新能源材料制備與加工技術(shù)

1、 新能源材料制備與加工技術(shù)李長久西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)本課程的安排 第1講緒論:能源結(jié)構(gòu)與太陽輻射特點(diǎn)第2講太陽電池原理第3講太陽電池原理(續(xù)第4講單晶硅太陽電池制造工藝第5講薄膜太陽電池與DSC 制造工藝第6講燃料電池基礎(chǔ)第7講固體氧化物燃料電池與質(zhì)子交換膜燃料電池制備成形技術(shù)第8講新型2次電池材料試驗(yàn)1 單晶硅太陽電池特性試驗(yàn)2 單晶硅、非晶硅、多晶硅太陽電池特性比較試驗(yàn)3 SOFC 電池輸出特性試驗(yàn)4 PEMFC 試驗(yàn)西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 本課程的基本要求了解能源結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢(shì),可再生能源與化石燃料高效

2、能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換材料基本特征太陽電池原理,太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響因素及其影響規(guī)律、提高轉(zhuǎn)換效率的基本途徑; 太陽電池的種類與制造工藝及其特點(diǎn);燃料電池的原理、特點(diǎn)、開發(fā)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。 二次電池及其相關(guān)材料技術(shù)材料制備、加工與制造器件一體化的特征西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 主要參考書1.(美胡晨明,R.M. 還特著,(李采華譯,太陽電池,北京大學(xué)出版社,1990年2. Chenming HU and Richard M. White, Solar Cell,From Basic to Advanced System, McGraw Hill BookC

3、ompany, 19833.(澳馬丁格林著,李秀文等譯,太陽電池,電子工業(yè)出版社,1987年4. 趙富鑫,魏彥章,太陽電池及其應(yīng)用,國防工業(yè)出版社,19855. 雷永泉主編,新能源材料,天津大學(xué)出版社,2000。6. 衣寶廉著,燃料電池,化學(xué)工業(yè)出版社,2003。7. Fuel Cell Handbook西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)材料科學(xué)與工程制備與加工、成分、組織結(jié)構(gòu)、性能(使用性能的控制與機(jī)制、相互關(guān)系StructuresPropertiesCompositionsProcessing西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)材料

4、制備與加工 材料制備制造可用于生產(chǎn)產(chǎn)品的原材料原材料(礦石冶金(物理、化學(xué)材料(粉末、板材、棒與絲傳統(tǒng)加工制造方法(機(jī)械零件控性、控形以零件使用加工成形制造各種形狀結(jié)構(gòu)的零件與構(gòu)件材料加工(熱加工、冷加工裝配產(chǎn)品冷加工:車、銑、刨、磨、鉆等熱加工方法:鑄造、鍛造、焊接、熱處理西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)電子器件的制造 二極管、三極管、場效應(yīng)管、集成電路等太陽電池、顯示器(等離子平板顯示器等功能層:薄(納米級(jí)!元器件制造的特點(diǎn):材料合成制備、加工成形、器件制造一體化!太陽電池與燃料電池為例,理解微納器件制造特征新能源、微電子西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西

5、安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 第一章概述能源的有限性與能源需求的不斷增長 能源的構(gòu)成能源使用存在的問題發(fā)展新能源技術(shù)的必要性 太陽輻射的特點(diǎn)太陽常數(shù),大氣質(zhì)量,太陽高度太陽電池的基本特點(diǎn)西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 第1節(jié)地球上究竟還有多少能源?西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)單位:億噸標(biāo)準(zhǔn)油通加石油天然氣煤合計(jì) 2003年世界能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告2002年:世界一次能源消耗:94億噸標(biāo)準(zhǔn)油;全球可供開采剩余年數(shù):石油:40.6年;天然氣:60.7年;煤:204年我國剩余可采資源保證度:129.7年原油:20.1年;天然氣:49.3年

6、;煤:114.5年化石燃料的有限性!可燃冰!西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 1. 能源利用方式木材(生物質(zhì)能 煤炭 石油 天然氣核能(核裂變、核聚變 太陽能水電第2節(jié)世界商品能源的構(gòu)成西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)通加年份(1 木材產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化!交通源材料制備與加工西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)我國能源構(gòu)成比例(%通加我國一次能源構(gòu)via 世界變化(1 木材煤的液化、汽化交通大源材料制備與加工西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)能源安全問題通加石油需求量大增,石油進(jìn)口量大增 常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)與SOFC 發(fā)電效率比較SOFC/Gas T

7、urbine Hybrid SystemFuel CellGas turbine simple CycleGas turbine combined CycleInternal combustion engineE f f i c i e n c y (L H V %Power output, MW西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 4. 礦物(化石燃料使用造成的環(huán)境污染問題燃燒排放物:SO2、No x、CO、CO2、煙塵等危害作用破壞植被與土壤:SO2對(duì)人體健康有害:煙塵、SO2等對(duì)氣候造成影響:產(chǎn)生溫室效應(yīng)、酸雨等:No x、SO x處理措施:燃燒前凈化處理,S

8、O2、煙塵等CO2?西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)5.通加 可再生能源不可再生能源煤、石油、天然氣、核能可再生能源太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮苄履茉?太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、風(fēng)能、地?zé)崮?、核能、氫能西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 本課程所涉及的能源材料與技術(shù)太陽電池(Solar Cell 太陽能、一次能源:燃料電池(Fuel Cell 天然氣、煤氣化氣:一次能源氫能、二次能源新型二次電池(Battery 金屬氫化物-鎳電池,Li 離子二次電池西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)Ce

9、ll通加所涉及的能源材料通加 涉及的制備與成形加工技術(shù)傳統(tǒng)的材料制備方法物理(熔煉、燒結(jié)、化學(xué)(反應(yīng)生成傳統(tǒng)材料加工陶瓷成形(擠壓、注塑,模壓等先進(jìn)薄膜與涂層制備技術(shù)PVD, CVD, 等離子噴涂,絲網(wǎng)印刷等材料制備與器件成形加工一體化西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 第3節(jié)太陽輻射的特點(diǎn)太陽:一座核聚變反應(yīng)器,中心溫度約為2x107K ,發(fā)射功率為:3.8 x 1026 W ;波長范圍:0.276m 4.96m (占99%的能量輻射相當(dāng)于表面5743K 的黑體;大氣層外太陽輻射強(qiáng)度與5743K 黑體輻射強(qiáng)度的比較3.1 太陽常數(shù)西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工

10、技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 3.1 太陽常數(shù)(續(xù)地球軌道為一橢圓最遠(yuǎn)距離:152x106 km ; 最近距離:147x106 km 平均距離:149x106 km (1天文單位最遠(yuǎn)處的輻射為最近處的94%,差別不大。認(rèn)為大氣層外的輻射強(qiáng)度不變,單位面積的輻射通量為一常數(shù):稱為太陽常數(shù)S 0=1.353kW/m 2(1.338 1.418 kW/m 2西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)3.2 大氣層對(duì)太陽光的吸收陽光穿過大氣達(dá)到地表時(shí),輻射強(qiáng)度至少衰減30%。造成衰減的原因:1大氣中的分子散射:波長越短,衰減越大;2懸浮顆粒與灰塵引起的散射;3大氣(特別是O

11、2、O 3、H 2O 、CO 2 的吸收西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 3.3 大氣質(zhì)量(Air Mass影響地球表面接受輻射的因素:大氣的吸收入射角度物理意義:入射光通過大氣層的相對(duì)厚度用“大氣質(zhì)量”(A ir M ass number 表示接受輻射的強(qiáng)度,簡稱“AM+數(shù)字”AM0:大氣層外垂直輻射(=太陽常數(shù)AM1:入射光與地表的夾角為90o時(shí)的地面輻射/(17.0353.12mkWI=西安交通大學(xué)李長久教授西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技術(shù)西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)通加-3.4 地表日照的構(gòu)成地面接收到的太陽輻射的構(gòu)成:直接輻射水平面散射(在晴朗無

12、云的天氣,占總輻射量的1020%;陰天接收到的輻射主要為散射;介于晴天與陰天之間,接收到晴天一半的輻射時(shí),其中散射輻射約占50%。地表日照強(qiáng)度隨下列條件變化:地區(qū)(緯度、季節(jié)、白晝、氣候條件(陰晴聚光系統(tǒng)的目的是為了利用太陽直射輻射,散射光不能利用。西安交通大學(xué)李長久教授西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技術(shù)西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)地球軌道與赤緯-23.5o西安交通大材料制備與加安交通材料制備與加 太陽高度隨地域與季節(jié)的變化設(shè)接受太陽光的地域緯度為北緯,太陽在正午的高度:“春分”與“秋分”時(shí):90o -緯度值;“夏至”時(shí),90o -緯度值+地球赤緯“冬至”時(shí):90o -緯度值-地球赤緯地球

13、赤緯:23.5o太陽高度隨地域與季節(jié)在發(fā)生變化西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)的太陽高度隨季節(jié)地變化通加接收的太陽能隨日期的變化季節(jié)性氣候變化減小白晝、大氣質(zhì)量光束傾角的減小大氣層外輻射強(qiáng)度交通材料制備與加西安交通大學(xué)材料制備與加工 第4節(jié)太陽電池的特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn)廣泛性:無處不有。地球一年接受太陽的總能量為:1.8x1018kWh(約為太陽輻射總能量的20億分之一,為人類消耗能量的12000倍。適合于分散發(fā)電:如小村莊、偏僻地區(qū)?？梢宰鳛樗?、制冷、通訊、照明等的能源。清潔性:不存在污染(礦物燃料的污染、核燃料的污染等太陽電池具有標(biāo)準(zhǔn)配件,安裝好即可使用西安交通大學(xué)

14、李長久教授西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技術(shù)西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 太陽電池的特點(diǎn)(2分散性:存在接受面積問題。能量密度Max1000 W/m2,為獲取足夠的能量,需要足夠的接受面積。如為滿足2000年全球電力需求,以電池轉(zhuǎn)換效率10%計(jì),需要640,000 (km2。我國1995年發(fā)電1億度,所需面積12500(km2,比天津市大。解決方案:建筑物頂安裝電池板。西安交通大學(xué)李長久教授西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技術(shù)西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 太陽電池的特點(diǎn)(3間歇性:產(chǎn)生的能量與負(fù)載匹配問題。受晝夜、季節(jié)、氣候變化的影響,較難與負(fù)載匹配。需要儲(chǔ)電裝置投資大、需要維護(hù)采用與其

15、它形式的電力并網(wǎng)發(fā)電。西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)太陽電池的特點(diǎn)(4 電池材料資源問題接受面積布滿太陽電池,需要大量材料640,000 (km2 面積上使用硅電池,按300m 厚計(jì),約需4.57億噸太陽電池級(jí)高純硅。 地球資源中的硅是否存在充足的量?YES(T: 生產(chǎn)能力嚴(yán)重不足。全球冶金級(jí)硅的年生產(chǎn)量為:100萬噸/年高純半導(dǎo)體級(jí)硅的生產(chǎn)能力:2萬噸/年西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)通加發(fā)電成本問題使用太陽電池面臨的問題 提高轉(zhuǎn)換效率,降低發(fā)電成本 提高材料生產(chǎn)能力,滿足市場需求開發(fā)薄膜電池,減少對(duì)材料的需求西安交通大學(xué)新

16、能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù) 本章小結(jié)地球能源資源是有限的,但能源需求在不斷增長 能源的構(gòu)成礦物能源使用存在的問題 發(fā)展新能源技術(shù)的必要性 太陽輻射的特點(diǎn)太陽常數(shù)、大氣質(zhì)量、太陽高度太陽電池的基本特點(diǎn)西安交通大學(xué)新能源材料制備與加工技西安交通大學(xué)材料制備與加工技術(shù)本講思考題1. 試算地處約北緯40o 的北京,分別在夏至與冬至、春分與秋分的正午時(shí)的太陽高度角、大氣質(zhì)量與太陽直射輻射強(qiáng)度。并與約北緯25o 的福州(或昆明的上述值進(jìn)行比較。2.處于南北極周圍的地區(qū),可以整天不見太陽。世界上哪些地區(qū)每年至少有一天將會(huì)出現(xiàn)這種情況。3. 夏至中午在西安(北緯35o 的總輻射為60mW/c