1、世界能源概況 新能源的動態 新能源是指CO2的排放低,環境負擔小,資源限制少的國產能源. 可替代石油,確保能源的確保能源的穩定供給,減緩地球環境問題,構筑可持續性的經濟社會.新能源種類 2003年4月,歐美各國全面實施“關于電力事業新能源利用的特別實施法(RPS法)”，規定電力公司在銷售電量時有義務引進一定比例的新能源。 太陽能、風力、氫能、生物質、地熱、中小水力地球溫暖化引起的氣候變化、異常氣候 氣溫上升：2100年全球平均溫度上升1-5.8K，緯度越高地區氣溫上升越快，大陸比海面要快。 降水量增加：降水分布發生變化，干燥、多雨現象頻發。 海洋的變化：海平面上升50cm左右，海拔低的國家將失

2、去部分土地。厄爾尼諾現象。京都協議書 地球的溫熱環境： 溫室效應 溫室氣體（greenhouse gas）：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化二氮（N2O）、臭氧（O3）、水蒸氣（H2O）京都協議書 1988年聯合國環境署及世界氣象組織設立了政府間氣候變化專業委員會（IPCC），于1997年12月在日本京都召開了第三次締約國會議，設定了溫室氣體排放量的目標值。 京都協議書中設定了六種溫室氣體的削減目標：CO2、CH4、N2O、HFC（氫氟碳化物）、PFC（全氟化碳）、SF6（六氟化硫）太陽能利用的意義 太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源。 太陽陽能發電沒有可轉動部件，是無公害發電。 保養

3、容易，可實現自動化，無人化。 能在必要的現場輸出必要的電力。 太陽能電池使用壽命長久（20年以上）。 即使在陰天依靠散射光一樣可以發電。 硅材料資源豐富。太陽能電池的原理 發電原理：硅半導體材料經光照射（即光電效應）產生電流的性質實現發電。太陽能電池的種類 硅電池：單晶硅、多晶硅和非晶體硅 化合物半導體電池 有機半導體電池硅電池 單晶硅的轉換效率達20%以上，但是成本高，制作工藝復雜。 多晶硅：將熔化的硅在鑄模中固化，再切成薄片做成晶體材料，成本低。 非晶體硅：利用硅烷SiH4等氣體的輝光發電發生分解，在玻璃等極板上聚集形成薄膜太陽能電池。硅電池的制造方法晶體硅太陽能電池構造 為減少光的反射損

4、失,在整個表面上覆蓋一層減反射膜.當陽光從電池上層表面入射到電池內部時,入射光子分別為各區的價帶電子所吸收并激發到導帶產生電子-空穴對.在勢壘區內建電場的作用下,將電子掃入n區,空穴掃入p區,各區產生的光生載流子在內建電場的作用下反方向越過勢壘,形成光生電流,實現了光產生電的轉換.非晶體硅太陽能電池的特點 作為低成本太陽能電池被寄予厚望。 制造工藝簡單 制造用能源消費少（300度以下） 使用原料少（厚1mm以下，單晶硅約300mm） 容易實現大面積化 可獲得任意電壓的輸出今后的研究方向：提高轉換效率。硅太陽能電池構造非晶體硅太陽能電池的構造 非晶硅材料結構上的長程無序,無規網絡引起的極強散射作

5、用使載流子的擴散長度很短,光生載流子不易收集. 為有效收集載流子,要求光注入所及的整個范圍內盡量布滿電場. 因此把非晶硅電池設計成pin型.p層為入射光面，i層為本征吸收層，處在p和n產生的內建電場中，由此實現光產生電的轉換。各種硅太陽能電池的轉換效率薄膜太陽能電池 使用的半導體材料有Si、GaAs、InP、CdS、CdTe、CuInSe（比較成功） 碲化鎘具有高效、穩定和價廉的特點。室溫下轉換效率理論值達27% 單晶硒銦銅轉換效率達17.6%（面積0.4cm2） 色素敏化型太陽能電池的構造和原理: TiO2及其表面附著的色素吸收太陽光,使色素的電子移向氧化鈦.TiO2內擴散的電子通過外部電路

6、從電極流到對應電極(Pt等).在Pt電極上電解液中的碘離子接受電子(I3-I-),電子再次返回色素.通過這個氧化還原過程將太陽能轉換為電能.下一代薄膜型太陽能電池色素敏化型太陽能電池的構造和原理 高效率化： 有機色素取代貴金屬釕系色素，其轉換效率達8.3% 固化：考慮到實用性，液體電解質的安全性和耐久性是常見的問題。色素敏化太陽能電池電解質的固化嘗試：用瓊脂糖的多糖類物質固化電解質，轉換效率達6，用離子液體凝膠進行電解質固化。色素敏化型太陽能電池塑料太陽能電池 導電性高分子的分散異質結和塑料太陽能電池的結構。電子的受體及載體層上采用了C60等富勒烯類，光電變換效率飛躍性提高，達5%。其成本低于

7、色素敏化型，更易于安裝。采用導電高分子作為采用導電高分子作為P型，富勒烯誘導體為型，富勒烯誘導體為N型半導型半導體，體，PN結接觸面增大，可見光照射下能隙小的導電結接觸面增大，可見光照射下能隙小的導電高分子被激活產生空穴，同時電子注入富勒烯，空穴高分子被激活產生空穴，同時電子注入富勒烯，空穴和電子在各自的和電子在各自的p和和N型半導體內擴散，最終到達電型半導體內擴散，最終到達電極，產生電流。極，產生電流。 能源回收年限能源回收年限：是指用于制造太陽能發電系統所消耗的能源，取決于太陽能電池的轉換效率和生產量。 隨著太陽能電池生產量的增加，能源回收年限在逐漸減少。 每年生產10萬KW的太陽能電池則

8、回收年限可降到2年以內，電池壽命約20年。 太陽能電池的轉換效率太陽能電池的轉換效率 預測近20年內：單晶硅的轉換效率從18%提高到25%，多晶硅的從12%提高到20%，非晶體硅的從5%提高到14%。 存在的問題：原料硅供給不足，須發展薄膜型體陽能電池。 能源回收年限與生產量的依存關系能源回收年限與生產量的依存關系太陽能發電系統的分類 系統概述：為增加耐用性而用樹脂和玻璃封裝的太陽能電池最小單位成為電池模塊。將這些模塊串聯起來成為電池鏈，再將它們集中用電線連接起來組成太陽能電池陣列。 太陽能電池陣列將太陽的光能轉換為直流電能。 用逆變器將直流電轉換為交流電提供給負荷。 用蓄電池作為積蓄太陽能發

9、電系統的剩余電力的設備，既保證高效利用受氣象影響隨時間變化的太陽能，同時還能在太陽能發電不足時滿足負荷要求。 獨立系統：與商用電力系統完全脫離而且沒有其他輔助電源的系統。例：偏遠地區的電力供應、可移動的便攜型電源 并網系統：與商用電力連接的系統。其中包括切換系統（分離的）和并網系統（連接的）。 混合系統：太陽能發電直接受氣象變動的影響，輸出變動是在所難免的。將太陽能發電與異種電源組合，相互取長補短。例：太陽能-柴油混合系統太陽發電系統的構成要素 太陽能電池陣列 逆變器 蓄電池 系統并網裝置并網發電系統太陽能電池陣列的構成逆變器 3-5KW 3-5KW家庭屋頂并網發電系統；家庭屋頂并網發電系統；

10、光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉交通領域交通領域 如航標燈、交通如航標燈、交通/ /鐵路信號燈、交通警示鐵路信號燈、交通警示/ /標志燈、標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路路燈、高空障礙燈、高速公路/ /鐵路無線電話亭、鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。無人值守道班供電等。光伏電站光伏電站10KW-50MW10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。種大型停車廠充電站等。氫能概述 諸多新能源中氫占有非常重要的位置。 氫資源豐富（水） 發熱值高：燃燒1kg氫可產生14220kJ的

11、熱量。 燃燒后生成水，不污染環境。 運輸過程無損耗，用途廣泛。 理想的二次能源 最大難題是氫氣的儲存貯氫方法 物理法：高壓壓縮、深冷液化、活性炭吸附 化學法：金屬生成氫化物、無機化合物儲氫、有機液態氫化法。 鋼瓶：150大氣壓下儲存，氫氣的重量是鋼瓶的1/100 儲氫合金：重量是鋼瓶的1/3，體積是鋼瓶的1/10貯氫材料 活性炭（納米碳管、富勒烯），低溫加壓可吸附氫。 合金：稀土合金、鈦系合金、鎂系合金 無機化合物：以活性炭為載體，以PdPdO為催化劑，以KHCO3-NaHCO3-作為儲氫劑，儲氫量為2%（質量分數） 有機化合物：苯、甲苯、環已烷、甲基環已烷貯氫合金材料 鑭鎳類 鈦鐵類 鎂鎳銅

12、類 混合稀土類 非晶態類儲氫合金貯氫合金的化學和熱力學原理合金的吸氫反應機理貯氫合金分類及開發現狀AB5型稀土類貯氫合金發展現狀儲氫合金材料的應用 氫燃料發動機 鎳-金屬氫化物電池（Ni-MH） 熱-壓傳感器 氫同位素分離和核反應堆中的應用 儲氫合金氫化物熱泵Ni-MH電池的反應機理燃料電池概述 燃料電池具有能量轉換率高、環境友好、無污染。無噪聲、制造簡便、能在野外作業等優點。 燃料電池是繼水力發電、熱能發電、原子能發電之后的第四種發電技術。不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的高效的發電裝置。 被認為是21世紀首選的、潔凈的高效的發電技術。燃料電池發電原理 由電極提供電子轉

13、移的場所，陽極進行燃料的氧化過程，陰極進行氧化劑的還原過程，導電離子在電解質內遷移，電子通過外電路做工并構成電的回路。 當電池發電時，要連續不斷地向電池內送入燃料和氧化劑，排出反應產物，同時排出廢熱，維持電池工作溫度恒定。 要將燃料的化學能轉變成電能，首先應使燃料離子化，以便進行電極反應。大部分燃料為有機化合物氣體，要求電極有催化特性，并且是多孔質材料，以增大燃料氣、電解液和電極三者的三相接觸界面，促進電子接受反映的進行。燃料電池分類 堿性氫氧燃料電池(AFC) 磷酸性燃料電池(PAFC) 質子交換膜型燃料電池(PEMFC) 熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC) 固體氧化物燃料電池(SOFC)燃料

14、電池國內外的研究進展 美國：PAFC完全進入商業化應用。重點開發大容量兆瓦級機組的MCFC。 日本：大型PAFC（1MW、5MW和11MW級投入運營）堿性氫氧燃料電池(AFC) A型:以純氫純氧為燃料和氧化劑,帶有水的回收凈化系統. B型:以N2H2分解氣(H2含量65%)為燃料,空氣氧為氧化劑.AFC的應用 AFC可用于載人航天飛行:電池反應生成的水經過凈化可供宇航員飲用,供氧系統可與生命保障系統互為備份(例:阿波羅登月飛行) AFC可用于航天飛機機上主電源，潛艇動力源。 AFC原理原理堿性燃料電池（AFC）使用的電解質為水溶液或穩定的氫氧化鉀基質，且電化學反應也與羥基（OH）從陰極移動到陽

15、極與氫反應生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應生成更多的羥基離子。陽極反應：2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e- 標準電極電位為-0. 828v陰極反應：O2 + 2H2O + 4 e- 4OH- 標準電極電位為0.401v總的電池反應：1/2O2 + H2 H2O標準電極電位為-1.229vAFC的催化劑主要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過渡金屬鎳、鈷、錳等。堿性燃料電池是最早獲得應用的燃料電池。在AFC中，濃KOH溶液既當作電解液，又作為冷卻劑。它起到從陰極到陽極傳遞OH-的作用，電池的工作溫度一般為80攝氏度，并且對CO2中毒很敏感。 AF

16、CAFC的的優缺點優缺點優點：效率高，因為氧在堿性介質中的還原反應比其他酸性介質高。因為是堿性介質，可以用非鉑催化劑因為工作溫度低，堿性介質，所以可以采用鎳板做雙極板。缺點：因為電解質為堿性，易于CO2生成K2CO3，Na2CO3沉淀，嚴重影響電池性能，所以必須出去CO2，這給在常規環境中應用帶來很大的困難。電池的水平很問題很復雜，影響電池的穩定性。AFCAFC使用中的問題使用中的問題1、 隔膜材料研究情況 AFC使用石棉作為隔膜材料。石棉具有致癌作用，不少國家提出禁止石棉在AFC中的使用。為了尋求替代材料，vMRosa等 1研究了聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)以及聚砜(PSF)等

17、材料，發現PPS和PTFE在堿性溶液中具有與石棉非常接近的特性，即允許液體穿透而有效阻止氣體的通過，具有較好的抗腐蝕性和較小的電阻，其中PPS甚至還優于石棉。PVermeiren等 J研究了Zirfon(85 Zr02，15 PSF，質量比)在KOH溶液中的電阻特性，發現該材料優于石棉。這些研究結果表明：PTFE、PPS和Zirfon等材料具有與石棉相近，甚至更好的特性，對人體沒有損害，有望取代石棉作為隔膜材料。2 、CO2的毒化作用 空氣作為氧化劑時，CO2隨著氧氣一起進入電極和電解質，形成碳酸鹽，減少了作為載流子的OH一的數量，影響了電解質的導電性，并容易在電極微孔中析出，阻塞并損壞多孔催

18、化劑結構和電極。 AFCAFC前景前景 由于氫密度小，貯存不便，近年來有將氨(NH3)作為氫源在AFC上使用的趨勢。氨在室溫下僅需89 MPa就可被液化，不需較高能量消耗，且價格低，已有比較完善的生產、運輸體系，而氫的使用則還需要較長時間進行基礎設施建設。氨具有強烈刺鼻的氣味，其泄漏很容易檢測。和其他燃料相比，氨更為清潔，不會對土地造成破壞。氨的爆炸范圍比較小，僅15 28(體積比)，相對安全。在AFC使用中，只需在燃料入口增加一個重整器，將NH3分解為N2和H2即可。綜上所述，NH3將有望在AFC中廣泛使用，具有較好的發展前景。AFC作為特殊用途的高密度電源可適用于宇航、潛艇等方面。在日本，

19、隨著宇宙飛船的開發，堿性燃料電池也被開發為一種備用電源。 另外，近年來由于能源供求關系的緩和出現了提高能源附加價值的動向。例如，已經看到的用富氫膜或加壓變換吸收法精制煉鋼爐氣而獲的純氫的技術的飛速發展，以及采用熱化學循環法分解水而獲得廉價氧氣的技術的深入研究。注意這些動向，在燃料電池應用于大規模電站方面，有必要景象相應的概念設計的探討。 在歐洲，已經開始對堿性燃料電池作電動汽車電源進行正式的研究，并在產品開發階段也一直在注意其發展動向。磷酸性燃料電池(PAFC) 利用天然氣重整氣體為燃料,空氣作氧化劑,以浸有濃H3PO4的SiC微孔膜作電解質,Pt/C為點催化劑,產生的直流電經過直交變換以交流

20、形式供給用戶使用. PAFC是目前開發研究水平最高,商業化進程最快,最實用化的燃料電池,可作為醫院,計算機站的不間斷電源使用. 因為熱電效率僅有40%,啟動時間長,不適于作移動動力源.質子交換膜型燃料電池(PEMFC) 以全氟磺酸型固體聚合物為電解質,以Pt/C或Pt-Ru/C為點催化劑,以氫或凈化重整氣為燃料.以空氣或純氧為氧化劑,并以帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極的電池. 適于作移動動力源:電動汽車發電機及潛艇電源(軍民通用)熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC) 以堿金屬碳酸鹽,碳酸氫鹽或其混合物為電解質, 以Ni多孔材料為陽極,以多孔摻鋰氧化物為陰極. 運行溫度較高(650-

21、700度),利用自身高溫進行燃料氣的內部重整,因此不需要貴金屬催化劑,發電效率高,有望發展成大規模發電技術. 室溫下快速啟動,無電解液流失,水易排出,艘名場合,比功率與比能量高,適宜作移動動力源.固體氧化物燃料電池(SOFC) 采用氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)為固體電解質,以Ni/YSZ金屬陶瓷為陽極,以鈣鈦礦型符合氧化物為陰極. 氧化鋯固體電解質在較高溫度下具有傳遞O2-離子的能力,在電池中起傳遞O2-離子和分離空氣,燃料的作用.在陽極上(空氣電極),氧分子得到電子,被還原成氧離子,氧離子在電池兩側氧濃度差驅動力的作用下,通過電解質中的氧空位定向躍遷,遷移到陽極上(燃料電極)與燃料進行氧化反

22、應. SOFC被認為是最有效率的萬能發電系統,作為分散的電站可用于發電,熱電聯供,交通,空間宇航等領域.生物質能源生物質能源的定義 生物質（bio-mass）：包括人類在內的動植物、微生物等具有生命的生物以及枯葉、橫禍垃圾、建筑廢料等等生物來源的有機物。 生物質能源：從動植物中獲取的可以作為能源利用的有機物。 生物質能源包含由生物質原料生產出來的熱力、電力、液體及氣體燃料。生物質資源的分類 與太陽能、風能等其他可再生資源不同，生物質能源是有機性資源，可以作為原料以固體、氣體、或液體燃料的形式進行儲存，具有能夠代替石油、煤炭、天然氣等化石燃料的特點。生物質能源的轉換技術甲烷發酵技術風能風能資源

23、風的產生： 我們生活的大氣層中有稀薄的對流層存在。來自太陽的能量會將地球表面加熱，同時大氣層也會升溫。但是地表附近與高空，赤道與南北極，陸地與海面等由于受熱不同而形成溫差。溫差引起的大氣循環形成了風。風的種類 地球規模的風 低氣壓、高氣壓形成的風 海陸風、山谷風 季風地球規模的風 由于赤道和南北極的溫差，赤道附近的暖空氣向上升，在上空向兩極移動。另一方面，兩極的冷空氣沿地表向赤道方向移動，遇暖空氣交替。加上地球回轉的偏轉力及大陸和海洋的影響，這樣就產生了大氣的循環。如圖所示，這些全球范圍形成的風中，赤道附近低緯度地帶的風稱為信風，中緯度地帶的風稱為西風，高緯度地帶的風稱為極地東風。低氣壓、高氣

24、壓形成的風 陽光照射使海面溫度升高，水變成蒸汽向上流動產生上升氣流。海面附近空氣密度降低從而形成低氣壓。低氣壓和高氣壓作用形成風，高、低氣壓的大小和位置決定風速和風向的變化。一般氣壓越大風力越強。在北半球低氣壓昌盛的逆時針吹響中心，在高氣壓產生的風順時針從中心吹出。在熱帶海域產生的低氣壓成為熱帶低氣壓。 在太平洋和中國南海發生的最大風速在17.2m/s以上的熱帶低氣壓成為臺風。海陸風、山谷風 在海岸地區由于海洋和陸地的溫差產生氣壓差。白天由于太陽的照射陸地氣溫比海面高而產生低氣壓，從海上向陸地吹進海風。夜晚陸地氣溫低而氣壓高，從陸地向海面吹來陸風。在風向轉變的早晚時段，風速減弱而變得風平浪靜，這種風稱為海陸風。 在內陸，山和谷的溫度差也產生氣壓差。白天山坡山頂的氣溫高氣壓低，從山谷向上吹谷風。夜間山坡山頂的氣溫低氣壓高，從山上向山谷吹山風。這種風稱作山谷風。季風 風向隨季節變化，夏天大陸暖和氣