，使用清潔，不存在資源枯竭問題。進(jìn)入21世紀(jì)以來，太陽(yáng)能利用有令人振奮的新進(jìn)展，太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電池等

6、產(chǎn)品年產(chǎn)量一直保持30以上的增長(zhǎng)速率，被稱為“世界增長(zhǎng)最快的能源”。我國(guó)太陽(yáng)能熱水器與德國(guó)的風(fēng)力發(fā)電、日本的太陽(yáng)電池一樣位居世界第一，盡管在能源結(jié)構(gòu)中所占比例還很小，但在某些特定領(lǐng)域和地區(qū)卻發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。太陽(yáng)能資源開發(fā)利用的關(guān)鍵，是解決高效收集和轉(zhuǎn)化過程中涉及的能量利用系統(tǒng)形式、能量蓄存和調(diào)節(jié)、材料研究和選擇等等問題。除傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，還有太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)能溫室，太陽(yáng)能照明和太陽(yáng)能養(yǎng)殖等系統(tǒng)和領(lǐng)域，太陽(yáng)能開發(fā)利用是建筑能源的一個(gè)重要方面，也是國(guó)防科技以及未來電力有很大潛力的領(lǐng)域。從能源戰(zhàn)略發(fā)展角度講，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用的研究能為解決能源供應(yīng)可持續(xù)發(fā)展問題做出貢獻(xiàn)，有利于減少化石能源引

7、起的環(huán)境污染及全球性溫室效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化，構(gòu)成可持續(xù)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。6.1.2 生物質(zhì)能所有含有內(nèi)在化學(xué)能的非化石有機(jī)生物物質(zhì)都稱為生物質(zhì)，包括各類植物和諸如城市生活垃圾、城市下水道淤泥、動(dòng)物排泄物、林業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物以及某些類型的工業(yè)有機(jī)廢棄物。某種意義上講，生物質(zhì)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資源。地球每年生長(zhǎng)的生物質(zhì)總量約為1400-1800億噸（干重），含有的能量相當(dāng)目前世界總能耗的10倍。生物質(zhì)能源占可再生能源消費(fèi)總量的35%以上，占一次能源消耗的15%左右。中國(guó)作為世界上最大農(nóng)業(yè)國(guó)，具有豐富的生物質(zhì)能資源，其主要來源有農(nóng)林廢棄物、糧食加工廢棄物

8、、木材加工廢棄物和城市生活垃圾等。我國(guó)每年產(chǎn)生大約6.5億噸農(nóng)業(yè)秸稈，加上薪柴及林業(yè)廢棄物等，折合能量4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，預(yù)計(jì)到2010年將增加到7.3億噸，相當(dāng)于億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。每年的森林耗材達(dá)到2.1億立方米，折合1.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。除數(shù)量巨大和可再生之外，生物質(zhì)還有污染物質(zhì)（含硫、含氮量較?。┥?，燃燒相對(duì)清潔、廉價(jià)，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為燃料可減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。全國(guó)城市生活垃圾年產(chǎn)量已超過1.5億噸，到2020年年產(chǎn)生量將達(dá)2.1億噸，如果將這些垃圾焚燒發(fā)電或采用衛(wèi)生填埋方式，回收填埋氣發(fā)電，可產(chǎn)生相當(dāng)于500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能源，還有效地減輕環(huán)境污染。可以預(yù)計(jì)，未來二三十年內(nèi)生物質(zhì)能源最有可能成為

9、21世紀(jì)主要的新能源之一。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成有用的能量有多種不同的途徑或方式，當(dāng)前主要采用兩種主要的技術(shù)：熱化學(xué)技術(shù)和生物化學(xué)技術(shù)。此外機(jī)械提?。òセ┮彩菑纳镔|(zhì)中獲得能量的一種形式。熱化學(xué)技術(shù)包括三種方式：燃燒、氣化和液化。生物化學(xué)技術(shù)包括兩種方式：發(fā)酵（產(chǎn)生乙醇、甲烷等燃料物質(zhì)）和微生物制氫技術(shù)。通過以上方式，生物質(zhì)能被轉(zhuǎn)化成熱能或動(dòng)力、燃料和化學(xué)物質(zhì)。生物質(zhì)能利用的研究范圍主要包括：作為一次能源的高效清潔燃燒技術(shù)；轉(zhuǎn)換為二次能源的生物質(zhì)氣化和液化技術(shù)，生物質(zhì)催化液化和超臨界液化技術(shù)，微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)，微生物制氫技術(shù)，以及生物質(zhì)燃料改良技術(shù)等。上述技術(shù)涉及到工程熱物理與能源利用、物理化學(xué)

10、、化學(xué)工程及工業(yè)化學(xué)、微生物學(xué)、植物學(xué)、電工科學(xué)、信息科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。工程熱物理與能源利用學(xué)科主要解決生物質(zhì)能直接利用或能源轉(zhuǎn)換過程中能量轉(zhuǎn)換的基本原理以及熱質(zhì)傳遞規(guī)律等關(guān)鍵性熱物理問題，在生物質(zhì)能利用領(lǐng)域起著非常重要的作用。與之密切聯(lián)系的學(xué)科方向有：工程熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)、熱物性與熱物理測(cè)試技術(shù)等。圖6.1顯示了生物質(zhì)能循環(huán)系統(tǒng)，其本質(zhì)上來自于太陽(yáng)能。圖6.1 理想的生物質(zhì)利用概念圖 （Stephan H. Industrial biotechnology-a chance at redemption. Nature Biotrchnology, 2004(22): 671675）6

11、.1.3 風(fēng)能風(fēng)作為自然界空氣運(yùn)動(dòng)的一種方式，具有一定位能與動(dòng)能。風(fēng)能利用的最大難題是風(fēng)速與風(fēng)向的隨機(jī)性和不連續(xù)性，即風(fēng)速、風(fēng)向會(huì)隨著時(shí)間和地點(diǎn)變化，難以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率穩(wěn)定輸出。風(fēng)能利用的研究大體可分為：(1)大氣邊界層中風(fēng)特性的研究；(2)風(fēng)力機(jī)理論、新型葉片外形與材料以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新型控制方法；(3)風(fēng)能利用的方式以及多能互補(bǔ)綜合利用系統(tǒng)的研究。風(fēng)能取之不盡，用之不竭，地球上的風(fēng)能資源每年約為200萬億kWh，利用1就可滿足人類對(duì)能源的需要。根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院估算，我國(guó)地面10米高度層風(fēng)能的理論可開發(fā)量為16億kW，實(shí)際可開發(fā)量為2.53億kW。隨著槳葉空氣動(dòng)力學(xué)、材料、發(fā)電機(jī)

12、技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速，單機(jī)容量從最初的數(shù)十千瓦級(jí)發(fā)展到最近進(jìn)入市場(chǎng)的兆瓦級(jí)機(jī)組，20年來，風(fēng)力機(jī)平均單機(jī)容量提高20倍；功率控制方式從定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展；運(yùn)行可靠性從20世紀(jì)8 0年代初的50提高到98以上，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部可以實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程控制。近十年來，世界風(fēng)力發(fā)電以年增長(zhǎng)率30%左右高速發(fā)展，至2004年止，世界風(fēng)電總裝機(jī)容量約為4761.6萬千瓦，我國(guó)為76.4萬千瓦。風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量迅速增加，風(fēng)電場(chǎng)從內(nèi)陸向海上發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電成本呈降低趨勢(shì)，是可與常規(guī)能源進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新能源。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織在近期一份報(bào)告中稱：到202

13、0年風(fēng)力發(fā)電將占世界電力總量的12。在普遍強(qiáng)調(diào)人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的今天，風(fēng)電已經(jīng)成為世界上發(fā)展最快的發(fā)電方式之一?，F(xiàn)代風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)包括自然風(fēng)、風(fēng)輪、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)等相互作用的子系統(tǒng)，涉及到工程熱物理與能源利用、大氣科學(xué)、機(jī)械科學(xué)、電工科學(xué)、材料科學(xué)、自動(dòng)化科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。工程熱物理與能源利用學(xué)科主要研究復(fù)雜地形和極端氣候條件下的大氣邊界層風(fēng)特性、風(fēng)輪非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)、剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)、多能互補(bǔ)綜合利用系統(tǒng)和新型風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等問題，密切相關(guān)的分支學(xué)科有工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、熱物性與熱物理測(cè)試技術(shù)等。6.1.4 地?zé)崮艿責(zé)崮艿睦每煞譃榈責(zé)岚l(fā)電和直接利用兩大類。地?zé)崮苁莵碜?/p>

14、地球深處的可再生熱能，起源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變，集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶、該區(qū)域也是火山和地震多發(fā)區(qū)。如果熱量提取的速度不超過補(bǔ)充的速度，地?zé)崮鼙闶强稍偕?。地?zé)崮茉谑澜绾芏嗟貐^(qū)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，每年從地球內(nèi)部傳到地面的熱能相當(dāng)于100PWh。地?zé)崮芊植枷鄬?duì)比較分散，開發(fā)難度大。根據(jù)地?zé)崴疁囟鹊母叩?，地?zé)豳Y源分為高溫（>150）、中溫（150-90）和低溫（903種。高溫地?zé)崮苤饕糜诎l(fā)電，中低溫地?zé)崮芤话憧芍苯永茫ü?、溫室、旅游和療養(yǎng)等）。日益關(guān)注全球氣候變暖和礦物燃料利用所致各種環(huán)境污染的今天，地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、無污染的能源倍受各國(guó)重視。與地?zé)崮芾孟嚓P(guān)的工程熱物理

15、學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)問題包括：地?zé)豳Y源勘測(cè)、采集中的熱物理問題；地?zé)崮芾弥械暮瑵駧r土多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)問題；地?zé)崮茉淳C合利用系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換原理及性能。6.1.5 海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲(chǔ)存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在于海洋之中。潮汐與潮流能來源于月球、太陽(yáng)引力，其它海洋能均來源于太陽(yáng)輻射，海洋面積占地球總面積的71%，太陽(yáng)到達(dá)地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分轉(zhuǎn)化為各種形式的海洋能。海水溫差能是熱能，低緯度的海面水溫較高，與深層冷水存在溫度差，因而儲(chǔ)存著溫差熱能，能量大小與溫差和水量成正比；潮汐、潮流，海流

16、、波浪能都是機(jī)械能，潮汐能是地球旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能量通過太陽(yáng)和月亮的引力作用而傳遞給海洋，并由長(zhǎng)周期波儲(chǔ)存的能量，潮汐的能量與潮差大小和潮量成正比；潮流、海流的能量與流速平方和通流量成正比；波浪能是在風(fēng)的作用下產(chǎn)生，并以位能和動(dòng)能的形式由短周期波儲(chǔ)存的機(jī)械能，與波高的平方和波動(dòng)水域面積成正比；河口水域的海水鹽度差能是化學(xué)能，入海徑流的淡水與海洋鹽水間有鹽度差，若隔以半透膜，淡水向海水一側(cè)滲透可產(chǎn)生滲透壓力，其能量與壓力差和滲透流量成正比。各種能量涉及的物理過程、開發(fā)利用方法和程度等方面均存在很大差異。與海洋能利用相關(guān)的工程熱物理學(xué)科基礎(chǔ)科學(xué)問題包括：海洋能能量高效利用轉(zhuǎn)換裝置及原理；洋流流體力學(xué)與

17、海洋能資源利用。6.2.1 太陽(yáng)能利用國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)很早就有“陽(yáng)燧取火”的傳說，古代建筑中采用較大的南窗以利用太陽(yáng)輻射進(jìn)行采暖等都是人們?cè)缙诶锰?yáng)能的實(shí)例，系統(tǒng)深入地將太陽(yáng)能利用作為一門科學(xué)研究始于上世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)之后。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用形式日益多樣化，開發(fā)利用范圍越來越廣，已被公認(rèn)為是最主要的可再生清潔能源之一。當(dāng)今世界各國(guó)都在大力開發(fā)利用太陽(yáng)能資源。歐洲、澳大利亞、以色列和日本等國(guó)家，紛紛加大投入積極探索實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能規(guī)?；玫挠行緩?。德國(guó)等歐盟國(guó)家更是把太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源作為替代化石燃料的主要替代能源大力扶植和發(fā)展。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用研究已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上技術(shù)學(xué)科

18、中十分活躍的一個(gè)領(lǐng)域，每年都有國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議頻繁地舉行。最具代表性的有世界太陽(yáng)能大會(huì)和世界可再生能源大會(huì)，都是兩年舉辦一次，時(shí)間正好相隔一年。有關(guān)專題分組、分地區(qū)學(xué)術(shù)討論也非常之多。各國(guó)科研人員主要研究方向可以分為兩大類：一是面向太陽(yáng)能規(guī)模化利用的關(guān)鍵技術(shù)；二是探索太陽(yáng)能利用新方法、新材料，發(fā)現(xiàn)和解決能量轉(zhuǎn)化過程中的新現(xiàn)象、新問題，特別是開展基于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化利用現(xiàn)象的熱力學(xué)優(yōu)化、能量轉(zhuǎn)換過程的高效化、能量利用裝置的經(jīng)濟(jì)化等問題。（1） 為公共安全提供服務(wù)如為無電力設(shè)施的人口提供照明，對(duì)食品和藥品進(jìn)行冷藏，以及為世界所有地區(qū)提供通訊；還可以利用太陽(yáng)能直接從海洋中生產(chǎn)淡水，為灌溉系統(tǒng)提供抽水動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)

19、污水和空氣凈化等。太陽(yáng)能還可規(guī)模化用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥過程等；圖6.2 太陽(yáng)能利用與建筑一體化（2）太陽(yáng)能利用與建筑一體化各類建筑均是能耗大戶，同時(shí)也是太陽(yáng)能利用裝置最好的載體。圖6.2示意了太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用途徑。工業(yè)國(guó)家全部的一次能源消耗35-40%都用在建筑中，如果考慮消耗在建筑材料和服務(wù)性建筑基礎(chǔ)設(shè)施中的能源成本，可能達(dá)到50。美國(guó)建筑行業(yè)占一次能耗的48，占CO2總排放的46，且能耗和排放增長(zhǎng)最快。歐洲30的能耗用于室內(nèi)采暖和加熱水，相當(dāng)于全部建筑能耗的75。通過合理設(shè)計(jì)、充分利用建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)和選擇適合的能源轉(zhuǎn)換形式，可實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能進(jìn)行采暖、采光、熱水供應(yīng)、空調(diào)制冷、強(qiáng)化自然通風(fēng)、

20、部分電力供應(yīng)以及水質(zhì)凈化等等功能，極大地降低建筑使用能耗。早期的被動(dòng)式太陽(yáng)房采暖，現(xiàn)代的各種主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)和設(shè)備，及未來可持續(xù)建筑中太陽(yáng)能開發(fā)利用，正體現(xiàn)這樣一種趨勢(shì)。（3）太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)途徑如圖6.3所示。主要包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電和熱發(fā)電兩種技術(shù)，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)以其安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)廉價(jià)、適應(yīng)性強(qiáng)而獲得廣泛青睞。太陽(yáng)電池成本比較高，但是與10年前相比成本已下降接近一半。21世紀(jì)以來，光伏產(chǎn)業(yè)以驚人高速度增長(zhǎng)（年均增長(zhǎng)率超過36.6%）。2003年，全世界生產(chǎn)銷售超過750MWp的光伏組件，比上年增長(zhǎng)44，預(yù)計(jì)2012年產(chǎn)值會(huì)達(dá)到275億美元。相關(guān)傳熱和熱力學(xué)研究，是目前發(fā)展高性

21、能太陽(yáng)能電池、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的熱點(diǎn)。圖6.3 太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)途徑 （Prof. Hans Müller-steinhagen, Concentrating solar power: A vision for sustainable electricity generation, Institute for thermodynamics and thermal engineering, University of Stuttgart, Germany）太陽(yáng)能熱發(fā)電主要采用聚焦集熱技術(shù)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)熱力機(jī)需要的高溫液體或蒸汽發(fā)電，現(xiàn)主要關(guān)注能與太陽(yáng)能能量轉(zhuǎn)換過程匹配的新型熱動(dòng)力循環(huán)、熱力機(jī)械

22、以及高效可靠的聚焦集熱裝置和技術(shù)。目前最大的太陽(yáng)能熱力發(fā)電站在美國(guó)加州南部運(yùn)行，太陽(yáng)能熱力發(fā)電成本約是光伏發(fā)電的1/2。全球?qū)μ?yáng)能熱力發(fā)電的興趣與日聚增，美國(guó)、西班牙、以色列和南非等地正建設(shè)新的太陽(yáng)能熱力電站，印度、埃及、摩洛哥等國(guó)家也極有興趣?；跓焽栊?yīng)的太陽(yáng)能集熱和風(fēng)力透平為核心的太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電已在西班牙等國(guó)家運(yùn)行示范，這種系統(tǒng)雖然效率很低，但是可以和農(nóng)業(yè)溫室利用結(jié)合，顯示出良好的應(yīng)用前景。目前澳大利亞、南非等國(guó)都在興建新的太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電站。此外還可以利用太陽(yáng)池鹽水濃度差進(jìn)行蓄能發(fā)電， 該工作在以色列等國(guó)家已有研究和示范。（4）太陽(yáng)能加熱利用太陽(yáng)能集熱器對(duì)水、空氣或其它流體加熱是目前應(yīng)

23、用最廣泛、相對(duì)最成熟的太陽(yáng)能利用技術(shù)。但在大面積、高溫位太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中存在氣液相變?cè)斐善?、管道阻力分配不均勻等問題。此外，提高經(jīng)濟(jì)性和研究適合的蓄能轉(zhuǎn)換問題也是實(shí)現(xiàn)規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用太陽(yáng)能的關(guān)鍵。約旦、馬來西亞等地區(qū)利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽(yáng)能資源和特殊的蜂窩透明材料對(duì)輸油管道進(jìn)行加熱以減少稠油的粘性，我國(guó)西藏等地區(qū)推廣應(yīng)用的太陽(yáng)灶等具有鮮明的特色。歐洲、日本、中東地區(qū)以及我國(guó)都在大力推廣太陽(yáng)能熱水器、熱水系統(tǒng)等技術(shù)，近年來全世界太陽(yáng)能集熱器安裝面積大幅增長(zhǎng)，但與應(yīng)用所具有的潛力相比還有很大的增長(zhǎng)空間。游泳池加熱系統(tǒng)和家用熱水器方面應(yīng)用較多，還可以直接利用聚焦式太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)為工業(yè)應(yīng)用提供熱水和蒸汽。

24、高效、可靠的高溫集熱器是未來太陽(yáng)能熱發(fā)電、空調(diào)制冷、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵之一，是研究的重點(diǎn)方向。 （5）太陽(yáng)能制氫從太陽(yáng)能等間歇性可再生能源中獲得能源儲(chǔ)備，最有可能的途徑就是制氫，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為燃料。如圖6.4所示，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能氫能轉(zhuǎn)換途徑有太陽(yáng)能光催化制氫，太陽(yáng)能電解制氫和太陽(yáng)能熱分解制氫等。光催化制氫領(lǐng)域重點(diǎn)在于提高太陽(yáng)光譜全波段能源利用率，特別是拓展可見光范圍相應(yīng)光催化劑的開發(fā)應(yīng)用，提高能壘，提高太陽(yáng)能利用率等。太陽(yáng)能電解水制氫主要通過太陽(yáng)能發(fā)電以電解水制氫。電解水制氫相對(duì)比較成熟，與太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)密切相關(guān)，關(guān)鍵是降低太陽(yáng)能發(fā)電成本以及充分利用海水等資源。太陽(yáng)能熱分解制氫則主要包括太陽(yáng)

25、能熱解水、生物質(zhì)和化石燃料制氫等，通常需要與聚焦式高溫太陽(yáng)能集熱裝置結(jié)合，產(chǎn)生高溫通過化學(xué)循環(huán)反應(yīng)分解水、生物質(zhì)以及化石燃料等制氫。由于技術(shù)工藝反應(yīng)溫度等要求較嚴(yán)格，目前太陽(yáng)能熱化學(xué)分解水制氫尚處于研究和示范階段。此外，基于太陽(yáng)能綜合利用的熱發(fā)電、化學(xué)能與光熱利用結(jié)合的復(fù)合能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也有研究。圖6.4太陽(yáng)能制氫的途徑 （郭烈錦，太陽(yáng)能利用中的熱物理問題，可再生能源基礎(chǔ)研究及優(yōu)先領(lǐng)域研討會(huì)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料學(xué)部，廣東東莞，2004年11月）（6）太陽(yáng)能空調(diào)制冷圖6.5示意了太陽(yáng)能與燃?xì)饨Y(jié)合的太陽(yáng)能空調(diào)制冷系統(tǒng)。太陽(yáng)能空調(diào)制冷最大特點(diǎn)是與季節(jié)的匹配性好，夏季太陽(yáng)越好，天氣越熱，太

26、陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)制冷量也越大。太陽(yáng)能制冷技術(shù)包括主動(dòng)制冷和被動(dòng)制冷兩種方式。主動(dòng)式太陽(yáng)能制冷通過太陽(yáng)能來驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)制冷，包括太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的蒸汽壓縮制冷，太陽(yáng)能吸收式制冷，太陽(yáng)能蒸汽噴射式制冷，太陽(yáng)能固體吸附式制冷，太陽(yáng)能干燥冷卻系統(tǒng)等等。被動(dòng)式制冷是不需要能量轉(zhuǎn)換裝置，利用自然方式實(shí)現(xiàn)制冷，包括夜間自然通風(fēng)，屋頂池式蒸發(fā)冷卻以及輻射冷卻等等。目前主要發(fā)展主動(dòng)式太陽(yáng)能制冷，通過太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱能驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)進(jìn)行制冷的技術(shù)研究最多，可操作性最強(qiáng)?；A(chǔ)研究工作主要集中在兩個(gè)方面：一是中低溫太陽(yáng)能集熱器強(qiáng)化換熱和篩選新的制冷流程實(shí)現(xiàn)利用低溫位熱能進(jìn)行制冷，另外就是研究集熱效率高、性能可靠

27、的中高溫太陽(yáng)能集熱器，這種集熱器可以產(chǎn)生150oC以上的蒸汽，從而直接驅(qū)動(dòng)雙效吸收式制冷機(jī)。（7）太陽(yáng)能海水淡化利用太陽(yáng)能等可再生能源進(jìn)行海水或苦咸水淡化是實(shí)現(xiàn)淡水資源可持續(xù)供應(yīng)的重要途徑。太陽(yáng)能海水淡化領(lǐng)域研究在中東、北非以及歐洲地中海地區(qū)研究非?；钴S，美國(guó)、日本等國(guó)家也投入大量的人力物力進(jìn)行淡化技術(shù)的開發(fā)示范等。圖6.6 為以色列IDE技術(shù)公司一典型的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽(yáng)能熱發(fā)電和海水淡化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的多目標(biāo)利用。圖6.6 太陽(yáng)能熱發(fā)電多效蒸餾海水淡化聯(lián)合系統(tǒng) （以色列，IDE Technologies, Ltd）太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究集中在：完全靠太陽(yáng)能和環(huán)

28、境條件自然變化驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)式淡化水方法，如傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾池，多效太陽(yáng)能蒸餾器等；主動(dòng)式淡化水方法，制備淡水需要少量的動(dòng)力消耗，同時(shí)還要求配備風(fēng)機(jī)、水泵等額外裝置，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)效果，提高系統(tǒng)性能；實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，上述技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)綜合應(yīng)用的復(fù)合系統(tǒng)等，如和太陽(yáng)能溫室相結(jié)合，與壓氣蒸餾以及閃蒸法等工藝相結(jié)合等。主動(dòng)式海水淡化方法由于改善了淡化裝置的傳熱傳質(zhì)效果，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度可以分開調(diào)控，倍受重視。海水淡化過程中的能量、水分、鹽分回收，傳熱傳質(zhì)過程強(qiáng)化，部件中的結(jié)垢特性，能源利用效率和產(chǎn)水率提高等是研究的重點(diǎn)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用環(huán)節(jié)主要是中低溫位的太陽(yáng)能集熱器，與蒸餾、閃蒸、壓汽蒸餾等工藝以

29、及各種傳熱傳質(zhì)過程相關(guān)的設(shè)備結(jié)合。太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化利用是全球可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部份，特別是構(gòu)成未來分布式可再生能源網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，利用太陽(yáng)能可以為公共安全、電力供應(yīng)、建筑節(jié)能和規(guī)?；療崴?yīng)等發(fā)揮積極的作用。隨著規(guī)?；_發(fā)利用太陽(yáng)能資源步伐的加快，在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化利用過程中必將出現(xiàn)許多新的現(xiàn)象、新的問題，給工程熱物理和能源利用學(xué)科提出了新的研究挑戰(zhàn)。我國(guó)太陽(yáng)能利用領(lǐng)域系統(tǒng)研究工作始于上世紀(jì)70年代末。二十多年來，在被動(dòng)式太陽(yáng)房、太陽(yáng)溫室、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能制冷空調(diào)以及太陽(yáng)能制氫等諸多領(lǐng)域取得了一批標(biāo)志性成果。太陽(yáng)能熱水器技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速，是20世紀(jì)7

30、0年代以來我國(guó)可再生能源領(lǐng)域中產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最成功的范例。我國(guó)是世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，太陽(yáng)能熱水器使用數(shù)量最大，但普及率與日本、以色列、希臘、塞浦路斯等國(guó)家有較大差距，仍有很大的發(fā)展空間。除對(duì)太陽(yáng)能集熱器和被動(dòng)式太陽(yáng)房進(jìn)行了較多的傳熱分析外，有關(guān)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用材料、蓄能機(jī)理、系統(tǒng)分析以及生產(chǎn)工藝方面開展的研究與國(guó)際先進(jìn)水平相比，尚有差距。我國(guó)在中高溫太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能聚能技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距，特別是太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能高溫利用等領(lǐng)域代表性工作很少。聚焦式太陽(yáng)能集熱技術(shù)既可用于發(fā)電，也可用來驅(qū)動(dòng)熱化學(xué)反應(yīng)和光催化、光電效應(yīng)等，由于能夠以低成本獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率，此項(xiàng)技術(shù)

31、已受到越來越多的重視，正在成為國(guó)際太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的重要研究方向。我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)的主要困難在于初始投資大，發(fā)電成本高，核心技術(shù)尚待突破等。近年來我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)、光伏產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展，過去10年太陽(yáng)能電池和組件生產(chǎn)年均增長(zhǎng)率為25，電池和組件性能不斷提高，但無論是性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝與國(guó)際上都存在一定差距。有關(guān)光伏效應(yīng)熱力學(xué)，半導(dǎo)體熱力學(xué)以及光伏系統(tǒng)極端溫度條件下的工作性能等研究開展很少。太陽(yáng)能建筑，特別是太陽(yáng)能利用與建筑一體化技術(shù)在我國(guó)受到高度重視并取得長(zhǎng)足發(fā)展。在傳統(tǒng)被動(dòng)式太陽(yáng)房熱性能分析基礎(chǔ)之上，從建筑物復(fù)合能量利用系統(tǒng)角度開展基于提高太陽(yáng)能利用分?jǐn)?shù)與充分利用建筑物結(jié)構(gòu)

32、為目的的太陽(yáng)能采暖、熱水供應(yīng)、采光、通風(fēng)、空調(diào)以及發(fā)電等系統(tǒng)分析，是建筑節(jié)能和生態(tài)住宅技術(shù)中重要方面，尚需努力與先進(jìn)國(guó)家看齊。太陽(yáng)能聚光與光導(dǎo)管結(jié)合的太陽(yáng)能照明技術(shù)是建筑節(jié)能的重要發(fā)展方向。太陽(yáng)能-氫能轉(zhuǎn)換在我國(guó)研究較早，特別是與化工等領(lǐng)域結(jié)合，隨著高性能燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展，制氫、儲(chǔ)氫和利用氫能成為我國(guó)許多研究機(jī)構(gòu)的熱門研究課題，相應(yīng)太陽(yáng)能電解制氫、光催化制氫等研究也得到發(fā)展。該領(lǐng)域的差距主要在連續(xù)穩(wěn)定制氫反應(yīng)體系的構(gòu)建原則、新型微多相反應(yīng)體系的創(chuàng)新及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，多相連續(xù)制氫中催化劑及其它助劑的活性形成機(jī)理與測(cè)量、表征等研究方面。太陽(yáng)能全波段利用以及高效、低成本制氫規(guī)?；碚撚写リP(guān)突破。

33、我國(guó)從70年代開始對(duì)太陽(yáng)能制冷技術(shù)進(jìn)行研究，主要是進(jìn)行間歇式氨水吸收式、連續(xù)式制冷和溴化鋰吸收式、活性炭甲醇工質(zhì)對(duì)固體吸附式制冷系統(tǒng)等的深入研究，太陽(yáng)能低溫干燥儲(chǔ)糧技術(shù)、太陽(yáng)能住宅用空調(diào)制冷/供熱系統(tǒng)研究也有涉足。太陽(yáng)能制冷的另一個(gè)方向是開發(fā)研究中高溫聚焦式太陽(yáng)能集熱器，和現(xiàn)有制冷機(jī)組進(jìn)行有機(jī)組合，特別是以太陽(yáng)能為主，構(gòu)成具有經(jīng)濟(jì)性的多能源復(fù)合能量系統(tǒng)。得益于我國(guó)在太陽(yáng)能集熱器領(lǐng)域的制造優(yōu)勢(shì)和在吸附/吸收式制冷領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能空調(diào)制冷工作某些方面走在了世界的前列，合適的復(fù)合能量利用系統(tǒng)、能量傳遞過程的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化，熱力學(xué)優(yōu)化分析等工作有待進(jìn)一步深入開展。太陽(yáng)能海水淡化領(lǐng)域總體上缺乏系統(tǒng)性

34、和規(guī)模效應(yīng)，主要技術(shù)和工藝方面研究不夠深入，特別是在一些代表性裝置的性能指標(biāo)方面與國(guó)際水平有較大差距?；谔?yáng)能熱能轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)海水淡化過程的制淡工藝仍然是太陽(yáng)能海水淡化方法的研究重點(diǎn)，能量回收、鹽分回收和水分回收等許多環(huán)節(jié)有待進(jìn)一步優(yōu)化，制造工藝等亟需進(jìn)一步提高。6.2.2 生物質(zhì)能利用國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)各國(guó)極為重視生物質(zhì)能的研發(fā)和應(yīng)用。美國(guó)各種形式的生物質(zhì)能源占可再生能源的45%，占全國(guó)消耗能源的4%，有350多座生物質(zhì)發(fā)電站，主要分布在紙漿、紙產(chǎn)品加工廠和其它林產(chǎn)品加工廠，裝機(jī)容量達(dá)7000MW，據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000MW裝機(jī)容量。歐盟生物質(zhì)能源約占總能源消耗的

35、4%，15年后預(yù)計(jì)可達(dá)15%。丹麥主要利用秸稈發(fā)電，使可再生能源占全國(guó)能源消費(fèi)總量的24。芬蘭和瑞典的木質(zhì)系生物質(zhì)能已分別占本國(guó)總能耗的16%和19%。生物質(zhì)能的研究開發(fā)已成為世界熱門課題之一，得到各國(guó)政府和科學(xué)家的普遍關(guān)注。圖6.7表示了生物質(zhì)能綜合利用方案。生物質(zhì)能綜合利用示意圖（Bio-methane & Bio-hydrogen: Status and perspectives of biological methane and hydrogen production, Edited by: J.H. Reith, R.H. Wijffels and H. Barten， IS

36、BN 90-9017165-7，2003）（1）生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù) 生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)生物質(zhì)在空氣中燃燒是人類利用生物質(zhì)能歷史最悠久的、應(yīng)用范圍最廣的一種基本能量轉(zhuǎn)化利用方式，主要技術(shù)有爐灶燃燒、鍋爐燃燒、致密成型和垃圾焚燒技術(shù)，最終產(chǎn)物為熱或者電。目前的生物質(zhì)燃料鍋爐基本是流化床鍋爐，具有燃料適應(yīng)性好、效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬、操作簡(jiǎn)單、NOx排放低等優(yōu)點(diǎn)。15715MW規(guī)模不等的流化床鍋爐已商業(yè)化運(yùn)行20年，美國(guó)就有100多座循環(huán)流化床運(yùn)行。瑞典、丹麥、德國(guó)等國(guó)家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術(shù)方面具有較高的水平。生物質(zhì)能燃燒的凈生物能轉(zhuǎn)化效率為2040，負(fù)荷達(dá)100MW以上或采用與煤共混燃燒技

37、術(shù)時(shí)可以得到更高的轉(zhuǎn)化效率。大型燃煤電廠將生物質(zhì)與礦物燃料聯(lián)合燃燒已成為新的概念，如將木材及其廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物和城市生活垃圾燃燒發(fā)電或直接供熱，目前燃燒功率可達(dá)到50MW。美國(guó)的工作比較先進(jìn),相關(guān)的發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)750萬kW。圖6.8為生物質(zhì)燃燒發(fā)電和供暖應(yīng)用途徑示意。圖6.8 生物質(zhì)燃燒發(fā)電和供暖（0）我國(guó)在生物質(zhì)燃燒發(fā)電方面技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，大量薪材和作物秸稈長(zhǎng)期僅僅作為農(nóng)村生活用能資源使用，利用率極低，燃燒產(chǎn)生煙塵、NOx和SOx等污染物。垃圾和工業(yè)廢棄物處理方面，我國(guó)已具備一定實(shí)力和基礎(chǔ)，一些大中城市生活垃圾焚燒發(fā)電已取得初步成果，但是同國(guó)外相比在規(guī)模和數(shù)量上還存在一定差距，城市固

38、體有機(jī)廢棄物無害化處理還不到20%。 生物質(zhì)氣化（熱解氣化）指將生物質(zhì)在高溫下（800900）部分氧化，產(chǎn)生低熱值燃?xì)獾囊环N技術(shù)，燃?xì)饪芍苯尤紵蛴米魅細(xì)廨啓C(jī)的燃料發(fā)電，也可以用來合成化學(xué)燃料。氣化過程僅僅產(chǎn)生燃?xì)夂突覡a殘余物，NOx和SO2等有害氣體含量少、經(jīng)濟(jì)性高、是生物質(zhì)清潔利用的一種主要形式。生物質(zhì)氣化技術(shù)起源于18世紀(jì)末，經(jīng)歷了上吸式固定床氣化器、下吸式固定床氣化器、流化床氣化器等發(fā)展過程。最近出現(xiàn)的生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)（BIG/CC）氣化效率保持在75，輸出能量可達(dá)到每小時(shí)4千萬千焦。采用該技術(shù)的3060MW的發(fā)電廠的能量利用效率可以達(dá)到4050，目前BIG/CC技術(shù)還處于實(shí)

39、驗(yàn)階段。IGCC和HATC作為先進(jìn)的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，從1990年起引起了極大的興趣，己在世界上不同地區(qū)(如巴西、美國(guó)和歐洲聯(lián)盟)建成示范裝置，規(guī)模為0.53MW (HATC)、730MW (IGCC)，發(fā)電效率達(dá)3540。為解決生物質(zhì)氣化過程中氣化不完全產(chǎn)生的焦油、顆粒、堿金屬、含氮化合物等不同濃度的污染物，人們正研究采用催化劑來提高氣化率和消除氣化中的焦油?，F(xiàn)在生物質(zhì)熱解氣化所產(chǎn)生的氣體均是低熱值氣體，一般發(fā)熱量為5000kJ/m3。尋找低成本和高熱值的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)是生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。圖6.9 海南三亞電站1200kW氣化爐我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)正日趨成熟，從單一固

40、定床氣化爐發(fā)展到流化床、循環(huán)流化床、雙循環(huán)流化床和氧化氣化流化床等高新技術(shù)；由低熱值氣化裝置發(fā)展到中熱值氣化裝置；由戶用燃?xì)鉅t發(fā)展到工業(yè)烘干、集中供氣和發(fā)電系統(tǒng)等工程應(yīng)用，建立了各種類型的試驗(yàn)示范系統(tǒng)，某些方面已居國(guó)際領(lǐng)先水平。中科院廣州能源研究所在三亞建成的大型1MW生物質(zhì)（木屑）氣化發(fā)電廠已投入使用（如圖6.9所示），開發(fā)的4MW生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，獲得成功，在生物質(zhì)廢棄物氣化、稻草氣化以及生物質(zhì)氣化和發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域，開展了采用BIG/CC的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究。但在穩(wěn)定運(yùn)行、焦油清除、氣體凈化等技術(shù)上還需要提高。 高溫分解（熱解液化）熱解液化是指在隔絕空氣條件和500左右的高溫條件下將

41、生物質(zhì)熱分解，產(chǎn)生液體燃料油（又稱生物油）或化學(xué)物質(zhì)的一種技術(shù)。產(chǎn)生的液體是水和有機(jī)物混合物，經(jīng)過進(jìn)一步的分離和提純得到生物質(zhì)燃用油或用作其它工業(yè)原料。生物質(zhì)熱解工藝可分為慢速、快速和反應(yīng)性熱裂解三種類型。在這三種工藝中以快速熱解反應(yīng)的研究和應(yīng)用較廣，如果采用快速熱解反應(yīng)技術(shù)，干生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油的產(chǎn)油率可達(dá)75?？焖贌峤夥磻?yīng)要求原料被快速加熱到約500左右的溫度，高溫分解產(chǎn)生的蒸氣需被快速冷凝以減少二次反應(yīng)。反應(yīng)器普遍采用流動(dòng)床構(gòu)造，多數(shù)是鼓泡床、循環(huán)流化床等多種形式。此外還有真空高溫裂解法，可獲得高達(dá)60的液化率。圖6.10 英國(guó)Wellman的250kg/h生物質(zhì)熱解液化裝置 許多國(guó)家都

42、先后開展了這方面的研究工作，開發(fā)了很多不同的熱解工藝，已有商業(yè)化生產(chǎn)生物質(zhì)油的快速熱解裝置。具有代表性的快速熱解工藝包括：美國(guó)喬治亞理工學(xué)院（GIT）開發(fā)的攜帶床反應(yīng)器；加拿大因森（ENSYN）開發(fā)的循環(huán)流化床反應(yīng)器；加拿大拉瓦爾大學(xué)開發(fā)的多層真空熱解磨；加拿大達(dá)茂公司（Dynamotive）開發(fā)的大型流化床反應(yīng)器；美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的渦旋反應(yīng)器；荷蘭Twente喬特大學(xué)開發(fā)的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器工藝等。雖然歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在生物質(zhì)快速裂解的工業(yè)化方面研究較多（圖6.10所示），但生物質(zhì)快速熱解液化理論研究始終嚴(yán)重滯后，很大程度制約了該技術(shù)水平的提高與發(fā)展。目前，歐美等國(guó)已建成各種

43、生物質(zhì)液化示范裝置，至今還沒有產(chǎn)業(yè)化。根本原因是，生物油組成十分復(fù)雜，為水、焦油及含氧有機(jī)化合物等組成的不穩(wěn)定混合物，包括羧酸、醇、醛、烴、酚類等，直接作為燃料油熱值低、腐蝕性強(qiáng)，而目前采用的加氫脫氧及催化裂解的改質(zhì)提升方法成本較高。開展生物油低成本精制新方法的研究將是該技術(shù)能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。近幾年來，我國(guó)陸續(xù)開展生物質(zhì)熱解液化的研究。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)1995年從國(guó)外引進(jìn)一套旋轉(zhuǎn)錐快速熱解試驗(yàn)裝置，研究開發(fā)液化油技術(shù)。中科院廣州能源所設(shè)計(jì)和建立一套適合于熱解液化的循環(huán)流化床裝置，進(jìn)行熱解液化熱態(tài)小試及中試；山東理工大學(xué)研究了熱等離子體快速熱解液化裝置，開發(fā)出離心分離陶瓷球加熱下降管熱裂解液化工業(yè)示

44、范裝置，達(dá)到200千克/小時(shí)加工能力；中國(guó)科技大學(xué)開發(fā)了流化床熱解液化裝置，達(dá)到15千克/小時(shí)加工能力；東北林業(yè)大學(xué)開發(fā)了高速旋轉(zhuǎn)錐液化裝置；上海理工大學(xué)建立了小型旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置。這些工作尚處于起步階段，還沒有商業(yè)化裝置應(yīng)用。（2）直接液化技術(shù)直接液化技術(shù)采用機(jī)械壓榨或化學(xué)提取等工藝，從生物質(zhì)中直接提取生物柴油?；瘜W(xué)方法液化可分為催化液化和超臨界液化。催化液化過程中，溶劑和催化劑的選擇是影響產(chǎn)物產(chǎn)率和質(zhì)量的重要因素。常用的溶劑包括水、苯酚、高沸點(diǎn)的雜環(huán)烴和芳香烴混合物。超臨界液化利用超臨界流體良好的滲透能力、溶解能力和傳遞特性而進(jìn)行的生物質(zhì)液化。最近歐美等國(guó)正積極開展這方面的研究工作，包括超臨

45、界水液化纖維生物質(zhì)、超臨界水和超臨界甲醇液化木質(zhì)素生物質(zhì)等技術(shù)。近年來很多研究者致力于煤與廢棄生物質(zhì)共液化的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與煤?jiǎn)为?dú)液化相比，煤與生物質(zhì)共液化所得到的液化產(chǎn)品質(zhì)量得到改善，液相產(chǎn)物中低分子量的戊烷可溶物有增加。該研究工作尚處在起步階段，生物質(zhì)對(duì)煤的作用機(jī)理也未能完全了解。 近年華東理工大學(xué)分別進(jìn)行了生物質(zhì)（包括稻殼，木屑和木屑的水解殘?jiān)┑膯为?dú)液化和煤與生物質(zhì)的共液化。結(jié)果表明生物質(zhì)的加入確實(shí)促進(jìn)了煤的裂解，減緩了液化條件，從而可在較溫和的條件下得到較高的轉(zhuǎn)化率和油產(chǎn)率。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究還很少，與國(guó)際先進(jìn)研究水平有較大差距。（3）生物化學(xué)技術(shù) 微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)主要包括小

46、型戶用沼氣池技術(shù)、多種厭氧消化池技術(shù)、酒精發(fā)酵技術(shù)等。盡管形式多樣，基本原理都是在嚴(yán)格厭氧條件下，利用厭氧菌生理代謝將生物質(zhì)分解產(chǎn)生乙醇、甲醇或甲烷等目的產(chǎn)物。目前主要包括液體燃料發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)和沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)兩種。圖6.11 生物質(zhì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（Bio-methane & Bio-hydrogen: Status and perspectives of biological methane and hydrogen production, Edited by: J.H. Reith, R.H. Wijffels and H. Barten， ISBN 90-9017165-7，20

47、03）液體燃料發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)指酒精發(fā)酵和甲醇發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)，即微生物在適宜的生長(zhǎng)和代謝條件下，通過細(xì)胞產(chǎn)生的酶的作用，將生物有機(jī)質(zhì)代謝分解，生產(chǎn)乙醇、甲醇等燃燒值較高的可燃性液體。工業(yè)上利用糧食如含糖或淀粉的甘蔗、玉米和甘薯等原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)已趨成熟并規(guī)模應(yīng)用。但利用雜草、秸稈等含大量纖維素的植物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)正在開發(fā)中。巴西和美國(guó)都已將燃料乙醇大量用于汽車燃料中，1973年第一次石油危機(jī)后巴西制定了“國(guó)家酒精計(jì)劃”，利用該國(guó)豐富的甘蔗資源生產(chǎn)燃料乙醇用以代替進(jìn)口汽油。1995年巴西1500萬輛在用汽車中有500萬輛汽車直接燃用乙醇或摻有22 %無水乙醇的汽油。1995年美國(guó)燃料乙醇產(chǎn)量已

48、達(dá)550萬千升，90 %產(chǎn)自玉米，90 %用于摻入汽油中供汽車使用。沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)在污水處理、堆肥制造、人畜糞便、農(nóng)作物秸稈和食品廢物處理等方面得到廣泛利用，反應(yīng)器類型多種，如完全混合式厭氧反應(yīng)器、厭氧接觸式反應(yīng)器、厭氧濾池生物質(zhì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器實(shí)例。目前沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)已發(fā)展了將產(chǎn)氣與發(fā)電相結(jié)合的綜合技術(shù)，如日本的朝日、麒麟等幾個(gè)大啤酒廠都已配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機(jī)組；京都市將6個(gè)賓館每天產(chǎn)生的6噸食物廢渣集中發(fā)酵,并從所產(chǎn)沼氣中提取氫氣供100kW燃料電池發(fā)電；明電舍公司等則成功地利用下水污泥生產(chǎn)沼氣，或直供燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，或提取氫氣供燃料電池發(fā)電。我國(guó)政府在“十五”計(jì)劃中決定發(fā)

49、展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，目的是：利用過剩玉米作原料，同時(shí)增加農(nóng)民收入；替代MTBE 摻入汽油，減少環(huán)境污染，提高汽油的辛烷值；代替汽油，減少石油進(jìn)口。黑龍江、吉林、河南等玉米重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)已被列為項(xiàng)目的示范區(qū)，黑龍江省華潤(rùn)玉米酒精有限公司10萬噸燃料酒精裝置已于2000年投產(chǎn)，產(chǎn)品正式在車用燃油中使用。吉林省投資29億元建設(shè)年產(chǎn)60萬噸燃料乙醇的項(xiàng)目已于2001年批準(zhǔn)動(dòng)工。除利用玉米生產(chǎn)燃料乙醇外，還計(jì)劃研究開發(fā)以植物秸桿、枝葉等纖維素為主的原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)，國(guó)內(nèi)許多單位開展了相關(guān)研究，在關(guān)鍵問題的突破上還有很大距離。乙醇柴油的試驗(yàn)工作也有起步?？傮w上我國(guó)在糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和甲醇方面無論是規(guī)模上還是技

50、術(shù)上同國(guó)外相比差距不大，但利用乙醇和甲醇為燃料的技術(shù)推廣中，則存在較大差距。我國(guó)的沼氣應(yīng)用歷史很長(zhǎng)，在農(nóng)村、農(nóng)場(chǎng)和鄉(xiāng)村工廠的應(yīng)用效果都很好。2000年我國(guó)的戶用沼氣池達(dá)764萬戶，產(chǎn)氣25. 9億m3，合185萬tce，杭州、廣州、馬鞍山等已利用垃圾填埋場(chǎng)沼氣發(fā)電。農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所已成功研制了利用沼氣發(fā)酵技術(shù)處理酒精廢醪液工藝并在全國(guó)廣泛推廣，取得巨大的效益。目前采用的沼氣發(fā)酵技術(shù)耗水量大，增加了投資成本和運(yùn)行管理費(fèi)用。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的殘?jiān)^多，容易成為惡臭來源。固體狀有機(jī)質(zhì)沼氣發(fā)酵工藝、技術(shù)、設(shè)施開發(fā)研究得還不多，主要原因在于對(duì)固體有機(jī)物厭氧降解過程中的各種物質(zhì)生化反應(yīng)的路徑變化、干擾過

51、程進(jìn)程的基礎(chǔ)理論了解尚不深入。厭氧消化技術(shù)中的微生物代謝能量學(xué)、生物膜動(dòng)力學(xué)、懸浮污泥系統(tǒng)與生物膜系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)的非均相動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)研究均有待加強(qiáng)。 微生物制氫技術(shù)傳統(tǒng)的制氫技術(shù)主要采用電解水，煤、石油、天然氣熱化學(xué)分解、氣化、部分氧化或催化裂解等，這些制氫技術(shù)工藝復(fù)雜、能耗高、成本高、污染環(huán)境、凈增能值低。因此無污染、能耗低、設(shè)備要求簡(jiǎn)單的微生物產(chǎn)氫技術(shù)引起廣泛的注意。生物制氫的微生物可分為兩類：光合制氫生物（分為光能自養(yǎng)型和光能異養(yǎng)型兩種）；兼性厭氧和專性厭氧發(fā)酵制氫微生物。微生物法產(chǎn)氫方式：發(fā)酵型細(xì)菌產(chǎn)氫，直接轉(zhuǎn)化有機(jī)底物為H2和CO2；微藻光合生物制氫，將水分解為H2

52、和O2；厭氧光合產(chǎn)氫，在光能驅(qū)動(dòng)下光合微生物通過消耗有機(jī)物產(chǎn)生氫氣。將厭氧光合細(xì)菌產(chǎn)氫與發(fā)酵型細(xì)菌產(chǎn)氫結(jié)合起來，能充分利用發(fā)酵型細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)酸，可有效地提高產(chǎn)氫率和降低污染物COD。圖6.12 示出了厭氧發(fā)酵制氫和光生物制氫工廠的典型實(shí)例。圖6.12 日本厭氧發(fā)酵制氫工廠以及光生物制氫工廠(Sustainable Hydrogen: Direct Water Splitting and Hydrogen from Biomass, Trygve Riis, 2003)目前人們對(duì)產(chǎn)氫機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，由于生物代謝形式的多樣性和復(fù)雜性，還沒有完全認(rèn)識(shí)產(chǎn)氫的機(jī)理，特別是代謝途徑。產(chǎn)氫條件和產(chǎn)氫

53、效率的研究工作表明：光強(qiáng)度和波長(zhǎng)、照射面積、底物濃度、pH值、溫度、氧、酶和氣相成分，被認(rèn)為是影響光合產(chǎn)氫的關(guān)鍵因素，生物制氫反應(yīng)器的傳輸性能對(duì)產(chǎn)氫率具有很大的影響。目前對(duì)于制氫反應(yīng)器的研究大多為操作條件和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式等因素影響的實(shí)驗(yàn)研究，大部分集中于厭氧發(fā)酵制氫反應(yīng)器。從研究生物制氫反應(yīng)器的傳輸特性入手以提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫率正逐漸得到重視。由于微生物制氫技術(shù)在當(dāng)前的能源多元化戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)中具有重要的地位，國(guó)際上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家正大力開展這方面的研究工作。這方面的研究我國(guó)起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)取得一定的成果，利用連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器以有機(jī)廢水為原料生產(chǎn)氫氣中試實(shí)驗(yàn)已取得初步成

54、功，正在開展規(guī)?；a(chǎn)研究。該技術(shù)集發(fā)酵法生物制氫和高濃度有機(jī)廢水處理為一體，在處理高濃度有機(jī)廢水的同時(shí)回收大量清潔能源氫氣和甲烷，其中試研究成果達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。盡管如此，微生物制氫的基礎(chǔ)研究差距很大，工作偏于產(chǎn)氫菌生理生態(tài)學(xué)等機(jī)理研究和工程應(yīng)用研究，對(duì)生物制氫反應(yīng)器內(nèi)傳輸機(jī)理與特性，反應(yīng)器最優(yōu)設(shè)計(jì)與控制，以及高效產(chǎn)氫菌群構(gòu)建和分子生態(tài)學(xué)診斷等缺乏研究，尤其對(duì)光合制氫反應(yīng)器的研究近乎空白。6.2.3 風(fēng)能利用國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)風(fēng)能是一種能量密度較低、穩(wěn)定性較差的能源。適合進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能密度一般要求為0.2 kW/m2以上。風(fēng)力發(fā)電裝置的安放地點(diǎn)應(yīng)在風(fēng)能密度高，能充分利用不同風(fēng)速風(fēng)

55、能的風(fēng)帶區(qū)。風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量已經(jīng)從十年前的幾千瓦級(jí)發(fā)展到近年的兆瓦級(jí)，風(fēng)輪葉片直徑從15m到70-82m，轂的高度從22m到60-80m，風(fēng)力機(jī)每單位面積重量從20世紀(jì)80年代的32kg/m22，已有效提高單機(jī)輸出功率，降低風(fēng)電成本和風(fēng)能資源利用率。兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)已成為當(dāng)前主流機(jī)型，更大型的MW級(jí)風(fēng)力機(jī)正在研制中，例如REpower直徑126米的5MW風(fēng)力機(jī)，NEG Micon直徑110米的風(fēng)力機(jī)和Enercon直徑114米的無齒輪箱風(fēng)力機(jī)。圖6.13為陸地風(fēng)電場(chǎng)及兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用實(shí)例。圖6.13 陸地風(fēng)電場(chǎng)及兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)（葉枝全等，風(fēng)力機(jī)技術(shù)的近期發(fā)展及其基礎(chǔ)科學(xué)問題，可再生能源基礎(chǔ)研究及優(yōu)

56、先領(lǐng)域研討會(huì)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料學(xué)部，廣東東莞，2004年11月）圖6.14 海上風(fēng)電場(chǎng)（Andrew R. Henderson, Delft University of Technology, The Netherlands; ） 地球上海岸線總長(zhǎng)超過50萬公里，可供開發(fā)的風(fēng)力資源極為豐富，是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。全世界海上可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量每年達(dá)37萬億kWh。我國(guó)在海水深2m至15m之間的海域內(nèi)可開發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量有億kW，約為陸上風(fēng)能資源的3倍。隨著風(fēng)力機(jī)的大型化，海上運(yùn)輸和安裝的優(yōu)勢(shì)日益突出。從1990年以來，采用大型風(fēng)力機(jī)的海上風(fēng)電場(chǎng)得到了迅速的發(fā)展。至2003年止，已有丹

57、麥、荷蘭、瑞典、英國(guó)和愛爾蘭等5國(guó)家的共16個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行，裝機(jī)數(shù)299臺(tái)，總裝機(jī)容量552MW。圖6.14為一典型的海上風(fēng)電實(shí)例。（1）大氣邊界層中風(fēng)特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究對(duì)大氣中風(fēng)速和風(fēng)向的研究主要有兩種方法：第一種是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究和分析；第二種是結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法通過建立理論模型對(duì)其分布進(jìn)行研究。一些研究學(xué)者結(jié)合氣象學(xué)以及空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)風(fēng)能的分布進(jìn)行了研究，提出風(fēng)能氣象學(xué)的概念，尋求氣象學(xué)與風(fēng)能之間的關(guān)系，認(rèn)為風(fēng)能氣象學(xué)是基于邊界層氣象學(xué)、氣候?qū)W以及地理學(xué)的一門科學(xué)。在進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估時(shí)，十分重視中、小尺度數(shù)值模式用于模擬近地層的大氣風(fēng)場(chǎng)分布。隨著海上風(fēng)力發(fā)

58、電技術(shù)的迅速發(fā)展，海上風(fēng)場(chǎng)研究得到普遍關(guān)注。（2）風(fēng)力機(jī)理論、新型葉片外形與材料以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新型控制方法風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量大型化后，以商業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)的各種新型風(fēng)力機(jī)得到重視，對(duì)比傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)速失速控制型風(fēng)力機(jī)和變槳距控制風(fēng)力機(jī)，主要有以下特征：變轉(zhuǎn)速控制，以跟蹤最佳效率；變槳距控制，以降低構(gòu)件載荷；槳葉獨(dú)立變槳距，以滿足大直徑風(fēng)輪的需要；大撓度柔性槳葉，以降低風(fēng)輪重量改善受力情況；采用雙饋發(fā)電機(jī)，以滿足并網(wǎng)發(fā)電的要求。風(fēng)力機(jī)技術(shù)開發(fā)的趨勢(shì)是重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性、直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（無齒輪箱）和變轉(zhuǎn)速運(yùn)行。風(fēng)力機(jī)向大型化方向發(fā)展，設(shè)計(jì)和安裝都受到新的挑戰(zhàn)。為了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行安全可靠，必須對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)載荷

59、及其引起的氣動(dòng)彈性進(jìn)行計(jì)算。如果風(fēng)輪設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成漿葉風(fēng)輪塔架電機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定，則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組破壞。自從1973年第一次石油危機(jī)以來，歐美國(guó)家加大了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，形成一系列風(fēng)力機(jī)分析和設(shè)計(jì)方法，如基于葉素動(dòng)量理論的Glauert方法和Wilson方法，以自由尾渦理論為基礎(chǔ)的方法等，編制了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算軟件。實(shí)踐證明，這些基于中小尺寸的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)風(fēng)輪直徑小于50m，發(fā)電功率小于500kW的大中型風(fēng)力機(jī)非常有效。由于基于葉素動(dòng)量理論的風(fēng)輪定?？諝鈩?dòng)力學(xué)模型在處理動(dòng)態(tài)過程時(shí)存在較大的局限性，沒有完全考慮葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的三維非定常效應(yīng)，動(dòng)態(tài)尾流模型（Dynamic Wake Model）和