能源及新能源应用2015

能源及新能源应用暨南大学物理系2015、09、141能源的分类2化石能源3氢能源4太阳能5核能6化学电池7其它能源一、能源的分类一次能源：亦称“初级能源”或“天然能源”，定义：在自然界中可直接取得不必改变其基本形态的能源。二次能源：由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品。常规能源：即传统能源，已经大规模生产和广泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气。新能源：在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源。如氢能、太阳能、核能、风能、生物质能、地热能、海洋能等常见的能源太阳能化石能源：石油、煤炭、天然气水能风能潮汐能：海水潮流运动的能量海洋能：潮汐能、波浪能、海流能、温差能地热能：地球内部释放到地表的能量生物质：燃烧植物体放出热能核能：原子能氢能：

（严格来说它只是能量的载体）可再生能源：水力、风力、太阳能、生物质能、热地、氢能等。二、化石能源“标煤”是“标准煤”的简称。每kg标准煤为7000kcal=7000*4.18k.J/cal=29270000焦耳，相当于1.163千瓦时(度)电。1立方米天然气=1.33kg标准煤，1kg汽油=1.4714kg标准煤大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。能源结构单一，过渡依赖化石能源。经济增长、环境保护和社会发展的压力。特点：储量大、热值高（3倍汽油）、分布广、清洁无污染。三、氢能源氢能的利用

（1）直接燃烧（2）燃料电池氢气作为能源遇到的两个问题

氢气的制备氢气的储存（一）氢气的制备１热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物(煤、石油、天然气、生物质等)输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2

和

CH4

等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯，得到可以用做交通燃料气体。1）甲烷重整制氢:CH4+H2O=3H2+CO

这个反应是吸热反应，需要外部输入热量，反应温度大约700℃～850℃，反应压力为3×105Pa～2.5×105Pa。反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应器，经过水气置换反应，将CO转化为H2，提高了氢的产量。CO+H2O=H2+CO2

重整制氢的能量转换效率可以达到75%～80%，经济有效，如果将余热回收利用，效率可达85%以上2）部分氧化制氢将碳氢化合物部分氧化生成CO和氢的工艺。2CH4+O2=4H2+2CO加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行水气置换反应，以提高H2

的产量。最后再经过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。由于这个生产过程中也有CO2的排放，所以也是通向环保制氢的过渡。

3）利用煤和生物质等气化制氢将这些物质在高温下裂解成合成气后进行水气转换等过程，提高氢的成分，最后经过净化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢是目前广泛使用的制氢技术。2电解水制氢工艺该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的一条具有十分诱人前景的途径。

人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外一条途径。光合作用的核心是由太阳光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子。植物通过还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？人工光合作用将使这种想法成为可能，它完全抛弃了植物载体，只利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取氢气。（二）氢气的储存

类型典型技术体积密度重量密度备注物理方法液态氢71g/l~5wt%20K,能耗大高压氢39

g/l~3.3wt%RT,70MPa大比表吸附剂~1wt%80K纳米碳管<2wt%可逆存放量化学方法金属氢化物>100g/l<2wt%可实用速度吸\放氢量有机液体~50g/l~7wt%苯理论量其他含氢物质63

g/l>4wt%30%NaBH4溶液硼氢化合物热分解制氢——NH3BH3、LiBH4等水分解制氢——NaBH4（SBH）等BN纳米结构材料

硼促进贮氢材料含硼贮氢材料硼氢化物氢含量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硼氢化合物贮氢Prof.A.Zuttel,SwitzerlandUnivFribourg450℃左右可以获得13.5wt%H2LiBH4分解制氢强放热反应可以获得13.6wt%H2LiBH4分解制氢120℃-300℃19.6wt%H2不足:NH3BH3制备成本偏高

NH3BN3分解制氢

B99N99C186nanotubesAtomicstructuremodelsBN纳米结构贮氢近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达10%。太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。四、太阳能地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kW/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达172,500TW。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。太阳能的优点普遍不受地域限制，随处可得，无需开采、挖掘、架设输电线路，对边远山区、海岛尤为重要无害无废渣、废料、废水、废气，无噪声污染，安全可靠长久太阳年龄45亿岁，还有100亿岁。巨大地球每年接收来自太阳的能量1.68×10cal，地球每天接收的太阳能比整个世界一年所消耗的总能量还多200倍。方便无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意，可以方便地与建筑物结合等等。24太阳能电池的缺点强度弱垂直投射到地球表面643W/m2间歇性昼夜交替，四季变更不稳定同一地点、同一天内日出日落，阴晴变更目前人类所能够使用的能源形式（一）对太阳能的间接利用（二）太阳辐射能的直接利用与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：（1）没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“清洁能源”。（2）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。1、对太阳能直接利用的形式（1）对可见光的利用主要的利用途径是光电转换，即太阳能电池，把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。太阳能电池太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是目前最合适最理想的太阳能电池材料。充电小金刚推进舱轨道舱附加舱通讯舱太阳能电池太阳能电池按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等为材料的多元化合物电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）有机材料制备的有机大阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（正在研发）太阳能电池的发展方向材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，~100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合架设太阳电池组件日本：1994-2000年2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划280MW美国：1997~2010年百万屋顶计划3025MW集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃太阳能发电站

太阳能光伏发电系统主要由太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量设备等组成。太阳能发电站一旦建成即能运用,但初期投资较高。

加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能反射装置（2）对红外线的利用主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。低温热利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：空调制冷、制盐以及其它工业用热高温热利用：聚焦太阳灶、焊接机和高温炉（3）对紫外线的利用紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫外光的光子所具有的能量约为4.1eV，399kJ/mol，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347kJ/mol）、C-N（305kJ/mol）和C-S（259kJ/mol）键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。（一）核裂变能使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。五、核能1、放射性废料的危害核废料是指含有α、β和γ辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。核裂变能的利用带来的问题地球上有多少钚？据资料报道，6000克钚可制造成一枚原子弹，而其中仅有1克钚消失了，是它导演出了令人望而生畏的蘑菇云，按照爱因斯坦质能公式，这1克钚转化成核爆炸所需的全部能量。其能量之巨大，与2万吨三硝基炸药（TNT）相当。非常不幸的是，钚弹爆炸时，有95%的放射性钚都气化扩散到大自然中。人类在20世纪50—70年代进行大气层核试验产生的钚，至今仍残存在我们生活的环境中。在核试验最频繁的美国，尤其严重。与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处理，如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有“地葬”(掩埋法)、“天葬”(太空抛弃法)、“水葬”(深海投掷法)和“火葬”(煅烧法

)三种方法。切尔诺贝利核电站2、放射性核废料的处理核废料的存放到目前为止，我们仍未找到安全处理核废料的万全之策，目前世界各国通用的做法仍是用混凝土或金属容器封装好核废料，再深埋到1000m左右的地下岩洞、废气矿井或海底岩洞等核废料场中。按有关国际规定，这样的核废料场应有300年的安全期，但这仍远远小于钚Pu-239的半衰期（2万多年）。令人不安的是，当今世界上存在的19万吨含钚Pu-239的核废料正在衰变过程中，正以15km/s的高速度放射α粒子和其他放射线，污染着环境，危害着人类健康。科学家的努力在欧洲核子研究中心工作的卡洛斯•鲁比亚教授提出过一种新型核电站方案，它使用的核燃料不是钚，而是钍Th，钍不仅烧得干净，而且核废料中不含令人头痛的钚—239，没有放射性；英国菲尔德大学地质学家弗格斯•吉布新提出把核废料深埋到的地下岩层（而非现在的1000m深）。头几天，核废料将利用自身的余热使周围岩石融化，几个月后冷却，从而把核废料罐完全包裹起来，形成一个更安全的核废料坟墓。理论推导显示，5000m的深度，应该是钚—239的最好归宿。（二）核聚变太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。核聚变的引发和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一毫米时（100nm），核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到5.6×108k。

我国第一座核电站——浙江秦山核电站于1991年建成发电。核电站浙江秦山核电站广东大亚湾核电站。这是我国大陆第一座大型商用核电站广东岭澳核电站电池的分类：电池按照其使用性质的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大类。六、化学电池原电池（一次电池）锌锰干电池：负极是锌做的圆筒，正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。蓄电池

蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。内部构造外部构造锂电池

锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。锂电池自行车镍氢电池（高压镍氢电池）正极：Ni电极NiO（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-负极：氢电极1/2H2+OH-=H2O+e-总反应：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2电解质：KOH电池内氢气的压力：0.3-4MPa燃料电池

氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。氢在负极解离成H+和电子，H+进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。

在正极上，氧与电解液中的氢离子获得经外电路抵达正极上的电子而形成水。氢氧燃料电池原理图燃料电池的种类燃料电池按照电解质类型分为五种：碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)七、其它能源的应用1、生物质能：是从生物质转化产生能量。沼气的产生：沼气发生原理：以单糖（C6H12O6）为基质的发酵过程：2、生物柴油生物柴油及其应用历史：生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物，油棕、黄连木等油料林木果实，工程微藻等水生植物，以及动物油脂、废餐饮油（地沟油）等可再生物为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。制造方法与典型的工艺流程生物柴油制造方法技术方面存在的问题及解决办法酶的选择性、寿命与反应时间问题生物柴油的倾点?高、影响低温启动催化剂的研制反应的接触界面问题甘油皂对油品质量的影响燃烧残留物的微酸性问题甲醇的聚合问题残留甲醇与甘油的腐蚀性问题倾点——油品在标准规定的条件下，冷却时能够继续流动的最低温度凝点——油品在标准规定条件下，冷却到液面不移动的最高温度闪点——是燃油在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的空气混合，达到一定浓度时可被火星点燃时的燃油温度。3我国水电开发现状二、中国能源的实况

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