新型能源技術(shù)教學(xué)教案

1、新型能源技術(shù)一序言 煤炭為以蒸汽機(jī)發(fā)明為代表的第一次工業(yè)革命提供了充足能源，使得工業(yè)革命能夠迅速鋪展開來；而石油則是推動第二次工業(yè)革命的能源生力軍；現(xiàn)在仍在進(jìn)行的第三次科技革命，是以高精尖的原子能、電子計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)的廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志。新能源將會引領(lǐng)第四次科技革命?？梢?，誰能在新能源方面獨(dú)占鰲頭，誰就掌握了走在科技革命前列的通行證。 2010年，金融泡沫逐漸消退，世界經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇。全球能源形勢總體平衡，國際油價(jià)在波動中回升。全國紛紛進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，降低碳經(jīng)濟(jì)和新能源、核能、清潔煤技術(shù)、碳捕獲與封存技術(shù)等成為世界能源科技的熱點(diǎn)，并將從長遠(yuǎn)改變?nèi)虻哪茉垂?yīng)和需求的格局。二新型能源1.國內(nèi)

2、新能源研發(fā)現(xiàn)狀 面對經(jīng)濟(jì)變革和新能源革命的到來，我國應(yīng)該抓住機(jī)遇，努力走在新能源研發(fā)事業(yè)的前端，為經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展奠定好能源基礎(chǔ)n引。目前，中國煤炭產(chǎn)量、水電裝機(jī)容量和太陽能熱水器年產(chǎn)能均居世界第一。在能源生產(chǎn)總量增長的同時，中國的能源結(jié)構(gòu)也逐步完善和優(yōu)化，煤炭在能源消費(fèi)總量中所占比重逐步下降，水電、風(fēng)電和太陽能、核能、生物質(zhì)能等新能源和可再生能源所占比重不斷提高，新能源研發(fā)取得了很大成效。2太陽能科技 太陽能利用包括太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電，以及太陽能熱水器和太陽房、太陽能空調(diào)等利用方式。經(jīng)過四十年的發(fā)展，我國太陽能利用事業(yè)已經(jīng)進(jìn)入一個全新的發(fā)展階段。經(jīng)過多年的發(fā)展，太陽熱水器產(chǎn)業(yè)

3、已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)化體系，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。2008年太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)增長率為3032，銷售總額達(dá)到400多億元人民幣，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，而且我國太陽能產(chǎn)品還走向國外市場并取得了很好的成績。在太陽能熱利用方面，目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是太陽能熱水器。到2008年，年生產(chǎn)能力3000萬平方米，我國累計(jì)保有太陽能熱水器總集熱面積約13億平方米。使用量和年產(chǎn)量均占世界總量的一半以上居世界第一。此外，太陽能集中取暖和供熱技術(shù)也已開始應(yīng)用。太陽能的使用改善了人們生活，降低了對化石能源的消耗，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還帶來了良好的環(huán)境效益。 光伏發(fā)電規(guī)模擴(kuò)大，全國調(diào)整光伏發(fā)電政策。2010年，全球光伏產(chǎn)業(yè)

4、在歐洲主要國家政策支持和市場拉動下，產(chǎn)業(yè)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，前沿技術(shù)研發(fā)水平繼續(xù)提高，發(fā)電成本下降，全國也紛紛調(diào)整光伏發(fā)電政策。 由于2010年是各國光伏電價(jià)政策大調(diào)整期，光伏市場出現(xiàn)了一些趕政策調(diào)整末班車的效應(yīng)。根據(jù)預(yù)測，2010年全球光伏發(fā)電安裝量達(dá)到1500萬千瓦，主要市場仍在歐洲的德國、意大利、捷克、法國等國家 以及美國、日本、中國等，其中德國預(yù)計(jì)新增500萬-700萬，意大利、捷克、日本、美國預(yù)計(jì)新增100萬千瓦，中國預(yù)計(jì)新增30萬千瓦。中國、印度的光伏發(fā)電市場則處于大規(guī)模的發(fā)展階段。 在光伏電池前沿技術(shù)特別是高效薄膜電池光攝魂和利用電池u機(jī)電池的研發(fā)等方面，取得了一定的進(jìn)步。此外還提出了

5、一些新的理論和技術(shù)，美國能源實(shí)驗(yàn)室香腸能制作晶格失配的單層薄模合金，可以吸附和利用3個平鋪帶的功能從而實(shí)現(xiàn)35%的光伏轉(zhuǎn)換效率。美國德克薩斯州立大學(xué)和臨沂蘇達(dá)州立大學(xué)業(yè)提出了通過量子點(diǎn)江熱電子能源收集和轉(zhuǎn)化為電能的方法及用量子點(diǎn)來，減緩熱電子的冷卻，相當(dāng)于把傳統(tǒng)光伏電池?fù)p失的熱量轉(zhuǎn)化為電量在理論上極大提高了，光伏電池組。我在理論上極大提高了光伏電池轉(zhuǎn)換效率的極限，理論上認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)66%的轉(zhuǎn)化效率。3.風(fēng)能技術(shù) 近幾年來我國對風(fēng)能的開發(fā)熱情暴漲。首先說技術(shù)上的進(jìn)步。風(fēng)力發(fā)電最主要、最難的就是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，目前我國大多數(shù)先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備還需要進(jìn)口。但是，去年中國風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)已獲得重大突破，具

6、有自主知識產(chǎn)權(quán)的lokw的垂直軸風(fēng)力機(jī)已經(jīng)研制生產(chǎn)，并將銷往歐洲市場。 風(fēng)電產(chǎn)量不斷高升。2009年上半年我國風(fēng)力發(fā)電達(dá)到126億千瓦時，占同期全國發(fā)電量約百分之一，而目前我國已成為亞洲第一風(fēng)能利用大國；全國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)l 181萬千瓦，同比增長101。企業(yè)投身風(fēng)能行業(yè)的積極性一如既往的高漲。還有風(fēng)電產(chǎn)業(yè)品牌顯現(xiàn)，總體研發(fā)能力和水平不斷提升。很多企業(yè)也加入到技術(shù)研發(fā)隊(duì)伍中來，并發(fā)揮著十分重要的作用。他們從自主研發(fā)或聯(lián)合研發(fā)入手，研制出自己品牌的產(chǎn)品，然后進(jìn)入市場，最終形成了一批自主品牌，為技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新奠定了良好的基礎(chǔ)，我國自主研發(fā)能力已得到實(shí)際提升。 世界風(fēng)電發(fā)展格局略有變化，中國將在新增裝

7、機(jī)和累計(jì)裝機(jī)排名中居首。2010年，亞太地區(qū)、歐洲、北美地區(qū)仍為世界風(fēng)電的三大市場，占新增裝機(jī)的90%以上，但是三大市場份額比例發(fā)生較大變化，亞太地區(qū)尤其是中國成為拉動世界風(fēng)電發(fā)展的主要力量，中國以1800萬千瓦左右的新增裝機(jī)，繼續(xù)排名居首，而累計(jì)裝機(jī)中，中國達(dá)到4200萬千瓦左右，略高于美國累計(jì)裝機(jī)。 2010年，海上風(fēng)力發(fā)電繼續(xù)引領(lǐng)風(fēng)電開發(fā)熱潮，尤其是在歐洲，僅上半年歐洲海上風(fēng)電新增118臺機(jī)組，裝機(jī)容量33.3萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到240萬千瓦，6月份統(tǒng)計(jì)的在建海上風(fēng)電廠16個，裝機(jī)容量為397萬千瓦。中國海上風(fēng)電高調(diào)起步。2010年8月，首個海上風(fēng)電項(xiàng)目上海東海大橋10.2萬千瓦風(fēng)電機(jī)組

8、全部完成并網(wǎng)調(diào)試，正式并網(wǎng)發(fā)電。2010年10月，首輪100萬千瓦海上風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目開標(biāo)，中國海上風(fēng)電規(guī)模建設(shè)正式啟動。4. 氫能系統(tǒng) 氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，是宇宙中普遍存在的元素。自然界中氫在常溫常壓下以氣態(tài)氫分子的形式存在，在超低溫或超高壓下可成為液態(tài)或固態(tài)。氫能是指以氫及其同位素為主體的反應(yīng)中或氫的狀態(tài)變化過程中所釋放的能量，主要包括氫化學(xué)能和氫核能兩大部分6。氫是一種理想的潔凈能源載體，被很多國內(nèi)外專家譽(yù)為是21世紀(jì)的綠色能源，是人類未來的能源，其具有如下特點(diǎn)17：(1)可以方便高效地與電互相轉(zhuǎn)換，互為補(bǔ)充；(2)制氫所用的物質(zhì)水在自然界大量存在，并且氫無論以燃燒還是電化

9、學(xué)轉(zhuǎn)換方式利用后的最終產(chǎn)物只為純水或水蒸氣，因此相對于其它燃料來講，氫是非常有競爭力的可再生燃料；(3)可采取氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)(氫的固態(tài)化合物)的方式來存儲；采用地下管線、車載氣罐或火車來長途輸運(yùn)；(5)可以靈活高效地轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，如燃燒、電化學(xué)轉(zhuǎn)換和氫化等；(6)環(huán)境相容性非常好。無論是制氫，儲氫、輸運(yùn)以及利用的各個環(huán)節(jié)中對環(huán)境幾乎都可以實(shí)現(xiàn)”零排放”，只有氫在高溫下空氣中燃燒時才會產(chǎn)生非常少量的nq污染物。氫能系統(tǒng)一般由氫源開發(fā)和制氫、儲氫、輸運(yùn)和氫能利用等技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成，其中儲氫和氫能利用技術(shù)最關(guān)鍵。4.1 氫源開發(fā)和制氫技術(shù) 到目前為止，在氫源的開發(fā)和制氫技術(shù)領(lǐng)域有3個方向，分別

10、為化石燃料(石油、煤和天然氣)的裂解、電解水和生物制氫。制氫所需的原材料一般為碳?xì)浠衔锖退?。工業(yè)用氫的制備方法主要是化石燃料的熱分解，包括天然氣的重整、碳?xì)浠衔锏牟糠盅趸兔旱钠?，產(chǎn)氫的成本較低。然而，這些技術(shù)嚴(yán)重依賴化石燃料資源且排放二氧化碳。近年來也發(fā)展了從化石燃料產(chǎn)氫而不釋放二氧化碳的方法，即直接熱分解和催化裂解碳?xì)浠衔?，這種方法已經(jīng)被用于制備 碳，但相對于制氫成本較高，還處于發(fā)展階段。電解水制氫的能量效率相當(dāng)高，通常大于70，但需要通電，因此較為昂貴。電解水制氫的發(fā)展方向是與風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芤约俺毕艿葷崈裟茉聪嗷ヅ浜?，從而降低成本。這些潔凈能源由于其能量與時間的關(guān)系具有波

11、動性，所以在發(fā)電時系統(tǒng)給出的電能是間歇性的，通常不可直接進(jìn)入電網(wǎng)，必須調(diào)節(jié)后方可入網(wǎng)。成本最低、最方便的儲能方法是將其電解制氫、儲氫、輸運(yùn)氫，然后利用氫能發(fā)電入網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為其它能量形式。已經(jīng)證明太陽能電池電解水制氫的能量效率可高達(dá)93以上l9，但由于太陽能電池成本較高導(dǎo)致大規(guī)模制氫的成本上升，因此降低太陽能電池的成本是關(guān)鍵。另外值得一提的是，利用風(fēng)能發(fā)電一電解水制氫可降低制氫成本。全世界風(fēng)能的裝機(jī)容量以每年27的速度增長，2004年我國僅有6家風(fēng)力渦輪機(jī)制造商，2009年已提高到70家以上。同時中國風(fēng)能也激增，到2020年保守估計(jì)可以實(shí)現(xiàn)8000loooo萬kw的裝機(jī)容量，成為繼火電、水電的第三

12、大主流能源。目前風(fēng)電的成本已經(jīng)下降到o5o6元kwh，這是風(fēng)電的完全成本，并且隨著技術(shù)進(jìn)步以及風(fēng)電制造業(yè)的規(guī)?；?，成本還將迸一步下降，而火電目前的不完全成本在o2o3元kwh，但這并不包括化石能源價(jià)格未來的不斷上升以及污染排放的處理成本，因此風(fēng)電的完全成本在不遠(yuǎn)的將來有可能低于火電的不完全成本，從而降低電解水制氫的成本。與傳統(tǒng)的熱化學(xué)和電化學(xué)制氫技術(shù)相比，生物制氫具有能耗低、污染小等優(yōu)勢。近年來生物制氫技術(shù)在發(fā)酵菌株篩選、產(chǎn)氫機(jī)制、制氫工藝等方面取得了較大進(jìn)展ll，已經(jīng)成為未來制氫技術(shù)發(fā)展的重要方向。但生物制氫技術(shù)目前存在的問題也較多，如產(chǎn)氫率相對高的菌株的篩選、提高產(chǎn)氫效率的產(chǎn)氫工藝的合理設(shè)

13、計(jì)，高效制氫過程的開發(fā)與產(chǎn)氫反應(yīng)器的放大、發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫的穩(wěn)定性和連續(xù)性、混合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫過程中彼此之間的抑制、發(fā)酵末端產(chǎn)物對細(xì)菌的反饋抑制等還需要進(jìn)一步研究。4.2儲氫技術(shù) 儲氫技術(shù)按氫的聚集狀態(tài)可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫以及固體儲氫材料儲氫。由于在常壓下氫氣的密度只有0089889i。，體積能量密度非常低，因此必須對其進(jìn)行高壓壓縮以提高能量密度。高壓氣態(tài)儲氫通常是將氫氣壓縮至壓力高達(dá)70mpa儲存于碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料罐中，可應(yīng)用于電動汽車的車載氫源，如通用汽車氫能3號燃料電池汽車的車載氫源在70mpa下攜帶31kg的氫可使汽車運(yùn)行270kmz。高壓氣態(tài)儲氫的關(guān)鍵是超高壓壓縮技術(shù)和耐超

14、高壓復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)展，主要成本是制作罐體復(fù)合材料碳纖維的價(jià)格太高。另外一種提高氫氣的能量密度的方法是低溫液體儲氫。在壓力為70mpa、液氮溫度(77k)下，氫為液態(tài)，此時的密度為0070kgl，約為常壓下氫氣密度的1000倍，為常溫(壓力為70mpa時為o039kgl)時的2倍因此低溫液態(tài)儲氫技術(shù)相對于高壓氣態(tài)儲氫具有更大的吸引力。然而低溫液態(tài)儲氫技術(shù)的關(guān)鍵是如何降低汽車在停車時車載低液態(tài)儲氫罐中液態(tài)氫的汽化損耗。該汽化損耗有時可以達(dá)到每天l甚至更多凹。即使消除了液態(tài)氫的汽化損耗，液化氫氣需要的能量以及低溫氫氣較低的燃燒焓(較常溫常壓下的值約低40)都是低溫儲氫技術(shù)需要解決的技術(shù)難題。一些固體

15、氫化物被發(fā)現(xiàn)在一定的條件下可以可逆地吸放氫，從而避免了高壓和低溫所帶來的技術(shù)難題，因此廣泛研究更安全、高效的固體儲氫材料的制備及吸放氫性能3，就成為儲氫技術(shù)未來的主要發(fā)展方向。固體儲氫材料最重要的性能是儲氫量(一般為每克儲氫材料吸放氫的克數(shù)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)來計(jì))和吸放氫動力學(xué)(吸放氫溫度、壓力和速率)。從最初的金屬問化合物諸如ab5型;合金體系的儲氫量越來越高且價(jià)格越來越便宜，但是，其儲氫量還遠(yuǎn)未達(dá)到美國能源部設(shè)定用于車載氫源的65儲氫量。最近十幾年來，堿金屬、堿土金屬的氫化物、硼氫化物1“、氨基化物l川、鋁氫化物1婦質(zhì)量輕、儲氫量大的固體儲氫材料相繼被研發(fā)出來并有望解決儲氫量的問題。研究表明，m

16、g(nh。)。一lih系統(tǒng)在120200內(nèi)可逆吸放氫的量高達(dá)72。然而，這些固體儲氫材料系統(tǒng)或多或少地存在問題，難以實(shí)際應(yīng)用，如氮基化物系統(tǒng)在釋放氧的同時會伴有氨氣，后者會危害燃料電池的壽命；同時也會降低該系統(tǒng)的儲氫量；而其它系統(tǒng)存在吸放氫動力學(xué)較慢、可逆性較差或者吸放氫條件較為苛刻等其它問題。4.3氫能的利用技術(shù)氫能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，即氫能的利用技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際，如電動汽車、燃料電池發(fā)電等，并且還在不斷地取得技術(shù)進(jìn)步和擴(kuò)大應(yīng)用范圍。氫能的利用技術(shù)大致可分為3類：一為與氧直接反應(yīng)燃燒產(chǎn)生熱能；二為在燃料電池中發(fā)電；三為氫化物中的化學(xué)能與氫能相互轉(zhuǎn)換。在這些利用技術(shù)中充分體現(xiàn)了氫能的兩個優(yōu)

17、點(diǎn)高效和潔凈。第一類氫能利用技術(shù)與氧直接反應(yīng)燃燒又可分為以下3種。直接燃燒產(chǎn)生水蒸氣，其效率接近1002引，可用于電廠用電高峰期間發(fā)電、工業(yè)水蒸氣供給、小型生物和醫(yī)藥用水蒸氣發(fā)生器。內(nèi)燃機(jī)和渦輪發(fā)動機(jī)燃料。氫內(nèi)燃機(jī)比汽油內(nèi)燃機(jī)的平均效率要高出約20，并且其排放的氮氧化物要低1個數(shù)量級。盡管由于其在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)混合氣體中的能量密度較低，導(dǎo)致約15的能量損失，但可以通過采用先進(jìn)的燃料噴射技術(shù)和液氫加以改進(jìn)b“。氫渦輪發(fā)動機(jī)的進(jìn)口溫度比燃油渦輪發(fā)動機(jī)高出800，提高了效率，并且由于燃燒后的產(chǎn)物為水蒸氣，避免了發(fā)動機(jī)葉片上的沉積物，減輕了高溫腐蝕，減少了維護(hù)費(fèi)用和延長了發(fā)動機(jī)的壽命。低溫催化氧化。在合適

18、的催化劑上，氫可與氧在室溫至500范圍內(nèi)催化氧化為水蒸氣產(chǎn)生熱能，由于催化氧化的溫度遠(yuǎn)低于氫火焰的溫度(約為3000)，不會產(chǎn)生氮氧化物污染物，并且氫源的濃度遠(yuǎn)高于氫爆炸的極限濃度(75)，因此這種方式用于家庭廚房灶具燃料較安全2 5。第二類氫能利用技術(shù)。在燃料電池中發(fā)電是氫能利用技術(shù)中最具吸引力和最有前途的技術(shù)，即無需燃燒，依靠電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電。根據(jù)電池中采用電解液的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、導(dǎo)電聚合物膜或質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池。相對于氫與氧直接反應(yīng)燃燒，燃料電池最大的優(yōu)點(diǎn)是具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。燃料電池的理論效率為氍=gh，接近