FLL机器人挑战赛破解能源规则和电化学技术在新能源中的利用

PAGEPAGE1“FLL”机器人挑战赛—破解能源规则参赛必读要排除各种疑问并获得好成绩，你必须仔细阅读以下4个文件：场地安装说明、任务、规则和网上问答。任务任务就是机器人完成可以获得分数的工作。机器人必须从基地出发并可以多次往返于基地和场地之间，每次出基地后可以尝试完成1个或者多个任务。任务可以按照任意的顺序去完成，在规则允许的情况下可以反复尝试去完成任务。当比赛结束后，裁判根据场地上每个任务完成的结果，给出相应的分数。比赛在比赛的时候，两块比赛场地并排放在一起，两个参赛队伍同时在这两块场地上进行比赛。在2分半钟的比赛时间里，机器人通过完成任务来获得尽可能多的分数。在比赛期间，计时器不会暂停。至少有三次比赛，每次都有一个新的机会去获得最好的分数。每次比赛的分数没有任何关联，只取三次比赛中最好的一次评表演奖。回合所有参赛队伍按顺序进行一次比赛的过程称为一回合比赛。比赛将进行至少三个回合的比赛，在每回合比赛之间，参赛队伍有时间到调试区修改机器人和程序，但是这个时间有限制，要根据比赛的时间安排。队伍组成一个队伍最多允许有10名成员，不包括教练和领队。在教练手册中规定了参赛选手的年龄。在比赛的时候，只有两名队员可以同时上场参加比赛，其他队员只能站在旁边。不过台上队员和台下队员可以随时调换。机器人机器人的定义是RCX或者NXT以及任何当前连接在上面的物体。任务模型、策略物体、掉落的碎片和分离的机械装置不属于机器人。器材这条规则不只是针对机器人，它是针对从调试区带到竞赛区域的所有物品，包括机器人、所有的附加装置，以及所有的策略物体。这些物品都必须完全使用乐高元件制作，并且所有元件都必须是刚出厂时的状态（导线和软管可以剪成需要的长度）。并且每次连接到机器人上的电子部件的必须符合下面规定的数量：RCX用户NXT用户电子部件数量（最多）电子部件数量（最多）RCX1NXT1马达3马达3触动传感器2触动传感器2光电传感器2光电传感器2灯2灯2角度传感器3角度传感器（包含伺服电机内部的角度传感器）3第三个触动或光电传感器1第三个触动或光电传感器1导线和转接线可以随意使用。在调试区可以随意更换电子部件。不允许使用遥控。乐高非电子原件的数量、种类以及来源没有限制。可以使用发条/回力马达，气泵。除了在机器人的隐藏位置用于辨别身份的标记物，不允许使用不干胶，油漆，胶带，胶水，油等等。除了LEGO的标签可以使用外，其它的都不可以使用。软件机器人必须使用LEGO套装所提供的LEGO软件编写的程序（任何平台、任何版本）。程序下载由于下载程序的时候可能会覆盖其他队伍的程序。因此，参赛队伍只能在调试区下载程序，同时要注意设置成低能量下载，并且下载的时候要进行屏蔽，尽量避免影响其他队伍。蓝牙通讯必须关闭，且机器人在不使用的时候最好关闭。基地基地是场地垫上基地边界向上延伸40厘米组成的一个虚拟空间（包括边框的内表面）。注意：基地是一个空间而不是平面。基地是作为准备机器人、出发和维修机器人的区域，有时候，基地是得分物体的目标。机器人不一定在完成任务后回基地，在比赛结束时也不需要回基地。设备管理在基地里，任何妨碍机器人准备或运动的物体都可以放到基地附近区域，只要它们不引起场地的变化并且摆放的位置不能具有策略性。操作定义尽管FLL的挑战任务非常有趣，但是它毕竟是机器人技术，就像所有的科学技术一样，它也有特别的、严格的解释。为了避免和裁判关于个别词语的理解上发生争执，下面对任务、规则和网上问答中存在的物体（机器人）的位置进行定义。当看到这些词汇或反义词，要看这里对它的解释。在里面/进入/到(把区域作为目标)物体的任何一部分只需要越过目标的外边缘。在里面/进入(把容器作为目标)物体被容器所包住，至少有五个方向不能移动。在外面(把区域和容器作为目标)物体的任何一部分都不在目标里面。注意：这表示物体必须完全在外面。在上面/到上面(把物体作为目标)目标必须能够支撑物体的所有重量。当物体也有被其他物体支撑时，由裁判来评判移开其他支撑物体时，目标是否能够支撑物体的所有重量。脱离/拿走(把物体作为目标)目标在任何方向上都不能支撑物体的重量。接触(针对任何对象)只有在使用词语“接触”的时候。物体本身必须要与对象直接接触。完全物体的任何一部分都要满足条件。策略物体策略物体是指参赛队准备的物体，但不是机器人及其附加装置。可以在准备模式期间处理，或者由机器人自动使用。得分物体得分物是根据他们所在位置能够获得分数的物体。要得到分数，每个得分物本身必须满足任务得分的要求，不管机器人或任何策略物体的位置。禁止包住、连接或者互相连接加分物体，但可以把得分物放到策略容器里。游离物体如果由于机器人的原因造成某些物体阻碍机器人的运动，只要拿走该物体对得分没有直接的影响，参赛队员可以请求裁判将物体拿走。物体位于得分位置上可以移动到附近其它的相同得分的位置上，无用的物体可以从赛台上拿走。失去接触如果机器人处于自主模式，并且与物体失去接触，那么该物体将被视作策略物体并保留在原地，在机器人损坏规则中所描述的情况除外。在过渡模式中失去接触，队员可以继续对物体进行操作。预备模式在比赛开始前以及在每次启动前，认为机器人处于预备模式，这个时候，机器人必须处于基地中，你可以用手进行必要的处理，如维修、更换附加装置，安装或卸载物体，调整机械结构，按开关，给传感器信号以及瞄准。可以使用瞄准的装置，但是在启动时，机器人不能与他们接触。从机器人上拆卸的物体可以放到基地里或随时拿到场地外。出发位置比赛中每次启动机器人时，机器人的每一部分以及与它相连的任何物体必须完全在基地里。启动程序在被允许启动之前，机器人在启动位置必须是静止的，参赛队员不能接触机器人任何部分。允许参赛队伍用以下3种方式启动机器人：1）按下按钮，2）给传感器信号，3）等待一个正在运行或停止的程序继续运行。在整个启动过程中不允许参赛队以其它方式操作机器人。启动后，机器人就进入过渡模式。过渡模式启动后到出基地前，机器人处于过渡模式中，此时，机器人不能进行任何操作但可以携带与机器人已经有接触的物体离开基地。在机器人处于自主模式（在基地外面）前，根本不允许与物体失去接触或与物体接触。在过渡模式中，如果碰到机器人，那么必须进入预备模式，这时你可以对任何物体进行操作。自主模式当机器人在基地外面时，认为机器人处于自主模式，在比赛结束前或者你触碰机器人（或其它任何方式的干扰）之前，可以自由的执行允许的动作。如果在自主模式中接触机器人（称为“解救”不管是什么原因），就必须进入预备模式，然后你可以对相关的物体进行任何的操作。但是，裁判可能会拿走加分物，具体情况由任务说明决定。肌肉动作除了在启动程序规则中描述的情况外，不允许让任何物体（机器人除外）离开或延长到基地外。允许的动作除了一些明确允许的动作以外，在任务、规则或Q&A中没有明确禁止的动作是允许的（在可逆动作规则中所描述的情况除外）。因此当在规则、任务、Q&A中没有说不可以的时候，你就能做。同样，如果没有约束条件限制，在规则、任务、Q&A中没有说必须的时候，你不需要去做（没有隐藏的要求）。必须的方法 一般完成任务没有指定特别的方法，你可以自由的去发挥想象，当完成一个任务时，有一个具体的方法时，就不能使用其他方法去完成任务。可逆的动作 如果出现不允许的动作后，裁判恢复（取消）这个动作，这对分数没有影响，然后裁判会提醒你这个动作是不允许的。注意允许机器人出错，搞乱场地等，但是这些动作是不能恢复的。机器人损坏在比赛过程中，因为不是故意地让机器人部件掉落而导致机器人损坏，你可以恢复机器人。你可以自己取回也可以请求裁判帮助。场地损坏你不能将模型拆开或在上面增加部件，不能触碰基地外的任务模型，必须使用比赛提供的任务模型，而不能携带相同的复制品到比赛区域。不允许机器人毁坏模型也不能撞击子母扣。如果由其他情况引起的模型破坏、故障、移动、激活，而非机器人的正常的动作引起的，裁判应该在尽可能快的时间内将之恢复，并根据情况确定任务的得分情况。如果任务模型损坏太严重而难以修复，场地上的物体根据游离的规则来处理。如果得到分数的同时是因为模型设计、结构、安装的缺陷造成的任务模型损坏，你可以得到那些分数。如果任务模型损坏很明显是因为队伍或机器人引起的，无论是否有意还是无意，将警告一次，即使重做任务也无法得到分数。干扰 你们的机器人不允许以任何方式干扰对方的机器人、场地或者策略物体，除了在完成跨在两个场地中间的任务时，要获得分数，可以进行干扰。分数判定为减少比赛期间的争议，采取该场比赛结束后，根据当时场地上的情况来判定分数。这就是说如果已经完成的任务被机器人在比赛结束前意外破坏了，就无法得到该分数。判罚从宽对一些裁判无法给出准确裁定的地方，例如瞬间发生的事情或者场地上线的宽度等，或者因为对规则理解不清楚而使得某些情况可以有几种判罚方式，这个时候，裁判将会做出对你们有利的判罚。如果你认为裁判的判罚有不合适的地方，你可以向裁判郑重的提出质疑,裁判长和裁判会议讨论后给出的判决是最终的。这条规则不是让裁判去忽略掉一些必要的判罚尺度，而是让他们在合理范围内尽可能做出对你们有利的判罚比赛结束每场比赛结束后，裁判需要花时间去记录场地上的情况，因此不允许任何人去碰场地的东西，裁判与参赛队员一起核对场地上任务得分情况以及告诉队员丢分的原因，不要让队员带走任何任务模型。最后裁判将恢复场地模型。变数场地供应商、捐赠人、志愿者所做的努力都是为了保证场地的正确和一致性，但是一些变数还是不可避免的，例如场地的材质和平整度，场地垫的褶皱，边框上的裂纹，场地的照明。虽然机器人在自主模式中可以伸出边框，但是可能在场地边框附近会产生各种各样的冲突。优先权当任务和规则发生冲突的时候，任务是有优先权的，但是最新的网上问答（应该经常去核对）具有最高的优先权。注意：在Q&A没有更新之前，裁判长没有义务去考虑前面锦标赛的裁决。挑战问题/支持有关FLL机器人挑战比赛的任何问题，包括特殊的策略和情况，可以发电子邮件至Support-FL（最有效的）。为了有最好的效果，你最好先阅读在“必读”中提到的4个文件。当你要发邮件的时候，请在邮件的标题栏中填写“Challenge”，另外请说明你在队伍中的角色（队员、教练、父母、顾问）。如果打电话，请首先在语音信箱中清楚的留下您的联系电话，在队伍中的角色，以及你的问题。注意：flltech不回答关于机器人搭建或者编程的问题。注意：FLL论坛是队伍之间分享信息的地方，但不是一个提供有关挑战赛的正确消息的来源的地方。Support-FL提供对LEGO产品的技术支持。完全开放和透明所有参赛队伍提出的问题的官方回答都公布在网上Q&A中，包括允许使用的策略。同样，裁判用来对比赛进行管理和裁决的文件，就是所有参赛队都可以获得的4个文件。所以如果一个策略对你而言是有疑问的，那么很有可能对裁判而言也是有疑问的，那么你将这个策略用到比赛中将是有风险的。在星期五下午三点（美国东部时间）以后不会更新Q&A。教练会议如果在比赛开始前，又有新的问题出现，最后的询问机会就是在比赛前最后一次的“教练会议”。在会议中，裁判长将和教练们在比赛开始之前讨论和解决各种有争议的问题。会议结束后，当天的其它时间，当你们离开场地时裁判的裁决将是最终的。北北屋顶的太阳能电池板15分：将太阳能电池板放到海边房子的房顶上面个人交通工具选择25分：将氢燃料汽车移动到海边房屋周围的白色地块或者黑色车道上，并将卡车移动到停车场进行回收利用或者移动到农田。当卡车在其中一个目标位置时，且将汽车运到指定的位置，才能得到此分。注：停车场是在基地的西面（与基地相邻）白色区域。农场位于两条河流之间的白色区域水坝25分：将水坝放到基地东面的河流两岸的河堤上。水坝必须是直立的注：当比赛结束的时候，裁判员将洪水放在大坝的上游，如果有任何的房屋被水坝或者洪水接触到，就会被扣除10分。水坝不作为游离物体。风力发电机

15分/个：将风力发电机放到任意一块没有直接与基地接触的白色空地上。风力发电机必须直立电网接驳5分/块区域：将输电线放到能源工厂所在的白色区域以及它周围的居民区。它必须直立。5分/块区域：连接的居民区与可以得分的水坝或者风力发电机相连（额外的分数）太阳能卫星15分：放下一个卫星的叶片5分：第一个放下卫星叶片的队伍（额外的分数）波浪发电机25分：将你们队伍设计的海浪涡轮（每个队伍一个）运到沙滩正西面的海洋中，海浪涡轮至少由两个能互相独立移动的机构组成。涡轮设计的是否美观对于得分没有影响。煤矿10分：让装满煤矿的轨道车沿着铁轨滑下。只有当轨道车接触到铁轨终点制动器，参赛队伍才能用手将车子拿回到基地石油钻井10分：将所有的油桶（包括红色的）从钻井平台上拿走玉米收割和处理25分：将所有的玉米（包括红色的）运到基地，玉米在目标位置，并且有至少一个油桶被运到农田里铀矿15分：将铀矿（包括红色的）移到农田外面。植树10分/棵：将树移植到主河流北面的任何位置。树木必须是竖直向上的。树木可以连接在一起。注：树木移植到能源工厂按照燃料得分，而不是按照植树得分。能源工厂供给将燃料送到能源工厂所在的地块树木：10分/棵（最多两棵树可以作为燃料，其它的树必须移植）黑色煤：至少有一半的煤才可以获得10分绿色铀：10分/个白色油桶：5分/个注：红色的燃料模型表示没有效率的或者有负面的影响，需要将它们降低到最小的程度。在这个任务中，能源工厂里面必须不能有红色燃料。从其它燃料中分离（处理）红色燃料的工作可以由机器人在任何地方进行，或者在基地里手动完成。油桶：10分：任何颜色的油桶在基地里面（或者停车场里面）作为未使用的储藏能量。但是如果你营救机器人的时候，基地里有油桶，裁判就会拿走一个，就会丢失一个油桶分数。先拿白色的，再拿红色的。如果任何一个油桶接触到水或者房子，则扣除40分。停车场：停车场是作为存放区域设计的，与设备管理规则相关，队员只能在停车场里进行存取的动作。机器人可以进入和离开停车场，但是不允许在那里接触得分物体和策略物体。公平分：根据2006年锦标赛的分数数据统计，将会对使用RCX的队伍在他们所获得的原始分基础上设置一个公平分，分数计算方法如下：原始分在5-100之间的分数乘以1.6所得的结果即为公平分，原始分在105-325之间的分数加上60即为公平分，原始分330-395之间的分数与386-399之间的分数相对应（公平分=[原始分-330]/5+386）2007PowerPuzzleProject课题研究注意:陈述时间，包括准备时间不超过5分钟。项目介绍今年破解能源挑战是关于当今世界上每天都在频繁使用的能源问题，随着全球在增长和变化，我们能源需求也在增长和变化，破解能源任务模型要求FLL参赛队伍只要考虑我们现有的一些能源利用以及这些能源利用如何影响世界。破解能源项目让学生有机会思考各种能源利用，分析可行性，提升能源利用率。无论是环境、金融、社会或者是文化中能源，每种能源利用在某些方面里有积极的影响，但在其他方面也有消极的影响。该挑战就是去寻找你周围实际的解决方案，它对你的生活或周围世界有较大的影响。当你去寻找所有这些问题的平衡点时，你会认识到针对家庭，社区、国家、整个世界的解决方案都是独特的。当我们要去破解这些问题时，我们必须考虑能源使用的各个环节，包括能源如何产生、如何存储，如何处理与它的废物，如何使用以及有多大消耗。如何破解这些能源问题，你的能源解决方案是什么？项目选择你所在区域的一所建筑，评估能源使用,并从能源专家了解关于能源、能源消耗、能源影响等方面知识。讨论你所在区域使用的不同能源以及当前你生活的区域所面临的能源问题。选择你所在区域的一个建筑，如学校或会堂，联系管理人员。谈论该项目并获得他们的帮助。能源审计。寻找建筑内各种使用的能源，如何使用以及使用的数量。参考其它资源和FLL提供的主题指南作为能源审计所需要的样本材料和步骤。与该领域的专家交流，调查不同能源产生的过程以及生产和使用它们的重要影响，如成本、实用性和环境问题。提出基于搜集的信息的解决方案来减少能源消耗或者提高能源使用率研究改进的范围和替代能源来寻找能源解决方案考虑能源使用效率如何，如何让它更有效以及能源使用的类型。寻找创新的方法减少能源使用或更换一种可持续发展能源。考虑开发新技术满足该建筑的特殊需求或者科学家或工程师正在研究的新解决方案。提出短期和长期的计划向可再生能源推进或者减少能源消耗。考虑建筑中所有区域可能影响的改变以及现实中你的解决方案如何，你应该正确地展示你的解决方案如何去创造一个积极的变化分享你评估的结果以及提出的解决方案用一个创造性的方法跟你的周围的人分享你的工作。展示短期和长期的解决方案和相关信息来支持你的观点利用这个项目提供机会去看看能源对我们的生活有多大的影响。竞赛期间，凡是规则中没有说明的事项由竞赛裁判委员会决定。

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,已出现许多PEMFC电动车样车.电动车样车.已出现许多电动车样车我国计划,年奥运会期间,我国计划,到2008年奥运会期间,将有我年奥运会期间国生产的燃料电池电动车会小批量,国生产的燃料电池电动车会小批量,示范性地行驶在街头.性地行驶在街头.年世博会期间,辆燃料电池公交到2010年世博会期间,20辆燃料电池公交年世博会期间辆燃料电池出租车,车,300