Aydavz2008新能源發(fā)電技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

生命是永恒不斷的創(chuàng)造，因為在它內(nèi)部蘊含著過剩的精力，它不斷流溢，越出時間和空間的界限，它不停地追求，以形形色色的自我表現(xiàn)的形式表現(xiàn)出來。－－泰戈爾第2章章(2)2.2太陽能電池工作原理太陽能電池工作原理2.2.1太陽能電池太陽能電池的物理基礎(chǔ)(1)的物理基礎(chǔ)固體能帶理論*固體能帶理論*能帶的形成單個原子的能級NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering12.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(2)太陽能電池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論**固體能帶理論**能帶的形成晶體原子共有化運動NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering22.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(3)太陽能電池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論***固體能帶理論***能帶的形成N個原子形成個能級個原子形成2N個能級個原子形成能帶允帶禁帶又稱能隙NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering32.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(4)太陽能電池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論****固體能帶理論****能帶的形成導(dǎo)帶:導(dǎo)帶:未被電子填滿的能帶或空能帶滿帶或價帶:滿帶或價帶:已被電子填滿的能帶滿帶中的電子在外界電場作用下不能移動,滿帶中的電子在外界電場作用下不能移動,不起導(dǎo)電作用NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering42.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(5)太陽能電池的物理基礎(chǔ)固體能帶理論*****固體能帶理論*****金屬,金屬,絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體能帶分布圖絕緣體能帶分布除非外電場相當(dāng)強,絕緣體能帶分布除非外電場相當(dāng)強,否則不能使電子獲得足夠能量從滿帶躍遷到空帶.能使電子獲得足夠能量從滿帶躍遷到空帶.在常溫下,在常溫下,滿帶中少數(shù)電子在熱激發(fā)下能夠越過禁帶躍遷到空帶中去,越過禁帶躍遷到空帶中去,這時半導(dǎo)體具有一定的導(dǎo)電性.一定的導(dǎo)電性.NorthChinaElectricPowerUniversity金屬DepartmentofElectricalEngineering電力工絕緣體程系半導(dǎo)體52.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(6)太陽能電池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體*本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體:元素半導(dǎo)體:由同一種原子組成的半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體:化合物半導(dǎo)體:由兩種以上原子組成的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體:本征半導(dǎo)體:絕對純的沒有缺陷的半導(dǎo)體本征載流子濃度n本征硅中的電子濃度本征硅中的電子濃度n等于空本征載流子濃度i:本征硅中的電子濃度等于空穴濃度p,稱為本征載流子濃度n穴濃度,稱為本征載流子濃度i.ni隨溫度升高而增加,室溫時硅的i為1010/cm3隨溫度升高而增加,室溫時硅的nNorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering62.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(7)太陽能電池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體**本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體:硅晶體中摻入少量型半導(dǎo)體:型半導(dǎo)體五價元素磷或砷原子或砷原子.五價元素磷或砷原子.磷或砷原子稱為施主.原子稱為施主.這種雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠施主能級激發(fā)到導(dǎo)帶中去的電子來導(dǎo)電,中去的電子來導(dǎo)電,稱為電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體.型半導(dǎo)體或型半導(dǎo)體.p型半導(dǎo)體:硅晶體中摻入少量型半導(dǎo)體:型半導(dǎo)體三價硼原子原子.三價硼原子.硼原子稱為受主.這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)主要取決于滿帶空穴運動,主要取決于滿帶空穴運動,故稱空穴半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體.稱空穴半導(dǎo)體或型半導(dǎo)體.NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering72.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(8)太陽能電池的物理基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體***本征半導(dǎo)體和參雜半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體:施主濃度為D,n≈ND,電子濃度型半導(dǎo)體:施主濃度為N型半導(dǎo)體≈遠大于空穴濃度,電子為多數(shù)載流子稱為多子,遠大于空穴濃度,電子為多數(shù)載流子稱為多子,空穴稱為少子.空穴稱為少子.p型半導(dǎo)體:受主濃度為A,p≈NA.電子少子型半導(dǎo)體:電子少子,型半導(dǎo)體受主濃度為NA,空穴多子同時存在施主和受主雜質(zhì)時nn≈ND-NA(ND>NA)pp≈NA-ND(NA>ND)NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering82.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(9)太陽能電池的物理基礎(chǔ)載流子濃度和費米能級半導(dǎo)體平衡判據(jù)np=NcNve(EcEv)/kT=NcNveEg/kT=n2i溫度升高時,費米能級向本征費米能級靠近,溫度升高時,費米能級向本征費米能級靠近,電子和空穴濃度不斷增加,不論P型硅還是型硅還是N型電子和空穴濃度不斷增加,不論型硅還是型在溫度很高時都會變成本征硅,硅,在溫度很高時都會變成本征硅,電子濃度n等于空穴濃度.等于空穴濃度p.等于空穴濃度NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering92.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(10)太陽能電池的物理基礎(chǔ)電子和空穴的運輸漂移和擴散:引起電子和空穴發(fā)生凈位移,漂移和擴散:引起電子和空穴發(fā)生凈位移,即產(chǎn)生電子和空穴的運輸,生電子和空穴的運輸,外電場引起漂移載流子濃度差引起擴散引起漂移,外電場引起漂移,載流子濃度差引起擴散半導(dǎo)體在外電場的作用下,半導(dǎo)體在外電場的作用下,在載流子的熱運動上疊加的一個速度為漂移速度在同一電場時,在同一電場時,電子漂移的速度比空穴快產(chǎn)生與復(fù)合"產(chǎn)生-輸運-復(fù)合"過程,反映了包括太陽能產(chǎn)生-輸運-復(fù)合"過程,電池在內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體器件工作過程,電池在內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體器件工作過程,對于分析太陽能電池的工作性能很重要.析太陽能電池的工作性能很重要.NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering102.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(11)太陽能電池的物理基礎(chǔ)產(chǎn)生與復(fù)合*產(chǎn)生與復(fù)合產(chǎn)生熱平衡狀態(tài)下的型半導(dǎo)體必須滿足型半導(dǎo)體必須滿足n熱平衡狀態(tài)下的N型半導(dǎo)體必須滿足n0pn0=ni2非平衡載流子或過剩載流子:受到光照時,非平衡載流子或過剩載流子:受到光照時,價帶中的電子吸收光子中的能量躍遷進入導(dǎo)帶,電子吸收光子中的能量躍遷進入導(dǎo)帶,在價帶中留下等兩空穴.這些多于平衡濃度的光生電子和空穴叫非等兩空穴.這些多于平衡濃度的光生電子和空穴叫非平衡載流子或過剩載流子.平衡載流子或過剩載流子.載流子的注入:載流子的注入:這種由于外界條件的改變而使半導(dǎo)體產(chǎn)生非平衡載流子的過程,稱為載流子的注入載流子的注入,產(chǎn)生非平衡載流子的過程,稱為載流子的注入,簡稱注入或激發(fā).有光注入,熱注入電注入等.注入或激發(fā).有光注入,熱注入電注入等.載流子的抽取:載流子的抽取:半導(dǎo)體載流子濃度積小于平衡載流子濃度積的情況.濃度積的情況.大注入:大注入:nnpn>>nn0pn0=ni2小注入:小注入:nnpn>nn0pn0=ni2NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering112.2.1太陽能電池的物理基礎(chǔ)太陽能電池的物理基礎(chǔ)(12)太陽能電池的物理基礎(chǔ)產(chǎn)生與復(fù)合**產(chǎn)生與復(fù)合復(fù)合載流子濃度偏離了其平衡值時,載流子濃度偏離了其平衡值時,它們就有恢復(fù)平衡的傾向,在注入的情況,復(fù)平衡的傾向,在注入的情況,恢復(fù)平衡是靠復(fù)合來實現(xiàn)的,在抽取的情況,靠復(fù)合來實現(xiàn)的,在抽取的情況,則靠載流子的產(chǎn)生來實現(xiàn).子的產(chǎn)生來實現(xiàn).復(fù)合與產(chǎn)生互為逆過程,產(chǎn)生時吸收能量,復(fù)合與產(chǎn)生互為逆過程,產(chǎn)生時吸收能量,復(fù)合時釋放能量.表現(xiàn)為放出光子,復(fù)合時釋放能量.表現(xiàn)為放出光子,聲子和傳遞能量給其它載流子.傳遞能量給其它載流子.3種復(fù)合機構(gòu):直接復(fù)合,通過復(fù)合中心復(fù)合種復(fù)合機構(gòu):種復(fù)合機構(gòu)直接復(fù)合,,表面復(fù)合NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering122.2.2太陽能電池材料的光學(xué)特性太陽能電池材料的光學(xué)特性(1)太陽能電池材料的光學(xué)特性半導(dǎo)體對光的吸收吸收定律垂直入射光I反射率,垂直入射光0,反射率R,吸收系數(shù)α距離前表面x處光譜輻照度:處光譜輻照度:I距離前表面處光譜輻照度:x=I0(1-R)e-αx本征吸收和非本征吸收本征吸收:由于電子在能帶間躍遷由價帶到導(dǎo)本征吸收:由于電子在能帶間躍遷由價帶到導(dǎo)帶而形成導(dǎo)電的自由電子和空穴的吸收過程,帶而形成導(dǎo)電的自由電子和空穴的吸收過程,即半導(dǎo)體本身原子對光的吸收.產(chǎn)生電子-半導(dǎo)體本身原子對光的吸收.產(chǎn)生電子-空穴對條件光子能量h.條件光子能量ν>hν0=Eg非本征吸收:激子吸收(電子空穴團)非本征吸收:激子吸收(電子空穴團),自由載流子吸收(多為紅外吸收)載流子吸收(多為紅外吸收),雜質(zhì)吸收和晶格振動吸收.振動吸收.NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering132.2.2太陽能電池材料的光學(xué)特性太陽能電池材料的光學(xué)特性(2)太陽能電池材料的光學(xué)特性直接材料和間接材料直接躍遷:保持能量守恒和動量守恒的躍遷,直接躍遷:保持能量守恒和動量守恒的躍遷,例:保持能量守恒和動量守恒的躍遷如砷化鎵,只有直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為直接如砷化鎵,材料.材料.間接躍遷:保持能量守恒但動量不守恒的躍遷:保持能量守恒但動量不守恒的躍遷,間接躍遷:保持能量守恒但動量不守恒的躍遷,需吸收聲子,例如硅,需吸收聲子,例如硅,具有間接躍遷能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為間接材料.料稱為間接材料.間接材料吸收太陽光能比直接材料要求更厚材料強光照射半導(dǎo)體后,較大濃度的上表面光生載流強光照射半導(dǎo)體后,子向背面擴散過程中,由于電子比空穴先達到背面子向背面擴散過程中,由于電子比空穴先達到背面而產(chǎn)生由上表面指向下表面的擴散電壓.而產(chǎn)生由上表面指向下表面的擴散電壓.NorthChinaElectricPowerUniversity丹倍效應(yīng)電力工程系DepartmentofElectricalEngineering142.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(1)同質(zhì)結(jié)太陽能電池P-N結(jié)的形成及內(nèi)建電場結(jié)的形成及內(nèi)建電場*結(jié)的形成及內(nèi)建電場NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering152.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(2)同質(zhì)結(jié)太陽能電池P-N結(jié)的形成及內(nèi)建電場結(jié)的形成及內(nèi)建電場**結(jié)的形成及內(nèi)建電場P型硅空穴多子濃度p,電子少子濃度p型硅:空穴多子)濃度電子少子)濃度型硅空穴(多子濃度p電子(少子濃度nN型硅電子(多子濃度nn,空穴少子)濃度p型硅:電子多子)濃度空穴(少子濃度p型硅電子多子濃度空穴少子濃度擴散運動形成阻擋層或耗盡層形成阻擋層或耗盡層,擴散運動形成阻擋層或耗盡層,也叫空間電荷區(qū)形成由N區(qū)指向區(qū)的內(nèi)建電場區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場,阻擋載流子擴散形成由區(qū)指向區(qū)的內(nèi)建電場阻擋載流子擴散內(nèi)建電場與擴散運動形成平衡,內(nèi)建電場與擴散運動形成平衡,漂移電流等于擴散電流根據(jù)雜質(zhì)分布可以分為突變結(jié)和緩變結(jié)根據(jù)雜質(zhì)分布可以分為突變結(jié)和緩變結(jié)緩變結(jié)的雜質(zhì)濃度梯度小,緩變結(jié)的雜質(zhì)濃度梯度小,耗盡區(qū)比較寬勢壘寬度即是阻擋層寬度UD空間電荷區(qū)兩端電動勢差,自建電壓,接觸空間電荷區(qū)兩端電動勢差自建電壓,兩端電動勢差,電動勢差或電動勢差或內(nèi)建電動勢差NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering162.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(3)同質(zhì)結(jié)太陽能電池反偏壓與正偏壓正偏:區(qū)接正區(qū)接負,外加電壓U區(qū)接正,N區(qū)接負正偏:P區(qū)接正區(qū)接負,外加電壓F與內(nèi)建電場UD相反為正向電壓,形成正向電流.相反為正向電壓,形成正向電流.反偏:加反向電壓形成反向電流,:加反向電壓,反偏:加反向電壓,形成反向電流,但是由于少子數(shù)目少,反向電流小.子數(shù)目少,反向電流小.NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering172.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(4)同質(zhì)結(jié)太陽能電池肖克萊方程P-N結(jié)電容結(jié)電容正向電流密度JD=J0(eqUAkT1)空間電荷區(qū)由于正負電荷的電偶層形成的電容對于太陽能電池發(fā)電沒有多大影響用作信號轉(zhuǎn)換的時候,用作信號轉(zhuǎn)換的時候,影響頻率特性NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering182.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(5)同質(zhì)結(jié)太陽能電池硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理*硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering192.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(6)同質(zhì)結(jié)太陽能電池硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理**硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理內(nèi)建電場(多子擴散作用)內(nèi)建電場(多子擴散作用)由N→P→耗盡區(qū)光生載流子(電子空穴對)耗盡區(qū)光生載流子(電子空穴對)被內(nèi)建電場分離,空穴→區(qū)電子→區(qū)先漂移后電場分離,空穴→P區(qū),電子→N區(qū)先漂移后擴散N區(qū)或區(qū)光生載流子(電子空穴對),先區(qū)或P區(qū)光生載流子(電子空穴對)區(qū)或區(qū)光生載流子擴散后漂移,空穴→區(qū)電子→區(qū)擴散后漂移,空穴→P區(qū),電子→N區(qū)P區(qū)形成太陽能電池區(qū)形成太陽能電池(P-N結(jié))正極,N區(qū)形成正極,區(qū)形成區(qū)形成太陽能電池結(jié)正極負極電力工程系DepartmentofElectricalEngineeringNorthChinaElectricPowerUniversity202.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(7)同質(zhì)結(jié)太陽能電池硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理***硅太陽能電池的構(gòu)造和工作原理NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering212.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(8)同質(zhì)結(jié)太陽能電池光電流和光電壓*光電流和光電壓光電流:光生載流子的定向運動影響光電流的因素有:光的反射,材料的吸影響光電流的因素有:光的反射,光的反射電池厚度,收,電池厚度,光生載流子的實際產(chǎn)生率太陽能電池的N區(qū)耗盡區(qū)和P區(qū)太陽能電池的區(qū),耗盡區(qū)和區(qū)都產(chǎn)生光生載流子但其必須在復(fù)合之前越過耗盡區(qū)才對光電流有貢獻,因此需要考慮復(fù)合,光電流有貢獻,因此需要考慮復(fù)合,擴散和漂移等因素.漂移等因素.光電流密度J光電流密度L(λ)=Jn(λ)+Jc(λ)+Jp(λ)教材式(2-45)-(2-49)是描述太陽能電池工作狀教材式是描述太陽能電池工作狀態(tài)的基本方程.均勻參雜時簡化求解為(2-57)態(tài)的基本方程.均勻參雜時簡化求解為(2-59)NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering222.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(9)同質(zhì)結(jié)太陽能電池光電流和光電壓**光電流和光電壓光電流太陽能電池各區(qū)對光電流的貢獻不同頂區(qū)光電流對紫光敏感,約占總光電流的約占總光電流的5-12%頂區(qū)光電流對紫光敏感約占總光電流的空間電荷區(qū)對可見光敏感,約占2-5%空間電荷區(qū)對可見光敏感,約占基區(qū)光電流對紅外光敏感,約占90%基區(qū)光電流對紅外光敏感,約占短路電流密度J等于光生電流密度J短路電流密度sc等于光生電流密度L光電壓由于光照而在電池兩端出現(xiàn)的電壓光電壓與正偏壓一樣,光電壓與正偏壓一樣,與內(nèi)建電場方向相反有光照時,有光照時,太陽能電池兩端出現(xiàn)的電壓為開路電壓U電壓ocNorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering232.2.3同質(zhì)結(jié)太陽能電池同質(zhì)結(jié)太陽能電池(10)同質(zhì)結(jié)太陽能電池AkTJL光電流和光電壓***光電流和光電壓Uoc=ln(+1)光電壓qJ0漂移電場的作用和背電場(BSF)電池漂移電場的作用和背電場電池由于摻雜濃度不同而形成的自建電場叫濃度結(jié)由于摻雜濃度不同而形成的自建電場叫濃度結(jié)摻雜濃度不同而形成的自建電場或梯度結(jié)基區(qū)中不同的摻雜濃度會使N電池背面附加基區(qū)中不同的摻雜濃度會使+-P電池背面附加一個P-P+結(jié)的電池叫背電場結(jié)的電池叫背電場(BSF)電池一個電池可以增加光電流和減小暗電流NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering2411由HYPERLINK童夢無憂網(wǎng)提供試管嬰兒論壇不孕不育交流網(wǎng)址：HYPERLINK

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達3,4.5和6億噸,其中進口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進口量相當(dāng)于目前美國的石油進口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂显斐蓢?yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費.目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測,20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強化新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進一步得到重視核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計,在20世紀(jì)末,全世界運行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點.(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾.(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點.(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃氣,實現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟效益,這是生物質(zhì)能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時,相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達幾百兆瓦,但由于價格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達到實用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進氫能時代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術(shù)主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān),因此浪費了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲運技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點,而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計,如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內(nèi)燃機成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點.(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點.2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點:對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設(shè)備動力源優(yōu)點:比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強.能量轉(zhuǎn)換率最高,可達80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出