功能材料之能源材料教材课件.ppt
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1、能源材料一、概述 1.什么是能源什么是能源?能源能源是产生各种能量的资源,是人类生存和发展不可缺少的物质基础,它的开发和利用状况是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术水平的重要标志,直接关系到人们生活水平的高低。2、能源的分类 一次能源一次能源:直接来自自然界而未经加工转换的能源。如:化石燃料、太阳能、核能、生物燃料、水能等。二次能源二次能源:由一次能源直接或间接转化而来的能源。如:电能、煤气、汽油、沼气、氢能等 可再生能源可再生能源:不随其本身的转化或被人类利用而减少的能源。如:太阳能、生物能、水能、风能、地热能等2、能源的分类 非再生能源:随其本身的转化或被人类利用而减少的能源。如:化
2、石燃料、核燃料等 常规能源:世界大量消耗的石油、天然气、煤和核能等称为常规能源 新能源:新能源是相对于常规能源而言的,泛指太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能和生物质能等3.世界能源消耗特点、分布及现状 特点 主要来自一次不可再生能源(如煤炭、石油、天然气);能源消耗水平差异大:占世界1/4的工业化国家消耗了世界能源的3/4;世界能源消耗仍在增长。分布 世界能源储量分布是不平衡的。石油中东占56.8%56.8%;天然气和煤炭储量最多是欧洲,各占54.6%54.6%和45%45%。亚洲大洋洲除煤炭稍多(占18%18%)以外,石油、天然气都只有5%5%多一点。能能源源的的消消耗耗石油的分布煤炭排行
3、榜4.4.我国能源消耗特点、分布及现状我国能源消耗特点、分布及现状消耗特点消耗特点 中国是一个能源消耗大国,其能源消费总量居世界第二,仅次于美国。年均增长3.6%。其中,煤炭占66.3%,石油占23.5%,天然气占2.6%,水电、核电占7.6%。分布分布 煤炭85分布于中西部;石油、天然气资源集中在东北、华北(包括山东)和西北,合占全国探明储量的86;水能资源的分布主要在西部和中南部,在全国技术可开发资源量(3.7亿千瓦)中合计占到93.2,其中西南占67.8。现状现状近20年来,我国能源发展很快,我国煤炭储量世界第三、开采量世界第一,在能源结构中一直以煤炭为主。中国原油产量世界第5位,天然气
4、产量世界第20位,水力发电世界第4位,核电第18位。发电总量世界第2位。5.5.发展新能源的必要性发展新能源的必要性 人均储量少,先天不足,但能耗效率却低。我国成为能源消耗大国,进口依赖度提高。能源成为我国经济命脉所在,威胁国家稳定安全 现有化石能源对环境影响大。结论:发展新能源大势所趋!二、新能源新能源广义上来说,有别于传统依靠矿物质原料燃烧的能源都称之为新能源。太阳能太阳能风能风能生物质能生物质能核能核能地热、地热、潮汐能潮汐能能源材料 1、太阳能 2、核能 3、氢能 4、燃料电池 5、风能 6、地热能 7、海洋能 太阳能利用涉及的技术问题很多,但根据太阳能的特点,具有共性的技术主要有四项
5、,即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输,将这些技术与其它相关技术结合在一起,便能进行太阳能的实际利用-光热利用、光电利用和光化学利用。1 1、太阳能、太阳能1)太阳能的热应用 太阳能的热利用主要是以下方面:(1)太阳能空调降温 太阳能制冷及在空调降温研究工作重点是寻找高效吸收和蒸发材料,优化系统热特性,建立数学模型和计算机程序,研究新型制冷循环等。(2)太阳能热发电 太阳能热发电 是利用集热器将太阳辐射能 转换成热能并通过热力循环过程进行发电,是太阳能热利用的重要方面。(3)太阳房 太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一
6、起,使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能,达到房屋采暖目的。太阳房可以节约7590的能耗,并具有良好的环境效益和经济效益,成为各国太阳能利用技术的重要方面。1)太阳能的热应用 太阳能暖房 (4)热利用的其它方面 太阳灶 我国目前大约有15万台太阳灶在使用中。太阳灶表面可以加涂一层光谱选择性材料,如二氧化硅之类的透明涂料,以改变阳光的吸收与发射,最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜,也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。提高太阳灶的效率。每个太阳灶每年可节约300千克标准煤。太阳能干燥 是热利用的一个方面。目前我国已经安装了有1000多套太阳能干燥系统,总面积约2万平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草药
7、干燥等。太阳能集热器太阳能热水系统2)太阳光-热转换及材料 材料科学与工程是技术创新的基础。太阳光热转换材料与工程,如用于太阳集热器的选择性吸收涂层(表面),用于建筑幕墙玻璃和交通工具的选择性透、反射薄膜材料和电致变色薄膜材料与器件,用于集热器的具有太阳光谱高透射比的硼硅玻璃,聚碳酸酯制成的蜂窝结构,以及贮能材料等,推动了太阳光热转换技术和应用的发展。3)太阳能光电转换 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,通常叫做“光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,当然有一些
8、变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子空穴对。这样,光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在Pn结,在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线,接通负载,则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流输出功率。以材料区分,太阳电池有晶硅电池,非晶硅 薄膜电池,铜钢硒(CIS)电池,碲化镉(CdTe)电池,砷化稼电池等,而以晶硅电池为主导。由于硅是地球上储量第二大元素,作为半导体材料,人们对它研究得最多、技术最成熟,而且晶硅性能稳定、无毒,因此成为太阳电池研究开发、生产和
9、应用中的主体材料。人们首先使用高纯硅制造太阳电池(即单晶硅太阳电池)。近年来,非晶硅太阳电池的研制迅速发展。太阳能电池太阳能电池全球太阳能电池产量、需求量05001000150020002500300035004000909294969800020406E08E10E产量(MW)需求量(MW)太阳能电池产业链高纯硅原材料高纯硅原材料 硅片硅片太阳电池太阳电池太阳电池组件太阳电池组件2、核能核能:核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时放出的能量,都叫原子核的结合能(核能)。简单来说,核反应中放出的能量称为核能。优点:环境污染小,燃料运输量小,单位质量释放的能量大。核能的利用:核能供热、
10、利用核能冶炼钢铁核电:利用核能转化为电能 利用核能作动力核电站原理 核电站是实现核裂变能转变为电能的装置。它与火核电站是实现核裂变能转变为电能的装置。它与火电站最主要的不同是蒸汽供应系统。核电站利用核电站最主要的不同是蒸汽供应系统。核电站利用核能产生蒸汽的系统称为能产生蒸汽的系统称为“核蒸汽供应系统核蒸汽供应系统”,这个,这个系统通过核燃料的核裂变能加热外回路的水来产生系统通过核燃料的核裂变能加热外回路的水来产生蒸汽。从原理上讲,核电站实现了核能热能电蒸汽。从原理上讲,核电站实现了核能热能电能的能量转换。从设备方面讲,核电站的反应堆和能的能量转换。从设备方面讲,核电站的反应堆和蒸汽发生器起到了
11、相当于火电站的化石燃料和锅炉蒸汽发生器起到了相当于火电站的化石燃料和锅炉的作用。的作用。反应堆是核电站的心脏,它是使原子核裂变的链式反应堆是核电站的心脏,它是使原子核裂变的链式反应能够有控制地持续进行的装置,是利用核能的反应能够有控制地持续进行的装置,是利用核能的一种最重要的大型设备。反应堆中有控制棒,它是一种最重要的大型设备。反应堆中有控制棒,它是操纵反应堆,保证其安全的重要部件,它是由能强操纵反应堆,保证其安全的重要部件,它是由能强烈吸收中子的材料制成的。烈吸收中子的材料制成的。压水堆核电站基本工作原理反应堆内部结构图核电站发展历程:四代核电早期原型堆早期原型堆ShippingportMa
12、gnox第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代商用堆商用堆LWR-PWR、BWRCANDU先进轻水堆先进轻水堆ABWRSystem80+AP600EPR经济性好经济性好更安全更安全核废物少核废物少防核扩散防核扩散Gen IGen IIGen IIIGen IV195019601970198019902000201020202030核电站的优劣势优势运行成本低运行成本低,美国核电站运行成本平均低于,美国核电站运行成本平均低于2 2 美分美分/千千瓦时。一座瓦时。一座100 100 万千瓦核电站,每年只需要补充万千瓦核电站,每年只需要补充30 30 吨吨核燃料(约值核燃料(约值12012
13、0480 480 万美元)。铀燃料成本只占发万美元)。铀燃料成本只占发电成本电成本2-3%2-3%。核电站寿命通常是核电站寿命通常是40 40 年,可延长至年,可延长至60 60 年,高于火电年,高于火电站站.机组利用小时数高。机组利用小时数高。劣势建设周期长建设周期长,核电建设周期一般为,核电建设周期一般为606070 70 个月,火电个月,火电只有只有202030 30 多个月。多个月。投资巨大投资巨大,装机容量造价通常约为,装机容量造价通常约为1500 1500 美元美元/千瓦千瓦(约合(约合12000 12000 元元/千瓦),比火电(约千瓦),比火电(约5000 5000 元元/千瓦
14、)千瓦)贵一倍多,比水电(贵一倍多,比水电(600060008000 8000 元元/千瓦)、风电千瓦)、风电(8000800010000 10000 元元/千瓦)贵。千瓦)贵。核聚变能人造太阳 由中科院等离子体物理研究所自行设计、研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克EAST(原名HT-7U)核聚变实验装置,日前已成功进行了首次工程调试。“EAST实验装置”旨在探索可以得到无穷尽清洁能源的途径,相当于人类为自己制造了一个小太阳。“人造太阳”利用等离子体带电的性质,用强磁利用等离子体带电的性质,用强磁场将其约束在一定的区域内,并保持场将其约束在一定的区域内,并保持一段时间。一段时间。此类装置
15、中以此类装置中以“环流磁真空室环流磁真空室”即即托卡马克最有成效,在技术上有望突托卡马克最有成效,在技术上有望突破。它的中央是一个半径破。它的中央是一个半径2 23 3米的不米的不锈钢环形真空室。锈钢环形真空室。利用磁场约束实现核聚变惯性约束核聚变惯性约束核聚变 制成直径几毫米的制成直径几毫米的“靶丸靶丸”,利,利用强激光从许多方向上对其同时用强激光从许多方向上对其同时照射,靶丸具有惯性,再加上激照射,靶丸具有惯性,再加上激光的光压力,使内层氘和氚混合光的光压力,使内层氘和氚混合物的密度急速增加,直径急剧缩物的密度急速增加,直径急剧缩小,温度可达数千万度,高温高小,温度可达数千万度,高温高压最
16、终可使聚变反应发生。压最终可使聚变反应发生。3.3.氢能氢能 氢能源优点:燃烧热值高;清洁无污染;资源丰富。氢能源缺点:制取成本高,需要大量的电能安全贮运问题。1)氢能经济的缘起1、“氢能经济氢能经济”提出的背景提出的背景环境问题日益严重;资源储备日渐匮乏;能源安全引起的冲突加剧;环境问题日益严重;资源储备日渐匮乏;能源安全引起的冲突加剧;2)氢能经济的构想美国:启动氢能发展计划美国:启动氢能发展计划生物质制氢,太阳能制氢生物质制氢,太阳能制氢欧洲:氢能电动汽车欧洲:氢能电动汽车生物质制氢,太阳能制氢生物质制氢,太阳能制氢日本:氢能电动汽车光生物制氢日本:氢能电动汽车光生物制氢中国:氢能电动汽
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