新能源材料.

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1、新能源材料,材料学院 邹美帅 zouzou1211,能源概念,按获得的方法分,一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等； 二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。,能源按被利用的程度分：,常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等 新能源，如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能,按能否再生分,可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能等 非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等,按对环境的污染分,清洁能

2、源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等 非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等,能源与社会发展密切相关,人类社会的发展伴随能源消耗的增加，能源技术的每一次进步都带动了人类社会发展。 （1）火使人类迈向了文明； （2）薪材和木炭一直 是人类的重要能源； （3）煤炭的利用推动了产业革命； （4）石油奏响了现代文明的主旋律。,能源危机,绪论,能源问题与环境问题是21世纪人类面临的两大基本问题,绪论,化石燃料的匮乏，环境状况的恶化，传统能源工业满足不了人类发展的要求能源危机。 （1）化石燃料资源正面临着枯竭； （2）严重的区域环境问题； （3）温室气体与气候变暖； （4

3、）能源-战争的导火索。,1994年,1.矿物能源面临枯竭 世界化石燃料探明可采储量,2.矿物燃烧造成环境污染。 （SO2、CO、CO2、NO、烟尘）,世界CO2排放量随时间的变化,因二氧化硫排放 每年经济损失1126亿元 (世界银行统计超过5000亿元),3 污 染 现 状,4 温室效应,最近几十年来，地球日益变暖。 地球为什么会变暖？ 这是由于人类大量使用能源而 放出的热量使地球变暖的吗？,地球变暖的原因到底是什么？,人类使用能源一天所放出的热量 0.1 1016kJ； 地球一天从太阳获得的热量 1500 1016kJ.,地球变暖的原因到底是什么？,太阳射向地球的光约1/3被云层、冰粒和空气

4、分子反射回去； 约25穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，但以后又返回到太空； 其余的大约37则被地球表面吸收。这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新发射到天空。,地球变暖的原因到底是什么？,如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，地球表面的温度就会增加。,CO2不吸收短波，只吸收长波，于是， 地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从 而使地表温度升高，地球变暖。象CO2这类会使地球变暖的气体就称为温室气体（包括水蒸汽、SO2、甲烷、氟利昂等）。,气体对包括太阳的各种热辐射的特性,由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。,我国

5、能源工业的突出问题,人均能源拥有量低、储备量低 能源生产和消费结构依然以煤为主 能源利用效率低 环境污染严重,发展新能源迫在眉睫！ 新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。,新能源,绪论-新能源,新能源相对于常规能源材料而言 新能源是以新技术和新材料而获得的，在新技术基础上系统地开发利用的能源 新能源生产规模较小，适用范围较窄。太阳能、风能、核裂变为例 联合国曾认为新能源和可再生能源包括14种能源：太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能和水能等,太 阳 能,绪论-新能源,（1）太阳能 输出总能量 到达地球 地

6、球陆地,3.75*1026W,1.73*1017W,8.5*1016W,1.7*1018t煤,太阳能的利用,光-热转换（太阳能热利用） 太阳能集热器以空气或液体为传热介质吸热 太阳能热水器是一种技术成熟、应用广泛的可再生能源产品 光-电转换（太阳能光伏发电） 太阳能电池，单晶硅、多晶硅、非晶硅、硫化镉。 德国（46%），西班牙（18%），日本（10%），美国（8%），中国（n%？） 光-化转换 光照半导体和电解液界面使水电离直接产生氢的电池，即光化学电池,氢 能,一、氢能,氢能：人类未来的清洁能源，优点： （1）燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；

7、（2）燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源； （3）资源丰富，氢气可以由水制取 氢能的开发和利用受到世界各国的高度重视，以期在21世纪中叶进入“氢能经济”时代。 氢能的利用需要解决三个问题：氢的制取、储运和应用。,世界的难题，氢能的机遇,解决全世界面临的温室效应和环境问题，最好的办法是把碳去掉。利用原子的核聚变反应也许能提供我们所需要的能量，但从目前估计，还有很远的路要走 用氢代替目前所用的燃料是唯一能提供既没有温室效应、也没有污染物威胁的高质量的生活的途径 任重道远的氢能：250年前发现了氢；约150年前氢获得工业应用。许多人担心氢能的安全，随着科技的进步，能源工业将生产清洁的氢气，汽车加注

8、氢气和现在加注汽油一样方便、快捷，那时，人们生活一定会更好、更舒适。,今天的工业化制氢方法,目前，我国97%的氢气由化石燃料生产，其余的有水电解法生产。 化石燃料制氢排放大量的温室气体。水电解制氢不产生温室气体，但生产成本高。 水解制氢适合电力资源如水电、风能、地热能、潮汐能以及核能比较丰富的地区。,氢从哪里来？,氢从哪里来？,未来的太阳能、风能制氢,太阳能电解水制氢 通过太阳能电池将太阳能转换成电能，将电能转化成氢，构成所谓的太阳能制氢系统。 太阳能热解水制氢 采用高反射、高聚焦的实验性太阳炉，可以实现2000度以上的高温，从而能直接使水分解，得到氧气和氢气。 太阳能热化学制氢 试图在100

9、0度左右，在不同阶段和不同温度下加给在含有添加剂的水分解系统中，使水沿着多步的反应过程中最终分解成氢气和氧气，使其中的组分反应可以在较小的自由能变化和较低的反应温度进行。,未来的太阳能、风能制氢,太阳能光解制氢； 利用来自半导体材料的射线。当接收光时，半导体材料的射线将产生电压，把水分解成氢和氧。 光合作用制氢； 利用某些微生物转换太阳能，产生特定物质氮化酶和氢化酶，然后再利用这两种特定物质分解水产生氢气。 生物制氢； （1）蓝藻和绿藻；（2）厌氧光合细菌；（3）非光合生物 风力制氢,绪论-新能源,（3）核能 核能是原子核结构发生变化放出的热量。,绪论-新能源,（4）生物质能 生物质能占世界能

10、源中消耗量的14%。估计固定的碳达到2*1012t,含能量3*1021J。地球上的植物每年生产的能量是目前人类消耗矿能的20倍 生物质能主要有3种不同的来源：城市和工业废物、农作物残余物以及能源作用 将生物质转化为能量的技术有许多种。包括厌氧消化、造粒、直接燃烧和共同燃烧、热解、气化和乙醇生产。,绪论-新能源,（5）化学能源 直接把化学能转变为低压直流电能的装置，也叫电池。化学能源还承担其他新能源的储存功能 （6）风能-崭露头角的清洁能源 风能是大气流动的动能。估计全球风能储量为1014MW，千万分之一相当于目前全球电能总需求量，也是水力资源可利用量的10倍,绪论-新能源,（7）地热能 来自地

11、球深处的可再生热能。全世界地热资源总量1.45*1026J,相当于全球煤热的1.7亿倍。它是分布广、洁净、热流密度大、使用方便的新能源。 （8）海洋能 海洋能是依附在海水中的可再生能源，包括潮汐能、潮流、海流、海水温差和海水盐差能。估计全世界海洋的理论再生量为7.6*1013W，相当于是目前人类对电能的总需求量。 （9）可燃冰 可燃冰是天然气的化合物。在海底的分布范围为海洋总面积的10%，相当于4 000万平方公里，储量够人类使用1000年。,绪论新能源技术,实现新能源的利用需要新技术支撑，新能源技术是人类开发新能源的基础和保障。,太阳能利用技术,氢能利用技术,核电技术,化学电能技术,生物质能

12、应用技术,风能、海洋能与地热应用技术,潮流能利用技术,地热能技术,新能源材料,新能源材料,能源材料是材料学科的一个重要研究方向 能源材料划分为：新能源技术材料、能量转换与储能材料 和节能材料 新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所用到的关键材料,新材料作用,通过各种物理与化学的方法来发现新材料、改变传统材料的特性或行为使它们变得更有用，这就是材料科学的核心 新材料把原来习用已久的能源变为新能源,绪论-新能源材料,能源材料是材料学科的一个重要的研究方向。 新能源材料的基础仍然是材料科学与工程基于新能源理念的演化与发展。 从材料学本质和能源发展的观点看，能储存和有效利用现有传统能源的新型材料也可归属为新能源材料。 21世纪是新能源发挥巨大作用的年代，显然新能源材料及相关技术也将发挥巨大作用。,绪论-新能源材料的关键技术,根据新能源材料的应用现状可概括为以下几个方面： 锂离子电池及其关键材料 镍氢电池及其关键材料 燃料电池材料 轻质高容量储氢材料 太阳能电池材料 发展核能的关键材料 其他新能源材料,谢谢您的耐心！,