工程熱物理與能源利用學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略

1、國家自然科學(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6.1學(xué)科內(nèi)涵近年來，隨著我國國民經(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。 我國是人口大國，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。 可再生能源利用是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化的重要因素?？稍偕茉粗饕侵柑柲?、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)帷⒑Ｑ竽艿荣Y源量豐富，且可循環(huán)往復(fù)使

2、用的一類能源資源，其轉(zhuǎn)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眯问蕉鄻樱婕肮こ虩嵛锢砀鱾€(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)中國在可再生能源的研究、開發(fā)和應(yīng)用?？稍偕茉吹拈_發(fā)利用已成為我國能

3、源工業(yè)發(fā)展的重要 戰(zhàn)略目標(biāo)，必須咼度重視可再生能源利用技術(shù)的基礎(chǔ)研究。6.1.1太陽能太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3.75 X026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒 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；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能， 所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大， 狹義的太陽能則限于 太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。太陽能既是一

4、次能源，又是可再生能源。它資源豐 富，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。太陽能轉(zhuǎn)換利用主要指利用太陽輻射實(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)用以及國防科技需求的專門研究領(lǐng)域，主要包括太陽能 光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換等。太陽能光熱利用指將太陽能轉(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 通過太陽能電池的光伏效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能加以利用的過程；光

5、化學(xué)利用則包括植物光合作用、太陽能光解水制氫、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，

6、太陽能利用有令人振奮的新進(jìn)展，太陽能熱水器、太陽能電池等產(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”。我國太陽能熱水器與德國的風(fēng)力發(fā) 電、日本的太陽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)的太陽能熱水系統(tǒng)，還有太陽能干燥、太陽能溫室， 太陽能照明和太陽能養(yǎng)殖等系統(tǒng)和領(lǐng)域， 太陽能開發(fā)利用是建筑能源的一個(gè)重要方面，也是國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，太陽能

7、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。中國作為世

8、界上最大農(nóng)業(yè)國， 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、木材加工廢棄物和城市生 活垃圾等。我國每年產(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5.2億噸標(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?。┥伲紵鄬?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

9、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?？梢灶A(yù) 計(jì)，未來二三十年內(nèi)生物質(zhì)能源最有可能成為 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)械提取(包括酯化) 也是從生物質(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

10、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)、 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)上來自于太陽能。圖 6.1 理想的生物質(zhì)利用概念圖 ( Stephan H. Indu

11、strial biotechnology-a chance at redemption. Nature Biotrchnology, 2004(22):671675)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

12、，利用1 %就可滿足人類對(duì)能源的需要。根據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算，我國地面 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)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)

13、電總裝機(jī)容量約為 4761.6 萬千瓦，我國為 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 2020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

14、下的大氣邊界層風(fēng)特性、 風(fēng)輪非定常 空氣動(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。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)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮?，起?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摹?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 lOOPWh。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

15、高溫（150C）、中溫（150-90C）和低溫（v 90C = 3 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 源倍受各國重視。 與地?zé)崮芾孟嚓P(guān)的工程熱物理學(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。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

16、中。潮汐與潮流能來源于月球、太 陽引力，其它海洋能均來源于太陽輻射，海洋面積占地球總面積的71%，太陽到達(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、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

17、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)與海洋能資源利用。6.2可再生能源科學(xué)的國內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)621太陽能利用國內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)我國很早就有“陽燧取火”的傳說，古代建筑中采用較大的南窗以利用太陽輻射進(jìn)行采暖等都是人們?cè)缙诶锰柲艿膶?shí)例，系統(tǒng)深入地將太陽能利用作為一門科

18、學(xué)研究始于上世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)之后。太陽能轉(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)今世界各國都在大力開發(fā)利用太陽能資源。歐洲、澳大利亞、以色列和日本等國家，紛紛加 大投入積極探索實(shí)現(xiàn)太陽能規(guī)?；玫挠行緩健?德國等歐盟國家更是把太陽能、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。太陽能轉(zhuǎn)換利用研究已經(jīng)成為當(dāng)前國際上技術(shù)學(xué)科中十分活躍的一個(gè)領(lǐng)域，每年都有國際學(xué)術(shù)會(huì)議頻繁地舉行。 最具代表性的有世界太陽能 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。各國科研人

19、員主要研究方向可以分為兩大類： 一是面向太陽能規(guī)模化利用的關(guān)鍵技術(shù)； 二是探 索太陽能利用新方法、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。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)污水和空氣凈化等。太陽 能還可規(guī)?；糜谵r(nóng)產(chǎn)品的干燥過程等；圖6.2太陽能利用與建筑一體化太陽能利用與建筑一體化各類建筑均是能耗大戶，同時(shí)也是太陽能利用裝置最好的載體。圖6.2示意了

20、太陽能在建筑中的應(yīng)用途徑。工業(yè)國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)、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)式太陽房采暖，現(xiàn)代的各種主動(dòng)式太陽能技術(shù)和設(shè)備， 及未來可持續(xù)建筑中太陽能開發(fā)利用，正體現(xiàn)這樣一種

21、趨勢(shì)。太陽能發(fā)電實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的技術(shù)途徑如圖6.3所示。主要包括太陽能光伏發(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)展高性能 太陽能電池、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的熱點(diǎn)。圖 6.3 太陽能發(fā)電的技術(shù)途徑(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 )太陽能熱發(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)械以及高效可靠的聚焦集熱裝置和技 術(shù)。目前最大的太陽能熱力發(fā)電站在美國加州南部運(yùn)行，太陽能熱力發(fā)電成本約是光伏發(fā)電的1/2。全球?qū)μ柲軣崃Πl(fā)電的興趣與日聚增，美國、西班

23、牙、以色列和南非等地正建設(shè)新的太陽能熱力電站，印度、埃及、摩洛哥等國家也極有興趣?；跓焽栊?yīng)的太陽能集熱和風(fēng)力透平為核心的太 陽能熱風(fēng)發(fā)電已在西班牙等國家運(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、南非等國都在興建新的太陽能熱風(fēng)發(fā)電站。此外還可以利用太陽池鹽水濃度差進(jìn)行蓄能發(fā)電，該工作在以色列等國家已有研究和示范。太陽能加熱利用太陽能集熱器對(duì)水、空氣或其它流體加熱是目前應(yīng)用最廣泛、相對(duì)最成熟的太陽能利用技術(shù)。但在大面積、高溫位太陽能加熱系統(tǒng)中存在氣液相變?cè)斐善琛⒐艿雷枇Ψ峙洳痪鶆虻葐栴}。 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)

24、規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用太陽能的關(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，我國西藏等地區(qū)推廣應(yīng)用的太陽灶等具有鮮明的特色。歐洲、日本、中東地區(qū)以及我國都在大力推廣太陽能熱水器、熱水系統(tǒng)等技術(shù)，近年來全世界太陽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能加熱系統(tǒng)為工業(yè)應(yīng)用提供熱水和蒸汽。高效、可靠的高溫集熱器是未來太陽能熱發(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。太陽能制氫從太陽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

25、是制氫，將太陽能轉(zhuǎn)換為燃料。如圖6.4所示，實(shí)現(xiàn)太陽能-氫能轉(zhuǎn)換途徑有太陽能光催化制氫，太陽能電解制氫和太陽能熱 分解制氫等。光催化制氫領(lǐng)域重點(diǎn)在于提高太陽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，提高太陽能利用率等。太陽能電解水制氫主要通過太陽能發(fā)電 以電解水制氫。電解水制氫相對(duì)比較成熟，與太陽能光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)密切相關(guān)，關(guān)鍵是降低太陽能發(fā)電成本以及充分利用海水等資源。太陽能熱分解制氫則主要包括太陽能熱解水、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，

26、目前太陽能熱化學(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太陽能制氫的途徑（郭烈錦，太陽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）太陽能空調(diào)制冷圖6.5示意了太陽能與燃?xì)饨Y(jié)合的太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)。太陽能空調(diào)制冷最大特點(diǎn)是與季節(jié)的匹配性好，夏季太陽越好，天氣越熱，太陽能空調(diào)系統(tǒng)制冷量也越大。 太陽能制冷技術(shù)包括主動(dòng)制 冷和被動(dòng)制冷兩種方式。主動(dòng)式太陽能制冷通過太陽能來驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)制冷，包括太陽能光伏系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的蒸汽壓縮

27、制冷，太陽能吸收式制冷，太陽能蒸汽噴射式制冷，太陽能固體吸附式制 冷，太陽能干燥冷卻系統(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)式太陽能制冷， 通過太陽能光熱轉(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、性能可靠的中高溫太陽能集熱器，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)。圖6.5太陽能復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)（7）太陽能海水淡化利用太陽能等

28、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、日本等國家也投入大 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)公司一典型的太陽能海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能熱發(fā)電和海水淡化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了太陽能的多目標(biāo)利用。圖6.6太陽能熱發(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： 完全靠太陽能和環(huán)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)的太陽能蒸餾池，多效太陽能蒸餾器等；主動(dòng)式淡化水方法，制備淡水需要少量的動(dòng)力

29、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)，太陽能轉(zhuǎn)換利 用環(huán)節(jié)主要是中低溫位的太陽能集熱器， 與蒸餾、閃蒸、壓汽蒸餾等工藝以及各種傳熱傳質(zhì)過程相 關(guān)的設(shè)備結(jié)合。太陽能直接轉(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

30、分布式可 再生能源網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，利用太陽能可以為公共安全、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)模化開發(fā)利用太陽能資源步伐的加快，在太陽能轉(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)。我國太陽能利用領(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)式太陽房、太 陽溫室、太陽能熱水器、太陽能光伏發(fā)電、太陽能制冷空調(diào)以及太陽能制氫等諸多領(lǐng)域取得了一批 標(biāo)志性成果。太陽能熱水器技術(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)70年代以來 我國可再生能源領(lǐng)域中產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最成功的范例。 我國是世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國

31、， 太陽 能熱水器使用數(shù)量最大，但普及率與日本、以色列、希臘、塞浦路斯等國家有較大差距，仍有很大 的發(fā)展空間。除對(duì)太陽能集熱器和被動(dòng)式太陽房進(jìn)行了較多的傳熱分析外，有關(guān)太陽能轉(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際先進(jìn)水平相比，尚有差距。我國在中高溫太陽能集熱器、太陽能聚能技術(shù)領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平存在一定差距，特別是太陽能熱發(fā)電、太陽能高溫利用等領(lǐng)域代表性工作很少。聚焦式太陽能集熱技術(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) 已受到越來越多的重視，正在成為國際太陽能利用領(lǐng)域的重要研究方向。 我國發(fā)展太陽

32、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。近年來我國的太陽能光伏發(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。太陽能建筑，特別是太陽能利用與建筑一體化技術(shù)在我國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能利用 分?jǐn)?shù)與充分利用建筑物結(jié)構(gòu)為目的的太陽能采暖、熱水供應(yīng)、采光、通風(fēng)、空調(diào)以及發(fā)電等系統(tǒng)分析

33、，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)國家看齊。太陽能聚光與光導(dǎo)管結(jié)合 的太陽能照明技術(shù)是建筑節(jié)能的重要發(fā)展方向。太陽能-氫能轉(zhuǎn)換在我國研究較早，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許多研究機(jī)構(gòu)的熱門研究課題，相應(yīng)太陽能電解制氫、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。圖6.8生物質(zhì)燃燒發(fā)電和供暖(0)我國從70年代開始對(duì)太陽能

34、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，太陽能低溫干燥儲(chǔ)糧技術(shù)、太陽能住宅用空調(diào)制冷/供熱系統(tǒng)研究也有涉足。太陽能制冷的另一個(gè)方向是開發(fā)研究中高 溫聚焦式太陽能集熱器，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)。得益于我國在太陽能集熱器領(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。太陽能海水淡化領(lǐng)域總體上缺乏系統(tǒng)性和規(guī)模效應(yīng)，主要

35、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)方面與國際水平有較大差距?；谔柲軣崮苻D(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)海水淡化過程的制淡工藝仍然是太陽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。 621生物質(zhì)能利用國內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)各國極為重視生物質(zhì)能的研發(fā)和應(yīng)用。美國各種形式的生物質(zhì)能源占可再生能源的 45%,占全 國消耗能源的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4%, 1

36、5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。圖 6.7 生物質(zhì)能綜合利用示意圖 (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)。15-715MW規(guī)模不等的流化床鍋爐已商業(yè)化運(yùn)行20年，美國就有100多座循環(huán) 流化床運(yùn)行。瑞典、丹麥、德國等國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20%- 40%,負(fù)荷達(dá)100MW以上或

38、采用與煤共混燃燒技術(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。我國在生物質(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， 但是同國外相比在規(guī) 模和數(shù)量上還存在一定差距，城市固體有機(jī)

39、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（800-900C ）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?或用作燃?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30-60MW的發(fā)電廠的能量利用效率可以達(dá)到40-50%，目前BI

40、G/CC技 術(shù)還處于實(shí)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)35%- 40%。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 1

41、200kW 氣化爐我國生物質(zhì)氣化技術(shù)正日趨成熟， 從單一固定床氣化爐發(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 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、

42、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500E左右的高溫條件下將生物質(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%。快速熱解反應(yīng)要求原料被快速加熱到約 500E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

43、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Wellman的250kg/h生物質(zhì)熱解液化裝置許多國家都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（Dyn amotive）開發(fā)的大型流化床反應(yīng)器；美國國家可再生能源實(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 家在

44、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，歐美等國已建成各種生物質(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，我國陸續(xù)開展生物質(zhì)熱解液化的研究。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 1995 年從國外引進(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)。

45、 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)示范裝置，達(dá)到200 千克 /小時(shí)加工能力；中國科技大學(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。 化學(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

46、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。 最近歐美等國正積極開展這方面的研 究工作， 包括超臨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

47、屑和木屑的水解殘?jiān)?的單獨(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。 我國在該領(lǐng)域的研究還很少， 與國際先進(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:

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

49、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 “國家酒精計(jì)劃 ”，利用該國豐 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年美國燃料乙醇產(chǎn)量已達(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、厭氧濾池等，圖 6.11 為生物質(zhì)厭氧

50、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。我國政府在 “十五”計(jì)劃中決定發(fā)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)，黑龍江省華潤玉米酒精有限

51、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。 總體上我國在糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和甲醇方面 無論是規(guī)模上還是技術(shù)上同國外相比差距不大， 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年我國的戶用沼 氣池達(dá)764萬戶，產(chǎn)氣

52、25. 9億m3，合185萬tee，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)?較多，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

53、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C02；微藻光合生物制氫，將水分解為H2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

54、產(chǎn)生的有機(jī)酸，可有效地提高產(chǎn)氫率和降低污染物C0D。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: Direet Water Splitting and Hydrogen fromBiomass, 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

55、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， 國際上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá) 國家正大力開展這方面的研究工作。這方面的研究我國起步較晚， 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

56、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。6.2.2 風(fēng)能利用國內(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)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

57、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/m2降到5.026kg/m2, 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4.2MW風(fēng)力機(jī)和Enercon直徑114米的4.5MW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

58、優(yōu)先領(lǐng)域研討 會(huì)，國家自然科學(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7.5億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

59、速的發(fā)展。至 2003年止， 已有丹麥、荷蘭、瑞典、英國和愛爾蘭等 5國家的共 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

60、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) 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。