簡(jiǎn)介:1,新能源材料,NEWENERGYMATERIALS,熊小慶紡織與材料工程學(xué)院,2,主要分類太陽(yáng)能電池材料鋰離子電池材料裂變反應(yīng)堆材料,3,能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。目前,世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主,不但嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境,而且礦物能源不可再生,能源枯竭已成為共識(shí)。,煤炭開采,海上石油開采平臺(tái),嚴(yán)重的生態(tài)破壞,4,生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞,1952年12月,倫敦?zé)熿F;酸雨;河流干涸;,,5,6,巨大的能源危機(jī)已開采800億噸石油,按現(xiàn)在的開采速度,地球上已探明的1770億噸石油儲(chǔ)量?jī)H夠開采50年已探明的173萬(wàn)億立方米天然氣僅夠開采63年;已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400年已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)噸,釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)噸,全球441座核電站每年消耗6萬(wàn)多噸濃縮鈾,僅夠使用100年左右。世界各國(guó)水能開發(fā)也已近飽和,風(fēng)能、太陽(yáng)能尚無(wú)法滿足人類龐大的需求。,7,我國(guó)作為發(fā)展中大國(guó),能源消耗巨大,能源利用率不高,能源結(jié)構(gòu)也不合理。2009年,中國(guó)風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到了258億瓦,超過(guò)了德國(guó)的2577億瓦,僅次于美國(guó)35億瓦;2020年,中國(guó)將投入足以實(shí)現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風(fēng)力渦輪機(jī),成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國(guó)。盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長(zhǎng),但風(fēng)力發(fā)電量只占據(jù)中國(guó)電力消耗總量的1。,8,為緩解和解決能源危機(jī),科學(xué)家提出資源與能源最充分利用技術(shù)和環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)。新能源與新能源材料是兩大技術(shù)的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須靠利用新的原理來(lái)發(fā)展新的能源系統(tǒng),同時(shí)還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn),并提高其利用效率,降低成本。發(fā)展新能源材料是解決能源危機(jī)的根本途徑。,9,新能源包括太陽(yáng)能生物質(zhì)能核能風(fēng)能地?zé)岷Q竽軞淠?太陽(yáng)能,氫能,風(fēng)能,潮汐能,地?zé)?核能,10,新能源材料是指能實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料,主要包括硅半導(dǎo)體為代表的太陽(yáng)能電池材料儲(chǔ)氫合金為代表的儲(chǔ)氫材料鋰離子電池為代表的二次電池材料質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料,11,主要特點(diǎn)新能源材料能把原來(lái)使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源;新能源材料可提高貯能效率,有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換;新能源材料可以增加能源利用的新途徑。,內(nèi)蒙古四王子旗太陽(yáng)能電池光伏電站,太陽(yáng)能熱水器,12,太陽(yáng)能電池材料,13,太陽(yáng)能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位地球上一年接受的太陽(yáng)能總量為381018KW,遠(yuǎn)大于人類對(duì)能源的需求量;分布廣泛,不需要開采和運(yùn)輸;不存在枯竭問(wèn)題,可以長(zhǎng)期利用;安全衛(wèi)生,對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。,人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池,14,西班牙塞維利亞太陽(yáng)能發(fā)電站歐洲最大的太陽(yáng)能電站,可供18萬(wàn)戶使用,每年減排60萬(wàn)噸CO2。,槽式太陽(yáng)能,蝶式太陽(yáng)能,16,通過(guò)光電轉(zhuǎn)化將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是太陽(yáng)能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。,清華大學(xué)電力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng),17,太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池的工作原理是光伏效應(yīng)太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體PN結(jié)上,形成空穴電子對(duì),在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,光生空穴流向P區(qū),光生電子流向N區(qū),接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。,光伏效應(yīng)示意圖,太陽(yáng)能電池,18,全球最大規(guī)模的光伏太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目鄂爾多斯市政府與美國(guó)FIRSTSOLAR公司共建2000兆瓦太陽(yáng)能光伏發(fā)電廠。,19,世博中國(guó)館、主題館,世博中心、演藝中心等永久建筑的屋頂和玻璃幕墻上安裝總裝機(jī)容量超過(guò)468兆瓦的太陽(yáng)能電池,每年能減排二氧化碳4000噸。主題館屋面太陽(yáng)能板面積達(dá)3萬(wàn)多平方米,是目前世界最大的單體面積太陽(yáng)能屋面,年發(fā)電量280萬(wàn)度,每年減排二氧化碳2800噸,節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1000多噸。,世博中國(guó)館,世博主題館,20,2011年5月,世界首架無(wú)污染太陽(yáng)能飛機(jī)進(jìn)行跨國(guó)飛行從瑞士飛抵布魯塞爾需13小時(shí),飛行高度可達(dá)8700米,平均飛行速度為70120公里/小時(shí)。用超輕碳纖維材料制成,總重16噸,由4臺(tái)小型電力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),機(jī)翼配備12萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能電池板,翼展長(zhǎng)度大約64米。,21,晶體硅太陽(yáng)能電池,晶體硅太陽(yáng)電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積PN結(jié),在P型硅片上制作很薄的摻雜N型層,在N型層上制作金屬柵線作為正面接觸電極,在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。晶體硅太陽(yáng)電池具有性能穩(wěn)定、資源豐富、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn),是目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。,單晶硅太陽(yáng)能電池,多晶硅太陽(yáng)能電池,22,非晶硅太陽(yáng)電池,非晶硅太陽(yáng)電池是以非晶硅為基體的薄膜太陽(yáng)電池,電池效率已達(dá)到13%;世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年50MW,應(yīng)用規(guī)模從手表、計(jì)算機(jī)等消費(fèi)品用電源發(fā)展到兆瓦級(jí)的獨(dú)立電站。,非晶硅太陽(yáng)能電池,23,化合物太陽(yáng)能電池,化合物太陽(yáng)電池所用材料包括IIVI族化合物和IIIV族化合物。IIVI族化合物包括CDTE和CDS等,制成的薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。IIIV族化合物包括GAAS和INP等,可制成薄膜太陽(yáng)電池,轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好,是較理想的空間太陽(yáng)電池。,太空站上的GAAS太陽(yáng)電池,高原用的GDTE太陽(yáng)電池,24,納米太陽(yáng)電池,納米太陽(yáng)電池簡(jiǎn)稱NPC電池是一種由鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米TIO2、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學(xué)式電池。,納米太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu),25,中國(guó)尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學(xué)已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽(yáng)電池,光電轉(zhuǎn)化效率為81。為捕獲更多太陽(yáng)光,將金/銀納米粒子嵌入薄膜中,增加電池可吸收太陽(yáng)光的波長(zhǎng)范圍,提高光子轉(zhuǎn)化電子效率;進(jìn)一步使用有核的或表面凹凸不平的納米粒子,大幅提高薄膜的比表面積。,CHENX,JIAB,SAHAJK,ETALBROADBANDENHANCEMENTINTHINFILMAMORPHOUSSILICONSOLARCELLSENABLEDBYNUCLEATEDSILVERNANOPARTICLESJNANOLETTERS,2012,12521872192,26,鋰離子電池材料,27,一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋,造成資源浪費(fèi),同時(shí)電池中的重金屬元素泄露也會(huì)污染地下水和土壤。二次電池或蓄電池放電時(shí)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能,充電時(shí)則使體系回復(fù)到原來(lái)狀態(tài),將電能以化學(xué)能形式重新儲(chǔ)存起來(lái)。,鎳氫充電電池,LI離子充電電池,28,傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低,且鉛和鎘都是有毒金屬,對(duì)環(huán)境污染極大。目前應(yīng)用較廣的是鎳氫電池表示為NI/MH電池和鋰離子電池表示為L(zhǎng)IB電池,不但性能優(yōu)良,而且污染較小,被稱為綠色電池。,鉛酸蓄電池,NICD充電電池,29,NI/MH鎳氫二次電池,NI/MH電池的正極材料采用NIOH2,負(fù)極材料為儲(chǔ)氫合金,電解質(zhì)為KOH水溶液。與NI/CD電池相比,NI/MH電池具有以下優(yōu)點(diǎn)能量密度是NI/CD電池的152倍;充放電速率高;耐過(guò)充和過(guò)放性能好;使用壽命長(zhǎng);低溫性能好;無(wú)CD元素對(duì)環(huán)境的污染。,NI/MH二次電池,30,NI/MH電池開發(fā)重點(diǎn)是大功率、高容量方向。國(guó)際上主要汽車公司如GM、FORD和TOYOTA等相繼開發(fā)出NI/MH電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車,GM公司生產(chǎn)的NI/MH電池動(dòng)力車,單次充電后可行駛225KM,時(shí)速為150公里。,GM生產(chǎn)的EVI汽車,用26個(gè)12V的電池,3小時(shí)充電后時(shí)速可達(dá)到150公里,31,LIB鋰離子二次電池,LI是最輕的金屬元素,它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是3045V,是金屬中負(fù)電位最大的元素,因此LI負(fù)極電池的開發(fā)受到極大重視,與NI/MH電池性能的比較如下。,普通NI/MH,LIB及NI/CD電池性能比較,32,LIB電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn),而且LIB無(wú)記憶效應(yīng),不需將電放盡后再充電;LIB自放電小,每月在10%以下,NI/MH電池自放電一般為30%40%。僅2000年,日本就銷售了4億多只LI電池。,移動(dòng)電話LI電池,數(shù)碼相機(jī)LI電池,筆記本LI電池,33,裂變反應(yīng)堆材料,1964年10月16日成功地爆炸了第一顆原子彈。,1967年6月17日又成功地爆炸了第一顆氫彈。,通用核醫(yī)學(xué),核醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)的一個(gè)分支,它使用小劑量的放射性物質(zhì)診斷或治療各種疾病,核武器,廣島市80%的建筑物化為灰燼,68萬(wàn)人當(dāng)場(chǎng)喪生,5年后因原子彈死亡人數(shù)達(dá)到247萬(wàn)人;長(zhǎng)崎市60%的建筑物被摧毀,當(dāng)場(chǎng)傷亡86萬(wàn)人,5年后共死亡14萬(wàn)人。該地區(qū)核爆炸的幸存者也不同程度受到放射性污染,患了各種怪異的后遺癥,在隨后幾年中,又有大批人痛苦地死去。,慘痛的歷史,核能在原子核發(fā)生變化時(shí)放出的能量。獲得核能的兩條途徑是1重核的裂變?cè)訌?輕核的聚變氫彈,,,1、核能,2、核能的主要優(yōu)點(diǎn),1、核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中,因此核能發(fā)電不會(huì)造成空氣污染。2、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬(wàn)倍,核能電廠所使用的燃料體積小,運(yùn)輸與儲(chǔ)存都很方便,一座1000百萬(wàn)瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料,一航次的飛機(jī)就可以完成運(yùn)送。3、核能發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。,3、核能的原料,鈾1896年法國(guó)物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾具有天然放射性。,二、核能與核能利用,核裂變NUCLEARFISSION是大核分裂為小核的過(guò)程普通的核武器和核電站都依賴于裂變過(guò)程產(chǎn)生的能量。,鈾235的裂變與核武器,,,發(fā)生鏈反應(yīng),爆炸,,,,,,,,足以維持鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量CRITICALMASS。鈾235的臨界質(zhì)量約為1KG,質(zhì)量超過(guò)1KG則發(fā)生爆炸。,任何有核反應(yīng)堆的國(guó)家都不難得到爆炸級(jí)的裂變材料,原子彈的基本設(shè)計(jì)又如此簡(jiǎn)單,從而為防止核武器擴(kuò)散帶來(lái)了困難。,核反應(yīng)堆,通過(guò)受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置,可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過(guò)程消耗的中子數(shù),以形成所謂的自持鏈反應(yīng)SELFSUSTAININGCHAINREACTION。,,能源利用與開發(fā),美國(guó)109座,供電量占全國(guó)21;法國(guó)56座,80;日本,德國(guó),俄羅斯,加拿大均有大量的核電站。,,秦山核電站30萬(wàn)千瓦,1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電,能源利用與開發(fā),大亞灣核電站290萬(wàn)千瓦臺(tái)灣6座,40%,坐落于浙江海鹽縣秦山雙龍崗的鳥瞰圖,1、核輻射環(huán)境影響事例,切爾諾貝利事故的回顧,核災(zāi)害,主要是核戰(zhàn)爭(zhēng);軍事沖突中發(fā)生的核爆炸;針對(duì)少量特殊目標(biāo)的軍事核打擊被稱為“外科手術(shù)”;恐怖分子制造核爆炸摧毀城市;在有人居住的地區(qū)造成顯著的核污染;意外暴露的核武器或其他核武器發(fā)生的意外;民用核設(shè)施發(fā)生的嚴(yán)重意外,例如核電站。,50,謝謝,
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