第十四讲化学能源与太阳能

第十四讲化学能源与太阳能1第1页，课件共68页，创作于2023年2月第十四讲

化学电源与太阳能2第2页，课件共68页，创作于2023年2月能源分类一次能源二次能源常规能源新能源煤制品──洗煤，焦炭，煤气石油制品──汽油，煤油，柴油燃料油，液化石油气电力，氢能，余热，沼气，蒸气等可再生能源——水能非再生能源——如煤炭，石油天然气，核裂变燃料可再生能源——太阳能，风能，生物质能非再生能源——核聚变燃料油页岩，油砂3第3页，课件共68页，创作于2023年2月主要内容化学能源1太阳能24第4页，课件共68页，创作于2023年2月14.1.1化学能源概况化学能源：将化学能转变为电能的装置，俗称电池电化学研究对象主要有：电子导电回路电解池回路原电池回路5第5页，课件共68页，创作于2023年2月A.Volta(伏特）1745-1827VoltaPile(1799)14.1.2电化学科学的简史

(Simplifiedhistoryofelectrochemistry)6第6页，课件共68页，创作于2023年2月7第7页，课件共68页，创作于2023年2月1799年Volta电堆发明1800年Nichoson、Carlisle用Volta电堆电解水1826年发现Ohm定律1833年发现Faraday定律1870年Helmhotz提出双电层理论1887年Arrhenius电离学说1889年Nernst提出电极电位公式1905年Tafel氢超电势半经验公式1940年代动力学方法研究双电层，电极过程动力学1960年代以后量子电化学8第8页，课件共68页，创作于2023年2月14.1.3电化学科学的在实际生活中的应用

(Applicationofelectrochemistryinlife)A.电化学工业氯碱工业：电解水制氢气和氧气湿法冶金：碱金属碱土金属电镀以及电解加工9第9页，课件共68页，创作于2023年2月B.化学电源Zn(s)|ZnSO4||HCl|AgCl(s)|Ag(s)净反应10第10页，课件共68页，创作于2023年2月C.金属腐蚀与防护电化学腐蚀示意图钢材因腐蚀消耗占年产1/3左右美国1982年用于腐蚀和防腐的费用为1260亿美元发达国家每年用于防腐的费用占国民经济4%左右11第11页，课件共68页，创作于2023年2月构成化学电源的要素化学反应必须有电子得失，即氧化还原反应所产生电流必须通过外电路做功化学电源的评价指标电容量比功率自放电率开路与工作电压12第12页，课件共68页，创作于2023年2月容量电池的容量指在给定的放电条件下，电池初始放电至终止电压时所放出的电量。单位：安时（Ah）也称额定容量。1Ah表示用1安培的电流放电1小时。干电池的容量常用恒定负载的电阻放电到规定终止电压的时间表示。电池的容量性能用单位体积的容量或单位质量的容量（即比容量）来表示。提高活性物质的利用率必须增大或新股遏制的表面积，使之在放电过程中不钝化13第13页，课件共68页，创作于2023年2月获得1Ah电量所需的活性物质质量14第14页，课件共68页，创作于2023年2月自放电定义：化学电源在不对外输出电流的情况下消耗活性物质的现象原因：活性物质内与电解质中的杂质使电池内形成局部电池，局部电池造成电池内部短路，促进腐蚀，引起自放电例如：锌锰干电池电池负极ZnZn2++2e同时2H++2eH2净反应Zn+2H+H2+Zn2+15第15页，课件共68页，创作于2023年2月二次电池充放电电池反应是可逆的，没有副反应发生，充电时欧姆电阻小，极化小在水溶液电解质的电池中，正极和负极上的氧过电位和氢过电位高，充电时，水的电解反应难于进行充放电能量转换是可逆的，活性物质的状态能够很好的再生16第16页，课件共68页，创作于2023年2月电池的效率A、效率的表示方法电池总效率：0=ivfi=G/H100%最大热效率v=V/E100%电压效率f=I/Im100%法拉第电流效率17第17页，课件共68页，创作于2023年2月B、功率与电流密度的关系电池输出功率（P）：

P=VI

I=SjS为电极的面积低电流密度下，j0，P=0高的极限电流密度下，E0，P=018第18页，课件共68页，创作于2023年2月电池14.1.4.电池类型利用物质的物理变化或化学变化，并把这些化学变化释放出来的能量直接转变为电能的装置物理电池：把物理反应产生的能量转换为电能的装置。如太阳能电池、原子能电池等化学电池把化学反应产生的化学能转变为电能的装置。19第19页，课件共68页，创作于2023年2月电池分类物理电池太阳能电池原子能电池热电发电器化学电池活性物质固定在电极上一次电池二次电池（蓄电池）活性物质连续供给电极一次燃料电池再生型燃料电池20第20页，课件共68页，创作于2023年2月化学电池的组成14.1.5.化学电池的反应正极、负极、电解质。其中电解质可以是酸性水溶液、碱性水溶液或各种盐类的中性水溶液，也有部分非水溶液、熔融盐或固体电解质负极：N1

N2+ne化学电池反应正极：P1+neP2净反应：P1+N1

N2+P221第21页，课件共68页，创作于2023年2月一次电池：将化学能转变为电能并输出的装置，一旦化学能转变为电能，就不能通过该装置将电能再转变为化学能，即化学反应是不可逆的。一次电池分类干电池湿电池注液电池糊状干电池纸板干电池碱性干电池14.2.一次电池22第22页，课件共68页，创作于2023年2月各种干电池性能比较电池名称电池构成额定电压正极活性物质电解质负极活性物质锌锰干电池MnO2NH4Cl,ZnCl2Zn1.5V汞电池HgOKOH(ZnO)Zn1.2V碱锰干电池MnO2KOH(ZnO)Zn1.2V氧化银电池AgOKOH(ZnO)Zn1.5V氯化银电池AgCl海水Mg1.4V空气电池空气/活性炭KOH(ZnO)或NH4ClZn1.3V23第23页，课件共68页，创作于2023年2月14.2.1.锰干电池24第24页，课件共68页，创作于2023年2月电池表示：(-)Zn|NH4Cl+ZnCl2混合溶液(淀粉糊化)

|MnO2+C(+)在中性介质中：NH4Cl＋ZnCl2以NH4Cl为主：Zn2＋＋2NH4Cl→Zn(NH3)2Cl2↓＋2H＋以ZnCl2为主：4Zn2＋＋9H2O＋ZnCl2→ZnCl2·4ZnO·5H2O＋H＋25第25页，课件共68页，创作于2023年2月14.2.2.碱锰电池电池表示：(-)Zn(锌汞齐)|NaOH或KOH(30%~40%)水溶液+ZnO|MnO2+C(+)在碱性介质中：KOH溶液

Zn2＋＋2OH－→Zn(OH)2⇌ZnO＋H2OZn(OH)2＋2KOH→K2ZnO2＋2H2O或ZnO＋2KOH→K2ZnO2＋H2O26第26页，课件共68页，创作于2023年2月14.2.3.银锌电池电池表示：(-)Zn|KOH|Ag2O,AgO(+)1883年经Clarke改装推出，1941年Henry采用玻璃纸隔膜，40~50%KOH做电解液制得电极反应及电池反应正极

Ag2O+H2O+2e→

2Ag+

2OH-负极Zn+

2OH-→ZnO+H2O+2e总反应Zn+

Ag2O→Ag

+

ZnO27第27页，课件共68页，创作于2023年2月14.2.4.燃料电池负极：H2+2OH-

2H2O+2e正极：½O2+H2O+2e2OH-净反应：H2+½O2

H2OE=EӨ+RT/nF·ln(a2H2O/p2H2

·pO2)G=-nFE28第28页，课件共68页，创作于2023年2月特点a、能量转变化效率高汽油柴油发电机：35~40%太阳能转换装置：15~35%核能转换装置：理论60%，实际1%燃料电池：理论80%，实际60~70%2001年我国单机6000千瓦及以上电厂热效率仅为35.09％29第29页，课件共68页，创作于2023年2月澳新型聚光太阳能光伏发电装置光电转换率达35%(图)据俄罗斯媒体11月4日报道，澳大利亚的“绿金能源”公司日前推出了其研制的最新型太阳能发电装置——“太阳球”。

太阳能电池板是一种非常诱人的电能生产装置，但它们同时也具有明显的缺陷：相对便宜的太阳能电池板往往效率很低，无法生产出足够的电能；而高效的太阳能电池板却又十分昂贵，无法在普通消费者中推广。“绿金能源”公司研制的“太阳球”很好地解决了这一问题－－它可为那些生活在山区的居民提供充足且廉价的电能。据介绍，“太阳球”使用的光电转换装置的工作效率高达35%，并且其面积只有约1平方厘米。

“太阳球”的表面是一片直径为1.13米的由丙烯酸酯制成的凸透镜。它可将阳光“浓缩”500倍后再投放到光电转换器上。整套设备都被安装在了一个铝制支架上，以便及时地为太阳能电池板降温。此外，“太阳球”上还配备有一套双坐标驱动设备，能够跟踪太阳的运动并调整透镜的朝向。即使考虑到阳光在通过透镜时的损失，这套装置将光转换为电能的效率仍可达到33%。测试表明，在晴朗的日子里一部“太阳球”的发电功率可以达到330瓦，换句话说，它每天平均可“收集”超过3度的电能。

预计这种新型的太阳能发电装置将在2006年2月份投放市场，零售价初步定为1190美元。同年6月份，该产品还将实现出口。“太阳球”的研制者表示，如果考虑到每平方米太阳能电池板74000美元的高昂价格，1190美元的售价可以说是相当的廉价了。

聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的阳光会聚在一个较小的范围内，形成"焦斑"或"焦带"，并将太阳电池置于这种"焦斑"或"焦带"上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。因此，首先要考虑聚光器的结构、跟踪装置和散热措施。

通常聚光器的倍率大于几十，其结构可采用反射式或透镜式。反射式有槽形平面聚光器和抛物面聚光器；透镜式则多选用菲涅耳透镜。聚光器的跟踪一般用光电自动跟踪。散热方式可以是气冷或水冷，有的与热水器结合，既获得电能，又得到热水。

用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。最理想的制造聚光太阳电池的材料为砷化镓，因为它的禁带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作。其次是单晶硅材料。在电池结构方面，聚光电池的Ｐ-ｎ结构要求较深，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用垂直结构，以减少串联电阻的影响。同时，聚光电池的栅线也较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的10%.30第30页，课件共68页，创作于2023年2月b、低污染氢气作为储能物质时产物只有水用富氢气体(化石燃料制备)做燃料时，CO2少40%其它燃料，也不存在SO2，NOx，粉尘等污染31第31页，课件共68页，创作于2023年2月c、低噪音，安装灵活，积木化强，占地面积小d、储能物质选择范围宽e、负荷响应快，工作可靠性好，运行质量高f、运行成本高，难以普及g、高温工作时电池寿命短，稳定性差h、缺乏完善的燃料供应体系32第32页，课件共68页，创作于2023年2月发展史a、1838年瑞士科学家Schonbein发现原理b、1839年英国科学家Grove按电解水逆过程设计出第一个燃料电池c、1889年Mond和Langer制得氢氧燃料电池，获得0.73V的工作电压d、1894年Ostward从理论上论证了燃料电池的效率为50~80%e、1959年Bacon制造出可以实际工作的碱性燃料电池f、1962年燃料电池用于太空任务g、1972年杜邦公司研制出高分子电解质隔膜33第33页，课件共68页，创作于2023年2月二次电池的质量比能量和体积比能量一般低于一次电池分类电池名称电池构成额定电压/V正极活性物质电解质负极活性物质二次电池铅酸蓄电池PbO2H2SO4Pb2.0镍镉蓄电池Ni2O3KOHCd1.2镍铁蓄电池Ni2O3KOHFe1.2银锌电池AgOKOH(ZnO)Zn1.5银镉电池AgOKOHCd1.1碱锰电池MnO2KOH(ZnO)Zn1.5镍氢电池Ni2O3KOHH2或金属氢化物1.214.3.二次电池34第34页，课件共68页，创作于2023年2月10.3.1.铅蓄电池铅蓄电池的应用：机动车辆、备用电源、电站负荷调整、电动工具电源铅蓄电池的分类：开放式：外壳上有排气孔，电解液会减少，须检查，加水加酸维护免维护密封式：用高析氢过电位铅合金，几乎没有水电解，在整个使用寿命期，不需维护35第35页，课件共68页，创作于2023年2月铅蓄电池的表示：Pb|H2SO4|PbO2，Pb放电时：电池总反应为：Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O负极：Pb+SO42-

→PbSO4+2e正极：PbO2+SO42-

+4H++2e→PbSO4+2H2O充电时：负极：PbSO4(固体)→PbSO4(液体)→Pb2++SO42-+2e→Pb电池总反应为：2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4正极：PbSO4+2H2O→PbO2+SO42-

+4H++2e36第36页，课件共68页，创作于2023年2月10.3.2.碱性蓄电池(以KOH等水溶液为电解质)碱性蓄电池的正负极反应电极种类电极反应jӨ/V理论放电容量(g/Ah)正极氢氧化镍NiOOH+H2O+e=Ni(OH)2+OH-0.522.46氧化银2AgO+H2O+2e=Ag2O+2OH-0.6044.63

Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH-0.3424.34空气O2+H2O+2e=O2H-+OH--0.76-

O2+H2O+4e=4O2H-+OH-0.401负极

铁Fe+2OH-=Fe(OH)2+2e-0.861.04镉Cd+2OH-=Cd(OH)2+2e-0.7982.09锌Zn+2OH-=Zn(OH)2+2e-1.2451.2237第37页，课件共68页，创作于2023年2月碱性蓄电池的电池反应种类电极反应开路电压/V镍-镉电池2NiOOH+2H2O+Cd=2Ni(OH)2+Cd(OH)21.329镍-铁电池2NiOOH+2H2O+Fe=2Ni(OH)2+Fe(OH)21.397镍-锌电池2NiOOH+2H2O+Zn=2Ni(OH)2+Zn(OH)21.765氧化银-锌电池2AgO+2H2O+Zn=Zn(OH)2+Ag2O1.815Ag2O+2H2O+Zn=Zn(OH)2+2Ag1.589氧化银-镉电池2AgO+2H2O+Cd=Cd(OH)2+Ag2O1.379Ag2O+2H2O+Cd=Cd(OH)2+2Ag1.153空气-锌电池O2+2Zn=2ZnO1.646镍-氢电池2NiOOH+2H2=2Ni(OH)21.23镍-锌电池2NiOOH+2MH=2Ni(OH)2+2M1.2338第38页，课件共68页，创作于2023年2月39第39页，课件共68页，创作于2023年2月化学能源1太阳能240第40页，课件共68页，创作于2023年2月WhatisSolarEnergy?Originateswiththethermonuclearfusionreactionsoccurringinthesun.Representstheentireelectromagneticradiation(visiblelight,infrared,ultraviolet,x-rays,andradiowaves).41第41页，课件共68页，创作于2023年2月RenewableEnergyPossibilities1.2×105TWonEarth’ssurface36,000TWonland(world)Biomass5-7TWgross(world)0.29%efficiencyforallcultivatablelandnotusedforfoodHydroelectric4.6TWgross(world)1.6TWtechnicallyfeasibleWind2-4TWextractableTide/Ocean

Currents2TWgrossGeothermmal9.7TWgross(world)0.6TWgross(US)(smallfractiontechnicallyfeasible)42第42页，课件共68页，创作于2023年2月大面积利用太阳能的困难A.太阳辐射强度受季节影响较大B.现有技术光电转化效率低下C.光化合反应或作用速度较慢，不易集中储备43第43页，课件共68页，创作于2023年2月1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8％。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。在1997－2006年的10年中，世界光伏产业扩大了20倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。太阳能电池的发展历史44第44页，课件共68页，创作于2023年2月世界太阳能电池发展的主要节点1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％1955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs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％，GaAs为22.5％1986美国建成6.5KW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs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”1998单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池45第45页，课件共68页，创作于2023年2月太阳能电池发电原理46第46页，课件共68页，创作于2023年2月并网发电系统及工作原理47第47页，课件共68页，创作于2023年2月上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势太阳能电池的应用48第48页，课件共68页，创作于2023年2月PowertowerinBarstow,California.PowerTowers49第49页，课件共68页，创作于2023年2月用户太阳能电源小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等

太阳能电源太阳能逆变器50第50页，课件共68页，创作于2023年2月3-5KW家庭屋顶并网发电系统；51第51页，课件共68页，创作于2023年2月光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉52第52页，课件共68页，创作于2023年2月

交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。53第53页，课件共68页，创作于2023年2月通讯/通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。54第54页，课件共68页，创作于2023年2月石油、海洋、气象领域石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等风云三号气象卫星的太阳能电池55第55页，课件共68页，创作于2023年2月光伏航标灯56第56页，课件共68页，创作于2023年2月海洋气象监测标57第57页，课件共68页，创作于2023年2月家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。58第58页，课件共68页，创作于2023年2月光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。59第59页，课件共68页，创作于2023年2月ParabolicDishesandTroughsBecausetheyworkbestunderdirectsunlight,parabolicdishesandtroughsmustbesteeredthroughoutthedayinthedirectionofthesun.CollectorsinsouthernCA.60第60页，课件共68页，创作于2023年2月太阳能使用现状与预测61第61页，课件共68页，创作于2023年2月GlobalCumulativePVPower/fileadmin/EPIA_docs/publications/epia/Global_Market_Outlook_Until_2013.pdf62第62页，课件共68页，创作于2023年2月GlobalAnnualPVMarket/fileadmin/EPIA_docs/publications/epia/Global_Market_Outlook_Until_2013.pdf63第63页，课件共6