能量轉(zhuǎn)換材料與器件要點

1、Cap1緒論能源的定義：凡是能夠提供能量的物質(zhì)或是物質(zhì)的運動能源的分類：一次能源、二次能源（形成方式）含能體能源、過程能源（使用性質(zhì)）清潔能源、非清潔能源（環(huán)境保護要求）可再生能源、不可再生能源（循環(huán)方式）對能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求：1、轉(zhuǎn)換效率高2、轉(zhuǎn)換速度快、能量密度大3、具有良好的負荷調(diào)節(jié)能力4、滿足環(huán)境要求、經(jīng)濟合理太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求：1、較高的光電轉(zhuǎn)換效率2、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率3、較低的制造成本4、簡單的制造工藝5、較長的使用壽命6、較小的環(huán)境污染風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求：1、運轉(zhuǎn)安全2、成本低3、質(zhì)量輕4、便于安裝運輸5、對抗惡劣環(huán)境的能力生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求：1、技術開發(fā)多途并進氫能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

2、的要求：1、安全儲存核能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求：1、核電站的安全防護2、核廢料的處理海洋能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求：1、建造地點海灣河口，降低建造難度和成本2、防腐防污3、正確選址，考慮潮差，地形地質(zhì)，海灣建設和海洋生態(tài)能量轉(zhuǎn)換與材料的關系：1、新材料能夠把習用已久的能源變成新能源2、新材料可提高儲能和能量轉(zhuǎn)換效率3、新材料決定核反應堆的性能和安全性4、材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作和工藝決定新能源的投資與運行成本Cap2太陽能太陽能優(yōu)缺點優(yōu)點：1、數(shù)量巨大2、時間長久3、方便開發(fā)和利用4、清潔安全無污染無危險缺點：1、分散性：能流密度低2、間斷性和不穩(wěn)定性3、效率低，成本高太陽的結(jié)構(gòu)：里三層：核反應區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)

3、 外三層：光球、色球、日冕太陽能利用方式：太陽能發(fā)電：光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、光化學發(fā)電光熱利用：熱水器、蒸餾器、太陽灶、干燥器動力利用：熱氣機、光壓轉(zhuǎn)輪光化學應用：光解水制氫生光應用：光合作用太陽能生物質(zhì)能光光應用：太空反光鏡、太陽能激光器、光導照明太陽能電池作用原理光生伏特效應：在半導體被光照射后，產(chǎn)生光傳導現(xiàn)象，如果光產(chǎn)生的載流子在不同的位置具有不均一性，或者由于pn結(jié)產(chǎn)生了內(nèi)部載流子，就會因擴散或漂移效應引起電子和空穴的密度分布不平衡，從而產(chǎn)生電力，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應。（n正p負）丹倍效應：當半導體受光照不均勻時，載流子濃度分布也不均勻，從而引起載流子的擴散，如果電子比空穴擴散得快，

4、將導致光照部分帶正電，未照部分帶負電，從而產(chǎn)生電動勢，該現(xiàn)象稱為丹倍效應。（即在表面和內(nèi)部產(chǎn)生電位差）PEM效應：在強光照射下，沿著與光照垂直的方向?qū)Π雽w施加磁場，有丹倍效應產(chǎn)生的擴散電流受洛倫茲力的影響，產(chǎn)生電子空穴電力，即在垂直于光和磁場的半導體的兩端面之間產(chǎn)生電勢。太陽能電池理論極限：28.5%、研究極限：24.7%、生產(chǎn)效果：20%太陽能能量轉(zhuǎn)換過程中的損失：1、由于材料的光電光譜效應和太陽光譜的不匹配（不可回收損失）2、由于光譜響應的有效光，由于表面反射而損失（可回收損失）3、由光吸收生成載流子中，太陽能電池的表面或背電極由于與環(huán)境的復合造成的表面復合損失4、光生載流子在半導體內(nèi)的

5、復合造成的體內(nèi)復合損失5、電流流動時從電極到半導體內(nèi)的電阻發(fā)生焦耳熱的串聯(lián)電阻損失6、光生載流子由于半導體中的內(nèi)建電場產(chǎn)生漂移，如果超過pn結(jié)的不純物濃度決定的擴散電位Vd，使得起始電力也得不到，叫電壓因子損失單晶硅太陽能電池優(yōu)點：1、轉(zhuǎn)換效率高2、基本技術成熟3、可靠性高制作過程：1、從原材料制作單晶硅棒2、切斷單晶硅棒，加工為片狀3、形成pn結(jié)，加入電極，制作為電池片改進技術：1、入射光的有效利用（表面蝕刻）2、光生載流子的收集效率改善（BSF）3、減少光生載流子的復合損失（光生活性層的膜質(zhì)改善）4、減少串聯(lián)電阻損失（透明電極的低電阻化，集電極的最佳化）5、減少電壓因子損失（BSF）表面蝕

6、刻：利用堿性溶液對硅片表面進行棱狀凹凸的蝕刻加工處理入射光多重反射增加光程增加光電流BSF：在背場將不純物進行噴霧處理，形成p+層側(cè)面形成內(nèi)建電場追回載流子損失減少復合損失，同時改善波長收集效率HIT太陽能電池特點：1、結(jié)構(gòu)較簡單，較高的轉(zhuǎn)換效率2、隨溫度上升特性下降的問題得到一定的改善3、制作過程所需溫度低，節(jié)省能源4、表面與背面的對稱結(jié)構(gòu)減少熱膨脹引起的縫隙5、兩面發(fā)電非晶硅太陽能電池：A、a-Si：H氫化非晶硅：氫原子對空間缺陷進行補償，禁帶寬度由于緩和作用提高了光吸收系數(shù)優(yōu)點：1、較高的光吸收系數(shù)2、禁帶寬度大，與太陽光譜匹配好3、制備工藝和設備簡單問題：1、孿生復合2、空穴擴散長度小

7、，遷移率低3、填充因子低4、性能衰減B、微晶硅：得到介于非晶和結(jié)晶中間的特性，使電阻降低銅銦鎵硒太陽能電池優(yōu)點：1、吸收系數(shù)最高2、光譜響應最廣3、轉(zhuǎn)換效率很高4、實現(xiàn)卷到卷生產(chǎn)，降低生產(chǎn)制造成本5、抗輻照性好，可靠性好，無光致衰減6、功率密度極高電池結(jié)構(gòu)：染料敏化太陽能電池工作原理：入射陽光被用化學法固定在TiO2表面的Ru增感色素所吸收，發(fā)生躍遷，電子進入TiO2傳導層，Ru增感色素變成氧化態(tài)。被氧化了的色素從氧化還原介質(zhì)I-中得到電子，使得I-成為氧化態(tài)I3-向電極進行擴散，從Pt電極接收電子回到還原態(tài)I-，這就是電子的一個循環(huán)。特點：1、由光合作用過程的動力學競爭實現(xiàn)電荷分離2、半導體

8、材料僅參與電荷分離，不參與光子捕獲3、材料成本低，制備工藝簡單4、轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而提高5、電池兩面均可以吸收光6、能制備出半透明或不同顏色的電池，裝飾性強7、質(zhì)量輕，能制作稱為柔性器件，便于攜帶8、能源回收周期較短9、較高的轉(zhuǎn)換效率太陽能光熱轉(zhuǎn)換器件1、太陽能熱發(fā)電：利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能通過熱力循環(huán)進行發(fā)電聚光型：成本低、槽式：利用槽式反射鏡拋物面聚光集熱器產(chǎn)生高溫蒸汽驅(qū)動汽輪機組發(fā)電、塔式：獨立調(diào)節(jié)方向的跟蹤型定日鏡反射太陽光集中高塔接收器使太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能帶動機組發(fā)電、碟式：盤狀拋物面聚光集熱器，光熱轉(zhuǎn)換效率高達85%非聚光型：、太陽池：利用具有一定濃度梯度的鹽水池水作

9、為集熱器和蓄熱器（鹽水池中溫度隨深度增加而增加，利用池底高熱）、太陽能煙囪：利用太陽能集熱棚加熱空氣以及煙囪產(chǎn)生上曳氣流效應，驅(qū)動空氣渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電2、太陽能熱水器：吸收太陽輻射熱加熱冷水供給日常生活非聚光型：平板集熱器、真空管集熱器（利用太陽直射輻射和散射輻射）聚光型：將陽光會聚在面積較小吸熱面（只能利用太陽直射輻射，且需要跟蹤太陽）3、太陽灶：利用聚光鏡對太陽能輻射進行聚光獲取熱量進行食物加工4、太陽能制冷：光-電-冷、光-熱-冷吸收式太陽能制冷：利用太陽能集熱器為吸收式制冷機提供其發(fā)生器所需的熱媒水、氨吸收式制冷機（制冷劑為氨，吸收劑為水，但氨不穩(wěn)定不安全）原理：氨溶液在集熱器中升溫

10、氨過飽和溢出氨氣在冷凝器冷卻為氨液節(jié)流閥降溫降壓形成氨濕蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)吸收外熱制冷氨氣升溫進入吸收器溶于水和氨水進入循環(huán)、溴化鋰吸收式制冷機（制冷劑為水，吸收劑為溴化鋰）原理：溴化鋰水溶液在集熱器中受熱媒水加熱使水汽化水蒸氣進入冷凝器冷卻降溫溴化鋰溶液濃度升高進入吸收器冷凝水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器膨脹汽化產(chǎn)生制冷效果低溫水蒸氣進入吸收器被溴化鋰溶液吸收濃度降低回到發(fā)生器吸附式太陽能制冷：通過白天制冷劑從吸附劑脫附，夜里制冷劑回到吸附劑。5、太陽能干燥器：將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能加熱物料并使其達到干燥目的的完整裝置直接吸熱式、間接吸熱式、主動式、被動式、溫室型、集熱器型、整體式、拋物面聚光型6、太陽能蒸

11、餾器：利用太陽能產(chǎn)生熱能驅(qū)動海水發(fā)生相變過程，產(chǎn)生蒸汽，接收冷凝后的淡水（直接法、間接法）7、太陽能制氫：、太陽能電解水制氫（效率高但耗電大）、太陽能熱分解水制氫（加熱至3000K，對材料要求高）、太陽能熱化學循環(huán)制氫（加入催化劑在較低溫度下經(jīng)歷多次化學反應階段實現(xiàn)水分解制氫）、太陽能光化學分解水制氫（加入光敏物質(zhì)做催化劑，增加對太陽光中長波的吸收，利用光化學反應制氫）、太陽能光電化學電池分解水制氫（N型TiO2半導體電極做陽極，Pt作陰極制成太陽能光化學電池，陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣）、太陽光絡合催化分解水制氫（利用絡合物作為催化劑，吸收光能，產(chǎn)生電荷分離、電荷轉(zhuǎn)移和集結(jié)，通過耦合過程實現(xiàn)

12、水分解制氫）、生物光合作用制氫（利用藻類細菌作為生物發(fā)生器在太陽光下以水為原料，連續(xù)的釋放氫氣）Cap3生物質(zhì)能生物質(zhì)：動植物通過光合作用生成并積累至一定量的有機物生物能：以生物為載體的能量生物質(zhì)能源的分類：原料化學性質(zhì)（糖類，淀粉，木質(zhì)纖維素物質(zhì)），原料來源（廢棄物，垃圾，能源植物）生物質(zhì)能優(yōu)缺點優(yōu)點：1、揮發(fā)組分高，易燃，燃燒相對充分2、燃燒過程污染低3、儲量大分布廣易獲得4、可儲存和運輸5、開發(fā)轉(zhuǎn)換技術容易6、屬可再生能源缺點：1、生物質(zhì)能量密度低，燃燒熱值低2、生物質(zhì)組成性質(zhì)差異大3、生物質(zhì)供應和價格不穩(wěn)定4、生物質(zhì)有水分含量生物制氫途徑：光裂解，光發(fā)酵，暗發(fā)酵優(yōu)點：1、耗能低效率高2

13、、清潔節(jié)能可再生3、成本低無污染4、較好的環(huán)境效益關鍵：固氮酶：鐵蛋白和鐵鉬蛋白同時存在才能固氮，在厭氧環(huán)境下催化還原氮氣成氨，氫氣作為副產(chǎn)物產(chǎn)生，氫酶：吸氫酶氧化固氮酶產(chǎn)生的氫氣，可逆氫酶氧化合成氫氣光合微生物產(chǎn)氫（直接光解，間接光解，光發(fā)酵）優(yōu)勢：以太陽能為能源，水為原料，能量消耗小，過程清潔劣勢：光能轉(zhuǎn)換率低，需要很大的受光面積，沒有滿意的產(chǎn)氫藻直接光解產(chǎn)氫光能光能自養(yǎng)型微生物（念珠藍細菌，綠藻）氫氣間接光解產(chǎn)氫光能光能自養(yǎng)型微生物（光合作用）有機物光能自養(yǎng)型微生物（藍細菌）+光能氫氣光發(fā)酵產(chǎn)氫有機物光能異養(yǎng)型微生物（紫色非硫細菌，無PS光合系統(tǒng)）+光能氫氣微生物水氣轉(zhuǎn)換制氫優(yōu)點：1、生

14、長較快2、產(chǎn)氫速率快，轉(zhuǎn)化率高3、對生長條件要求不嚴格局限性：高細胞密度，高壓力操作，CO2收集系統(tǒng)CO+H2O無色硫細菌CO2+H2暗發(fā)酵制氫有機物厭氧微生物氫氣生物質(zhì)燃料沼氣沼氣：富含有機物的沼澤地會發(fā)酵形成很多可燃性的混合氣體。（無色易燃有毒臭味，70%甲烷30%CO2）生產(chǎn)沼氣的原料：農(nóng)作物秸稈、人畜糞便、工業(yè)廢液渣、城市垃圾沼氣發(fā)酵過程：水解階段（發(fā)酵性細菌利用胞外酶對有機物體外酶解，將大分子有機物分解成能溶于水的小分子化合物）產(chǎn)酸階段（發(fā)酵性細菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌耗氧產(chǎn)乙酸菌、不產(chǎn)甲烷細菌）產(chǎn)甲烷階段（食氫產(chǎn)甲烷菌、食乙酸產(chǎn)甲烷菌）生物質(zhì)燃料乙醇乙醇汽油：在不含MTBE含氧添加劑的專用汽

15、油組分油中按一定體積比例的變性燃料乙醇混配而成的燃料生產(chǎn)方法：合成法，生物法環(huán)境效益：1、降低碳氫、碳氧、氮氧化合物的排放量2、降低了炭煙生成的可能性3、生成臭氧的活性降低4、減少了CO的排放優(yōu)點：1、減少石油消耗2、不更換發(fā)動機，提高汽油抗爆性3、減少汽油消耗，使汽油充分燃燒4、可再生缺點：1、保質(zhì)期短2、環(huán)境要求高生物柴油定義：以植物油或動物脂肪等油脂類物質(zhì)通過酯基轉(zhuǎn)移作用而得到有機脂肪酸酯類物質(zhì)特點：1、環(huán)保性能2、低溫啟動性能3、潤滑性能4、安全性能5、燃料性能6、可再生性能7、副產(chǎn)品具有經(jīng)濟價值8、原料廉價易得生產(chǎn)方法：1、化學合成法2、生物酶合成法3、工程微藻4、油料植物：麻瘋樹、

16、黃連木、光皮樹5、潲水油Cap4地熱能地熱能：來自地球地下或內(nèi)部的熱能地熱來源：外部熱源（太陽輻射熱，潮汐摩擦熱，宇宙能源）內(nèi)部熱源（放射性衰變熱，重力分異熱，地球轉(zhuǎn)動熱）地熱資源類型：1、蒸汽型2、熱水型3、地壓地熱型4、干熱巖型5、巖漿型地源熱泵：以地源能作為冷熱源，同時提供冬季采暖、夏季空調(diào)和生活熱水的系統(tǒng)組成：壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥特點：1、清潔可再生2、經(jīng)濟有效節(jié)能3、環(huán)境效益顯著4、一機多用5、壽命長6、節(jié)省空間地熱能-電能轉(zhuǎn)換地熱發(fā)電：利用地下熱水和蒸汽為動力源的發(fā)電技術（地熱蒸汽發(fā)電，地下熱水發(fā)電、地壓地熱發(fā)電、干熱巖地熱發(fā)電）地熱蒸汽發(fā)電：背壓式汽輪機地熱發(fā)電系統(tǒng)原理

17、：蒸汽井（引出干蒸汽）凈化分離器（凈化蒸汽，分離固體雜質(zhì)）汽輪機發(fā)電機凝汽式汽輪機地熱發(fā)電系統(tǒng)原理：蒸汽在汽輪機中能膨脹到很低的壓力，做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式冷凝器，被循環(huán)水泵打入冷卻水使蒸汽冷卻凝結(jié)成水后排走。其中抽氣系統(tǒng)的作用是保持冷凝壓力低，抽走地熱蒸汽帶來的不凝結(jié)氣體和外界漏入氣體地下熱水發(fā)電：閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)：原理：直接利用地下熱水所產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機工作雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)原理：利用地下熱水來加熱某種低沸點介質(zhì)（地熱流體，低沸點介質(zhì)），使其產(chǎn)生蒸汽進入汽輪機工作地壓地熱發(fā)電系統(tǒng)原理：1、熱水在高壓和地壓分離器中分離天然氣2、高壓地熱水通過水力渦輪發(fā)電機組利用其勢能發(fā)電，

18、然后高溫地熱水在一個雙介質(zhì)循環(huán)中再利用其勢能發(fā)電干熱巖地熱發(fā)電系統(tǒng)原理：利用深井將高壓水注入深層地下巖層并吸收地熱能量，再通過另一個深井將注入的高溫水回收利用發(fā)電Cap5氫能氫能：氫原子在高溫高壓下聚變成一個氦原子所產(chǎn)生的能量，燃燒氫所以獲得能量5大工業(yè)制法：1、電解食鹽水的副產(chǎn)氫(氯堿工業(yè)的副產(chǎn)物，產(chǎn)量第二）陰極：4e+4H2O2H2+4OH-陽極：4OH-O2+H2O+4e總反應：2NaCl+2H2O電解2NaOH+Cl2+H22、由石油熱解的混合氣和天然氣制氫（長鏈的烴斷裂成短鏈的烴產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)量第一）3、電解水制氫（鐵陰鎳陽，電解KOH、NaOH溶液，純度大，成本高）2H2O2H2+O

19、24、水煤氣法制氫（無煙煤或焦炭與高溫水蒸氣反應，生成水煤氣，凈化后得到氫氣，產(chǎn)量大，成本低）C+H2OCO+H2（凈化過程CO+H2OCO2+H2O，CO2通過水去除，殘余CO通過含氨乙酸亞銅溶液去除）5、焦爐煤氣冷凍制氫（煉焦用煤在煉焦爐中高溫干餾焦炭+焦油+可燃性混合氣體冷凍加壓液化）新方法：太陽能制氫生物質(zhì)制氫醇類氧化重整制氫氫的純化：利用各種分離凈化方法將經(jīng)過催化變換制得的合成氣中的氫氣分離出來的過程方法：1、變壓吸附法（PSA）在常溫和不同壓力下，利用吸附劑對氫氣中雜質(zhì)組分的吸附量的不同而加以分離的方法2、鈀合金薄膜擴散法根據(jù)氫氣在通過鈀合金薄膜時進行選擇性擴散而純化氫的一種方法3

20、、金屬氫化物分離法當氫與金屬直接化合時，生成金屬氫化物，當加熱和降低壓力時，金屬氫化物發(fā)生分解，生成金屬和氫氣，從而達到純化分離4、聚合物薄膜擴散法利用差分擴散速率原理，混合氣體通過滲透薄膜的速率不同從而純化氫的方法5、低溫分離法在低溫條件下，使氣體混合物中的部分氣體冷凝從而分離Cap6風能風的起源：海陸風，山谷風優(yōu)點：1、總量大2、可再生3、分布廣4、無污染缺點：1、密度低2、不穩(wěn)定3、地區(qū)差異大計算氣流的動能：E0.5Sv3基本原理：風輪：從風中捕獲動能并轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能發(fā)電機：通過電磁感應把旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化為電能風機的類型：1、機組容量：大型，中型，小型2、機組運行方式：離網(wǎng)型，并網(wǎng)型

21、3、風輪軸線位置：垂直軸，水平軸4、葉片數(shù)量：單葉片、雙葉片、三葉片5、功率調(diào)節(jié)方式：定槳距、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)6、傳動形式：高傳動比齒輪箱、直接驅(qū)動、中傳動比齒輪箱葉片：根部、外殼、加強筋葉片要求：1、耐候性2、強度高3、彈性，運動特性4、耐腐蝕5、原料易得，成本低，工藝簡單基體材料：聚酯樹脂，乙烯基樹脂，環(huán)氧樹脂增強材料：玻璃纖維，碳纖維（增強強度和剛度，避免雷擊）夾層材料：聚氯乙烯泡沫，熱塑性聚乙烯泡沫，輕木（增強結(jié)構(gòu)剛度，抗載荷能力）膠粘劑：粘結(jié)芯材和殼體，填實殼體縫隙生產(chǎn)問題：1、大模具（復合材料模具）2、長途運輸問題（組合模具，組合葉片，分拆）3、葉片固化問題（室內(nèi)固化室外固

22、化模具內(nèi)固化）新型風能發(fā)電機風箏電站多轉(zhuǎn)子渦輪磁懸浮垂直軸風力發(fā)電機組Cap7海洋能海洋能：指海水中以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流形式存在的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲存、散發(fā)這些能量分類：潮汐能，海流能，波浪能，海水溫差能，海水鹽差能潮汐能發(fā)電潮汐能：指海水潮漲潮落形成的水的勢能，是以位能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能原理：利用海水漲落造成的水位差推動水輪機，從而由水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電分類：單庫單向，單庫雙向，雙庫單向，發(fā)電結(jié)合抽水蓄能組成：攔水堤壩、水閘、發(fā)電廠、船閘發(fā)電機種類：豎軸、臥軸、貫流波浪能發(fā)電波浪能：海洋表面波浪所具有的動能和勢能波浪種類：風浪，涌浪，近岸浪波浪能三種利用原理：1、利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動2、利用波浪的壓力變化3、利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)化為水的勢能組成：波浪能采集系統(tǒng)（機械傳動、空氣渦輪、液壓、蓄能水庫）、機械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)四種能量轉(zhuǎn)換裝置：機械傳動、空氣渦輪、液壓、蓄能水庫分類：振蕩水柱式、點頭鴨式、海蛇式、擺式、收縮波道式、振蕩浮子式、整流器式海流能發(fā)電海流能：指海底水道和海峽中穩(wěn)定的流動，潮汐導致有規(guī)律的流動，海水環(huán)流的海水所