工程熱物理與能源利用學科發(fā)展戰(zhàn)略

1、國家自然科學基金委工程熱物理與能源利用學科發(fā)展戰(zhàn)略-工程熱物理與能源利用學科現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢6可再生能源6.1學科內涵近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(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。已探明儲量的各類化石燃料中，煤炭資源最豐富，油氣資源相對匱乏。受開采條件和資源枯竭等因素影響， 我國傳統(tǒng)能源供應模式日益面臨危機， 要實現(xiàn) 能源供應的可持續(xù)發(fā)展，必須堅持 節(jié)能優(yōu)先、結構多元、環(huán)境保護、市場推動 ”的能源發(fā)展戰(zhàn)略。 可再生能源利用是實現(xiàn)能源結構多元化的重要因素?？稍偕茉粗饕侵柑柲?、風能、生物質能、地熱、海洋能等資源量豐富，且可循環(huán)往復使

2、用的一類能源資源，其轉化利用具有涉及領域廣、研究對象復雜多變、交叉學科門類多、學科集成度高等特點。在可再生能源工程領域中，工程熱物理學科主要研究可再生能源利用過程中能量和物 質轉化、傳遞原理及規(guī)律等相關熱物理問題?？稍偕茉蠢眯问蕉鄻?，涉及工程熱物理各個分支 學科，具有多學科交叉與耦合的特點。工程熱物理學科相關分支學科的發(fā)展將為可再生能源利用技 術的研究和發(fā)展提供理論基礎和技術保障，而可再生能源利用的研究又不斷為工程熱物理學科提出 新的研究方向和發(fā)展目標，促進工程熱物理學科的發(fā)展。2006年開始實施的可再生能源法將大大推 進中國在可再生能源的研究、開發(fā)和應用?？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，必須咼度重視可再生能源利用技術的基礎研究。6.1.1太陽能太陽能是太陽內部連續(xù)不斷的核聚變反應過程產生的能量。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75 X026W）的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒 鐘照射到地球上的能量就相當于 500萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質 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、光電和光化學的直接轉換。太陽能既是一

4、次能源，又是可再生能源。它資源豐 富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。但太陽能也有兩個主要缺點：一是能流密度 低；二是其強度受各種因素（季節(jié)、地點、氣候等）的影響不能維持常量。太陽能轉換利用主要指利用太陽輻射實現(xiàn)采暖、采光、熱水供應、發(fā)電、水質凈化以及空調制冷等能量轉換過程，滿足人們生活、工業(yè)應用以及國防科技需求的專門研究領域，主要包括太陽能 光熱轉換、光電轉換和光化學轉換等。太陽能光熱利用指將太陽能轉換為熱能加以利用，如供應熱 水、熱力發(fā)電、驅動動力裝置、驅動制冷循環(huán)、海水淡化、采暖和強化自然通風等等；光電利用指 通過太陽能電池的光伏效應將太陽輻射直接轉化為電能加以利用的過程；光

5、化學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換過程。涉及理論基礎包括工程熱物 理的幾乎所有分支學科，關系最密切的是工程熱力學、傳熱傳質學和熱物性學；要構成有實用價值 的太陽能利用系統(tǒng)，還需要進行熱力系統(tǒng)動態(tài)學研究。太陽能轉換利用還和化學、材料科學、光學工程、建筑科學，生物科學等學科有著密切聯(lián)系，是一門綜合性強，學科交叉特色鮮明的研究分支。 在工程熱物理學科范疇內，應著重研究與各種太陽能轉換利用過程相關的能量利用系統(tǒng)動態(tài)特性以 及與能量轉換過程有關的熱物理問題等。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。 進入21世紀以來，

6、太陽能利用有令人振奮的新進展，太陽能熱水器、太陽能電池等產品年產量一 直保持30%以上的增長速率，被稱為“世界增長最快的能源”。我國太陽能熱水器與德國的風力發(fā) 電、日本的太陽電池一樣位居世界第一， 盡管在能源結構中所占比例還很小， 但在某些特定領域和 地區(qū)卻發(fā)揮了至關重要的作用。太陽能資源開發(fā)利用的關鍵，是解決高效收集和轉化過程中涉及的能量利用系統(tǒng)形式、能量蓄存和調節(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)和領域， 太陽能開發(fā)利用是建筑能源的一個重要方面，也是國防科技以及未來電力有很大潛力的領域。 從能源戰(zhàn)略發(fā)展角度講，太陽能

7、轉換利用的研究能為解決能源 供應可持續(xù)發(fā)展問題做出貢獻，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，是實現(xiàn)能源結構多元化，構成可持續(xù)能源系統(tǒng)的關鍵之一。6.1.2生物質能所有含有內在化學能的非化石有機生物物質都稱為生物質，包括各類植物和諸如城市生活垃 圾、城市下水道淤泥、動物排泄物、林業(yè)和農業(yè)廢棄物以及某些類型的工業(yè)有機廢棄物。某種意義上講，生物質是可再生、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 的生物質總量約為1400-1800億噸（干重），含有的能量相當目前世界總能耗的10倍。生物質能源占可再生能源消費總量的35%以上，占一次能源消耗的15%左右。中國作為世

8、界上最大農業(yè)國， 具有豐富的生物質能資源，其主要來源有農林廢棄物、糧食加工廢棄物、木材加工廢棄物和城市生 活垃圾等。我國每年產生大約 6.5億噸農業(yè)秸稈，加上薪柴及林業(yè)廢棄物等，折合能量 4.6億噸標 準煤，預計到2010年將增加到7.3億噸，相當于5.2億噸標準煤。每年的森林耗材達到 2.1億立方 米，折合1.2億噸標準煤的能量。除數(shù)量巨大和可再生之外，生物質還有污染物質（含硫、含氮量 較?。┥?，燃燒相對清潔、廉價，將有機物轉化為燃料可減少環(huán)境污染等優(yōu)點。全國城市生活垃圾 年產量已超過 1.5億噸，到 2020年年產生量將達 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， 可產生相當于 500 萬噸標準煤的能源， 還有效地減輕環(huán)境污染?？梢灶A 計，未來二三十年內生物質能源最有可能成為 21 世紀主要的新能源之一。生物質轉化成有用的能量有多種不同的途徑或方式，當前主要采用兩種主要的技術：熱化學技 術和生物化學技術。此外機械提取(包括酯化) 也是從生物質中獲得能量的一種形式。熱化學技術 包括三種方式：燃燒、氣化和液化。生物化學技術包括兩種方式：發(fā)酵(產生乙醇、甲烷等燃料物 質)和微生物制氫技術。通過以上方式，生物質能被轉化成熱能或動力、燃料和化學物質。生物質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；轉換為二次能源的生 物質氣化和液化技術， 生

10、物質催化液化和超臨界液化技術， 微生物厭氧發(fā)酵技術， 微生物制氫技術， 以及生物質燃料改良技術等。 上述技術涉及到工程熱物理與能源利用、 物理化學、 化學工程及工業(yè) 化學、微生物學、植物學、電工科學、信息科學等多個學科。工程熱物理與能源利用學科主要解決 生物質能直接利用或能源轉換過程中能量轉換的基本原理以及熱質傳遞規(guī)律等關鍵性熱物理問題， 在生物質能利用領域起著非常重要的作用。 與之密切聯(lián)系的學科方向有： 工程熱力學、 傳熱傳質學、 燃燒學、熱物性與熱物理測試技術等。圖 6.1 顯示了生物質能循環(huán)系統(tǒng)，其本質上來自于太陽能。圖 6.1 理想的生物質利用概念圖 ( Stephan H. Indu

11、strial biotechnology-a chance at redemption. Nature Biotrchnology, 2004(22):671675)風能風作為自然界空氣運動的一種方式， 具有一定位能與動能。 風能利用的最大難題是風速與風向 的隨機性和不連續(xù)性， 即風速、風向會隨著時間和地點變化， 難以保證風力發(fā)電機組功率穩(wěn)定輸出。 風能利用的研究大體可分為： (1)大氣邊界層中風特性的研究； (2)風力機理論、新型葉片外形與材 料以及風力發(fā)電系統(tǒng)新型控制方法； (3)風能利用的方式以及多能互補綜合利用系統(tǒng)的研究。風能取之不盡，用之不竭，地球上的風能資源每年約為200萬億kWh

12、，利用1 %就可滿足人類對能源的需要。根據(jù)中國氣象科學研究院估算，我國地面 10 米高度層風能的理論可開發(fā)量為 16 億kW，實際可開發(fā)量為2.53億kW。隨著槳葉空氣動力學、 材料、發(fā)電機技術的發(fā)展，風力發(fā)電技術的發(fā)展極為迅速，單機容量從 最初的數(shù)十千瓦級發(fā)展到最近進入市場的兆瓦級機組， 20年來，風力機平均單機容量提高 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；運行可靠性從 20 世紀 8 0 年代初 的 50%提高到 98%以上，風電場運行的風力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)集中控制和遠程控制。近十年 來，世界風力發(fā)電以年增長率 30%左右高速發(fā)展，至 2004年止，世界風

13、電總裝機容量約為 4761.6 萬千瓦，我國為 76.4 萬千瓦。風力發(fā)電裝機容量迅速增加，風電場從內陸向海上發(fā)展，風力發(fā)電 成本呈降低趨勢， 是可與常規(guī)能源進行商業(yè)競爭的新能源。 歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織在近期一 份報告中稱：到 2020年風力發(fā)電將占世界電力總量的 12%。在普遍強調人口、資源、環(huán)境協(xié)調發(fā) 展的今天，風電已經(jīng)成為世界上發(fā)展最快的發(fā)電方式之一。現(xiàn)代風力機系統(tǒng)包括自然風、 風輪、機械系統(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、機械科學、電工科學、 材料科學、自動化科學等多個學科。 工程熱物理與能源利用學科主要研究復雜地形和極端氣候條件

14、下的大氣邊界層風特性、 風輪非定常 空氣動力學、 剛柔耦合結構多體動力學、 多能互補綜合利用系統(tǒng)和新型風能轉換系統(tǒng)等問題， 密切 相關的分支學科有工程熱力學、流體力學、熱物性與熱物理測試技術等。地熱能地熱能的利用可分為地熱發(fā)電和直接利用兩大類。地熱能是來自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的衰變， 集中分布在構造板塊邊緣一帶、 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充的速度， 地熱能便是可再生的。 地熱能在世界很多地區(qū)應用 相當廣泛，每年從地球內部傳到地面的熱能相當于 lOOPWh。地熱能分布相對比較分散，開發(fā)難度 大。根據(jù)地熱水溫度的高低，地熱資源分為

15、高溫（150C）、中溫（150-90C）和低溫（v 90C = 3 種。高溫地熱能主要用于發(fā)電，中低溫地熱能一般可直接利用（供熱、溫室、旅游和療養(yǎng)等） 。日 益關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， 地熱能作為一種清潔、 無污染的能 源倍受各國重視。 與地熱能利用相關的工程熱物理學科的基礎科學問題包括： 地熱資源勘測、 采集 中的熱物理問題； 地熱能利用中的含濕巖土多孔介質傳熱傳質學問題； 地熱能源綜合利用系統(tǒng)和能 量轉換原理及性能。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%，太陽到達地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中， 部分轉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、波浪能都是機械能， 潮汐能是地球旋轉所產生的能量通過太陽和月亮的引力作用而傳 遞給海洋，并由長周期波儲存的能量， 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； 波浪能是在風的作用下產生， 并以位能和動能的形式由短周期波儲存的 機械能， 與波高的平方和波

17、動水域面積成正比； 河口水域的海水鹽度差能是化學能， 入海徑流的淡 水與海洋鹽水間有鹽度差， 若隔以半透膜， 淡水向海水一側滲透可產生滲透壓力， 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 洋能利用相關的工程熱物理學科基礎科學問題包括： 海洋能能量高效利用轉換裝置及原理； 洋流流 體力學與海洋能資源利用。6.2可再生能源科學的國內外研究進展和發(fā)展趨勢621太陽能利用國內外研究進展和發(fā)展趨勢我國很早就有“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行采暖等都是人們早期利用太陽能的實例，系統(tǒng)深入地將太陽能利用作為一門科

18、學研究始于上世紀70年代世界能源危機之后。太陽能轉換利用形式日益多樣化， 開發(fā)利用范圍越來越廣，已被公認為是最主要 的可再生清潔能源之一。當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 大投入積極探索實現(xiàn)太陽能規(guī)?；玫挠行緩?。 德國等歐盟國家更是把太陽能、風能等可再生 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。太陽能轉換利用研究已經(jīng)成為當前國際上技術學科中十分活躍的一個領域，每年都有國際學術會議頻繁地舉行。 最具代表性的有世界太陽能 大會和世界可再生能源大會，都是兩年舉辦一次，時間正好相隔一年。有關專題分組、分地區(qū)學術討論也非常之多。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)?；玫年P鍵技術； 二是探 索太陽能利用新方法、新材料，發(fā)現(xiàn)和解決能量轉化過程中的新現(xiàn)象、 新問題，特別是開展基于太 陽能轉化利用現(xiàn)象的熱力學優(yōu)化、能量轉換過程的高效化、能量利用裝置的經(jīng)濟化等問題。為公共安全提供服務如為無電力設施的人口提供照明，對食品和藥品進行冷藏，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淡水， 為灌溉系統(tǒng)提供抽水動力，實現(xiàn)污水和空氣凈化等。太陽 能還可規(guī)?；糜谵r產品的干燥過程等；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性建筑基礎設施中的能源成本，可能達到50%。美國建筑行業(yè)占一次能耗的48%，占CO2總排放的46%，且能耗和排放增長最快。歐洲 30%的能耗用于室內采暖和加熱水，相當于全部建筑 能耗的75%。通過合理設計、充分利用建筑物維護結構和選擇適合的能源轉換形式，可實現(xiàn)利用 太陽能進行采暖、采光、熱水供應、空調制冷、強化自然通風、部分電力供應以及水質凈化等等功 能，極大地降低建筑使用能耗。早期的被動式太陽房采暖，現(xiàn)代的各種主動式太陽能技術和設備， 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。太陽能發(fā)電實現(xiàn)太陽能發(fā)電的技術途徑如圖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，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)以其安裝簡單、維護廉價、適應性強而獲得廣泛青睞。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世紀以來，光伏產業(yè)以驚 人高速度增長(年均增長率超過 36.6%)。2003年，全世界生產銷售超過750MWp的光伏組件，比 上年增長44%，預計2012年產值會達到275億美元。相關傳熱和熱力學研究，是目前發(fā)展高性能 太陽能電池、光電轉換技術的熱點。圖 6.3 太陽能發(fā)電的技術途徑(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，產生驅動熱力機需要的高溫液體或蒸汽發(fā)電，現(xiàn)主要關注能與太陽能能量轉換過程匹配的新型熱動力循環(huán)、熱力機械以及高效可靠的聚焦集熱裝置和技 術。目前最大的太陽能熱力發(fā)電站在美國加州南部運行，太陽能熱力發(fā)電成本約是光伏發(fā)電的1/2。全球對太陽能熱力發(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奶柲芗療岷惋L力透平為核心的太 陽能熱風發(fā)電已在西班牙等國家運行示范，這種系統(tǒng)雖然效率很低，但是可以和農業(yè)溫室利用結合， 顯示出良好的應用前景。目前澳大利亞、南非等國都在興建新的太陽能熱風發(fā)電站。此外還可以利用太陽池鹽水濃度差進行蓄能發(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水、空氣或其它流體加熱是目前應用最廣泛、相對最成熟的太陽能利用技術。但在大面積、高溫位太陽能加熱系統(tǒng)中存在氣液相變造成汽阻、管道阻力分配不均勻等問題。 此外，提高經(jīng)濟性和研究適合的蓄能轉換問題也是實現(xiàn)

24、規(guī)模工業(yè)化應用太陽能的關鍵。約旦、馬來西亞等地區(qū)利用當?shù)刎S富的太陽能資源和特殊的蜂窩透明材料對輸油管道進行加熱以減少稠油的 粘性，我國西藏等地區(qū)推廣應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，近年來全世界太陽能集熱器安裝面積大幅增長，但與應 用所具有的潛力相比還有很大的增長空間。游泳池加熱系統(tǒng)和家用熱水器方面應用較多，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、空調制冷、熱化學轉化利用的關鍵之一，是研究的重點方向。太陽能制氫從太陽能等間歇性可再生能源中獲得能源儲備，最有可能的途徑就

25、是制氫，將太陽能轉換為燃料。如圖6.4所示，實現(xiàn)太陽能-氫能轉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。光催化制氫領域重點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光催化劑的開發(fā)應用，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。電解水制氫相對比較成熟，與太陽能光電轉換環(huán)節(jié)密切相關，關鍵是降低太陽能發(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合，產生高溫通過化學循環(huán)反應分解水、生物質以及化石燃料等制氫。由于技術工藝反應溫度等要求較嚴格，

26、目前太陽能熱化學分解水制氫尚處于 研究和示范階段。此外，基于太陽能綜合利用的熱發(fā)電、 化學能與光熱利用結合的復合能量轉換系 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，可再生能源基礎研究及優(yōu)先領域研討會，國家自然科學基金委員會工程與材料學部，廣東東莞，2004年11月）（6）太陽能空調制冷圖6.5示意了太陽能與燃氣結合的太陽能空調制冷系統(tǒng)。太陽能空調制冷最大特點是與季節(jié)的匹配性好，夏季太陽越好，天氣越熱，太陽能空調系統(tǒng)制冷量也越大。 太陽能制冷技術包括主動制 冷和被動制冷兩種方式。主動式太陽能制冷通過太陽能來驅動能量轉換裝置實現(xiàn)制冷，包括太陽能光伏系統(tǒng)驅動的蒸汽壓縮

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。被動式制冷是不需要能量轉換裝置，利用自然方式實現(xiàn)制冷，包括 夜間自然通風，屋頂池式蒸發(fā)冷卻以及輻射冷卻等等。目前主要發(fā)展主動式太陽能制冷， 通過太陽能光熱轉換產生熱能驅動制冷機進行制冷的技術研究最多，可操作性最強?；A研究工作主要集中在兩個方面：一是中低溫太陽能集熱器強化換熱和篩選新的制冷流程實現(xiàn)利用低溫位熱能進行制 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，這種集熱器可以產生150oC以上的蒸汽，從而直接驅動雙效吸收式制冷機。圖6.5太陽能復合空調系統(tǒng)（7）太陽能海水淡化利用太陽能等

28、可再生能源進行海水或苦咸水淡化是實現(xiàn)淡水資源可持續(xù)供應的重要途徑。太陽能海水淡化領域研究在中東、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 量的人力物力進行淡化技術的開發(fā)示范等。圖6.6為以色列IDE技術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)電和海水淡化相結合，實現(xiàn)了太陽能的多目標利用。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領域的基礎研究集中在： 完全靠太陽能和環(huán)境條件自然變化驅動的被動 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；主動式淡化水方法，制備淡水需要少量的動力

29、消耗，同時還要求配備風機、水泵等額外裝置，強化傳熱傳質效果，提高系統(tǒng)性能； 實現(xiàn)能源梯級利用，上述技術與其它相關技術綜合應用的復合系統(tǒng)等，如和太陽能溫室相結合， 與壓氣蒸餾以及閃蒸法等工藝相結合等。主動式海水淡化方法由于改善了淡化裝置的傳熱傳質效 果，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度可以分開調控，倍受重視。海水淡化過程中的能量、水分、鹽分回收，傳 熱傳質過程強化，部件中的結垢特性，能源利用效率和產水率提高等是研究的重點，太陽能轉換利 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過程相 關的設備結合。太陽能直接轉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、建筑節(jié)能和規(guī)模化熱水供應等發(fā) 揮積極的作用。隨著規(guī)?；_發(fā)利用太陽能資源步伐的加快，在太陽能轉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科提出了新的研究挑戰(zhàn)。我國太陽能利用領域系統(tǒng)研究工作始于上世紀 70年代末。二十多年來，在被動式太陽房、太 陽溫室、太陽能熱水器、太陽能光伏發(fā)電、太陽能制冷空調以及太陽能制氫等諸多領域取得了一批 標志性成果。太陽能熱水器技術最成熟、 應用最廣泛、產業(yè)化發(fā)展最迅速，是20世紀70年代以來 我國可再生能源領域中產業(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。除對太陽能集熱器和被動式太陽房進行了較多的傳熱分析外，有關太陽能轉換利用材料、蓄能機理、系統(tǒng)分析以及生產工藝方面開展的研究與國際先進水平相比，尚有差距。我國在中高溫太陽能集熱器、太陽能聚能技術領域與國際先進水平存在一定差距，特別是太陽能熱發(fā)電、太陽能高溫利用等領域代表性工作很少。聚焦式太陽能集熱技術既可用于發(fā)電，也可用 來驅動熱化學反應和光催化、光電效應等，由于能夠以低成本獲得較高的能量轉換效率， 此項技術 已受到越來越多的重視，正在成為國際太陽能利用領域的重要研究方向。 我國發(fā)展太陽

32、能熱動力發(fā) 電技術的主要困難在于初始投資大，發(fā)電成本高，核心技術尚待突破等。近年來我國的太陽能光伏發(fā)電技術、光伏產業(yè)得到長足發(fā)展，過去10年太陽能電池和組件生產年均增長率為25%，電池和組件性能不斷提高，但無論是性能指標和生產工藝與國際上都存在 一定差距。有關光伏效應熱力學，半導體熱力學以及光伏系統(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在我國受到高度重視并取得長足發(fā)展。在 傳統(tǒng)被動式太陽房熱性能分析基礎之上，從建筑物復合能量利用系統(tǒng)角度開展基于提高太陽能利用 分數(shù)與充分利用建筑物結構為目的的太陽能采暖、熱水供應、采光、通風、空調以及發(fā)電等系統(tǒng)分析

33、，是建筑節(jié)能和生態(tài)住宅技術中重要方面，尚需努力與先進國家看齊。太陽能聚光與光導管結合 的太陽能照明技術是建筑節(jié)能的重要發(fā)展方向。太陽能-氫能轉換在我國研究較早，特別是與化工等領域結合，隨著高性能燃料電池技術的快 速發(fā)展，制氫、儲氫和利用氫能成為我國許多研究機構的熱門研究課題，相應太陽能電解制氫、光催化制氫等研究也得到發(fā)展。該領域的差距主要在連續(xù)穩(wěn)定制氫反應體系的構建原則、新型微多相反應體系的創(chuàng)新及反應動力學，多相連續(xù)制氫中催化劑及其它助劑的活性形成機理與測量、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突破。圖6.8生物質燃燒發(fā)電和供暖(0)我國從70年代開始對太陽能

34、制冷技術進行研究，主要是進行間歇式氨-水吸收式、連續(xù)式制冷和溴化鋰吸收式、活性炭-甲醇工質對固體吸附式制冷系統(tǒng)等的深入研究，太陽能低溫干燥儲糧技術、太陽能住宅用空調制冷/供熱系統(tǒng)研究也有涉足。太陽能制冷的另一個方向是開發(fā)研究中高 溫聚焦式太陽能集熱器，和現(xiàn)有制冷機組進行有機組合，特別是以太陽能為主，構成具有經(jīng)濟性的 多能源復合能量系統(tǒng)。得益于我國在太陽能集熱器領域的制造優(yōu)勢和在吸附/吸收式制冷領域的技術優(yōu)勢，太陽能空調制冷工作某些方面走在了世界的前列，合適的復合能量利用系統(tǒng)、能量傳遞過 程的傳熱傳質強化，熱力學優(yōu)化分析等工作有待進一步深入開展。太陽能海水淡化領域總體上缺乏系統(tǒng)性和規(guī)模效應，主要

35、技術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方面與國際水平有較大差距?；谔柲軣崮苻D換實現(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，能量回收、鹽分回收和水分回收等許多環(huán)節(jié)有待進一步優(yōu)化，制造工藝等亟需進一步提高。 621生物質能利用國內外研究進展和發(fā)展趨勢各國極為重視生物質能的研發(fā)和應用。美國各種形式的生物質能源占可再生能源的 45%,占全 國消耗能源的4%,有350多座生物質發(fā)電站，主要分布在紙漿、紙產品加工廠和其它林產品加工廠， 裝機容量達7000MW，據(jù)預測，到2010年生物質發(fā)電將達到13000MW裝機容量。歐盟生物質能源 約占總能源消耗的4%, 1

36、5年后預計可達15%。丹麥主要利用秸稈發(fā)電，使可再生能源占全國能源 消費總量的24%。芬蘭和瑞典的木質系生物質能已分別占本國總能耗的16%和19%。生物質能的研究開發(fā)已成為世界熱門課題之一，得到各國政府和科學家的普遍關注。圖6.7表示了生物質能綜合利用方案。圖 6.7 生物質能綜合利用示意圖 (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)生物質熱化學轉化技術生物質直接燃燒技術生物質在空氣中燃燒是人類利用生物質能歷史最悠久的、應用范圍最廣的一種基本能量轉化利 用方式，主要技術有爐灶燃燒、鍋爐燃燒、致密成型和垃圾焚燒技術，最終產物為熱或者電。目前 的生物質燃料鍋爐基本是流化床鍋爐，具有燃料適應性好、效率高、負荷調節(jié)范圍寬、操作簡單、 NOx排放低等優(yōu)點。15-715MW規(guī)模不等的流化床鍋爐已商業(yè)化運行20年，美國就有100多座循環(huán) 流化床運行。瑞典、丹麥、德國等國家在流化床燃用生物質燃料技術方面具有較高的水平。生物質能燃燒的凈生物能轉化效率為20%- 40%,負荷達100MW以上或

38、采用與煤共混燃燒技術時可以得 到更高的轉化效率。大型燃煤電廠將生物質與礦物燃料聯(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，目前燃燒功率可達到50MW。美國的工作比較先進,相關的發(fā)電裝機容量已達750萬kW。圖6.8為生物質燃燒發(fā)電和供暖應用途徑示意。我國在生物質燃燒發(fā)電方面技術發(fā)展相對落后， 大量薪材和作物秸稈長期僅僅作為農村生活用 能資源使用，利用率極低，燃燒產生煙塵、NOx和SOx等污染物。垃圾和工業(yè)廢棄物處理方面，我國已具備一定實力和基礎， 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

39、廢棄物無害化處理還不到20%。生物質氣化（熱解氣化）指將生物質在高溫下（800-900C ）部分氧化，產生低熱值燃氣的一種技術，燃氣可直接燃燒 或用作燃氣輪機的燃料發(fā)電，也可以用來合成化學燃料。氣化過程僅僅產生燃氣和灰燼殘余物， NOx和SO2等有害氣體含量少、經(jīng)濟性高、是生物質清潔利用的一種主要形式。生物質氣化技術起 源于 18世紀末， 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)的生物質整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術（BIG/CC ）氣化效率保持在75%，輸出能量可達到每小時4 千萬千焦。采用該技術的30-60MW的發(fā)電廠的能量利用效率可以達到40-50%，目前BI

40、G/CC技 術還處于實驗階段。IGCC和HATC作為先進的生物質氣化發(fā)電技術，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35%- 40%。為解決生物質氣化過程中氣化不完全產生的焦油、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)在生物質熱解氣化所產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熱解氣化技術是生物質熱解氣化技術發(fā)展的一個重要方向。圖 6.9 海南三亞電站 1

41、200kW 氣化爐我國生物質氣化技術正日趨成熟， 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； 由低熱值氣化裝置發(fā)展到中熱值氣化裝置； 由戶用燃氣爐發(fā)展 到工業(yè)烘干、 集中供氣和發(fā)電系統(tǒng)等工程應用， 建立了各種類型的試驗示范系統(tǒng)， 某些方面已居國 際領先水平。中科院廣州能源研究所在三亞建成的大型 1MW 生物質（木屑）氣化發(fā)電廠已投入使 用（如圖 6.9所示），開發(fā)的 4MW 生物質氣化發(fā)電技術，獲得成功，在生物質廢棄物氣化、稻草 氣化以及生物質氣化和發(fā)電系統(tǒng)等領域， 開展了采用 BIG/CC 的生物質熱解氣化技術研究。 但在穩(wěn) 定運行、焦油清除、

42、氣體凈化等技術上還需要提高。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熱分解，產生液體燃料油（又 稱生物油） 或化學物質的一種技術。 產生的液體是水和有機物混合物， 經(jīng)過進一步的分離和提純得 到生物質燃用油或用作其它工業(yè)原料 。生物質熱解工藝可分為慢速、 快速和反應性熱裂解三種類型。 在這三種工藝中以快速熱解反應的研究和應用較廣， 如果采用快速熱解反應技術， 干生物質轉化為 生物油的產油率可達75%?？焖贌峤夥磻笤媳豢焖偌訜岬郊s 500E左右的溫度，高溫分解產 生的蒸氣需被快速冷凝以減少二次反應。 反應器普遍采用流動床構造， 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60的液化率。圖6.10英國Wellman的250kg/h生物質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)化生產生物 質油的快速熱解裝置。具有代表性的快速熱解工藝包括：美國喬治亞理工學院（ GIT ）開發(fā)的攜帶 床反應器；加拿大因森（ ENSYN ）開發(fā)的循環(huán)流化床反應器；加拿大拉瓦爾大學開發(fā)的多層真空 熱解磨；加拿大達茂公司（Dyn amotive）開發(fā)的大型流化床反應器；美國國家可再生能源實驗室 （NREL）開發(fā)的渦旋反應器；荷蘭Twente喬特大學開發(fā)的旋轉錐反應器工藝等。雖然歐美等發(fā)達國 家在

44、生物質快速裂解的工業(yè)化方面研究較多（圖 6.10所示），但生物質快速熱解液化理論研究始終 嚴重滯后，很大程度制約了該技術水平的提高與發(fā)展。目前，歐美等國已建成各種生物質液化示范裝置，至今還沒有產業(yè)化。根本原因是， 生物油組 成十分復雜，為水、焦油及含氧有機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， 而目前采用的加氫脫氧及催化裂解的改質提升方法成本較 高。開展生物油低成本精制新方法的研究將是該技術能否產業(yè)化的關鍵。近幾年來，我國陸續(xù)開展生物質熱解液化的研究。沈陽農業(yè)大學 1995 年從國外引進一套旋轉 錐快速熱解試驗裝置， 研究開發(fā)液化油技術。

45、 中科院廣州能源所設計和建立一套適合于熱解液化的 循環(huán)流化床裝置， 進行熱解液化熱態(tài)小試及中試； 山東理工大學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，達到200 千克 /小時加工能力；中國科技大學開發(fā)了流化床熱解液化裝置， 達到 15千克/小時加工能力； 東北林業(yè)大學開發(fā)了高速 旋轉錐液化裝置； 上海理工大學建立了小型旋轉錐熱解裝置。 這些工作尚處于起步階段， 還沒有商 業(yè)化裝置應用。（ 2）直接液化技術直接液化技術采用機械壓榨或化學提取等工藝， 從生物質中直接提取生物柴油。 化學方法液化 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物產率和質量的重 要因素。常用的溶劑包括水、 苯酚、高沸點的雜環(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行的生物質液化。 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、 超臨界水和超臨界甲醇液化木質素生物質等技術。 近年來 很多研究者致力于煤與廢棄生物質共液化的研究。 實驗結果表明， 與煤單獨液化相比， 煤與生物質 共液化所得到的液化產品質量得到改善， 液相產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，生物質對煤的作用機理也未能完全了解。近年華東理工大學分別進行了生物質 （包括稻殼， 木

47、屑和木屑的水解殘渣） 的單獨液化和煤與 生物質的共液化。 結果表明生物質的加入確實促進了煤的裂解， 減緩了液化條件， 從而可在較溫和 的條件下得到較高的轉化率和油產率。 我國在該領域的研究還很少， 與國際先進研究水平有較大差 距。(3)生物化學技術 微生物厭氧發(fā)酵技術主要包括小型戶用沼氣池技術、 多種厭氧消化池技術、酒精發(fā)酵技術等。盡管形式多樣， 基本 原理都是在嚴格厭氧條件下， 利用厭氧菌生理代謝將生物質分解產生乙醇、 甲醇或甲烷等目的產物。 目前主要包括液體燃料發(fā)酵生產技術和沼氣發(fā)酵生產技術兩種。圖 6.11 生物質厭氧發(fā)酵反應器 ( 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)酵生產技術指酒精發(fā)酵和甲醇發(fā)酵生產技術，即微生物在適宜的生長和代謝條件 下，通過細胞產生的酶的作用， 將生物有機質代謝分解， 生產乙醇、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)酵生產乙醇的技術已趨成熟并規(guī)模 應用。但利用雜草、 秸稈等含大量纖

49、維素的植物發(fā)酵生產乙醇技術正在開發(fā)中。 巴西和美國都已將 燃料乙醇大量用于汽車燃料中， 1973年第一次石油危機后巴西制定了 “國家酒精計劃 ”，利用該國豐 富的甘蔗資源生產燃料乙醇用以代替進口汽油。 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年美國燃料乙醇產量已達 550萬千升，90 %產自玉米， 90 %用于摻入汽油中供汽車使用。沼氣發(fā)酵生產技術在污水處理、 堆肥制造、人畜糞便、 農作物秸稈和食品廢物處理等方面得到 廣泛利用，反應器類型多種，如完全混合式厭氧反應器、厭氧接觸式反應器、厭氧濾池等，圖 6.11 為生物質厭氧

50、發(fā)酵反應器實例。目前沼氣發(fā)酵生產技術已發(fā)展了將產氣與發(fā)電相結合的綜合技術， 如日本的朝日、麒麟等幾個大啤酒廠都已配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機組；京都市將6個賓館每天產生的6噸食物廢渣集中發(fā)酵，并從所產沼氣中提取氫氣供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沼氣，或直供燃氣輪機發(fā)電，或提取氫氣供燃料電池發(fā)電。我國政府在 “十五”計劃中決定發(fā)展燃料乙醇產業(yè)， 目的是：利用過剩玉米作原料， 同時增加農 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，減少石油進口。 黑龍江、吉林、河南等玉米重點產區(qū)已被列為項目的示范區(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，產品正式在車用燃油中使用。吉林省投資29億元建設年產 60萬噸燃料乙醇的項目已于 2001年批準動工。 除利用玉米生產燃料乙醇外， 還計劃研究開發(fā)以植物秸 桿、枝葉等纖維素為主的原料生產燃料乙醇的技術， 國內許多單位開展了相關研究， 在關鍵問題的 突破上還有很大距離。 乙醇柴油的試驗工作也有起步。 總體上我國在糧食發(fā)酵生產乙醇和甲醇方面 無論是規(guī)模上還是技術上同國外相比差距不大， 但利用乙醇和甲醇為燃料的技術推廣中， 則存在較 大差距。我國的沼氣應用歷史很長， 在農村、農場和鄉(xiāng)村工廠的應用效果都很好。 2000年我國的戶用沼 氣池達764萬戶，產氣

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沼氣發(fā)電。 農業(yè)部沼氣科學研究所已成功研制了利用沼氣發(fā)酵技術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)酵技術耗水量大， 增加了投資成本和運行管理費用。 發(fā)酵過程中產生的殘渣 較多，容易成為惡臭來源。固體狀有機質沼氣發(fā)酵工藝、技術、設施開發(fā)研究得還不多，主要原因 在于對固體有機物厭氧降解過程中的各種物質生化反應的路徑變化、 干擾過程進程的基礎理論了解 尚不深入。 厭氧消化技術中的微生物代謝能量學、 生物膜動力學、 懸浮污泥系統(tǒng)與生物膜系統(tǒng)反應 器內的非均相動力學、熱力學、傳熱傳質學的基礎研究均有

53、待加強。 微生物制氫技術傳統(tǒng)的制氫技術主要采用電解水，煤、石油、天然氣熱化學分解、氣化、部分氧化或催化裂解 等，這些制氫技術工藝復雜、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 備要求簡單的微生物產氫技術引起廣泛的注意。 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。微生物法產氫方式： 發(fā)酵型細菌產氫，直接轉化有機底物為 H2和C02；微藻光合生物制氫，將水分解為H2和O2；厭 氧光合產氫， 在光能驅動下光合微生物通過消耗有機物產生氫氣。 將厭氧光合細菌產氫與發(fā)酵型細 菌產氫結合起來，能充分利用發(fā)酵型細菌

54、產生的有機酸，可有效地提高產氫率和降低污染物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)目前人們對產氫機理進行了大量的研究， 由于生物代謝形式的多樣性和復雜性， 還沒有完全認 識產氫的機理， 特別是代謝途徑。 產氫條件和產氫效率的研究工作表明： 光強度和波長、 照射面積、 底物濃度、pH值、溫度、氧、酶和氣相成分，被認為是影響光合產氫的關鍵因

55、素，生物制氫反應 器的傳輸性能對產氫率具有很大的影響。 目前對于制氫反應器的研究大多為操作條件和反應器結構 形式等因素影響的實驗研究， 大部分集中于厭氧發(fā)酵制氫反應器。 從研究生物制氫反應器的傳輸特 性入手以提高反應器的產氫率正逐漸得到重視。由于微生物制氫技術在當前的能源多元化戰(zhàn)略和環(huán)境保護中具有重要的地位， 國際上經(jīng)濟發(fā)達 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)大學對厭氧發(fā)酵產氫技術取得一定的成果， 利用連續(xù) 流攪拌槽式反應器以有機廢水為原料生產氫氣中試實驗已取得初步成功，正在開展規(guī)?；a研 究。該技術集發(fā)酵法生物制氫和高濃度有機廢水處理為一體， 在處理高濃

56、度有機廢水的同時回收大 量清潔能源氫氣和甲烷， 其中試研究成果達到了國際領先水平。 盡管如此， 微生物制氫的基礎研究 差距很大， 工作偏于產氫菌生理生態(tài)學等機理研究和工程應用研究， 對生物制氫反應器內傳輸機理 與特性， 反應器最優(yōu)設計與控制， 以及高效產氫菌群構建和分子生態(tài)學診斷等缺乏研究， 尤其對光 合制氫反應器的研究近乎空白。6.2.2 風能利用國內外研究進展和發(fā)展趨勢風能是一種能量密度較低、穩(wěn)定性較差的能源。適合進行風力發(fā)電的風能密度一般要求為 0.2 kW/m2 以上。風力發(fā)電裝置的安放地點應在風能密度高， 能充分利用不同風速風能的風帶區(qū)。 風力 機的單機容量已經(jīng)從十年前的幾千瓦級發(fā)展

57、到近年的兆瓦級，風輪葉片直徑從15m到70-82m,轂的高度從22m到60-80m，風力機每單位面積重量從 20世紀80年代的32kg/m2降到5.026kg/m2, 已有效提高單機輸出功率，降低風電成本和風能資源利用率。兆瓦級風力機已成為當前主流機型， 更大型的MW級風力機正在研制中，例如 REpower直徑126米的5MW風力機，NEG Micon直徑 110米的4.2MW風力機和Enercon直徑114米的4.5MW無齒輪箱風力機。圖6.13為陸地風電場及 兆瓦級風力機的應用實例。圖 6.13 陸地風電場及兆瓦級風力機（葉枝全等，風力機技術的近期發(fā)展及其基礎科學問題，可再生能源基礎研究及

58、優(yōu)先領域研討 會，國家自然科學基金委員會工程與材料學部，廣東東莞，2004 年 11 月）圖 6.14 海上風電場（ Andrew R. Henderson , Delft University of Technology, The Netherlands;）地球上海岸線總長超過 50 萬公里，可供開發(fā)的風力資源極為豐富，是風力發(fā)電的主要發(fā)展方 向。全世界海上可開發(fā)的風能儲量每年達 37萬億kWh。我國在海水深2m至15m之間的海域內可 開發(fā)風能儲量有7.5億kW，約為陸上風能資源的3倍。隨著風力機的大型化，海上運輸和安裝的 優(yōu)勢日益突出。從 1990年以來，采用大型風力機的海上風電場得到了迅

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個海上風電場在運行，裝機數(shù) 299臺，總 裝機容量552MW。圖6.14為一典型的海上風電實例。（1）大氣邊界層中風特性的理論與實驗研究 對大氣中風速和風向的研究主要有兩種方法：第一種是通過實驗進行長期跟蹤，應用數(shù)學統(tǒng)計方法進行研究和分析； 第二種是結合數(shù)學統(tǒng)計方法通過建立理論模型對其分布進行研究。 一些研 究學者結合氣象學以及空氣動力學對風能的分布進行了研究， 提出風能氣象學的概念， 尋求氣象學 與風能之間的關系， 認為風能氣象學是基于邊界層氣象學、 氣候學以及地理學的一門科學。 在進行 風能資源評估時， 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場分布。 隨著海上風力發(fā) 電技術的迅速發(fā)展，海上風場研究得到普遍關注。（2）風力機理論、新型葉片外形與材料以及風力發(fā)電系統(tǒng)新型控制方法風力機單機容量大型化后， 以商業(yè)應用為目標的各種新型風力機得到重視， 對比傳統(tǒng)的定轉速 失速控制型風力機和變槳距控制風力機，主要有以下特征：變轉速控制， 以跟蹤最佳效率；變槳距 控制，以降低構件載荷；槳葉獨立變槳距，以滿足大直徑風輪的需要；大撓度柔性槳葉，以降低風 輪重量改善受力情況； 采用雙饋發(fā)電機， 以滿足并網(wǎng)發(fā)電的要求。 風力機技術開發(fā)的趨勢是重量更 輕、結構更具柔性、直接驅動發(fā)電機（無齒輪箱）和變轉速運行。