國家自然科學基金委工程熱物理與能源利用學科進展戰(zhàn)略-工程熱物理與能源利用學科現(xiàn)狀與進展趨勢6可再生能源6.1學科內(nèi)涵近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速進展，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阻礙，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)進展，必須堅持“節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境愛護、市場推動”的能源進展戰(zhàn)略?？稍偕茉蠢檬菍崿F(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化的重要因素?？稍偕茉匆o是指太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱、海洋能等資源量豐富，且可循環(huán)往復使用的一類能源資源，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(lǐng)域中，工程熱物理學科要緊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(guān)分支學科的進展將為可再生能源利用技術(shù)的研究和進展提供理論基礎和技術(shù)保障，而可再生能源利用的研究又不斷為工程熱物理學科提出新的研究方向和進展目標，促進工程熱物理學科的進展。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。可再生能源的開發(fā)利用已成為我國能源工業(yè)進展的重要戰(zhàn)略目標，必須高度重視可再生能源利用技術(shù)的基礎研究。太陽能太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應過程產(chǎn)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3.75×1026W）的22億分之一，但已高達173,000TW，也確實是講太陽每秒鐘照耀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(zhì)能以及部分潮汐能差不多上來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從全然上講也是遠古以來貯存下來的太陽能，因此廣義的太陽能所包括的范圍特不大，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(zhuǎn)換。太陽能既是一次能源，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。但太陽能也有兩個要緊缺點：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）的阻礙不能維持常量。太陽能轉(zhuǎn)換利用要緊指利用太陽輻射實現(xiàn)采暖、采光、熱水供應、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)應用以及國防科技需求的專門研究領(lǐng)域，要緊包括太陽能光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學轉(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，如供應熱水、熱力發(fā)電、驅(qū)動動力裝置、驅(qū)動制冷循環(huán)、海水淡化、采溫順強化自然通風等等；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(zhuǎn)化為電能加以利用的過程；光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(zhuǎn)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(guān)系最緊密的是工程熱力學、傳熱傳質(zhì)學和熱物性學；要構(gòu)成有有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(zhuǎn)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緊密聯(lián)系，是一門綜合性強，學科交叉特色鮮亮的研究分支。在工程熱物理學科范疇內(nèi)，應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。進入21世紀以來，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(chǎn)品年產(chǎn)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(jié)構(gòu)中所占比例還專門小，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重要方面，也是國防科技以及以后電力有專門大潛力的領(lǐng)域。從能源戰(zhàn)略進展角度講，太陽能轉(zhuǎn)換利用的研究能為解決能源供應可持續(xù)進展問題做出貢獻，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(jié)構(gòu)多元化，構(gòu)成可持續(xù)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。生物質(zhì)能所有含有內(nèi)在化學能的非化石有機生物物質(zhì)都稱為生物質(zhì)，包括各類植物和諸如都市生活垃圾、都市下水道淤泥、動物排泄物、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。地球每年生長的生物質(zhì)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(zhì)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。中國作為世界上最大農(nóng)業(yè)國，具有豐富的生物質(zhì)能資源，其要緊來源有農(nóng)林廢棄物、糧食加工廢棄物、木材加工廢棄物和都市生活垃圾等。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4.6億噸標準煤，可能到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(zhì)還有污染物質(zhì)（含硫、含氮量較?。┥伲紵鄬η鍧?、廉價，將有機物轉(zhuǎn)化為燃料可減少環(huán)境污染等優(yōu)點。全國都市生活垃圾年產(chǎn)量已超過1.5億噸，到2020年年產(chǎn)生量將達2.1億噸，假如將這些垃圾焚燒發(fā)電或采納衛(wèi)生填埋方式，回收填埋氣發(fā)電，可產(chǎn)生相當于500萬噸標準煤的能源，還有效地減輕環(huán)境污染。能夠可能，以后二三十年內(nèi)生物質(zhì)能源最有可能成為21世紀要緊的新能源之一。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成有用的能量有多種不同的途徑或方式，當前要緊采納兩種要緊的技術(shù)：熱化學技術(shù)和生物化學技術(shù)。此外機械提?。òセ┮彩菑纳镔|(zhì)中獲得能量的一種形式。熱化學技術(shù)包括三種方式：燃燒、氣化和液化。生物化學技術(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)化成熱能或動力、燃料和化學物質(zhì)。生物質(zhì)能利用的研究范圍要緊包括：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、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要緊解決生物質(zhì)能直接利用或能源轉(zhuǎn)換過程中能量轉(zhuǎn)換的差不多原理以及熱質(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)域起著特不重要的作用。與之緊密聯(lián)系的學科方向有：工程熱力學、傳熱傳質(zhì)學、燃燒學、熱物性與熱物理測試技術(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（StephanH.Industrialbiotechnology-achanceatredemption.NatureBiotrchnology,2004(22):671~675）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、風向會隨著時刻和地點變化，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)新型操縱方法；(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，利用1％就可滿足人類對能源的需要。依照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(shù)的進展，風力發(fā)電技術(shù)的進展極為迅速，單機容量從最初的數(shù)十千瓦級進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；功率操縱方式從定槳距失速操縱向全槳葉變距和變速操縱進展；運行可靠性從20世紀80年代初的50％提高到98％以上，風電場運行的風力發(fā)電機組全部能夠?qū)崿F(xiàn)集中操縱和遠程操縱。近十年來，世界風力發(fā)電以年增長率30%左右高速進展，至2004年止，世界風電總裝機容量約為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(nèi)陸向海上進展，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(diào)人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)進展的今天，風電差不多成為世界上進展最快的發(fā)電方式之一?，F(xiàn)代風力機系統(tǒng)包括自然風、風輪、機械系統(tǒng)、操縱系統(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要緊研究復雜地形和極端氣候條件下的大氣邊界層風特性、風輪非定?？諝鈩恿W、剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)多體動力學、多能互補綜合利用系統(tǒng)和新型風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等問題，緊密相關(guān)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(shù)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(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)。假如熱量提取的速度不超過補充的速度，地熱能便是可再生的。地熱能在世界專門多地區(qū)應用相當廣泛，每年從地球內(nèi)部傳到地面的熱能相當于100PWh。地熱能分布相對比較分散，開發(fā)難度大。依照地熱水溫度的高低，地熱資源分為高溫（>150℃）、中溫（150-90℃）和低溫（＜90℃＝3種。高溫地熱能要緊用于發(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(guān)注全球氣候變溫順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(guān)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(zhì)傳熱傳質(zhì)學問題；地熱能源綜合利用系統(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(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、波浪能差不多上機械能，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(chǎn)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(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專門大差異。與海洋能利用相關(guān)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(zhuǎn)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(nèi)外研究進展和進展趨勢太陽能利用國內(nèi)外研究進展和進展趨勢我國專門早就有“陽燧取火”的傳講，古代建筑中采納較大的南窗以利用太陽輻射進行采暖等差不多上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學研究始于上世紀70年代世界能源危機之后。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，已被公認為是最要緊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究實現(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要緊替代能源大力扶植和進展。太陽能轉(zhuǎn)換利用研究差不多成為當前國際上技術(shù)學科中十分活躍的一個領(lǐng)域，每年都有國際學術(shù)會議頻繁地進行。最具代表性的有世界太陽能大會和世界可再生能源大會，差不多上兩年舉辦一次，時刻正好相隔一年。有關(guān)專題分組、分地區(qū)學術(shù)討論也特不之多。各國科研人員要緊研究方向能夠分為兩大類：一是面向太陽能規(guī)?；玫年P(guān)鍵技術(shù)；二是探究太陽能利用新方法、新材料，發(fā)覺和解決能量轉(zhuǎn)化過程中的新現(xiàn)象、新問題，特不是開展基于太陽能轉(zhuǎn)化利用現(xiàn)象的熱力學優(yōu)化、能量轉(zhuǎn)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；還能夠利用太陽能直接從海洋中生產(chǎn)淡水，為灌溉系統(tǒng)提供抽水動力，實現(xiàn)污水和空氣凈化等。太陽能還可規(guī)模化用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥過程等；圖6.2太陽能利用與建筑一體化（2）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，假如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(nèi)采溫順加熱水，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(jié)構(gòu)和選擇適合的能源轉(zhuǎn)換形式，可實現(xiàn)利用太陽能進行采暖、采光、熱水供應、空調(diào)制冷、強化自然通風、部分電力供應以及水質(zhì)凈化等等功能，極大地降低建筑使用能耗。早期的被動式太陽房采暖，現(xiàn)代的各種主動式太陽能技術(shù)和設備，及以后可持續(xù)建筑中太陽能開發(fā)利用，正體現(xiàn)如此一種趨勢。（3）太陽能發(fā)電實現(xiàn)太陽能發(fā)電的技術(shù)途徑如圖6.3所示。要緊包括太陽能光伏發(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，然而與10年前相比成本已下降接近一半。21世紀以來，光伏產(chǎn)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(chǎn)銷售超過750MWp的光伏組件，比上年增長44％，可能2012年產(chǎn)值會達到275億美元。相關(guān)傳熱和熱力學研究，是目前進展高性能太陽能電池、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的熱點。圖6.3太陽能發(fā)電的技術(shù)途徑（Prof.HansMüller-steinhagen,Concentratingsolarpower:Avisionforsustainableelectricitygeneration,Instituteforthermodynamicsandthermalengineering,UniversityofStuttgart,Germany）太陽能熱發(fā)電要緊采納聚焦集熱技術(shù)，產(chǎn)生驅(qū)動熱力機需要的高溫液體或蒸汽發(fā)電，現(xiàn)要緊關(guān)注能與太陽能能量轉(zhuǎn)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(shù)。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?qū)μ柲軣崃Πl(fā)電的興趣與日聚增，美國、西班牙、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。基于煙囪效應的太陽能集熱和風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)盡管效率專門低，然而能夠和農(nóng)業(yè)溫室利用結(jié)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。此外還能夠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。（4）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(shù)。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(zhuǎn)換問題也是實現(xiàn)規(guī)模工業(yè)化應用太陽能的關(guān)鍵。約旦、馬來西亞等地區(qū)利用當?shù)刎S富的太陽能資源和專門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亮的特色。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，但與應用所具有的潛力相比還有專門大的增長空間。游泳池加熱系統(tǒng)和家用熱水器方面應用較多，還能夠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以后太陽能熱發(fā)電、空調(diào)制冷、熱化學轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵之一，是研究的重點方向。（5）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，最有可能的途徑確實是制氫，將太陽能轉(zhuǎn)換為燃料。如圖6.4所示，實現(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)域重點在于提高太陽光譜全波段能源利用率，特不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。太陽能電解水制氫要緊通過太陽能發(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(zhuǎn)換環(huán)節(jié)緊密相關(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要緊包括太陽能熱解水、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)生高溫通過化學循環(huán)反應分解水、生物質(zhì)以及化石燃料等制氫。由于技術(shù)工藝反應溫度等要求較嚴格，目前太陽能熱化學分解水制氫尚處于研究和示范時期。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(jié)合的復合能量轉(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，可再生能源基礎研究及優(yōu)先領(lǐng)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(diào)制冷圖6.5示意了太陽能與燃氣結(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(qū)動能量轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)制冷，包括太陽能光伏系統(tǒng)驅(qū)動的蒸汽壓縮制冷，太陽能汲取式制冷，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(zhuǎn)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。目前要緊進展主動式太陽能制冷，通過太陽能光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱能驅(qū)動制冷機進行制冷的技術(shù)研究最多，可操作性最強。基礎研究工作要緊集中在兩個方面：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，另外確實是研究集熱效率高、性能可靠的中高溫太陽能集熱器，這種集熱器能夠產(chǎn)生150oC以上的蒸汽，從而直接驅(qū)動雙效汲取式制冷機。圖6.5太陽能復合空調(diào)系統(tǒng)（7）太陽能海水淡化利用太陽能等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(lǐng)域研究在中東、北非以及歐洲地中海地區(qū)研究特不活躍，美國、日本等國家也投入大量的人力物力進行淡化技術(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，IDETechnologies,Ltd）太陽能海水淡化技術(shù)領(lǐng)域的基礎研究集中在：①完全靠太陽能和環(huán)境條件自然變化驅(qū)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；②主動式淡化水方法，制備淡水需要少量的動力消耗，同時還要求配備風機、水泵等額外裝置，強化傳熱傳質(zhì)效果，提高系統(tǒng)性能；③實現(xiàn)能源梯級利用，上述技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)綜合應用的復合系統(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)溫度和冷凝溫度能夠分開調(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，太陽能轉(zhuǎn)換利用環(huán)節(jié)要緊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)的設備結(jié)合。太陽能直接轉(zhuǎn)化利用是全球可再生能源進展戰(zhàn)略的重要組成部份，特不是構(gòu)成以后分布式可再生能源網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，利用太陽能能夠為公共安全、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(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(diào)以及太陽能制氫等諸多領(lǐng)域取得了一批標志性成果。太陽能熱水器技術(shù)最成熟、應用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化進展最迅速，是20世紀70年代以來我國可再生能源領(lǐng)域中產(chǎn)業(yè)化進展最成功的范例。我國是世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，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，仍有專門大的進展空間。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(guān)太陽能轉(zhuǎn)換利用材料、蓄能機理、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)域與國際先進水平存在一定差距，特不是太陽能熱發(fā)電、太陽能高溫利用等領(lǐng)域代表性工作專門少。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(zhuǎn)換效率，此項技術(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。我國進展太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)的要緊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)得到長足進展，過去10年太陽能電池和組件生產(chǎn)年均增長率為25％，電池和組件性能不斷提高，但不管是性能指標和生產(chǎn)工藝與國際上都存在一定差距。有關(guān)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專門少。太陽能建筑，特不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足進展。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(jié)構(gòu)為目的的太陽能采暖、熱水供應、采光、通風、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，尚需努力與先進國家看齊。太陽能聚光與光導管結(jié)合的太陽能照明技術(shù)是建筑節(jié)能的重要進展方向。太陽能-氫能轉(zhuǎn)換在我國研究較早，特不是與化工等領(lǐng)域結(jié)合，隨著高性能燃料電池技術(shù)的快速進展，制氫、儲氫和利用氫能成為我國許多研究機構(gòu)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進展。該領(lǐng)域的差距要緊在連續(xù)穩(wěn)定制氫反應體系的構(gòu)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(guān)突破。我國從70年代開始對太陽能制冷技術(shù)進行研究，要緊是進行間歇式氨－水汲取式、連續(xù)式制冷和溴化鋰汲取式、活性炭－甲醇工質(zhì)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(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，特不是以太陽能為主，構(gòu)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(lǐng)域的制造優(yōu)勢和在吸附/汲取式制冷領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，太陽能空調(diào)制冷工作某些方面走在了世界的前列，合適的復合能量利用系統(tǒng)、能量傳遞過程的傳熱傳質(zhì)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(lǐng)域總體上缺乏系統(tǒng)性和規(guī)模效應，要緊技術(shù)和工藝方面研究不夠深入，特不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。基于太陽能熱能轉(zhuǎn)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。生物質(zhì)能利用國內(nèi)外研究進展和進展趨勢各國極為重視生物質(zhì)能的研發(fā)和應用。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，要緊分布在紙漿、紙產(chǎn)品加工廠和其它林產(chǎn)品加工廠，裝機容量達7000MW，據(jù)預測，到2010年生物質(zhì)發(fā)電將達到13000MW裝機容量。歐盟生物質(zhì)能源約占總能源消耗的4%，15年后可能可達15%。丹麥要緊利用秸稈發(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(zhì)系生物質(zhì)能已分不占本國總能耗的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:Statusandperspectivesofbiologicalmethaneandhydrogenproduction,Editedby:J.H.Reith,R.H.WijffelsandH.Barten，ISBN90-9017165-7，2003）（1）生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)①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、應用范圍最廣的一種差不多能量轉(zhuǎn)化利用方式，要緊技術(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)燃料鍋爐差不多是流化床鍋爐，具有燃料適應性好、效率高、負荷調(diào)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(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％，負荷達100MW以上或采納與煤共混燃燒技術(shù)時能夠得到更高的轉(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)廢棄物和都市生活垃圾燃燒發(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(guān)的發(fā)電裝機容量已達750萬kW。圖6.8為生物質(zhì)燃燒發(fā)電和供暖應用途徑示意。圖6.8生物質(zhì)燃燒發(fā)電和供暖（/jnzx/Photo_Show.asp?PhotoID=80）我國在生物質(zhì)燃燒發(fā)電方面技術(shù)進展相對落后，大量薪材和作物秸稈長期僅僅作為農(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，我國已具備一定實力和基礎，一些大中都市生活垃圾焚燒發(fā)電已取得初步成果，然而同國外相比在規(guī)模和數(shù)量上還存在一定差距，都市固體有機廢棄物無害化處理還不到20%。②生物質(zhì)氣化（熱解氣化）指將生物質(zhì)在高溫下（800－900℃）部分氧化，產(chǎn)生低熱值燃氣的一種技術(shù)，燃氣可直接燃燒或用作燃氣輪機的燃料發(fā)電，也能夠用來合成化學燃料。氣化過程僅僅產(chǎn)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(zhì)清潔利用的一種要緊形式。生物質(zhì)氣化技術(shù)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、流化床氣化器等進展過程。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％，輸出能量可達到每小時4千萬千焦。采納該技術(shù)的30－60MW的發(fā)電廠的能量利用效率能夠達到40－50％，目前BIG/CC技術(shù)還處于實驗時期。IGCC和HATC作為先進的生物質(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0.5—3MW(HATC)、7—30MW(IGCC)，發(fā)電效率達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，人們正研究采納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。查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)進展的一個重要方向。圖6.9海南三亞電站1200kW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進展到流化床、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)；由低熱值氣化裝置進展到中熱值氣化裝置；由戶用燃氣爐進展到工業(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(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，開展了采納BIG/CC的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究。但在穩(wěn)定運行、焦油清除、氣體凈化等技術(shù)上還需要提高。③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生物質(zhì)熱分解，產(chǎn)生液體燃料油（又稱生物油）或化學物質(zhì)的一種技術(shù)。產(chǎn)生的液體是水和有機物混合物，通過進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，假如采納快速熱解反應技術(shù)，干生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油的產(chǎn)油率可達75％?？焖贌峤夥磻笤媳豢焖偌訜岬郊s500℃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。反應器普遍采納流淌床構(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)了專門多不同的熱解工藝，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（Dynamotive）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(zhuǎn)錐反應器工藝等。盡管歐美等發(fā)達國家在生物質(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峻滯后，專門大程度制約了該技術(shù)水平的提高與進展。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。全然緣故是，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，而目前采納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1995年從國外引進一套旋轉(zhuǎn)錐快速熱解試驗裝置，研究開發(fā)液化油技術(shù)。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(zhuǎn)錐液化裝置；上海理工大學建立了小型旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置。這些工作尚處于起步時期，還沒有商業(yè)化裝置應用。（2）直接液化技術(shù)直接液化技術(shù)采納機械壓榨或化學提取等工藝，從生物質(zhì)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，溶劑和催化劑的選擇是阻礙產(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(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)。近年來專門多研究者致力于煤與廢棄生物質(zhì)共液化的研究。實驗結(jié)果表明，與煤單獨液化相比，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時期，生物質(zhì)對煤的作用機理也未能完全了解。近年華東理工大學分不進行了生物質(zhì)（包括稻殼，木屑和木屑的水解殘渣）的單獨液化和煤與生物質(zhì)的共液化。結(jié)果表明生物質(zhì)的加入確實促進了煤的裂解，減緩了液化條件，從而可在較和氣的條件下得到較高的轉(zhuǎn)化率和油產(chǎn)率。我國在該領(lǐng)域的研究還專門少，與國際先進研究水平有較大差距。（3）生物化學技術(shù)①微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)要緊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，差不多原理差不多上在嚴格厭氧條件下，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。目前要緊包括液體燃料發(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)酵反應器（Bio-methane&Bio-hydrogen:Statusandperspectivesofbiologicalmethaneandhydrogenproduction,Editedby:J.H.Reith,R.H.WijffelsandH.Barten，ISBN90-9017165-7，2003）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和代謝條件下，通過細胞產(chǎn)生的酶的作用，將生物有機質(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“國家酒精打算”，利用該國豐富的甘蔗資源生產(chǎn)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(chǎn)量已達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(zhì)厭氧發(fā)酵反應器實例。目前沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)已進展了將產(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(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”打算中決定進展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，目的是：利用過剩玉米作原料，同時增加農(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，減少石油進口。黑龍江、吉林、河南等玉米重點產(chǎn)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29億元建設年產(chǎn)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(chǎn)燃料乙醇外，還打算研究開發(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專門大距離。乙醇柴油的試驗工作也有起步?？傮w上我國在糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和甲醇方面不管是規(guī)模上依舊技術(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。我國的沼氣應用歷史專門長，在農(nóng)村、農(nóng)場和鄉(xiāng)村工廠的應用效果都專門好。2000年我國的戶用沼氣池達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沼氣發(fā)電。農(nóng)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(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。目前采納的沼氣發(fā)酵技術(shù)耗水量大，增加了投資成本和運行治理費用。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的殘渣較多，容易成為惡臭來源。固體狀有機質(zhì)沼氣發(fā)酵工藝、技術(shù)、設施開發(fā)研究得還不多，要緊緣故在于對固體有機物厭氧降解過程中的各種物質(zhì)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(shù)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(nèi)的非均相動力學、熱力學、傳熱傳質(zhì)學的基礎研究均有待加強。②微生物制氫技術(shù)傳統(tǒng)的制氫技術(shù)要緊采納電解水，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(shù)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(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=1\*GB3：①發(fā)酵型細菌產(chǎn)氫，直接轉(zhuǎn)化有機底物為H2和CO2；=2\*GB3②微藻光合生物制氫，將水分解為H2和O2；=3\*GB3③厭氧光合產(chǎn)氫，在光能驅(qū)動下光合微生物通過消耗有機物產(chǎn)生氫氣。將厭氧光合細菌產(chǎn)氫與發(fā)酵型細菌產(chǎn)氫結(jié)合起來，能充分利用發(fā)酵型細菌產(chǎn)生的有機酸，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例。圖6.12日本厭氧發(fā)酵制氫工廠以及光生物制氫工廠(SustainableHydrogen:DirectWaterSplittingandHydrogenfromBiomass,TrygveRiis,2003)目前人們對產(chǎn)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(chǎn)氫的機理，特不是代謝途徑。產(chǎn)氫條件和產(chǎn)氫效率的研究工作表明：光強度和波長、照耀面積、底物濃度、pH值、溫度、氧、酶和氣相成分，被認為是阻礙光合產(chǎn)氫的關(guān)鍵因素，生物制氫反應器的傳輸性能對產(chǎn)氫率具有專門大的阻礙。目前關(guān)于制氫反應器的研究大多為操作條件和反應器結(jié)構(gòu)形式等因素阻礙的實驗研究，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(chǎn)氫率正逐漸得到重視。由于微生物制氫技術(shù)在當前的能源多元化戰(zhàn)略和環(huán)境愛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(chǎn)氫技術(shù)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(chǎn)氫氣中試實驗已取得初步成功，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廢水處理為一體，在處理高濃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(lǐng)先水平。盡管如此，微生物制氫的基礎研究差距專門大，工作偏于產(chǎn)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(nèi)傳輸機理與特性，反應器最優(yōu)設計與操縱，以及高效產(chǎn)氫菌群構(gòu)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。風能利用國內(nèi)外研究進展和進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0.2kW/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)。風力機的單機容量差不多從十年前的幾千瓦級進展到近年的兆瓦級，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，NEGMicon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(shù)的近期進展及其基礎科學問題，可再生能源基礎研究及優(yōu)先領(lǐng)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（AndrewR.Henderson,DelftUniversityofTechnology,TheNetherlands;/unatlas/uses/EnergyResources/Background/Windjte）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)電的要緊進展方向。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(nèi)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，采納大型風力機的海上風電場得到了迅速的進展。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要緊有兩種方法：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(jié)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(jié)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(guān)系，認為風能氣象學是基于邊界層氣象學、氣候?qū)W以及地理學的一門科學。在進行風能資源評估時，十分重視中、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(shù)的迅速進展，海上風場研究得到普遍關(guān)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)新型操縱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(zhuǎn)速失速操縱型風力機和變槳距操縱風力機，要緊有以下特征：變轉(zhuǎn)速操縱，以跟蹤最佳效率；變槳距操縱，以降低構(gòu)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；采納雙饋發(fā)電機，以滿足并網(wǎng)發(fā)電的要求。風力機技術(shù)開發(fā)的趨勢是重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性、直接驅(qū)動發(fā)電機（無齒輪箱）和變轉(zhuǎn)速運行。風力機向大型化方向進展，設計和安裝都受到新的挑戰(zhàn)。為了風力機的運行安全可靠，必須對風力機動載荷及其引起的氣動彈性進行計算。假如風輪設計不當，造成漿葉－風輪－塔架－電機系統(tǒng)氣動彈性不穩(wěn)定，則會導致風力發(fā)電機組破壞。自從1973年第一次石油危機以來，歐美國家加大了風力發(fā)電技術(shù)的研究，形成一系列風力機分析和設計方法，如基于葉素動量理論的Glauert方法和Wilson方法，以自由尾渦理論為基礎的方法等，編制了相應的設計和計算軟件。實踐證明，這些基于中小尺寸的經(jīng)驗模型對風輪直徑小于50m，發(fā)電功率小于500kW的大中型風力機特不有效。由于基于葉素動量理論的風輪定?？諝鈩恿W模型在處理動態(tài)過程時存在較大的局限性，沒有完全考慮葉片旋轉(zhuǎn)時的三維非定常效應，動態(tài)尾流模型（DynamicWakeModel）和動態(tài)失速模型（DynamicStallModel）已成為當前風輪非定常空氣動力學研究的一個熱點問題。另外，近年來CFD數(shù)值模擬也得到了應用。開發(fā)適合風力機葉片的翼型是提高風力電效率的基礎。國際上風力機專用翼型研究始于80年代中期，風能技術(shù)發(fā)達國家都進展各自的翼型系列。美國的SERI系列具有較高的升阻比，失速時對翼型表面的粗糙度敏感性低；NREL系列翼型能有效減小由于槳葉表面粗糙度增加而造成的風輪性能下降，同時能增加能量輸出和改善功率操縱；丹麥的RIS系列翼型在接近失速時具有最大的升阻比，同時具有對前緣粗糙度的不敏感性；瑞典的FFA-W翼型族具有較高的最大升力系數(shù)和升阻比，在失速工況下具有良好的氣動性能。目前，世界上最大風力機葉片生產(chǎn)商丹麥LM公司在5MW大型風力機上已采納了DU風力機專用翼型。風力機葉片的重量是大型化重要指標之一，葉片材料從最初的木制品逐步過渡到玻璃纖維增強復合材料，而今采納碳纖維復合材料（CFRP）的超大型葉片發(fā)電機組正在蓬勃興起。風能具有間斷性和隨機性的特點，風能波動造成風力發(fā)電機負荷的隨機變化，使風力發(fā)電機輸出功率不穩(wěn)定，為并網(wǎng)發(fā)電帶來專門大的阻礙，風電系統(tǒng)自動操縱和優(yōu)化設計是風電應用中的重要課題。現(xiàn)今，大多數(shù)風電設備在一個固定的轉(zhuǎn)速下運行，即只能在特定風速下才能達到風力發(fā)電機的最大輸出功率，否則效率將大大降低。假如風力機轉(zhuǎn)速能夠隨著風速進行調(diào)整，如此就能夠得到較高的輸出效率。隨著風力發(fā)電機容量的增大和風電在電網(wǎng)中的比例增加，風力機操縱顯得更為重要。變速風力機是目前研究的熱點之一，目的是為取得氣動效率、載荷和操縱的最佳綜合性能。一些非線性操縱方法，如模糊操縱理論及神經(jīng)網(wǎng)絡操縱理論，開始應用于風力發(fā)電操縱系統(tǒng)，風力機的變槳矩、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)技術(shù)使兆瓦級風力機的應用變成現(xiàn)實。（3）風能利用的方式與多能互補綜合利用系統(tǒng)儲能技術(shù)和多能互補綜合利用系統(tǒng)技術(shù)是解決風力發(fā)電機組功率穩(wěn)定輸出的一種有效方法。近年來，風力機-柴油機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)和風能-太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等多能互補綜合利用系統(tǒng)、以及在風能利用系統(tǒng)中增加儲能裝置成為世界各國關(guān)注的研究課題。在風能儲能技術(shù)中，飛輪儲能技術(shù)較為成熟，超導儲能技術(shù)代表了柔性交流輸電的新技術(shù)方向，能汲取或發(fā)出有功和無功功率來快速響應電力系統(tǒng)需要。另外，風能－太陽能綜合發(fā)電技術(shù)可充分利用風能與太陽能的氣候互補、季節(jié)互補、晝夜互補特點，利用風能和太陽能制氫、儲氫，再利用燃料電池發(fā)電的綜合能源利用系統(tǒng)，也可解決風力和太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性問題，亦得到重視。風能利用的方式除發(fā)電外，還包括帶有中間儲能裝置的用風力驅(qū)動海水淡化裝置，利用太陽能熱氣流“煙囪效應”的太陽能-風能發(fā)電裝置，以及風力制熱、制冷等。風力制熱是將風能轉(zhuǎn)換成熱能，目前有三種轉(zhuǎn)換方法：一是風力機發(fā)電，再通過電熱器發(fā)熱；二是由風力機絕熱壓縮空氣將風能轉(zhuǎn)換成空氣壓力能和熱能；三是由風力機驅(qū)動液體流過阻力件，利用液體的粘性耗散制熱。近年來，我國風力機技術(shù)研究得到了迅速進展，先后研制了55kW、200kW、300kW、600kW和750kW等大中型并網(wǎng)型風力發(fā)電機。600kW和750kW機組已實現(xiàn)商品化。另外，離網(wǎng)型小型風力發(fā)電機組保有量已達20余萬臺，裝機容量為3.5萬kW，年生產(chǎn)能力為3萬臺，出口到19個國家和地區(qū)。在風力機基礎理論研究方面也開展了卓有成效的工作。中國氣動力研究與進展中心對風力機葉片傳統(tǒng)的30種翼型進行過大量的風洞實驗，取得了-10°～180°攻角的氣動數(shù)據(jù)。汕頭大學對風力機翼型氣動性能及優(yōu)化進行了系統(tǒng)的探討，通過翼型風洞實驗和分析計算，差不多掌握了新系列翼型的幾何外形數(shù)據(jù)和氣動性能數(shù)據(jù)，并建立了數(shù)據(jù)庫。但已研制的風力發(fā)電機組均是兆瓦級以下的定轉(zhuǎn)速失速操縱型風電機組，兆瓦級變速恒頻型風電機組尚處于研發(fā)時期。與歐美國家相比，我國風能技術(shù)仍處于進展的初期時期，總體設計技術(shù)和制造工藝相對落后，風能基礎理論研究較少，另外，生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，一些原材料和產(chǎn)品要緊依靠于進口。迫切需要采取各種有效的科技措施，提高風能技術(shù)進展水平。地熱能利用國內(nèi)外研究進展和進展趨勢(1)地熱能發(fā)電利用世界上有20多個國家應用地熱流體發(fā)電,總裝機容量均大于100MW。利用地熱能發(fā)電的方式有蒸汽型地熱發(fā)電和熱水型地熱發(fā)電兩種。蒸汽型地熱發(fā)電把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽輪發(fā)電機組發(fā)電，有背壓式和凝汽式兩種系統(tǒng)，該種利用方式簡單，但干蒸汽地熱資源十分有限，且多存于較深的地層，開采難度大，故進展受到限制。熱水型地熱發(fā)電是地熱發(fā)電的要緊方式，目前有兩種循環(huán)系統(tǒng)。（1）閃蒸系統(tǒng)，高壓熱水從熱水井中抽至地面，降壓使部分熱水“閃蒸”成蒸汽送至汽輪機做功，分離后的熱水可接著利用后排出，或者再回注入地層。（2）雙循環(huán)系統(tǒng)。地熱水首先流經(jīng)熱交換器，將地熱能傳給另一種低沸點流體沸騰而產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進入汽輪機做功后進入凝汽器，再通過熱交換器從而完成發(fā)電循環(huán)，地熱水則從熱交換器回注入地層。這種系統(tǒng)特不適合于含鹽量大、腐蝕性強和不凝聚氣體含量高的地熱資源。進展雙循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵是開發(fā)高效熱交換器。(2)地熱直接利用直接利用地熱能的方式應用最廣泛，例如利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建筑農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖，烘干谷物，工業(yè)加工與工藝加熱等。然而，直接利用地熱能常常受到地域的限制，地熱蒸汽或熱水傳輸?shù)木嚯x較短,一般直接利用均在地熱田的附近進行。我國的地熱資源特不豐富，地熱資源分布豐富的地區(qū)有西藏、云南、廣東、河北、天津、北京等地。地熱資源分為對流型地熱資源和傳導型地熱資源。對流型地熱資源以熱水方式向外排熱，呈零星分布；傳導型地熱資源分布范圍廣，資源潛力大。圖6.15西藏羊八井地熱電站20世紀70年代后期我國開始研究地熱發(fā)電，由于缺乏經(jīng)驗及其它緣故，建立的試驗性地熱電站，大部分效率太低而停止運行。適合發(fā)電的地熱資源在我國要緊分布在西藏、川西一帶，圖6.15所示的西藏羊八井地熱電站是一個專門好的成功例子，年發(fā)電量超過1億kWh，對拉薩地區(qū)的供電起著重要的作用。目前我國內(nèi)地共有5座地熱電站在運行。中低溫地熱的直接利用在我國特不廣泛，已利用的地熱點有1300多處，地熱采暖面積達800多萬m2，地熱溫室、地熱養(yǎng)殖和溫泉浴療也有了專門大的進展。地熱供暖要緊集中在我國的北方都市，分直接供溫順間接供暖。直接供暖以地熱水為工質(zhì)供熱，間接供暖是利用地熱水加熱供熱介質(zhì)，再利用介質(zhì)循環(huán)供熱。地熱水供暖方式的選擇要緊取決于地熱水所含元素成分和溫度；間接供暖需要中間換熱器，初投資較大；中間熱交換增加了熱損失，會大大降低供暖的經(jīng)濟性。一般都采納直接供暖，間接供暖只用在地熱水質(zhì)差而水溫較高之處。近年來，各種利用低溫地熱資源的地熱熱泵系統(tǒng)（土壤源熱泵）得到了長足進展，與空氣源熱泵比較可節(jié)能30%,與純電力或常規(guī)燃料供熱及制冷比較可節(jié)能60%。土壤源熱泵只是利用了土壤這一大的蓄熱體作為熱泵的低溫或高溫熱源，在我國北方地區(qū)的冬季采暖、夏季空調(diào)用能中將發(fā)揮越來越重要的作用。海洋能利用國內(nèi)外研究進展和進展趨勢陸地礦物燃料日趨枯竭，環(huán)境污染日趨嚴峻，一些要緊海洋國家紛紛把目光轉(zhuǎn)向海洋，促進和加快人類開發(fā)利用海洋能源的步伐，鼓舞進展包括海洋能在內(nèi)的多種可再生能源，近年更是把波浪發(fā)電研究放在新能源開發(fā)的首位。英國已具有建筑各種規(guī)模的潮汐電站的技術(shù)力量，并認為擁有極有潛力的世界市場。日本僅從事波浪能技術(shù)研究的科技單位就有10多個，在海洋熱能發(fā)電系統(tǒng)和換熱器技術(shù)上取得了舉世矚目的成就，領(lǐng)先于美國。1979年美國在夏威夷島西部沿岸海域建成了一座稱為MINI－OTCE的溫差發(fā)電裝置，額定功率50千瓦，凈出力18.5千瓦，這是世界首次從海洋溫差能獲得具有有用意義的電力。

法國早在60年代就投入巨資建筑裝機容量24萬千瓦，年發(fā)電量5億千瓦時的朗斯潮汐電站。挪威在海洋能利用方面的標志性裝置為兩座500千瓦和350千瓦波力電站。我國海洋能開發(fā)已近50年，迄今已建成潮汐電站8座，已有較好海洋發(fā)電基礎和經(jīng)驗，小型潮汐發(fā)電技術(shù)差不多成熟，具備開發(fā)中型潮汐電站的條件。圖6.16為建于我國廣東汕尾遮浪半島的波浪能電站。然而現(xiàn)有潮汐電站整體規(guī)模和單位容量還專門小，水輪發(fā)電機組尚未定型標準化，關(guān)鍵問題是中型潮汐電站水輪發(fā)電機組核心問題沒有完全解決。我國波力發(fā)電技術(shù)研究始于上世紀70年代，微型波力發(fā)電技術(shù)差不多成熟，小型岸式波力發(fā)電技術(shù)已進入世界先進行列，航標燈浮用微型潮汐發(fā)電裝置已趨商品化，在沿海海域航標和大型燈船上推廣應用，但波浪能開發(fā)的規(guī)模遠小于挪威和英國，小型波浪發(fā)電距有用化尚有一定的距離。與日本合作研制的后彎管型浮標發(fā)電裝置，屬國際領(lǐng)先水平。在珠江口大萬山島上研建的岸邊固定式波力電站，第一臺裝機容量3千瓦的裝置1990年已試發(fā)電成功?？傃b機容量20千瓦的岸式波力試驗電站和8千瓦擺式波力試驗電站，均已試建成功。潮流發(fā)電研究始于上世紀70年代末，首先在舟山海域進行了8千瓦潮流發(fā)電機組原理性試驗。80年代一直進行立軸自調(diào)直葉水輪機潮流發(fā)電裝置試驗研究，目前正在采納此原理進一步進行潮流試驗電站的研究工作，我國總體在國際上居領(lǐng)先地位，但尚有一系列問題有待解決。a.波浪能電站外景b.波浪能電站內(nèi)景圖6.16廣東汕尾遮浪半島波浪能電站6.2.6論文發(fā)表情況分析近年來，可再生能源的研究與利用受到了國內(nèi)外越來越多的關(guān)注，可再生能源領(lǐng)域的文章日益增多。以下粗略分析1997-2006年3月，中國學者在可再生能源領(lǐng)域相關(guān)的國際刊物上，發(fā)表論文的情況。中國學者在可再生能源研究領(lǐng)域的地位分析表6.1是1997年到2006年3月，WebofScience數(shù)據(jù)庫所收錄的九種可再生能源類國際期刊發(fā)表的論文中，各個國家和地區(qū)所發(fā)表的論文數(shù)量及其所占比例。從表6.1能夠看出，我國在可再生能源領(lǐng)域的研究相當活躍，但論文數(shù)量與美國等國家相比還有較大差距。表6.2是上述九種可再生能源類期刊檢索到自1997年到2006年3月，我國學者歷年發(fā)表的與可再生能源利用有關(guān)的國際論文數(shù)量。從表6.2能夠看出，我國學者在國際期刊上發(fā)表的論文大體呈遞增態(tài)勢，表明我國在可再生能源領(lǐng)域的活躍程度在不斷提高，但數(shù)量仍然偏少，表明我國在可再生能源領(lǐng)域的研究重視程度以及科學研究水平方面仍有待提高。表6.1各國家和地區(qū)發(fā)表論文數(shù)量及比例名次國家/地區(qū)論文數(shù)百分比名次國家/地區(qū)論文數(shù)百分比1美國139714.9%15墨西哥2222.4%2日本109911.7%16荷蘭2022.2%3德國6547%17埃及2002.2%4印度5716.1%18丹麥1811.9%5中國4855.2%19巴西1551.7%6土耳其4344.6%20韓國1541.7%7英國3994.2%21瑞士1471.6%8意大利3673.9%22以色列1201.3%9瑞典3483.7%23蘇格蘭680.7%10澳大利亞3223.4%24波蘭650.7%11加拿大2993.2%25奧地利650.7%12西班牙2963.2%26葡萄牙450.5%13法國2913.1%27俄國440.5%14希臘2242.4%其他國家5365.7%論文總計9390篇統(tǒng)計期刊源Solarenergy，Solarenergymaterialsandsolarcells，Journalofsolarenergyengineering-TransactionsoftheASME，Renewableenergy，Windenergy，Journalofwindengineeringandindustrialaerodynamics，Biomassbioenerg，Geothermics，Energyconversionandmanagement表6.2中國學者歷年發(fā)表論文數(shù)量年份1997199819992000200120022003200420052006總計25333342367561628830485世界總計1139113687580310229741128100610192889390比例%2.2%2.9%3.8%5.2%3.5%7.7%5.4%6.2%8.6%10.4%5.2%（2）幾種重要國際期刊發(fā)表論文情況表6.3給出了我國學者從1997－2006年在8種重要可再生能源領(lǐng)域的學術(shù)刊物上發(fā)表論文的情況。從近10年來的情況看，盡管數(shù)據(jù)不夠全面，但仍然能反映出我國學者在可再生能源領(lǐng)域論文數(shù)量仍有待提高。在可再生能源領(lǐng)域，我國國際阻礙以及國際交流與國際學術(shù)接軌方面仍然有專門長的路要走。我國的整體水平與國際先進水平仍然有差距，首先是表現(xiàn)在論文數(shù)量方面，其次是表現(xiàn)在論文相對比較集中于某些單位和個人。必須進一步加大我國在可再生能源領(lǐng)域基礎研究和應用基礎研究的投入力度，鼓舞開展各種形式的學術(shù)交流與合作，才能不斷促進和提高我國可再生能源開發(fā)利用的水平，才會有源源不斷的理論和技術(shù)原始創(chuàng)新提供支撐，為實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)的可持續(xù)進展奠定堅實的基礎。表6.3中國學者在幾種重要國際期刊表論文情況刊物名稱刊號論文數(shù)Solarenergy0038-092X43Solarenergymaterialsandsolarcells0927-024886Journalofsolarenergyengineering,transactionsoftheASME1528-898615Renewableenergy0960-148167Energyconversionandmanagemenournalofwindengineeringandindustrialaerodynamics0167-610568Biomassbioenerg0961-953422Geothermics0375-65058總計485研究內(nèi)容與科學問題可再生能源轉(zhuǎn)換利用的研究領(lǐng)域涉及面廣，學科交叉性強，研究問題比較復雜。在工程熱物理學科范疇內(nèi)，著重研究的應該是各種可再生能源利轉(zhuǎn)換利用過程機理以及有關(guān)的熱物理問題。6.3.1太陽能太陽能轉(zhuǎn)換利用研究內(nèi)容要緊是：針對太陽能規(guī)?；妹媾R解決的太陽能能量轉(zhuǎn)換各個環(huán)節(jié)、不斷出現(xiàn)的新設備、新工藝、新材料等方面的基礎科學問題進行研究，結(jié)合應用技術(shù)的開發(fā)，不斷提高太陽能轉(zhuǎn)換利用效率；中期應該進一步豐富和進展太陽能轉(zhuǎn)換利用研究體系，特不是將熱力學、熱經(jīng)濟學和強化傳熱學的思想深入貫穿到太陽能轉(zhuǎn)化利用現(xiàn)象的分析中，解決太陽輻射—熱能、太陽輻射—電能和太陽輻射－制冷等轉(zhuǎn)換中涉及的光伏效應熱力學、能量轉(zhuǎn)換蓄存和傳遞等過程的強化問題，為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化，提高太陽能利用程度和水平發(fā)揮積極作用。太陽能轉(zhuǎn)換利用中的重點研究領(lǐng)域和科學問題包括：規(guī)?；柲芄鉄崂玫幕A問題重點研究太陽能光熱轉(zhuǎn)換規(guī)?；眠^程中出現(xiàn)的新問題，新現(xiàn)象等，如輻射條件下復雜太陽能集熱器陣列汽阻問題，太陽能熱能高效低、中、高溫蓄存轉(zhuǎn)換，太陽能采暖與強化自然通風結(jié)構(gòu)的能量傳遞優(yōu)化等；研究中高溫集熱器技術(shù)，特不是能夠用于熱化學和熱發(fā)電以及聚光照明過程的聚焦太陽能集熱技術(shù)研究等；研究解決太陽輻射存在間歇性造成的能量利用系統(tǒng)運轉(zhuǎn)波動性問題，解決能量系統(tǒng)中太陽能與其它能源的耦合匹配問題，基于太陽能利用分數(shù)最大化的熱力學和能量利用系統(tǒng)優(yōu)化問題等。太陽能發(fā)電系統(tǒng)特性及其運行優(yōu)化包括光伏發(fā)電和熱發(fā)電兩個方向，其中光伏電池材料和工藝問題屬交叉學科，需要與半導體、材料等領(lǐng)域交叉攻關(guān)，需要重點解決極端溫度條件下的光伏系統(tǒng)工作可靠性，基于半導體和光伏效應熱力學的系統(tǒng)優(yōu)化問題，光伏系統(tǒng)的發(fā)電和集熱效應綜合利用問題等；熱發(fā)電領(lǐng)域重點解決高溫太陽能集熱器與熱力機的匹配耦合問題、可靠性問題和熱機循環(huán)工質(zhì)的篩選等，不同氣候條件下熱發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)化，動態(tài)特性研究等；探討太陽池發(fā)電技術(shù)的使用條件，可行性等；研究太陽能溫差發(fā)電技術(shù)，不斷提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本。太陽能海水淡化系統(tǒng)與傳遞過程強化要緊研究太陽能熱方法實現(xiàn)海水淡化的途徑，不斷提高海水淡化裝置的產(chǎn)水率和能源利用效率，特不是與中低溫太陽能集熱裝置結(jié)合的海水淡化方法，解決其中的能量回收、水分回收和鹽分回收等問題；以熱質(zhì)傳遞過程強化為重要手段，改進多效閃蒸、多效蒸餾以及有輔助能源情況下的復合淡化系統(tǒng)等的性能，使太陽能海水淡化、水質(zhì)凈化技術(shù)在資源環(huán)境可持續(xù)進展中發(fā)揮更大的作用。太陽能空調(diào)制冷的能量匹配、優(yōu)化與動態(tài)特性利用太陽能制冷技術(shù)季節(jié)匹配性好的特點，結(jié)合太陽能熱水系統(tǒng)規(guī)?；玫内厔?，重點研究：①低溫位熱能驅(qū)動的太陽能制冷循環(huán)，特不是能與常規(guī)太陽能集熱器結(jié)合使用的制冷系統(tǒng)；②從能源結(jié)構(gòu)多元化角度動身，研究有輔助能源的各類太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)，以太陽能利用分數(shù)最大化為目標，考慮太陽輻射的波動性，解決不同能源結(jié)構(gòu)之間的耦合匹配問題；③從能源利用最優(yōu)化角度動身，研究新型適用太陽能高效集熱裝置，進行高效太陽能制冷系統(tǒng)研究；④太陽能變熱源驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性與傳遞過程強化研究等。太陽能－氫能轉(zhuǎn)化過程的熱物理問題包括太陽能電解制氫、光解制氫和熱分解制氫等等，重點研究解決太陽能光解制氫中的太陽能全波段利用問題，關(guān)鍵催化劑的研制與篩選，太陽能制氫和儲氫過程中的熱物理問題等。太陽光能的高效收集與傳遞重點研究太陽能聚光系統(tǒng)，進行光學創(chuàng)新設計，獲得較高的聚光效率，實現(xiàn)低密度太陽能向高密度太陽能的轉(zhuǎn)化（聚焦比達到千倍）；研究聚光太陽能的傳遞，尤其是光導纖維的傳遞特性；研究太陽能聚光光能的轉(zhuǎn)化利用，如太陽能光伏發(fā)電（聚光太陽能電池）能量轉(zhuǎn)化中涉及的散熱問題、聚光太陽能的熱汲取問題。6.3.2生物質(zhì)能生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)應開展高效生物質(zhì)熱解液化和生物質(zhì)氣化發(fā)電，都市廢棄物無害化能源化利用等研究；生物化學技術(shù)方面應開展高效厭氧消化裝置和技術(shù)，以及生物制氫反應器研究；中期，應開展生物質(zhì)高熱值氣化和氣化制氫，生物質(zhì)催化液化和超臨界液化，生物質(zhì)燃氣和燃油的精制，生物質(zhì)高效低成本轉(zhuǎn)化新方法的研究。生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換利用中的重點研究領(lǐng)域和科學問題包括：（1）生物質(zhì)熱解液化技術(shù)及基礎開展生物質(zhì)熱解機理研究及生物質(zhì)熱解過程機理和熱解動力學模型研究；進一步研究生物質(zhì)快速熱解裝置內(nèi)生物質(zhì)快速熱解過程中的熱化學反應機理及特性、熱質(zhì)傳輸規(guī)律及對生物質(zhì)熱解性能的阻礙，建立復雜熱化學反應體系熱質(zhì)傳輸及快速熱解過程的理論模型；對含不凝性氣體多組份熱裂解汽態(tài)生物油快速凝聚換熱特性及強化傳熱技術(shù)進行研究；依據(jù)基礎研究成果，開發(fā)高效生物質(zhì)快速熱解液化技術(shù)及裝置。（2）生物質(zhì)高效氣化器及先進氣化發(fā)電技術(shù)和系統(tǒng)探討中熱值氣化反應器內(nèi)氣化反應機理、氣化反應動力學、碳燃燒、熱質(zhì)傳輸規(guī)律及對氣化過程阻礙，提出反應器理論模型；研究生物質(zhì)催化氣化和焦油催化裂解的反應機理和傳熱傳質(zhì)規(guī)律；在此基礎上，開發(fā)中熱值和聯(lián)合氣化高效氣化器以及生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)研究，進展高熱值氣化技術(shù)；開展生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)（BIG/CC）、生物質(zhì)能的多聯(lián)產(chǎn)（熱、電、冷、燃料）、生物質(zhì)氣固體氧化物燃料電池技術(shù)研究；開展高效生物質(zhì)氣化、氣體凈化、合成液體燃料的基礎研究。（3）生物質(zhì)燃氣和燃油精制技術(shù)及相關(guān)基礎開展生物質(zhì)燃氣凈化及組分調(diào)整的過程機理、催化劑、催化反應動力學及反應器內(nèi)熱質(zhì)傳輸規(guī)律的研究。在生物油改質(zhì)及品位提升方面，應開展生物質(zhì)油精制新技術(shù)機理、反應動力學、重整器內(nèi)流淌及傳輸規(guī)律等基礎研究，以及開展生物油制氫新方法研究。（4）都市廢棄物無害化能源化利用開展都市廢棄物直接焚燒、熱解、氣化、厭氧消化等處理過程機理以及有機污染物形成與操縱規(guī)律的研究，進展低污染排放的都市廢棄物能源化利用技術(shù)。（5）生物發(fā)酵與生物制氫過程中生化反應和熱物理基礎為生物化學工程、工程熱物理、微生物學、物理化學和化學工程等學科的交叉研究領(lǐng)域，其中生物制氫反應器內(nèi)流淌和熱質(zhì)傳輸特性及高效菌群構(gòu)建對生化反應器的性能和效率提高具有特不重要的作用。應開展生物發(fā)酵與生物制氫過程中微觀熱質(zhì)傳遞、生物代謝途徑與規(guī)律、高效產(chǎn)氫菌群構(gòu)建和分子生態(tài)學診斷、能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換機理及規(guī)律研究；開展生化反應器內(nèi)生化反應動力學及反應過程耦合機理、多相流淌、熱質(zhì)傳輸規(guī)律以及含生化反應的復雜結(jié)構(gòu)材料內(nèi)多元多相流淌與傳輸特性的研究工作。結(jié)合現(xiàn)代生物工程技術(shù)篩選能高效處理生物質(zhì)的優(yōu)良菌種，提高菌種的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率和光能利用效率，開發(fā)藻類通過光合作用分解水生產(chǎn)氫能的技術(shù)，研制高效生物制氫反應器。6.3.3風能近期風能利用研究應以大型風力發(fā)電機和海上風力發(fā)電的基礎理論研究與應用技術(shù)研究為主，逐步加強對風能氣象學及大氣邊界層風特性、局部風場預測和檢測技術(shù)等方面的研究；中期應開展風力發(fā)電機組儲能技術(shù)和風能-氫能、風能-太陽能等多能互補綜合利用系統(tǒng)的研究，同時開展對風能在海水淡化、制熱和制冷等領(lǐng)域的應用研究。（1）兆瓦級變速恒頻型風力機的基礎理論空氣動力學問題：要緊包括非定常氣動力研究及氣動結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和設計方法研究，復雜來流及其極限條件下的漿葉氣動力學理論，地面及塔架效應對風力機氣動阻礙，漿葉尾跡流及其風力機陣列的優(yōu)化組合，自然環(huán)境（雨、雪、雹、風暴）對風力機運行的阻礙及適應復雜環(huán)境的風力機運行與操縱策略，非定常風沙動力學與漿葉磨損機理等。氣彈彈性穩(wěn)定性問題：要緊包括大型柔性葉片彈性變形與非定常氣動力間的耦合關(guān)系，漿葉－風輪－塔架－發(fā)電系統(tǒng)的流體誘發(fā)振動及其操縱的理論，葉片和機組氣動彈性穩(wěn)定性特征方程和判據(jù)準則等。極端載荷分析問題：要緊包括風力機運行過程動態(tài)模擬研究，隨機載荷分析，交變應力分析，可靠性設計，漿葉疲勞分析及壽命評估理論。（2）海上風力發(fā)電的基礎風力和波力聯(lián)合作用下的空氣動力學問題：相關(guān)于陸上風力機而言，海上風力機受波浪和風的雙重作用，在疲勞載荷和極端載荷分析中必須考慮波力和風力的聯(lián)合作用。海上風力機基礎結(jié)構(gòu)設計理論問題：要緊包括基礎結(jié)構(gòu)形式研究和各