能源及新能源應(yīng)用2015

能源及新能源應(yīng)用暨南大學(xué)物理系2015、09、141能源的分類2化石能源3氫能源4太陽(yáng)能5核能6化學(xué)電池7其它能源一、能源的分類一次能源：亦稱“初級(jí)能源”或“天然能源”，定義：在自然界中可直接取得不必改變其基本形態(tài)的能源。二次能源：由一次能源經(jīng)過加工或轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的能源產(chǎn)品。常規(guī)能源：即傳統(tǒng)能源，已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛利用的能源。如煤炭、石油、天然氣。新能源：在新技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地開發(fā)利用的可再生能源。如氫能、太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿瘸Ｒ姷哪茉刺?yáng)能化石能源：石油、煤炭、天然氣水能風(fēng)能潮汐能：海水潮流運(yùn)動(dòng)的能量海洋能：潮汐能、波浪能、海流能、溫差能地?zé)崮埽旱厍騼?nèi)部釋放到地表的能量生物質(zhì)：燃燒植物體放出熱能核能：原子能氫能：

（嚴(yán)格來說它只是能量的載體）可再生能源：水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、熱地、氫能等。二、化石能源“標(biāo)煤”是“標(biāo)準(zhǔn)煤”的簡(jiǎn)稱。每kg標(biāo)準(zhǔn)煤為7000kcal=7000*4.18k.J/cal=29270000焦耳，相當(dāng)于1.163千瓦時(shí)(度)電。1立方米天然氣=1.33kg標(biāo)準(zhǔn)煤，1kg汽油=1.4714kg標(biāo)準(zhǔn)煤大氣中二氧化碳逐年增加，地球不斷變暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，造成的損失逐年增加?；茉磧?chǔ)量有限，消耗加快。能源結(jié)構(gòu)單一，過渡依賴化石能源。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的壓力。特點(diǎn)：儲(chǔ)量大、熱值高（3倍汽油）、分布廣、清潔無污染。三、氫能源氫能的利用

（1）直接燃燒（2）燃料電池氫氣作為能源遇到的兩個(gè)問題

氫氣的制備氫氣的儲(chǔ)存（一）氫氣的制備１熱化學(xué)工藝制氫熱化學(xué)工藝主要是將碳水化合物(煤、石油、天然氣、生物質(zhì)等)輸入高溫化學(xué)反應(yīng)器，生成由H2、CO、CO2

和

CH4

等組成的合成氣體，然后進(jìn)行重整和水氣置換反應(yīng)來提高氫的產(chǎn)量，最后將氫氣分離提純，得到可以用做交通燃料氣體。1）甲烷重整制氫:CH4+H2O=3H2+CO

這個(gè)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需要外部輸入熱量，反應(yīng)溫度大約700℃～850℃，反應(yīng)壓力為3×105Pa～2.5×105Pa。反應(yīng)產(chǎn)物合成氣被輸入到下一級(jí)水氣置換反應(yīng)器，經(jīng)過水氣置換反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)化為H2，提高了氫的產(chǎn)量。CO+H2O=H2+CO2

重整制氫的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到75%～80%，經(jīng)濟(jì)有效，如果將余熱回收利用，效率可達(dá)85%以上2）部分氧化制氫將碳?xì)浠衔锊糠盅趸蒀O和氫的工藝。2CH4+O2=4H2+2CO加入催化劑，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率會(huì)大大提高。反應(yīng)產(chǎn)物合成氣也和重整制氫一樣，需要進(jìn)行水氣置換反應(yīng)，以提高H2

的產(chǎn)量。最后再經(jīng)過分離提純，得到可以用于交通工具的燃料。由于這個(gè)生產(chǎn)過程中也有CO2的排放，所以也是通向環(huán)保制氫的過渡。

3）利用煤和生物質(zhì)等氣化制氫將這些物質(zhì)在高溫下裂解成合成氣后進(jìn)行水氣轉(zhuǎn)換等過程，提高氫的成分，最后經(jīng)過凈化處理得到燃料氫。其中煤的氣化制氫是目前廣泛使用的制氫技術(shù)。2電解水制氫工藝該反應(yīng)只要對(duì)電解槽通入直流電即可進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，效率較高，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了多種電解槽，如堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽等。用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能電解水是制氫的一條具有十分誘人前景的途徑。

人工光合作用的研究為太陽(yáng)能制氫提供了另外一條途徑。光合作用的核心是由太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子。植物通過還原碳元素的形式將太陽(yáng)能固定下來，能否不要將太陽(yáng)能固定在碳元素中得到利用呢？人工光合作用將使這種想法成為可能，它完全拋棄了植物載體，只利用光合作用的原理，通過光裂解水分子，直接提取氫氣。（二）氫氣的儲(chǔ)存

類型典型技術(shù)體積密度重量密度備注物理方法液態(tài)氫71g/l~5wt%20K,能耗大高壓氫39

g/l~3.3wt%RT,70MPa大比表吸附劑~1wt%80K納米碳管<2wt%可逆存放量化學(xué)方法金屬氫化物>100g/l<2wt%可實(shí)用速度吸\放氫量有機(jī)液體~50g/l~7wt%苯理論量其他含氫物質(zhì)63

g/l>4wt%30%NaBH4溶液硼氫化合物熱分解制氫——NH3BH3、LiBH4等水分解制氫——NaBH4（SBH）等BN納米結(jié)構(gòu)材料

硼促進(jìn)貯氫材料含硼貯氫材料硼氫化物氫含量wt%研究者formulareactionLiBH418.213.5Zuteletal.NaBH410.510.8MillenniumCelletal.NH3BH319.519.5Wolfetal.NH4BH424.524.5Unstable>-20℃Al(BH4)316.8PotentialchemicalsubstanceforH2storageMg(BH4)214.8LiAlH2(BH4)215.2硼氫化合物貯氫Prof.A.Zuttel,SwitzerlandUnivFribourg450℃左右可以獲得13.5wt%H2LiBH4分解制氫強(qiáng)放熱反應(yīng)可以獲得13.6wt%H2LiBH4分解制氫120℃-300℃19.6wt%H2不足:NH3BH3制備成本偏高

NH3BN3分解制氫

B99N99C186nanotubesAtomicstructuremodelsBN納米結(jié)構(gòu)貯氫近年來，大量的研究集中在納米碳管儲(chǔ)氫方面，主要是人們認(rèn)為納米碳管的儲(chǔ)氫容量高，理論上可達(dá)10%。太陽(yáng)能即太陽(yáng)輻射能，它是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。四、太陽(yáng)能地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1367kW/m2。地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)172,500TW。也就是說太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)普遍不受地域限制，隨處可得，無需開采、挖掘、架設(shè)輸電線路，對(duì)邊遠(yuǎn)山區(qū)、海島尤為重要無害無廢渣、廢料、廢水、廢氣，無噪聲污染，安全可靠長(zhǎng)久太陽(yáng)年齡45億歲，還有100億歲。巨大地球每年接收來自太陽(yáng)的能量1.68×10cal，地球每天接收的太陽(yáng)能比整個(gè)世界一年所消耗的總能量還多200倍。方便無需消耗燃料，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)便，可以無人值守，建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意，可以方便地與建筑物結(jié)合等等。24太陽(yáng)能電池的缺點(diǎn)強(qiáng)度弱垂直投射到地球表面643W/m2間歇性晝夜交替，四季變更不穩(wěn)定同一地點(diǎn)、同一天內(nèi)日出日落，陰晴變更目前人類所能夠使用的能源形式（一）對(duì)太陽(yáng)能的間接利用（二）太陽(yáng)輻射能的直接利用與其他能源相比，太陽(yáng)能具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產(chǎn)生的有害氣體和廢渣，因而不污染環(huán)境，被稱作“清潔能源”。（2）到處都可以得到太陽(yáng)能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。1、對(duì)太陽(yáng)能直接利用的形式（1）對(duì)可見光的利用主要的利用途徑是光電轉(zhuǎn)換，即太陽(yáng)能電池，把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。這是人們目前對(duì)太陽(yáng)能利用的主要方式之一。太陽(yáng)能電池利用太陽(yáng)光中高達(dá)九成以上的可見光。太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流、光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。硅是目前最合適最理想的太陽(yáng)能電池材料。充電小金剛推進(jìn)艙軌道艙附加艙通訊艙太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池按照所用材料的不同：硅太陽(yáng)能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅）（光電轉(zhuǎn)化效率高，成本高，制備工藝復(fù)雜?。┮詿o機(jī)鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等為材料的多元化合物電池（鎘：劇毒。銦、硒：稀有元素）有機(jī)材料制備的有機(jī)大陽(yáng)能電池（處于研發(fā)初期、轉(zhuǎn)化效率低、使用壽命短）染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池（正在研發(fā)）太陽(yáng)能電池的發(fā)展方向材料與器件結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)各種太陽(yáng)能電池材料研究雜質(zhì)與缺陷的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性影響使用薄膜技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)跟蹤與聚光儲(chǔ)電及并網(wǎng)發(fā)電結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電已占50%以建成多個(gè)兆瓦級(jí)的電站，~100MW規(guī)模VS太陽(yáng)能熱發(fā)電站與建筑物結(jié)合架設(shè)太陽(yáng)電池組件日本：1994-2000年2萬套屋頂光伏系統(tǒng)185MW；七萬屋頂計(jì)劃280MW美國(guó)：1997~2010年百萬屋頂計(jì)劃3025MW集成在建筑材料上曲線形屋頂瓦、垂直幕墻、窗用玻璃太陽(yáng)能發(fā)電站

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池陣列、貯能蓄電池、防反充二極管、充電控制器及逆變器、測(cè)量設(shè)備等組成。太陽(yáng)能發(fā)電站一旦建成即能運(yùn)用,但初期投資較高。

加利福尼亞一家太陽(yáng)能發(fā)電站中的太陽(yáng)能反射裝置（2）對(duì)紅外線的利用主要的利用途徑是光熱轉(zhuǎn)換，即把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成熱能。太陽(yáng)能熱利用可分為：低溫?zé)崂谩⒅袦責(zé)崂煤透邷責(zé)崂谩５蜏責(zé)崂茫旱啬?、塑料大棚以及干燥器、蒸餾、供暖、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中溫?zé)崂茫嚎照{(diào)制冷、制鹽以及其它工業(yè)用熱高溫?zé)崂茫壕劢固?yáng)灶、焊接機(jī)和高溫爐（3）對(duì)紫外線的利用紫外線具有殺菌功效。波長(zhǎng)為300nm的紫外光的光子所具有的能量約為4.1eV，399kJ/mol，它比細(xì)菌的蛋白質(zhì)分子中重要的化學(xué)鍵C-C（347kJ/mol）、C-N（305kJ/mol）和C-S（259kJ/mol）鍵的鍵能大，因此紫外光的能量足以使這些化學(xué)鍵斷裂，從而破壞細(xì)菌的蛋白質(zhì)分子，達(dá)到殺菌的目的。（一）核裂變能使一個(gè)重原子核分裂成為兩個(gè)或兩個(gè)以上中等質(zhì)量原子核的過程，稱為核裂變。核裂變是取得核能的重要途徑之一。只有一些質(zhì)量非常大的原子核，像鈾、釷等才能發(fā)生核裂變。原子核在發(fā)生核裂變時(shí)，釋放出巨大的能量，1克235U完全發(fā)生核裂變后放出的能量相當(dāng)于燃燒2.5噸煤所產(chǎn)生的能量。五、核能1、放射性廢料的危害核廢料是指含有α、β和γ輻射的不穩(wěn)定元素并伴隨有熱產(chǎn)生的無用材料，核廢料進(jìn)入環(huán)境后會(huì)造成水、大氣、土壤的污染，并通過各種途徑進(jìn)入人體，當(dāng)放射性輻射超過一定水平，就能殺死生物體的細(xì)胞，妨礙正常細(xì)胞分裂和再生，引起細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的突變。核裂變能的利用帶來的問題地球上有多少钚？據(jù)資料報(bào)道，6000克钚可制造成一枚原子彈，而其中僅有1克钚消失了，是它導(dǎo)演出了令人望而生畏的蘑菇云，按照愛因斯坦質(zhì)能公式，這1克钚轉(zhuǎn)化成核爆炸所需的全部能量。其能量之巨大，與2萬噸三硝基炸藥（TNT）相當(dāng)。非常不幸的是，钚彈爆炸時(shí)，有95%的放射性钚都?xì)饣瘮U(kuò)散到大自然中。人類在20世紀(jì)50—70年代進(jìn)行大氣層核試驗(yàn)產(chǎn)生的钚，至今仍殘存在我們生活的環(huán)境中。在核試驗(yàn)最頻繁的美國(guó)，尤其嚴(yán)重。與核能相關(guān)的一個(gè)最困難的問題就是在開采、燃料生產(chǎn)以及反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中產(chǎn)生的核廢料的處理，如何處理這些廢料可能將是最終核能使用的最大障礙。目前，核廢料的處理有“地葬”(掩埋法)、“天葬”(太空拋棄法)、“水葬”(深海投擲法)和“火葬”(煅燒法

)三種方法。切爾諾貝利核電站2、放射性核廢料的處理核廢料的存放到目前為止，我們?nèi)晕凑业桨踩幚砗藦U料的萬全之策，目前世界各國(guó)通用的做法仍是用混凝土或金屬容器封裝好核廢料，再深埋到1000m左右的地下巖洞、廢氣礦井或海底巖洞等核廢料場(chǎng)中。按有關(guān)國(guó)際規(guī)定，這樣的核廢料場(chǎng)應(yīng)有300年的安全期，但這仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于钚Pu-239的半衰期（2萬多年）。令人不安的是，當(dāng)今世界上存在的19萬噸含钚Pu-239的核廢料正在衰變過程中，正以15km/s的高速度放射α粒子和其他放射線，污染著環(huán)境，危害著人類健康?？茖W(xué)家的努力在歐洲核子研究中心工作的卡洛斯?魯比亞教授提出過一種新型核電站方案，它使用的核燃料不是钚，而是釷Th，釷不僅燒得干凈，而且核廢料中不含令人頭痛的钚—239，沒有放射性；英國(guó)菲爾德大學(xué)地質(zhì)學(xué)家弗格斯?吉布新提出把核廢料深埋到的地下巖層（而非現(xiàn)在的1000m深）。頭幾天，核廢料將利用自身的余熱使周圍巖石融化，幾個(gè)月后冷卻，從而把核廢料罐完全包裹起來，形成一個(gè)更安全的核廢料墳?zāi)埂＠碚撏茖?dǎo)顯示，5000m的深度，應(yīng)該是钚—239的最好歸宿。（二）核聚變太陽(yáng)的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量。在太陽(yáng)內(nèi)部，這個(gè)天然的核聚變過程以及發(fā)生了了好幾十億年了。核聚變的引發(fā)和平利用聚變能實(shí)驗(yàn)非常困難，因?yàn)楹肆κ且环N短程力，只有當(dāng)它們之間的距離接近到大約萬分之一毫米時(shí)（100nm），核力能才起作用，使兩個(gè)原子核聚合在一起，放出巨大的能量。所有的原子核都帶正電，兩個(gè)帶正電的原子核互相接近時(shí)，它們之間的庫(kù)侖斥越來越大。所以實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的條件是反應(yīng)中的原子核必須具有很高的能量來克服靜電斥力，使兩核之間的距離進(jìn)入核力力程。據(jù)測(cè)算這樣的能量將使氘核的溫度達(dá)到5.6×108k。

我國(guó)第一座核電站——浙江秦山核電站于1991年建成發(fā)電。核電站浙江秦山核電站廣東大亞灣核電站。這是我國(guó)大陸第一座大型商用核電站廣東嶺澳核電站電池的分類：電池按照其使用性質(zhì)的不同可以分為干電池、蓄電池、儲(chǔ)備電池和燃料電池等幾大類。六、化學(xué)電池原電池（一次電池）鋅錳干電池：負(fù)極是鋅做的圓筒，正極是一根碳棒，周圍被二氧化錳、碳粉和氯化銨的混合劑包圍。蓄電池

蓄電池又稱二次電池，可以通過充電使活性物質(zhì)再生。蓄電池的兩極均以鉛板為骨架，正極鉛板上是二氧化鉛，負(fù)極鉛板上是海綿狀鉛。內(nèi)部構(gòu)造外部構(gòu)造鋰電池

鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，照相機(jī)等耗電量較低的電子產(chǎn)品中主要使用不可充電的一次鋰電池，而攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)及筆記本電腦等耗電量較大的電子產(chǎn)品中則使用可充放電的二次鋰電池。鋰電池自行車鎳氫電池（高壓鎳氫電池）正極：Ni電極NiO（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-負(fù)極：氫電極1/2H2+OH-=H2O+e-總反應(yīng)：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2電解質(zhì)：KOH電池內(nèi)氫氣的壓力：0.3-4MPa燃料電池

氫氧燃料電池工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣或氧氣）。氫在負(fù)極解離成H+和電子，H+進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極，用電的負(fù)載就接在外部電路中。

在正極上，氧與電解液中的氫離子獲得經(jīng)外電路抵達(dá)正極上的電子而形成水。氫氧燃料電池原理圖燃料電池的種類燃料電池按照電解質(zhì)類型分為五種：堿性燃料電池(AFC)磷酸型燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)固體氧化物型燃料電池(SOFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)七、其它能源的應(yīng)用1、生物質(zhì)能：是從生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生能量。沼氣的產(chǎn)生：沼氣發(fā)生原理：以單糖（C6H12O6）為基質(zhì)的發(fā)酵過程：2、生物柴油生物柴油及其應(yīng)用歷史：生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物，油棕、黃連木等油料林木果實(shí)，工程微藻等水生植物，以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油（地溝油）等可再生物為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。制造方法與典型的工藝流程生物柴油制造方法技術(shù)方面存在的問題及解決辦法酶的選擇性、壽命與反應(yīng)時(shí)間問題生物柴油的傾點(diǎn)?高、影響低溫啟動(dòng)催化劑的研制反應(yīng)的接觸界面問題甘油皂對(duì)油品質(zhì)量的影響燃燒殘留物的微酸性問題甲醇的聚合問題殘留甲醇與甘油的腐蝕性問題傾點(diǎn)——油品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下，冷卻時(shí)能夠繼續(xù)流動(dòng)的最低溫度凝點(diǎn)——油品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下，冷卻到液面不移動(dòng)的最高溫度閃點(diǎn)——是燃油在規(guī)定結(jié)構(gòu)的容器中加熱揮發(fā)出可燃?xì)怏w與液面附近的空氣混合，達(dá)到一定濃度時(shí)可被火星點(diǎn)燃時(shí)的燃油溫度。3我國(guó)水電開發(fā)現(xiàn)狀二、中國(guó)能源的實(shí)況

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