第五章绿色能源材料课件

1、第二部分 环境替代材料 第五章 绿色能源材料 1能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。新能源的发现和先进能源技术的使用推动了人类社会的发展。2人力、畜力、风力和水力人力、畜力、风力和水力热能人力、畜力、风力和水力热能、电力蒸汽机第二次工业革命电子技术能源的发展很多问题：矿物燃料的枯竭、环境污染等第一次工业革命3问题阻碍了人类社会的发展资源与能源最充分利用技术、环境最小负担技术（绿色能源和绿色能源材料）41. 能源需求的持续增长19661973年19731979年19791985年19851990

2、年世界平均(%)5.12.70.92.2发达国家(%)4.92.00.11.3发展中国家(%)6.36.04.05.0中国5.46.73.44.6其他发展中国家6.85.54.35.2世界能源消费的增长率波动较大，但总的趋势是增长！表1 世界一次能源消费的增长率52. 能源结构的变化表2 世界一次商品的能源构成1950年1960年1970年1980年1990年一次能源供应(108吨标油)17.528.948.562.780.3煤(%)57.546.030.528.327.3油(%)31.037.848.748.638.6天然气(%)9.714.218.619.921.6水力(%)1.62.02

3、.12.36.7核能(%)0-0.10.95.8从70年代开始，原油已代替原煤在能源消费中占首位，天然气的消耗比例也在增加；新能源的比例增加也非常迅速！63. 矿物资源面临的枯竭表3 19902020年矿物能源预测 单位：亿吨标油石油天然气煤合计探明储量(1991年底)1350114052007700估计增加储量65010602880030500合计资源量200022003400038200累计需求量(19902020年)10006808502530能源供给量与需求关系形势严峻！74. 矿物燃料燃烧造成的污染SO2、 CO2、 CO、NOx、三四苯并芘、烟尘等。8 主要内容5.1 绿色能源与材

4、料5.2 太阳能电池材料5.4 生物质能源材料5.3 热电材料95.1 绿色能源与材料1. 绿色能源和绿色能源材料绿色能源是指洁净的能源，如太阳能、风能、水能以及废热、垃圾发电能源。绿色能源材料包括直接或间接产生能源或改变能源状态的各种材料。如新型的二次电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、热电材料、生物质能源材料、相变蓄热材料、储氢材料等。102. 绿色能源材料的作用绿色能源材料把原来习用已久的能源变成新能源；一些绿色能源材料可以提高储能和能量转换效果；绿色能源材料决定着核反应堆的性能与安全性；材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着绿色能源的投资与运行成本。113. 绿色能源材料的任务和面

5、临的课题研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率；资源的合理利用；安全与环境保护；材料规模生产的制作与加工工艺；延长材料的使用寿命。125.2 太阳能电池材料13一、 太阳能太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源；不会产生有害废渣和气体，不会污染环境；没有地域和资源限制，有阳光的地方，到处可以利用，使用方便安全。地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一14二、太阳能电池15世界

6、太阳能电池发展的主要节点年份 重要节点1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为61955 第一个光伏航标灯问世，美国RCA 发明Ga As 太阳能电池1958 太阳能电池首次装备于美国先锋1 号卫星，转换效率为8。1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。1960 太阳能电池首次实现并网运行。1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世1978 美国建成100KW 光伏电站1980 单晶硅太阳能电池效率达到20，多晶硅为14.5，Ga As 为22.51986 美国建成6.5KW 光伏电站1990 德国提出“2000 光伏屋顶计划”1995

7、 高效聚光Ga As 太阳能电池问世，效率达32。1997 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划日本提出“新阳光计划”161. 意义太阳能电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电能，是对环境无污染的可再生能源。开发宇宙空间所需的连续不断的能源；解决目前化石能源的环境污染问题；为日益发展的消费电子产品随时随地的供电。172. 工作原理光伏效应(Photovoltaic Effect, PV)183. 太阳能电池的分类 1、硅系太阳能电池 2、多元化合物薄膜太阳能电池 3、聚合物多层修饰电极型电池 4、纳米晶化学太阳能电池据所用材料分砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太

8、阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池194. 太阳能电池的发展自20世纪70年代以来，太阳电池的全球平均年增长率达30%以上。(1) 2006年太阳级硅锭产量约3700吨， 2007年预计可达6000吨。(2) 2006年我国太阳电池产量已达到370MW超过美国(202MW)，成为继日本、欧洲之后的第三大太阳电池生产国，2007年预计达到800MW。(3) 2006年光伏组件产量为600MW， 2007年预计1GW。(4) 设备制造和专用材料生产正处在快速国产 化过程中，一些设备甚至开始出口，如单晶炉、扩散炉和组件制造设备等；技术难度较大的设备如线锯等已经有样机。(5) 我国已经有10家光伏公司在国外

9、上市，形成了一个国际化的光伏产业群体，其中包括了无锡尚德（迅速做大的第一个典型）、新余LDK（06年5月投产，当年即成为亚州第一，07年6月在纽交所上市，07年8月18日投资亿的吨多晶硅项目开工）这样的优质企业。20三、太阳能电池材料1.太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带不能太宽：1.1eV到1.7eV之间 要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定硅的禁带宽度为1.12eV，是地球上蕴含量第二丰富的元素，硅本身无毒性，它的氧化物稳定 ，硅太阳能电池是最有发展前景。212. 主要的太阳能材料材料禁带宽度(eV)禁带性质迁移率(cm2/(Vs)晶系晶格常数

10、(nm)实用状况电子空穴晶体Si1.12间接1500450立方a=0.543制作的电池占市场份额的70%-80%非晶Si1.5-2.010.1制作的电池占市场份额的10%-20%Ge0.66间接39001900立方a=0.5646用作空间电池的衬底GaAs1.424直接8500400立方a=0.5653已开始用于空间太阳电池InP1.35直接4600150立方a=0.5869耐辐射性能优异，处于研究开发阶段AlSb1.6间接900400立方a=0.37禁带宽度适合太阳电池，但因材料腐蚀，未获应用CdS2.42直接340-立方a=0.4136c=0.6176构成薄膜电池一极Cu2S1.2间接-3

11、0立方a=1.188 c=1.349与CdS构成的太阳电池因出现衰退现象，已淘汰CdTe1.44直接70065立方a=0.6477独自制作薄膜电池或与CdS结合，构成的太阳电池已商品化CuInSe21.04间接30020立方a=0.5782c=1.162与CdS构成的太阳电池正进入商品化表4 太阳电池的材料 在各种类型的太阳电池中，晶体硅太阳电池由于其转换效率高，技术成熟而继续保持领先地位，占据了90%以上的份额，预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。22硅太阳能电池的材料分配单晶硅35.17% 铸造多晶硅47.54% 非晶硅8.30% 直拉硅上非晶硅4.63% 带硅3.50% 其他材料0.86

12、% 233. 多晶硅(1) 多晶硅制备技术目前国际上多晶硅生产的在线制备技术主要有两种： 1）改良西门子法 2）硅烷法 另有两种尚未正式用于生产线的技术为： 1）流化床法 2）冶金法 它们均有可能在 5-10 年内发展成为正式的生产线技术241) 改良西门子法工艺流程原理以三氯氢硅为原料，通过分馏分离杂质，然后用氢还原在加热到高温的管上收集生成的多晶硅 Si+3HCl=SiHCl3+H2 SiHCl3+H2 = Si+3HCl 2(SiHCl3) = Si+HCl+SCl425改良西门子法生产线的改进通过三次更新换代，实现了物料的闭路循环； 集成了自动控制、热能工程、防腐蚀、防泄漏、副产品开发

13、利用等多项跨领域的技术；建立了现代化的生产线26优点1）能够保质保量大批生产，占世界产量的76% ；2）通过研究改进，还有进一步提高还原反应转化率的潜力；3）通过研究改进，还有进一步降低能耗、成本和固定资产投资额度的潜力；27问题和不足处1）三氯氢硅还原反应的转化率低;2）除瓦克公司外，都仍在采用固态床；3）必需先停下还原炉，然后才能够取出多晶硅产物，尚未达到完全自动化的连续生产;4）能耗高；5）生产成本高；6）投资门槛高；7）建设周期长；8）资金回收慢282) 硅烷法Mg2Si+4NH4Cl=2MgCl2+4NH3+SiH4SH4=Si+2H23) 四氯化硅氢还原法Si+2Cl2=SiCl4

14、SiCl4 +2H2=Si+4HCl29303132335.3 生物质能源材料生物质(biomass)主要是指可再生或循环的有机物质(organic matter that is available on a renewable or recurring basis)，包括农作物、树木和其他植物及其残体(residuces)，尤其是非食物用木质纤维素类物质(non-food-plant)。生物质能源材料包括农作物秸秆、林业废弃物、畜禽粪便及其他有机物废弃物、利用边缘土地和水面种植和养殖非食用性动植物和藻类，以及考虑到消化过剩农产品的需要也涵盖了农产品的淀粉和脂肪酸。 345.3 生物质能源材料

15、一、燃料乙醇以玉米、小麦、薯类、糖蜜或植物等为原料，经发酵、蒸馏而制成。环保型的可再生能源燃料乙醇产业可解决陈化粮问题，增加农民收入。 351. 燃料乙醇的特性燃料乙醇的性质和汽油类似！表4 几种代用燃料的物化特性柴油甲醇乙醇汽油分子式-CH3-OHCH3-CH2-OH低热值(MJ/kg)42.519.525.044.2密度(g/ml)0.840.790.810.74十六烷值40-5558-自燃温度()250450420468辛烷值-11110892当量空燃比14.66.59.014.8沸点()180-370657830-190粘度(PaS, 20)2-40.6-0.43蒸发值25011109

16、04420燃烧极限(在空气中的%值)0.6-6.55.5-253.5-15-5.3 生物质能源材料365.3 生物质能源材料乙醇不单是一种优良燃料，而且是一种优良的燃油品质改善剂第一，燃料乙醇具有自供氧性，可以增加汽油的含氧量，使汽油燃烧更充分；使用含有10%燃料乙醇的车用乙醇汽油，可以减少汽车尾气CO排放量30%以上、CH排放量10%，使汽车尾气中氮氧化物、酮类等污染物浓度明显降低，达到节能和环保目的。第二，乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般都在120左右，作为汽油的高辛烷值组分，它可有效提高汽油的抗爆性(辛烷值)。第三，在新标准汽油中，乙醇还可以经济有效地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂

17、的改造费用。第四，乙醇是太阳能的一种表现形式，在整个自然界这个大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和洁净的闭路循环过程，永恒再生永不枯竭。375.3 生物质能源材料2. 燃料乙醇的制备技术385.3 生物质能源材料3. 燃料乙醇产业的发展 70年代的石油危机催生巴西燃料乙醇产业05年美国燃料乙醇产量比01年翻番巴西04年产量达1272万吨欧盟、日本等国加大扶持力度国际燃料乙醇产业发展加速395.3 生物质能源材料中国已成为世界第三大生物燃料乙醇生产国。据统计，目前全国生产的燃料乙醇总量为102万吨，预计，2010年可达每年300万吨。405.3 生物质能源材料4.发展燃料乙醇的拦路虎

18、 燃料乙醇引发粮食问题 ：与人争粮、与人争地技术、成本问题亟待解决 415.3 生物质能源材料二、生物柴油生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料，也称之为再生燃油。 421. 生物柴油的特性表5 生物柴油与矿物柴油的某些性质比较项目蛇骨柴油矿物柴油冷滤点()夏季产品-10冬季产品-20夏季产品0冬季产品-2020时密度(g/ml)0.880.8340运动粘度(mm2/s)4-62-4闪点()10060十六烷值最小56最小49热值(MJ/L)3235硫含量(%质量)0.001 0.2氧含量(%体积)100理论质量空燃比(kg/kg)12.514.5燃烧功效(柴油

19、为100%)104100水危害等级123周后的生物分解率(%)9870生物柴油性能明显优于矿物柴油431. 生物柴油的特性以可再生动物及植物脂肪酸单醋为原料，可减少对石油的需求量和进口量；具有良好的燃料特性，与普通柴油相比具有较好的发动机低温启动性能，无添加剂时冷凝点达-20，较好的润滑性能，开口闪点高，易于运输储存；生物柴油具有较高的石化效能比，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染，环境友好，与普通柴油相比采用生物柴油车辆的尾气中有毒有机物的排放量仅为1/10，颗粒物为20%，CO2和 CO排放量仅为10%，无SO2和铅及有毒物质的排放，混合生物柴油可将排放物中的含硫物质量分数从510-

20、4降低到 510-6，见表4-7；具有较好的润滑性能。无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。442. 生物柴油的制备技术直接混合法或稀释法 微乳化法高温热裂解法酯交换法生物酶催化法超临界甲醇法453. 生物柴油产业的发展1988年由德国聂尔公司发明以来，凭借自身的突出的环保性和可再生性，引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。西方国家为发展生物柴油，在行业规范和政策鼓励下采取了一系列积极措施。 美国有4家生物柴油生产厂，总能力为30万吨年。欧盟国家主要以油菜为原料，2001年生物柴油产量已超过100万吨。462000年德国的生物柴油已达

21、45万吨，德国还于2001年月11日在海德地区投资5000万马克，兴建年产10万吨的生物柴油装置。法国有7家生物柴油生产厂，总能力为40万吨年，使用标准是在普通柴油中掺加5%生物柴油，对生物柴油的税率为零。意大利有9个生物柴油生产厂，总能力33万吨年，对生物柴油的税率为零。奥地利有3个生物柴油生产厂，总能力5.5万吨年，税率为石油柴油的4.6%。比利时有2个生物柴油生产厂，总能力24万吨年。日本生物柴油生产能力也达到40万吨年。 47我国生物柴油的研究与开发虽起步较晚，但发展速度很快，一部分科研成果已达到国际先进水平。 485.4 热电材料49余热资源图2 玻璃窑炉余热排放示意图玻璃熔池粉料蓄

22、热室蓄热室碎玻璃燃料供入热散热排烟孔口散热玻璃液 图1 炼铁炉余热排放示意图铁矿石石灰石铁炉渣高炉气焦炭空气50余热资源我国平均能源利用率较低30%，余热资源大量存在！据统计，余热占总能耗的17%67%！可以回收的余热占总余热的60%！余热的利用可以节省大量燃料、减少大气污染、增加产量、降低成本！51余热资源表1 中国工业余热资源分布情况工业部门余热种类余热温度/ 钢铁工业焦炭显热、烧结矿显热、燃烧排气余热、低温水1050、650、250300、5070铜精炼厂气体余热、固体余热1200、1200化工工业气体余热、固体余热200700、1800工业锅炉气体余热150300工业窑炉气体余热200

23、1500电力工业低温水、气体余热3050、300500轻工业气体余热80120交通运输气体余热30040052余热资源余热利用：直接利用和间接利用低温余热(650) 利用储能物质储存 直接加热物体 直接加热物体 热电材料发电 利用储能物质储存 涡轮机发电534.3 热电材料热电材料：是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。1823年，德国人塞贝克（Seebeck）发现温差致电；1834年，法国钟表匠珀耳帖（Peltier）发现了电致温差。544.3 热电材料一、热电材料工作原理(热电效应)Seebeck效应 ：Vyz = Sab(T1一T2) 导体a导体bT2T112yz导体a导体bT2T11yzPeltier效应： 554.3 热电材料二、热电材料和器件的优点体积小无需传动装置无需介质可靠性高寿命长无噪音564.3 热电材料三、热电材料性能要求较高的热电优值Z ：无毒无害长期使用物理、化学性能稳定574.3 热电材料四、典型的热电材料传统热电材料：Bi2Te3基合金、PbTe基合金、SiGe合金新型热电材料：方钴矿( Skutterudites )材料 、低维热电材料 、氧化物热电材料 、准晶材料 584.3 热电材料Bi2Te3基合金研究最早、最