第五章-新能源

1、世界能源概况 新能源的动态 新能源是指CO2的排放低,环境负担小,资源限制少的国产能源. 可替代石油,确保能源的确保能源的稳定供给,减缓地球环境问题,构筑可持续性的经济社会.新能源种类 2003年4月,欧美各国全面实施“关于电力事业新能源利用的特别实施法(RPS法)”，规定电力公司在销售电量时有义务引进一定比例的新能源。 太阳能、风力、氢能、生物质、地热、中小水力地球温暖化引起的气候变化、异常气候 气温上升：2100年全球平均温度上升1-5.8K，纬度越高地区气温上升越快，大陆比海面要快。 降水量增加：降水分布发生变化，干燥、多雨现象频发。 海洋的变化：海平面上升50cm左右，海拔低的国家将失

2、去部分土地。厄尔尼诺现象。京都协议书 地球的温热环境： 温室效应 温室气体（greenhouse gas）：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化二氮（N2O）、臭氧（O3）、水蒸气（H2O）京都协议书 1988年联合国环境署及世界气象组织设立了政府间气候变化专业委员会（IPCC），于1997年12月在日本京都召开了第三次缔约国会议，设定了温室气体排放量的目标值。 京都协议书中设定了六种温室气体的削减目标：CO2、CH4、N2O、HFC（氢氟碳化物）、PFC（全氟化碳）、SF6（六氟化硫）太阳能利用的意义 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源。 太阳阳能发电没有可转动部件，是无公害发电。 保养

3、容易，可实现自动化，无人化。 能在必要的现场输出必要的电力。 太阳能电池使用寿命长久（20年以上）。 即使在阴天依靠散射光一样可以发电。 硅材料资源丰富。太阳能电池的原理 发电原理：硅半导体材料经光照射（即光电效应）产生电流的性质实现发电。太阳能电池的种类 硅电池：单晶硅、多晶硅和非晶体硅 化合物半导体电池 有机半导体电池硅电池 单晶硅的转换效率达20%以上，但是成本高，制作工艺复杂。 多晶硅：将熔化的硅在铸模中固化，再切成薄片做成晶体材料，成本低。 非晶体硅：利用硅烷SiH4等气体的辉光发电发生分解，在玻璃等极板上聚集形成薄膜太阳能电池。硅电池的制造方法晶体硅太阳能电池构造 为减少光的反射损

4、失,在整个表面上覆盖一层减反射膜.当阳光从电池上层表面入射到电池内部时,入射光子分别为各区的价带电子所吸收并激发到导带产生电子-空穴对.在势垒区内建电场的作用下,将电子扫入n区,空穴扫入p区,各区产生的光生载流子在内建电场的作用下反方向越过势垒,形成光生电流,实现了光产生电的转换.非晶体硅太阳能电池的特点 作为低成本太阳能电池被寄予厚望。 制造工艺简单 制造用能源消费少（300度以下） 使用原料少（厚1mm以下，单晶硅约300mm） 容易实现大面积化 可获得任意电压的输出今后的研究方向：提高转换效率。硅太阳能电池构造非晶体硅太阳能电池的构造 非晶硅材料结构上的长程无序,无规网络引起的极强散射作

5、用使载流子的扩散长度很短,光生载流子不易收集. 为有效收集载流子,要求光注入所及的整个范围内尽量布满电场. 因此把非晶硅电池设计成pin型.p层为入射光面，i层为本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中，由此实现光产生电的转换。各种硅太阳能电池的转换效率薄膜太阳能电池 使用的半导体材料有Si、GaAs、InP、CdS、CdTe、CuInSe（比较成功） 碲化镉具有高效、稳定和价廉的特点。室温下转换效率理论值达27% 单晶硒铟铜转换效率达17.6%（面积0.4cm2） 色素敏化型太阳能电池的构造和原理: TiO2及其表面附着的色素吸收太阳光,使色素的电子移向氧化钛.TiO2内扩散的电子通过外部电路

6、从电极流到对应电极(Pt等).在Pt电极上电解液中的碘离子接受电子(I3-I-),电子再次返回色素.通过这个氧化还原过程将太阳能转换为电能.下一代薄膜型太阳能电池色素敏化型太阳能电池的构造和原理 高效率化： 有机色素取代贵金属钌系色素，其转换效率达8.3% 固化：考虑到实用性，液体电解质的安全性和耐久性是常见的问题。色素敏化太阳能电池电解质的固化尝试：用琼脂糖的多糖类物质固化电解质，转换效率达6，用离子液体凝胶进行电解质固化。色素敏化型太阳能电池塑料太阳能电池 导电性高分子的分散异质结和塑料太阳能电池的结构。电子的受体及载体层上采用了C60等富勒烯类，光电变换效率飞跃性提高，达5%。其成本低于

7、色素敏化型，更易于安装。采用导电高分子作为采用导电高分子作为P型，富勒烯诱导体为型，富勒烯诱导体为N型半导型半导体，体，PN结接触面增大，可见光照射下能隙小的导电结接触面增大，可见光照射下能隙小的导电高分子被激活产生空穴，同时电子注入富勒烯，空穴高分子被激活产生空穴，同时电子注入富勒烯，空穴和电子在各自的和电子在各自的p和和N型半导体内扩散，最终到达电型半导体内扩散，最终到达电极，产生电流。极，产生电流。 能源回收年限能源回收年限：是指用于制造太阳能发电系统所消耗的能源，取决于太阳能电池的转换效率和生产量。 随着太阳能电池生产量的增加，能源回收年限在逐渐减少。 每年生产10万KW的太阳能电池则

8、回收年限可降到2年以内，电池寿命约20年。 太阳能电池的转换效率太阳能电池的转换效率 预测近20年内：单晶硅的转换效率从18%提高到25%，多晶硅的从12%提高到20%，非晶体硅的从5%提高到14%。 存在的问题：原料硅供给不足，须发展薄膜型体阳能电池。 能源回收年限与生产量的依存关系能源回收年限与生产量的依存关系太阳能发电系统的分类 系统概述：为增加耐用性而用树脂和玻璃封装的太阳能电池最小单位成为电池模块。将这些模块串联起来成为电池链，再将它们集中用电线连接起来组成太阳能电池阵列。 太阳能电池阵列将太阳的光能转换为直流电能。 用逆变器将直流电转换为交流电提供给负荷。 用蓄电池作为积蓄太阳能发

9、电系统的剩余电力的设备，既保证高效利用受气象影响随时间变化的太阳能，同时还能在太阳能发电不足时满足负荷要求。 独立系统：与商用电力系统完全脱离而且没有其他辅助电源的系统。例：偏远地区的电力供应、可移动的便携型电源 并网系统：与商用电力连接的系统。其中包括切换系统（分离的）和并网系统（连接的）。 混合系统：太阳能发电直接受气象变动的影响，输出变动是在所难免的。将太阳能发电与异种电源组合，相互取长补短。例：太阳能-柴油混合系统太阳发电系统的构成要素 太阳能电池阵列 逆变器 蓄电池 系统并网装置并网发电系统太阳能电池阵列的构成逆变器 3-5KW 3-5KW家庭屋顶并网发电系统；家庭屋顶并网发电系统；

10、光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉交通领域交通领域 如航标灯、交通如航标灯、交通/ /铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示/ /标志灯、标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路路灯、高空障碍灯、高速公路/ /铁路无线电话亭、铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。无人值守道班供电等。光伏电站光伏电站10KW-50MW10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。种大型停车厂充电站等。氢能概述 诸多新能源中氢占有非常重要的位置。 氢资源丰富（水） 发热值高：燃烧1kg氢可产生14220kJ的

11、热量。 燃烧后生成水，不污染环境。 运输过程无损耗，用途广泛。 理想的二次能源 最大难题是氢气的储存贮氢方法 物理法：高压压缩、深冷液化、活性炭吸附 化学法：金属生成氢化物、无机化合物储氢、有机液态氢化法。 钢瓶：150大气压下储存，氢气的重量是钢瓶的1/100 储氢合金：重量是钢瓶的1/3，体积是钢瓶的1/10贮氢材料 活性炭（纳米碳管、富勒烯），低温加压可吸附氢。 合金：稀土合金、钛系合金、镁系合金 无机化合物：以活性炭为载体，以PdPdO为催化剂，以KHCO3-NaHCO3-作为储氢剂，储氢量为2%（质量分数） 有机化合物：苯、甲苯、环已烷、甲基环已烷贮氢合金材料 镧镍类 钛铁类 鎂镍铜

12、类 混合稀土类 非晶态类储氢合金贮氢合金的化学和热力学原理合金的吸氢反应机理贮氢合金分类及开发现状AB5型稀土类贮氢合金发展现状储氢合金材料的应用 氢燃料发动机 镍-金属氢化物电池（Ni-MH） 热-压传感器 氢同位素分离和核反应堆中的应用 储氢合金氢化物热泵Ni-MH电池的反应机理燃料电池概述 燃料电池具有能量转换率高、环境友好、无污染。无噪声、制造简便、能在野外作业等优点。 燃料电池是继水力发电、热能发电、原子能发电之后的第四种发电技术。不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效的发电装置。 被认为是21世纪首选的、洁净的高效的发电技术。燃料电池发电原理 由电极提供电子转

13、移的场所，阳极进行燃料的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做工并构成电的回路。 当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出废热，维持电池工作温度恒定。 要将燃料的化学能转变成电能，首先应使燃料离子化，以便进行电极反应。大部分燃料为有机化合物气体，要求电极有催化特性，并且是多孔质材料，以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面，促进电子接受反映的进行。燃料电池分类 碱性氢氧燃料电池(AFC) 磷酸性燃料电池(PAFC) 质子交换膜型燃料电池(PEMFC) 熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC) 固体氧化物燃料电池(SOFC)燃料

14、电池国内外的研究进展 美国：PAFC完全进入商业化应用。重点开发大容量兆瓦级机组的MCFC。 日本：大型PAFC（1MW、5MW和11MW级投入运营）碱性氢氧燃料电池(AFC) A型:以纯氢纯氧为燃料和氧化剂,带有水的回收净化系统. B型:以N2H2分解气(H2含量65%)为燃料,空气氧为氧化剂.AFC的应用 AFC可用于载人航天飞行:电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用,供氧系统可与生命保障系统互为备份(例:阿波罗登月飞行) AFC可用于航天飞机机上主电源，潜艇动力源。 AFC原理原理碱性燃料电池（AFC）使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳

15、极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。阳极反应：2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e- 标准电极电位为-0. 828v阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- 4OH- 标准电极电位为0.401v总的电池反应：1/2O2 + H2 H2O标准电极电位为-1.229vAFC的催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰等。碱性燃料电池是最早获得应用的燃料电池。在AFC中，浓KOH溶液既当作电解液，又作为冷却剂。它起到从阴极到阳极传递OH-的作用，电池的工作温度一般为80摄氏度，并且对CO2中毒很敏感。 AF

16、CAFC的的优缺点优缺点优点：效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高。因为是碱性介质，可以用非铂催化剂因为工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。缺点：因为电解质为碱性，易于CO2生成K2CO3，Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须出去CO2，这给在常规环境中应用带来很大的困难。电池的水平很问题很复杂，影响电池的稳定性。AFCAFC使用中的问题使用中的问题1、 隔膜材料研究情况 AFC使用石棉作为隔膜材料。石棉具有致癌作用，不少国家提出禁止石棉在AFC中的使用。为了寻求替代材料，vMRosa等 1研究了聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)以及聚砜(PSF)等

17、材料，发现PPS和PTFE在碱性溶液中具有与石棉非常接近的特性，即允许液体穿透而有效阻止气体的通过，具有较好的抗腐蚀性和较小的电阻，其中PPS甚至还优于石棉。PVermeiren等 J研究了Zirfon(85 Zr02，15 PSF，质量比)在KOH溶液中的电阻特性，发现该材料优于石棉。这些研究结果表明：PTFE、PPS和Zirfon等材料具有与石棉相近，甚至更好的特性，对人体没有损害，有望取代石棉作为隔膜材料。2 、CO2的毒化作用 空气作为氧化剂时，CO2随着氧气一起进入电极和电解质，形成碳酸盐，减少了作为载流子的OH一的数量，影响了电解质的导电性，并容易在电极微孔中析出，阻塞并损坏多孔催

18、化剂结构和电极。 AFCAFC前景前景 由于氢密度小，贮存不便，近年来有将氨(NH3)作为氢源在AFC上使用的趋势。氨在室温下仅需89 MPa就可被液化，不需较高能量消耗，且价格低，已有比较完善的生产、运输体系，而氢的使用则还需要较长时间进行基础设施建设。氨具有强烈刺鼻的气味，其泄漏很容易检测。和其他燃料相比，氨更为清洁，不会对土地造成破坏。氨的爆炸范围比较小，仅15 28(体积比)，相对安全。在AFC使用中，只需在燃料入口增加一个重整器，将NH3分解为N2和H2即可。综上所述，NH3将有望在AFC中广泛使用，具有较好的发展前景。AFC作为特殊用途的高密度电源可适用于宇航、潜艇等方面。在日本，

19、随着宇宙飞船的开发，碱性燃料电池也被开发为一种备用电源。 另外，近年来由于能源供求关系的缓和出现了提高能源附加价值的动向。例如，已经看到的用富氢膜或加压变换吸收法精制炼钢炉气而获的纯氢的技术的飞速发展，以及采用热化学循环法分解水而获得廉价氧气的技术的深入研究。注意这些动向，在燃料电池应用于大规模电站方面，有必要景象相应的概念设计的探讨。 在欧洲，已经开始对碱性燃料电池作电动汽车电源进行正式的研究，并在产品开发阶段也一直在注意其发展动向。磷酸性燃料电池(PAFC) 利用天然气重整气体为燃料,空气作氧化剂,以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质,Pt/C为点催化剂,产生的直流电经过直交变换以交流

20、形式供给用户使用. PAFC是目前开发研究水平最高,商业化进程最快,最实用化的燃料电池,可作为医院,计算机站的不间断电源使用. 因为热电效率仅有40%,启动时间长,不适于作移动动力源.质子交换膜型燃料电池(PEMFC) 以全氟磺酸型固体聚合物为电解质,以Pt/C或Pt-Ru/C为点催化剂,以氢或净化重整气为燃料.以空气或纯氧为氧化剂,并以带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极的电池. 适于作移动动力源:电动汽车发电机及潜艇电源(军民通用)熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC) 以碱金属碳酸盐,碳酸氢盐或其混合物为电解质, 以Ni多孔材料为阳极,以多孔掺锂氧化物为阴极. 运行温度较高(650-

21、700度),利用自身高温进行燃料气的内部重整,因此不需要贵金属催化剂,发电效率高,有望发展成大规模发电技术. 室温下快速启动,无电解液流失,水易排出,艘名场合,比功率与比能量高,适宜作移动动力源.固体氧化物燃料电池(SOFC) 采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质,以Ni/YSZ金属陶瓷为阳极,以钙钛矿型符合氧化物为阴极. 氧化锆固体电解质在较高温度下具有传递O2-离子的能力,在电池中起传递O2-离子和分离空气,燃料的作用.在阳极上(空气电极),氧分子得到电子,被还原成氧离子,氧离子在电池两侧氧浓度差驱动力的作用下,通过电解质中的氧空位定向跃迁,迁移到阳极上(燃料电极)与燃料进行氧化反

22、应. SOFC被认为是最有效率的万能发电系统,作为分散的电站可用于发电,热电联供,交通,空间宇航等领域.生物质能源生物质能源的定义 生物质（bio-mass）：包括人类在内的动植物、微生物等具有生命的生物以及枯叶、横祸垃圾、建筑废料等等生物来源的有机物。 生物质能源：从动植物中获取的可以作为能源利用的有机物。 生物质能源包含由生物质原料生产出来的热力、电力、液体及气体燃料。生物质资源的分类 与太阳能、风能等其他可再生资源不同，生物质能源是有机性资源，可以作为原料以固体、气体、或液体燃料的形式进行储存，具有能够代替石油、煤炭、天然气等化石燃料的特点。生物质能源的转换技术甲烷发酵技术风能风能资源

23、风的产生： 我们生活的大气层中有稀薄的对流层存在。来自太阳的能量会将地球表面加热，同时大气层也会升温。但是地表附近与高空，赤道与南北极，陆地与海面等由于受热不同而形成温差。温差引起的大气循环形成了风。风的种类 地球规模的风 低气压、高气压形成的风 海陆风、山谷风 季风地球规模的风 由于赤道和南北极的温差，赤道附近的暖空气向上升，在上空向两极移动。另一方面，两极的冷空气沿地表向赤道方向移动，遇暖空气交替。加上地球回转的偏转力及大陆和海洋的影响，这样就产生了大气的循环。如图所示，这些全球范围形成的风中，赤道附近低纬度地带的风称为信风，中纬度地带的风称为西风，高纬度地带的风称为极地东风。低气压、高气

24、压形成的风 阳光照射使海面温度升高，水变成蒸汽向上流动产生上升气流。海面附近空气密度降低从而形成低气压。低气压和高气压作用形成风，高、低气压的大小和位置决定风速和风向的变化。一般气压越大风力越强。在北半球低气压昌盛的逆时针吹响中心，在高气压产生的风顺时针从中心吹出。在热带海域产生的低气压成为热带低气压。 在太平洋和中国南海发生的最大风速在17.2m/s以上的热带低气压成为台风。海陆风、山谷风 在海岸地区由于海洋和陆地的温差产生气压差。白天由于太阳的照射陆地气温比海面高而产生低气压，从海上向陆地吹进海风。夜晚陆地气温低而气压高，从陆地向海面吹来陆风。在风向转变的早晚时段，风速减弱而变得风平浪静，这种风称为海陆风。 在内陆，山和谷的温度差也产生气压差。白天山坡山顶的气温高气压低，从山谷向上吹谷风。夜间山坡山顶的气温低气压高，从山上向山谷吹山风。这种风称作山谷风。季风 风向随季节变化，夏天大陆暖和气