新能源材料与器件课件-绪论-能量概述

1一课程教学内容本课程集中讲述当前主流新能源材料与器件的发展概况，内容涉及各类新能源材料的基本原理、基本结构和性能等，重点介绍太阳能电池材料、氢能材料、电化学能源材料等器件及关键材料的应用和发展前景。选用教材：《新能源材料与器件》王新东、王萌编著绪论

课程内容课程背景新能源概述3.1能源3.2能源发展史3.3常规能源3.4新能源3.5新能源材料与器件的发展二课程背景Background3新能源技术是21实际世界经济发展中最具决定性影响的五个技术领域之一（信息、生物、新材料、新能源、空间技术），而新能源材料与器件是发展新能源技术和实现新能源利用的关键。近年来国际能源发生了重大调整，全球治理体系深刻变革，我国在“十三五”规划的主要目标中明确指出：“生态环境质量总体改善，生产方式和生活方式绿色，低碳水平提高。”实现这一目标就是要走绿色发展道路，发展新能源被提到了前所未有的国家战略高度。课程背景Background4战略新兴产业：新能源、新材料、新能源汽车新能源材料能源危机材料发展环境污染资源短缺二Background5新能源技术促进可持续发展推动低碳经济英国政府发表的《能源白皮书》中，首次提出了“低碳经济的概念”，低碳经济概念的提出，引起国际社会的关注，并且逐步形成共识。所谓低碳经济，就是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，或者是含碳燃料所排放的二氧化碳显著降低的经济。低碳经济能够同时实现三个目标。一是解决能源安全问题；二十解决气候变化和环境污染问题；三十提高国家经济竞争力和增加就业岗位问题。低碳经济包含：低碳生产、低碳流通、低碳消费三个方面。课程背景二Background6材料和能源是人类社会赖以生存和发展的最重要物质基础随着人类发展和社会工业化进程的推进，与人类休戚相关的室友、天然气和煤等传统能源日益减少，随之而来的环境污染日益严重，威胁着人类的可持续发展，人类社会要实验可持续发展战略，保护自然环境与资源，必须发展新材料和新能源技术。能源的转化和储存在充分利用地球资源，实验人类可持续发展、推动低碳经济方面起着重要的作用。课程背景二Background72017年，中国成为世界最大的原油进口国2018年，中国石油对外依存度升至70%课程背景二Background82018年，中国成为世界最大的天然气进口国。对外依存度持续扩大课程背景二Background9汽车尾气污染引发了严重的社会问题汽车是污染物总量的主要贡献者，据环境保护部报告显示，2017年，全国机动车排放污染物4359.7万吨。对北京、上海PM2.5的来源分析，机动车造成污染都占据20%以上。课程背景二Background10传统能源的使用成为环境污染的罪魁祸首课程背景二世界十大严重污染城市中国占：个7Background11温室效应——温室气体含量与来源课程背景二由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。12课程背景面临任务研发环境友好、清洁高效的洗呢能源材料与器件成为洗呢能源领域的主旋律低碳生活发展清洁可再生能源实现清洁能源的高效利用锂动力电池组超级电容器风能太阳能二13三能源概述3.1能源1.基本概念能：物质运动转化的量度，也称为“能量”。从物理学的观点看，能量可以简单地定义为物理系统做功的能力。广而言之，任何物体都可以转化为能量，但是转化的数量、转化的难易程度是不同的。能源：可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任何形式能量的载能体资源。关于能源的定义：《科学技术百科全书》：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”能量形式：机械能（风能、水能等）、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。3.1能源14三能源概述2.能源种类：3.1能源按形成方式一次能源，即可供直接利用的能源煤、石油、天然气、风能、太阳能二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源电、蒸汽、煤气、氢按循环方式可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少风能、生物质能、太阳能、氢能非再生能源，它随人类的利用而越来越少石油、煤、天然气、核燃料按环境保护的要求清洁能源绿色能源，如太阳能、氢能、风能、化学能源非清洁能源化石燃料按对被利用的程度常规能源煤、石油、水力、电能新能源太阳能、氢能、地热能、生物质能、核能15三能源概述能源利用和开发太阳能化石能源风能水能核能地热能化学能源3.1能源16三能源概述人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。非再生能源:石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的85%左右（全世界为90%）再生能源:水力、太阳能、风能等只占15%左右。2050年争取达到50%。各种能源的消费比例图:左图为我国能源结构；右图为世界能源分布图3.能源现状与问题：3.1能源17三能源概述再生能源分布:太阳能占99%以上,风能、地热能、生物质能等不到1%人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。非水可再生能源（风能、太阳能、地热能、潮汐能、波浪能、以及生物能）的发电量会从2007年的2.5%增长至2030年的8.6%。3.1能源18三能源概述能源问题—矿物能源面临枯竭

能源危机与能源安全是当前世界各国面临的严峻挑战改善能源结构，实现能源多元化是国家发展的必然选择!3.1能源19三能源概述能源问题—环境污染利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1)煤、石油等燃料的燃烧:我国的煤炭、石油等能源消耗居世界第一；2)汽车排放的废气；3)工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气，我国单位GDP能耗是发达国家的8-10倍，每年新增碳排放量为世界第一大气污染：1)酸雨问题；2)温室效应；3)臭氧层破坏。3.1能源20三能源概述3.2能源发展史火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；21三能源概述3.2能源发展史化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；核能等新能源的发现及开发利用22三能源概述3.2能源发展史柴草时期18世纪初叶，即资本主义发展的初期以前为柴草时期。这时人类是以树叶、杂草等当燃料，用于熟食和取暖，而生产活动主要靠人力、畜力以及一些简单的水力和风力机械作动力。这段漫长的时期，人类社会的生产和生活处于很低的水平。能源简史根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期、石油时期和新能源时期23三能源概述3.2能源发展史煤炭时期从18世纪下初叶产业革命导致了工业大发展，逐步扩大的煤炭利用促进了煤炭工业的发展，使煤炭代替了柴薪成为生产生活的主要燃料；燃煤蒸汽机成为生产的主要动力；煤炭转换成电力进入社会各个领域成为生产和生活的重要能源之一，电力的应用从根本上改变了人类社会的面貌。24三能源概述3.2能源发展史石油时期19世纪中叶，石油资源的发现，开拓了能源利用的新时代。石油和天然气以热值高、运输方便、清洁和廉价等优点，逐步在工业发达国家中代替了煤炭。随后，世界石油和天然气的消费量超过了煤炭成为世界能源供应的主力。1973年出现的石油危机，促使人类对能源的开发利用开始向比较丰富的核能以及太阳能和其他可再生能源改变，以更好地解决人类下一世纪的能源需求。4.新能源时期进入21世纪，人类开始了对绿色、环保、高效和稳定的新能源的探索。25三能源概述3.3常规能源常规能源：在相当长的历史时期和一定的科学技术水平下，已经被人类长期广泛利用的能源，不但为人们所熟悉，而且也是当前主要能源和应用范围很广的能源，称之为常规能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。（1）煤炭煤炭是理在地壳中亿万年以上的树木等植物，由于地壳变动等原因，经过物理和化学作用而形成的含碳量很高的可燃物质，又称作原煤。按煤炭的挥发物含量的不同，将其分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤等类型。26三能源概述3.3常规能源（1）煤炭煤炭是地球上蕴藏量最丰富、分布地域最广的化石燃料。根据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4.84×104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8%。露天开采矿井开采27三能源概述3.3常规能源（1）煤炭煤炭既是重要的燃料又是珍贵的化工原料，在国民经济的发展中起着重要作用。煤炭在电源结构中约占72%，在化工生产原料用量中约占50%，在工业锅炉燃料中约占90%，在生活民用燃料中约占40%。自20世纪以来，煤炭主要用于电力生产和在钢铁工业中炼焦，某些国家蒸汽机车用煤的比例也很大。工业炼焦28三能源概述3.3常规能源（2）石油石油是仅次于煤的化石燃料，它是一种天然的黄色、褐色或黑色的流动或半流动的黏稠的可燃液体、烃类混合物。石油也称为“原油”。它可以被加工成各种馏分，包括天然气、汽油、石脑油、煤油、柴油、润滑油、石蜡以及其他许多种衍生产品，是最重要的液体燃料和化工原料。29三能源概述3.3常规能源（2）石油目前世界上已找到近3万个油田和7500个气田，这些油气田遍布于地壳上六大稳定板块及其周围的大陆架地区。在156个较大的盆地内几乎均有油气田发现，但分布极不平衡。世界石油储量分布图30三能源概述3.3常规能源（2）石油在现代国防方面，新型武器、超音速飞机、导弹和火箭所用的燃料都是从石油中提炼出来的。石油是重要的化工原料，可以制成发展石油化工所需的绝大部分基础原料。可以说石油是国民经济的“血脉”。海上钻井油田开发示意图31三能源概述3.3常规能源（3）天然气天然气是除煤和石油之外的另一种重要的一次能源。它燃烧时有很高的发热值，对环境的污染也较小，而且还是一种重要的化工原料。天然气的生成过程同石油类似，但比石油更容易生成。天然气是地下岩层中以碳氢化合物为主要成分的气体混合物的总称。主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类综合组成，其中甲烷占80%~90%。32三能源概述3.3常规能源（3）天然气天然气是蕴藏量丰富，最清洁而便利的优质能源。世界上天然气资源丰富，据俄罗斯学者预测，世界常规天然气的总资源量达4×1014-6×1014m3，此外还有大量非常规天然气资源。与石油一样，世界天然气资源分布也很不均匀，主要集中在中东、苏联和东欧，三者之和约占世界天然气总储量的70%。33三能源概述3.3常规能源（3）天然气2001年全世界气体燃料的总消费量为1137百万吨标准油。其中工业消费占44.8%，交通运输占4.8%，其他行业和生活消费则为50.4%。天然气市场非常广阔。世界各地区的天然气生产/消费图（2002年，单位：十亿m3）34三能源概述3.3常规能源（4）水能水能是自然界广泛存在的一次能源。它可以通过水力发电站方便地转换为优质的二次能源—电能。所以通常所说的“水电”既是被广泛利用的常规能源，又是可再生能源。而且水力发电对环境无污染，因此水能是世界上众多能源中永不枯竭的优质能源。35三能源概述3.3常规能源（4）水能我国土地辽阔，河流众多，径流丰沛，落差巨大，蕴藏着丰富的水能资源。据估计，我国河流水能资源的理论蕴藏量为6.76亿kW，年发电量为59200亿kW·h，不论是水能资源的理论蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。水能资源分布：36三能源概述3.3常规能源（4）水能水资源分布37三能源概述3.3常规能源（4）水能三峡工程——世界之最世界防洪效益最为显著的水利工程：三峡水库总库容393亿m3，防洪库容221.5亿m3，能有效地控制长江上游洪水，增强长江中下游抗洪能力。世界上最大的水电站：三峡电站总装机容量1820万kW，年发电量846.8亿万kWh世界泄洪能力最大的泄洪闸：三峡工程泄洪闸最大泄洪能力为10.25万m3/s。38三能源概述3.3常规能源（4）水能世界最大的抽水蓄能电站2000年3月14日，广东省广州抽水蓄能电站8号机组移交生产，标志着该电站的建设已全面完成，成为世界上最大的抽水蓄能电站。总装机容量240万kW的广蓄电站，一期工程总投资约27亿元，二期工程总投资近30亿元。39三能源概述3.3常规能源（5）核能由于原子核的变化而释放的巨大能最叫作核能，也叫作原子能。核能发电是一种清洁、高效的能源获取方式。实现核能的和平利用，就能够代替化石燃料，目前已生产出各种规格的核反应堆，是核潜艇、核动力破冰船、核电站等设备的核心部件。40三能源概述3.4新能源1.基本概念新能源是相对常规能源而言的，一般指以采用新技术和新材料而获得的，在新技术基础上系统开发利用的能源。包括太阳能、生物质能、化学能源、风能、地热能、海洋能、潮汐能，以及氢能、沼气、酒精、甲醇等。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特征的新能源越来越得到各国的重视。新能源具有资源可持续、清洁、分布均衡等特点，必将成为未来可持续能源系统的支柱。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。

41三能源概述3.4新能源常见绿色新能源

太阳能风能生物质能核能化学能源到“十二五”期末，新能源所占比重应该达到12%—13%到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例达到3％以上。2.新能源分类42三能源概述3.4新能源2.新能源分类新能源太阳能取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源存在转换效率、成本和使用寿命等系列问题氢能质量轻、传热高、清洁和来源广氢能的制备和贮存距离大规模利用还有一定距离核能已实现对核裂变的控制和利用，但尚未实现可控的核聚变反应清洁能源之一，和平利用核能为全球所关注生物质能绿色能源，科学家们预计将成为未来可持续新能源系统的重要组成部分风能太阳热辐射引起的大气流动的动能，是可再生的清洁能源，风力发电是风能利用的主要领域43三能源概述3.4新能源2.新能源分类44三能源概述现有能源网络3.4新能源45三能源概述3.4新能源电能储存是当前研究的重点。化学电源（电池）是人们生活中应用广泛的方便储能技术，也是高新技术和现代移动通讯的新型能源。性能优越的金属氰化物-镍电池、锂离子电池和燃料电池是21世纪的绿色能源。化学电源储能的电化学原理、制造技术和发展趋势是新能源开发的重要组成部分。以风能为例，新能源的利用流程46三能源概述3.4新能源3.先进储能技术储能，是指能量转化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程：自然储能——光合作用（太阳能转化为化学能储存）人为储能——机械储能、化学储能、电磁储能、水能储存等储能技术：在能源开发、转换、运输和利用过程中，能量的供应和需求之间往往存在数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异、有效利用能源，而采取的储存和释放能量的人为过程或技术。47三能源概述3.4新能源储能技术一般要求:

储能密度大

变换损耗小

运行费用低

维护较容易不污染环境应用最广最主要的是电能储存。储能系统评价指标:储能密度

储能功率

储能效率

储能价格环境负荷电的储能技术大致分三类：

直接储存电磁能

把电能转化为化学能储存

把电能转化为机械能储存储能技术将在能源系统、新能源（单个或集成）技术及输送中发挥重要作用。3.先进储能技术储能系统本身并不节约能源，主要在于能够提高能源利用体系的效率，促进新能源如太阳能和风能的发展。48三能源概述3.5新能源材料与器件的发展1.能源材料的概念及分类

广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。有的学者分为：新能源技术材料－如增殖堆用核材料、太阳能电池材料节能材料－如非晶态金属磁性，超导材料。储能材料－如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料。新能源材料：指实现新能源的转化利用及发展新能源技术中所用的关键材料，是发展新能源技术的核心和其应用的基础。从材料学的本质和能源发展的观点看，高效储存和有效利用现有能源的新型材料也可归属为新能源材料。新能源材料是能源转化、储存与应用过程中的关键材料，主要包括太阳能电池材料、燃料电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料及发展生物质能所需的关键材料等。49三能源概述3.5新能源材料与器件的发展2.新能源材料的应用与发展新材料把原来习用已久的能源变为新能源。如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。新电极材料可提高储能和能力转化效率如：镍氢电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定着核反应堆的性能与安全性新反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐射材料，这些新材料的组成与可靠性对核能的安全运行和环境负荷起决定作用。材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着新能源安全环保与运行成本。如：太阳电池材料决定着光电转换效率；燃料电池及储能电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能和寿命。50三能源概述3.5新能源材料与器件的发展物理电源的种类相对较少即为满足新能源的高效转换和储存而设计的清洁装置。物理电源是指把物理过程的能量转换成电能的装置最为典型的物理电源是太阳电池