新能源概论-新能源及其材料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,新能源概论,新能源及其材料,新能源概论新能源及其材料,新能源概论,新能源及其材料,能源现状,新能源及其发展现状,能源的概念及分类,新能源和可再生能源,氢能经济及燃料电池技术,氢能技术研发在重庆大学,几点感想,新能源概论能源现状新能源及其发展现状能源的概念及分类,新能源概论,新能源概论,目录,一、能源的概念及分类,二、新能源和可再生能源,三、氢能经济及燃料电池技术,四、氢能技术研发在重庆大学,五、几点感想,目录一、能源的概念及分类,能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式,1.1,能源的概念,石油,煤,天然气,电,能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式 1,按能源的形成方式划分,一次能源,直接来自自然界的未经加工转换的能源，如柴草、煤炭、原油、天然气、核燃料、水力、风力、太阳能、地热能、海洋能等。,二次能源,把一次能源直接或间接转化来的能源称二次能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤气、电力、汽、煤、柴、油、,氢能,等。,1.2,能源的分类,按能源的形成方式划分 1.2 能源的分类,按能源的使用性质划分,含能体能源,指能够提供能量的,物质能源,，其特点是可以保存且可储存运输，如煤炭、石油等。,过程性能源,指能够提供能量的,物质运动形式,，它不能保存、难于储存运输，如太阳能，电能等。,1.2,能源的分类,按能源的使用性质划分 1.2 能源的分类,1.2,能源的分类,按能源可否再生划分,不可再生能源,指随人类的使用而减少的能源，如煤炭、原油、天然气等化石能源,可再生能源,不随着人类使用而逐渐减少的能源,，如水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等非化石能源,1.2 能源的分类按能源可否再生划分,按现阶段使用的成熟程度划分,常规能源,指人类已长期使用，巳在技术上也比较成熟的能源。,新能源,指虽已开发并少量使用，不过技术上还未成熟而没有被普遍使用，但却具有潜在应用价值的能源。,1.2,能源的分类,按现阶段使用的成熟程度划分 1.2 能源的分类,随着技术和经济的发展以及人口的增长，人们对能源的需求越来越大，能源问题也越来越突出。,环境污染,化石燃料的使用带来了严重的环境污染,导致了温室效应的产生和酸雨的形成。,2005,年,2,月,16,日，旨在减排室温气体的,京都协议书,已经正式生效。,能源危机,石油、天然气和煤炭这三种人类使用的主要能源可开采年限，分别只有,40,年、,50,年和,240,年,。目前我国已经有超过,31%,的石油需要进口，而到,2010,年，这一数字将会增长到,45-55%,。,1.3,能源问题,正在开采的油井,随着技术和经济的发展以及人口的增长，人们对能源的需求,2,、我国的能源结构,1,、我国和世界的能源消耗,20%,的能源消耗生产了约,5%,的,GPD,1.3,能源问题,2、我国的能源结构 1、我国和世界的能源消耗1.3,新能源技术,新能源和可再生能源,新能源技术新能源和可再生能源,太阳能,小水电,生物质能,地热能,海洋能,天然气水合物,2,新能源的几种形式,风能,氢能,太阳能小水电生物质能地热能海洋能天然气水合物2 新能源的几,2.1,太阳能,按目前太阳的质量消耗速率计，可维持,610,10,年。所以可以说它是,“,取之不尽，用之不竭,”,的能源。,太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达,1.0510,18,千瓦时（,3.7810,24,J,），相当于,1.310,6,亿吨标准煤。,2.1 太阳能 按目前太阳的质量消耗速率计，可维,1),总量最大,取之不尽，用之不竭（应对能源危机）,2),分布最广,遍布世界各地（应对传统能源的区域差异和贸易壁垒）,3),最清洁,利用过程中不会产生任何污染，也不会产生废弃物（应对环境恶化）,4),能源品位低,需要一定的面积保证（通常认为在不考虑地球大气吸收的情况下，功率是,1.39KW/m,2,）,5),不稳定因素多,多数利用方式受天气状况影响,2.1.1,太阳能特点,1) 总量最大取之不尽，用之不竭（应对能源危机）2.1.,2.1.2,全球太阳能资源分布情况,2.1.2全球太阳能资源分布情况,我国太阳能分布：,太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬,22-35,这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。,2.1.3,我国太阳能资源分布特点,我国太阳能分布：2.1.3 我国太阳能资源分布,光,热,转化,2.1.4,太阳能的利用方式,光,电,转化,光,化,学转化,光热转化2.1.4 太阳能的利用方式光电转化光化,2.1.4,太阳能的利用方式,光热转化,光热转化：,就是把太阳辐射能通过各种集热装置（集热器）转变成热能。主要包括热水器、干燥器、采暖和制冷、太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具；,北京,2008,奥运会的示范工程，中国太阳能第一楼,2.1.4 太阳能的利用方式光热转化光热转化：就是把太阳,平板太阳能热水器,产水量大，利于清洁，热效率高，是与建筑物相结合的首选产品。但不抗冻，环境温度,0,时则不能工作，广泛运用于非结冰地区，国外,90%,以上的用户使用本产品（通过改造的平板热水器可抗严寒）。,真空管太阳能热水器,高硼硅玻璃真空管具有一定的抗冻能力，可在,15,的环境中照常工作。管内走水，易炸裂，时间长了会有水垢积存，影响热效率，,热管太阳能热水器,在普通真空太阳集热管中加上传热导管即可，因为增加了传热介质，热效率有一定损耗。优点是管内无水，永不结垢，适用严寒地区使用。,2.1.4,太阳能的利用方式,光热转化,平板太阳能热水器 产水量大，利于清洁，热效率高，是与建,太阳能热水器与其它热水器使用效益比较表,热水器装置类别,太阳能热水器,燃气热水器,电热水器,装置投资（元）,3000,1000(,含钢瓶,),600,装置寿命（年）,15,6,5,每年燃料动力费（元）,0,810,675,15,年需总费用（元）,3000,15150,11925,2.1.4,太阳能的利用方式,光热转化,太阳能热水器与其它热水器使用效益比较表 热水器装置类别太阳能,2.1.4,太阳能的利用方式,光电转化,光电转化：,就是通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。各种规格类型的太阳电池板和供电系统均属这一类。,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化光电转化：就是通过太,2.1.4,太阳能的利用方式,光电转化,工作原理：,光伏发电是根据光生伏打效应，将太阳光直接转化为电能。,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化工作原理：光伏发电是,2.1.4,太阳能的利用方式,光电转化,光伏材料,特点,结晶硅材料,保持着目前最高的光电转化效率（实验室,24.4%,，,商业,12%16%,），纳米晶硅薄膜光伏电池发展较快，光吸收系数较低，当样品厚度小于,100,m,时，几乎不能吸收,hvE,g,的全部光子。,非晶硅材料,目前较高的多晶硅电池转换效率为,19%,(,德国费莱堡太阳能研究所,),，实为硅氢合金材料，其光学禁带宽度为,1.12-1.7eV,。到目前为止该类光伏电池的光电转化效率还比较低，存在光致退化效应。,铜铟硒光伏材料,最高转换效率已经达到,18.8%(,NREL),，三元化合物半导体，禁带宽度覆盖了最主要的太阳光谱部分。,碲化鎘材料,目前实验室电池的效率达到,16%,，大面积商业模件的效率为,10%,，为多晶材料，晶粒间界增强了光生少数载流子的收集。,有机半导体,光伏材料,光电转化效率已经达到,3%,，主要有酞菁锌,(ZnPc),、甲基卟啉,(TTP),、聚苯胺,(Pam),等。通过适当的化学掺杂可提高电子迁移率，禁带宽度为几个电子伏特。可能在非常低的温度下，以低廉的价格进行大面积的光伏电池制备。,染料敏化纳米晶,TiO,2,材料,光电转化效率达到了,7%,，建立在快速的再生型光电转换过程之上，对于低电阻的电子传输过程来说，对电极上常常会覆盖一层,Pt,催化剂。,在光伏发电中，半导体材料起着关键的作用，目前主要的光伏材料有：,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化光伏材料特点结晶硅材,太阳能发电站,2.1.4,太阳能的利用方式,光电转化,太阳能发电站2.1.4 太阳能的利用方式光电转化,2.1.4,太阳能的利用方式,光电转化,太阳能汽车,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化太阳能汽车,2.1.4,太阳能的利用方式,光电转化,日本通产省,(MITI),第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，,2010,年光伏发电装机容量达到,5GW,欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是,2010,年光伏发电装机容量达到,3GW,美国能源部制定了从,2000,年,1,月,1,日开始的新,5,年国家光伏计划和,2020,2030,年的长期规划，按照预计的发展速度，,2010,年美国光伏发电装机容量达到,4.7GW,澳大利亚计划于,2010,年使光伏发电的装机容量达到,0.75GW,2.1.4 太阳能的利用方式光电转化日本通产省(MITI,2.1.4,太阳能的利用方式,光化学转化,光化学转化：,就是用光和物质相互作用引起化学变化的过程。这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢、利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等。,2.1.4太阳能的利用方式光化学转化光化学转化：就是用光,2.2,生物质能,生物质能是指绿色植物通过光合用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达,2x10,11,t,，含能量达,3x10,21,J,，因此,每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能,，相当于,全世界每年耗能量的,10,倍,。,2.2 生物质能 生物质能是指绿色植物通过光合用,2.2.1,生物质能的特点,优点：,燃烧容易，污染少，灰分较低。,缺点：,热值及热效率低，体积大而不易运输，直接燃烧生物质的热效率仅为,10,一,30,。,2.2.1 生物质能的特点优点：燃烧容易，污染少，灰分较低。,2.2.2,生物质能种类,生物质能通常包括以下几个方面：,1,）木材及森林工业废弃物；,2,）农业废弃物；,3,）水生植物；,4,）油料植物；,5,）城市和工业有机废弃物；,6,）动物粪便。,2.2.2 生物质能种类生物质能通常包括以下几个方面：,2.2.3,生物质能的利用,直接燃烧,农牧民学习使用节柴灶,生物质的直接燃烧在今后相当长的时期内仍将是我国农村生物质能利用的主要方式。推广热效率可达,20%,30%,的节柴灶这种技术已被国家列为农村能源建设的重点任务之一。,2.2.3 生物质能的利用直接燃烧,物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂解技术等。可以把生物质转变成热值较高的可燃气、固定碳、木焦油及木醋液等物质。可燃气含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃气或工业用气。,2.2.3,生物质能的利用,物化转化,秸杆发电,物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂,2.2.3,生物质能的利用,生化转化,生化转化主要包括厌氧消化技术和酶技术。厌氧消化是利用厌氧微生物的生长代谢过程将生物质转化为,CH,4,等可燃气体，同时得到厌氧发酵液、渣等厌氧发酵残留物，用作农田肥料，效果很好。 酶技术是利用微生物体内的酶分解生物质，生产液体燃料，如乙醇、甲醇等。,2.2.3 生物质能的利用生化转化 生化转,2.2.4,生物质能的发展前景,表,1 2003,年我国生物质能开发利用量,从资源和技术（包括技术的经济性）两方面看，利用生物质能发电和生产生物燃油在我国有广阔的发展前景，将为满足我国的电力需求、石油需求起到重要作用，而且具有良好的经济、环境和社会效益。,2.2.4 生物质能的发展前景表 1 2003年我国生物质,2.3,风能,风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量。,太阳能在地面上约,2,转变为风能,，全球风力用于发电功率可达,11.3,万亿,kW,。,2.3 风能 风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均,2.3.1,风能的特点,风能的优点：,蕴藏量大、分布广泛,无污染、可再生,适应性强、发展潜力大,风能的限制性：,能量密度低，只有水力的,l,8l6,不稳定性，气流瞬息万变,地区差异大,2.3.1 风能的特点风能的优点：风能的限制性：,资源丰富区有山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城、阿拉山口，河西走 廊，松花江下游，张家口北部等地，以及分布各地的高山山口和山顶。,2.3.2,我国风能的分布,资源丰富区有山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛,利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。,2.3.3,风能的利用,利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。2.3.3 风能,不同能源发电成本,2.3.3,风能的利用,不同能源发电成本2.3.3 风能的利用,2.3.3,风能的利用,国家,累计装机,2002-2003,增长速度,(%),3,年平均增长速度,(%),2001,年底,2002,年底,2003,年底,德国,8734,11968,14612,22.1,33.8,美国,4245,4674,6361,36.1,34.6,西班牙,3550,5043,6420,27.3,31.3,丹麦,2456,2880,3076,6.8,9.5,印度,1456,1702,2125,24.9,20.3,意大利,700,806,922,14.4,29.5,英国,525,570,759,33.1,21.3,荷兰,523,727,938,29.0,25.6,中国,406,473,571,20.7,17.5,日本,357,486,761,56.6,75.1,世界前,10,名,22957,29329,36545,24.6,29.2,世界总计,24927,32037,40301,25.6,29.2,世界风电市场前,10,名国家的风电发展增速统计,2.3.3 风能的利用国家累计装机2002-2003增长速度,经过多年的努力，截至,2002,年底，我国风力发电的装机容量已经达到了,46.85,万千瓦（不包括台湾地区）。,2.3.4,我国风能的发展现状,我国大型风电机组历年总装机容量图,经过多年的努力，截至2002年底，我国风力发,2.4,小水电,所谓小水电，通常是指电站总容量在,5,万,kW,以下的小型水电站及与其相配套的小电网的统称。小水电的开发方式，按照集中水头的办法，可分为引水式、堤坝式和混合式三类。,2.4 小水电 所谓小水电，通常是指电站总容量在5 万,2.4.1,小水电的特点,工程简单、建设工期短，一次基建投资小，水库的淹没损失、移民、环境和生态等方面的综合影响甚小。而且小水电接近用户，输变电设备简单、线路输电损耗小，水电发电的效率为同等规模的热电站的两倍以上。,2.4.1 小水电的特点 工程简单、建设工期短，一次基建,2.4.2,小水电资源分布,2.4.2 小水电资源分布,按有利情况估计,(MW),地区,1990,年,2000,年,2005,年,2010,年,2020,年,北美洲,4302 6829 8604 9849 12906,拉丁美洲,1113 2125 2937 3839 6557,西欧,7231 11478 14462 16555 21692,东欧及独联体,2296 3645 4592 5257 6889,中东及北非洲,45 86 119 156 266,次撒哈拉非洲,181 345 477 624 1065,太平洋,102 162 204 234 306,中国,3890 7428 10264 13415 22915,亚洲,343 655 905 1183 2021,合计,19503 32753 42564 51112 74616,注：包括小于,10MW,的水电站,2.4.3,小水电资源发展预测,按有利情况估计(MW)地区,2.4.4,小水电发展前景,我国蕴藏着极其丰富的水力资源，全国水力资源理论蕴藏时为,6.8,亿千瓦，年电能,5.9,万亿度，占目前世界电力需求量,15,万亿度的,1/3,，可开发资源的装机容量为,3.78,亿千瓦，年电能,1.92,万亿度，适于建造小水电站的河流很多。随着小水电在我国的迅速发展，必将成为农村和边远山区发电的主力。,2.4.4 小水电发展前景 我国蕴藏着极其丰富的水力,2.5,地热能,地热能是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量,。,2.5 地热能 地热能是指在当前技术经济和地质环境,2.5.1,地热能的分类,地热能按赋存形式可分为水热型（又分为干蒸汽型、湿蒸汽型和热水型）、地压型、干热岩型和岩浆型四大类；,按温度高低可分为高温型（,150,）、中温型（,90,149,）和低温型（,89,）。,阿里地区地热田,冰岛地热,2.5.1 地热能的分类 地热能按赋存形式可分为,2.5.2,地热能的分布,就全球来说，地热资源的分布是不平衡的。明显的地温梯度每公里深度大于,30,的地热异常区，主要分布在板块生长、开裂,-,大洋扩张脊和板块碰撞，衰亡,-,消减带部位。环球性的地热带主要有下列,4,个：,1,）环太平洋地热带,2,）地中海一喜马拉雅地热带,3,）大西洋中脊地热带,4,）红海一亚丁湾一东非裂谷地热带,2.5.2 地热能的分布 就全球来说，地热资源的分布是,从直接利用地热的规模来说，最常用的是地,热水淋浴，占总利用量的,1/3,以上，其次是,地热水养殖和种植约占,20%,，地热,采暖约占,13%,，地热能,工业利用约占,2%,。据美国地热资源委员会（,GRC,）,1990,年的调查，世界上,18,个国家有地热发电，总装机容量,5827.55,兆瓦，装机容量在,100,兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。,2.5.3,地热能的开发,从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋,西藏羊八井地热电站,我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。,2.5.4,我国地热能的开发,西藏羊八井地热电站 我国的地热资源也很丰富，但,2.6,海洋能,海洋能是指海水在运动过程中产生的能为人类利用的能量，,理论能量总量约为,766,亿千瓦,，是名副其实的,“,蓝色煤海,”,。,2.6 海洋能 海洋能是指海水在运动过程中产生的,2.6.1,海洋能的分类,按其成因可分为：,潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。,按其储存形式可分为：,机械能（潮汐能、波浪能和海流能）、热能（海水温差能）和化学能（海水盐差能）,2.6.1 海洋能的分类按其成因可分为：,浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。,法国朗斯电站,2.6.2,海洋能的利用,海洋能最主要的利用方式就是发电。全球仅可利用的潮汐能就达,30,亿千瓦，年发电量约为,26,万亿度，这比目前世界上全部的水力发电量大一倍。,全世界潮汐电站的总装机容量为,265,兆瓦，中国为,5.64,兆瓦，,浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。法国朗斯电站,2.7,天然气水合物,水合物立方笼型结构图,天然气水合物,(Natural Gas Hydrates),是在一定条件下由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质,(,可燃冰,),，它是一种非化学计量笼形物，为超分子结构，具有很强的吸附,(,浓缩,),气体能力，单位体积的水合物可含,164,倍同单位的气体，分子量小，成分不稳定，除,以甲烷气体为主外，还含有乙、丙、丁烷多种气体,。,2.7 天然气水合物 水合物立方笼型结构图 天,2.7.1,天然气水合物资源分布,分布在陆地上气水合物最大地质储量为,5,310,11,吨，其,主要存在于永久冻土带,。分布于海洋中的水合物最大地质储量为,1,6110,14,吨，其主要分布在大陆架斜坡带、洋中脊、海沟和海岭等。,天然气水合物资源分布图,天然气水合物勘探,2.7.1 天然气水合物资源分布 分布在陆地上气水,2.7.1,天然气水合物资源分布,可燃矿物,可产储量,(10,亿吨计,),最大地质储量,(10,亿吨计,),煤和褐煤,9000,15800,常规天然气藏,280,330,常规石油藏,415,1180,石油,-,39500,陆上水合物藏,53,530,海洋水合物藏,11300,161000,漂浮气能,500,-,地球可燃矿产资源,天然气水合物中的有机碳占全球有机碳的,53.3,，而煤、石油和天然气三者总和才占到,26.6,。,2.7.1 天然气水合物资源分布可燃矿物 可产储量(10亿吨,2.7.2,天然气水合物勘探与开采,有人提出通过向水合物层压入含有促进分解的化学试剂的热流体，促进水合物分解，并且在收集天然气的同时将,CO,2,气体压入水合物层，生成,CO,2,水合物，既能维持地层的稳定，又减少了大气中的温室气体，但该方法的可行性还有待进一步考证。,天然气水合物至今还没有完美的开采方案。,热解法,和,降压法,可利用高温或核辐射效应使天然气水合物由固态分解出,CH,4,，但如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。,置换法,是将,CO,2,液化， 注入,1500m,以下的洋面以生成,CO,2,水合物，从而将,CH,4,置换出来。 但,CH,4,的温室效应比,CO,2,要强,21,倍，因此全球温室效应将迅速加剧。,2.7.2 天然气水合物勘探与开采 有人提出通过,资源丰富的南海,一项针对南海北部的勘测显示，那里的天然气水合物,可燃冰储量达到我国陆上石油总量的一半左右，这些可燃冰有望在,2015,年进行试开采。,2.7.2,天然气水合物勘探与开采,资源丰富的南海 一项针对南海北部的勘测显示，那里,新能源及其新材料,新能源及其新材料,目录,能源现状,新能源及其发展现状,目录能源现状新能源及其发展现状,能源分类,能源分类,一次能源,二次能源,(,经转换或提炼,）,可再生能源,非再生能源,风能，水能，太阳能，地热，海洋能，生物能,化石燃料（煤，石油，天然气）,铀,电能，氢能，汽油，柴油等,能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换或提炼）可再生能源非,(1),人类社会对能源的需求不断增加。,能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。,人类社会的发展伴随着,能源消耗,的增加。,能源应用现状,表1 世界一次能源消费的增长率,(1) 人类社会对能源的需求不断增加。能源应用现状表1,(2),能源结构发生变化。,表2 世界一次商品能源构成,(2)能源结构发生变化。表2 世界一次商品能源构成,(3),能源应用形态有所改变。,小型的,可移动电源,的需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。,(3) 能源应用形态有所改变。 小型的,(4),矿物能源面临枯竭。,（1992世界能源大会）,石油,/,年,天然气,/,年,煤,/,年,铀,/,年,世界,49,57,262,60,中国,23,61,102,30,(4) 矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）石油/年天,(5),矿物燃烧造成环境污染。,（,SO,2,、CO、CO,2,、NO,） （植被、土壤；气候；健康）,图2 世界,CO,2,排放量随时间的变化,(5) 矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO）,(6),新能源的开发不断取得进展,太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。,新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统，另一方面靠,材料的开发与应用,，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。,(6) 新能源的开发不断取得进展,(7),新材料的几个作用：,新材料把原来习用已久的能源变为新能源。,如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。,一些新材料可提高储能和能力转化效果,如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。,(7) 新材料的几个作用：新材料把原来习用已久的能源变为,新材料决定着核反应堆的性能与安全性。,材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。,如：,太阳电池材料决定着光电转换效率；,燃料电池的电极材料决定着电池的质量和,寿命；,材料的制备工艺又决定着能源的成本。,新材料决定着核反应堆的性能与安全性。,(8),能源材料的概念及分类,广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。,新能源材料如增殖堆用核材料、太阳能电池材料,节能材料如非晶态金属磁性，超导材料。,储能材料如贮氢（吸氢）材料，,高比能电池材料,(8) 能源材料的概念及分类 广义上，凡,能源现状与发展问题,1.,可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到,3%,2.,石油、煤和天然气占初级 能源消耗的,85%,左右,3.,其余主要是火电和水电,据可靠资料报道，到,2020,年，我国能源的消费比例除了利用石油、煤和天然气以及水电外，风能的消费比例要占到,10%,，核能的消费要占到,3%,。,各种能源的消费比例图,能源现状与发展问题1.可再生清洁能源如风能、太阳能等所占,我国石油产品需求预测,2010,年，万吨,2020,年，万吨,汽、煤、柴油,17750-18900,21700-28800,润滑油,520-560,560-770,燃料油,2900,2700,化工用油,4700-5600,7200-8700,其它,5400-5500,6600-6700,石油产品合计,31300-33500,38800-47700,国内石油需求,3.3-3.5,亿吨,4.1-5.0,亿吨,其它：,LPG,、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等,2004,年我国汽柴油消耗分别达,4706,万吨和,10292,万吨,(,合计,1.5,亿吨,),我国石油产品需求预测2010年，万吨2020年，万吨汽、煤,无穷大,约,45,年,约,15,约,61,年,约,30,约,230,年,约,81,约,71,年,约,50,我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较,摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战” 论文集,2004,年,4,月,8,日， 北京,P8,0,50,100,150,200,250,300,太阳能,石油,天然气,煤,铀,世界,中国,无穷大约45年约15 约61年约30约230年约81约71年,二氧化碳是化石能源的最终排放形态,化石能源及其现状,表,3,全球各国,CO2,排放量比较排行,二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状表3 全球各,汽车油耗占汽柴油诮费的比例,(2002),耗油量，万吨,占消费量，,%,汽油车,2825,75.5,柴油车,1888,24.2,交通运输用油约占石油消耗的,40%,汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002)耗油量，万吨占消费量,2020,年,原油需求控制在,4.5,亿吨，至少进口,2.5,亿吨，对外依存度,65%,汽车保有量应控制在,1,亿辆,(,现有,2400,万辆,),2004,年，产量,500,万辆，到,2010,年预计汽车年产量达到,800,到,1000,万辆,2020年 原油需求控制在4.5亿吨，至少进口2.5,在北京、上海等大城市，空气污染的,60%,来自汽车排放,二氧化碳的全球排放量中，中国居,第二,在北京、上海等大城市，空气污染的60%来自汽车排放,2010,550 ppm,从左图大气,CO,2,浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出：,很明显，近,20,年来，,CO,2,的浓度上升迅速非常迅速，,2010,年将接近,550ppm,。,而且，主要分布在,美国和中国,所在的,北半球,高纬度,60-80,度处,。,2010550 ppm 从左图大气CO2浓度随,CO,2,大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！,CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！,“,温室效应”使地球变暖带来的严重后果,A,、根据,IPCC,的预测，,2050,年地球的平均气温将增加,2.51 ,B,、专家认为：近,100,年来，全球年平均气温上升了,0.6,。预计到,2100,年，全球年平均气温将比,1990,年上升,1.5,3.5,C,、美国皮尤全球气候变化研究中心发表的一份报告估计，到,2100,年全球气温将升高,1.3-4.6,摄氏度，并导致海平面升高,17-99,厘米。,D,、全球森林面积迅速下降，现有森林已无法吸收各国所排放的二氧化碳，已使大气层中二氧化碳含量迅速增加，整个气候状况已经进入恶性循环状态。,E,、气候变暖有可能导致极地冰帽迅速融化，进而使海平面上升，引发大规模洪水。在地球历史上发生于,15,万年前的冰川期则只是因为在,2,万年内地球气温升高,5,所造成的。,温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石,流等“非常事件”将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，衡,量气候变化的“非常事件指数”（,Extrenme Event lndex,）不断攀,高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。,G.,温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重,“温室效应”使地球变暖带来的严重后果,化石能源及其现状,应对气候变化的国际行动,为应对全球气候变化，国际社会制定了,联合国气候变化框架公约,和,京都议定书,。许多国家和非政府组织相应建立了碳基金，并以此为平台开展减排和碳汇项目。以实际行动参与应对气候变化,联合国气候变化框架公约,化石能源及其现状 应对气候变化的国际行动 联合国气候变化框,新能源及其发展现状,新能源及其发展现状,美国和欧洲各国在,1974-1975,年和,1979-1982,年爆发了两次特能源危机,不依赖石油的电动汽车自然再次成为研究的热点,美国和欧洲各国在1974-1975年和1979-1982年爆,新能源概论-新能源及其材料课件,新能源概论-新能源及其材料课件,锂离子电池的特点,高比能量,(180-200Wh/Kg),长循环寿命,(500-,1000,次,),高电压,(,3.6V,),低自放电,(,6-8%/,月,),无记忆效应,绿色能源,锂离子电池的特点高比能量 (180-200Wh/Kg),不断涌现的电子新产品需要,性能更优,的,电源,如：,Apple,公司出品,iPod photo,播放音乐最长达,15,小时；,播放有音乐的幻灯片最长达,5,小时,APPLE,的,iBook,需用容量为,: 3300 mAh,，,10.8 V,的锂离子电池,市场期待己久的电动车需要,功率更大,的,电池,，因而出现了,第二代的锂离子电池,不断涌现的电子新产品需要性能更优的电源,第二代锂离子电池的特征：,大容量、高电压、长寿命、低价格,第二代锂离子电池的,R,以美囯能源部车用技术办公室支持的“先进运输用电池”项目（,BATT,）代表,第二代锂离子电池的特征：,一、第二代锂离子电池,寿命达,10,年,；,10,年内容量衰退,170wh/kg,；,比功率,300w/kg,；,成本,150$/kwh20k/,年,(,即每年每,20k,单元的价格,200A,；,充放电速度快,循环寿命长,维护简单,电池,+,超级电容器：可提供高的电能量和电功率，满足电动汽车启动、加速、爬坡、制动之大功率需求,电容量比传统电容器大20200倍；,超级电容器产品的性能,与主要应用领域,电动车用,小型储能,超级电容器产品的性能与主要应用领域电动车用小型储能,动力型超级电容器,牵引型超级电容器,动力型超级电容器 牵引型超级电容器,根据电极材料命名有：,碳电极电化学电容器：,电极材料：活性碳，碳基聚合物，碳纳米材料；,电解质：,H,2,SO,4,水溶液 或,有机电解质 或,含有四烃基氨盐的固体电解质（其比,表面积达,1000m,2,/g,）,双电层间距离：,2,3A,；,贮存容量：,200,500F/g,；,产品电容器的比功率密度；,4000 W/kg,根据电极材料命名有：,C,电极表面双电层形成示意图,碳电极材料主要通过,吸附,电解液中的离子在电极表面形成,双电层,来完成储能过程,C电极表面双电层形成示意图碳电极材料主要通过吸附电解液,二、,超级电容器,2.,贵金属氧化物电极电化学器,电极材料：,RuO,2,，,IrO,2,等,优点：由于,RuO,2,电极的导电率比碳大,2,个数量级，在电解质,H,2,SO,4,中稳定，电容器有更高的比能量，发展前景更好,二、超级电容器2. 贵金属氧化物电极电化学器,导电聚合物电极电化学电容器：,电极材料：可进行,n,型掺杂的导电聚合物，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。,优点：它比贵金属电化学电容器性能更优良,研制全固体电化学电容器是今后,R+D,的重要课题,导电聚合物电极电化学电容器：,成品电容器,近期目标,远期目标,能量密度,5Wh/kg,15Wh/kg,功率密度,500w/kg,1500w/kg,能量,(Wh),500,750,重量,(kg),100,50,美国能源部,提出的近期和长远发展目标,成品电容器近期目标远期目标能量密度5Wh/kg15Wh,超级电容器研究的几个方向,进一步提高超级电容器的,能量密度,和,功率密度,降低,成本,特别是降低电极材料的成本,提高电容器的,可靠性,，延长,循环寿命,超级电容器研究的几个方向进一步提高超级电容器的能量密度和,太阳能：,最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不竭；,地面上，晴天，每平方米植物表面可接受,1000W,能量,太阳能：,2000,年以来美国推出了,“,国家光伏计划,”,日本的,“,阳光计划,”,欧洲的,“,尤里卡高科技计划,”,;,日韩欧合作建设全球规模最大的太阳能发电站,;,欧洲五家,PV,制造公司对日本五家公司展开激烈竞争,促进了,PV,的,R&D,、生产、应用迅猛发展,;,太阳光能利用是近年来发展最快、最具活力的领域,2000年以来美国推出了“国家光伏计划”,日本的“阳光计划”,太阳能公寓,太阳能公寓,太阳能的利用,太阳能的应用研究,美国、日本和德国等欧洲国家开展的比较早,目前在光热转换、光电技术方面的研究较为成熟,太阳能科技发展的两大趋势,:,一是光与电结合,二是太阳能与建筑的结合。太阳能应用途径有光热转换、光电转换和光化学转换三种方式,太阳能的利用太阳能的应用研究, 美国、日本和德国等欧洲国家开,三、,第三代高效,太阳能电池、光电容器,大面积太阳能电池板,(,发电站用,),三、第三代高效太阳能电池、光电容器大面积太阳能电池板(发电站,美国,“,太阳神,”,号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，效率达到,23 %,美国“太阳神” 号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，效率达,美国宇航局探测器用,PV,装置,美国宇航局探测器用PV装置,第一代,太阳能电池采用,单晶硅,技术制备，转换效率,1523%,，,性能稳定、价格贵,第二代,太阳能电池采用,多晶硅薄膜,技术制备，转换效率,1019%,，材料省，成本较低,第三代,太阳能电池,以两类太阳能电池为典型：,1,、以先进薄膜技术为基础制备的,非晶硅薄膜叠层,太阳能电池，转换效率高，最高,35%,，可大面积沉积，成本低，重量轻；,2,、,有机半导体,太阳能电池，转换效率不高约,2,5%,，但价格低，可以用喷涂和印刷方式大规模生产, 第一代 太阳能电池采用单晶硅技术制备，转换效率,有机半导体材料,常用的主要是,小分子材料,和,高分子聚合物,材料,宽的,吸收系数,和较大的,光激发系数,电子,-,空穴对的,扩散长度,和光吸收薄膜的厚度相当,光激发电子,-,空穴对能广,有效分离,较好的,电子,-,空穴迁移能力,，在电极上能有效的,收集,主要特点：,有机半导体材料 宽的吸收系数和较大的光激发系数 主要特点：,与风能、太阳能等可再生能源发电系统 配套使用，使其,稳定供电,火力发电及核电站的,电网调峰,，特别适合直流用电大户储存“谷电”,用作自然灾害、战争等非常时期,应急电源,，重要军事基地的,备用电站,设计成,代替,铅酸蓄电池用做潜艇潜航的,动力电源,液流储能系统的应用领域,风能 太阳能,稳定供电,火电 核电,电网调峰,应急、替代电源,液流储能装置,与风能、太阳能等可再生能源发电系统 配套使用，使其稳定供电,钒液流电池的特性,钒液流电池利用钒有,5+,、,4+,、,3+,和,2+,多种,价 态，可形成相邻价态的电对的特点，以不同价态的钒离子溶液为正、负极活性物质来组成化学电源，电池内部通过,+,导电，标准电位差约为,1.25,.,正极,由,5+,/,4+,电对组成,:,负极由,3+,/,2+,电对组成,:,反应原理示意图,钒液流电池的特性钒液流电池利用钒有5+、4+、3+和,钒液流电池应用领域,全钒液流电池应用领域示意图,电源调峰,不间断电源,应急电源系统,边缘地区储能系统,大规摸的光电转换系统,风能发电系统,钒液流电池应用领域全钒液流电池应用领域示意图电源调峰边缘地,钒液流电池应用领域,钒液流电池的应用对我们国家,边缘地区,的电力扶贫以及基本建设有着举足轻重的意义：,位于,内蒙古、新疆、西藏、青海、甘肃,等中西部地区的散居农牧民由于远离电网和居住分散，难以通过延伸电网供电。,浙江、山东、福建、江苏、广东、海南,等,省的沿海岛屿,据粗略统计，这些地区共有约,一亿人口,尚未解决可靠供电问题,钒液流电池应用领域钒液流电池的应用对我们国家边缘地区的电力,电池系统组装,设计灵活,，,易于模块组合,活性物质以液体状态贮存于电堆外的储液罐中，,电池容量取决于外部活,性物质浓度和容量多少；,功率输出和能量储存是相互,独立,的。,充,/,放电可通过 简单增加电解液,体积,来实现,钒液流电池具有的特征,电池系统组装设计灵活，易于模块组合活性物质以液体状态贮存于电,钒液流电池具有的特征,电池系统,易于维护，安全稳定,电池的反应不存在固相反应，容易保证电堆的一致性和均匀性,电池的电解液均置于相同的储液罐中，两个电池的放电状态是相同的,其工作温度为室温条件，系统安全稳定,钒液流电池具有的特征 电池系统易于维护，安全稳定电池的反应不,完,完,