工程热物理与能源利用学科发展战略

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源工业发展的重要战略目标，必须高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3.75×1026W）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，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. Industrial biotechnology-a chance at redemption. Nature Biotrchnology, 2004(22):

671~675）

6.1.3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，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。