新能源发电技术 教学大纲

2424-10-12PAGEPAGE10新能源发电技术讲义（）于立军2024年上海交通大学智慧能源创新学院课程安排及考核方式16第一章 绪论：重点是围绕能源问题，引出新能源发电技术第二章 核能利用第三章 风力发电第四章 太阳能发电第五章 生物质能利用知识回顾与期中考试教学实践第六章 地热发电第七章 海洋能发电第八章 燃料电池技术总复习与答疑期末考试成绩评定（1）课程出勤 10分（2）课后习题 10分（3）期中考试 20分（3）期末考试 60分第一讲：绪论§111 授课内容本课程是讲授新能源和能源利用新技术。主要包括核能、风能、太阳能、海洋能、氢能、地热利用、燃料电池以及磁流体发电技术等。2 课程安排、成绩评定见上页。§121 能源的定义潮汐、地震等也包含着巨大的能量。能源的分类方法很多。一般来说，可以。2 能源的分类煤、风能、海洋热能、太阳能、宇宙射线地球内部的热能。潮汐能。一次能源：是指以现成的形式存在于自然界中的能源。二次能源能、汽油。常规能源煤、石油、水能、电能起人类广泛注意和重视的能源。如3 能源形式转换人们使用得最多的三种能量形式----热能、机械能和电能。§13能源水平在不断提高。人类学会取火以后，蒸汽机的发明是一个重要的进展。随着蒸汽机和各种机器的大量应用，煤炭、石油、电能获得了更广泛的利用，从此，世界能源消耗量越来越大。1 世界能源的生产及消费大致经历了三个阶段木炭时代：本世纪以前，以柴、木炭为主。煤炭时代~~六十年代中期，以煤炭为主。石油时代：本世纪六十年代中期开始，以石油、天然气为主。所占比例逐渐升高。2 世界能源状况世界探明的石油可采总储量为92030亿吨；世界探明的天然气总储量为901012m31551012m3；世界探明的煤炭总储量为106800为40亿吨；汽油4107j/kg3107j/kg铀-235 8.32×1013j/kg=2000吨汽油；氘聚变3.5×1014j/kg=4kg铀。地球从太阳获得的能量约为61017kw/h仅在10km1251026j的热量，相当与全世界储煤发热量的20004100万年，地球才下降1℃。另外，海洋、生物质中也含有巨大的能量。大自然赐予人类的能源种类很多。当今世界使用最广的一次能源是石油、天然气和煤；二次能源为电力。（说明石油的优点）经济的高速发展，使整个世界经历了一段繁荣时期。但进入七十年代以后，世界石油市场发生了重大变化。石油输出国组织两次大幅度提高石油价格，震动了整个世界，爆发了所谓的“石油危机石油进口国经济以巨大的打击，引起了世界各国对能源的高度重视，促进了节能和新能源的开发。3 我国能源状况能源资源地理分布极不均衡。人均能源消费量低，为世界平均水平的1/3左右。能源利用不合理，设备相对陈旧，效率低，浪费严重。人均储量低，资源利用率低。资源煤炭水利石油天然气人均储量/~%40316.61.5农村生活用能匮乏，还有用不上电，烧不上煤的。§14制的开采下去，早晚有一天要消耗殆尽。尤其是固体燃料还存在着运输和污染问题，长期开采会带来生态平衡的破坏，因此，新能源的开发利用与节能正逐渐成为各国能源发展的必然方向。1 源品质的技术指标能流密度。开发费用和设备价格。储存可能性和供能连续性。运输费用和损耗。对环境的污染。储存量。能源品质。2 第二章：核能发电（1）§21概述1938年德国首先发现了铀的核裂变现象，从而揭开了原子能发电的序幕。1942年美国在费米教授的领导下，建立了第一座核反应堆。1945年制成第一颗。1 核电站发展概况：和聚变反应。裂变反应是较重原子核（235）应是较轻原子核（）聚合成较重原子核的反应。铀-235裂变 8.32×1013j/kg=2000吨汽油氘聚变 3.5×1014j/kg=4kg铀。一种装置。2 核电站基本分类：系统构成。分类按照用途反应堆可分为三类：实验堆、生产堆、动力堆。（1eV，2200m/s快中子反应堆，简称大于中子能量100eV；按照慢化剂、冷却剂：清水堆、重水堆、石墨气冷堆、钠冷快堆。增殖反应堆，简称238→239232→233因此，快中子增殖堆是扩大核燃料资源的重要途径。动力反应堆的类型动力堆主要有水冷堆、气冷堆和快中子增殖堆。堆型燃料慢化剂冷却剂占已建成比例压水堆低浓缩铀清水(H2O)清水1516MPa，320330oC60%沸水堆低浓缩铀清水清水7MPa280oC25%重水堆天然铀重水(D2O)重水、清水10MPa，300oC气冷堆高浓缩铀石墨氦气等1516MPa，750850oC试验阶段快中子增殖堆浓缩铀+钚无液态金属钠、氦气钠熔点98oC常压沸点为882oC试验阶段最有前途235的含量仅为0799.3238（非裂。快中子增殖堆将铀的利用率从160安全性能高。3 核电站评价核燃料资源安全性经济性§221896光，经科学家证明，这是铀元素不断地放射出某种看不见而穿透力极强的射线的缘故。1 基本知识物质由分子组成核是由带正电的质子和不带电的中子组成；质子和中子统称为核子；电子数等于质子数，原子呈中性。原子的直径（最外层电子轨道直径）约为108cm10-12cm；质子质量 1.672510-24g；中子质量 1.674810-24g；电子质量9.109010-28g；一个原子质量单位1u1/121u=1.6605651024g一个基本电荷（e）1e1.6021019CZ 92 92 92AX234U235U238Z 92 92 92放射性元素。半衰期：天然放射性同位素放射的射线有三种：粒子速度穿透力举例带正电荷的α粒子（42He）2104km/s较弱Pu→U+He带负电荷的β0e)-120104km/s较强Co→Ni+0e-1不带电荷的γ射线30104km/s极强2 核能和核反应原子核与电子，是依靠静电引力核子之间，电磁排斥力和核力，在很小的距离内（310-13cm，核力大大超过斥力。核的结合能=核力―电磁斥力。质量亏损：原子应有的质量与实际质量之差。在原子能领域内，一般用电子伏特（eV（MeV）1MeV=1.60211013J1u931MeVE=931mEMeVm的单位为u。核聚变反应式+247MeV00276u核裂变反应式+200MeV1g铀含有2.610212.61021200521023MeV=832107kJ3 核裂变自持链式反应1 有效增殖系数中子轰击铀核引起裂变，铀裂变后又能释放新的中子。一般可放出2～32.5256.2515.63997.5链式反应：原子核裂变，不断放出中子的现象。238吸收；有害吸收，被慢化剂、冷却剂、结构材料等吸收；泄漏损失。在实际反应堆中，中子的数目并不按理想变化，而是有产生、有损失。消耗的中子数。（Kyx）/Kyx﹦1界状态。Kyx﹥1为超临界状态。Kyx﹤1次临界状态。2 散射、吸收反应中子与原子的反应可以分为散射反应和吸收反应两种。：中子与原子核碰撞，仅使中子的运动方向和速度改变。可分为中子，同时以γ：能使中子慢化的物质。要求质量轻、散射截面大而吸收截面小。反应时中子被原子核吸收。可分为。3 核常数表示方法，单位是靶恩barn，符号是b1b1024cm2。σs散射截面、σxl裂变截面、σf其中σx=σl+σf热中子与快中子核常数的简单比较。N，表示核密度，单位是（/cm3cm1，它表示1cm3sxφ示中子通量φ=nv位（中子/scm2n中子密（中子/cm3v中子运动速度（cm/s原子核与中子的反应速率。反应率Nσφφ/s·cm3。xφsφlφ例题：P23~24初始裂变中子数n时伴随着吸收和向堆外的泄露，热中子在运动过程中被铀235吸收而引起新的裂变，又放出裂变中子，这一过程称为中子寿命循环。初始裂变中子数n快中子快中子慢化成热中子慢化成热中子热中子被铀热中子被铀235热中子反应堆内中子平衡示意图为了实现自持链式反应，需要采取措施，克服中子损失的不利因素，具体措施如下：降低铀238（。选用吸收截面小的慢化剂、冷却剂、结构材料，提高材料纯度。减少中子的泄露。4 反应堆控制原理就是调整反应堆的中子数，即改变反应堆的有效增殖系数Kyx。只有Kyx﹦1时，才能维持自持链式反应。反应堆的有效增殖系数Kyx反应堆运行特点：Kyx构材料等十余种物质，到最后产生200自持链式反应，虽然这时还有剩余的核燃料。MW·d/t燃耗越大，燃料的消耗量就越小，电能的成本就越低。反应堆运行的控制方法：制棒可分为三种：补偿棒和。5 核燃料的转换和增殖由于这种反应所需的中子来自铀235另一种裂变燃料的消耗为代价的，故把这种过程称为燃料的转换，把这种反应堆称为。=生产钚239的数目/235如果反应堆以钚239238产生是在消耗某种物质的基础上产生出来的，把这种过程称为燃料的增殖，把这种反应堆称为。=生产钚239的数目/235两者的意义相同，用符号rr﹤1设初始的核燃料量M0M0rM0又能得到r2M0P292-24r﹥1反应堆消耗1kg1kg增殖型反应堆，不仅可以大量发电，而且可以逐渐积累核燃料，经过一定时间的运行，将反应堆内产生的新核燃料提取，又可建造新的核反应堆。这种反应堆充分利用了自然界大量蕴藏的非裂变核燃料，使核电站反应堆成为一座可裂变核燃料的加工厂，为核电站提供了丰富的资源。给新建的堆，使得有一个由增殖堆核电站组成的电力系统的装机容量不断扩大。倍增时间D=，单位为天数。M0新堆的循环量，G为增殖堆每天消耗的裂变燃料。估计大型快中子增殖堆的倍增时间为12～15年。核能发电（2）§23这些要求在很大程度上受到了材料性能的限制。例如要提高安全性、提高效率，则核燃料及结构材料必需耐高温。还要求结构材料吸收截面小、性能稳定等。反应堆材料包括核燃料、慢化剂、冷却剂、结构材料和控制材料等。1 材料的辅照效应物理和化学性质的有害变化。核反应堆的辐射主要是α、βγ射线、中子和裂变碎片。1 β粒子、γ射线共价键结合的化合物，如水（H2O25eV力结合而成。分解一个共价键小于25eV金属中原子依靠金属键结合起来。电子为自由电子。2 中子电，当它进入物质后和晶体结构中的原子发生碰撞，并把大量能量传递给原子。如果传递给被碰撞原子的能量超过某一值时，被碰撞原子就会离开原来晶体点阵中的平衡位置。使原子移位所需的最小能量称为位移能，对大多数金属来说，位移能为25eV～30eV应留下空穴，使材料的晶体造成永久的缺陷，从而引起材料物理性质的永久变化。这样的效应通常称为辅照损伤。熔化区内的原子将重新排列，冷却后形成应力，降低材料的使用寿命。3 中发生。另外，由于裂变碎片是中等质量核，它的产生使核燃料点阵中掺入杂质原子，原来一个重核原子的地方现在有了2燃料体积的肿胀。气体裂变产物，如氙，它们将聚集成为气泡，同样将导致燃料体积的肿胀。2 核燃料233、235239235233239用人工方238235的140232的储235238238232变物质对扩大能源资源是极为重要的。对核燃料的要求是：热导率高。抗辅照能力强，以达到高的燃耗。燃料的化学稳定性好。熔点高，且在低于熔点时不发生有害的相变。机械性能好，易于加工。不同类型的反应堆使用不同种类的燃料。主要根据反应堆运行温度决定。常用的是固体燃料，包括金属型燃料、陶瓷型燃料和弥散型燃料。燃料类型抗辅照能力核密度导热性工作温度化学活性金属型燃料UU12%Mo胀高好低、强、与水反应陶瓷型燃料UO2UCUN肿胀不高差高抗高温水、钠腐蚀弥散型燃料3 慢化剂剂有石墨、重水(D2O)和清水。1 石墨2 D2O)3 清水4 冷却剂将反应堆产生的大量热能有效地载出，使燃料元件和堆芯材料得到冷却，并要求冷却剂的热中子吸收截面小、导热性能好以及化学性能和辅照性能稳定。1 2 3 液态金属Na978℃、沸点为8835 结构材料种容器以及燃料包壳等。通常要求有一定的机械强度、热导率高、热膨胀系数较小与其它材料相适应。来困难。常用的材料有不锈钢、和（混凝土抗压强度高，但抗拉强度却很低。让钢索使混凝土处于相当高的压缩混凝土任何时候都处于受压缩状态。6 控制材料制材料的热中子吸收截面要大，散射截面要小。控制材料在吸收中子后产生的新同位素仍具有很大的吸收截面。41 含硼材料10BBCCr23Ni13B2Ti42 Ag80In15Cd5%2363 铬Cd2364 稀土氧化物§24v l体热源强度q200φ(MeV/s·cm3=0.321010(J/cm3v l1 燃料芯块内的热传导dtqrdrdt2 燃料与包壳之间的传热ql2rqq3 金属包壳内的热传导ndwnql2blnd4 包壳外表面与冷却剂之间的对流传热简单复习几个概念：

q2t3t2天然铀中有铀2350.799.3238（233、235239235233239用人工方238235的140232的储235238238232变物质对扩大能源资源是极为重要的。η应，其余η1235η2.07233η2.28。239η3.06§251 压水堆核电站动力回路由冷却水回路（一回路系统，蒸汽-水（二回路系统）组成。一回路系统：放射性密闭的循环系统。二回路系统：将蒸汽的热能转化为电能的装置。驱动结构。反应堆堆芯：反应堆活化区，将燃料的核能转化为热能。堆芯由核燃料组件、控制棒组件、可燃毒物组件和中子源组件组成。反应堆内支撑结构：反应堆压力壳：放置堆芯和堆内构件，防止放射物质外逸的高压容器。承受14～20Mpa，温度为320控制棒驱动结构：蒸汽发生器主循环泵稳压器：稳压器内部有电加热和喷雾装置。半速汽轮机、汽水分离器和再热器2 3 重水堆最大的优点是使用天然铀。4 它是用低浓铀或高浓铀加钍作核燃料，石墨作中子慢化剂，氦气冷却。高温高效率。高转换比。安全性好。对环境的污染小。热能可综合利用。5 特点。燃料棒由三部分组成：上部为活性段，氧化铀和氧化钚混合物。下部为增殖段，贫化的二氧化铀陶瓷。中部为空腔，容纳裂变气体。§26相互作用后也要产生附加的放射性同位素。为了确保运行人员和附近居民不受有害影响，必须对放射源加以限制和防护。关于安全问题的评价分两类：正常运行条件下放出的放射性物质。事故情况下。1 核能的开发和利用，给人类带来了巨大的效益，但也伴随着一定的危害。对待辐射危害应持科学态度，只要掌握它的规律，辐射的危害是可以减少和防止的。人类本身就处于宇宙射线与天然放射性环境下，说明一定的低水平的辐射不会对人类造成危害。射线对人体的伤害通过内、外照射两种途径引起。外照射、内照射。辐射对人体的危害分和两种。躯体效应又分远期效应。剂量当量，单位希沃特（Sv，表示1kg物质吸收1j的当量热能。2 核电站安全的最根本任务，保证核电站的正常运行以及发生各种事故时，核电站内外的任何人所受的辐射剂量小于相应的规定值。为了保证核电站的安全，通常设有“三道屏障”和多种安全设施来确保其不发生事故，或者即使万一发生严重事故，放射性物质也不致外逸或尽可能少逸和迟逸。核电站的几项关键性安全设施有：快速停堆信号系统。堆芯危急冷却系统。紧急停堆系统。对可能泄漏出来的放射性物质和射线，主要采用：辐射屏蔽。辐射监测。3 物质主要指废气、废固、废液。废气、废固、废液4 §27行的核聚变反应。例如氢弹。受控核聚变的两个基本条件:温度241劳逊条件（n（τnτ1014nτ大于1016注：常压下大气密度为31019cm3/第三章：风能发电§31量，必须通过长时间的观测计算出平均风功率密度。我国10m3226kw发总量1/10风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数078即1m1m的正方形面积的0.785，得到我国10m高度层的风能储量为2.53亿kw。得最佳空气动力性能，但结构复杂，造价高，主要从比利时、美国、德国进口。另一类是固定浆距失速调节型机组。地方发展规划：§32风速述它。（）发生作用的风速，故称有效风速。平均风速：一段时间间隔内，所得的各瞬时速度的平均值。uav=ui/nm/s的百分比。风能频率与离地面高度、地形以及建筑物等有关。风能t201.01105Pa，则V241m3M29kgρ12kg/m3。速度u1m3E1/2ρu2，EJ/m3每一平方米与空气流速相垂直的截面上流过的空气量为u，故能量密度：EEu1/2ρu3，EW/m2E是讨论风轮机作功力大小的参数，u大。如u10m/sE600W/m2u5m/sE75W/m2。1m/s12320m/s和各等级风速全年累计小时数N1N2N3N20式中 平均风能密度，W/m2。通常3~20m/s为有效风速。用。风能发电装置的组成（图见PPT课件）风能发电装置主要由风轮机、传动变速机构、发电机和蓄电池等组成。其中风轮机还装有迎风装置和超速控制装置。迎风装置的作用是：使风轮随风向的变动而作相应的转动，并保持垂直。超速控制装置的作用是：风速过高时作相应的调整，保护风轮的安全。铅酸蓄电池（图见PPT课件）2H2SO42HSO4-2H+正极的电化学反应（海绵体）PbHSO4-PbSO4H+2e负极的电化学反应（海绵体）PbO23H+HSO4-2e-PbSO42H2O总反应方程式：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O蓄电池的执照字早制造费用为接近风轮机的造价，它的寿命只有两三年，所以使用时必须小心爱护。为了防止电流由蓄电池流向发电机，还应装设逆流继电器。风能电站风能发电站大致可以分为两大类：1、中小型风能发电装置可用于孤立用电地区的中小容量风能发电机组，这类机组容量在100kW以下。多采用直流发电机，并利用蓄电池保持一定的电压，在无风的情况下可采用蓄电池供电。2、大容量风能发电装置大容量机组采用交流发电机，可以与其他能源的电站并网运行。第四章：太阳能发电（1）§41概述它各种能量（燃料能、风能、水能）最重要的一种是氢聚合成氦。太阳的直径为1.39106km6000k810640106k1.9681013KPa。地球一年中从太阳获得的能量约为61017kWh，只相当太阳发出的总辐射能量中的十分微小的一部分，但它却相当于人类一年所消耗总能量的上万倍。太阳能的另一个特点是不会污染环境，是一种清洁的能源。全世界都在加大对其研究、开发力度。太阳能的利用手段主要是光⎯（电转换（单晶硅太阳能电池，理论效率28）和太阳能⎯换方式、新工艺、新材料的出现，人类一定能够掌握太阳能的利用技术。§42本节着重介绍太阳辐射的基本特性、数据和估算方法。它是太阳能利用、设计、运行的基础。太阳能辐射通量和太阳常数地球围绕太阳公转，公转周期为一年，运行轨道是一偏心率很小的椭圆，太阳位于椭圆轨道两个焦点中的一个焦点上。所以太阳、地球间的距离在一年中随着季节的变化而改变。近地点（1月3日：日地距离为1.47亿km，视角为32’59”。远地点（7月4日：日地距离为1.52亿km，视角为31’27”。视角为31591.50亿km为一个天文单位。w/m2。辐射表面上的太阳辐射通量，Io。目前世界公认为1353w/m2。大气层外太阳辐射光谱太阳辐射未进入大气层之前其能量主要集中在0.240m0.304m752763.0m48%，可见光约占总能量的45。P92图3-2地球表面上的太阳辐射到达地面上的太阳辐射并不等于大气层上界的辐射。吸收作用散射作用漫反射作用太阳辐射中单色光经过大气层后的减弱 参见P93式3-1其中m为大气质量 m=1/sin 30o，30o时，P93式3-4太阳直接辐射通量 I1=IoP1 Im=IoPm=IoP1m，其中Io=1353w/m2。投射到斜面上的太阳直接辐射的计算Im=IoPm=IoP1mcosi斜面倾角、方位角关系到入射辐射通量的大小。当入射角为0时可以获得最大的入射辐射。但地球和太阳的相对位置一直在改变，要使入射角为0，要不断改变斜面倾角、方位角。的入射辐射，倾角接近当地的纬度太阳能发电（2）1974在开发可替代石油的替代能源。它的主要开发目标是开发太阳能、地热能、煤的气化和液化、氢能，此外还有风能、海洋能等。1978年，制定了有关节能的“月光计划是一项大型的节能计划，研究开发繁荣重点是提高利用效率、燃料电池、热泵和超导在电力上的应用。1989年，推出“地球环境技术开发计划该计划主要侧重于人工光合作用固定二氧化碳、二氧化碳的分离和化学物质的分解等。1993年，又将三项计划全部纳入“新阳光计划计划到2020年，每年的费用5合性中长期技术开发计划。§43一般家用生活热水负荷为2530立升/日人，对于四口之家，配备2m2的太阳能热水器就可以满足需求。此外，太阳能热水器水系统中的储能工质就是水本身，使系统大大简化。⎯能。因此集热器是太阳能利用装置中最主要的设备之一。通常的集热器可以分为平板型、真空管型和聚焦型。其中民用多为前两种，聚焦型主要用于热力发电站。（图见PPT课件）结构（自然对流型、无跟踪设备）玻璃盖板绝热材料集热板鳍片热损失集热器的传热过程是很复杂的。吸收元件和盖板都有自己的吸收和反射，玻璃盖板还有透过辐射的特性，玻璃盖板于吸热元件间的空气还有复杂的流动等。为了便于分析、理解，必需对模型进行简化。（1）玻璃盖板与外界空间的热交换（2）玻璃盖板与吸热元件间的热交换（3）背热损失Ub=1/R1=/Ub为背面热损失系数，单位为W/m2K)。（4）顶部损失Ut=1/(R3+R4)=Ut为顶部热损失系数，单位为W/m2K)。Nu=(Re，Pr)，Nu=ddl/，Re=ddlu/，Pr=cp/热平衡和效率因子能量在热传递过程中，存在光学损失和散热损失。却剂流道。内、外管之间为真空。硼硅玻璃333.301106℃（。具有熔化温度极高，化学稳定性极佳等特点。日本人称之为玻璃王，中国人称之为特硬玻璃，管状品每吨高达7000美元。（图见PPT课件）的聚焦型集热器。一般工作特性聚光镜的有效面积是：Ac=aL接收器的表面是：Ar=dL令Ac/Ar=cc倍数。美国著名的太阳能1号塔式聚光电站。光学跟踪方式完全不同，显然接收表面与太阳光线垂直时截获的能量最多。因此太阳能热力发电装置中的集热器都采用跟踪装置以求尽可能多地截获投入辐射。（1）焦线按南北方向倾斜布置，东西跟踪。（图见PPT课件）（2）焦线按东西方向水平布置，南北跟踪。（图见PPT课件）材料要求聚焦镜：铝、银等金属材料。要求是反射率高，易清洗。接收器：短波吸收率高，长波发射率低的材料作接收器表面涂层。还应有较高的机械强度。阳能将会越来越受人们的青睐，并有可能与计算机和电信产业一样，成为21世纪发展最为迅猛的工业领域。newsunshineニューサンシャイン§44单元都是由称作cell的单元构成。对太阳能电池来说，一个cell相当于一个pnpn结的构成。n元素，会形成一些能自由移动的电子。p量的硼对于pn结来说，nppn型侧带正电。pn结被太阳光照射，在太阳能电池内发生将能量传递给电子，电子获得能量后，偏离原来的运动轨道，从而产生新的空穴和和电子，在结区形成，新产生的电子向n穴向ppn由吸收太阳光所产生的电子空穴对的数量所决定；输出电压宽度大小所决定。当外加负载时，会有电流流过。只要有太阳光照射，这种电池就能连续不断地将光能转变为电能。这就是太阳能电池的发电原理。目前面积为025cm2025cm2的电池效率已达到101。太阳能电池转换效率损失的主要原因有以下几种：电池表面的光反射作用。电池材料的缺陷，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。长波长的光容易投射到电池底部，变成热量。电极接触不良，使串联电阻增加。可根据材料的使用情况分为两大类，既硅系列和化合物系列。硅是最常用的，在地球上除了氧元素以外，硅是含量最多的元素。硅是地壳中最丰富的一种元素之一，主要以化合物二氧化硅（SiO2）的形式存在。SiO29799体工业的迅速发展，对硅纯度的要求越来越高。以冶金硅为原料，将杂质降低到百亿分之一以下而获得的高纯度的多晶硅。在此基础上，将多晶硅熔化，并使其原子和分子以同一方向（晶向）周期性地整齐排列，便可生产生成单晶硅。多晶硅单晶硅制备：太阳能模块太阳能电池的最小单位是单体cell模块，发电模块根据用户负荷确定。最近国外正在进行低成本的太阳能电池屋顶一体化材料研究。直交流变换器直流变交流。系统保护装置防漏电触电事故，系统由保护继电器和断路器构成。蓄电池量造成影响。在发电量过剩的时候，要向蓄电池充电；相反在发电量不足的时候，由蓄电池进行供电。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。§45类提供了一个既能满足能源需求，又不污染环境的替代能源。德国一座500kW气被用作锅炉和内燃机的燃料或者用于燃料电池的运行。在沙特阿拉伯也建成一个类似的350kW的太阳能制氢系统。§46同时，提高辅助设备的性能、降低成本。并尽可能多样化，如建材一体化型太阳能电池模块的开发。第六章：生物质能利用§51概述详见PPT课件。第六章：地热发电§61概述详见PPT课件。第七章：海洋能海洋是世界上最大的太阳能采集器，它每年吸收的太阳能相当于37万亿千瓦时，相当于人类目前用电量的4000倍。7161球，约占87而且蕴藏着极其丰富的能量资源。海洋能有两种不同的利用方式。一种是利用海水的动能，带动发电机发电。另外一种是利用海洋不同深度的温差通过热机来发电。理论上它们的储量都很大，但限于目前的技术水平，尚处于与小规模的研究开发阶段。§71复运动。巨量海水汹涌而来，其中包含着大量的动能。涨潮过程中，海水位逐渐升高，把大量动能转化为位能。在落潮时，大量海水又奔腾而去，大量位能又转化成为动能。一座拦水堤坝，形成水库，并坝中或坝旁放置水轮机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过水轮机机组时转动水轮机组发电。潮汐发电的所需要的费用主要是一次工程投资，建成后，海水不要钱的，所以发电成本非常低廉。电站最大潮差13.524台1万kW的水轮发电机组，总装机容量24万千瓦。我国第一个单库双向式潮汐电站—浙江温岭县江夏潮汐电站，共有五台机组，共3200kW。生周期变化。海洋中的同一地点，每天都有一次向着月球，一次背对地球，这一周期的时间为24h48min。§72km210~20万kW。波浪能与波浪高度的平方和波的周期的乘积成正比。设波高为为H单位为m，周期为Ts，则每mEkW/m，E=H2T§73OTEC)海洋温差发电是以海洋受同样能加热的表面海水25~28℃)作为高温热500~1000m深处的海水4~7进行发电的系统。从高温热源到低温热源，可能获得总温差15~20℃左右的有效热量。给热量；深层海水不断地从极地流到赤道。海面上的太阳辐射的分布有关。赤道附近，太阳直射较多，海面温度较高；中纬度地区，太阳照射偏斜，海面温度较低；两极地区，太阳直射很少，海面常年封冻。系统主要有两种：闭式循环开式循环使用低压水蒸气，系统容易漏气，真空泵耗电大。闭式循环采用丙烷、氨等低沸点工质代替水蒸气。第八章：燃料电池技术(1)§81概述燃料电池（FC）15030显著，已经或即将步入实用化阶段。当前，科研与开发的重点是提高性能，降低成本，早日实现产业化。转换，而是将燃料的化学能直接转变成为电能的发电方式。21环境友好发电方式之一。现代科学技术进步使燃料电池势不可挡地进入未来电力工业和汽车工业。预计，燃料电池系统将在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天等方面具有广阔的应用前景。何为燃料电池为电能的发电装置。燃料电池的特点和优势与传统的发电方式比较，燃料电池具有许多突出的优点：（1）不受热机卡诺循环（CarnotCycle）都在5080％以上；热机最高效率（）W/Q100T2T1/T2100%燃料电池实际转化效率（%）=nFE/H×100%n⎯参加电池反应的电子数；F⎯法拉第常数，96500C/molE⎯电池的实际输出电压。在没有余热利用的情况下，燃料电池效率可高达40%~50%。（2）洁净、无污染、噪音低；（3）模块结构，灵活机动，适应不同的功率要求，维修方便；（4）比能量高，降载弹性高；（5）高温燃料电池可实现热电联产，副产有价值的工业原料。燃料电池发电系统主要由4燃料预处理单元燃料电池单元该单元是燃料电池的心脏，能实现上述反应的基本装置是FC单体串联起来构成的装置叫做FC构件叫做双极板。由若干FCFC需要，选择不同的标准模块，就可组装成FC发电装置的本体。直交流变换单元热量管理单元与普通化学电池一样，燃料电池的构造可用下式表达：（）氧化剂（）料为有机化合物，且为气体，这就要求电极不仅要有催化剂的特性，并且为多孔质材料，以增大燃料气、电解质和电极三者的接触界面，促进电子授受（ThreePhaseZone研究直接关系到燃料电池的发展。燃料电池电极反应为氧化还原反应，其一般表达式为：a·On·e－＜＝＞b·R对于气体电池，在R为气体，O为离子；在OR为离子。OReE可用能斯特方程表示为：E＝Eo2303RT/nF·LogαOa/αRb)R：气体常数，831J/mol·K；T：绝对温度，K；F：法拉第常数，96500C/mol；αOO的活度；αRR的活度；Eo：标准平衡电位，标准电极电位。以（）H2H2SO4O2（）阳极：H2→2H＋＋2e－ n=2，R为H2，O为H＋；阴极：1/2O2＋2H＋＋2e－→H2On=2，R为H＋，O为H2；在1MPa、25℃条件下，H2、O2的标准电极电位分别时：EoH2＝0EoO2＝1.23EH2＝02.303RT/nF·Log((αO)a/(αR)b)EO2＝1.232.303RT/nF·Log((αO)a/(αR)b)因此，在开环电路中电池的电动势为： E＝EO2⎯EH2＝1.23V燃料电池以E叫做燃料电池的理想效率。·T＝nF·E/H×100%燃料电池的理想效率80%~90%。VE过电压εV表示为：T＝V/E上燃料电池的输出最大电流为IF为：IF＝nF(dF/dt)然而，燃料的利用率一般在100%以下，实际通过电流为：iF＝nF(df/dt)因此，电流效率εC

C＝V/E由此可知，燃料电池的实际效率ε为：ε＝εTεVεC例题：MCFC在923K01MPa923K时的反应热o1299kJ/mol（为10736V，工作电压为0.8V77%831%池的总效率。TVC0.8310.770.477所以，燃料电池的总效率47.7%。继氢氧碱型燃料电池（AFC、AlkalineFuelCell）FC又经历了四代的发展过程：第一代磷酸盐燃料电池（PAFC）PhosphoricAcidFuelCell；第二代熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）MoltenCarbonateFuelCell；第三代固态氧化物电解质燃料电池（SOFC）SolidOxideFuelCell；第四代固体高分子燃料电池（PEMFC）ProtonExchangeMembrane。燃料电池的使用形式：中央集中型（Centralized，主要用于电厂。地区分散型（Dispersed，主要用于电厂。现场型（On-Site，主要用于工厂、生活小区、大型办公楼。能源优化利用与地球环境。我国科技界对燃料电池一直很重视，1996年和1998议对其进行了专题讨论，并呼吁国家有关部门予以立项，特别强调基础理论的研究对创建有我国自主知识产权、独立开发燃料电池重要性和必要性。PEMFCPEMFC用作潜艇动力源时，与斯特林发动机、闭式循环柴油机等相比，具有效率高，噪声低和低红外辐射等优点。在携带相同重量或体积的燃料和氧化剂的情况PEMFC我国煤炭资源丰富，占一次能源探明总量的90％。在21将为我国主要能源资源之一。现行的火力发电站能量转化效率低，环境污染严重，高效、清洁的MCFCSOFC二．国内外发展现状80的人力、物力和财力对燃料电池系统进行研究与开发，并取得了大量成果。美国于19962000KW250KWPAFC日本于19931994年对100KW的MCFC发电装置进行了长达5000小时的连续发电试验。美国已完成25KW的SOFC系统长时间运行试验。加拿大在电1993PEMFC为动力的公共汽车示范车，并先后与美国、德国和日本各大汽车公司合作开发燃料电池汽车。德国、荷兰、丹麦、俄罗斯、韩国等也均有计划开展研究各具特色的燃料电池系统。在进行燃料电池工程开发和应用试验的同时，正在进行深入而广泛的基础研究，以期延长电池寿命，降低电池成本，提高电池比功率与比能量，简化电池系统，提高电池组与系统的可靠性等。时进行用薄金属板替代现行石墨板作为电池组双极板的研究。美、日、德还在进行关于全氟多元磺酸基团的氟烯醚单体及其成膜工艺方面的基础研究，目前已开发成功含双磺酸基团的氟烯醚单体，性能比Nafion117膜有了成倍温度与浓度分布模型与仿真研究，为燃料电池工程化指明实施方向。有力地加速了燃料电池的研究与开发。为适应PEMFC作为电动汽车、潜艇动力源方面的需求，国外正在投入巨2003年PEMFCAIP2005燃料电池为动力的电动车可进入市场。60AFC系统，已接近当时国际同类研究的先进水平。90EMFCMCFC与SOFC类型燃料电池的应用基础及工程开发研究，进行电催化剂与电极制备，电解质膜与电极内反应气浓度分布，流场和水迁移等方面的应用基础研究，试制成千瓦级PEMFC电池组，并申报了多项发明专利，开始形成自己的燃料电池知识产权。在MCFC电池的研究方面，系统地进行了LiAIO2用基础研究。另外，对于SOFC电池材料及电池系统也进行了研究。率，摘掉我国燃煤污染大国的帽子，促进清洁煤发电技术和环保汽车工业发展，对我国国民经济发展和国防建设必将产生重大影响。同时，可以形成我国有自主知识产权的燃料电池产业，增强国际竞争能力，促进一批基础学科及交叉学科的发展。因此，尽早启动燃料电池基础理论研究已经成为我国一项刻不容缓的战略任务燃料电池(2)FuelCell§82阳极：H2→2H＋＋2e－e－电子流经外电路；H＋在电解液中扩散。电解质：H3PO4H3PO4→HH2PO4－阴极：1/2O2＋2H＋＋2e－→H2O负载：把阳极传过来的电子送到阴极。要求：良好的多孔电极、电极表面维持稳定的三相界面。工作温度453~483K，这一范围是依据的蒸汽压、材料的耐腐蚀性工作压力常压，对大容量的PAFC采用加压冷却方式水冷、空冷燃料利用率燃料是经燃料转化装置输送来的。70～80％的燃料参加反应氧化剂利用率50～60％（空气中氧含量为21％）反应气组成H2、CH4CentralizedDispersedonsiteCarnotCycle⎯100CH3OH（甲醇）2H2COCOH2OH2CO2以煤代油技术⎯§83固体聚合物电解质膜，厚度约为50~250μm质子交换膜燃料电池PEMFC（ProtonExchangeMembraneFuelCell）是一种采用高分子交换膜作电解质的燃料电池，它不仅具有输出电流密度高、结构简单、工作温度较低等特点，而并且具有低污染、零排放、低噪音以及启动快等优点，是一项高新技术成果。用甲醇、天然气，甚至汽油、柴油、煤等作燃料。当氢气从阴极进入时，氢原子在催化剂的作用下，被离解为电子和氢质子，电子则通过外接电路达到阳极；同时，氢质子则穿过质子交换膜与从阳极进入的氧气在催化剂的作用下结合生成水，只要不断地分别将氢气和氧气送入阴极和阳极，就可以连续不断地发出电来，而排放物只是纯净的水。其反应方程式如下：阳极：H2→2H＋＋2e－(1)阴极：1/2O2+2H＋＋2e－→CO32－ (2)总反应：H2＋1/2O2→H2O(3)1993allardPEFC交通汽车，这辆汽车是以氢气为燃料，唯一的排放物是湿润的空气，对环境没有污染。有人预测，以PEMFC为动力的商业上富有生命力的汽车在20002010PEMFC不仅是人造卫星上的可靠、高效、低成本的动力源，而且可以作为陆地上市区交通车辆、水下潜艇等的动力源和安装在用户家中作为固定发电站。人们普遍认为PEMFC燃料电池PAFC。它正在迅速逼进商业化，尤其是在车辆动力源上的应用。PEMFC的特点造方便。缺点：废热品位低；对CO§84熔融碳酸盐燃料电池MCFMoltenCarbonateFuelCell）电池。在工作过程中，碳酸盐电解质处于熔融状态，所以取名为熔融碳酸盐燃料电池。它具有能量转换效率高、环境污染小、可以利用石油的替代品以及发电效率与发电容量的依赖性小等优点。MCFC650阳极动力学过程很快，不必用贵重金属，而用Ni阳极由NiCr和NiAlNiO为了抑制阴极材料溶解，在阴极中还需添加碱性添加剂；在阳极和阴极中间的电解质板是Li2CO3K2CO3瓷材料（LiAlO2当MCFC的工作温度达到600～700CO32H2HH2→2H＋＋2e－ (1)在阴极，空气中的O2氧离子。1/2O2＋2e－→