功能材料之能源材料教材課件

能源材料能源材料一、概述1.什么是能源?能源是產(chǎn)生各種能量的資源，是人類生存和發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的開(kāi)發(fā)和利用狀況是衡量一個(gè)時(shí)代、一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，直接關(guān)系到人們生活水平的高低。一、概述1.什么是能源?22、能源的分類一次能源：直接來(lái)自自然界而未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能源。如：化石燃料、太陽(yáng)能、核能、生物燃料、水能等。二次能源：由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來(lái)的能源。如：電能、煤氣、汽油、沼氣、氫能等可再生能源：不隨其本身的轉(zhuǎn)化或被人類利用而減少的能源。如：太陽(yáng)能、生物能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?、能源的分類一次能源：直接來(lái)自自然界而未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能源。32、能源的分類非再生能源：隨其本身的轉(zhuǎn)化或被人類利用而減少的能源。如：化石燃料、核燃料等常規(guī)能源:世界大量消耗的石油、天然氣、煤和核能等稱為常規(guī)能源新能源:新能源是相對(duì)于常規(guī)能源而言的，泛指太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能和生物質(zhì)能等2、能源的分類非再生能源：隨其本身的轉(zhuǎn)化或被人類利用而減少的43.世界能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀特點(diǎn)

主要來(lái)自一次不可再生能源(如煤炭、石油、天然氣)；能源消耗水平差異大：占世界1/4的工業(yè)化國(guó)家消耗了世界能源的3/4;世界能源消耗仍在增長(zhǎng)。分布

世界能源儲(chǔ)量分布是不平衡的。石油中東占56.8%；天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量最多是歐洲，各占54.6%和45%。亞洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然氣都只有5%多一點(diǎn)。3.世界能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀特點(diǎn)5能源的消耗能源的消耗6石油的分布石油的分布7煤炭排行榜煤炭排行榜8功能材料之能源材料教材課件94.我國(guó)能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀消耗特點(diǎn)

中國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，其能源消費(fèi)總量居世界第二，僅次于美國(guó)。年均增長(zhǎng)3.6%。其中，煤炭占66.3%，石油占23.5%，天然氣占2.6%，水電、核電占7.6%。分布

煤炭85％分布于中西部；石油、天然氣資源集中在東北、華北（包括山東）和西北，合占全國(guó)探明儲(chǔ)量的86％；水能資源的分布主要在西部和中南部，在全國(guó)技術(shù)可開(kāi)發(fā)資源量（3.7億千瓦）中合計(jì)占到93.2％，其中西南占67.8％。4.我國(guó)能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀消耗特點(diǎn)10現(xiàn)狀近20年來(lái)，我國(guó)能源發(fā)展很快，我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量世界第三、開(kāi)采量世界第一，在能源結(jié)構(gòu)中一直以煤炭為主。中國(guó)原油產(chǎn)量世界第5位，天然氣產(chǎn)量世界第20位，水力發(fā)電世界第4位，核電第18位。發(fā)電總量世界第2位?，F(xiàn)狀115.發(fā)展新能源的必要性人均儲(chǔ)量少，先天不足，但能耗效率卻低。我國(guó)成為能源消耗大國(guó)，進(jìn)口依賴度提高。能源成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)命脈所在，威脅國(guó)家穩(wěn)定安全現(xiàn)有化石能源對(duì)環(huán)境影響大。結(jié)論：發(fā)展新能源大勢(shì)所趨！5.發(fā)展新能源的必要性人均儲(chǔ)量少，先天不足，但能耗效率卻低。12二、新能源新能源廣義上來(lái)說(shuō)，有別于傳統(tǒng)依靠礦物質(zhì)原料燃燒的能源都稱之為新能源。太陽(yáng)能風(fēng)能生物質(zhì)能核能地?zé)?、潮汐能二、新能源新能源太?yáng)能風(fēng)能生物質(zhì)能核能地?zé)?、潮汐?3能源材料1、太陽(yáng)能2、核能3、氫能4、燃料電池5、風(fēng)能6、地?zé)崮?、海洋能能源材料1、太陽(yáng)能14

太陽(yáng)能利用涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，但根據(jù)太陽(yáng)能的特點(diǎn)，具有共性的技術(shù)主要有四項(xiàng)，即太陽(yáng)能采集、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能貯存和太陽(yáng)能傳輸，將這些技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，便能進(jìn)行太陽(yáng)能的實(shí)際利用---光熱利用、光電利用和光化學(xué)利用。1、太陽(yáng)能太陽(yáng)能利用涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，但根據(jù)太陽(yáng)能的特點(diǎn)，具有151）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用

太陽(yáng)能的熱利用主要是以下方面：

（1）．太陽(yáng)能空調(diào)降溫

太陽(yáng)能制冷及在空調(diào)降溫研究工作重點(diǎn)是尋找高效吸收和蒸發(fā)材料，優(yōu)化系統(tǒng)熱特性，建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)程序，研究新型制冷循環(huán)等。

（2）．太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電，是太陽(yáng)能熱利用的重要方面。1）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用太陽(yáng)能的熱利用主要是以下方面：16

（3）．太陽(yáng)房

太陽(yáng)房是直接利用太陽(yáng)輻射能的重要方面。通過(guò)建筑設(shè)計(jì)把高效隔熱材料、透光材料、儲(chǔ)能材料等有機(jī)地集成在一起，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽(yáng)能，達(dá)到房屋采暖目的。太陽(yáng)房可以節(jié)約75％～90％的能耗，并具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為各國(guó)太陽(yáng)能利用技術(shù)的重要方面。1）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用

（3）．太陽(yáng)房1）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用17太陽(yáng)能暖房太陽(yáng)能暖房18

（4）．熱利用的其它方面

太陽(yáng)灶我國(guó)目前大約有15萬(wàn)臺(tái)太陽(yáng)灶在使用中。太陽(yáng)灶表面可以加涂一層光譜選擇性材料，如二氧化硅之類的透明涂料，以改變陽(yáng)光的吸收與發(fā)射，最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。提高太陽(yáng)灶的效率。每個(gè)太陽(yáng)灶每年可節(jié)約300千克標(biāo)準(zhǔn)煤。

太陽(yáng)能干燥是熱利用的一個(gè)方面。目前我國(guó)已經(jīng)安裝了有1000多套太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)，總面積約2萬(wàn)平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草藥干燥等。（4）．熱利用的其它方面19太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器20太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)212）太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換及材料

材料科學(xué)與工程是技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。太陽(yáng)光—熱轉(zhuǎn)換材料與工程，如用于太陽(yáng)集熱器的選擇性吸收涂層（表面），用于建筑幕墻玻璃和交通工具的選擇性透、反射薄膜材料和電致變色薄膜材料與器件，用于集熱器的具有太陽(yáng)光譜高透射比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窩結(jié)構(gòu)，以及貯能材料等，推動(dòng)了太陽(yáng)光—熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。2）太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換及材料223）太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換

太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽(yáng)的輻射能光子通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程，通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，太陽(yáng)電池就是利用這種效應(yīng)制成的。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過(guò)。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、如果半?dǎo)體內(nèi)存在P—n結(jié)，在n區(qū)與p區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動(dòng)勢(shì)。若分別在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流輸出功率。3）太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換是23以材料區(qū)分，太陽(yáng)電池有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅鋼硒（CIS）電池，碲化鎘（CdTe）電池，砷化稼電池等，而以晶硅電池為主導(dǎo)。由于硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素，作為半導(dǎo)體材料，人們對(duì)它研究得最多、技術(shù)最成熟，而且晶硅性能穩(wěn)定、無(wú)毒，因此成為太陽(yáng)電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。人們首先使用高純硅制造太陽(yáng)電池（即單晶硅太陽(yáng)電池）。近年來(lái)，非晶硅太陽(yáng)電池的研制迅速發(fā)展。太陽(yáng)能電池以材料區(qū)分，太陽(yáng)電池有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅24全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量、需求量全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量、需求量25太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈高純硅原材料

硅片太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池組件太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈高純硅原材料硅片太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池組件262、核能核能:

核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)放出的能量，都叫原子核的結(jié)合能(核能)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，核反應(yīng)中放出的能量稱為核能。優(yōu)點(diǎn):

環(huán)境污染小，燃料運(yùn)輸量小，單位質(zhì)量釋放的能量大。核能的利用：

核能供熱、利用核能冶煉鋼鐵核電：利用核能轉(zhuǎn)化為電能

利用核能作動(dòng)力2、核能核能:核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量或原子核分解27核電站原理核電站是實(shí)現(xiàn)核裂變能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它與火電站最主要的不同是蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。核電站利用核能產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)稱為“核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)核燃料的核裂變能加熱外回路的水來(lái)產(chǎn)生蒸汽。從原理上講，核電站實(shí)現(xiàn)了核能－熱能－電能的能量轉(zhuǎn)換。從設(shè)備方面講，核電站的反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器起到了相當(dāng)于火電站的化石燃料和鍋爐的作用。反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是使原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠有控制地持續(xù)進(jìn)行的裝置，是利用核能的一種最重要的大型設(shè)備。反應(yīng)堆中有控制棒，它是操縱反應(yīng)堆，保證其安全的重要部件，它是由能強(qiáng)烈吸收中子的材料制成的。核電站原理核電站是實(shí)現(xiàn)核裂變能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它與火電站最28壓水堆核電站基本工作原理壓水堆核電站基本工作原理29反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖30核電站發(fā)展歷程：四代核電早期原型堆ShippingportMagnox第一代第二代第三代第四代商用堆LWR-PWR、BWRCANDU先進(jìn)輕水堆ABWRSystem80+AP600EPR經(jīng)濟(jì)性好更安全核廢物少防核擴(kuò)散GenIGenIIGenIIIGenIV195019601970198019902000201020202030核電站發(fā)展歷程：四代核電早期原型堆第一代第二代第三代第四代商31核電站的優(yōu)劣勢(shì)核電站的優(yōu)劣勢(shì)32核聚變能——人造太陽(yáng)由中科院等離子體物理研究所自行設(shè)計(jì)、研制的世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克EAST(原名HT-7U)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，日前已成功進(jìn)行了首次工程調(diào)試?！癊AST實(shí)驗(yàn)裝置”旨在探索可以得到無(wú)窮盡清潔能源的途徑，相當(dāng)于人類為自己制造了一個(gè)小太陽(yáng)。核聚變能——人造太陽(yáng)由中科院等離子體物理研究所自行設(shè)33“人造太陽(yáng)”“人造太陽(yáng)”34利用等離子體帶電的性質(zhì)，用強(qiáng)磁場(chǎng)將其約束在一定的區(qū)域內(nèi)，并保持一段時(shí)間。此類裝置中以“環(huán)流磁真空室”即托卡馬克最有成效，在技術(shù)上有望突破。它的中央是一個(gè)半徑2～3米的不銹鋼環(huán)形真空室。利用磁場(chǎng)約束實(shí)現(xiàn)核聚變利用等離子體帶電的性質(zhì)，用強(qiáng)磁場(chǎng)將其約束在一定的區(qū)35慣性約束核聚變

制成直徑幾毫米的“靶丸”，利用強(qiáng)激光從許多方向上對(duì)其同時(shí)照射，靶丸具有慣性，再加上激光的光壓力，使內(nèi)層氘和氚混合物的密度急速增加，直徑急劇縮小，溫度可達(dá)數(shù)千萬(wàn)度，高溫高壓最終可使聚變反應(yīng)發(fā)生。慣性約束核聚變制成直徑幾毫米的“靶丸”，利用強(qiáng)激光從許多363.氫能氫能源優(yōu)點(diǎn):燃燒熱值高；清潔無(wú)污染；資源豐富。氫能源缺點(diǎn)：制取成本高，需要大量的電能安全貯運(yùn)問(wèn)題。

3.氫能氫能源優(yōu)點(diǎn):371）氫能經(jīng)濟(jì)的緣起1、“氫能經(jīng)濟(jì)”提出的背景環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重；資源儲(chǔ)備日漸匱乏；能源安全引起的沖突加?。?）氫能經(jīng)濟(jì)的緣起1、“氫能經(jīng)濟(jì)”提出的背景環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)382）氫能經(jīng)濟(jì)的構(gòu)想2）氫能經(jīng)濟(jì)的構(gòu)想39美國(guó)：?jiǎn)?dòng)氫能發(fā)展計(jì)劃生物質(zhì)制氫，太陽(yáng)能制氫歐洲：氫能電動(dòng)汽車．生物質(zhì)制氫，太陽(yáng)能制氫日本：氫能電動(dòng)汽車光生物制氫中國(guó)：氫能電動(dòng)汽車生物質(zhì)制氫，化石燃料制氫0.2L液H2/100km3）各國(guó)的氫能開(kāi)發(fā)計(jì)劃美國(guó)：?jiǎn)?dòng)氫能發(fā)展計(jì)劃0.2L液H2/100km3）各40如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地廉價(jià)制氫？—制氫如何經(jīng)濟(jì)、合理、安全地儲(chǔ)存氫？—儲(chǔ)氫如何高效率、低成本地利用氫？—利用氫

4）氫能技術(shù)的難點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地廉價(jià)制氫？—制氫4）氫能技術(shù)的難點(diǎn)411.化石燃料制氫—目前主要的制氫方法成熟、廉價(jià)，但資源和環(huán)境問(wèn)題并未解決2.生物質(zhì)為原料制氫光合效率、水土面積、集中和儲(chǔ)運(yùn)成本等問(wèn)題3.水分解制氫

利用光化學(xué)、熱化學(xué)和電化學(xué)方法制氫。然而，太陽(yáng)能的收集、高品質(zhì)熱能和電能的產(chǎn)生方法，都是首先要解決的問(wèn)題。5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介合成氨：50％石油精練：37％甲醇合成：8％全球年產(chǎn)氫：5000億Nm3化石燃料制氫占96%1.化石燃料制氫—目前主要的制氫方法5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介合成氨424、生物質(zhì)制氫5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介(1)生物質(zhì)能的特點(diǎn)可再生性，生物質(zhì)能通過(guò)植物光合作用再生，可保證其永續(xù)利用；低污染性，生物質(zhì)硫、氮含量低、燃燒生成SO2等較少，生長(zhǎng)時(shí)所需CO2相當(dāng)于排放量，因而CO2凈排放量近似于零，可減輕溫室效應(yīng)；廣泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物質(zhì)能；總量十分豐富，僅次于煤炭、石油和天然氣。4、生物質(zhì)制氫5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介(1)生物質(zhì)能的特點(diǎn)可再43藻類和藍(lán)細(xì)菌光解水；光合細(xì)菌光分解有機(jī)物；有機(jī)物發(fā)酵制氫；光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運(yùn)用生物質(zhì)熱解或氣化制氫。(2)生物制氫技術(shù)藻類和藍(lán)細(xì)菌光解水；(2)生物制氫技術(shù)44(3)生物質(zhì)制氫兩大途徑熱化學(xué)分解過(guò)程包括高溫氣化或中溫?zé)岱纸庖约凹铀纸獾?，先得到含CO和H2的氣體，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣。生物過(guò)程包括:1）厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷為主的氣體然后加工為氫氣；2）利用某些微生物(如綠藻)的代謝功能，通過(guò)光化學(xué)分解反應(yīng)產(chǎn)生氫。熱化學(xué)分解過(guò)程技術(shù)基本成熟，將實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。生物過(guò)程適合做民用燃料，大規(guī)模制氫不經(jīng)濟(jì)，處于基礎(chǔ)研究階段。5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介(3)生物質(zhì)制氫兩大途徑5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介45半導(dǎo)體光催化制氫Z-型體系光催化法懸浮體系光催化法光電化學(xué)體系制氫6）光催化制氫簡(jiǎn)介M.Gratzel,etal,Nature,1991,353:737;Nature,1998,395:583;S.U.M.Khan,etal,Science,2002,297:2243;Z.G.Zou,etal.,Nature,2001,414,625.1、光催化制氫體系半導(dǎo)體光Z-型體系懸浮體系光電化學(xué)6）光催化制氫簡(jiǎn)介M.Gr462、光催化制氫的關(guān)鍵科技難題新型、高效光催化材料效率低逆反應(yīng)載流子復(fù)合太陽(yáng)光利用率低光量子產(chǎn)率低(約4%)能級(jí)不匹配6）光催化制氫簡(jiǎn)介2、光催化制氫的關(guān)鍵科技難題新型、高效效率低逆反應(yīng)太陽(yáng)光利光47太陽(yáng)光譜圖設(shè)計(jì)在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收半導(dǎo)體材料是高效利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵UVVisibleInfrared48%<5%λ6831.80eVλ4003.07eV2、光催化制氫的關(guān)鍵科技難題光催化制氫簡(jiǎn)介太陽(yáng)光譜圖設(shè)計(jì)在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收半導(dǎo)體材料是高效利用太陽(yáng)能的484、燃料電池1）燃料電池(FuelCell)的基本原理燃料電池通過(guò)氧與氫結(jié)合成水的簡(jiǎn)單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。燃料電池的基本組成有：電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑。二個(gè)電極被一個(gè)位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開(kāi)。在電極上，催化劑，例如白金，常用來(lái)加速電化學(xué)反應(yīng)。下圖為燃料電池基本原理示意圖。4、燃料電池1）燃料電池(FuelCell)的基本原理功能材料之能源材料教材課件50燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化劑一般是氧氣或空氣，電解質(zhì)可為水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融鹽（NaCO3、K2CO3）、固體聚合物、固體氧化物等。發(fā)電時(shí)，燃料和氧化劑由電池外部分別供給電池的陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開(kāi)，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動(dòng)，電子通過(guò)外電路做功并構(gòu)成電的回路。與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。

燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等512）燃料電池的分類燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類：

1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

4溶化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)

5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）2）燃料電池的分類燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的523）燃料電池的現(xiàn)狀目前，使用燃料電池面臨的主要問(wèn)題：1燃料問(wèn)題氧氣可以直接從空氣中獲得，比較省力；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進(jìn)來(lái)，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟(jì)。2安全問(wèn)題氫氣是易燃?xì)怏w，使用時(shí)要防止泄露，爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問(wèn)題。3）燃料電池的現(xiàn)狀目前，使用燃料電池面臨的主要問(wèn)題：534)燃料電池汽車燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動(dòng)力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的變速箱等動(dòng)力傳動(dòng)裝置。燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。4)燃料電池汽車燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動(dòng)力的電545）燃料電池汽車的特點(diǎn)1、效率高燃料電池汽車路試時(shí)可以達(dá)到40~50%的效率而普通汽車只有10~16%。燃料電池汽車總效率比混合動(dòng)力汽車也要高。2、環(huán)保燃料電池電動(dòng)汽車僅排放熱和水——高效、環(huán)境友好的清潔汽車。3、可持續(xù)發(fā)展燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對(duì)石油的依存度，超過(guò)警戒線30%，預(yù)計(jì)2020年>60%。5）燃料電池汽車的特點(diǎn)1、效率高556）燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展在全球溫室效應(yīng)與能源問(wèn)題逐漸受到各國(guó)政府的重視下，主要國(guó)家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對(duì)低污染車輛之需求勢(shì)必增加。因而汽車業(yè)界近年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國(guó)通用、日本豐田和本田等。國(guó)內(nèi)有上海的超越號(hào)，東風(fēng)的楚天一號(hào)。6）燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展在全球溫室效應(yīng)與56通用Hy-wire

氫動(dòng)三號(hào)

由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過(guò)68升的氫氣儲(chǔ)存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動(dòng)機(jī)后，通過(guò)功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里和270公里。通用Hy-wire

氫動(dòng)三號(hào)由200塊57通用Hy-wire氫動(dòng)三號(hào)的電池組通用Hy-wire氫動(dòng)三號(hào)的電池組58

通用汽氫燃料電車Sequel

59奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”。馬達(dá)輸出功率達(dá)100kW以上。充氫壓力為70MPa，持續(xù)行駛距離大約為400km。充電電池是鋰電池，輸出功率為20kW。奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”。馬達(dá)輸出功率達(dá)160

同濟(jì)大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。它能在14秒內(nèi)加速到80公里，最高時(shí)速達(dá)110公里，可連續(xù)行駛210公里。在車后行李箱內(nèi)，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進(jìn)入反應(yīng)器，和空氣中的氧氣結(jié)合釋放能量，提供汽車前進(jìn)的動(dòng)力。為防止氫氣從瓶中逃逸，氫氣瓶采用了鋁板碳纖維的特殊材料，里面層層設(shè)防。為安全起見(jiàn)，在后廂內(nèi)還安裝了監(jiān)測(cè)器，一旦氫氣濃度升高，它會(huì)及時(shí)報(bào)警。經(jīng)測(cè)試該車在污染排放、CO2排放、噪聲、蛇行和燃料經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到A級(jí)水平。超越二號(hào)同濟(jì)大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。它能在14秒內(nèi)加速到617）燃料電池汽車尚需解決的問(wèn)題讓燃料電池汽車走下生產(chǎn)線投入市場(chǎng)，還需要解決許多的實(shí)際問(wèn)題，1.整車的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)2.車用燃料氫，其制備、儲(chǔ)存和分配等環(huán)節(jié)都存在問(wèn)題3.電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求4.成本高，現(xiàn)有50KW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本為300美分/KW，是內(nèi)燃機(jī)的10倍7）燃料電池汽車尚需解決的問(wèn)題讓燃料電池汽車走下生產(chǎn)線投入市625、風(fēng)能風(fēng)能：空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能即為風(fēng)能。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)化形式。風(fēng)能的利用主要是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)電的優(yōu)越性：風(fēng)力發(fā)電是一種干凈的自然能源，沒(méi)有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會(huì)造成環(huán)境污染的問(wèn)題。風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用率已達(dá)95%以上，已是一種安全可靠的能源，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，發(fā)電成本已接近煤電，低于油電與核電。5、風(fēng)能風(fēng)能：空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能即為風(fēng)能。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一63返回1)風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)力發(fā)電已越來(lái)越成為風(fēng)能利用的主要形式，受到世界各國(guó)的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風(fēng)力發(fā)電通常有三種運(yùn)行方式。一是獨(dú)立運(yùn)行方式，通常是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無(wú)風(fēng)時(shí)的用電。二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式（如柴油機(jī)發(fā)電）相結(jié)合，向一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)海島供電。三是風(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行，向大電網(wǎng)提供電力；常常是一處風(fēng)場(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。返回1)風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)力發(fā)電已越來(lái)越成為風(fēng)能利用的主要形式64我國(guó)風(fēng)電中國(guó)是風(fēng)資源豐富的國(guó)家，特別是新疆、內(nèi)蒙古與沿海地區(qū)。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電在八十年代開(kāi)始發(fā)展，初期大多是獨(dú)立運(yùn)行戶用百瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組，安裝在邊遠(yuǎn)，孤立無(wú)電地區(qū)供農(nóng)牧民使用。近年來(lái)，大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引入我國(guó)，多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝在風(fēng)資源豐富地區(qū)組成風(fēng)電場(chǎng)，接入地區(qū)電網(wǎng)供電，現(xiàn)在，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘考s為100MW。我國(guó)風(fēng)電中國(guó)是風(fēng)資源豐富的國(guó)家，特別是新疆、內(nèi)蒙古與沿海652)風(fēng)帆助航

在機(jī)動(dòng)船舶發(fā)展的今天，為節(jié)約燃油和提高航速，古老的風(fēng)帆助航也得到了發(fā)展。航運(yùn)大國(guó)日本已在萬(wàn)噸級(jí)貨船上采用電腦控制的風(fēng)帆助航，節(jié)油率達(dá)15％。

3)風(fēng)力致熱

“風(fēng)力致熱”是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成熱能。目前有三種轉(zhuǎn)換方法。

一是風(fēng)力機(jī)發(fā)電，再將電能通過(guò)電阻絲發(fā)熱，變成熱能。2)風(fēng)帆助航

在機(jī)動(dòng)船舶發(fā)展的今天，為節(jié)約燃油和提66二是由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成空氣壓縮能，再轉(zhuǎn)換成熱能，即由風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)一離心壓縮機(jī)，對(duì)空氣進(jìn)行絕熱壓縮而放出熱能。三是將風(fēng)力機(jī)直接轉(zhuǎn)換成熱能。顯然第三種方法致熱效率最高。風(fēng)力機(jī)直接轉(zhuǎn)換熱能也有多種方法。最簡(jiǎn)單的是攪拌液體致熱，即風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使液體（水或油）變熱（如下圖）。

二是由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成空氣壓縮能，再轉(zhuǎn)換成熱能，即由風(fēng)力機(jī)67功能材料之能源材料教材課件686、地?zé)崮?/p>

地球內(nèi)部放射性元素不斷進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出大量的熱，溫度可達(dá)6000℃，高溫的熱量通過(guò)厚厚的地層，時(shí)時(shí)刻刻向太空釋放，這種“大地?zé)帷?，稱為熱能，地?zé)崮芗s為全球煤熱能的1.7億倍。6、地?zé)崮艿厍騼?nèi)部放射性元素不斷進(jìn)行熱69功能材料之能源材料教材課件70功能材料之能源材料教材課件71功能材料之能源材料教材課件72西藏羊八井地?zé)犭娬疚鞑匮虬司責(zé)犭娬?37.海洋能潮汐能：是一種利用水位變化所產(chǎn)生的位能及水流所產(chǎn)生的動(dòng)能（潮流能）而獲得的一有效能源。波浪能：(因波浪上下波動(dòng)浮力，波壓力或波浪所引起的水中壓力變化而產(chǎn)生的能源。海洋溫差能：即利用深部海水與表面海水的溫度差產(chǎn)生有用的能源。鹽梯度能：即利用兩處含鹽份高與含鹽份低的海流，因混合產(chǎn)生滲透壓作為動(dòng)力，而可用以產(chǎn)生能源。洋流能：利用高速度的洋流或潮流帶動(dòng)結(jié)合水車、推進(jìn)器、及降落傘狀物的水中電廠而將其轉(zhuǎn)換為有用的能源。7.海洋能潮汐能：是一種利用水位變化所產(chǎn)生的位能及水流所產(chǎn)生74浙江溫嶺江廈潮汐發(fā)電站，是世界第三大潮汐發(fā)電站。浙江溫嶺江廈潮汐發(fā)電站，是世界第三大潮汐發(fā)電站。75Thankyou!Thankyou!76能源材料能源材料一、概述1.什么是能源?能源是產(chǎn)生各種能量的資源，是人類生存和發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的開(kāi)發(fā)和利用狀況是衡量一個(gè)時(shí)代、一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，直接關(guān)系到人們生活水平的高低。一、概述1.什么是能源?782、能源的分類一次能源：直接來(lái)自自然界而未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能源。如：化石燃料、太陽(yáng)能、核能、生物燃料、水能等。二次能源：由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來(lái)的能源。如：電能、煤氣、汽油、沼氣、氫能等可再生能源：不隨其本身的轉(zhuǎn)化或被人類利用而減少的能源。如：太陽(yáng)能、生物能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?、能源的分類一次能源：直接來(lái)自自然界而未經(jīng)加工轉(zhuǎn)換的能源。792、能源的分類非再生能源：隨其本身的轉(zhuǎn)化或被人類利用而減少的能源。如：化石燃料、核燃料等常規(guī)能源:世界大量消耗的石油、天然氣、煤和核能等稱為常規(guī)能源新能源:新能源是相對(duì)于常規(guī)能源而言的，泛指太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、潮汐能和生物質(zhì)能等2、能源的分類非再生能源：隨其本身的轉(zhuǎn)化或被人類利用而減少的803.世界能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀特點(diǎn)

主要來(lái)自一次不可再生能源(如煤炭、石油、天然氣)；能源消耗水平差異大：占世界1/4的工業(yè)化國(guó)家消耗了世界能源的3/4;世界能源消耗仍在增長(zhǎng)。分布

世界能源儲(chǔ)量分布是不平衡的。石油中東占56.8%；天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量最多是歐洲，各占54.6%和45%。亞洲大洋洲除煤炭稍多（占18%）以外，石油、天然氣都只有5%多一點(diǎn)。3.世界能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀特點(diǎn)81能源的消耗能源的消耗82石油的分布石油的分布83煤炭排行榜煤炭排行榜84功能材料之能源材料教材課件854.我國(guó)能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀消耗特點(diǎn)

中國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，其能源消費(fèi)總量居世界第二，僅次于美國(guó)。年均增長(zhǎng)3.6%。其中，煤炭占66.3%，石油占23.5%，天然氣占2.6%，水電、核電占7.6%。分布

煤炭85％分布于中西部；石油、天然氣資源集中在東北、華北（包括山東）和西北，合占全國(guó)探明儲(chǔ)量的86％；水能資源的分布主要在西部和中南部，在全國(guó)技術(shù)可開(kāi)發(fā)資源量（3.7億千瓦）中合計(jì)占到93.2％，其中西南占67.8％。4.我國(guó)能源消耗特點(diǎn)、分布及現(xiàn)狀消耗特點(diǎn)86現(xiàn)狀近20年來(lái)，我國(guó)能源發(fā)展很快，我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量世界第三、開(kāi)采量世界第一，在能源結(jié)構(gòu)中一直以煤炭為主。中國(guó)原油產(chǎn)量世界第5位，天然氣產(chǎn)量世界第20位，水力發(fā)電世界第4位，核電第18位。發(fā)電總量世界第2位?，F(xiàn)狀875.發(fā)展新能源的必要性人均儲(chǔ)量少，先天不足，但能耗效率卻低。我國(guó)成為能源消耗大國(guó)，進(jìn)口依賴度提高。能源成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)命脈所在，威脅國(guó)家穩(wěn)定安全現(xiàn)有化石能源對(duì)環(huán)境影響大。結(jié)論：發(fā)展新能源大勢(shì)所趨！5.發(fā)展新能源的必要性人均儲(chǔ)量少，先天不足，但能耗效率卻低。88二、新能源新能源廣義上來(lái)說(shuō)，有別于傳統(tǒng)依靠礦物質(zhì)原料燃燒的能源都稱之為新能源。太陽(yáng)能風(fēng)能生物質(zhì)能核能地?zé)?、潮汐能二、新能源新能源太?yáng)能風(fēng)能生物質(zhì)能核能地?zé)帷⒊毕?9能源材料1、太陽(yáng)能2、核能3、氫能4、燃料電池5、風(fēng)能6、地?zé)崮?、海洋能能源材料1、太陽(yáng)能90

太陽(yáng)能利用涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，但根據(jù)太陽(yáng)能的特點(diǎn)，具有共性的技術(shù)主要有四項(xiàng)，即太陽(yáng)能采集、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能貯存和太陽(yáng)能傳輸，將這些技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，便能進(jìn)行太陽(yáng)能的實(shí)際利用---光熱利用、光電利用和光化學(xué)利用。1、太陽(yáng)能太陽(yáng)能利用涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，但根據(jù)太陽(yáng)能的特點(diǎn)，具有911）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用

太陽(yáng)能的熱利用主要是以下方面：

（1）．太陽(yáng)能空調(diào)降溫

太陽(yáng)能制冷及在空調(diào)降溫研究工作重點(diǎn)是尋找高效吸收和蒸發(fā)材料，優(yōu)化系統(tǒng)熱特性，建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)程序，研究新型制冷循環(huán)等。

（2）．太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電，是太陽(yáng)能熱利用的重要方面。1）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用太陽(yáng)能的熱利用主要是以下方面：92

（3）．太陽(yáng)房

太陽(yáng)房是直接利用太陽(yáng)輻射能的重要方面。通過(guò)建筑設(shè)計(jì)把高效隔熱材料、透光材料、儲(chǔ)能材料等有機(jī)地集成在一起，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽(yáng)能，達(dá)到房屋采暖目的。太陽(yáng)房可以節(jié)約75％～90％的能耗，并具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為各國(guó)太陽(yáng)能利用技術(shù)的重要方面。1）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用

（3）．太陽(yáng)房1）太陽(yáng)能的熱應(yīng)用93太陽(yáng)能暖房太陽(yáng)能暖房94

（4）．熱利用的其它方面

太陽(yáng)灶我國(guó)目前大約有15萬(wàn)臺(tái)太陽(yáng)灶在使用中。太陽(yáng)灶表面可以加涂一層光譜選擇性材料，如二氧化硅之類的透明涂料，以改變陽(yáng)光的吸收與發(fā)射，最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。提高太陽(yáng)灶的效率。每個(gè)太陽(yáng)灶每年可節(jié)約300千克標(biāo)準(zhǔn)煤。

太陽(yáng)能干燥是熱利用的一個(gè)方面。目前我國(guó)已經(jīng)安裝了有1000多套太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)，總面積約2萬(wàn)平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草藥干燥等。（4）．熱利用的其它方面95太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器96太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)972）太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換及材料

材料科學(xué)與工程是技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。太陽(yáng)光—熱轉(zhuǎn)換材料與工程，如用于太陽(yáng)集熱器的選擇性吸收涂層（表面），用于建筑幕墻玻璃和交通工具的選擇性透、反射薄膜材料和電致變色薄膜材料與器件，用于集熱器的具有太陽(yáng)光譜高透射比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窩結(jié)構(gòu)，以及貯能材料等，推動(dòng)了太陽(yáng)光—熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。2）太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換及材料983）太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換

太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽(yáng)的輻射能光子通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程，通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，太陽(yáng)電池就是利用這種效應(yīng)制成的。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過(guò)。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、如果半?dǎo)體內(nèi)存在P—n結(jié)，在n區(qū)與p區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動(dòng)勢(shì)。若分別在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流輸出功率。3）太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換是99以材料區(qū)分，太陽(yáng)電池有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅鋼硒（CIS）電池，碲化鎘（CdTe）電池，砷化稼電池等，而以晶硅電池為主導(dǎo)。由于硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素，作為半導(dǎo)體材料，人們對(duì)它研究得最多、技術(shù)最成熟，而且晶硅性能穩(wěn)定、無(wú)毒，因此成為太陽(yáng)電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。人們首先使用高純硅制造太陽(yáng)電池（即單晶硅太陽(yáng)電池）。近年來(lái)，非晶硅太陽(yáng)電池的研制迅速發(fā)展。太陽(yáng)能電池以材料區(qū)分，太陽(yáng)電池有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅100全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量、需求量全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量、需求量101太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈高純硅原材料

硅片太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池組件太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈高純硅原材料硅片太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池組件1022、核能核能:

核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)放出的能量，都叫原子核的結(jié)合能(核能)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，核反應(yīng)中放出的能量稱為核能。優(yōu)點(diǎn):

環(huán)境污染小，燃料運(yùn)輸量小，單位質(zhì)量釋放的能量大。核能的利用：

核能供熱、利用核能冶煉鋼鐵核電：利用核能轉(zhuǎn)化為電能

利用核能作動(dòng)力2、核能核能:核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量或原子核分解103核電站原理核電站是實(shí)現(xiàn)核裂變能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它與火電站最主要的不同是蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。核電站利用核能產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)稱為“核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)核燃料的核裂變能加熱外回路的水來(lái)產(chǎn)生蒸汽。從原理上講，核電站實(shí)現(xiàn)了核能－熱能－電能的能量轉(zhuǎn)換。從設(shè)備方面講，核電站的反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器起到了相當(dāng)于火電站的化石燃料和鍋爐的作用。反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是使原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠有控制地持續(xù)進(jìn)行的裝置，是利用核能的一種最重要的大型設(shè)備。反應(yīng)堆中有控制棒，它是操縱反應(yīng)堆，保證其安全的重要部件，它是由能強(qiáng)烈吸收中子的材料制成的。核電站原理核電站是實(shí)現(xiàn)核裂變能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它與火電站最104壓水堆核電站基本工作原理壓水堆核電站基本工作原理105反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖106核電站發(fā)展歷程：四代核電早期原型堆ShippingportMagnox第一代第二代第三代第四代商用堆LWR-PWR、BWRCANDU先進(jìn)輕水堆ABWRSystem80+AP600EPR經(jīng)濟(jì)性好更安全核廢物少防核擴(kuò)散GenIGenIIGenIIIGenIV195019601970198019902000201020202030核電站發(fā)展歷程：四代核電早期原型堆第一代第二代第三代第四代商107核電站的優(yōu)劣勢(shì)核電站的優(yōu)劣勢(shì)108核聚變能——人造太陽(yáng)由中科院等離子體物理研究所自行設(shè)計(jì)、研制的世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克EAST(原名HT-7U)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，日前已成功進(jìn)行了首次工程調(diào)試。“EAST實(shí)驗(yàn)裝置”旨在探索可以得到無(wú)窮盡清潔能源的途徑，相當(dāng)于人類為自己制造了一個(gè)小太陽(yáng)。核聚變能——人造太陽(yáng)由中科院等離子體物理研究所自行設(shè)109“人造太陽(yáng)”“人造太陽(yáng)”110利用等離子體帶電的性質(zhì)，用強(qiáng)磁場(chǎng)將其約束在一定的區(qū)域內(nèi)，并保持一段時(shí)間。此類裝置中以“環(huán)流磁真空室”即托卡馬克最有成效，在技術(shù)上有望突破。它的中央是一個(gè)半徑2～3米的不銹鋼環(huán)形真空室。利用磁場(chǎng)約束實(shí)現(xiàn)核聚變利用等離子體帶電的性質(zhì)，用強(qiáng)磁場(chǎng)將其約束在一定的區(qū)111慣性約束核聚變

制成直徑幾毫米的“靶丸”，利用強(qiáng)激光從許多方向上對(duì)其同時(shí)照射，靶丸具有慣性，再加上激光的光壓力，使內(nèi)層氘和氚混合物的密度急速增加，直徑急劇縮小，溫度可達(dá)數(shù)千萬(wàn)度，高溫高壓最終可使聚變反應(yīng)發(fā)生。慣性約束核聚變制成直徑幾毫米的“靶丸”，利用強(qiáng)激光從許多1123.氫能氫能源優(yōu)點(diǎn):燃燒熱值高；清潔無(wú)污染；資源豐富。氫能源缺點(diǎn)：制取成本高，需要大量的電能安全貯運(yùn)問(wèn)題。

3.氫能氫能源優(yōu)點(diǎn):1131）氫能經(jīng)濟(jì)的緣起1、“氫能經(jīng)濟(jì)”提出的背景環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重；資源儲(chǔ)備日漸匱乏；能源安全引起的沖突加劇；1）氫能經(jīng)濟(jì)的緣起1、“氫能經(jīng)濟(jì)”提出的背景環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)1142）氫能經(jīng)濟(jì)的構(gòu)想2）氫能經(jīng)濟(jì)的構(gòu)想115美國(guó)：?jiǎn)?dòng)氫能發(fā)展計(jì)劃生物質(zhì)制氫，太陽(yáng)能制氫歐洲：氫能電動(dòng)汽車．生物質(zhì)制氫，太陽(yáng)能制氫日本：氫能電動(dòng)汽車光生物制氫中國(guó)：氫能電動(dòng)汽車生物質(zhì)制氫，化石燃料制氫0.2L液H2/100km3）各國(guó)的氫能開(kāi)發(fā)計(jì)劃美國(guó)：?jiǎn)?dòng)氫能發(fā)展計(jì)劃0.2L液H2/100km3）各116如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地廉價(jià)制氫？—制氫如何經(jīng)濟(jì)、合理、安全地儲(chǔ)存氫？—儲(chǔ)氫如何高效率、低成本地利用氫？—利用氫

4）氫能技術(shù)的難點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地廉價(jià)制氫？—制氫4）氫能技術(shù)的難點(diǎn)1171.化石燃料制氫—目前主要的制氫方法成熟、廉價(jià)，但資源和環(huán)境問(wèn)題并未解決2.生物質(zhì)為原料制氫光合效率、水土面積、集中和儲(chǔ)運(yùn)成本等問(wèn)題3.水分解制氫

利用光化學(xué)、熱化學(xué)和電化學(xué)方法制氫。然而，太陽(yáng)能的收集、高品質(zhì)熱能和電能的產(chǎn)生方法，都是首先要解決的問(wèn)題。5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介合成氨：50％石油精練：37％甲醇合成：8％全球年產(chǎn)氫：5000億Nm3化石燃料制氫占96%1.化石燃料制氫—目前主要的制氫方法5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介合成氨1184、生物質(zhì)制氫5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介(1)生物質(zhì)能的特點(diǎn)可再生性，生物質(zhì)能通過(guò)植物光合作用再生，可保證其永續(xù)利用；低污染性，生物質(zhì)硫、氮含量低、燃燒生成SO2等較少，生長(zhǎng)時(shí)所需CO2相當(dāng)于排放量，因而CO2凈排放量近似于零，可減輕溫室效應(yīng)；廣泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物質(zhì)能；總量十分豐富，僅次于煤炭、石油和天然氣。4、生物質(zhì)制氫5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介(1)生物質(zhì)能的特點(diǎn)可再119藻類和藍(lán)細(xì)菌光解水；光合細(xì)菌光分解有機(jī)物；有機(jī)物發(fā)酵制氫；光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運(yùn)用生物質(zhì)熱解或氣化制氫。(2)生物制氫技術(shù)藻類和藍(lán)細(xì)菌光解水；(2)生物制氫技術(shù)120(3)生物質(zhì)制氫兩大途徑熱化學(xué)分解過(guò)程包括高溫氣化或中溫?zé)岱纸庖约凹铀纸獾?，先得到含CO和H2的氣體，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣。生物過(guò)程包括:1）厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷為主的氣體然后加工為氫氣；2）利用某些微生物(如綠藻)的代謝功能，通過(guò)光化學(xué)分解反應(yīng)產(chǎn)生氫。熱化學(xué)分解過(guò)程技術(shù)基本成熟，將實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。生物過(guò)程適合做民用燃料，大規(guī)模制氫不經(jīng)濟(jì)，處于基礎(chǔ)研究階段。5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介(3)生物質(zhì)制氫兩大途徑5）制氫技術(shù)簡(jiǎn)介121半導(dǎo)體光催化制氫Z-型體系光催化法懸浮體系光催化法光電化學(xué)體系制氫6）光催化制氫簡(jiǎn)介M.Gratzel,etal,Nature,1991,353:737;Nature,1998,395:583;S.U.M.Khan,etal,Science,2002,297:2243;Z.G.Zou,etal.,Nature,2001,414,625.1、光催化制氫體系半導(dǎo)體光Z-型體系懸浮體系光電化學(xué)6）光催化制氫簡(jiǎn)介M.Gr1222、光催化制氫的關(guān)鍵科技難題新型、高效光催化材料效率低逆反應(yīng)載流子復(fù)合太陽(yáng)光利用率低光量子產(chǎn)率低(約4%)能級(jí)不匹配6）光催化制氫簡(jiǎn)介2、光催化制氫的關(guān)鍵科技難題新型、高效效率低逆反應(yīng)太陽(yáng)光利光123太陽(yáng)光譜圖設(shè)計(jì)在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收半導(dǎo)體材料是高效利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵UVVisibleInfrared48%<5%λ6831.80eVλ4003.07eV2、光催化制氫的關(guān)鍵科技難題光催化制氫簡(jiǎn)介太陽(yáng)光譜圖設(shè)計(jì)在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收半導(dǎo)體材料是高效利用太陽(yáng)能的1244、燃料電池1）燃料電池(FuelCell)的基本原理燃料電池通過(guò)氧與氫結(jié)合成水的簡(jiǎn)單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。燃料電池的基本組成有：電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑。二個(gè)電極被一個(gè)位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開(kāi)。在電極上，催化劑，例如白金，常用來(lái)加速電化學(xué)反應(yīng)。下圖為燃料電池基本原理示意圖。4、燃料電池1）燃料電池(FuelCell)的基本原理功能材料之能源材料教材課件126燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化劑一般是氧氣或空氣，電解質(zhì)可為水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融鹽（NaCO3、K2CO3）、固體聚合物、固體氧化物等。發(fā)電時(shí)，燃料和氧化劑由電池外部分別供給電池的陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開(kāi)，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動(dòng)，電子通過(guò)外電路做功并構(gòu)成電的回路。與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。

燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等1272）燃料電池的分類燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類：

1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

4溶化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)

5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）2）燃料電池的分類燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的1283）燃料電池的現(xiàn)狀目前，使用燃料電池面臨的主要問(wèn)題：1燃料問(wèn)題氧氣可以直接從空氣中獲得，比較省力；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進(jìn)來(lái)，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟(jì)。2安全問(wèn)題氫氣是易燃?xì)怏w，使用時(shí)要防止泄露，爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問(wèn)題。3）燃料電池的現(xiàn)狀目前，使用燃料電池面臨的主要問(wèn)題：1294)燃料電池汽車燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動(dòng)力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的變速箱等動(dòng)力傳動(dòng)裝置。燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。4)燃料電池汽車燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動(dòng)力的電1305）燃料電池汽車的特點(diǎn)1、效率高燃料電池汽車路試時(shí)可以達(dá)到40~50%的效率而普通汽車只有10~16%。燃料電池汽車總效率比混合動(dòng)力汽車也要高。2、環(huán)保燃料電池電動(dòng)汽車僅排放熱和水——高效、環(huán)境友好的清潔汽車。3、可持續(xù)發(fā)展燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對(duì)石油的依存度，超過(guò)警戒線30%，預(yù)計(jì)2020年>60%。5）燃料電池汽車的特點(diǎn)1、效率高1316）燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展在全球溫室效應(yīng)與能源問(wèn)題逐漸受到各國(guó)政府的重視下，主要國(guó)家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對(duì)低污染車輛之需求勢(shì)必增加。因而汽車業(yè)界近年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國(guó)通用、日本豐田和本田等。國(guó)內(nèi)有上海的超越號(hào)，東風(fēng)的楚天一號(hào)。6）燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展在全球溫室效應(yīng)與132通用Hy-wire

氫動(dòng)三號(hào)

由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過(guò)68升的氫氣儲(chǔ)存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動(dòng)機(jī)后，通過(guò)功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里和270公里。通用Hy-wire

氫動(dòng)三號(hào)由200塊133通用Hy-wire氫動(dòng)三號(hào)的電池組通用Hy-wire氫動(dòng)三號(hào)的電池組134

通用汽氫燃料電車Sequel

135奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”。馬達(dá)輸出功率達(dá)100kW以上。充氫壓力為70MPa，持續(xù)行駛距離大約為400km。充電電池是鋰電池，輸出功率為20kW。奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”。馬達(dá)輸出功率達(dá)1