Aydavz2008新能源发电技术和电化学技术在新能源中的利用

生命是永恒不断的创造，因为在它内部蕴含着过剩的精力，它不断流溢，越出时间和空间的界限，它不停地追求，以形形色色的自我表现的形式表现出来。－－泰戈尔第2章章(2)2.2太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理2.2.1太阳能电池太阳能电池的物理基础(1)的物理基础固体能带理论*固体能带理论*能带的形成单个原子的能级NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering12.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(2)太阳能电池的物理基础固体能带理论**固体能带理论**能带的形成晶体原子共有化运动NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering22.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(3)太阳能电池的物理基础固体能带理论***固体能带理论***能带的形成N个原子形成个能级个原子形成2N个能级个原子形成能带允带禁带又称能隙NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering32.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(4)太阳能电池的物理基础固体能带理论****固体能带理论****能带的形成导带:导带:未被电子填满的能带或空能带满带或价带:满带或价带:已被电子填满的能带满带中的电子在外界电场作用下不能移动,满带中的电子在外界电场作用下不能移动,不起导电作用NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering42.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(5)太阳能电池的物理基础固体能带理论*****固体能带理论*****金属,金属,绝缘体和半导体导体能带分布图绝缘体能带分布除非外电场相当强,绝缘体能带分布除非外电场相当强,否则不能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带.能使电子获得足够能量从满带跃迁到空带.在常温下,在常温下,满带中少数电子在热激发下能够越过禁带跃迁到空带中去,越过禁带跃迁到空带中去,这时半导体具有一定的导电性.一定的导电性.NorthChinaElectricPowerUniversity金属DepartmentofElectricalEngineering电力工绝缘体程系半导体52.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(6)太阳能电池的物理基础本征半导体和参杂半导体*本征半导体和参杂半导体元素半导体:元素半导体:由同一种原子组成的半导体化合物半导体:化合物半导体:由两种以上原子组成的半导体本征半导体:本征半导体:绝对纯的没有缺陷的半导体本征载流子浓度n本征硅中的电子浓度本征硅中的电子浓度n等于空本征载流子浓度i:本征硅中的电子浓度等于空穴浓度p,称为本征载流子浓度n穴浓度,称为本征载流子浓度i.ni随温度升高而增加,室温时硅的i为1010/cm3随温度升高而增加,室温时硅的nNorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering62.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(7)太阳能电池的物理基础本征半导体和参杂半导体**本征半导体和参杂半导体n型半导体:硅晶体中掺入少量型半导体:型半导体五价元素磷或砷原子或砷原子.五价元素磷或砷原子.磷或砷原子称为施主.原子称为施主.这种杂质半导体主要靠施主能级激发到导带中去的电子来导电,中去的电子来导电,称为电子型半导体或n型半导体型半导体.型半导体或型半导体.p型半导体:硅晶体中掺入少量型半导体:型半导体三价硼原子原子.三价硼原子.硼原子称为受主.这种杂质半导体的导电机构主要取决于满带空穴运动,主要取决于满带空穴运动,故称空穴半导体或p型半导体型半导体.称空穴半导体或型半导体.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering72.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(8)太阳能电池的物理基础本征半导体和参杂半导体***本征半导体和参杂半导体n型半导体:施主浓度为D,n≈ND,电子浓度型半导体:施主浓度为N型半导体≈远大于空穴浓度,电子为多数载流子称为多子,远大于空穴浓度,电子为多数载流子称为多子,空穴称为少子.空穴称为少子.p型半导体:受主浓度为A,p≈NA.电子少子型半导体:电子少子,型半导体受主浓度为NA,空穴多子同时存在施主和受主杂质时nn≈ND-NA(ND>NA)pp≈NA-ND(NA>ND)NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering82.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(9)太阳能电池的物理基础载流子浓度和费米能级半导体平衡判据np=NcNve(EcEv)/kT=NcNveEg/kT=n2i温度升高时,费米能级向本征费米能级靠近,温度升高时,费米能级向本征费米能级靠近,电子和空穴浓度不断增加,不论P型硅还是型硅还是N型电子和空穴浓度不断增加,不论型硅还是型在温度很高时都会变成本征硅,硅,在温度很高时都会变成本征硅,电子浓度n等于空穴浓度.等于空穴浓度p.等于空穴浓度NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering92.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(10)太阳能电池的物理基础电子和空穴的运输漂移和扩散:引起电子和空穴发生净位移,漂移和扩散:引起电子和空穴发生净位移,即产生电子和空穴的运输,生电子和空穴的运输,外电场引起漂移载流子浓度差引起扩散引起漂移,外电场引起漂移,载流子浓度差引起扩散半导体在外电场的作用下,半导体在外电场的作用下,在载流子的热运动上叠加的一个速度为漂移速度在同一电场时,在同一电场时,电子漂移的速度比空穴快产生与复合"产生-输运-复合"过程,反映了包括太阳能产生-输运-复合"过程,电池在内的大多数半导体器件工作过程,电池在内的大多数半导体器件工作过程,对于分析太阳能电池的工作性能很重要.析太阳能电池的工作性能很重要.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering102.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(11)太阳能电池的物理基础产生与复合*产生与复合产生热平衡状态下的型半导体必须满足型半导体必须满足n热平衡状态下的N型半导体必须满足n0pn0=ni2非平衡载流子或过剩载流子:受到光照时,非平衡载流子或过剩载流子:受到光照时,价带中的电子吸收光子中的能量跃迁进入导带,电子吸收光子中的能量跃迁进入导带,在价带中留下等两空穴.这些多于平衡浓度的光生电子和空穴叫非等两空穴.这些多于平衡浓度的光生电子和空穴叫非平衡载流子或过剩载流子.平衡载流子或过剩载流子.载流子的注入:载流子的注入:这种由于外界条件的改变而使半导体产生非平衡载流子的过程,称为载流子的注入载流子的注入,产生非平衡载流子的过程,称为载流子的注入,简称注入或激发.有光注入,热注入电注入等.注入或激发.有光注入,热注入电注入等.载流子的抽取:载流子的抽取:半导体载流子浓度积小于平衡载流子浓度积的情况.浓度积的情况.大注入:大注入:nnpn>>nn0pn0=ni2小注入:小注入:nnpn>nn0pn0=ni2NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering112.2.1太阳能电池的物理基础太阳能电池的物理基础(12)太阳能电池的物理基础产生与复合**产生与复合复合载流子浓度偏离了其平衡值时,载流子浓度偏离了其平衡值时,它们就有恢复平衡的倾向,在注入的情况,复平衡的倾向,在注入的情况,恢复平衡是靠复合来实现的,在抽取的情况,靠复合来实现的,在抽取的情况,则靠载流子的产生来实现.子的产生来实现.复合与产生互为逆过程,产生时吸收能量,复合与产生互为逆过程,产生时吸收能量,复合时释放能量.表现为放出光子,复合时释放能量.表现为放出光子,声子和传递能量给其它载流子.传递能量给其它载流子.3种复合机构:直接复合,通过复合中心复合种复合机构:种复合机构直接复合,,表面复合NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering122.2.2太阳能电池材料的光学特性太阳能电池材料的光学特性(1)太阳能电池材料的光学特性半导体对光的吸收吸收定律垂直入射光I反射率,垂直入射光0,反射率R,吸收系数α距离前表面x处光谱辐照度:处光谱辐照度:I距离前表面处光谱辐照度:x=I0(1-R)e-αx本征吸收和非本征吸收本征吸收:由于电子在能带间跃迁由价带到导本征吸收:由于电子在能带间跃迁由价带到导带而形成导电的自由电子和空穴的吸收过程,带而形成导电的自由电子和空穴的吸收过程,即半导体本身原子对光的吸收.产生电子-半导体本身原子对光的吸收.产生电子-空穴对条件光子能量h.条件光子能量ν>hν0=Eg非本征吸收:激子吸收(电子空穴团)非本征吸收:激子吸收(电子空穴团),自由载流子吸收(多为红外吸收)载流子吸收(多为红外吸收),杂质吸收和晶格振动吸收.振动吸收.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering132.2.2太阳能电池材料的光学特性太阳能电池材料的光学特性(2)太阳能电池材料的光学特性直接材料和间接材料直接跃迁:保持能量守恒和动量守恒的跃迁,直接跃迁:保持能量守恒和动量守恒的跃迁,例:保持能量守恒和动量守恒的跃迁如砷化镓,只有直接跃迁能带结构的材料称为直接如砷化镓,材料.材料.间接跃迁:保持能量守恒但动量不守恒的跃迁:保持能量守恒但动量不守恒的跃迁,间接跃迁:保持能量守恒但动量不守恒的跃迁,需吸收声子,例如硅,需吸收声子,例如硅,具有间接跃迁能带结构的材料称为间接材料.料称为间接材料.间接材料吸收太阳光能比直接材料要求更厚材料强光照射半导体后,较大浓度的上表面光生载流强光照射半导体后,子向背面扩散过程中,由于电子比空穴先达到背面子向背面扩散过程中,由于电子比空穴先达到背面而产生由上表面指向下表面的扩散电压.而产生由上表面指向下表面的扩散电压.NorthChinaElectricPowerUniversity丹倍效应电力工程系DepartmentofElectricalEngineering142.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(1)同质结太阳能电池P-N结的形成及内建电场结的形成及内建电场*结的形成及内建电场NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering152.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(2)同质结太阳能电池P-N结的形成及内建电场结的形成及内建电场**结的形成及内建电场P型硅空穴多子浓度p,电子少子浓度p型硅:空穴多子)浓度电子少子)浓度型硅空穴(多子浓度p电子(少子浓度nN型硅电子(多子浓度nn,空穴少子)浓度p型硅:电子多子)浓度空穴(少子浓度p型硅电子多子浓度空穴少子浓度扩散运动形成阻挡层或耗尽层形成阻挡层或耗尽层,扩散运动形成阻挡层或耗尽层,也叫空间电荷区形成由N区指向区的内建电场区指向P区的内建电场,阻挡载流子扩散形成由区指向区的内建电场阻挡载流子扩散内建电场与扩散运动形成平衡,内建电场与扩散运动形成平衡,漂移电流等于扩散电流根据杂质分布可以分为突变结和缓变结根据杂质分布可以分为突变结和缓变结缓变结的杂质浓度梯度小,缓变结的杂质浓度梯度小,耗尽区比较宽势垒宽度即是阻挡层宽度UD空间电荷区两端电动势差,自建电压,接触空间电荷区两端电动势差自建电压,两端电动势差,电动势差或电动势差或内建电动势差NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering162.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(3)同质结太阳能电池反偏压与正偏压正偏:区接正区接负,外加电压U区接正,N区接负正偏:P区接正区接负,外加电压F与内建电场UD相反为正向电压,形成正向电流.相反为正向电压,形成正向电流.反偏:加反向电压形成反向电流,:加反向电压,反偏:加反向电压,形成反向电流,但是由于少子数目少,反向电流小.子数目少,反向电流小.NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering172.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(4)同质结太阳能电池肖克莱方程P-N结电容结电容正向电流密度JD=J0(eqUAkT1)空间电荷区由于正负电荷的电偶层形成的电容对于太阳能电池发电没有多大影响用作信号转换的时候,用作信号转换的时候,影响频率特性NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering182.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(5)同质结太阳能电池硅太阳能电池的构造和工作原理*硅太阳能电池的构造和工作原理NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering192.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(6)同质结太阳能电池硅太阳能电池的构造和工作原理**硅太阳能电池的构造和工作原理内建电场(多子扩散作用)内建电场(多子扩散作用)由N→P→耗尽区光生载流子(电子空穴对)耗尽区光生载流子(电子空穴对)被内建电场分离,空穴→区电子→区先漂移后电场分离,空穴→P区,电子→N区先漂移后扩散N区或区光生载流子(电子空穴对),先区或P区光生载流子(电子空穴对)区或区光生载流子扩散后漂移,空穴→区电子→区扩散后漂移,空穴→P区,电子→N区P区形成太阳能电池区形成太阳能电池(P-N结)正极,N区形成正极,区形成区形成太阳能电池结正极负极电力工程系DepartmentofElectricalEngineeringNorthChinaElectricPowerUniversity202.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(7)同质结太阳能电池硅太阳能电池的构造和工作原理***硅太阳能电池的构造和工作原理NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering212.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(8)同质结太阳能电池光电流和光电压*光电流和光电压光电流:光生载流子的定向运动影响光电流的因素有:光的反射,材料的吸影响光电流的因素有:光的反射,光的反射电池厚度,收,电池厚度,光生载流子的实际产生率太阳能电池的N区耗尽区和P区太阳能电池的区,耗尽区和区都产生光生载流子但其必须在复合之前越过耗尽区才对光电流有贡献,因此需要考虑复合,光电流有贡献,因此需要考虑复合,扩散和漂移等因素.漂移等因素.光电流密度J光电流密度L(λ)=Jn(λ)+Jc(λ)+Jp(λ)教材式(2-45)-(2-49)是描述太阳能电池工作状教材式是描述太阳能电池工作状态的基本方程.均匀参杂时简化求解为(2-57)态的基本方程.均匀参杂时简化求解为(2-59)NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering222.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(9)同质结太阳能电池光电流和光电压**光电流和光电压光电流太阳能电池各区对光电流的贡献不同顶区光电流对紫光敏感,约占总光电流的约占总光电流的5-12%顶区光电流对紫光敏感约占总光电流的空间电荷区对可见光敏感,约占2-5%空间电荷区对可见光敏感,约占基区光电流对红外光敏感,约占90%基区光电流对红外光敏感,约占短路电流密度J等于光生电流密度J短路电流密度sc等于光生电流密度L光电压由于光照而在电池两端出现的电压光电压与正偏压一样,光电压与正偏压一样,与内建电场方向相反有光照时,有光照时,太阳能电池两端出现的电压为开路电压U电压ocNorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering232.2.3同质结太阳能电池同质结太阳能电池(10)同质结太阳能电池AkTJL光电流和光电压***光电流和光电压Uoc=ln(+1)光电压qJ0漂移电场的作用和背电场(BSF)电池漂移电场的作用和背电场电池由于掺杂浓度不同而形成的自建电场叫浓度结由于掺杂浓度不同而形成的自建电场叫浓度结掺杂浓度不同而形成的自建电场或梯度结基区中不同的掺杂浓度会使N电池背面附加基区中不同的掺杂浓度会使+-P电池背面附加一个P-P+结的电池叫背电场结的电池叫背电场(BSF)电池一个电池可以增加光电流和减小暗电流NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering2411由HYPERLINK童梦无忧网提供试管婴儿论坛不孕不育交流网址：HYPERLINK

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况1.能源的重要性1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.2.能源的种类2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样的,一般可分为常规能源和新能源两大类.常规能源包括煤炭,石油,天然气和水能,而新能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,天然气被成为化石能源,水能,生物质能,风能,太阳能和氢能等是可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,世界上煤,石油和天然气的储采比分别为204,40和60年,中国的情况更为严峻,据2002年统计,中国煤,石油和天然气的储采比只有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在2004,2020和2050年的石油消费量达3,4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,在10年内,世界的气候将产生不可逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排放量占世界总排放量的14%,在美国之后位居第二,估计到2025年,将位居第一.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在世界上十个环境污染最严重的城市中,七个在中国.它们是太原,北京,乌鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.我国在能源利用方面的效率很低,我国的能耗很高,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,在20世纪上半叶,化石燃料仍将是世界一次能源的主体,但到21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风能等新能源将占世界能源的50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化近年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,在21世纪末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常,人们对新能源的开发越来越重视.其中水力能,地热能,海洋能和风能的可利用资源有限,因此,太阳能,生物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点.(1)生物质来源丰富地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍,我国的生物质能也极为丰富,可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤.加上生物质能可再生.因此,生物质能的高效,规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术成熟,但效率低.(b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟,但生产成本较高.生物质制沼气技术相当成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池.(c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等技术,获得气,液体燃料来发电.(d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2,而对环境污染少.生物质能的利用还能降低污染.如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题2.生物质能利用的问题生物质能利用的缺点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,分散的生物质能利用系统.而小型转换系统的效率低,不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.因此,如何在小型,分散体系实现能量的高效,清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点太阳能的优点(1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸收的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的潜力很大.(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用.如太阳能热水器,太阳灶,太阳能蓄热池发电等.(b)太阳能发电.如太阳能电池和光电池.(c)光催化和光电催化制氢.主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已有300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用发展更快.特别在我国,太阳能热水器的年产值已达60多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素.(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"氢行星"为主题的第14届世界氢能源大会.2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5%.氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界的主要能源,进入氢能时代已成为近年来的热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议.今年一月,中国科学院院士局召开了关于"石油替代能源"的研讨会,主要讨论石油资源可持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题(2)廉价清洁的制氢技术问题目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗4.2-6度的电能,其能量转化率不到32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可储存,碳循环等优点,从中长期看是最有前途的制氢方式.目前生物质制氢效率低.(d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在由于储运技术不过关,因此浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油,炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气,只是由于储运技术的问题而不能被利用.我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上.因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题.目前氢的储运还有很大问题.(a)高压储氢:储氢量少,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有1%左右.(e)化合物储氢:放氢不容易.(4)燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因.近年来,由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各国对燃料电池的研究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛的氢都是电解水制得的,因该国70%的电是由地热和水电站产生的.(5)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国6%的用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州那么大.(6)布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.五.燃料电池加速氢能利用1.燃料电池的优点.(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统,可降低环境污染和气候异常.(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气,液物质和氢作燃料,因此,能促进氢能的利用.(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合于生物质分散性的特点.2.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度:60-80oC用途:航天器和潜艇的动力源优点:比能量和比功率高缺点:对CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池(PAFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:98%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:汽车和潜艇等的动力源优点:比能量和比功率高,寿命长,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,800美元/千瓦,而内燃机50美元/千瓦.氢源问题.(4)直接甲醇燃料电池(DMFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极:催化剂:Pt合金,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含硫酸的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:可移动的小型电子仪器设备动力源优点:比能量高,体积小问题:Pt对甲醇氧化电催化效率低,易被甲醇氧化中间产物毒化,甲醇会透过质子交换膜.(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阳极:催化剂:Ni,燃料:氢阴极:催化剂:NiO,氧化剂:氧电解液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3)工作温度:600oC用途:发电站优点:反应温度高,不需贵金属催化剂.可用含CO的燃料气.寿命长.能量转换率高,可达80%.问题:高温下,电解液会腐蚀电极材料.寿命2万小时,商业上要4万小时.(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极:催化剂:NiZrO2,燃料:甲烷,氢阴极:催化剂:NaCrO4等,氧化剂:氧电解液:ZrO2,CeO2等工作温度:900oC用途:发电站优点:不需贵金属催化剂.寿命长.可用各种燃料气.抗中毒能力强.能量转换率最高,可达80%以上.问题:高温下,密封困难,放大困难.价格高.5.PEMFC发展现状发展现状(1)世界各国对世界各国对PEMFC的重视世界各国对的重视近十年来,近十年来,PEMFC技术的研究开发受到技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,已出