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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 可再生生能源6.1学科科内涵近年来，随随着我国国国民经济济的快速速发展，油荒、煤煤荒、电电荒几乎乎是一夜夜之间凸凸现在人人们的面面前。我我国是人人口大国国，人均均能源资资源并不不丰富。已已探明储储量的各各类化石石燃料中中，煤炭炭资源最最丰富，油油气资源源相对匮匮乏。受受开采条条件和资资源枯竭竭等因素素影响，我我国传统统能源供供应模式式日益面面临危机机，要实实现能源源供应的的可持续续发展，必必须坚持持“节能能优先、结结构多元元、环境境保护、市市场推动动”的能能源发展展战略。可可再生能能源利用用是实现现
2、能源结结构多元元化的重重要因素素。可再生能源源主要是是指太阳阳能、风风能、生生物质能能、地热热、海洋洋能等资资源量丰丰富，且且可循环环往复使使用的一一类能源源资源，其其转化利利用具有有涉及领领域广、研研究对象象复杂多多变、交交叉学科科门类多多、学科科集成度度高等特特点。在在可再生生能源工工程领域域中，工工程热物物理学科科主要研研究可再再生能源源利用过过程中能能量和物物质转化化、传递递原理及及规律等等相关热热物理问问题。可可再生能能源利用用形式多多样，涉涉及工程程热物理理各个分分支学科科，具有有多学科科交叉与与耦合的的特点。工工程热物物理学科科相关分分支学科科的发展展将为可可再生能能源利用用技术
3、的的研究和和发展提提供理论论基础和和技术保保障，而而可再生生能源利利用的研研究又不不断为工工程热物物理学科科提出新新的研究究方向和和发展目目标，促促进工程程热物理理学科的的发展。220066年开始始实施的的可再生生能源法法将大大大推进中中国在可可再生能能源的研研究、开开发和应应用。可可再生能能源的开开发利用用已成为为我国能能源工业业发展的的重要战战略目标标，必须须高度重重视可再再生能源源利用技技术的基基础研究究。6.1.1 太阳能太阳能是太太阳内部部连续不不断的核核聚变反反应过程程产生的的能量。尽尽管太阳阳辐射到到地球大大气层的的能量仅仅为其总总辐射能能量（约约为3.7510226W）的的22
4、亿亿分之一一，但已已高达1173,0000TW，也也就是说说太阳每每秒钟照照射到地地球上的的能量就就相当于于5000万吨煤煤。地球球上的风风能、水水能、海海洋温差差能、波波浪能和和生物质质能以及及部分潮潮汐能都都是来源源于太阳阳；即使使是地球球上的化化石燃料料（如煤煤、石油油、天然然气等）从从根本上上说也是是远古以以来贮存存下来的的太阳能能，所以以广义的的太阳能能所包括括的范围围非常大大，狭义义的太阳阳能则限限于太阳阳辐射能能的光热热、光电电和光化化学的直直接转换换。太阳阳能既是是一次能能源，又又是可再再生能源源。它资资源丰富富，既可可免费使使用，又又无需运运输，对对环境无无任何污污染。但但太
5、阳能能也有两两个主要要缺点：一是能能流密度度低；二二是其强强度受各各种因素素（季节节、地点点、气候候等）的的影响不不能维持持常量。太阳能转换换利用主主要指利利用太阳阳辐射实实现采暖暖、采光光、热水水供应、发发电、水水质净化化以及空空调制冷冷等能量量转换过过程，满满足人们们生活、工工业应用用以及国国防科技技需求的的专门研研究领域域，主要要包括太太阳能光光热转换换、光电电转换和和光化学学转换等等。太阳阳能光热热利用指指将太阳阳能转换换为热能能加以利利用，如如供应热热水、热热力发电电、驱动动动力装装置、驱驱动制冷冷循环、海海水淡化化、采暖暖和强化化自然通通风等等等；光电电利用指指通过太太阳能电电池的
6、光光伏效应应将太阳阳辐射直直接转化化为电能能加以利利用的过过程；光光化学利利用则包包括植物物光合作作用、太太阳能光光解水制制氢、热热解水制制氢以及及天然气气重整等等转换过过程。涉涉及理论论基础包包括工程程热物理理的几乎乎所有分分支学科科，关系系最密切切的是工工程热力力学、传传热传质质学和热热物性学学；要构构成有实实用价值值的太阳阳能利用用系统，还还需要进进行热力力系统动动态学研研究。太太阳能转转换利用用还和化化学、材材料科学学、光学学工程、建建筑科学学，生物物科学等等学科有有着密切切联系，是是一门综综合性强强，学科科交叉特特色鲜明明的研究究分支。在在工程热热物理学学科范畴畴内，应应着重研研究与
7、各各种太阳阳能转换换利用过过程相关关的能量量利用系系统动态态特性以以及与能能量转换换过程有有关的热热物理问问题等。太阳能是最最重要的的可再生生能源之之一，资资源总量量大，分分布广泛泛，使用用清洁，不不存在资资源枯竭竭问题。进进入211世纪以以来，太太阳能利利用有令令人振奋奋的新进进展，太太阳能热热水器、太太阳能电电池等产产品年产产量一直直保持330以以上的增增长速率率，被称称为“世界增增长最快快的能源源”。我国国太阳能能热水器器与德国国的风力力发电、日日本的太太阳电池池一样位位居世界界第一，尽尽管在能能源结构构中所占占比例还还很小，但但在某些些特定领领域和地地区却发发挥了至至关重要要的作用用。
8、太阳能资源源开发利利用的关关键，是是解决高高效收集集和转化化过程中中涉及的的能量利利用系统统形式、能能量蓄存存和调节节、材料料研究和和选择等等等问题题。除传传统的太太阳能热热水系统统，还有有太阳能能干燥、太太阳能温温室，太太阳能照照明和太太阳能养养殖等系系统和领领域，太太阳能开开发利用用是建筑筑能源的的一个重重要方面面，也是是国防科科技以及及未来电电力有很很大潜力力的领域域。从能能源战略略发展角角度讲，太太阳能转转换利用用的研究究能为解解决能源源供应可可持续发发展问题题做出贡贡献，有有利于减减少化石石能源引引起的环环境污染染及全球球性温室室效应，是是实现能能源结构构多元化化，构成成可持续续能源
9、系系统的关关键之一一。6.1.2 生物质能所有含有内内在化学学能的非非化石有有机生物物物质都都称为生生物质，包包括各类类植物和和诸如城城市生活活垃圾、城城市下水水道淤泥泥、动物物排泄物物、林业业和农业业废弃物物以及某某些类型型的工业业有机废废弃物。某某种意义义上讲，生生物质是是可再生生、天然然可用、富富含能量量、完全全足以替替代化石石燃料的的含碳资资源。地地球每年年生长的的生物质质总量约约为14000-118000亿吨（干干重），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
10、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
11、，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。生物质转化化成有用用的能量量有多种种不同的的途径或或方式，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。生物质能利利用的研研究范围围主要包包括：作作为一次次能源的的高效清清洁燃烧烧技术；转换为为二次能能源的生生物质气气化和液液化技术术，生物物质催化化液化和和超临界界液化技技术，微微生物厌厌氧发
12、酵酵技术，微微生物制制氢技术术，以及及生物质质燃料改改良技术术等。上上述技术术涉及到到工程热热物理与与能源利利用、物物理化学学、化学学工程及及工业化化学、微微生物学学、植物物学、电电工科学学、信息息科学等等多个学学科。工工程热物物理与能能源利用用学科主主要解决决生物质质能直接接利用或或能源转转换过程程中能量量转换的的基本原原理以及及热质传传递规律律等关键键性热物物理问题题，在生生物质能能利用领领域起着着非常重重要的作作用。与之密密切联系系的学科科方向有有：工程程热力学学、传热热传质学学、燃烧烧学、热热物性与与热物理理测试技技术等。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
13、理想的的生物质质利用概概念图 （Sttephhan H. Inddusttriaal bbiottechhnollogyy-a chaancee att reedemmptiion. Naaturre BBiottrchhnollogyy, 220044(222): 67116775）6.1.3 风能风作为自然然界空气气运动的的一种方方式，具具有一定定位能与与动能。风风能利用用的最大大难题是是风速与与风向的的随机性性和不连连续性，即即风速、风风向会随随着时间间和地点点变化，难难以保证证风力发发电机组组功率稳稳定输出出。风能能利用的的研究大大体可分分为：(1)大大气边界界层中风风特性的的研究；(
14、2)风力机机理论、新新型叶片片外形与与材料以以及风力力发电系系统新型型控制方方法；(3)风风能利用用的方式式以及多多能互补补综合利利用系统统的研究究。风能取之不不尽，用用之不竭竭，地球球上的风风能资源源每年约约为2000万亿亿kWhh，利用用1就就可满足足人类对对能源的的需要。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。随着桨叶空空气动力力学、材材料、发发电机技技术的发发展，风风力发电电技术的的发展极极为迅速速，单机机容量从从最初的的数十千千瓦级发发展到最最近进入入市场的的兆瓦级级机组，20年来，风力机平均单机容量提高20倍；功
15、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。现代风力机机系统包包
16、括自然然风、风风轮、机机械系统统、控制制系统和和电力系系统等相相互作用用的子系系统，涉涉及到工工程热物物理与能能源利用用、大气气科学、机机械科学学、电工工科学、材材料科学学、自动动化科学学等多个个学科。工工程热物物理与能能源利用用学科主主要研究究复杂地地形和极极端气候候条件下下的大气气边界层层风特性性、风轮轮非定常常空气动动力学、刚刚柔耦合合结构多多体动力力学、多多能互补补综合利利用系统统和新型型风能转转换系统统等问题题，密切切相关的的分支学学科有工工程热力力学、流流体力学学、热物物性与热热物理测测试技术术等。6.1.4 地热能地热能的利利用可分分为地热热发电和和直接利利用两大大类。地地热能是是来自地地球深处处的可再再生热能能，起源源于地球球的熔融融岩浆和和放射性性物质的的衰变，集集中分布布在构造造板块边边缘一带带、该区区域也是是火山和和地震多多发区。如如果热量量提取的的速度不不超过补补充的速速度，地地热能便便是可再再生的。地地热
