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1、能源开发与利用中的化学问题学院：化学化工专业班级：姓名：学号：扌旨导老师：唐有根能源开发与利用中的化学问题（湖南长沙中南大学化学化工学院410000）摘要：在社会越来越发展的今天，能源问题也凸显的越来越明显。人们在提高传统能源的利用率的同时，也在寻找着可以替代传统能源的可再生能源。但是，在可再生能源的开发与利用中，存在着很多的问题。本文主要讨论在能源开发利用中面临的化学问题。关键词：能源开发化学风能氢能太阳能1.前言能源问题一直是困扰着人们的一个亟待解决的问题之一。煤矿资源的过度开采，石油资源的逐渐匮乏，这些都使得人们开始不得不面对传统能源的持续使用以及新能源的开发问题。经过一段时期的研究与开
2、发，氢能、风能、太阳能、潮汐能等新能源，也称之为可再生能源开始登上历史的舞台。虽然人们已经找到了开发和使用这些能源的方法，但是，怎么最大限度的使用这些能源，使得能源的浪费和对环境的污染减到最少，这其中仍然存在很多的问题。众所周知，风能、太阳能等再生能源的利用，有着时间和空间上的问题，对于怎么储存这些能源，人们已经找到了比较好的媒介一一电池。但是不同的能源其性质也不相同，所以电池的种类、形式、结构等等也不尽相同。怎样研究出分别适用于不同能源的电池成为了能源开发中的化学问题。2能源开发中的化学问题2.1传统能源开发中的化学问题曾经在很长一段时间内，传统能源都在能源利用中占据主导地位。但是，在传统能
3、源的开发中，也存在着很多的化学问题。比如，煤炭开采中，矿井中的瓦斯爆炸问题，水污染问题，大量堆积的煤矸石散发的气体对空气质量的影响，对地表地下水的污染；石油开采中，尤其是海上石油的开采中，原油的泄漏，对海水中的生物的影响；再者，传统能源常有燃烧不完全，以致排放的CO、NO等对大气造成很大的污染，使用不当还会危及人身安全。所以，如何安全开采？开采中不能完全利用的煤矸石等这类物质如何处理？如何安全使用？怎样使得这些能源得到最大限度的利用？这些都是传统能源开发与利用中需要解决的化学问题。2.2可再生能源开发利用中的化学冋题2.2.1风能开发利用中的化学问题风能发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定
4、了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全；但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。目前为了减少对电网的冲击，每一台风机需要配备其功率4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其功率1%的蓄电池用于紧急情况时风机保护收风叶用。电网对风电输出平稳性的要求已成为风电发展的瓶颈。随着风电的快速发展，风电与电网的矛盾越来越突出。如果需要平滑风电90%以上的电力输出，需要为风电场配置20%左右额定功率的储能电池；如
5、果希望风电场还能具有削峰填谷的功能，将需要配备相当于40-50%功率的动态储能电池；如果风机离网发电，则需要更大比例的动态储能电池。风机现在使用的铅酸电池容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大。虽然目前来讲钒电池所具备的优点，完全可以取代现有的铅酸电池，成为风电场动态储能系统的主体，但是研制出低成本、高能量密度的钒电池，还需要一定的研究发展。222氢能开发利用中的化学问题由于氢燃烧或催化氧化后的产物为水，其与化石能源诸如煤炭、石油等相比不会对环境造成污染；又由于其具有来源丰富、质量轻、能量密度高、绿色环保、储存方式与利用形式多样化等特点，使得氢能的开发利用成为一项人们热衷于的科研课题。
6、由氢能作为动力的电动自行车、汽车1-2，是将来氢能应用的一个重要方面。但是，如何获取氢能，以及车载氢能的储氢材料，是需要攻克的难题。氢气的制取3-4目前来说，氢气的制取主要方法有，化石燃料(石油、煤和天然气)的裂解、电解水和生物制氢。制氢所需的原材料一般为碳氢化合物和水。工业用氢的制备方法主要是化石燃料的热分解，包括天然气的重整、碳氢化合物的部分氧化和煤的汽化，产氢的成本较低。然而，这些技术严重依赖化石燃料资源且排放二氧化碳。近年来也发展了从化石燃料产氢而不释放二氧化碳的方法，即直接热分解和催化裂解碳氢化合物，这种方法已经被用于制备碳，但相对于制氢成本较高，因此，如何研制出低成本的制氢方法，是
7、化石燃料制氢重要问题，但是，这种方法中氢能的来源主要还是依靠化石燃料，所以，人们更倾向于通过电解水来制氢。但是电解水制氢又有另外一个问题，电解效率太低，容易造成能源的浪费。而生物制氢与前两者相比，具有能耗低，污染小的特点，引起了科学家们极大的兴趣，也是未来很有可能的制氢方向。储氢技术57储氢技术按氢的聚集状态可分为高压气态储氢、低温液态储氢以及固体储氢材料储氢。与前两种方法相比，一些固体储氢材料可以可逆地吸放氢。在固体储氢材料的研究中有储氢合金体系，有机液体氢化物储氢体系、碳质储氢材料体系，研究表明，碱金属、碱土金属化合物中Mg(NH2)2LiH系统在120200C内可逆吸放氢的量高达7%。然
8、而，这些固体储氢材料系统或多或少地存在问题，难以实际应用，如氮基化物系统在释放氧的同时会伴有氨气，后者会危害燃料电池的寿命；同时也会降低该系统的储氢量；而其它系统存在吸放氢动力学较慢、可逆性较差或者吸放氢条件较为苛刻等其它问题。因此，如何继续研究具有高储氢量、可逆性好的储氢材料是解决氢能开发中的问题的关键。2.2.3太阳能开发利用中的化学问题我国太阳能资源十分丰富8，全国年接受太阳辐射总量平均值为5.85X1061d/m2，特别是我国的北方大部分地区及云贵高原等地。太阳能利用的一个重要形式就是太阳能发电。太阳能发电中，光电转换材料十分关键。目前，光伏发电主要技术为晶体硅光伏电池。但是近来也有一
9、些新型电池得到发现与发展，如薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池。（1）晶体硅太阳能电池虽然目前为止，发展最为成熟的光伏电池是晶体硅太阳能电池，且也已产业化。由于太阳能电池的成本主要来源于硅片材料，且在短时间内硅材料成本下降速度缓慢，所以，即使晶体硅太阳能技术已经比较成熟，基于成本问题，不断提高太阳能电池的制造技术、研制高转换效率、低成本的光电转换材料仍是亟待解决的问题。（2）薄膜太阳能电池9薄膜太阳能电池主要以其转化效率高和制作成本相对较低而走入研究者的视线。目前开发研制的薄膜太阳能电池中硅基薄膜和多元化合物薄膜太阳能电池效率较高，但受材料制约，与其他薄膜太阳能电池相比成本相对较高。纳米晶薄膜
10、太阳能电池和有机薄膜太阳能电池原料易得、成本低，但目前转化效率和稳定性不够好，所以研制新的低成本光电材料、开发新的大面积薄膜电池制备工艺以提高纳米晶薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池的稳定性和光电转换效率仍是未来薄膜太阳能电池的研究热点。（3）染料敏化太阳能电池10-12染料敏化太阳能电池是基于纳米材料发展的一种新型太阳能电池，比传统的太阳能电池具有更大的优越性，具有很大的发展潜力。染料敏化纳米晶太阳能电池是将吸附了染料的宽禁带半导体纳米晶薄膜作为正极.表面镀有一层铂的导电玻璃为对电极，正极和对电极之间加入氧化一还原电解质形成的。其结构简单、易于制造、成本低廉，对温度变化和光强度变化不敏感，光
11、稳定性好，光电转换效率高，环境污染小，虽然染料敏化太阳能电池具有很多优点，但是它的发展仍然面临很多挑战：高效电极（光阳极和对电极）的低温制备和柔性化；廉价、稳定的全光谱染料的设计和开发；液体电解质的封装和高效固态电解质的制备及相关问题的解决等。目前，人们已经可以制备出柔性的染料敏化电极材料，但是制备过程比较麻烦，电极材料性质也不够理想。所以，寻找一种能在低温条件下，低成本地制备出柔性基底的染料敏化材料，是人们今后需要解决的问题。另外，染料敏化纳米晶太阳能电池的电极需要昂贵的金属铂作为对电极表面的涂覆材料，这就使得这种电池的成本增加了，因此，还需要继续开发能替代金属铂作为对电极表面涂覆的物质来降
12、低成本。3结语1 随着常规资源的不断消耗，以石油、煤炭等等为基础的传统能源结构将越来越不适应可持续发展的需要。可再生能源必然会在不久的将来在能源结构中占据不小的地位。然而，虽然前景是可观的，但是在这些能源的应用中，也面临着不少问题。诸如太阳能、风能这样的有着明显时间和空间性质的能源，其能得到普遍应用的一种方式就是借助电池这一媒介。在能源应用中，成本和效率是首要考量的因素。如何研究出低成本、高效率的电池电极材料，成为了这类能源发展利用中的主要问题。只有解决了这些问题，可再生能源才能越来越多的应用到日常生活中来，才有可能，在替代传统能源的道路上越走越远参考文献冯文,王淑娟，倪维斗等燃料电池汽车氢能
13、系统的环境、经济和能源评价J.2 太阳能学报,2003,24(3)孙永江.氢能燃料电池电动自行车A.上海市老科学技术工作者协会第七届学术年会论文集C.2009.刘庆宾.氢的制取及储存技术探讨J中国新技术新产品,2011,(17)张轲,刘述丽，刘明明等.氢能的研究进展J.材料导报,2011,25(9)苏海燕储氢材料研究进展A.2005天然气化工与一碳化工技术信息交流会论文集C.2005.7 许炜,陶占良，陈军.储氢研究进展J.化学进展,2006,18(2)唐文静，傅和青,黄洪等.新型能源载体-储氢材料研究进展J.化工新型材料,2006,34(10)刘洋.太阳能电池的研究与发展A.陕西省新兴能源与可再生能源发展学术研讨会论文集C.2011.8 .孔继川繆娟.薄膜太阳能电池研究进展J.化工时刊,2008,22(7)张越.染料敏化太阳能电池研究进展J.商品与质量科学理论,2011,(3)王岳,吴季怀，范乐庆等.柔性染料敏化太阳能电池研究进展J.材料导报,2010,24(15)林红,李鑫，刘忆翥等.太阳能电池发展的新概念和新方向J.稀有金属材料与工程,2009,38(z2)
