中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：吳仲華先生于20世紀(jì)50年代初創(chuàng)立了國(guó)際公認(rèn)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)理論, 后又倡議創(chuàng)立研究熱、能、功的轉(zhuǎn)換與利用的基本物理規(guī)律的工程熱物理學(xué)科?，F(xiàn)在, 這兩者已成為能源動(dòng)力科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要理論支撐, 也是他留給世界的寶貴理論遺產(chǎn)。正如國(guó)際著名科學(xué)家田長(zhǎng)霖先生所說: “吳仲華先生一生對(duì)科學(xué)的主要貢獻(xiàn)有兩個(gè), 一是創(chuàng)立葉輪機(jī)械三元流動(dòng)理論, 這已經(jīng)是舉世公認(rèn)的了; 另一個(gè)是他提出了工程熱物理學(xué)科, 這一點(diǎn)還沒有被充分認(rèn)識(shí), 但它的意義隨著時(shí)間的推移, 會(huì)日益顯現(xiàn)”。其實(shí), 還有一個(gè)沒有被充分認(rèn)識(shí)的理論遺產(chǎn), 是他的“能的梯級(jí)利用與總能系統(tǒng)”思想。值此吳仲華先生100誕辰之際, 梳理、闡明總能系統(tǒng)的概念、內(nèi)涵及其最新的發(fā)展, 具有特殊的意義, 也可有助于總能系統(tǒng)思想在國(guó)家實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和強(qiáng)國(guó)強(qiáng)軍夢(mèng)中發(fā)揮更大的作用。
總能系統(tǒng)的概念與內(nèi)涵
每一代能源技術(shù)和動(dòng)力機(jī)械興起, 都推動(dòng)人類社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。18世紀(jì)蒸汽機(jī)的出現(xiàn), 使人類找到從化石能源轉(zhuǎn)化為功的辦法來承擔(dān)人的體力難以勝任的勞動(dòng), 開始了現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)的新紀(jì)元, 帶動(dòng)了第一次產(chǎn)業(yè)革命與資本主義的成長(zhǎng), 也推動(dòng)能源動(dòng)力科學(xué)研究的全面展開; 石油資源的發(fā)現(xiàn), 開拓了能源利用的新時(shí)代, 又推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的發(fā)展, 為現(xiàn)代交通和電氣化創(chuàng)造了條件。百年來熱機(jī)學(xué)者們都是遵循經(jīng)典卡諾定理理論來開展相關(guān)研究, 主要研究熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的規(guī)律和方法以及使熱機(jī)更有效地將熱能轉(zhuǎn)化為功的途徑。但是, 僅依靠簡(jiǎn)單循環(huán)構(gòu)建熱力系統(tǒng)的方法, 越來越不能適應(yīng)發(fā)展的需要, 繼續(xù)提高循環(huán)效率的難度越來越大, 低能耗控制污染更是無能為力。
20世紀(jì)80年代初, 在對(duì)能源利用的核心科學(xué)問題進(jìn)行全面深入地綜合與總結(jié)后, 吳仲華提出了基于熱能品位概念的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”理念, 作為普遍適用的熱能利用原理, 對(duì)能源動(dòng)力的發(fā)展應(yīng)用具有重要的意義。他通過圖1來表示各種能源經(jīng)過各種設(shè)備轉(zhuǎn)化為各種不同形式的能來使用的情況。他認(rèn)為在開發(fā)利用能源時(shí), 要認(rèn)真比較各種能源的優(yōu)缺點(diǎn), 對(duì)各種能源的品質(zhì)很好地加以綜合考慮; 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將為較大幅度地提高能源利用率提供可能性和多樣性, 但都必須重視基于能的品位概念的梯級(jí)利用理念。
圖1 能源及其轉(zhuǎn)化和利用示意圖
1988年, 他主編撰寫了《能的梯級(jí)利用與燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)》專著, 對(duì)能的梯級(jí)利用與總能系統(tǒng)進(jìn)一步做了全面闡述。首先, 他從能量轉(zhuǎn)化的基本定律出發(fā), 闡述總能系統(tǒng)中能的綜合梯級(jí)利用與品位概念, 提出了著名的“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原理(圖2)。包括: ① 通過熱機(jī)把能源最有效地轉(zhuǎn)化成機(jī)械能時(shí), 基于熱源品位概念的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則。② 把熱機(jī)發(fā)電和余熱利用或供熱聯(lián)合時(shí), 大幅度提高能源利用率的“功熱并供的梯級(jí)利用”原則。③ 把高溫下使用的熱機(jī)與中低溫下工作的熱機(jī)有機(jī)聯(lián)合時(shí), “聯(lián)合循環(huán)的梯級(jí)利用”原則等。
總能系統(tǒng)是近年來提倡的高效合理的能源利用系統(tǒng), 它是一種根據(jù)“能的梯級(jí)利用”原理來提高能源利用水平的能量系統(tǒng)及其相應(yīng)的概念與方法?！皽囟葘?duì)口、梯級(jí)利用”的熱力系統(tǒng), 通常被稱為總能系統(tǒng)(狹義)。吳仲華給它下這樣定義: 總的安排好功(電)與熱的能源利用, 而不僅是著眼于提高單一生產(chǎn)過程或工藝的能源利用率。從能源科技發(fā)展角度看, 能源動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展研究可分為三個(gè)階段或?qū)用? 第一代基本上是在單一熱力循環(huán)的熱力系統(tǒng)層面, 即是簡(jiǎn)單的熱力系統(tǒng)形式, 以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ), 追求更高的總能利用率。第二代是基于第二定律, 注意到能的品位和與梯級(jí)利用, 開始提出總能系統(tǒng)概念, 不過還局限于熱工領(lǐng)域, 為狹義或傳統(tǒng)的總能系統(tǒng)。第三代則是在可持續(xù)發(fā)展的大背景下全面發(fā)展的廣義總能系統(tǒng), 即多領(lǐng)域?qū)W科交叉滲透、多能源與多輸出一體化的多功能能源系統(tǒng), 為新世紀(jì)能源動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的主流方向和前沿。
現(xiàn)在, 能的梯級(jí)利用原理已成為能源動(dòng)力系統(tǒng)集成開拓的關(guān)鍵核心科學(xué)問題, 于它集成的總能系統(tǒng)則成為能源科學(xué)發(fā)展的主流思想, 對(duì)能源科學(xué)技術(shù)和能源學(xué)科、乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。
圖2 能的梯級(jí)利用示意圖
能的梯級(jí)利用原理與總能系統(tǒng)思想的戰(zhàn)略作用
吳仲華高瞻遠(yuǎn)矚預(yù)測(cè)世界能源動(dòng)力發(fā)展趨勢(shì)和前景, 從總能系統(tǒng)的基本概念出發(fā), 提出把燃?xì)廨啓C(jī)和其他用能系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來, 綜合考慮能源的綜合梯級(jí)利用, 組成總能系統(tǒng)。他側(cè)重闡述了燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)的概念及其基本組合形式, 以及他們大幅度提高能源利用率的能力, 把燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展應(yīng)用提高到系統(tǒng)高度, 形成嶄新的系統(tǒng)節(jié)能的科學(xué)用能思想。進(jìn)而從“能的梯級(jí)利用與總能系統(tǒng)”思想的視野, 率先提出對(duì)我國(guó)、乃至世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有重大影響的若干總能系統(tǒng)研究方向: 燒天然氣的大型聯(lián)合循環(huán), 燃煤整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)與流化床燃煤流化循環(huán)(PFBCC), 三聯(lián)產(chǎn)(電、熱、燃料氣), 多聯(lián)產(chǎn)(電、熱、燃料氣、化工產(chǎn)品)等。
為了推動(dòng)這些與國(guó)家發(fā)展密切相關(guān)的能源重要技術(shù)盡快發(fā)展, 吳仲華殫精竭慮到處奔波。1980年, 他在中共中央書記處作了“中國(guó)的能源問題及其依靠科學(xué)技術(shù)解決的途徑”的報(bào)告。不顧年事已高, 他欣然接受大慶和遼河等油田的能源技術(shù)顧問的聘請(qǐng), 多次深入油田現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研, 建議推廣應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)(如注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電供熱裝置等)。親自牽頭承擔(dān)國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目(北京燕山石化公司東方紅煉油廠燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電供熱試驗(yàn)裝置), 按照他提出的“能的梯級(jí)利用”原理確定了聯(lián)合循環(huán)總體技術(shù)方案。還有, 他最早認(rèn)識(shí)到潔凈煤發(fā)電技術(shù)對(duì)我國(guó)的重要性, 為此早在20世紀(jì)80年代初, 就提出一個(gè)我國(guó)發(fā)展燃煤聯(lián)合循環(huán)的“雙管齊下”方針: 一方面在能夠燒氣和燒油的地方, 先發(fā)展燒氣燒油的聯(lián)合循環(huán)裝置, 以取得實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 也為使用者節(jié)能; 另一方面要大力研究各種在燃?xì)廨啓C(jī)中燒煤的方法。在兩者都取得成績(jī)以后, 合起來就可以得到適合我國(guó)國(guó)情的高效率、低污染、少用水的燒煤聯(lián)合循環(huán)裝置了。在最后與病魔斗爭(zhēng)的歲月里, 他還一直念念不忘向國(guó)家建議發(fā)展IGCC潔凈煤發(fā)電技術(shù), 于1990年和1992年分別向鄒家華副總理、胡啟恒副院長(zhǎng)和其他有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)提交“在我國(guó)發(fā)展IGCC的建議”, 希望在我國(guó)能早日實(shí)現(xiàn)IGCC示范項(xiàng)目。
吳仲華的科學(xué)眼光敏銳而深遠(yuǎn), 清晰地洞察科技前沿, 早在20世紀(jì)80年代初就已準(zhǔn)確地預(yù)見到21世紀(jì)第三代可持續(xù)發(fā)展的能源動(dòng)力科技發(fā)展趨勢(shì)與遠(yuǎn)景。那時(shí)他建議的許多研究方向都已跨進(jìn)第三代能源動(dòng)力系統(tǒng)概念范疇, 并大多以不同形式列入我國(guó)各個(gè)時(shí)期國(guó)家能源領(lǐng)域科技規(guī)劃和計(jì)劃中, 且與世界上諸多國(guó)家的重大科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃有許多驚人相似之處, 如美國(guó)的潔凈煤技術(shù)計(jì)劃(CCT)、21世紀(jì)遠(yuǎn)景計(jì)劃(Vision21)和FutureGen項(xiàng)目以及先進(jìn)透平動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目(ATS), 美國(guó)和歐洲聯(lián)合執(zhí)行的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)合作計(jì)劃(CAGT), 歐盟的FP6計(jì)劃和尤里卡計(jì)劃, 以及日本的“月光計(jì)劃”與“日光計(jì)劃”國(guó)家項(xiàng)目等。
能的梯級(jí)利用原理與總能系統(tǒng)思想提出和發(fā)展的30余年間, 為燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)、IGCC與多聯(lián)產(chǎn)、分布式能源系統(tǒng)等我國(guó)能源系統(tǒng)的發(fā)展提供了理論指導(dǎo)?，F(xiàn)在,能的綜合梯級(jí)利用原理已成為能源動(dòng)力系統(tǒng)集成開拓的關(guān)鍵核心科學(xué)問題, 總能系統(tǒng)已成為能源利用領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展的主流思想, 對(duì)能源科學(xué)技術(shù)和能源學(xué)科、乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。世界能源動(dòng)力系統(tǒng)開拓發(fā)展正是按照這個(gè)思路蓬勃展開, 而我國(guó)許多科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中能源領(lǐng)域的具體內(nèi)容與發(fā)展思路, 都可看到這個(gè)科學(xué)用能思想影響的痕跡和烙印。
2005年6月, 經(jīng)徐建中院士倡議, 并由中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)、中國(guó)節(jié)能投資公司在北京聯(lián)合主辦了“科學(xué)用能——構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)論壇”. 中國(guó)科學(xué)界百名能源領(lǐng)域院士專家在《科學(xué)用能——建立“和諧社會(huì)”的重要保障》倡議書上簽名, 呼吁實(shí)施全國(guó)科學(xué)用能戰(zhàn)略, 開展多層次的節(jié)能和全方位的科學(xué)用能宣傳、教育活動(dòng)以及針對(duì)共性科技問題, 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、注意引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù), 盡早消化、吸收和國(guó)產(chǎn)化等具體措施。倡議書指出“科學(xué)用能”, 重點(diǎn)強(qiáng)調(diào) “科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”, 依靠科學(xué)進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新, 通過“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的方式, 不斷提高能源及各種資源的綜合利用效率, 降低環(huán)境資源代價(jià)?！翱茖W(xué)用能”是基于總能系統(tǒng)概念, 從能的梯級(jí)利用、清潔生產(chǎn)、資源再循環(huán)等基本科學(xué)原理出發(fā), 強(qiáng)調(diào)依靠科學(xué)技術(shù)來節(jié)能和提高能源利用率, 旨在全面、切實(shí)推進(jìn)能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
在2006年由國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020年)》中, 將能源位居11個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之首, 工業(yè)節(jié)能位于62個(gè)優(yōu)先主題之首, 其中明確提出發(fā)展“能源梯級(jí)綜合利用技術(shù)”, 分布式供能技術(shù)作為能源梯級(jí)利用總能系統(tǒng)的重要代表, 被列為能源領(lǐng)域四項(xiàng)前沿技術(shù)之一。此后, “能的梯級(jí)利用”作為關(guān)鍵詞, 頻繁出現(xiàn)在國(guó)家和各部門陸續(xù)出臺(tái)的行業(yè)指導(dǎo)性文件中。如國(guó)家發(fā)改委、能源局等四部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》文件中, 指出分布式能源通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用, 綜合能源利用效率在70%以上。隨后出臺(tái)的《天然氣分布式能源示范項(xiàng)目實(shí)施細(xì)則》要求分布式能源做到 “能源利用充分: 高能高用, 低能低用, 溫度對(duì)口, 梯級(jí)利用”?！吨袊?guó)能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中關(guān)于 “推進(jìn)能源高效清潔轉(zhuǎn)化” 方面指出“立足資源優(yōu)勢(shì), 依靠科技創(chuàng)新, 加快推進(jìn)燃煤發(fā)電、煉油化工技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí), 探索煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化、梯級(jí)利用的有效途徑, 提高能源加工轉(zhuǎn)化效率和清潔化利用水平”。對(duì)煤炭深加工, 要求按照能量梯級(jí)利用、節(jié)水降耗、綠色低碳等要求, 完善核心技術(shù)和工藝路線, 穩(wěn)步開展升級(jí)示范。在國(guó)務(wù)院《關(guān)于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見》文件中, 提出要實(shí)現(xiàn) “能源高效和分質(zhì)梯級(jí)利用、污染物防治和安全處置、資源回收和循環(huán)利用等關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)取得重點(diǎn)突破”?！笆濉?nbsp;期間, 總能系統(tǒng)理論體系將得到進(jìn)一步發(fā)展,如已經(jīng)啟動(dòng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 “基于能的綜合梯級(jí)利用的分布式供能系統(tǒng)” 將在多能互補(bǔ)、品位耦合等方面進(jìn)一步豐富和發(fā)展能源綜合梯級(jí)利用的總能系統(tǒng)思想?！澳艿木C合梯級(jí)利用” 這一總能系統(tǒng)的核心內(nèi)容已經(jīng)成為我國(guó)能源利用的指導(dǎo)原則。
總能系統(tǒng)思想的繼承與發(fā)展
長(zhǎng)期以來, 能源動(dòng)力系統(tǒng)存在能源利用效率低和環(huán)境污染嚴(yán)重的重大弊病, 有關(guān)的研究囿于工程熱物理學(xué)范疇, 側(cè)重于熱力循環(huán)。面對(duì)能源與環(huán)境相容和領(lǐng)域滲透的發(fā)展需要, 以及對(duì)可再生能源利用和溫室氣體控制的新方向, 傳統(tǒng)能源科學(xué)理論難以適應(yīng), 常規(guī)的能源轉(zhuǎn)換利用模式與方法急需變革, 領(lǐng)域?qū)W科交叉的新理論體系亟待創(chuàng)建。
吳仲華以科學(xué)大師特有的遠(yuǎn)見卓識(shí), 開拓我國(guó)能源科學(xué)研究新局面。為了全面深入研究總能系統(tǒng), 他組建聯(lián)合循環(huán)課題組(蔡睿賢、林汝謀和金紅光相繼擔(dān)任組長(zhǎng))。30多年來, 科研組承擔(dān)完成了數(shù)十項(xiàng)國(guó)家級(jí)重要科研項(xiàng)目, 繼承和發(fā)展了總能系統(tǒng)思想, 在燃料化學(xué)能梯級(jí)利用、分布式能源系統(tǒng)、可再生能源利用、能源動(dòng)力系統(tǒng)溫室氣體控制等方面都做出了系統(tǒng)性、創(chuàng)造性的成果。
燃料化學(xué)能與物理能綜合梯級(jí)利用原理
傳統(tǒng)熱力循環(huán)卡諾定理僅是描述燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)化為功的理論, 沒有涉及到燃燒或燃料轉(zhuǎn)化過程中的化學(xué)反應(yīng)做功能力(Gibbs自由能)的有效利用問題。能源動(dòng)力系統(tǒng)的直接燃燒過程中, 燃料化學(xué)能的品位直接降低為熱能的品位, 導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)做功能力的損失過大, 也就是說燃料化學(xué)能做功能力尚未梯級(jí)利用。研究團(tuán)隊(duì)揭示了燃料化學(xué)能梯級(jí)利用機(jī)理, 即燃料先作為原料適度轉(zhuǎn)化(不是全轉(zhuǎn)化)為二次燃料或化工產(chǎn)品, 難以轉(zhuǎn)化的組分再燃燒, 依據(jù)能的品位高低有序地利用燃料化學(xué)能, 從而降低燃料化學(xué)能釋放的不可逆損失(圖3)。這種燃料先轉(zhuǎn)化再燃燒的方式可以實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的梯級(jí)釋放。研究團(tuán)隊(duì)首次建立了燃料品位關(guān)聯(lián)式, 得出燃料化學(xué)能、反應(yīng)最大做功能力以及熱能三種能的基本品位之間的普適性關(guān)系式。該研究明確指出, 燃料化學(xué)能的轉(zhuǎn)化利用與Gibbs自由能品位和熱能品位間的相互作用是密切相關(guān)的。這一定理突破了熱力循環(huán)理論框架, 揭示了燃料化學(xué)能做功能力梯級(jí)利用的潛力與規(guī)律。在此基礎(chǔ)上, 建立了燃料化學(xué)能與物理能綜合梯級(jí)利用原理, 其具體內(nèi)涵: ① 能的綜合梯級(jí)利用基本原則。依據(jù)燃料化學(xué)反應(yīng)可用能品位的高低, 燃料轉(zhuǎn)化將化學(xué)能逐級(jí)、有序轉(zhuǎn)化釋放, 然后進(jìn)行燃燒與熱能梯級(jí)利用。對(duì)燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化、釋放本質(zhì)提出了新認(rèn)識(shí)。② 能的品位變化分析法。關(guān)注能量轉(zhuǎn)化過程與過程之間的能的品位變化關(guān)聯(lián)關(guān)系, 揭示品位之間相互作用規(guī)律, 克服了傳統(tǒng)熱力學(xué)“火用平衡方法”不能深層次剖析不可逆損失本質(zhì)的局限性。③ 燃料化學(xué)能逐級(jí)、定向釋放機(jī)理?；谌剂掀肺欢ɡ? 得出燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)不可逆損失減小與熱力循環(huán)做功增加的相互關(guān)系表達(dá)式, 揭示出燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)可用能品位降低與熱能品位提升的燃料化學(xué)能釋放機(jī)制, 即通過“燃燒前熱化學(xué)反應(yīng)”與“燃燒后熱力循環(huán)”耦合, 以解決傳統(tǒng)燃燒過程中燃料化學(xué)能不可逆損失過大的難題。新原理是對(duì)傳統(tǒng)熱能利用理論的突破, 近年來已成為工程熱物理學(xué)科發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)。
圖3 燃料化學(xué)能梯級(jí)利用原理示意圖
可再生能源利用
基于總能系統(tǒng)理論和品位分析方法, 對(duì)聚光太陽能的能勢(shì)進(jìn)行了探索。突破1977年Fletcher等學(xué)者在Science發(fā)表且迄今廣泛使用的聚光太陽能集熱品位與作功能力理論, 從理想黑體模型出發(fā), 建立了聚光太陽能能勢(shì)與理想能力的熱力學(xué)關(guān)系, 包括聚光光源的理想溫度、聚光光源的最大作功能力, 并進(jìn)一步確定了聚光太陽能的能勢(shì)。在這一理論的指導(dǎo)下, 明確建立了能勢(shì)與光熱轉(zhuǎn)化不可逆性關(guān)聯(lián)關(guān)系的表達(dá)式, 揭示了聚光太陽能與集熱的能勢(shì)差是光轉(zhuǎn)熱不可逆損失的主要原因; 進(jìn)而發(fā)現(xiàn)隨著聚光比的變化, 系統(tǒng)的不可逆性出現(xiàn)拐點(diǎn), 其對(duì)應(yīng)的聚光比很好地對(duì)應(yīng)槽式集熱與塔式集熱的分界點(diǎn), 從而揭示了塔式聚光的不可逆性大于槽式聚光, 為發(fā)展中低溫太陽能熱化學(xué)發(fā)電提供了重要的理論依據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)提出了光煤互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化集成及鏡場(chǎng)主動(dòng)調(diào)控優(yōu)化運(yùn)行方法, 建立了300 kW· h拋物槽式廣角跟蹤主動(dòng)調(diào)控太陽能聚光集熱平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)集熱溫度范圍200~390℃, 年均集熱效率達(dá)55%, 高于國(guó)際現(xiàn)有水平5個(gè)百分點(diǎn)。通過長(zhǎng)時(shí)間跨季度運(yùn)行, 獲得了不同氣象條件下的大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù), 驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)結(jié)果。
多能互補(bǔ)的分布式能源系統(tǒng)
基于能的綜合梯級(jí)利用理論, 研究化石燃料與聚光太陽能等多種能源的品位特性表征, 建立吉布斯自由能能勢(shì)與化石燃料能勢(shì)、可再生能源能勢(shì)的作用關(guān)系式, 為突破目前分布式能源系統(tǒng)不可逆損失大、可再生能源比例低、變工況性能差等關(guān)鍵問題打下了理論基礎(chǔ)。研究了天然氣、甲醇等清潔燃料與中溫太陽能熱化學(xué)耦合方法, 實(shí)驗(yàn)揭示了化石能源與太陽能的熱化學(xué)互補(bǔ)機(jī)理, 建成百千瓦級(jí)太陽能熱化學(xué)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng), 驗(yàn)證了基于太陽能熱化學(xué)的分布式能源系統(tǒng)集成方法; 該技術(shù)發(fā)電功率范圍為10 kW至MW級(jí), 一次能源利用率達(dá)80%以上, 太陽能所占份額15%~20%, 太陽能凈發(fā)電效率達(dá)20%以上(高于常規(guī)槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)效率5個(gè)百分點(diǎn))。研究團(tuán)隊(duì)已建成國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)、“分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等高水平研發(fā)平臺(tái), 主持了分布式能源國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè), 制定了我國(guó)首部分布式能源行業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
能源動(dòng)力系統(tǒng)溫室氣體控制
基于燃料化學(xué)能梯級(jí)利用原理, 圍繞煤炭碳?xì)浣M分分級(jí)氣化技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒、低能耗CO2捕集技術(shù)和多聯(lián)產(chǎn)技術(shù), 開展機(jī)理、實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)集成研究。為解決低能耗CO2減排的難題, 探索了化學(xué)能梯級(jí)利用與CO2捕集的協(xié)同機(jī)制。將原料中能夠低能耗轉(zhuǎn)化的組分先適度轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品, 而難以轉(zhuǎn)化的組分(未反應(yīng)氣)再作為發(fā)電燃料, 突破了化工工業(yè)遵循了近一個(gè)世紀(jì)的追求完全轉(zhuǎn)化的生產(chǎn)方式。在此基礎(chǔ)上, 發(fā)明了能的梯級(jí)利用與CO2富集一體化方法, 提出了替代燃料生產(chǎn)與CO2捕集一體化的化工動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng), 和革新性的無火焰化學(xué)鏈燃燒與CO2分離一體化的發(fā)電系統(tǒng), 可以實(shí)現(xiàn)零能耗CO2減排。從燃料轉(zhuǎn)化的源頭將化學(xué)能梯級(jí)利用與CO2的富集有機(jī)結(jié)合, 建立了CO2一體化控制原理?；谖覈?guó)國(guó)情, 初步提出了適合中國(guó)的溫室氣體控制技術(shù)路線圖, 明確了適合我國(guó)的溫室氣體控制技術(shù)路線的節(jié)能與減排潛力, 有望每年節(jié)約數(shù)億噸標(biāo)煤與數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。研究成果為我國(guó)的能源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展與低碳技術(shù)的發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。
通過上述工作, 研究團(tuán)隊(duì)繼承和發(fā)展了吳仲華倡導(dǎo)的“能的梯級(jí)利用與總能系統(tǒng)”并取得重大創(chuàng)新發(fā)展, 可以歸納為: ① 突破學(xué)科界限, 把系統(tǒng)集成理論的核心科學(xué)問題從“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的單純物理能梯級(jí)利用, 擴(kuò)展到多層次不同品位的化學(xué)過程與熱力循環(huán)結(jié)合的化學(xué)能與物理能的綜合梯級(jí)利用, 從而為開拓新系統(tǒng)和新途徑提供理論支撐。② 從單一能源利用系統(tǒng)擴(kuò)展到更多的能源綜合互補(bǔ)利用系統(tǒng), 從而更好實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能綜合梯級(jí)利用、更好地應(yīng)用不連續(xù)與不穩(wěn)定的可再生能源等。③ 打破“先污染后治理”傳統(tǒng)模式, 突出能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的特征, 在國(guó)際上率先提出能量轉(zhuǎn)化利用與CO2分離一體化原理, 解決了能源系統(tǒng)中溫室氣體控制的重大科技難題。以上成果為我國(guó)急需發(fā)展的多能互補(bǔ)分布式供能、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、太陽能熱動(dòng)力系統(tǒng)以及CO2零排放等能源技術(shù)發(fā)展提供了重要理論支撐, 對(duì)我國(guó)節(jié)能減排的重大能源需求提供關(guān)鍵理論指導(dǎo), 在相當(dāng)程度上提高了我國(guó)能源科學(xué)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力?？偰芟到y(tǒng)在自身理論和內(nèi)涵得到發(fā)展和豐富的同時(shí), 也在我國(guó)能源利用領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的指導(dǎo)作用。吳仲華組建的科研組研究碩果累累, 在國(guó)內(nèi)外著名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文千余篇, 撰寫出版6部學(xué)術(shù)專著, 獲中、美、日等國(guó)發(fā)明專利授權(quán)幾十項(xiàng)。對(duì)建立工程熱物理與環(huán)境交叉的新學(xué)科做出了重要貢獻(xiàn), 為破解能源動(dòng)力系統(tǒng)面臨的節(jié)能減排難題和發(fā)展太陽能熱發(fā)電等提供了理論與方法?？蒲谐晒玫絿?guó)內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)可, 并得到了國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)高度評(píng)價(jià)。因而榮獲2009年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(能源動(dòng)力系統(tǒng)中能的綜合梯級(jí)利用和CO2控制原理與方法)?？偰芟到y(tǒng)思想在氣候與環(huán)境問題日益突出的今天, 得到了豐富和發(fā)展, 運(yùn)用總能系統(tǒng)思想及其相關(guān)理論和方法,尋求高效、清潔、低碳、安全、環(huán)保的可持續(xù)能源解決方案, 是我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的根本保障。
吳仲華先生留給世人的理論遺產(chǎn)和精神遺產(chǎn)無比珍貴。我們不會(huì)忘記他將畢生精力獻(xiàn)給祖國(guó)和人類能源動(dòng)力事業(yè)的豐功偉績(jī), 他的愛國(guó)情懷和執(zhí)著事業(yè)心將永遠(yuǎn)激勵(lì)著從事能源動(dòng)力事業(yè)的廣大科技人員砥礪奮進(jìn), 他是我們心中永遠(yuǎn)的豐碑!
