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1、,新能源与材料科学,新能源及材料科学基础与进展,新能源技术,一、能源技术概述,1. 基本概念 能量形式: 机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。 能源: 自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。 能源种类： 按生成方式分: 天然(一次)能源和人工(二次)能源 按原始来源分: 地内能源和地外能源以及相互作用能源。 按对能源的认识过程分：常规能源和新能源。,天然(一次)能源和人工(二次)能源,二次能源：它是指经过消耗一次能源加工转化而产生的诞生能源。如电能、热能、煤气、柴油、氢能、焦炭、沼气等。,地内能源：地热能(地下蒸气、温泉、火山)、核能 地外能源：主要来自太阳，包括
2、由太阳能转变来的风能、水能、 矿物燃料(煤，石油等)，及少量宇宙辐射能 相互作用能源：主要指潮汐能。,常规能源：已被广泛利用的能源，如煤、石油、水力、电能 新能源：原子能、太阳能(对发展中国家而言)、雷电能、宇宙射线能、 火山能、地震能等。,2. 能源问题,能源模式的演变： 木材煤石油核能或多种形式能源 目前人类使用的能源储量和分布,非再生能源: 石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的90%左右再生能源: 水力、植物燃料等只占10%左右,再生能源分布: 太阳能占99.44%, 水能、风能、地热能、生物能等不到1%,在非再生能源中，利用海水中的氘资源产生的人造太阳能(聚变核能)几乎占1
3、00%，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加起来也不足千万分之一。所以，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。,世界能源储量分布与利用,世界非再生能源储量分布: 中东地区: 石油储量最多, 占56.8%； 欧洲: 天然气和煤炭储量最多, 各占54.6%和45% 亚洲、大洋洲: 煤炭各占18% 石油、天然气只有5%,我国能源资源地区分布不均衡 煤炭，主要集中在华北和西北 石油、天然气，主要分布在黑龙江、辽宁、河北、河南、山东、四川、甘肃和新疆等省区内 可开发水力资源有，主要集中在西南 太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。,我国能源资源丰富 煤炭资源(探明储量)和水力资
4、源均居世界第一位； 石油资源占世界第十一位； 天然气资源占世界第十四位； 太阳能资源居世界第二位； 潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。 人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。,利用能源的过程直接污染地球环境。 主要来源： 1) 煤、石油等燃料的燃烧； 2) 汽车排放的废气； 3) 工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气。,大气污染： 1) 酸雨问题； 2) 温室效应； 3) 臭氧层破坏。,能源问题 即环境与能源关系问题,联合国提出可持续发展概念，即要满足当代人的需要，又要考虑不损害后代的需要。因此, 今后的能源战略是多元结构的能源系统和高效清洁的能源技术。,二、能源技术,1. 洁煤
5、技术 煤碳的污染物和二氧化碳可能导致全球变暖。现在有两条洁煤途径： (1) 先进燃烧和污染处理，洁煤技术可用于燃烧前、中、后期。 (2) 气化和液化煤，将煤转化为含一氧化碳和氢的“合成气”。,2. 煤炭液化(煤炭转化技术之一) 对固体煤炭以特殊方法进行化学加工成为液态后，可作液体燃料和化工原料使用。从工艺上可分为 直接液化: 在高温高压下加氢，使煤炭直接生成液态物质； 间接液化: 先把煤炭气化，制成煤气，再合成为液体燃料。煤炭液化技术复杂，难度高，投资大，比天然石油成本高，目前还没有竞争能力。,3. 煤炭气化 (煤炭转化技术研究的一个重要部分) 现状：煤炭自身氢碳比低，含有灰分、硫分等杂质，在
6、开采、运输、燃烧过程中会污染环境，燃烧时热效率低。 煤炭气化目的： 制取清洁的气体燃料； 制取化工合成用的气体原料。 地上气化 采出煤炭后进行热加工的一种过程: 以煤炭作为原料，以氧或氢作气化介质，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。 地下气化 在未经开采的煤层中进行的热加工过程: 通过从地面钻进的一批特定钻孔，把气化介质送进煤层，使煤炭在地下进行发生炉煤气反应，生成的煤气从另一批特定钻孔引出。,4. 石油的精炼 目的 从复杂的原油中提取粘度较小的能充分燃烧 把不好的分子转变为好的分子如长链烷烃容易引起汽缸爆震 现在观点，大多数石油是由埋藏在地下沉积层中的有机物经过几百
7、万年在75200的温度下形成的。 微生物将地表以下的有机物转化为碳氢化合物，剩下的埋藏在深层地底(通常具有商业价值的油田都位于地表以下500米700米深处，最深的油井在约6公里深的地底)的有机物则在温度和压力下经过分解及复杂的化学反应生成石油。 精炼方法: 先根据不同沸点把不同成分分离开， 然后除硫再向高辛烷转变。,5. 天然气液化 通过施加一定高压，使天然气由气态变为液态，贮存在专门容器内。 天然气是埋藏在地层深处的一种富含碳氢化合物的可燃气体，由亿万年前的有机物质转化而来。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重质气态烃类。 甲醇俗称“木精”，性能稳定，象石油一样能直接当作燃料，使用
8、时不污染环境，便于运输和贮存。20世纪末，甲醇合成技术已获成功，如果在天然气产地附近设立甲醇工厂，把天然气加工成甲醇，可经济合理地解决天然气液化问题。,6. 水能的利用 水力发电优点，经济、干净和易维修,葛州坝水利枢纽装机容量为271万千瓦,三峡水电站总容量为1768万千瓦,当今世界仅次于三峡水电站的第二大的水电站-伊泰普水电站,位于巴拉那河流经巴西与巴拉圭两国边境的河段. 总装机容量1260万千瓦，年发电量可达750亿度。,7. 蓄能技术 针对热能或电能储存，着眼于大规模、长时间应用。电能储存是当前研究的重点。 蓄能技术一般要求: 储能密度大 变换损耗小 运行费用低 维护较容易 不污染环境
9、根据这些要求衡量，抽水蓄能方案较优越,电的蓄能技术大致分三类： 直接储存电磁能 超导线圈蓄能系统 把电能转化为化学能储存 铅电池,钠硫电池,锌氯电池,锂电池等 把电能转化为机械能储存 压缩空气, 需要时释放,电池：储存电能转化而来的化学能 铅酸电池中的铅在回收中容易流失，对环境存在二次污染 镍氢电池：一种密封电池，可以在任何位置下工作，使用方便。 特点：可随时充放，循环使用，且不用维护。以过充过放为一次使用过程，预计可使用1000次。 锂电池: 采取了3层保护措施，可抗过充过放，使用更安全方便。特点: 体积小、质量轻、使用寿命长、环保(不需要回收) 。 燃氢电池、纳米碳管(一个装电的容器，像拧
10、水龙头一样放电)将是电动自行车动力源未来的发展方向。,。,由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。它是利用氢和氧生成水的过程来产生电力的一种装置。,燃料电池：第四种电力(电力火电、水电、核电为三种当今能以工业规模生产的电力) 工作原理: 通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质(起反应的物质)-燃料和氧化剂, 促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。,具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的固体电解质板所组成。,工作时向负极供给燃料(氢H2)，向正极供给氧化剂(空气O2)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。
11、氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。,燃料电池的用途: 电动车动力源,可移动电源、家庭电源与分散电站等,三、能源利用与开发,1. 常见的能源,(1)热能及其到机械能的转换,纽科曼(T.Newcomen，16631729)1711年发明蒸气机 瓦特(J.Watt，17361819) 1765年发明分离冷凝器，使蒸气机成为主要动力装置。, 热能及其到机械能的转换 天然气的开发； 地热能；,地热能是来自地壳之下的高温能源。一个典型的地热能电场可以轻松地输送100MW电
12、量，这是风能和太阳能所无法企及的。,(2)电能 电能指电以各种形式做功的能力。有直流电能、交流电能、高频电能等，这几种电能均可相互转换。,(3)机械能 水力发电； 海洋能(潮汐能、海浪能、温差能)； 风能利用,(4)太阳能 光电转换方式； 光热转换方式； 光化学转换方式。,家用太阳能并网系统工作原理 1）晴天的白天：太阳能电池板阵列将太阳能转化为直流电力，再经由逆变器转变为可为用电设备供电的交流电力。发电电力大于用电设备的消费电力时剩余电力将被返送回电网，电力公司将依据售电电能表记录的数值支付给用户相应的费用。2）多云或阴雨天气的白天：此种天气下，我们的太阳能系统根据实际的日射量仍可以发电，但
13、此时发电量较少，当用电设备消费电力较大时，不足部分将由电力公司通过电网补充提供。3）夜晚：夜间太阳能发电系统不提供电力，用电设备由电力公司提供的常规电力供电。,光热转换,光热转换就是把太阳辐射能通过各种集热装置（集热器）转变成热能。 太阳能热发电； 太阳能高温炉冶炼高温材料； 太阳能节能建筑太阳房； 利用太阳能使海水淡化； 太阳池（盐湖水太阳能发电技术）； 太阳能热水器。,最基本的应用热水器,在某些国家太阳能已成为热水生产的主要方式，带来良好的环境效应。,首次实现太阳能热泵中央热水系统方案，以太阳能为主要热源，辅以少量的电能驱动双热源热泵，保证了阴雨天气及冬季太阳能资源不足时热水供应，做到全年
14、、全天候供应热水。,北京月坛奥运会游泳馆,太阳能塑料菜棚,太阳能热水器,光电转换,通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。太阳能电池的工作原理是光电效应。 太阳能电池已广泛应用于宇宙飞行器； 太阳能电池还用来作为交通工具的能源； 太阳能电池应用在自动控制领域； 太阳能电池还可以用来发电（光伏电站）。,太阳能红绿灯,太阳能景观灯,美国无人驾驶太阳能飞机,太阳能汽车,利用太阳能的电动车,上海世博会主体建筑屋顶上的太阳能装置,阿姆斯特丹附近的“太阳能村”(位于阿姆斯福特市)是一个近年建成的以建筑节能为中心的、装机容量名列世界前茅的太阳能发电居住区，也是当今荷兰住宅建设的示范项目
15、。,太阳能住宅,光化学转换,用光和物质相互作用引起化学变化的过程称光化学转换。 绿色植物的光合作用； 利用光化学电池制氢。 光化学转换到目前为止还只限于实验室试验，没有重大突破。,(5)氢能,“喝”氢的汽车,越来越多的科学家相信未来洁净能源的最大一部分也许就藏在海底或高纬度永冻区。有专家预测，可燃冰至少能为人类提供1000年的能源，它将来有望替代煤、石油和天然气，成为“21世纪的新能源”。,可燃冰的学名是天然气水合物(Gas Hydrates ),这是天然气和水在特定的条件下所形成的一种透明的冰状结晶体,又称“气冰”、“固体瓦斯”。外貌类似冰雪，可以像酒精块一样燃烧，故称为“可燃冰”。是一种清
16、洁高效、使用方便的新能源。,2. 超级能源：可燃冰,可燃冰的性能,能量密度高，燃烧值高。1m3相当于164m3的天然气。 清洁无污染（几乎不产生任何燃烧废弃物，SO2比燃烧油或煤低2个数量级） 使用方便。压力降低就足以使天然气水合物晶体分解并释放出大量甲烷气体。 注意：甲烷的温室效应比CO221倍，是一种对环境破坏作用最大的温室气体 危险性高,可燃冰的开发利用,1810年，英国，达威在实验室发现“天然冰”。 虽然是块香饽饽，但开发利用仍然很困难： 勘探定位技术， 开采技术;提制可燃气的技术;运输的问题;低成本开发 其它： 未燃烧的天然气水合物直接排入大气产生的强烈温室效应 未燃烧的天然气水合物对海底已有油气管道造成危险 对鱼的生长的威胁 对航行的威胁 天可燃冰如何保持高压、低温状态等,3. 裂变反应堆核电站, 裂变发现及裂变能的释放 裂变的发现 1934年，费米(E.Fermi，意大利，19011954) 1938年，居里夫人实现中子使铀核裂变； 1939年，哈恩(O.Hahn，18791968)和斯特拉斯曼(
