功能材料之能源材料教材课件.ppt

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1、能源材料,一、概述,1.什么是能源?能源是产生各种能量的资源，是人类生存和发展不可缺少的物质基础，它的开发和利用状况是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术水平的重要标志，直接关系到人们生活水平的高低。,2、能源的分类,一次能源：直接来自自然界而未经加工转换的能源。如：化石燃料、太阳能、核能、生物燃料、水能等。二次能源：由一次能源直接或间接转化而来的能源。如：电能、煤气、汽油、沼气、氢能等可再生能源：不随其本身的转化或被人类利用而减少的能源。如：太阳能、生物能、水能、风能、地热能等,2、能源的分类,非再生能源：随其本身的转化或被人类利用而减少的能源。如： 化石燃料、核燃料等常规能源:世界大量

2、消耗的石油、天然气、煤和核能等称为常规能源新能源:新能源是相对于常规能源而言的，泛指太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能和生物质能等,3.世界能源消耗特点、分布及现状,特点 主要来自一次不可再生能源(如煤炭、石油、天然气)； 能源消耗水平差异大：占世界1/4的工业化国家消耗了世界能源的3/4;世界能源消耗仍在增长。分布 世界能源储量分布是不平衡的。石油中东占56.8%；天然气和煤炭储量最多是欧洲，各占54.6%和45%。亚洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然气都只有5%多一点。,能源的消耗,石油的分布,煤炭排行榜,4.我国能源消耗特点、分布及现状,消耗特点 中国是一个能源消耗大国，其

3、能源消费总量居世界第二，仅次于美国。年均增长3.6%。其中，煤炭占66.3%，石油占23.5%，天然气占2.6%，水电、核电占7.6%。分布 煤炭85分布于中西部；石油、天然气资源集中在东北、华北（包括山东）和西北，合占全国探明储量的86；水能资源的分布主要在西部和中南部，在全国技术可开发资源量（3.7亿千瓦）中合计占到93.2，其中西南占67.8。,现状近20年来，我国能源发展很快，我国煤炭储量世界第三、开采量世界第一，在能源结构中一直以煤炭为主。 中国原油产量世界第5位，天然气产量世界第20位，水力发电世界第4位，核电第18位。发电总量世界第2位。,5.发展新能源的必要性,人均储量少，先天

4、不足，但能耗效率却低。我国成为能源消耗大国，进口依赖度提高。能源成为我国经济命脉所在，威胁国家稳定安全 现有化石能源对环境影响大。 结论：发展新能源大势所趋！,二、新能源,能源材料,1、太阳能2、核能3、氢能4、燃料电池5、风能6、地热能7、海洋能,太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用-光热利用、光电利用和光化学利用。,1、太阳能,1） 太阳能的热应用,太阳能的热利用主要是以下方面： （1）太阳能空调降温 太阳能制冷及在空调降温研究工作重点是寻找

5、高效吸收和蒸发材料，优化系统热特性，建立数学模型和计算机程序，研究新型制冷循环等。 （2）太阳能热发电 太阳能热发电 是利用集热器将太阳辐射能 转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。,（3）太阳房 太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房可以节约7590的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。,1）太阳能的热应用,太阳能暖房,（4）热利用的其它方面 太阳灶 我国目前大约有15万台太阳灶在使用中。太阳灶表面可以加涂一

6、层光谱选择性材料，如二氧化硅之类的透明涂料，以改变阳光的吸收与发射，最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜，也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。提高太阳灶的效率。每个太阳灶每年可节约300千克标准煤。 太阳能干燥 是热利用的一个方面。目前我国已经安装了有1000多套太阳能干燥系统，总面积约2万平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草药干燥等。,太阳能集热器,太阳能热水系统,2） 太阳光-热转换及材料,材料科学与工程是技术创新的基础。太阳光热转换材料与工程，如用于太阳集热器的选择性吸收涂层（表面），用于建筑幕墙玻璃和交通工具的选择性透、反射薄膜材料和电致变色薄膜材料与器件，用于集热器的具有太阳光谱高透射

7、比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窝结构，以及贮能材料等，推动了太阳光热转换技术和应用的发展。,3）太阳能光电转换,太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”，太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在Pn结，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成

8、的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流输出功率。,以材料区分，太阳电池有晶硅电池，非晶硅 薄膜电池，铜钢硒（CIS）电池，碲化镉（CdTe）电池，砷化稼电池等，而以晶硅电池为主导。由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。人们首先使用高纯硅制造太阳电池（即单晶硅太阳电池）。近年来，非晶硅太阳电池的研制迅速发展。,太阳能电池,全球太阳能电池产量、需求量,太阳能电池产业链,高纯硅原材料,硅片,太阳电池,太阳电池组件,2、核能,核能: 核子结合成原子核时放出的能量或

9、原子核分解为核子时放出的能量，都叫原子核的结合能(核能) 。简单来说，核反应中放出的能量称为核能 。优点: 环境污染小，燃料运输量小，单位质量释放的能量大 。核能的利用： 核能供热、利用核能冶炼钢铁核电： 利用核能转化为电能 利用核能作动力,核电站原理,核电站是实现核裂变能转变为电能的装置。它与火电站最主要的不同是蒸汽供应系统。核电站利用核能产生蒸汽的系统称为“核蒸汽供应系统”，这个系统通过核燃料的核裂变能加热外回路的水来产生蒸汽。从原理上讲，核电站实现了核能热能电能的能量转换。从设备方面讲，核电站的反应堆和蒸汽发生器起到了相当于火电站的化石燃料和锅炉的作用。反应堆是核电站的心脏，它是使原子核

10、裂变的链式反应能够有控制地持续进行的装置，是利用核能的一种最重要的大型设备。反应堆中有控制棒，它是操纵反应堆，保证其安全的重要部件，它是由能强烈吸收中子的材料制成的。,压水堆核电站基本工作原理,反应堆内部结构图,核电站发展历程：四代核电,早期原型堆ShippingportMagnox,第一代,第二代,第三代,第四代,商用堆LWR-PWR、BWRCANDU,先进轻水堆ABWRSystem80+AP600EPR,经济性好更安全核废物少防核扩散,Gen I,Gen II,Gen III,Gen IV,1950,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,2030,核电站的优

11、劣势,核聚变能人造太阳,由中科院等离子体物理研究所自行设计、研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克EAST(原名HT-7U)核聚变实验装置，日前已成功进行了首次工程调试。 “EAST实验装置”旨在探索可以得到无穷尽清洁能源的途径，相当于人类为自己制造了一个小太阳。,“人造太阳”,利用等离子体带电的性质，用强磁场将其约束在一定的区域内，并保持一段时间。 此类装置中以“环流磁真空室”即托卡马克最有成效，在技术上有望突破。它的中央是一个半径23米的不锈钢环形真空室。,利用磁场约束实现核聚变,惯性约束核聚变,制成直径几毫米的“靶丸”，利用强激光从许多方向上对其同时照射，靶丸具有惯性，再加上激光的光压

12、力，使内层氘和氚混合物的密度急速增加，直径急剧缩小，温度可达数千万度，高温高压最终可使聚变反应发生。,3. 氢能,氢能源优点:燃烧热值高；清洁无污染；资源丰富。氢能源缺点：制取成本高，需要大量的电能安全贮运问题。,1）氢能经济的缘起,1、“氢能经济” 提出的背景,环境问题日益严重；资源储备日渐匮乏；能源安全引起的冲突加剧；,2）氢能经济的构想,美国：启动氢能发展计划生物质制氢，太阳能制氢欧洲：氢能电动汽车生物质制氢，太阳能制氢日本：氢能电动汽车光生物制氢中国：氢能电动汽车生物质制氢，化石燃料制氢,0.2 L液 H2/100 km,3）各国的氢能开发计划,如何实现大规模地廉价制氢？制氢如何经济、

13、合理、安全地储存氢？储氢如何高效率、低成本地利用氢？利用氢,4）氢能技术的难点,1. 化石燃料制氢目前主要的制氢方法 成熟、廉价，但资源和环境问题并未解决 2. 生物质为原料制氢 光合效率、水土面积、集中和储运成本等问题3. 水分解制氢 利用光化学、热化学和电化学方法制氢。然而，太阳能的收集、高品质热能和电能的产生方法，都是首先要解决的问题。,5）制氢技术简介,4、生物质制氢,5）制氢技术简介,(1) 生物质能的特点,可再生性，生物质能通过植物光合作用再生，可保证其永续利用；低污染性，生物质硫、氮含量低、燃烧生成SO2等较少，生长时所需CO2相当于排放量，因而CO2净排放量近似于零，可减轻温室

14、效应；广泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；总量十分丰富，仅次于煤炭、石油和天然气。,藻类和蓝细菌光解水；光合细菌光分解有机物；有机物发酵制氢；光合微生物和发酵性微生物的联合运用生物质热解或气化制氢。,(2) 生物制氢技术,(3) 生物质制氢两大途径热化学分解过程包括高温气化或中温热分解以及加水分解等，先得到含CO和H2的气体，进一步转化为氢气。生物过程包括: 1）厌氧发酵产生甲烷为主的气体然后加工为氢气；2）利用某些微生物(如绿藻)的代谢功能，通过光化学分解反应产生氢。热化学分解过程技术基本成熟，将实现工业生产。生物过程适合做民用燃料，大规模制氢不经济，处于基础研究阶段。,5）制氢

15、技术简介,6）光催化制氢简介,M.Gratzel, et al, Nature, 1991, 353: 737; Nature,1998, 395: 583; S.U.M. Khan, et al, Science, 2002, 297: 2243; Z.G.Zou, et al., Nature, 2001, 414, 625.,1、光催化制氢体系,2、光催化制氢的关键科技难题,效率低,6）光催化制氢简介,太阳光谱图,设计在可见区内有强吸收半导体材料是高效利用太阳能的关键,48%,5%,683 1.80eV400 3.07eV,2、光催化制氢的关键科技难题,光催化制氢简介,4、燃料电池,1）

16、燃料电池(Fuel Cell) 的基本原理,燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理示意图。,燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融盐（NaCO3、K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。 发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两

17、电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过外电路做功并构成电的回路。与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能。,2）燃料电池的分类,燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类： 1质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC） 2碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFC） 3磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 4溶化的碳酸盐燃料电池 (molt

18、en carbonate fuel cell-MCFC) 5固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFC）,3）燃料电池的现状,目前，使用燃料电池面临的主要问题： 1 燃料问题 氧气可以直接从空气中获得，比较省力；氢气则需要消耗电能以电解水或在催化剂的作用下重组碳氢化合物这两种方法获取。但也有人认为氢可以从天然气中产生，其成本同生产汽油相当。如将燃料电池高效率因素考虑进来，使用氢将比汽油更加经济。 2 安全问题 氢气是易燃气体，使用时要防止泄露，爆炸等危险情况的发生。 阻碍燃料电池推广应用的关键问题还有成本高、寿命短、体积大等，归根结底还是技术问题。,4) 燃料电池

19、汽车,燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力车辆。燃料电池把氢气和氧气转化成电能，它所产生的副产品只有水和热。它摒弃了复杂的变速箱等动力传动装置。燃料电池车的基本结构如右图所示。,5）燃料电池汽车的特点,1、效率高 燃料电池汽车路试时可以达到4050%的效率而普通汽车只有1016%。燃料电池汽车总效率比混合动力汽车也要高。2、环保燃料电池电动汽车仅排放热和水高效、环境友好的清洁汽车。3、可持续发展燃料电池可节省石油。目前令全世界对石油的依存度，超过警戒线30%，预计2020年60%。,6）燃料电池汽车的研发进展,在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家之污染法规渐趋严格

20、，因此对低污染车辆之需求势必增加。因而汽车业界近年来一直致力于开发氢燃料电池车。其中较为领先的有美国通用、日本丰田和本田等。 国内有上海的超越号，东风的楚天一号。,通用Hy-wire氢动三号,由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。,通用Hy-wire氢动三号的电池组,通用汽氢燃料电车Sequel,奔驰公司的燃料电池车“B-Cell”。,马达输出功率达100kW以上。充氢压力为7

21、0MPa，持续行驶距离大约为400km。充电电池是锂电池，输出功率为20kW。,同济大学参与研制的燃料电池发动机。它能在14秒内加速到80公里，最高时速达110公里，可连续行驶210公里。在车后行李箱内，放置的是可充气的氢气瓶，燃料氢气从这里沿管道进入反应器，和空气中的氧气结合释放能量，提供汽车前进的动力。为防止氢气从瓶中逃逸，氢气瓶采用了铝板碳纤维的特殊材料，里面层层设防。为安全起见，在后厢内还安装了监测器，一旦氢气浓度升高，它会及时报警。经测试该车在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。,超越二号,7）燃料电池汽车尚需解决的问题,让燃料电池汽车走下生产线投入市场，还

22、需要解决许多的实际问题，1. 整车的开发设计2. 车用燃料氢，其制备、储存和分配等环节都存在问题3. 电池系统性能有待提高，有小型化和轻型化要求4. 成本高，现有50KW质子交换膜燃料电池发动机的成本为300美分/KW，是内燃机的10倍,5、风能,风能：空气流动所形成的动能即为风能。风能是太阳能的一种转化形式。风能的利用主要是风力发电。风电的优越性：风力发电是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。 风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电 。,返回,1) 风力

23、发电,利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力；常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。,我国风电,中国是风资源丰富的国家，特别是新疆、内蒙古与沿海地区。我国风力发电在八十年代开始发展，初期大多是独立运行户用百瓦级风电机组，安装在边远，孤立无电地区供农牧民使用

24、。近年来，大型并网风力发电机组引入我国，多台风电机组安装在风资源丰富地区组成风电场，接入地区电网供电，现在，我国并网风电机组装机总容量约为100MW。,2) 风帆助航在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15。3) 风力致热 “风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法。一是 风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能。,二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动一离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能。三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。 风力机直

25、接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热，即风力机带动搅拌器转动，从而使液体（水或油）变热（如下图）。,6、地热能,地球内部放射性元素不断进行热核反应，放出大量的热，温度可达6000，高温的热量通过厚厚的地层，时时刻刻向太空释放，这种“大地热”，称为热能，地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。,西藏羊八井地热电站,7.海洋能,潮汐能：是一种利用水位变化所产生的位能及水流所产生的动能（潮流能）而获得的一有效能源。波浪能：(因波浪上下波动浮力，波压力或波浪所引起的水中压力变化而产生的能源。海洋温差能：即利用深部海水与表面海水的温度差产生有用的能源。 盐梯度能：即利用两处含盐份高与含盐份低的海流，因混合产生渗透压作为动力，而可用以产生能源。 洋流能：利用高速度的洋流或潮流带动结合水车、推进器、及降落伞状物的水中电厂而将其转换为有用的能源。,浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。,Thank you!,