新能源及其材料

1、新能源概論新能源及其材料新能源及其材料第1頁(yè)新能源概論新能源及其材料能源現(xiàn)實(shí)狀況新能源及其發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況能源概念及分類新能源和可再生能源氫能經(jīng)濟(jì)及燃料電池技術(shù)氫能技術(shù)研發(fā)在重慶大學(xué)幾點(diǎn)感想新能源及其材料第2頁(yè)新能源概論新能源及其材料第3頁(yè)目錄一、能源概念及分類二、新能源和可再生能源三、氫能經(jīng)濟(jì)及燃料電池技術(shù)四、氫能技術(shù)研發(fā)在重慶大學(xué)五、幾點(diǎn)感想新能源及其材料第4頁(yè)能源是指一切能量比較集中含能體和提供能量物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式 1.1 能源概念石油煤天然氣電新能源及其材料第5頁(yè)按能源形成方式劃分 一次能源直接來(lái)自自然界未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換能源，如柴草、煤炭、原油、天然氣、核燃料、水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿?/p>

2、。二次能源把一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化來(lái)能源稱二次能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤氣、電力、汽、煤、柴、油、氫能等。1.2 能源分類新能源及其材料第6頁(yè)按能源使用性質(zhì)劃分 含能體能源 指能夠提供能量物質(zhì)能源，其特點(diǎn)是能夠保留且可儲(chǔ)存運(yùn)輸，如煤炭、石油等。 過(guò)程性能源 指能夠提供能量物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式，它不能保留、難于儲(chǔ)存運(yùn)輸，如太陽(yáng)能，電能等。 1.2 能源分類新能源及其材料第7頁(yè)1.2 能源分類按能源可否再生劃分 不可再生能源 指隨人類使用而降低能源，如煤炭、原油、天然氣等化石能源可再生能源 不伴隨人類使用而逐步降低能源 ，如水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、生物質(zhì)能等非化石能源新能源及其材料第8頁(yè)按現(xiàn)

3、階段使用成熟程度劃分 常規(guī)能源 指人類已長(zhǎng)久使用，巳在技術(shù)上也比較成熟能源。新能源 指雖已開(kāi)發(fā)并少許使用，不過(guò)技術(shù)上還未成熟而沒(méi)有被普遍使用，但卻含有潛在應(yīng)用價(jià)值能源。1.2 能源分類新能源及其材料第9頁(yè) 伴隨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口增加，人們對(duì)能源需求越來(lái)越大，能源問(wèn)題也越來(lái)越突出。 環(huán)境污染 化石燃料使用帶來(lái)了嚴(yán)重環(huán)境污染, 造成了溫室效應(yīng)產(chǎn)生和酸雨形成。2月16日，意在減排室溫氣體京都協(xié)議書(shū)已經(jīng)正式生效。能源危機(jī) 石油、天然氣和煤炭這三種人類使用主要能源可開(kāi)采年限，分別只有40 年、50 年和240 年。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)有超出31%石油需要進(jìn)口，而到年，這一數(shù)字將會(huì)增加到45-55%。 1.3

4、 能源問(wèn)題正在開(kāi)采油井新能源及其材料第10頁(yè)2、我國(guó)能源結(jié)構(gòu) 1、我國(guó)和世界能源消耗20%能源消耗生產(chǎn)了約5%GPD1.3 能源問(wèn)題新能源及其材料第11頁(yè)新能源技術(shù)新能源和可再生能源新能源及其材料第12頁(yè)太陽(yáng)能小水電生物質(zhì)能地?zé)崮芎Ｑ竽芴烊粴馑衔? 新能源幾個(gè)形式風(fēng)能氫能新能源及其材料第13頁(yè)2.1 太陽(yáng)能 按當(dāng)前太陽(yáng)質(zhì)量消耗速率計(jì)，可維持610。所以能夠說(shuō)它是“取之不盡，用之不竭”能源。 太陽(yáng)能是各種可再生能源中最主要基本能源，也是人類可利用最豐富能源。太陽(yáng)每年投射到地面上輻射能高達(dá)1.051018千瓦時(shí)（3.781024J），相當(dāng)于1.3106億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。新能源及其材料第14頁(yè)1) 總量

5、最大取之不盡，用之不竭（應(yīng)對(duì)能源危機(jī)）2) 分布最廣遍布世界各地（應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)能源區(qū)域差異和貿(mào)易壁壘）3) 最清潔利用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染，也不會(huì)產(chǎn)生廢棄物（應(yīng)對(duì)環(huán)境惡化）4) 能源品位低需要一定面積確保（通常認(rèn)為在不考慮地球大氣吸收情況下，功率是1.39KW/m2 ）5) 不穩(wěn)定原因多多數(shù)利用方式受天氣情況影響2.1.1 太陽(yáng)能特點(diǎn)新能源及其材料第15頁(yè)2.1.2全球太陽(yáng)能資源分布情況新能源及其材料第16頁(yè) 我國(guó)太陽(yáng)能分布：太陽(yáng)能高值中心和低值中心都處于北緯22-35這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽(yáng)年輻射總量，西部地域高于東部地域，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部

6、低于北部。2.1.3 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布特點(diǎn)新能源及其材料第17頁(yè)光熱轉(zhuǎn)化2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化光化學(xué)轉(zhuǎn)化新能源及其材料第18頁(yè)2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光熱轉(zhuǎn)化光熱轉(zhuǎn)化：就是把太陽(yáng)輻射能經(jīng)過(guò)各種集熱裝置（集熱器）轉(zhuǎn)變成熱能。主要包含熱水器、干燥器、采暖和制冷、太陽(yáng)房、太陽(yáng)灶和高溫爐、海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽(yáng)能醫(yī)療器具；北京奧運(yùn)會(huì)示范工程，中國(guó)太陽(yáng)能第一樓新能源及其材料第19頁(yè)平板太陽(yáng)能熱水器 產(chǎn)水量大，利于清潔，熱效率高，是與建筑物相結(jié)合首選產(chǎn)品。但不抗凍，環(huán)境溫度0時(shí)則不能工作，廣泛利用于非結(jié)冰地域，國(guó)外90%以上用戶使用本產(chǎn)品（經(jīng)過(guò)改造平板熱水器可抗嚴(yán)寒）。真空

7、管太陽(yáng)能熱水器 高硼硅玻璃真空管含有一定抗凍能力，可在15環(huán)境中照常工作。管內(nèi)走水，易炸裂，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)有水垢積存，影響熱效率， 熱管太陽(yáng)能熱水器 在普通真空太陽(yáng)集熱管中加上傳熱導(dǎo)管即可，因?yàn)樵黾恿藗鳠峤橘|(zhì)，熱效率有一定損耗。優(yōu)點(diǎn)是管內(nèi)無(wú)水，永不結(jié)垢，適用嚴(yán)寒地域使用。2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光熱轉(zhuǎn)化新能源及其材料第20頁(yè)太陽(yáng)能熱水器與其它熱水器使用效益比較表 熱水器裝置類別太陽(yáng)能熱水器燃?xì)鉄崴麟姛崴餮b置投資（元）30001000(含鋼瓶)600裝置壽命（年）1565每年燃料動(dòng)力費(fèi)（元）0810675需總費(fèi)用（元）300015150119252.1.4 太陽(yáng)能利用方式光熱轉(zhuǎn)化新能源及其材料

8、第21頁(yè)2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化光電轉(zhuǎn)化：就是經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能電池（光電池、光伏電池）將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)變成電能。各種規(guī)格類型太陽(yáng)電池板和供電系統(tǒng)均屬這一類。新能源及其材料第22頁(yè)2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化工作原理：光伏發(fā)電是依據(jù)光生伏打效應(yīng)，將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能。新能源及其材料第23頁(yè)2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化光伏材料特點(diǎn)結(jié)晶硅材料保持著當(dāng)前最高光電轉(zhuǎn)化效率（試驗(yàn)室24.4%，商業(yè)12%16% ），納米晶硅薄膜光伏電池發(fā)展較快，光吸收系數(shù)較低，當(dāng)樣品厚度小于100m時(shí)，幾乎不能吸收hvEg全部光子。非晶硅材料當(dāng)前較高多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19%(德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能研究所)，

9、實(shí)為硅氫合金材料，其光學(xué)禁帶寬度為1.12-1.7eV。到當(dāng)前為止該類光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率還比較低，存在光致退化效應(yīng)。銅銦硒光伏材料最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)到達(dá)18.8%(NREL)，三元化合物半導(dǎo)體，禁帶寬度覆蓋了最主要太陽(yáng)光譜部分。碲化鎘材料當(dāng)前試驗(yàn)室電池效率到達(dá)16%，大面積商業(yè)模件效率為10%，為多晶材料，晶粒間界增強(qiáng)了光生少數(shù)載流子搜集。有機(jī)半導(dǎo)體光伏材料光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)到達(dá)3%，主要有酞菁鋅(ZnPc)、甲基卟啉(TTP)、聚苯胺(Pam)等。經(jīng)過(guò)適當(dāng)化學(xué)摻雜可提升電子遷移率，禁帶寬度為幾個(gè)電子伏特?？赡茉诜浅５蜏囟认?，以低廉價(jià)格進(jìn)行大面積光伏電池制備。染料敏化納米晶TiO2材料光電轉(zhuǎn)化效

10、率到達(dá)了7%，建立在快速再生型光電轉(zhuǎn)換過(guò)程之上，對(duì)于低電阻電子傳輸過(guò)程來(lái)說(shuō)，對(duì)電極上經(jīng)常會(huì)覆蓋一層Pt催化劑。 在光伏發(fā)電中，半導(dǎo)體材料起著關(guān)鍵作用，當(dāng)前主要光伏材料有： 新能源及其材料第24頁(yè)太陽(yáng)能發(fā)電站2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化新能源及其材料第25頁(yè)2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能汽車(chē)新能源及其材料第26頁(yè)2.1.4 太陽(yáng)能利用方式光電轉(zhuǎn)化日本通產(chǎn)省(MITI)第二次新能源分委會(huì)宣告了光伏、風(fēng)能和太陽(yáng)熱利用計(jì)劃，年光伏發(fā)電裝機(jī)容量到達(dá)5GW 歐盟可再生能源白皮書(shū)及相伴隨“起飛運(yùn)動(dòng)”是驅(qū)動(dòng)歐洲光伏發(fā)展里程碑，總目標(biāo)是年光伏發(fā)電裝機(jī)容量到達(dá)3GW 美國(guó)能源部制訂了從1月1日開(kāi)始

11、新5年國(guó)家光伏計(jì)劃和2030年長(zhǎng)久規(guī)劃，按照預(yù)計(jì)發(fā)展速度，年美國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量到達(dá)4.7GW 澳大利亞計(jì)劃于年使光伏發(fā)電裝機(jī)容量到達(dá)0.75GW新能源及其材料第27頁(yè)2.1.4太陽(yáng)能利用方式光化學(xué)轉(zhuǎn)化光化學(xué)轉(zhuǎn)化：就是用光和物質(zhì)相互作用引發(fā)化學(xué)改變過(guò)程。這種轉(zhuǎn)換技術(shù)包含半導(dǎo)體電極產(chǎn)生電而電解水產(chǎn)生氫、利用氫氧化鈣或金屬氫化物熱分解儲(chǔ)能等。 新能源及其材料第28頁(yè)2.2 生物質(zhì)能 生物質(zhì)能是指綠色植物經(jīng)過(guò)光適用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲(chǔ)存在生物質(zhì)內(nèi)部能量。據(jù)預(yù)計(jì)地球上每年植物光合作用固定碳達(dá)2x1011t，含能量達(dá)3x1021J，所以每年經(jīng)過(guò)光合作用貯存在植物枝、莖、葉中太陽(yáng)能，相當(dāng)于全世界每年耗

12、能量10倍。 新能源及其材料第29頁(yè)2.2.1 生物質(zhì)能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：燃燒輕易，污染少，灰分較低。缺點(diǎn)：熱值及熱效率低，體積大而不易運(yùn)輸，直接燃燒生物質(zhì)熱效率僅為10一30。新能源及其材料第30頁(yè)2.2.2 生物質(zhì)能種類生物質(zhì)能通常包含以下幾個(gè)方面：1）木材及森林工業(yè)廢棄物；2）農(nóng)業(yè)廢棄物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物；6）動(dòng)物糞便。新能源及其材料第31頁(yè)2.2.3 生物質(zhì)能利用直接燃燒 農(nóng)牧民學(xué)習(xí)使用節(jié)柴灶 生物質(zhì)直接燃燒在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)能利用主要方式。推廣熱效率可達(dá)20%30%節(jié)柴灶這種技術(shù)已被國(guó)家列為農(nóng)村能源建設(shè)重點(diǎn)任務(wù)之一。 新能源及其材料第3

13、2頁(yè) 物化轉(zhuǎn)化主要包含干餾技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)及熱裂解技術(shù)等。能夠把生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成熱值較高可燃?xì)狻⒐潭ㄌ?、木焦油及木醋液等物質(zhì)。可燃?xì)夂淄?、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃?xì)饣蚬I(yè)用氣。2.2.3 生物質(zhì)能利用物化轉(zhuǎn)化秸桿發(fā)電新能源及其材料第33頁(yè)2.2.3 生物質(zhì)能利用生化轉(zhuǎn)化 生化轉(zhuǎn)化主要包含厭氧消化技術(shù)和酶技術(shù)。厭氧消化是利用厭氧微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4 等可燃?xì)怏w，同時(shí)得到厭氧發(fā)酵液、渣等厭氧發(fā)酵殘留物，用作農(nóng)田肥料，效果很好。 酶技術(shù)是利用微生物體內(nèi)酶分解生物質(zhì)，生產(chǎn)液體燃料，如乙醇、甲醇等。新能源及其材料第34頁(yè)2.2.4 生物質(zhì)能發(fā)展前景表 1 我國(guó)生物

14、質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用量 從資源和技術(shù)（包含技術(shù)經(jīng)濟(jì)性）兩方面看，利用生物質(zhì)能發(fā)電和生產(chǎn)生物燃油在我國(guó)有遼闊發(fā)展前景，將為滿足我國(guó)電力需求、石油需求起到主要作用，而且含有良好經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。 新能源及其材料第35頁(yè)2.3 風(fēng)能 風(fēng)能是太陽(yáng)輻射造成地球各部分受熱不均，引發(fā)空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生能量。太陽(yáng)能在地面上約2轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能，全球風(fēng)力用于發(fā)電功率可達(dá)11.3萬(wàn)億kW。新能源及其材料第36頁(yè)2.3.1 風(fēng)能特點(diǎn)風(fēng)能優(yōu)點(diǎn)： 蘊(yùn)藏量大、分布廣泛 無(wú)污染、可再生 適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Υ箫L(fēng)能限制性： 能量密度低，只有水力l8l6 不穩(wěn)定性，氣流瞬息萬(wàn)變 地域差異大新能源及其材料第37頁(yè) 資源豐富區(qū)有山東、遼東半島、黃

15、海之濱，南澳島以西南海沿海、海南島和南海諸島，內(nèi)蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達(dá)坂城、阿拉山口，河西走 廊，松花江下游，張家口北部等地，以及分布各地高山山口和山頂。2.3.2 我國(guó)風(fēng)能分布新能源及其材料第38頁(yè)利用風(fēng)力能夠發(fā)電、提水、助航、制冷、致熱等。2.3.3 風(fēng)能利用新能源及其材料第39頁(yè)不一樣能源發(fā)電成本2.3.3 風(fēng)能利用新能源及其材料第40頁(yè)2.3.3 風(fēng)能利用國(guó)家累計(jì)裝機(jī)-增加速度(%)3年平均增加速度(%)底底底德國(guó)8734119681461222.133.8美國(guó)42454674636136.134.6西班牙35505043642027.331.3丹麥245628803

16、0766.89.5印度14561702212524.920.3意大利70080692214.429.5英國(guó)52557075933.121.3荷蘭52372793829.025.6中國(guó)40647357120.717.5日本35748676156.675.1世界前10名22957293293654524.629.2世界總計(jì)24927320374030125.629.2世界風(fēng)電市場(chǎng)前10名國(guó)家風(fēng)電發(fā)展增速統(tǒng)計(jì)新能源及其材料第41頁(yè) 經(jīng)過(guò)多年努力，截至底，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)到達(dá)了46.85萬(wàn)千瓦（不包含臺(tái)灣地域）。2.3.4 我國(guó)風(fēng)能發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況我國(guó)大型風(fēng)電機(jī)組歷年總裝機(jī)容量圖新能源及其材料第4

17、2頁(yè)2.4 小水電 所謂小水電，通常是指電站總?cè)萘吭? 萬(wàn)kW以下小型水電站及與其相配套小電網(wǎng)統(tǒng)稱。小水電開(kāi)發(fā)方式，按照集中水頭方法，可分為引水式、堤壩式和混合式三類。 新能源及其材料第43頁(yè)2.4.1 小水電特點(diǎn) 工程簡(jiǎn)單、建設(shè)工期短，一次基建投資小，水庫(kù)淹沒(méi)損失、移民、環(huán)境和生態(tài)等方面綜合影響甚小。而且小水電靠近用戶，輸變電設(shè)備簡(jiǎn)單、線路輸電損耗小，水電發(fā)電效率為同等規(guī)模熱電站兩倍以上。新能源及其材料第44頁(yè)2.4.2 小水電資源分布新能源及其材料第45頁(yè)按有利情況預(yù)計(jì)(MW)地域 1990年 北美洲 4302 6829 8604 9849 12906拉丁美洲 1113 2125 2937

18、 3839 6557西歐 7231 11478 14462 16555 21692東歐及獨(dú)聯(lián)體 2296 3645 4592 5257 6889中東及北非洲 45 86 119 156 266次撒哈拉非洲 181 345 477 624 1065太平洋 102 162 204 234 306中國(guó) 3890 7428 10264 13415 22915亞洲 343 655 905 1183 累計(jì) 19503 32753 42564 51112 74616注：包含小于 10MW水電站2.4.3 小水電資源發(fā)展預(yù)測(cè)新能源及其材料第46頁(yè)2.4.4 小水電發(fā)展前景 我國(guó)蘊(yùn)藏著極其豐富水力資源，全國(guó)水力

19、資源理論蘊(yùn)藏時(shí)為6.8億千瓦，年電能 5.9萬(wàn)億度，占當(dāng)前世界電力需求量15萬(wàn)億度1/3，可開(kāi)發(fā)資源裝機(jī)容量為3.78億千瓦，年電能1.92萬(wàn)億度，適于建造小水電站河流很多。伴隨小水電在我國(guó)快速發(fā)展，必將成為農(nóng)村和邊遠(yuǎn)山區(qū)發(fā)電主力。新能源及其材料第47頁(yè)2.5 地?zé)崮?地?zé)崮苁侵冈诋?dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)和地質(zhì)環(huán)境條件下，地殼內(nèi)能夠科學(xué)、合理地開(kāi)發(fā)出來(lái)巖石中熱能量和地?zé)崃黧w中熱能量。新能源及其材料第48頁(yè)2.5.1 地?zé)崮芊诸?地?zé)崮馨促x存形式可分為水熱型（又分為干蒸汽型、濕蒸汽型和熱水型）、地壓型、干熱巖型和巖漿型四大類； 按溫度高低可分為高溫型（150）、中溫型（90149）和低溫型（ 89）。阿里地

20、域地?zé)崽锉鶏u地?zé)嵝履茉醇捌洳牧系?9頁(yè)2.5.2 地?zé)崮芊植?就全球來(lái)說(shuō)，地?zé)豳Y源分布是不平衡。顯著地溫梯度每公里深度大于30地?zé)岙惓^(qū)，主要分布在板塊生長(zhǎng)、開(kāi)裂-大洋擴(kuò)張脊和板塊碰撞，衰亡-消減帶部位。環(huán)球性地?zé)釒е饕幸韵?個(gè)： 1）環(huán)太平洋地?zé)釒?）地中海一喜馬拉雅地?zé)釒?）大西洋中脊地?zé)釒?）紅海一亞丁灣一東非裂谷地?zé)釒履茉醇捌洳牧系?0頁(yè) 從直接利用地?zé)嵋?guī)模來(lái)說(shuō)，最慣用是地?zé)崴茉。伎偫昧?/3以上，其次是地?zé)崴B(yǎng)殖和種植約占20%，地?zé)岵膳s占13%，地?zé)崮芄I(yè)利用約占2%。據(jù)美國(guó)地?zé)豳Y源委員會(huì)（GRC） 1990年調(diào)查，世界上18個(gè)國(guó)家有地?zé)岚l(fā)電，總裝機(jī)容量5827.55兆

21、瓦，裝機(jī)容量在100兆瓦以上國(guó)家有美國(guó)、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。2.5.3 地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)新能源及其材料第51頁(yè)西藏羊八井地?zé)犭娬?我國(guó)地?zé)豳Y源也很豐富，但開(kāi)發(fā)利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省區(qū)。2.5.4 我國(guó)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)新能源及其材料第52頁(yè)2.6 海洋能 海洋能是指海水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生能為人類利用能量，理論能量總量約為766 億千瓦，是名副其實(shí)“藍(lán)色煤海”。新能源及其材料第53頁(yè)2.6.1 海洋能分類按其成因可分為：潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等。按其儲(chǔ)存形式可分為：機(jī)械能（潮汐能、波浪能和海流能）、熱能（海水溫差能）和化學(xué)能（海水鹽差能）新能源及其材

22、料第54頁(yè)浙江溫嶺江廈潮汐發(fā)電站，是世界第三大潮汐發(fā)電站。法國(guó)朗斯電站2.6.2 海洋能利用 海洋能最主要利用方式就是發(fā)電。全球僅可利用潮汐能就達(dá)30 億千瓦，年發(fā)電量約為26萬(wàn)億度，這比當(dāng)前世界上全部水力發(fā)電量大一倍。全世界潮汐電站總裝機(jī)容量為265兆瓦，中國(guó)為5.64兆瓦，新能源及其材料第55頁(yè)2.7 天然氣水合物 水合物立方籠型結(jié)構(gòu)圖 天然氣水合物(Natural Gas Hydrates)是在一定條件下由氣體或揮發(fā)性液體與水相互作用過(guò)程中形成白色固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)(可燃冰)，它是一個(gè)非化學(xué)計(jì)量籠形物，為超分子結(jié)構(gòu)，含有很強(qiáng)吸附(濃縮)氣體能力，單位體積水合物可含164倍同單位氣體，分子量小，

23、成份不穩(wěn)定，除以甲烷氣體為主外，還含有乙、丙、丁烷各種氣體。新能源及其材料第56頁(yè)2.7.1 天然氣水合物資源分布 分布在陸地上氣水合物最大地質(zhì)儲(chǔ)量為531011噸，其主要存在于永久凍土帶。分布于海洋中水合物最大地質(zhì)儲(chǔ)量為1611014噸，其主要分布在大陸架斜坡帶、洋中脊、海溝和海嶺等。天然氣水合物資源分布圖天然氣水合物勘探新能源及其材料第57頁(yè)2.7.1 天然氣水合物資源分布可燃礦物 可產(chǎn)儲(chǔ)量(10億噸計(jì)) 最大地質(zhì)儲(chǔ)量(10億噸計(jì))煤和褐煤 9000 15800 常規(guī)天然氣藏 280 330 常規(guī)石油藏415 1180 石油 - 39500 陸上水合物藏 53 530 海洋水合物藏 113

24、00 161000 漂浮氣能 500 - 地球可燃礦產(chǎn)資源 天然氣水合物中有機(jī)碳占全球有機(jī)碳53.3，而煤、石油和天然氣三者總和才占到26.6。新能源及其材料第58頁(yè)2.7.2 天然氣水合物勘探與開(kāi)采 有些人提出經(jīng)過(guò)向水合物層壓入含有促進(jìn)分解化學(xué)試劑熱流體，促進(jìn)水合物分解，而且在搜集天然氣同時(shí)將CO2氣體壓入水合物層，生成CO2水合物，既能維持地層穩(wěn)定，又降低了大氣中溫室氣體，但該方法可行性還有待深入考證。 天然氣水合物至今還沒(méi)有完美開(kāi)采方案。熱解法和降壓法可利用高溫或核輻射效應(yīng)使天然氣水合物由固態(tài)分解出CH4，但怎樣布設(shè)管道并高效搜集是急于處理問(wèn)題。置換法是將CO2液化， 注入1500m以下

25、洋面以生成CO2水合物，從而將CH4置換出來(lái)。 但CH4溫室效應(yīng)比CO2要強(qiáng)21倍，所以全球溫室效應(yīng)將快速加劇。新能源及其材料第59頁(yè)資源豐富南海 一項(xiàng)針對(duì)南海北部勘測(cè)顯示，那里天然氣水合物可燃冰儲(chǔ)量到達(dá)我國(guó)陸上石油總量二分之一左右，這些可燃冰有望在進(jìn)行試開(kāi)采。2.7.2天然氣水合物勘探與開(kāi)采新能源及其材料第60頁(yè)新能源及其新材料 新能源及其材料第61頁(yè)目錄能源現(xiàn)實(shí)狀況新能源及其發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況新能源及其材料第62頁(yè)能源分類能源分類一次能源二次能源(經(jīng)轉(zhuǎn)換或提煉）可再生能源非再生能源風(fēng)能，水能，太陽(yáng)能，地?zé)?，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然氣）鈾電能，氫能，汽油，柴油等新能源及其材料?3頁(yè)

26、(1) 人類社會(huì)對(duì)能源需求不停增加。 能源是與人類社會(huì)生存與發(fā)展休戚相關(guān)。 人類社會(huì)發(fā)展伴伴隨能源消耗增加。能源應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況表1 世界一次能源消費(fèi)增加率新能源及其材料第64頁(yè)(2)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。表2 世界一次商品能源組成新能源及其材料第65頁(yè)(3) 能源應(yīng)用形態(tài)有所改變。 小型可移動(dòng)電源需求量增加很快，這主要是信息技術(shù)發(fā)展結(jié)果；尤其是近年來(lái)筆記本電腦、手提電話等移動(dòng)通信、攝像機(jī)、聲像設(shè)備以及一些軍用電子設(shè)備發(fā)展，對(duì)電池能量密度要求更高，并要求能夠重復(fù)使用。所以促進(jìn)了高容量二次電池發(fā)展。新能源及其材料第66頁(yè)(4) 礦物能源面臨枯竭。（1992世界能源大會(huì)）石油/年天然氣/年煤/年鈾/年世界

27、495726260中國(guó)236110230新能源及其材料第67頁(yè)(5) 礦物燃燒造成環(huán)境污染。（SO2、CO、CO2、NO） （植被、土壤；氣候；健康）圖2 世界CO2排放量隨時(shí)間改變新能源及其材料第68頁(yè)(6) 新能源開(kāi)發(fā)不停取得進(jìn)展 太陽(yáng)能、生物能、核能、風(fēng)能、地?zé)?、海洋能等一次能源和二次能源中氫能?新能源開(kāi)發(fā)一方面靠利用新原理來(lái)發(fā)展新能源系統(tǒng)，其次靠材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高效率，降低成本。新能源及其材料第69頁(yè)(7) 新材料幾個(gè)作用：新材料把原來(lái)習(xí)用已久能源變?yōu)樾履茉础?如：半導(dǎo)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；燃料電池能使氫與氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過(guò)去利用氫氣燃料

28、取得高溫。一些新材料可提升儲(chǔ)能和能力轉(zhuǎn)化效果 如：鎳電池、鋰離子電池等都是靠電極材料儲(chǔ)能效果和能量轉(zhuǎn)化功效而發(fā)展起來(lái)新型二次電池。 新能源及其材料第70頁(yè) 新材料決定著核反應(yīng)堆性能與安全性。 材料組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著投資與運(yùn)行成本。 如：太陽(yáng)電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率； 燃料電池電極材料決定著電池質(zhì)量和 壽命； 材料制備工藝又決定著能源成本。新能源及其材料第71頁(yè)(8) 能源材料概念及分類 廣義上，凡能源工業(yè)及能源利用技術(shù)所需材料都可稱為能源材料。新能源材料如增殖堆用核材料、太陽(yáng)能電池材料節(jié)能材料如非晶態(tài)金屬磁性，超導(dǎo)材料。儲(chǔ)能材料如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料新能源及其材料第

29、72頁(yè) 能源現(xiàn)實(shí)狀況與發(fā)展問(wèn)題1.可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等所占百分比不到3%2.石油、煤和天然氣占初級(jí) 能源消耗85%左右3.其余主要是火電和水電據(jù)可靠資料報(bào)道，到，我國(guó)能源消費(fèi)百分比除了利用石油、煤和天然氣以及水電外，風(fēng)能消費(fèi)百分比要占到10%，核能消費(fèi)要占到3%。 各種能源消費(fèi)百分比圖新能源及其材料第73頁(yè)我國(guó)石油產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)，萬(wàn)噸，萬(wàn)噸汽、煤、柴油17750-1890021700-28800潤(rùn)滑油 520-560 560-770燃料油 2900 2700化工用油 4700-5600 7200-8700其它 5400-5500 6600-6700石油產(chǎn)品累計(jì)31300-3350038

30、800-47700國(guó)內(nèi)石油需求3.3-3.5億噸4.1-5.0億噸其它：LPG、瀝青、石油焦、溶劑油、硫磺等我國(guó)汽柴油消耗分別達(dá)4706萬(wàn)噸和10292萬(wàn)噸(累計(jì)1.5億噸) 新能源及其材料第74頁(yè)無(wú)窮大約45年約15 約61年約30約230年約81約71年約50我國(guó)各種能源探明儲(chǔ)量（以儲(chǔ)采比表示）與世界比較 摘自“光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略國(guó)際研討會(huì)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)” 論文集 4月8日， 北京 P8050100150200250300太陽(yáng)能石油天然氣煤鈾世界中國(guó)新能源及其材料第75頁(yè)二氧化碳是化石能源最終排放形態(tài)化石能源及其現(xiàn)實(shí)狀況表3 全球各國(guó)CO2排放量比較排行新能源及其材料第76頁(yè)汽車(chē)油耗占汽

31、柴油誚費(fèi)百分比()耗油量，萬(wàn)噸占消費(fèi)量，%汽油車(chē)282575.5柴油車(chē)188824.2交通運(yùn)輸用油約占石油消耗40%新能源及其材料第77頁(yè)20 原油需求控制在4.5億噸，最少進(jìn)口2.5億噸，對(duì)外依存度65% 汽車(chē)保有量應(yīng)控制在1億輛(現(xiàn)有2400萬(wàn)輛)，產(chǎn)量500萬(wàn)輛，到年預(yù)計(jì)汽車(chē)年產(chǎn)量到達(dá)800到1000萬(wàn)輛 新能源及其材料第78頁(yè)在北京、上海等大城市，空氣污染60%來(lái)自汽車(chē)排放二氧化碳全球排放量中，中國(guó)居第二 新能源及其材料第79頁(yè)550 ppm 從左圖大氣CO2濃度隨年代改變及其在全球分布圖能夠看出： 很顯著，近來(lái)，CO2濃度上升快速非常快速，將靠近550ppm。 而且，主要分布在美國(guó)和

32、中國(guó)所在北半球高緯度60-80度處。新能源及其材料第80頁(yè)CO2大量排放帶來(lái)最直接危害就是產(chǎn)生溫室效應(yīng)！新能源及其材料第81頁(yè) “溫室效應(yīng)”使地球變暖帶來(lái)嚴(yán)重后果A、依據(jù)IPCC預(yù)測(cè)，2050年地球平均氣溫將增加2.51 B、教授認(rèn)為：近100 年來(lái)，全球年平均氣溫上升了0.6。預(yù)計(jì)到21，全球年平均氣溫將比1990年上升1.53.5C、美國(guó)皮尤全球氣候改變研究中心發(fā)表一份匯報(bào)預(yù)計(jì)，到21全球氣溫將升高1.3-4.6攝氏度，并造成海平面升高17-99 厘米。D、全球森林面積快速下降，現(xiàn)有森林已無(wú)法吸收各國(guó)所排放二氧化碳，已使大氣層中二氧化碳含量快速增加，整個(gè)氣候情況已經(jīng)進(jìn)入惡性循環(huán)狀態(tài)。E、氣

33、候變暖有可能造成極地冰帽快速融化，進(jìn)而使海平面上升，引發(fā)大規(guī)模洪水。在地球歷史上發(fā)生于15萬(wàn)年前冰川期則只是因?yàn)樵?萬(wàn)年內(nèi)地球氣溫升高5所造成。溫室效應(yīng)還會(huì)造成極端降水（暴雨、暴雪）、颶風(fēng)、山崩及泥石 流等“非常事件”將頻繁出現(xiàn)。教授們注意到，在過(guò)去幾年里，衡 量氣候改變“非常事件指數(shù)”（Extrenme Event lndex）不停攀 高，因?yàn)闅夂蚋淖兌l(fā)自然災(zāi)害隨時(shí)可能出現(xiàn)。G. 溫室效應(yīng)造成厄爾尼諾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，氣候異常、危害嚴(yán)重新能源及其材料第82頁(yè)化石能源及其現(xiàn)實(shí)狀況 應(yīng)對(duì)氣候改變國(guó)際行動(dòng) 為應(yīng)對(duì)全球氣候改變，國(guó)際社會(huì)制訂了聯(lián)合國(guó)氣候改變框架條約和京都議定書(shū)。許多國(guó)家和非政府組織對(duì)

34、應(yīng)建立了碳基金，并以此為平臺(tái)開(kāi)展減排和碳匯項(xiàng)目。以實(shí)際行動(dòng)參加應(yīng)對(duì)氣候改變 聯(lián)合國(guó)氣候改變框架條約新能源及其材料第83頁(yè)新能源及其發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況新能源及其材料第84頁(yè)美國(guó)和歐洲各國(guó)在1974-1975年和1979-1982年暴發(fā)了兩次特能源危機(jī) 不依賴石油電動(dòng)汽車(chē)自然再次成為研究熱點(diǎn)新能源及其材料第85頁(yè)新能源及其材料第86頁(yè)新能源及其材料第87頁(yè)鋰離子電池特點(diǎn)高比能量 (180-200Wh/Kg)長(zhǎng)循環(huán)壽命 (500-1000次)高電壓 (3.6V)低自放電(6-8%/月)無(wú)記憶效應(yīng)綠色能源新能源及其材料第88頁(yè)不停涌現(xiàn)電子新產(chǎn)品需要性能更優(yōu)電源如：Apple企業(yè)出品iPod photo播放音

35、樂(lè)最長(zhǎng)達(dá)15小時(shí)；播放有音樂(lè)幻燈片最長(zhǎng)達(dá) 5 小時(shí) APPLEiBook 需用容量為: 3300 mAh ，10.8 V鋰離子電池 市場(chǎng)期待己久電動(dòng)車(chē)需要功率更大電池，因而出現(xiàn)了第二代鋰離子電池新能源及其材料第89頁(yè) 第二代鋰離子電池特征： 大容量、高電壓、長(zhǎng)壽命、低價(jià)格第二代鋰離子電池R&D; 以美囯能源部車(chē)用技術(shù)辦公室支持“先進(jìn)運(yùn)輸用電池”項(xiàng)目（BATT）代表 新能源及其材料第90頁(yè)一、第二代鋰離子電池 壽命達(dá)； 內(nèi)容量衰退170wh/kg； 比功率 300w/kg； 成本 150$/kwh20k/年 (即每年每20k單元價(jià)格200A； 充放電速度快 循環(huán)壽命長(zhǎng) 維護(hù)簡(jiǎn)單電池+超級(jí)電容器：

36、可提供高電能量和電功率，滿足電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)啟、加速、爬坡、制動(dòng)之大功率需求新能源及其材料第99頁(yè)超級(jí)電容器產(chǎn)品性能與主要應(yīng)用領(lǐng)域電動(dòng)車(chē)用小型儲(chǔ)能新能源及其材料第100頁(yè)動(dòng)力型超級(jí)電容器 牽引型超級(jí)電容器 新能源及其材料第101頁(yè)依據(jù)電極材料命名有：碳電極電化學(xué)電容器：電極材料：活性碳，碳基聚合物，碳納米材料；電解質(zhì)：H2SO4水溶液 或 有機(jī)電解質(zhì) 或 含有四烴基氨鹽固體電解質(zhì)（其比 表面積達(dá)1000m2/g）雙電層間距離：23A；貯存容量：200500F/g；產(chǎn)品電容器比功率密度；4000 W/kg新能源及其材料第102頁(yè) C電極表面雙電層形成示意圖碳電極材料主要經(jīng)過(guò)吸附電解液中離子在電極表面形

37、成雙電層來(lái)完成儲(chǔ)能過(guò)程新能源及其材料第103頁(yè)二、超級(jí)電容器2. 貴金屬氧化物電極電化學(xué)器電極材料：RuO2 ，IrO2等優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)镽uO2電極導(dǎo)電率比碳大2個(gè)數(shù)量級(jí)，在電解質(zhì)H2SO4中穩(wěn)定，電容器有更高比能量，發(fā)展前景更加好新能源及其材料第104頁(yè)導(dǎo)電聚合物電極電化學(xué)電容器：電極材料：可進(jìn)行n型摻雜導(dǎo)電聚合物，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。優(yōu)點(diǎn)：它比貴金屬電化學(xué)電容器性能更優(yōu)良 研制全固體電化學(xué)電容器是今后R+D主要課題新能源及其材料第105頁(yè) 成品電容器近期目標(biāo)遠(yuǎn)期目標(biāo)能量密度5Wh/kg15Wh/kg功率密度500w/kg1500w/kg能量(Wh) 500 750重量(kg)1

38、0050 美國(guó)能源部提出近期和久遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo) 新能源及其材料第106頁(yè) 超級(jí)電容器研究幾個(gè)方向深入提升超級(jí)電容器能量密度和功率密度降低成本,尤其是降低電極材料成本 提升電容器可靠性，延長(zhǎng)循環(huán)壽命 新能源及其材料第107頁(yè) 太陽(yáng)能：最清潔、最強(qiáng)大能源，取之不盡，用之不竭；地面上，晴天，每平方米植物表面可接收1000W能量新能源及其材料第108頁(yè)以來(lái)美國(guó)推出了“國(guó)家光伏計(jì)劃”,日本“陽(yáng)光計(jì)劃”,歐洲“尤里卡高科技計(jì)劃”;日韓歐合作建設(shè)全球規(guī)模最大太陽(yáng)能發(fā)電站;歐洲五家PV制造企業(yè)對(duì)日本五家企業(yè)展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng) 促進(jìn)了PV R&D、生產(chǎn)、應(yīng)用迅猛發(fā)展;太陽(yáng)光能利用是近年來(lái)發(fā)展最快、最具活力領(lǐng)域新能源及其材料第109頁(yè)太陽(yáng)能公寓新能源及其材料第110頁(yè)太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能應(yīng)用研究, 美國(guó)、日本和德國(guó)等歐洲國(guó)家開(kāi)展比較早, 當(dāng)前在光熱轉(zhuǎn)換、光電技術(shù)方面研究較為成熟太陽(yáng)能科技發(fā)展兩大趨勢(shì): 一是光與電結(jié)合, 二是太