工程热物理与能源利用学科发展战略研究报告doc.docx
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工程热物理与能源利用学科发展战略研究报告
篇一：
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。
XX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XX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（StephanH.Industrialbiotechnology-achanceatredemption.Nature
Biotrchnology,XX（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80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XX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。
现代风力机系统包括自然风、风轮、机械系统、控制系统和电力系统等相互作用的子系统，涉及到工程热物理与能源利用、大气科学、机械科学、电工科学、材料科学、自动化科学等多个学科。
工程热物理与能源利用学科主要研究复杂地形和极端气候条件下的大气边界层风特性、风轮非定常空气动力学、刚柔耦合结构多体动力学、多能互补综合利用系统和新型风能转换系统等问题，密切相关的分支学科有工程热力学、流体力学、热物性与热物理测试技术等。
6.1.4地热能
地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。
地热能是来自地球深处的可再生热能，起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。
如果热量提取的速度不超过补充的速度，地热能便是可再生的。
地热能在世界很多地区应用相当广泛，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PWh。
地热能分布相对比较分散，开发难度大。
根据地热水温度的高低，地热资源分为高温（>150℃）、中温（150-90℃）和低温（＜90℃＝3种。
高温地热能主要用于发电，中低温地热能一般可直接利用（供热、温室、旅游和疗养等）。
日益关注全球气候变暖和矿物燃料利用所致各种环境污染的今天，地热能作为一种清洁、无污染的能源倍受各国重视。
与地热能利用相关的工程热物理学科的基础科学问题包括：
地热资源勘测、采集中的
篇二：
工程热物理与能源利用学科部分重要国际学术期刊列表
工程热物理与能源利用学科部分重要国际学术期刊列表
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篇三：
能源动力学科专业发展战略研究报告
能源动力学科专业发展战略研究报告
能源动力学科教学指导委员会
一、我国能源动力学科高等教育发展历史沿革和面临的形势
1.发展历史沿革
我国能源动力类专业形成于20世纪50年代。
以交通大学为例，1952年院系调整时，当时设在机械系中的动力组就单独成立了动力机械系。
由于受当时苏联教育体制的影响，在该学科的发展过程中，专业面曾一度越分越细。
50年代初期只有锅炉、汽轮机、内燃机等专业，以后又先后办起制冷专业与风机专业，制冷专业又细分出压缩机、制冷及低温专业。
在50年代末又创办了核能专业，在六七十年代有些学校先后设立了工程热物理专业。
这样，能源动力学科中的专业就先后包括有锅炉、涡轮机、电厂热能、风机、压缩机、制冷、低温、内燃机、工程热物理，水力机械以及核能工程等11个专业，形成了明显的以产品带教学的基本格局。
热能与动力工程专业中包含的水利水电动力工程专业的前身为水电站动力装置专业。
该专业形成于20世纪50年代。
新中国成立以后，随着国家对水患的治理和经济建设的发展，国家设立了华东水利学院、武汉水利水电学院、华北水利水电学院等一些专门的水利院校，1958年起在这些院校和西安交通大学水利系（西安理工大学水电学院的前身）设立了水电站动力装置专业，以满足国家对水电建设人才的迫切需求。
1977年恢复高考招生后，该专业更名为水电站动力设备专业。
1984年该专业更名为水利水电动力工程专业，涵盖了原水能动力工程、水电站动力装置、水电站动力设备、水能动力及其自动化、机电排灌工程、水能动力与提水工程等专业，昆明工业学院、成都科技大学等一些院校都设置了该专业。
1998年，按照教育部颁布的新的专业目录，水利水电动力工程专业并入热能与动力工程专业，新的热能与动力工程专业包含了原来的热力发动机、流体机械及流体工程、热能工程与动力机械、热能工程、制冷与低温技术、能源工程、工程热物理、水利水电动力、工程冷冻冷藏工程等9个专业。
客观上说，这种专业划分与当时我国计划经济的体制以及工业发展的实际情况，在一定程度上是相适应的。
过窄的专业面，但却培养了专业工作能力较强的学生。
因此，在当时对我国经济的发展和工业体系的重建，曾经起到过积极的作用。
但随着社会经济向现代化方向的发展和高新科学技术的进步，特别是我国改革开放以后，国外先进科技、管理体系的大量引进，学科的交叉融合不断产生新的经济增长点，原有的过细过窄的工科专业设置，总体上已不能适应新的形势和发展对人才
的需要，必须进行专业调整。
因此，在1993年原国家教委进行的专业目录调整中，将能源动力学科的上述前10个专业压缩为4个专业，即热能工程、热力发动机、制冷与低温工程、流体机械与流体工程，核工程与核技术保留。
1998年，教育部颁布了新的专业目录，将上述前4个专业进一步合并为热能与动力工程专业，核工程与核技术专业单独设立，而在引导性的专业目录中，则建议将热能工程与核能工程合并。
但当时我国大多数学校还是采用了热能工程与核能工程单独设专业的方案。
因此，在XX年教育部设立的新一轮教学指导委员会中，在能源动力学科教学指导委员会下分设了三个委员会：
热能动力工程，核工程与核技术以及热工基础课程教学指导分委员会。
就核科学与技术类专业而言，既与能源动力学科有联系（如核能工程类专业）,又有其不同于能源动力学科的特征（如核技术应用类专业）。
该学科和专业是为了适应我国核武器事业和核科技工业的发展而与能源动力学科同期建立起来的，创建初期同样参照了前苏联模式，划分较细，主要有核反应堆工程、核动力装置、同位素分离、核材料、核物理（包括实验核物理、理论物理、辐射防护、加速器物理及核电子学）、核化工（包括前处理、后处理和轻同位素分离）、核地质、核矿冶等，这样的专业学科体系延续了近40年。
1998年教育部颁布的新专业目录将核工程、核技术两个本科专业合并为“核工程与核技术”专业。
将核工程、核技术相关的研究性学科合并为“核科学与技术”一级学科，下设4个二级学科，即核能科学与工程（含部分等离子体物理）、核燃料循环与材料、核技术及应用、辐射防护与环境保护；将与核物理相关的学科合并为“物理学”下的“等离子体物理”、“粒子物理与原子核物理”等学科；将与核地质铀矿冶相关的学科合并入“矿产普查与勘探”、“水文学及水资源”、“采矿工程”等学科。
本研究以核工程与核技术专业为重点，同时兼顾与此相关的其他专业。
目前，全国有100余所高校设有能源动力类专业，近20所高校设
有核工程或核技术专业（其中5所高校设有核工程专业）。
2.国外相应专业设置的对比
根据我们的初步调查，以美国为例，一般相应于我国热能动力工程专业的内容，大部分设置在机械中，作为机械系的一个专业方向，称为热流科学（ThermalandFluidScience）或能量系统（Energysystem），而核工程与核技术则一般单独设立或者在化工系中，例如美国麻省理工学院、佛罗里达大学等均如此（见附录）。
以下是该两校机械系的专业方向设置。
麻省理工学院机械系：
（1）热流科学（Thermalandfluidscience）；
（2）计算工程（ComputationalEngineering）；（3）能量利用与传输（EnergyUtilizationandTransportation）;（4）生物
机械工程（BiomechanicalEngineering）；（5）制造与材料加工（ManufacturingandMaterialsProcessing）;（6）力学与材料（MechanicsandMaterials）；（7）信息（Information）；（8）设计（Design）；（9）系统，计算机与控制（Systems,ComputersandControl）。
麻省理工学院工学院核工程系：
（1）核能方向（NuclearEnergyOption）；
（2）医学与工业辐射方向（RadiationformedicineandindustryOption）。
佛罗里达大学机械系：
（1）生物力学系统（Biomechanicalsystems）；
（2）能量转换系统（EnergyConversionSystem）；（3）机械系统（MechanicalSystem）；（4）热系统（Thermalsystem）；（4）制造（Manufacturing）；（6）机械手（Robotics）。
佛罗里达大学工学院核工程系：
（1）核与辐射工程方向；
（2）核工程科学方向。
从上面美国2所有代表性学校（麻省理工为一流大学，佛罗里达大学为高水平知名大学）的机械系与核工程系的设置可以看出以下共同特点：
（1）机械系学科的方向高度交叉，一些在我国是属于信息与电气类专业的内容，美国机械系照样研究；
（2）专业面相当地宽，即使能源动力方向也是比我们现在的专业设置要宽得多；（3）核工程是单独设系的。
3.面临的形势
能源动力工业是我国国民经济与国防建设的重要基础和支柱型产业，同时也是涉及多个领域高新技术的集成产业，在国家经济建设与社会发展中一直起着极其重要的作用。
近年来，随着我国各个方面改革的深化发展，包括市场经济的逐步建立、国有大中型企业机制的转换、加入WTO后面临的挑战，以及能源动力领域技术的发展，并考虑到我国核科技工业“十一五”以及到2020年发展所面临的形势与任务，我国能源动力类以及核相关专业人才的培养面临着严峻的挑战。
能源动力及环境是目前世界各国所面临的头等重大的社会问题，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76％，已成为我国大气污染的主要来源。
已经探明的常规能源剩余储量（煤炭、石油、天然气等）及可开采年限十分有限。
XX年的统计资料表明，我国化石能源剩余可储采比煤炭为92年，石油20.5年，仅为世界储采比的一半；天然气为63年，优质能源十分匮乏。
我国已成为世界第二大石油进口国，对国际石油市场的依赖度逐年提高，能源安全面临挑战，存在着十分危险的潜在危机，比世界总的能源形势更加严峻。
现在，能源资源的国际间竞争愈演愈烈，从伊拉克战争及战后重建，到中日双方在俄罗斯输油管线走向上的角逐等一系列国际问题，无不是国家间能源战略利益冲突、斗
争的具体反映。
因此，开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展更加迫切、更具重大意义。
我们应该清楚地认识到：
我国的能源资源是有限的，我国现有能源开发利用程度与效率很低，在清洁能源开发、能源综合高效利用和环境保护领域内，与发达国家存在着较大的差距：
我国水能资源理论蕴藏量（未包括台湾省）为6.76亿千瓦，可开发容量3.78亿千瓦,相应年发电量19200亿千瓦时，均居世界第一；至XX年底，水电装机容量达到9139万千瓦，年发电量2710亿千瓦时，开发率按电量算只有14％，按装机容量算只有24.2％，远远落后于美国、加拿大、西欧等发达国家，也落后于巴西、埃及、印度等发展中国家。
高耗能产品能源单耗比发达国家平均水平高40%左右，单位产值能耗是世界平均水平的2.3倍。
同时，实施可持续发展战略对能源发展提出了更高的要求。
长期以来，粗放型的增长方式使能源发展与保护环境、资源之间的矛盾日益尖锐。
未来能源发展中，如何充分利用天然气、水电、核电等清洁能源，加快新能源与可再生能源开发，推广应用洁净煤技术，逐步降低用于终端消费煤炭的比重，实现能源、经济、环境的可持续发展将是“十五”以及中长期能源发展面临的重要选择。
特别地，我国核科技工业是国家的战略行业。
完善的核科技工业体系是确立一个国家核大国地位的基本条件。
它既是国家战略威慑力量和国防科技工业的重要组成部分，是国家政治、国防安全的重要保障和外交利益所在，同时又是国民经济的重要产业。
核军工、核能、核燃料和核应用技术产业，是我国核科技工业的主要组成部分。
与此相适应，如何培养适应21世纪社会需要的能源动力类以及核相关专业的人才，是每个大学相关专业以及每位从事能源动力类专业教育的工作者需要解决的重要问题。
二、能源动力学科专业的主要特点
1.与环境问题的密切相关性
常规化石能源的使用是能源动力学科专业教学的主要内容之一，而常规化石能源的使用与环境问题密切相关。
目前，煤炭、石油、天然气等化石能源仍在整个能源构成中占据主导地位，而且估计在今后几十年的时间内这一局面还不会改变。
这些常规化石能源主要直接应用于火力发电，这会带来一系列严重的环境问题，比如硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。
据最近的报载，当前我国每年火力发电的煤炭耗量超过8亿吨，电厂的烟尘排放量约为350万吨，占全国烟尘排放量的35％。
其中，微细粒子（小于10微米）排放量超过250万吨，是影响大城市大气质量和能见度的主要因数，并严重危害人体健康。
因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须进行妥善处理和控制，实现其环境友好化，才能保证人类的生存和社会经济的可持续发展。
环境问题已经成为能源动力技术研究中的重要组成部分，也必须在专业课程的教学中有相应的体现。
也正是基于这一原因，浙江大学已经将原来的热能与动力工程专业改名为能源与环境系统工程专业。
核能发电虽然没有上述火力发电那样的问题，但有其独特的问题，如辐射防护与保健、
核废料的处置与处理等均与环境保护有关。
迫于环境方面对能源开发与利用的巨大压力，作为常规能源的水能由于具有清洁与可再生的特点，其开发与利用越来越得到重视，在我国能源发展战略占有十分重要的地位。
2.不同学科间的高度交叉性
能源动力学科的技术基础课程和专业课程涉及到多学科领域的知识，以热能动力工程专业为例，就涉及到以下各学科：
（1）热学学科；
（2）力学学科；（3）机械制造学科；（4）自动控制及计算机学科；（4）水力发电学科；（5）化学学科。
为适应21世纪初我国能源学科发展的需要，应当在各专业课程的设置中，适当安排各个有关学科的知识。
美国设有机械系的各高等院校，之所以专业的研究范围如此之宽（除了机械与热流科学外还包括信息控制，生物力学，MEMS等），也是与本专业的多学科交叉特性密切相关的。
类似地，核科学与技术类专业不但要以传统的热、力、机械、强/弱电等为专业基础，还与新兴的信息、生命、生物以及能源等相互交叉。
3.对国家政策法规及发展计划的依赖性
能源动力学科专业的发展极大地依赖于国家的发展政策。
最典型的是核工程专业。
在20世纪七八十年代，国家在核能发电上没有投资新建项目，使得我国各高校的有关核能发电方向的教师都一度没有足够的学生，有的甚至准备转业。
以后国家开始大力发展核电，情况就有了巨大的变化，以至于需要核能专业毕业生的数目超过了可分配毕业生的人数。
4.基础知识的广泛适用性
节能是我国能源发展战略的重要组成部分，关于节能的知识不仅能源动力学科的学生应当掌握，也是几乎所有工科学生应当掌握的内容。
这就要求不仅要做好本学科专业人才的培养，而且也应当承担起向所有工程专业的学生进行节能技术教学的任务。
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