电气科学与工程学科的回顾与展望

电气科学与工程学科的回顾与展望电之重要性电是人类文明的基础物质条件之一“电气化”引发了第二次产业革命“电气化”被美国工程院评为20世纪20项最伟大的工程技术成就之首“电气化”被中国工程院评为20世纪我国25项重大工程技术成就之六电气科学与工程学科与国民经济中具有特别重要战略地位的能源领域息息相关电气科学与工程学科的战略地位和特点电是能量转换的枢纽和信息的载体电是一种最便于传输、分配和控制，最易于实现与其他能量相互转换，最便于进行能量时空分布变换（时间分布：恒定、交变、脉冲；空间分布：集中、分散）的一种能量。历史悠久而活力日增→由雷观察到电→电和磁相互依存相互作用→19世纪麦克斯韦尔方程组交叉面广、渗透性强→电子、信息、计算机、激光、自动控制等→电磁与物质相互作用研究对象涉及的时空跨度大→微观、介观、宏观；皮秒、纳秒《国家中长期科学和技术规划纲要》引领未来前沿技术─先进能源技术电气工程学科是培养有关电能的生产直至使用的全过程中，各种电气设备和系统的设计、制造、运行、测量和控制等方面的高层次科学研究及工程技术专门人才和高等学校师资的学科；它们共同的学科基础是电工学研究电磁现象、规律及应用的科学。发电输电测量与控制用户配电电气工程学科的性质与作用电气工程一级学科简介电气工程电力电子与电力传动电力系统及其自动化电机与电器高电压与绝缘技术电工理论与新技术电机电器理论电工超导技术与磁流体发电电力系统及其自动化电力系统及其自动化电力系统及其自动化铁道牵引电气化与自动化（部分）船舶与海洋工程特辅装置与系统（部分）交通运输工程学科海洋工程学科电力电子与电力传动电力电子与电力传动电力电子技术电力传动及其自动化（部分）电磁测量技术及仪器（部分）控制科学与工程学科仪器科学与技术学科高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术高电压技术电工材料及绝缘技术（部分）材料科学与工程学科电气工程学科的相关学科电子科学与技术计算机科学与技术控制科学与工程信息与通信工程材料科学与工程*机械工程*仪器科学与技术*动力工程与工程热物理*交通运输工程*农业工程*环境科学与工程*生物医学工程电气科学与工程学科的内涵与分支电气科学与工程电能转换与储存电力系统及其自动化电力电子技术电磁场与电网络理论电磁测量技术脉冲功率技术高电压与绝缘技术工程电介质放电与等离子体技术超导电工技术生物电磁技术环境电工学电磁兼容技术电能科学与技术领域电磁场与物质相互作用科学领域共性基础部分电能科学领域发展动力示意图电能转换及储存新概念、新模型、新方法、新技术电力系统及其自动化新概念、新模型、新方法、新技术电力电子新器件、新模型、新方法、新技术脉冲功率新器件、新模型、新方法、新技术需求牵引力1)国家能源布局需求如：西电东送、南北互供、全国联网、超大系统2)可持续发展的需求如：高效低耗发电输电技术、可再生能源发电、分布式发电、节电新技术3)公共安全的需求如：防大系统灾变、防大范围停电4)电能市场化的需求如：电力市场下的抗扰技术5)国防建设的需求如：舰船独立电力系统、特种独立电源系统交叉科学推力1)新数学理论和方法的引进如：小波理论2)新控制理论和方法的引进如：神经网络3)信息技术发展如：卫星定位系统、虚拟现实4)新材料、新设备的发明如：压电材料、永磁材料、微纳米材料、超导材料等电能科学领域创新力共性基础提升力（电磁场与电网络理论、电磁测量技术）电磁场与物质相互作用领域支撑力（工程电介质、高电压与绝缘、超导电工技术）电磁场与物质相互作用科学领域发展动力示意图需求牵引力1)材料制备及表面处理的需求2)微细加工的需求3)生物医疗的需求如：生物电磁诱变、医疗仪器和设备4)环境保护的需求如：环境废物处理、电磁环境5)未来能源研发的需求如：受控核聚变6)国防建设的需求如：电磁发射、高功率激光、高功率微波交叉科学推力1)数学2)物理学3)化学4)生命科学5)信息科学6)材料科学7)工程科学电能科学领域支撑力（电能转换与储存、电力系统自动化、电力电子）共性基础抬升力（电磁场理论、电网络理论、电磁测量）电磁场与物质相互作用科学领域创新力工程电介质放电与等离子体高电压与绝缘电磁兼容技术环境电工学生物电磁技术超导电工技术脉冲功率技术发现新现象提出新理论建立新模型开发新应用电能产生与利用环节示意图太阳能水力发电生物发电化石类能源潮汐发电地热核能风力发电电动车、混合动力车、燃料电池车航天：火箭、航天飞机、小卫星军用:飞机、舰艇、坦克，导弹备用电源UPS民用电器：笔记本电脑、手机、数码相机通信设备海洋温差发电氢能燃料电池电能存储设备：各种电池、超级电容、机械飞轮等电站、大容量电能存储设备电能存储设备的监控与管理技术气候变化对中国的影响与挑战ImpactsandchallengesofclimatechangeonChina最近二百年气候变化的事实与预估Facts&predictionsofclimatechangeinthepast200years资料来源：中国气象局；AR4year1000110012001300140015001600170018001900200021004.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0-0.5-1.06.05.55.0℃6.4oC3.9oC6.0oCChina19001950200020502100Global在多个温室气体排放情景下，本世纪末全球平均升温幅度约为1.1－6.4℃，中国为3.9－6.0℃。GHGemissionswillcausetheglobalmeantemperaturestoriseby1.1-6.4ºC,and3.9-6.0ºCinChinabytheendofthiscentury.1.1oC近百年中国平均温度变化情况中国西部WestChina中国东部EastChina温度距平（℃）资料来源:中国气象局Datasource:ChinaMeteorologicalAdministration天山乌鲁木齐河源1号冰川变化情况资料来源:秦大河，200219941986198019731962小冰期后期以来的变化1962年以来连续退缩情况断开Disconnection《中国应对气候变化国家方案》China’sNationalClimateChangeProgramme•2007年5月30日国务院发布•IssuedbytheStateCouncilonMay30,2007.•《国家方案》明确了到2010年中国应对气候变化的具体目标、基本原则、重点领域及其政策措施。•Outliningobjectives,basicprinciples,keyareasofactions,aswellaspoliciesandmeasurestoaddressclimatechangefortheperiodupto2010.•这是中国第一部应对气候变化的全面的政策性文件，也是发展中国家颁布的第一部应对气候变化的国家方案。•China’sfirstcomprehensivepolicydocumentonresponsetoclimatechange,alsothefirstnationalclimatechangeprogrammeindevelopingcountries.《中国应对气候变化科技专项行动》•2004年6月14日，科技部联合发改委、外交部等14个部门联合发布•IssuedbyMOSTandothergovernmentalagenciesonJune14,2004.•制定《专项行动》的目的：Purposes–有效落实《国家中长期科技发展规划纲要》确定的重点任务–EffectiveimplementationofthekeytasksintheOutlineoftheNationalProgramforMedium-andLong-termScienceandTechnologyDevelopment–《中国应对气候变化国家方案》的实施提供科技支撑，–ToprovideS&TsupporttotheimplementationoftheCNCCPProgram–统筹协调我国气候变化的科学研究与技术开发，–全面提高国家应对气候变化的科技能力•提出了具体目标，明确了重点任务•Outliningconcreteobjectivesandkeytasks•“八五”以来，科技部通过国家科技计划先后组织开展了一系列与气候变化有关的科技项目•Eversincethe‘8th5-year’,MOSThavesupportedaseriesofs&tprogramsonclimatechange•“十五”和“十一五”期间，各科技计划应对气候变化投入大幅增加•Duringthe’10th5-year’and’11th5-year’periods,financialsupportforR&Donclimatechangeincreasesharply应对气候变化科技投入不断增加IncreasingfinancialsupportforR&Dtoaddressclimatechange254605101520253035404550“十五”期间“十一五”期间国家各科技计划应对气候变化经费投入Financialinput（亿元)《节能减排综合性工作方案》TheGeneralWorkPlanforEnergyConservationandPollutantDischargeReduction•2007年5月23日国务院发布；•IssuedbythestatecouncilonMay23,2007•主要目标Mainobjectives–到2010年，万元GDP能耗降低20%左右；单位工业增加值用水量降低30%；城市污水处理率不低于70%，工业固体废物综合利用率达到60%以上。–“十一五”期间，主要污染物排放总量减少10%•主要措施Mainmeasures–控制高耗能、高污染行业过快增长–加快淘汰落后生产能力–积极推进能源结构调整–……中国应对气候变化国家方案《联合国气候变化框架公约》电力电子技术的定义以电力为对象的电子技术称作电力电子技术(PowerElectronics)。它是一门利用电力电子器件对电能进行控制、转换和传输的学科,也是现代电子学的一个主要分支。微电子技术信息处理技术电力电子技术电力处理技术电力电子技术与其他学科的关系电力电子技术是电力、电子、控制三大工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展,电力电子技术与现代控制理论、材料科学、电子技术、电力系统、计算机科学等许多领域密切相关。目前,电力电子技术已逐渐发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。电力电子学模拟数字控制电力电子器件变流电路控制电路电力电子技术电力电子技术的组成电力电子与电力传动学科的地位与作用电力电子与电力传动是一个与电能的变换、控制、输送、存贮密切相关的应用基础学科；它是结合电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等学科的新成就而迅速发展起来的交叉学科；在现代工业体系中，它既是电能工业与用电工业间的接口，对电能进行有效的变换与控制；又是信息计算机控制与用电工业间的接口，为现代工业中各种功率负载和执行机构提供高质量的智能化的功率源；本学科既涉及各种大功率的能量变换和控制，又涉及到各种最新的自动控制技术、电子信息科学中的检测技术、信息处理技术、计算机技术和电力电子与电力传动工业应用新技术；本学科无论是对改造国民经济中的有关产业或对建立现代化新兴产业均具有十分重要的作用。电力电子技术面临的挑战目前，人类所处的地球面临着“能源危机、资源危机和环境危机”的威胁；作为电子学的一个重要分支，同物质生产过程息息相关，以功率处理为对象的电力电子学，将成为缓解或克服这三大危机的主要技术手段之一；新理论、新材料、新技术的不断涌现，推动着工业发达地区电力电子学及其应用的迅速发展，以实现“高效率、高品质”用电的目标，并将促进取之不尽用之不竭的可再生