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可再生能源的基础科学问题及其相关技术

已有 7142 次阅读 2008-5-18 21:15 |个人分类:科坛漫步|系统分类:科研笔记|关键词:可再生能源,综述,科学技术| 综述, 科学技术, 可再生能源

本文发表在2008年第8期《科技导报》
0 引言
  能源问题是制约 21 世纪经济社会发展的全球性问题。随着我国经济增长方式的转变,能源问题也越来越成为影响我国可持续发展的关键性瓶颈问题,并成为广大专家学者关注、研究的热点问题[1-5]。2007年,我国一次能源生产量23.7亿t标煤,消费量26.5亿t标煤,二者均居世界第二[6]。鉴于化石能源逐步开始耗竭,大量使用化石能源引起的环境污染和气候变化问题日趋严重,自21世纪开始,全世界向可持续能源系统过渡的进程已经起步。我国有专家强调[7],21世纪上半叶,我国能源战略必须走减小化石能源用量、增大核能与可再生能源份额的发展路径,积极构建能源可持续发展体系。而以太阳能、生物质能、风能为代表的可再生能源基础科学问题的研究,以及相应的技术问题探讨,使得这些可再生能源逐渐走向市场,正向人们展示美好的能源永续利用和可持续发展前景[8]。本文主要根据文献[9]内容,结合《科技导报》等科技期刊近3年来发表的有关可再生能源方面的研究成果,介绍了太阳能、生物质能、风能为代表的可再生能源当前受关注的有关基础科学问题及其相关技术。
 
1 太阳能的基础科学问题及其相关技术
  太阳能是通过太阳内部由氢聚变成氦的原子核反应释放出的巨大能量,经向宇宙空间源源不断辐射而到达地球表面并被人类所捕获的能量。与常规能源相比,太阳能是人类可以利用最为丰富的、分布广泛的、且可再生的能源——相对于人类的有限生存时间而言,它在地球上的开发、利用基本上不受地域的限制,同时它又是一种对环境和生态均不产生负面影响的洁净能源。而要想有效地利用好太阳能,就必须解决太阳能的采集、转换、储存、输运等4个基本技术问题。
  作为有望在未来社会能源结构中发挥更加重要作用的最主要的可再生能源资源,太阳能目前的主要研究领域包括太阳能光热利用和太阳电池技术。前者主要包括太阳能集热器技术、太阳能制冷降温技术、太阳能热发电技术,以及太阳能光伏发电技术和建筑物太阳能利用技术等;后者主要包括太阳级硅材料制造和产业技术、商业化光伏发电技术、边远地区光伏发电实用技术等[8] 。
  人类最早认识和利用的太阳能转换手段就是光热利用,光热利用也是未来太阳能低成本、规模化应用的最重要的领域。然而,在这一领域,目前具有一定应用规模的还只有太阳能热水器,而其中中国对太阳能热水器的利用又居世界的首位——2006年我国共有3 000多家太阳能热水器生产企业,热水器保有量一直占据世界总保有量的50%以上[10]。在其他可以利用太阳能作为重要能源的场合,如采暖、空调、海水淡化、养殖、发电、制氢以及生物质燃料及其他形式能源转换方面,太阳能的应用还做得远远不够。关键的问题是缺乏能够使太阳能在能量转换过程中实现高效化、经济化的方法、设备和系统形式。因此,研究解决围绕太阳能转换利用的新设备、新工艺、新材料、新系统中的有关基础科学问题和相关技术问题,将有助于推进太阳能高效化、低成本、规模化应用,为发展和丰富太阳能转换利用方式提供科学依据,为实现能源结构的可持续发展提供持久的动力[9]。
  文献[9]认为,太阳能光热转换利用领域今后发展的目标主要有:① 针对太阳能规模化利用所需要解决的太阳能热能转换利用的各个环节,以工程热物理和能源利用学科为基础,以材料科学、化学化工、建筑学等学科交叉研究为动力,以太阳能大规模、低成本、高效化应用为目标,不断提高太阳能的转换利用效率;② 进一步丰富和发展太阳能转换利用研究体系,尤其是将热力学、传热传质学、热化学、热经济学等领域的研究成果深入贯穿到太阳能转化利用现象的分析之中,以解决太阳辐射-热能、太阳辐射-电能、太阳能-化学能、太阳辐射-制冷效应等转换中所涉及的热力学问题,以及能量转换、储存、传递等过程的经济化与高效化问题,为实现能源结构多元化和提高太阳能利用水平发挥积极作用。为实现上述目标,结合参加第18期双清论坛的专家学者建议[9],以及《科技导报》近3年有关太阳能问题论文的有关研究成果[11-14],有关太阳能光热利用领域的基础研究方向和技术问题涉及以下几个方面。
  1) 太阳辐射热力学和资源评估。该方向将重点研究太阳能资源的评估、测量方法,包括对总辐射、直射辐射、散射辐射资源条件的准确分析,对我国不同地区太阳能资源条件的准确定位,确定太阳能资源条件与太阳能能量转换利用方式之间的匹配关系;从辐射热力学和几何光学等角度出发,结合合适的能量转换方式,研究高效、低成本捕获太阳辐射并转换为热能以及分频、分质利用太阳能的最优途径。
  2) 太阳能热发电。太阳能热发电领域重点需要解决的问题有:① 高温太阳能集热器与热力机的匹配耦合问题、可靠性问题及热机循环工质的筛选;② 基于太阳能的热电转换高效动力循环研究;③ 各类太阳能热发电系统的性能优化和动态特性研究;④ 高温工质(如熔融盐)的传热规律研究;⑤ 腔体吸热器中的复杂辐射换热;⑥ 太阳池发电技术的使用条件、可行性研究等;⑦ 为提高发电效率、降低发电成本而开展的太阳能温差发电技术、热电转换材料热力学问题,以及热电-光电转换综合利用研究;⑧ 在太阳能热发电中用于能量吸收、输运和储存介质的新一代热流体的热物理性能,以及先进的热存储技术研究。
  3) 太阳能中高温集热。该方向主要是研究太阳能中高温集热转换技术,如适合中高温集热的选择性涂层材料及其表面辐射换热特性,新型中高温吸收器部件传热强化机理及结构,纳米材料用于太阳能集热转换强化辐射吸收机理,太阳光学器件的热效应抑制方法,聚能装置接收端辐射能量分布优化等;研究目标是为不同的太阳能利用方式提供能量源泉,重点是能够用于高效太阳能空调、热化学和热发电过程的聚焦太阳能集热技术研究等。
  4) 太阳能利用与建筑节能。各类建筑物是利用太阳能的良好载体,通过充分、合理利用太阳能资源,可以实现大幅的建筑节能。建筑物利用太阳能包括采暖、采光、热水、空调、强化自然通风、电力供应,以及利用光催化降解有机物以改善室内环境并进行水质净化等方面。目前需要相关领域的科技工作者共同攻关,研究建筑物各个方面综合利用太阳能的最优形式和最佳方式等,解决近室温太阳能集热和高效利用以及与建筑物室内环境的耦合问题,开展建筑节能热舒适性反问题设计原理和相应建筑节能材料热性能确定原理和方法等方面的研究。
  5)太阳能供热与采暖。民用建筑和工业加热领域的供热与采暖,是太阳能规模化应用的最重要领域。该领域重点需要解决大规模太阳能阵列复杂辐射、对流和传导耦合传热问题,以低热损、低成本为目标,建立太阳能集热-用能环节最优耦合匹配的热力学分析方法,不断解决太阳能光热转换规模化利用过程中出现的新问题和新现象等。
  6)太阳能制冷与热泵。利用太阳能制冷技术季节匹配性好的特点,结合太阳能规模化利用的趋势,应重点研究:① 中低温位热能驱动的太阳能制冷循环系统,特别是能与常规太阳能集热器结合使用的制冷系统;② 从能源结构多元化角度出发,研究有辅助能源的各类太阳能制冷空调系统,以太阳能利用分数最大化为目标,考虑太阳辐射的波动性,解决不同能源结构之间的耦合匹配问题;③ 系统的动态稳态特性与传递过程强化研究等;④ 太阳能热泵中的两相流动传热及系统优化研究。
  7) 太阳能能源材料的热物性。如,用于太阳能热发电系统的混合熔盐的制备与物性研究,用于发电循环的循环工质、高温高热流气体传热特性研究,选择性涂层材料的热稳定性研究,高效储能材料的蓄能特性研究,小温差能量蓄存、转移机理研究,用于太阳能集热转换的多孔介质辐射对流导热复合的传热特性研究,以及其他太阳能材料的热效应研究等。
  8)  太阳能热化学转化及其他热物理问题。太阳能热化学转化涉及的问题主要是太阳能热解制氢以及热解制合成气,重点需要研究解决太阳能光解热解转换过程中的热物理问题等。太阳能转换、利用过程中的其他热物理问题包括:能量系统中太阳能与其他能源的耦合匹配、多能互补问题,基于太阳能利用分数最大化的热力学和能量利用系统优化问题等。
  9)太阳能电池材料及关键技术。近年来,我国太阳能电池生产发展速度惊人,引起世界瞩目:2006年,生产光伏电池369 MW,生产能力1 200MW,位居世界第三[10]。进一步发展我国太阳能电池产业,应着重解决:① 制约光伏电池产业发展的多晶硅材料及其技术研究[11-12];② 固态染料敏化太阳能电池等新型太阳能电池研究[13];③ 可用于风能、太阳能发电的蓄能、电网调峰、用电大户自备电源的大规模蓄电技术——液流蓄电池及其关键技术研究[14],等等。
  10)利用太阳能规模制氢。包括:太阳能光解水研究,太阳能热解水研究,生物质制氢的基础理论研究,大规模高效、低成本制氢的理论与技术体系研究[15]。
  
2 生物质能利用的基础科学问题及其相关技术
  据《中国新能源与可再生能源1999白皮书》定义[16],生物质能是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。作为可再生能源,生物质能通常包括木材及森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等,具有燃烧容易、污染少、灰分较低、热值及热效率低、体积大且不易运输等特点。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油和天然气居世界能源消费总量第四位的能源。地球上每年生长的生物质总量约为 1 400-1 800 亿t(干重),其含有的能量相当于目前世界总能耗的10倍,因而在整个能源系统中占有重要地位[9]。
  目前,生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一,受到世界各国政府与科学家的关注。美国2000年通过了《生物质研发法案》,2002年制订了《生物质技术路线图》,计划2020年使生物质能源和生物质基产品较2000年增加10倍,达到全国能源总消费量的25%(2050年达到50%),每年减少碳排放量1亿 t。欧盟提出,到2020年,运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代。世界经合组织(OCED)在2004年9月的研究报告中指出:“各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新,减小它与传统原油及天然气产品的价格差距,以最终达到替代的结果。”[4]截止2006年底,我国生物质发电装机容量为220万kW,占全国发电装机总容量的0.35%,约占全世界生物质发电装机总容量的4%左右[10]。由于生物质能的利用受资源分散、能量密度低、转化效率低等条件的制约,因此,生物质能的利用必须综合考虑中国国情,进行多种途径的利用,在技术上多途径并进,除重点发展生物质能直接氧化燃烧和供热发电技术、压缩成型技术、热化学转换技术(气化法、热分解法、液化法和生化法)、大中型沼气工程技术、生物质能气化、以及集中供气发电技术和生物液体燃料发展系统外[8],还应力争在下述关键性的基础科学问题上获得突破,为我国的生物质能利用技术的跨越式发展提供理论支撑[16]。
  1)生物质转化为高品位能源的化学基础。这方面的研究包括:高能量密度物种的筛选、热化学转化、多学科交叉,C、H、O、N 循环规律以及生态环境受影响的程度等;生物质超分子结构表征,生物质生化转化过程、生物质利用中的催化问题,生物质大分子在物化作用下的构象调变机理,生物质分子热分解、酸水解、生物分解等分解机理及其选择性调控规律,生物质解构产物品位提升中的生化、催化等过程的反应规律。
  生物质制取液体燃料的化学本质是深度脱氧。有关专家指出[9],应该重视利用产油微生物转化生物质、转化水解混合糖获取微生物油脂和生物柴油的方法。水解产物混合液(包含已糖和戊糖)经产油微生物转化为微生物油脂为生物柴油,具有较明显的原材料资源优势和全糖转化优势。通过对生物质-水解-碳水化合物-微生物-生物油脂过程的研究,加强对生物质能的研究开发,使之从碳氢化合物经济到碳水化合物经济过渡。
  目前,生物质气化多采用部分氧化的工艺,气体热值较低 ( < 10MJ / m3 ) ,氢气含量较低,不适合合成液体燃料。如果借鉴炼油工业重油流化催化裂化工艺(FCC ),在裂化反应器中将生物质催化分解成高热值(16MJ / m3以上)、高H/C比的合成气,产生的焦炭及重焦油在再生反应器中燃烧,一方面为裂化反应供热,另一方面使催化剂再生,并使产生的 C02 可以集中脱除,以达到绿色环保、可持续发展的目的。这其中的科学问题包括:新型生物质催化裂解反应器设计及工艺研究,催化裂解反应机理及控制手段,再生反应器燃烧反应机理研究,催化裂解气化工艺中裂解系统与焦炭燃烧系统的平衡操作与控制。
  此外,生物质能的利用还应包含诸如造纸废弃的木质素生物质能利用,生物质燃料油木本原料利用和微藻利用,以及生物质中纤维素和半纤维素转化中副产品 CO2的利用等问题[17-20]。
  2)生物质能热利用。生物质挥发分含量极高,固定碳的比例较低,活化能比较低,着火性能好,综合燃烧特性指数高,其综合燃烧性能好,燃烧比较剧烈,燃尽时间较短。目前,生物质燃烧锅炉基本是流化床锅炉,具有燃烧适应性好、效率高、负荷调节范围宽、操作简单、具有可再生、NOx 排放低、不增加CO2排放等优点。但与煤相比,生物质能又具有能量密度低(产量 500kg/亩、发热量 16 MJ/kg、堆积密度 50-300 kg /m3)、灰熔点低等缺点。因此,开展大规模生物质热利用将遇到收集困难(受经济运输半径和季节的限制)、炉壁灰渣熔融沉积和腐蚀、床层聚团等问题,而生物质与煤作为混合燃料进行热利用则可以克服这些缺点。
  大型燃煤电厂已开始试行将生物质与矿物燃料联合燃烧,而这其中的关键问题则有:① 生物质的化学组成与煤有很大的区别,特别是K、Na、Cl、O的含量明显高于煤中的含量,将影响燃烧过程中不同阶段的反应机理和动力学参数,因此,应研究生物质/煤在高温下反应的协同互补、抑制效应机理;② 生物质密度低,颗粒呈不规则纤维状,在燃烧过程中,这些颗粒将单独或与煤一起输送到炉膛中燃烧。因此,应研究多密度、复杂形状、超宽筛分气固两相体系,尤其是在流化床内的流动规律及其对传递、反应过程的影响;③ 生物质燃烧中一个重要问题是,由于K、Na、Cl、S逸出后,经过反应、冷凝、成核生成可吸入颗粒物,或直接冷凝在受热面上形成积灰,进而对受热面造成腐蚀。因此,应研究非平衡系统中气固转化及其在界面上的物理化学过程;④ 有关单纯生物质或煤的热解/气化/燃烧等热利用过程已有较多研究,而生物质/煤混合燃料的高效洁净转化研究则相对较少——这需要考虑生物质与煤组成成分的不同。混合燃料热利用过程不是两者单独效果的“简单叠加”,而是会出现所谓的“协同效应”,因此,也需要研究生物质/煤混合燃料的高效洁净转化问题。
  3)生物质微生物能源转化。微生物能源转化技术是生物质转化成有用能量的重要途径之一,它主要包括微生物厌氧发酵技术(产生乙醇、甲烷等燃料物质)和微生物制氢技术两种方式。微生物厌氧发酵技术是在严格厌氧条件下,利用厌氧菌生理代谢将生物质分解产生乙醇、甲醇或甲烷等目的产物,它主要包括液体燃料发酵生产技术和沼气发酵生产技术两种。微生物法制氢方式主要包括:① 发酵型细菌产氢,即直接把有机底物转化为 H2和CO2;② 微藻光合生物制氢,将水分解成H2和O2;③ 厌氧光合产氢,在光能驱动下光合微生物通过消耗有机物产生氢气;④ 将厌氧光合细菌产氢与发酵型细菌产氢结合起来,能充分利用发酵型细菌产生的有机酸,有效地提高产氢率并降低污染物COD。
  微生物能源转化技术中的热物理问题研究涉及工程热物理、生物化学工程、微生物学、物理化学和化学工程等学科的交叉研究领域,其中生化反应器内流动和热质传输特性以及高效菌群构建对提高生化反应器的性能和效率具有非常重要的作用。为此,有关专家建议[9],应开展微生物能源转化过程中微观热质传递、生物代谢途径与规律、高效产氢菌群构建和分子生态学诊断、能量和物质转换机理及规律研究;开展生化反应器内生化反应动力学及反应过程耦合机理、多相流动、热质传输规律以及含生化反应的复杂结构材料内多元多相流动与传输特性的研究。
  有关专家认为[9],生物质能利用领域近期应重点资助的研究方向包括:生物质高效气化器基础以及气化发电的基础研究;生物质气化合成液体燃料的机理性研究;高效生物质热解液化技术及基础研究;生物质催化液化和超临界液化研究;生物质燃气和燃油的精制技术及相关基础研究;生物制氢过程生化化学反应动力学及相关热物理问题研究;高效厌氧消化反应器生化反应动力学及相关热物理问题研究;生物质酸水解及水解产物制取生物乙醇和生物柴油的机理性研究;生物质解构复杂产物品位提升中的生化过程的反应规律研究;生物质快速热解制备生物油[21],等等。
  
风能利用的基础科学问题及其相关技术
  风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。据估计,到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能,但其总量仍然十分可观:全球的风能约为2.74×109 MW,其中可利用的风能为2×107 MW,比地球上可开发利用的水能总量还要多10倍[22]。人类利用风能的历史可以追溯到公元前,但数千年来,风能技术发展缓慢。但是,自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为一种无污染和可再生的新能源才重新有了长足的发展。风能的开发利用是我国乃至全世界正在发展中的行之有效的绿色能源形式,也是我国未来能源发展中最有潜力的一个重要组成部分。风力发电是我国发展最快的发电技术。截至2006年,我国风电装机容量为260万kW,占全国总装机容量的0.42%,发电装机规模已从2004年的第10位上升至第4位,发展速度已位居世界第2位[9];2010年风力发电装机容量还将从2007年的605万kW增长至2 000万kW[6]。
  风能利用的最大难题是风速与风向的不稳定性和随机性。对于这种强随机性的气动系统,目前还存在一些制约自主研发能力的基础科学问题亟待解决。我国的风能开发利用研究一方面要针对我国的战略需求,着重解决我国特有气象条件、地理条件下的风力机设计、运行所面临的特殊问题,另一方面还要放眼全球,站在人类发展的高度,研究解决风电系统所面临的共性科学问题。
  我国蕴藏着丰富的风能资源,据估计,我国陆地上的风能储量为2.53亿kW,近海的风能储量为7.5亿kW。我国的资源与环境状况决定了在本世纪的能源利用中,风能利用将越来越重要。在如此大的风能资源开发与利用中,人们在关注大型风力发电设备的研究与开发时,也应十分重视对小型风能的研究开发与利用。多数可再生能源发电方式(如风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等)具有容量小、分散、功率不稳定等特点,直接接入大型电力系统时可能导致系统运行方式的波动,甚至影响系统的稳定。因此,目前的一种发展趋势是:将单一种类或者两种以上的分布式发电技术与各种储能装置(超级电容、飞轮、蓄电池等)、控制保护装置以及用电负荷等组合,形成分布式电力系统或者微电网系统。
  风能利用涉及气象学、地理学、力学、叶轮机械、电力系统等方面的交叉研究领域。这一领域的研究工作不仅可以为我国未来风能的开发利用在基础层面上提供有力的技术支持,也有可能在多学科交叉方面形成新的生长点。文献[9]综述认为,有关风能利用的相关基础研究和应用研究内容包括如下几个方面。
  1)风场紊流模型研究。研究可以正确反映紊流时空结构的风场紊流模型和分析方法,紊流风场对风力机疲劳载荷和极端载荷分析的作用和影响,得到超大风速、强紊流度下的风力机非定常随机过程的分析方法。
  2)动态空气动力学研究。研究紊流风场作用下动态过程分析采用的动态气动模型,确定动态气动模型在叶素动量理论体系中的应用方法,分析动态尾流模型对速度诱导因子变化率的作用;研究用动态失速模型计算气动阻尼的分析方法,得到应用动态气动模型分析风力机动态过程的方法和工具。
  3)风力机专用翼型的气动性能研究。研究发展翼型气动数据测试技术,得到任意形状翼型的气动实测数据;建立能适应大攻角的粘性流体N- S方程翼型分析计算模型;研究翼型多目标优化设计方法,设计适用于风力机全工况的新翼型系列并计算其气动性能数据。
  4)叶片气动优化设计研究。建立能满足风力机叶片气动、结构和稳定性要求的多目标优化方法;通过对翼型、相对厚度、弦长、扭角等外形参数沿展向的分布特性进行优化计算,得到满足气动最优的设计方法;考虑结构和制造的工艺性要求,在保证气动性能指标的前提下,研究叶片气动外形的修正方法。
  4)分布式电力系统或微电网系统研究。该领域需要解决的问题包括:① 各种主要的分布式发电技术的特性和建模;② 分布式电力系统的分析理论、方法和工具;③ 分布式电力系统的典型结构和运行方式(不同应用场合的典型的组合形式);④ 分布式电力系统的控制和保护技术(接入主系统或独立运行);⑤ 分布式电力系统所涉及的经济性和政策性问题,等等。
  文献[9]指出,关于风能的利用问题,近期值得重视的研究方向有:叶轮非定常空气动力学建模及先进数值模拟方法;风电机组柔性多体模拟方法;风电机组动态载荷、结构强度和气动弹性分析理论;大型风力机叶片优化设计理论与方法;风电系统中流动发声机理及控制方法研究;大型风电机组发电机结构;大型风力发电机组功率变换器及控制理论与方法;超低速直驱新型风力发电机;变风速工况下的电功率控制与能量管理的理论与方法;可再生能源发电、分布式电力系统与传统大电力系统的协调,等等。
  
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