新能源材料制備與加工技術

1、 新能源材料制備與加工技術李長久西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術本課程的安排 第1講緒論:能源結構與太陽輻射特點第2講太陽電池原理第3講太陽電池原理(續(xù)第4講單晶硅太陽電池制造工藝第5講薄膜太陽電池與DSC 制造工藝第6講燃料電池基礎第7講固體氧化物燃料電池與質子交換膜燃料電池制備成形技術第8講新型2次電池材料試驗1 單晶硅太陽電池特性試驗2 單晶硅、非晶硅、多晶硅太陽電池特性比較試驗3 SOFC 電池輸出特性試驗4 PEMFC 試驗西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 本課程的基本要求了解能源結構與發(fā)展趨勢,可再生能源與化石燃料高效

2、能源轉換系統(tǒng)能源轉換材料基本特征太陽電池原理,太陽電池轉換效率的影響因素及其影響規(guī)律、提高轉換效率的基本途徑; 太陽電池的種類與制造工藝及其特點;燃料電池的原理、特點、開發(fā)現(xiàn)狀與應用前景。 二次電池及其相關材料技術材料制備、加工與制造器件一體化的特征西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 主要參考書1.(美胡晨明,R.M. 還特著,(李采華譯,太陽電池,北京大學出版社,1990年2. Chenming HU and Richard M. White, Solar Cell,From Basic to Advanced System, McGraw Hill BookC

3、ompany, 19833.(澳馬丁格林著,李秀文等譯,太陽電池,電子工業(yè)出版社,1987年4. 趙富鑫,魏彥章,太陽電池及其應用,國防工業(yè)出版社,19855. 雷永泉主編,新能源材料,天津大學出版社,2000。6. 衣寶廉著,燃料電池,化學工業(yè)出版社,2003。7. Fuel Cell Handbook西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術材料科學與工程制備與加工、成分、組織結構、性能(使用性能的控制與機制、相互關系StructuresPropertiesCompositionsProcessing西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術材料

4、制備與加工 材料制備制造可用于生產產品的原材料原材料(礦石冶金(物理、化學材料(粉末、板材、棒與絲傳統(tǒng)加工制造方法(機械零件控性、控形以零件使用加工成形制造各種形狀結構的零件與構件材料加工(熱加工、冷加工裝配產品冷加工:車、銑、刨、磨、鉆等熱加工方法:鑄造、鍛造、焊接、熱處理西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術電子器件的制造 二極管、三極管、場效應管、集成電路等太陽電池、顯示器(等離子平板顯示器等功能層:薄(納米級!元器件制造的特點:材料合成制備、加工成形、器件制造一體化!太陽電池與燃料電池為例,理解微納器件制造特征新能源、微電子西安交通大學新能源材料制備與加工技西

5、安交通大學材料制備與加工技術 第一章概述能源的有限性與能源需求的不斷增長 能源的構成能源使用存在的問題發(fā)展新能源技術的必要性 太陽輻射的特點太陽常數(shù),大氣質量,太陽高度太陽電池的基本特點西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 第1節(jié)地球上究竟還有多少能源?西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術單位:億噸標準油通加石油天然氣煤合計 2003年世界能源統(tǒng)計報告2002年:世界一次能源消耗:94億噸標準油;全球可供開采剩余年數(shù):石油:40.6年;天然氣:60.7年;煤:204年我國剩余可采資源保證度:129.7年原油:20.1年;天然氣:49.3年

6、;煤:114.5年化石燃料的有限性!可燃冰!西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 1. 能源利用方式木材(生物質能 煤炭 石油 天然氣核能(核裂變、核聚變 太陽能水電第2節(jié)世界商品能源的構成西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術通加年份(1 木材產業(yè)結構的變化!交通源材料制備與加工西安交通大學材料制備與加工技術我國能源構成比例(%通加我國一次能源構via 世界變化(1 木材煤的液化、汽化交通大源材料制備與加工西安交通大學材料制備與加工技術能源安全問題通加石油需求量大增,石油進口量大增 常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)與SOFC 發(fā)電效率比較SOFC/Gas T

7、urbine Hybrid SystemFuel CellGas turbine simple CycleGas turbine combined CycleInternal combustion engineE f f i c i e n c y (L H V %Power output, MW西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 4. 礦物(化石燃料使用造成的環(huán)境污染問題燃燒排放物:SO2、No x、CO、CO2、煙塵等危害作用破壞植被與土壤:SO2對人體健康有害:煙塵、SO2等對氣候造成影響:產生溫室效應、酸雨等:No x、SO x處理措施:燃燒前凈化處理,S

8、O2、煙塵等CO2?西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術5.通加 可再生能源不可再生能源煤、石油、天然氣、核能可再生能源太陽能、生物質能、海洋能、風能、水能、地熱能新能源:太陽能、生物質能、海洋能、風能、地熱能、核能、氫能西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 本課程所涉及的能源材料與技術太陽電池(Solar Cell 太陽能、一次能源:燃料電池(Fuel Cell 天然氣、煤氣化氣:一次能源氫能、二次能源新型二次電池(Battery 金屬氫化物-鎳電池,Li 離子二次電池西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術Ce

9、ll通加所涉及的能源材料通加 涉及的制備與成形加工技術傳統(tǒng)的材料制備方法物理(熔煉、燒結、化學(反應生成傳統(tǒng)材料加工陶瓷成形(擠壓、注塑,模壓等先進薄膜與涂層制備技術PVD, CVD, 等離子噴涂,絲網印刷等材料制備與器件成形加工一體化西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 第3節(jié)太陽輻射的特點太陽:一座核聚變反應器,中心溫度約為2x107K ,發(fā)射功率為:3.8 x 1026 W ;波長范圍:0.276m 4.96m (占99%的能量輻射相當于表面5743K 的黑體;大氣層外太陽輻射強度與5743K 黑體輻射強度的比較3.1 太陽常數(shù)西安交通大學新能源材料制備與加工

10、技西安交通大學材料制備與加工技術 3.1 太陽常數(shù)(續(xù)地球軌道為一橢圓最遠距離:152x106 km ; 最近距離:147x106 km 平均距離:149x106 km (1天文單位最遠處的輻射為最近處的94%,差別不大。認為大氣層外的輻射強度不變,單位面積的輻射通量為一常數(shù):稱為太陽常數(shù)S 0=1.353kW/m 2(1.338 1.418 kW/m 2西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術3.2 大氣層對太陽光的吸收陽光穿過大氣達到地表時,輻射強度至少衰減30%。造成衰減的原因:1大氣中的分子散射:波長越短,衰減越大;2懸浮顆粒與灰塵引起的散射;3大氣(特別是O

11、2、O 3、H 2O 、CO 2 的吸收西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 3.3 大氣質量(Air Mass影響地球表面接受輻射的因素:大氣的吸收入射角度物理意義:入射光通過大氣層的相對厚度用“大氣質量”(A ir M ass number 表示接受輻射的強度,簡稱“AM+數(shù)字”AM0:大氣層外垂直輻射(=太陽常數(shù)AM1:入射光與地表的夾角為90o時的地面輻射/(17.0353.12mkWI=西安交通大學李長久教授西安交通大學新能源材料制備與加工技術西安交通大學材料制備與加工技術通加-3.4 地表日照的構成地面接收到的太陽輻射的構成:直接輻射水平面散射(在晴朗無

12、云的天氣,占總輻射量的1020%;陰天接收到的輻射主要為散射;介于晴天與陰天之間,接收到晴天一半的輻射時,其中散射輻射約占50%。地表日照強度隨下列條件變化:地區(qū)(緯度、季節(jié)、白晝、氣候條件(陰晴聚光系統(tǒng)的目的是為了利用太陽直射輻射,散射光不能利用。西安交通大學李長久教授西安交通大學新能源材料制備與加工技術西安交通大學材料制備與加工技術地球軌道與赤緯-23.5o西安交通大材料制備與加安交通材料制備與加 太陽高度隨地域與季節(jié)的變化設接受太陽光的地域緯度為北緯,太陽在正午的高度:“春分”與“秋分”時:90o -緯度值;“夏至”時,90o -緯度值+地球赤緯“冬至”時:90o -緯度值-地球赤緯地球

13、赤緯:23.5o太陽高度隨地域與季節(jié)在發(fā)生變化西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術的太陽高度隨季節(jié)地變化通加接收的太陽能隨日期的變化季節(jié)性氣候變化減小白晝、大氣質量光束傾角的減小大氣層外輻射強度交通材料制備與加西安交通大學材料制備與加工 第4節(jié)太陽電池的特點(優(yōu)點廣泛性:無處不有。地球一年接受太陽的總能量為:1.8x1018kWh(約為太陽輻射總能量的20億分之一,為人類消耗能量的12000倍。適合于分散發(fā)電:如小村莊、偏僻地區(qū)。可以作為水泵、制冷、通訊、照明等的能源。清潔性:不存在污染(礦物燃料的污染、核燃料的污染等太陽電池具有標準配件,安裝好即可使用西安交通大學

14、李長久教授西安交通大學新能源材料制備與加工技術西安交通大學材料制備與加工技術 太陽電池的特點(2分散性:存在接受面積問題。能量密度Max1000 W/m2,為獲取足夠的能量,需要足夠的接受面積。如為滿足2000年全球電力需求,以電池轉換效率10%計,需要640,000 (km2。我國1995年發(fā)電1億度,所需面積12500(km2,比天津市大。解決方案:建筑物頂安裝電池板。西安交通大學李長久教授西安交通大學新能源材料制備與加工技術西安交通大學材料制備與加工技術 太陽電池的特點(3間歇性:產生的能量與負載匹配問題。受晝夜、季節(jié)、氣候變化的影響,較難與負載匹配。需要儲電裝置投資大、需要維護采用與其

15、它形式的電力并網發(fā)電。西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術太陽電池的特點(4 電池材料資源問題接受面積布滿太陽電池,需要大量材料640,000 (km2 面積上使用硅電池,按300m 厚計,約需4.57億噸太陽電池級高純硅。 地球資源中的硅是否存在充足的量?YES(T: 生產能力嚴重不足。全球冶金級硅的年生產量為:100萬噸/年高純半導體級硅的生產能力:2萬噸/年西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術通加發(fā)電成本問題使用太陽電池面臨的問題 提高轉換效率,降低發(fā)電成本 提高材料生產能力,滿足市場需求開發(fā)薄膜電池,減少對材料的需求西安交通大學新

16、能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術 本章小結地球能源資源是有限的,但能源需求在不斷增長 能源的構成礦物能源使用存在的問題 發(fā)展新能源技術的必要性 太陽輻射的特點太陽常數(shù)、大氣質量、太陽高度太陽電池的基本特點西安交通大學新能源材料制備與加工技西安交通大學材料制備與加工技術本講思考題1. 試算地處約北緯40o 的北京,分別在夏至與冬至、春分與秋分的正午時的太陽高度角、大氣質量與太陽直射輻射強度。并與約北緯25o 的福州(或昆明的上述值進行比較。2.處于南北極周圍的地區(qū),可以整天不見太陽。世界上哪些地區(qū)每年至少有一天將會出現(xiàn)這種情況。3. 夏至中午在西安(北緯35o 的總輻射為60mW/c