簡介:1,新能源材料,NEWENERGYMATERIALS,熊小慶紡織與材料工程學院,2,主要分類太陽能電池材料鋰離子電池材料裂變反應堆材料,3,能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。目前,世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主,不但嚴重破壞生態(tài)環(huán)境,而且礦物能源不可再生,能源枯竭已成為共識。,煤炭開采,海上石油開采平臺,嚴重的生態(tài)破壞,4,生態(tài)環(huán)境嚴重破壞,1952年12月,倫敦煙霧;酸雨;河流干涸;,,5,6,巨大的能源危機已開采800億噸石油,按現(xiàn)在的開采速度,地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年;已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400年已探明的鈾儲量約490萬噸,釷儲量約275萬噸,全球441座核電站每年消耗6萬多噸濃縮鈾,僅夠使用100年左右。世界各國水能開發(fā)也已近飽和,風能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。,7,我國作為發(fā)展中大國,能源消耗巨大,能源利用率不高,能源結構也不合理。2009年,中國風力發(fā)電量達到了258億瓦,超過了德國的2577億瓦,僅次于美國35億瓦;2020年,中國將投入足以實現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風力渦輪機,成為世界最大的風能生產(chǎn)國。盡管在新能源領域有了大規(guī)模的增長,但風力發(fā)電量只占據(jù)中國電力消耗總量的1。,8,為緩解和解決能源危機,科學家提出資源與能源最充分利用技術和環(huán)境最小負擔技術。新能源與新能源材料是兩大技術的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須靠利用新的原理來發(fā)展新的能源系統(tǒng),同時還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實現(xiàn),并提高其利用效率,降低成本。發(fā)展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。,9,新能源包括太陽能生物質(zhì)能核能風能地熱海洋能氫能,太陽能,氫能,風能,潮汐能,地熱,核能,10,新能源材料是指能實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術所需的關鍵材料,主要包括硅半導體為代表的太陽能電池材料儲氫合金為代表的儲氫材料鋰離子電池為代表的二次電池材料質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料,11,主要特點新能源材料能把原來使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源;新能源材料可提高貯能效率,有效進行能量轉(zhuǎn)換;新能源材料可以增加能源利用的新途徑。,內(nèi)蒙古四王子旗太陽能電池光伏電站,太陽能熱水器,12,太陽能電池材料,13,太陽能在未來能源結構中占有重要地位地球上一年接受的太陽能總量為381018KW,遠大于人類對能源的需求量;分布廣泛,不需要開采和運輸;不存在枯竭問題,可以長期利用;安全衛(wèi)生,對環(huán)境無污染等。,人造衛(wèi)星上的太陽能電池,14,西班牙塞維利亞太陽能發(fā)電站歐洲最大的太陽能電站,可供18萬戶使用,每年減排60萬噸CO2。,槽式太陽能,蝶式太陽能,16,通過光電轉(zhuǎn)化將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是太陽能利用中最活躍的研究領域。,清華大學電力國家重點實驗室太陽能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng),17,太陽能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽電池。太陽電池的工作原理是光伏效應太陽光照在半導體PN結上,形成空穴電子對,在PN結內(nèi)建電場的作用下,光生空穴流向P區(qū),光生電子流向N區(qū),接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。,光伏效應示意圖,太陽能電池,18,全球最大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電項目鄂爾多斯市政府與美國FIRSTSOLAR公司共建2000兆瓦太陽能光伏發(fā)電廠。,19,世博中國館、主題館,世博中心、演藝中心等永久建筑的屋頂和玻璃幕墻上安裝總裝機容量超過468兆瓦的太陽能電池,每年能減排二氧化碳4000噸。主題館屋面太陽能板面積達3萬多平方米,是目前世界最大的單體面積太陽能屋面,年發(fā)電量280萬度,每年減排二氧化碳2800噸,節(jié)約標準煤1000多噸。,世博中國館,世博主題館,20,2011年5月,世界首架無污染太陽能飛機進行跨國飛行從瑞士飛抵布魯塞爾需13小時,飛行高度可達8700米,平均飛行速度為70120公里/小時。用超輕碳纖維材料制成,總重16噸,由4臺小型電力發(fā)動機驅(qū)動,機翼配備12萬個太陽能電池板,翼展長度大約64米。,21,晶體硅太陽能電池,晶體硅太陽電池是以硅半導體材料制成的大面積PN結,在P型硅片上制作很薄的摻雜N型層,在N型層上制作金屬柵線作為正面接觸電極,在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。晶體硅太陽電池具有性能穩(wěn)定、資源豐富、無毒性等優(yōu)點,是目前市場上的主導產(chǎn)品。,單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池,22,非晶硅太陽電池,非晶硅太陽電池是以非晶硅為基體的薄膜太陽電池,電池效率已達到13%;世界總組件生產(chǎn)能力達到每年50MW,應用規(guī)模從手表、計算機等消費品用電源發(fā)展到兆瓦級的獨立電站。,非晶硅太陽能電池,23,化合物太陽能電池,化合物太陽電池所用材料包括IIVI族化合物和IIIV族化合物。IIVI族化合物包括CDTE和CDS等,制成的薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。IIIV族化合物包括GAAS和INP等,可制成薄膜太陽電池,轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好,是較理想的空間太陽電池。,太空站上的GAAS太陽電池,高原用的GDTE太陽電池,24,納米太陽電池,納米太陽電池簡稱NPC電池是一種由鍍有透明導電膜的導電玻璃、多孔納米TIO2、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學式電池。,納米太陽電池的結構,25,中國尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽電池,光電轉(zhuǎn)化效率為81。為捕獲更多太陽光,將金/銀納米粒子嵌入薄膜中,增加電池可吸收太陽光的波長范圍,提高光子轉(zhuǎn)化電子效率;進一步使用有核的或表面凹凸不平的納米粒子,大幅提高薄膜的比表面積。,CHENX,JIAB,SAHAJK,ETALBROADBANDENHANCEMENTINTHINFILMAMORPHOUSSILICONSOLARCELLSENABLEDBYNUCLEATEDSILVERNANOPARTICLESJNANOLETTERS,2012,12521872192,26,鋰離子電池材料,27,一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋,造成資源浪費,同時電池中的重金屬元素泄露也會污染地下水和土壤。二次電池或蓄電池放電時通過化學反應產(chǎn)生電能,充電時則使體系回復到原來狀態(tài),將電能以化學能形式重新儲存起來。,鎳氫充電電池,LI離子充電電池,28,傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低,且鉛和鎘都是有毒金屬,對環(huán)境污染極大。目前應用較廣的是鎳氫電池表示為NI/MH電池和鋰離子電池表示為LIB電池,不但性能優(yōu)良,而且污染較小,被稱為綠色電池。,鉛酸蓄電池,NICD充電電池,29,NI/MH鎳氫二次電池,NI/MH電池的正極材料采用NIOH2,負極材料為儲氫合金,電解質(zhì)為KOH水溶液。與NI/CD電池相比,NI/MH電池具有以下優(yōu)點能量密度是NI/CD電池的152倍;充放電速率高;耐過充和過放性能好;使用壽命長;低溫性能好;無CD元素對環(huán)境的污染。,NI/MH二次電池,30,NI/MH電池開發(fā)重點是大功率、高容量方向。國際上主要汽車公司如GM、FORD和TOYOTA等相繼開發(fā)出NI/MH電動汽車和混合電動汽車,GM公司生產(chǎn)的NI/MH電池動力車,單次充電后可行駛225KM,時速為150公里。,GM生產(chǎn)的EVI汽車,用26個12V的電池,3小時充電后時速可達到150公里,31,LIB鋰離子二次電池,LI是最輕的金屬元素,它的標準電極電位是3045V,是金屬中負電位最大的元素,因此LI負極電池的開發(fā)受到極大重視,與NI/MH電池性能的比較如下。,普通NI/MH,LIB及NI/CD電池性能比較,32,LIB電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點,而且LIB無記憶效應,不需將電放盡后再充電;LIB自放電小,每月在10%以下,NI/MH電池自放電一般為30%40%。僅2000年,日本就銷售了4億多只LI電池。,移動電話LI電池,數(shù)碼相機LI電池,筆記本LI電池,33,裂變反應堆材料,1964年10月16日成功地爆炸了第一顆原子彈。,1967年6月17日又成功地爆炸了第一顆氫彈。,通用核醫(yī)學,核醫(yī)學是醫(yī)學的一個分支,它使用小劑量的放射性物質(zhì)診斷或治療各種疾病,核武器,廣島市80%的建筑物化為灰燼,68萬人當場喪生,5年后因原子彈死亡人數(shù)達到247萬人;長崎市60%的建筑物被摧毀,當場傷亡86萬人,5年后共死亡14萬人。該地區(qū)核爆炸的幸存者也不同程度受到放射性污染,患了各種怪異的后遺癥,在隨后幾年中,又有大批人痛苦地死去。,慘痛的歷史,核能在原子核發(fā)生變化時放出的能量。獲得核能的兩條途徑是1重核的裂變原子彈2輕核的聚變氫彈,,,1、核能,2、核能的主要優(yōu)點,1、核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中,因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。2、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍,核能電廠所使用的燃料體積小,運輸與儲存都很方便,一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料,一航次的飛機就可以完成運送。3、核能發(fā)電不會產(chǎn)生加重地球溫室效應的二氧化碳。,3、核能的原料,鈾1896年法國物理學家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾具有天然放射性。,二、核能與核能利用,核裂變NUCLEARFISSION是大核分裂為小核的過程普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。,鈾235的裂變與核武器,,,發(fā)生鏈反應,爆炸,,,,,,,,足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量CRITICALMASS。鈾235的臨界質(zhì)量約為1KG,質(zhì)量超過1KG則發(fā)生爆炸。,任何有核反應堆的國家都不難得到爆炸級的裂變材料,原子彈的基本設計又如此簡單,從而為防止核武器擴散帶來了困難。,核反應堆,通過受控核裂變反應獲得核能的裝置,可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過程消耗的中子數(shù),以形成所謂的自持鏈反應SELFSUSTAININGCHAINREACTION。,,能源利用與開發(fā),美國109座,供電量占全國21;法國56座,80;日本,德國,俄羅斯,加拿大均有大量的核電站。,,秦山核電站30萬千瓦,1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電,能源利用與開發(fā),大亞灣核電站290萬千瓦臺灣6座,40%,坐落于浙江海鹽縣秦山雙龍崗的鳥瞰圖,1、核輻射環(huán)境影響事例,切爾諾貝利事故的回顧,核災害,主要是核戰(zhàn)爭;軍事沖突中發(fā)生的核爆炸;針對少量特殊目標的軍事核打擊被稱為“外科手術”;恐怖分子制造核爆炸摧毀城市;在有人居住的地區(qū)造成顯著的核污染;意外暴露的核武器或其他核武器發(fā)生的意外;民用核設施發(fā)生的嚴重意外,例如核電站。,50,謝謝,
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