《化學(xué)能源與太陽能》PPT課件.ppt

1、1,化學(xué)與社會 Chemistry and Society,化學(xué)化工系,2,第十四講 化學(xué)電源與太陽能,3,能源分類,一次能源,二次能源,常規(guī)能源,新能源,煤制品洗煤，焦炭，煤氣,石油制品汽油，煤油，柴油 燃料油，液化石油氣,電力，氫能，余熱，沼氣，蒸氣等,可再生能源水能,非再生能源如煤炭，石油 天然氣，核裂變?nèi)剂?可再生能源太陽能， 風(fēng)能，生物質(zhì)能,非再生能源核聚變?nèi)剂?油頁巖，油砂,4,主要內(nèi)容,5,14.1.1 化學(xué)能源概況,化學(xué)能源：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，俗稱電池 電化學(xué)研究對象主要有：,電子導(dǎo)電回路,電解池回路,原電池回路,6,A. Volta (伏特）1745-1827,Vol

2、ta Pile(1799),14.1.2 電化學(xué)科學(xué)的簡史 (Simplified history of electrochemistry),7,8,1799年 Volta 電堆發(fā)明,1800年 Nichoson、Carlisle用Volta電堆電解水,1826年 發(fā)現(xiàn)Ohm定律,1833年 發(fā)現(xiàn)Faraday定律,1870年 Helmhotz提出雙電層理論,1887年 Arrhenius 電離學(xué)說,1889年 Nernst提出電極電位公式,1905年 Tafel氫超電勢半經(jīng)驗公式,1940年代 動力學(xué)方法研究雙電層，電極過程動力學(xué),1960年代 以后 量子電化學(xué),9,14.1.3 電化學(xué)科學(xué)

3、的在實際生活中的應(yīng)用 (Application of electrochemistry in life),A. 電化學(xué)工業(yè),氯堿工業(yè)：,電解水制氫氣和氧氣,濕法冶金：堿金屬堿土金屬,電鍍以及電解加工,10,B. 化學(xué)電源,Zn(s)|ZnSO4|HCl|AgCl(s) | Ag(s),凈反應(yīng),11,C. 金屬腐蝕與防護,電化學(xué)腐蝕示意圖,鋼材因腐蝕消耗占年產(chǎn)1/3左右,美國1982年用于腐蝕和防腐的費用為1260億美元,發(fā)達國家每年用于防腐的費用占國民經(jīng)濟4%左右,12,構(gòu)成化學(xué)電源的要素,化學(xué)反應(yīng)必須有電子得失，即氧化還原反應(yīng),所產(chǎn)生電流必須通過外電路做功,化學(xué)電源的評價指標(biāo),電容量,比功率

4、,自放電率,開路與工作電壓,13,容量,電池的容量指在給定的放電條件下，電池初始放電至終止電壓時所放出的電量。 單位：安時（Ah）也稱額定容量。 1Ah表示用1安培 的電流放電1小時。,干電池的容量常用恒定負載的電阻放電到規(guī)定終止電壓的時間表示。 電池的容量性能用單位體積的容量或單位質(zhì)量的容量（即比容量）來表示。,提高活性物質(zhì)的利用率必須增大或新股遏制的表面積，使之在放電過程中不鈍化,14,獲得1Ah電量所需的活性物質(zhì)質(zhì)量,15,自放電,定義：化學(xué)電源在不對外輸出電流的情況下消耗活性物質(zhì)的現(xiàn)象,原因：活性物質(zhì)內(nèi)與電解質(zhì)中的雜質(zhì)使電池內(nèi)形成局部電池，局部電池造成電池內(nèi)部短路，促進腐蝕，引起自放電

5、,例如：鋅錳干電池 電池負極 Zn Zn2+ + 2e 同時 2H+ + 2e H2 凈反應(yīng) Zn + 2H+ H2 + Zn2+,16,二次電池充放電,電池反應(yīng)是可逆的，沒有副反應(yīng)發(fā)生，充電時歐姆電阻小，極化小,在水溶液電解質(zhì)的電池中，正極和負極上的氧過電位和氫過電位高，充電時，水的電解反應(yīng)難于進行,充放電能量轉(zhuǎn)換是可逆的，活性物質(zhì)的狀態(tài)能夠很好的再生,17,電池的效率,A、效率的表示方法,電池總效率： 0 = ivf,i = G/H 100% 最大熱效率 v = V/E 100% 電壓效率 f = I/Im 100% 法拉第電流效率,18,B、功率與電流密度的關(guān)系,電池輸出功率（P）： P

6、 = VI I = S j,S為電極的面積,低電流密度下，j 0， P = 0,高的極限電流密度下，E 0，P = 0,19,電池,14.1.4. 電池類型,利用物質(zhì)的物理變化或化學(xué)變化，并把這些化學(xué)變化釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置,物理電池：,把物理反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。如太陽能電池、原子能電池等,化學(xué)電池,把化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。,20,電池分類,21,化學(xué)電池的組成,14.1.5. 化學(xué)電池的反應(yīng),正極、負極、電解質(zhì)。 其中電解質(zhì)可以是酸性水溶液、堿性水溶液或各種鹽類的中性水溶液，也有部分非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì),負極： N1 N2 + ne,化學(xué)電池

7、反應(yīng),正極： P1 + ne P2,凈反應(yīng)： P1 + N1 N2 + P2,22,一次電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⑤敵龅难b置，一旦化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽筒荒芡ㄟ^該裝置將電能再轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，即化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。,一次電池分類,干電池,濕電池,注液電池,糊狀干電池,紙板干電池,堿性干電池,14.2. 一次電池,23,各種干電池性能比較,24,14.2.1. 錳干電池,25,電池表示： (-)Zn | NH4Cl + ZnCl2混合溶液(淀粉糊化) | MnO2 + C(+),在中性介質(zhì)中：NH4ClZnCl2 以NH4Cl為主： Zn22NH4ClZn(NH3)2Cl22H 以ZnCl2為主： 4

8、 Zn29 H2O ZnCl2ZnCl24ZnO5H2OH,26,14.2.2.堿錳電池,電池表示： (-)Zn(鋅汞齊) | NaOH或KOH(30%40%)水溶液 + ZnO | MnO2 + C(+),在堿性介質(zhì)中：KOH溶液 Zn22OHZn(OH)2 ZnOH2O Zn(OH)22KOHK2ZnO22 H2O 或 ZnO2 KOHK2ZnO2H2O,27,14.2.3.銀鋅電池,電池表示： (-)Zn| KOH | Ag2O, AgO(+) 1883年經(jīng)Clarke改裝推出，1941年Henry采用玻璃紙隔膜，4050%KOH做電解液制得,電極反應(yīng)及電池反應(yīng) 正極 Ag2O + H2

9、O + 2e 2Ag + 2OH- 負極 Zn + 2OH- ZnO + H2O + 2e 總反應(yīng) Zn + Ag2O Ag + ZnO,28,14.2.4.燃料電池,負極： H2 + 2OH- 2H2O + 2e,正極： O2 +H2O +2e 2OH-,凈反應(yīng)： H2 + O2 H2O,E = E + RT/nF ln (a2H2O/p2H2 pO2) G = -nFE,29,特點,a、能量轉(zhuǎn)變化效率高,汽油柴油發(fā)電機：3540%,太陽能轉(zhuǎn)換裝置：1535%,核能轉(zhuǎn)換裝置：理論60%，實際1%,燃料電池：理論80%，實際6070%,2001年我國單機6000千瓦及以上電廠熱效率僅為35.0

10、9,30,澳新型聚光太陽能光伏發(fā)電裝置光電轉(zhuǎn)換率達35%(圖) 據(jù)俄羅斯媒體11月4日報道，澳大利亞的“綠金能源”公司日前推出了其研制的最新型太陽能發(fā)電裝置“太陽球”。 太陽能電池板是一種非常誘人的電能生產(chǎn)裝置，但它們同時也具有明顯的缺陷：相對便宜的太陽能電池板往往效率很低，無法生產(chǎn)出足夠的電能；而高效的太陽 能電池板卻又十分昂貴，無法在普通消費者中推廣?！熬G金能源”公司研制的“太陽球”很好地解決了這一問題它可為那些生活在山區(qū)的居民提供充足且廉價的 電能。據(jù)介紹，“太陽球”使用的光電轉(zhuǎn)換裝置的工作效率高達35%，并且其面積只有約1平方厘米。 “太陽球”的表面是一片直徑為1.13米的由丙烯酸酯制

11、成的凸透鏡。它可將陽光“濃縮”500倍后再投放到光電轉(zhuǎn)換器上。整套設(shè)備都被安裝在了一個鋁 制支架上，以便及時地為太陽能電池板降溫。此外，“太陽球”上還配備有一套雙坐標(biāo)驅(qū)動設(shè)備，能夠跟蹤太陽的運動并調(diào)整透鏡的朝向。即使考慮到陽光在通過透 鏡時的損失，這套裝置將光轉(zhuǎn)換為電能的效率仍可達到33%。測試表明，在晴朗的日子里一部“太陽球”的發(fā)電功率可以達到330瓦，換句話說，它每天平均可“收集”超過3度的電能。 預(yù)計這種新型的太陽能發(fā)電裝置將在2006年2月份投放市場，零售價初步定為1190美元。同年6月份，該產(chǎn)品還將實現(xiàn)出口。“太陽球”的研制者表示，如果考慮到每平方米太陽能電池板74000美元的高昂價

12、格，1190美元的售價可以說是相當(dāng)?shù)牧畠r了。 聚光太陽電池是降低太陽電池利用總成本的一種措施。它通過聚光器而使較大面積的陽光會聚在一個較小的范圍內(nèi)，形成焦斑或焦帶，并將太陽電池置 于這種焦斑或焦帶上，以增加光強，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多的電能輸出。因此，首先要考慮聚光器的結(jié)構(gòu)、跟蹤裝置和散熱措施。 通常聚光器的倍率大于幾十，其結(jié)構(gòu)可采用反射式或透鏡式。反射式有槽形平面聚光器和拋物面聚光器；透鏡式則多選用菲涅耳透鏡。聚光器的跟蹤一般用光電自動跟蹤。散熱方式可以是氣冷或水冷，有的與熱水器結(jié)合，既獲得電能，又得到熱水。 用于聚光太陽電池的單體，與普通太陽電池略有不同，因需耐高倍率的

13、太陽輻射，特別是在較高溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能要得到保證，故在半導(dǎo)體材料選擇、電池 結(jié)構(gòu)和柵線設(shè)計等方面都要進行一些特殊考慮。最理想的制造聚光太陽電池的材料為砷化鎵，因為它的禁帶寬度和載流子濃度均適合于在強光下工作。其次是單晶硅 材料。在電池結(jié)構(gòu)方面，聚光電池的-結(jié)構(gòu)要求較深，普通太陽電池多用平面結(jié)構(gòu)，而聚光太陽電池常采用垂直結(jié)構(gòu)，以減少串聯(lián)電阻的影響。同時，聚光電池 的柵線也較密，典型的聚光電池的柵線約占電池面積的10%.,31,b、低污染,氫氣作為儲能物質(zhì)時產(chǎn)物只有水,用富氫氣體(化石燃料制備)做燃料時，CO2少40%,其它燃料，也不存在SO2，NOx，粉塵等污染,32,c、低噪音，安裝靈活，

14、積木化強，占地面積小,d、儲能物質(zhì)選擇范圍寬,e、負荷響應(yīng)快，工作可靠性好，運行質(zhì)量高,f、運行成本高，難以普及,g、高溫工作時電池壽命短，穩(wěn)定性差,h、缺乏完善的燃料供應(yīng)體系,33,發(fā)展史,a、1838年瑞士科學(xué)家Schonbein發(fā)現(xiàn)原理,b、1839年英國科學(xué)家Grove按電解水逆過程設(shè)計出第一個燃料電池,c、1889年Mond和Langer制得氫氧燃料電池，獲得0.73V的工作電壓,d、1894年Ostward從理論上論證了燃料電池的效率為5080%,e、1959年Bacon制造出可以實際工作的堿性燃料電池,f、1962年燃料電池用于太空任務(wù),g、1972年杜邦公司研制出高分子電解質(zhì)隔

15、膜,34,二次電池的質(zhì)量比能量和體積比能量一般低于一次電池,14.3. 二次電池,35,10.3.1. 鉛蓄電池,鉛蓄電池的應(yīng)用： 機動車輛、備用電源、電站負荷調(diào)整、電動工具電源,鉛蓄電池的分類： 開放式：外殼上有排氣孔，電解液會減少，須檢查，加水加酸維護 免維護密封式：用高析氫過電位鉛合金，幾乎沒有水電解，在整個使用壽命期，不需維護,36,鉛蓄電池的表示： Pb | H2SO4 | PbO2，Pb,放電時：,電池總反應(yīng)為：Pb + PbO2+2H2SO4 2PbSO4 +2H2O,負極：Pb + SO42- PbSO4 +2e,正極：PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e PbSO4

16、 +2H2O,充電時：,負極： PbSO4 (固體) PbSO4 (液體) Pb2+ + SO42-,電池總反應(yīng)為：2PbSO4 +2H2O Pb + PbO2+2H2SO4,正極： PbSO4 +2H2O PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e,37,10.3.2. 堿性蓄電池(以KOH等水溶液為電解質(zhì)),堿性蓄電池的正負極反應(yīng),38,堿性蓄電池的電池反應(yīng),39,40,41,What is Solar Energy?,Originates with the thermonuclear fusion reactions occurring in the sun. Represents

17、the entire electromagnetic radiation (visible light, infrared, ultraviolet, x-rays, and radio waves).,42,Renewable Energy Possibilities,1.2 105TW on Earths surface 36,000 TW on land (world),Biomass 5-7 TW gross (world) 0.29% efficiency for all cultivatable land not used for food,Hydroelectric 4.6 TW

18、 gross (world) 1.6 TW technically feasible,Wind 2-4 TW extractable,Tide/Ocean Currents 2 TW gross,Geothermmal 9.7 TW gross (world) 0.6 TW gross (US)(small fraction technically feasible),43,大面積利用太陽能的困難,A.太陽輻射強度受季節(jié)影響較大,B.現(xiàn)有技術(shù)光電轉(zhuǎn)化效率低下,C.光化合反應(yīng)或作用速度較慢，不易集中儲備,44,1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應(yīng)用于空間技術(shù)。當(dāng)時太

19、陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為8。1973年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關(guān)注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能電池設(shè)備業(yè)的發(fā)展。在19972006年的10年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴大了20倍，今后10年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30以上的增長速度發(fā)展。,太陽能電池的發(fā)展歷史,45,世界太陽能電池發(fā)展的主

20、要節(jié)點 1954 美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6 1955 第一個光伏航標(biāo)燈問世，美國RCA發(fā)明Ga As太陽能電池 1958 太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8。 1959 第一個單晶硅太陽能電池問世。 1960 太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。 1974 突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達到18。 1975 非晶硅及帶硅太陽能電池問世 1978 美國建成100KW光伏電站 1980 單晶硅太陽能電池效率達到20多晶硅為14.5，Ga As為22.5 1986 美國建成6.5KW光伏電站 1990 德國提出“2000光伏屋頂計劃” 1995 高效聚光Ga As太陽

21、能電池問世，效率達32。 1997 美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出“新陽光計劃” 1998 單晶硅太陽能電池效率達到24.7，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃” 2000 世界太陽能電池總產(chǎn)量達287MW，歐洲計劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池,46,太陽能電池發(fā)電原理,47,并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及工作原理,48,上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、

22、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢,太陽能電池的應(yīng)用,49,Power tower in Barstow, California.,Power Towers,50,用戶太陽能電源 小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等 太陽能電源 太陽能逆變器,51,3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；,52,光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉,53,交通領(lǐng)

23、域 如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。,54,通訊/通信領(lǐng)域 太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。,55,石油、海洋、氣象領(lǐng)域 石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等 風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池,56,光伏航標(biāo)燈,57,海洋氣象監(jiān)測標(biāo),58,家庭燈具電源 如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。,59,光伏電站 10KW-50MW獨立光伏電

24、站、風(fēng)光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。,60,Parabolic Dishes and Troughs,Because they work best under direct sunlight, parabolic dishes and troughs must be steered throughout the day in the direction of the sun.,Collectors in southern CA.,61,太陽能使用現(xiàn)狀與預(yù)測,62,Global Cumulative PV Power,/fileadmin/EPIA

25、_docs/publications/epia/Global_Market_Outlook_Until_2013.pdf,63,Global Annual PV Market,/fileadmin/EPIA_docs/publications/epia/Global_Market_Outlook_Until_2013.pdf,64,Cumulative installed solar electric power by 2007,1st Germany 3.8 GW 2nd Japan 1.9 GW 3rd US 814 MW 4th Spain 632 MW,65,Japan,2002 - Basic Act on Energy Policy to secure stable energy supply, environmental suitability and