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1、0题目： 新能源材料的应用与发展前景 学院： 材料科学与工程学院 12013 年 11 月 26 日目 录0.摘要 21太阳能电池及光伏材料22风电机组叶片材料33贮氢材料44镍氢电池和锂离子电池54.1镍氢电池54.1.1镍氢电池基本简介64.1.2镍氢电池电池材料64.1.3镍氢电池研究进展74.2锂离子电池74.2.1锂离子电池基本简介724.2.2锂离子电池充放电原理及其电池材料74.2.3锂离子电池的应用前景 95燃料电池 105.1燃料电池的基本原理及组成105.2燃料电池的分类115.3燃料电池的优缺点126. 新能源材料有待解决的课题127.参考文献 12摘要人类社会对能源的需
2、求持续增长，能源需求结构也在发生变化，与此同时人类又面临着矿物能源环境污染和枯竭的难题，这一切都激励着新能源的出现和发展。太阳能、氢能、核能、生物能、风能、地热能、海洋能等被认为是新能源，但它们必须依靠新材料的开发与应用才能得以实现，并进一步提高效率、降低成本。新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。新能源材料有以下特点：1.新材料把原来已经使用的能源变成新能源，更便于使用；2.一些新材料可提高储能和能量转化效果；3.新材料保障了核反应堆等新能源的安全；4.材料工艺决定着新能源的成本。Abstract3Human societys demand for energy continu
3、ed growth, energy demand structure is changing, at the same time the human faces pollution and depletion of fossil energy environment problem, this all motivated the emergence of new energy and development. Solar energy, hydrogen energy, nuclear energy, bio energy, wind energy, geothermal energy, oc
4、ean energy is considered to be a new energy, but they must rely on the development and application of the new materials can be realized, and further improve efficiency, reduce costs. Shinno source material for ability of Industrial sources, Change sum Application required plant material. Shinno sour
5、ce material have the following Features:1. New materials have used the original energy into new energy sources, easier to use;2. Some new materials to improve energy storage and energy conversion effect;3. New materials to protect the safety of nuclear reactors and other new energy;4. Materials tech
6、nology determines the cost of new energy sources.关键词：太阳能电池 贮氢材料 风电机叶片 镍氢电池 锂离子电池 燃料电池1太阳能电池及光伏材料我国地面接收的太阳能资源非常丰富，辐射总量为33408400(MJ/m2)/a,主要分布在我国的西北、华北以及云南中部和西部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和台湾西南部等地区。太阳照射到地面的能量相当于全球能耗的数万倍，既无污染，又是永久性能源。但太阳辐射到地球的能量密度太低，还受时间、气候的影响。尽管太阳能利用成本较高，在某些日照时间长、居民分散度大的地区建立太阳能电站还是有意义的。我国西部地区日照
7、好、居民分散，适合发展太阳能。建立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。已实用的主要有以下两种。 光热电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。 前一过程为光热转换，后一过程为热电转换。光电转换。其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。 光伏材料是能将太阳能直接转换成电能的材料，光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、Cd
8、s、CdTe等。表1是几种常见光伏材料特性一览表。表 1 几种常见光伏材料特性类型 光电转换效率 优点 缺点 普及情况单晶硅太阳能电池15%24% 光电转换效率最高，坚固耐用制作成本很大 主要用于空间技术多晶硅太阳能电池约 12% 材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低光电转换率和寿命比单晶硅太阳能电池低得到大量发展4非晶硅太阳能电池10% 工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，在弱光条件也能发电光电转换效率偏低，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减多元化合物太阳电池18%左右 用多种元素半导体制成的，可扩大太阳能吸收光谱范围，光电转换率高达 18%。正在研究设计目前致力于降低材
9、料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。太阳能电池中，材料费占成本的60% 80 %。因此，发展厚度仅1 2m的非晶薄膜（相对于50 m的多晶硅膜）对节约材料和费用具有显著的意义。近年来正在研制便于大规模制造的燃料纳米半导体材料及有机光伏转换薄膜。2风电机组叶片材料太阳能在地面上约 2转变为风能，全球风力用于发电功率可达 11.3 万亿kW，很有发展前景。风力发电的缺点是噪声大，会产生视觉污染，占用大片土地，不稳定，不可控，目前成本仍然很高，影响鸟类。但对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风
10、力发电，非常适合，大有可为。风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目的风车技术，大约是每秒三公里的微风速度（微风的程度） ，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一般热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡，小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统；风力发电机+充电器+数字逆变器，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成，每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从
11、而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是 13-25V 变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。使风力发电机产生的电能变成化学能，然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流 220V 市电，才能保证稳定使用。叶片成本占风力发电机组总成本的 20%左右，其原材料国产化是降低风机总造价的关键之一。据了解，风电机叶片是风电机组的重要组成部件之一其效能决定整机的发电效率。叶片研发时，既要考虑减轻叶片的重量，又要满足其强度与刚度要求。1为确保在野外极恶劣环境中,长期不停、安
12、全地运转,对风电机叶片的要求5有：1、比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能,能经受住极端恶劣条件和随机的负荷的考验,确保安全运转 10 年以上；2、成本较低；3、叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好；4、耐腐蚀、紫外线(UV) 照射和雷击的性能好;5、维护费用最低。2在国家“十一五” “863”计划中的“研发兆瓦级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”项目支持下，中材科技风电叶片股份有限公司等单位承担的“国产化原材料风轮机叶片设计机制造技术开发”等 3 个课题通过技术验收。在此3 个课题中，研发人员既要考虑减轻叶片的重量，又要满足其强度与刚度要求。为
13、此，他们开发了适用于兆瓦级风电机组风轮叶片的高性能真空灌注环氧树脂体系、高强高模 E 玻璃纤维及其多轴向织物、高性能泡沫夹芯材料、环氧结构胶粘剂以及叶片表面保护涂料等新材料及技术，重点突破了兆瓦级叶片结构强度分析校级及国产化原材料评价等关键技术难关。而在学术界，由郑州大学材料科学与工程学院的张娜等，联合俄亥俄州大学，纳米材料与生物分子研究中心等进行了“碳纳米纤维纸环氧复合材料对风力发电叶片的影响”的实验研究，并得出了最新的研究结论：碳纳米纤维纸环氧复合材料具有良好的界面结合，且纳米纤维纸的引入提高了玻纤增强环氧复合材料的玻璃化转变温度（从 55 度提高到 63 度） ，从而改善了耐固体粒子的冲
14、刷腐蚀性能，同时碳纳米纤维纸的加入改善了玻纤增强环氧复合材料的表面疏水性能（接触角从 104 度提高到 131 度） 。 33贮氢材料贮氢材料是在适当的温度和压力下能大量可逆地吸收、释放氢的材料。在氢能系统中，贮氢材料作为氢的贮藏和输送的载体，是一种重要的候选材料。氢与贮氢材料的组合，将是21世纪新能源氢能的开发与利用的最佳搭档。贮氢材料分为金属贮氢材料、非金属贮氢材料以及有机液体贮氢材料三大类。金属贮氢材料氢几乎可以和所有金属元素反应生成氢化物, 但是只有那些能在温和条件下大量可逆地吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能用作贮氢材料。目前已开发的金属贮氢材料可以分为稀土系 AB5 型; 锆、钛系
15、 Laves 相 AB2 型; 钛系 AB 型; 镁系 A 2B 型; 钒系固溶体型等几种。其中 A 是指能与氢形成稳定氢化物的放热型金属；B 是指具有氢催化活性的吸热型金属。这些 ABx 型金属, 当 x 由大变小时, 贮氢量有不断增大的趋势; 但与之相应的是反应速度减慢、反应温度增高、容易劣化。这类材料的贮氢量一般在 3(w t) % 以下, 无污染, 安全可靠。非金属贮氢材料从目前研究的情况看, 能大量可逆地吸放氢的非金属贮氢材料仅限于碳系材料、玻璃微球等。这些非金属贮氢材料如碳纳米管、石墨纳米纤维、高比表6面积的活性炭、玻璃微球等贮氢均属于物理吸附型。也就是说, 利用其极大的活性比表面积, 在一定温度和压力下吸收大量氢气; 当提高温度或降低压力时, 则将氢气放出。这种贮氢材料的吸氢
