第十四讲 化学能源与太阳能.ppt

1,化学与社会ChemistryandSociety,化学化工系,2,第十四讲化学电源与太阳能,3,能源分类,,一次能源,二次能源,,常规能源,新能源,,煤制品──洗煤，焦炭，煤气,石油制品──汽油，煤油，柴油燃料油，液化石油气,电力，氢能，余热，沼气，蒸气等,,可再生能源水能,非再生能源如煤炭，石油天然气，核裂变燃料,,可再生能源太阳能，风能，生物质能,非再生能源核聚变燃料油页岩，油砂,4,主要内容,5,14.1.1化学能源概况,化学能源将化学能转变为电能的装置，俗称电池电化学研究对象主要有,电子导电回路,电解池回路,原电池回路,6,A.Volta伏特）1745-1827,VoltaPile1799,14.1.2电化学科学的简史Simplifiedhistoryofelectrochemistry,7,8,1799年Volta电堆发明,1800年Nichoson、Carlisle用Volta电堆电解水,1826年发现Ohm定律,1833年发现Faraday定律,1870年Helmhotz提出双电层理论,1887年Arrhenius电离学说,1889年Nernst提出电极电位公式,1905年Tafel氢超电势半经验公式,1940年代动力学方法研究双电层，电极过程动力学,1960年代以后量子电化学,9,14.1.3电化学科学的在实际生活中的应用Applicationofelectrochemistryinlife,A.电化学工业,氯碱工业,电解水制氢气和氧气,湿法冶金碱金属碱土金属,电镀以及电解加工,10,B.化学电源,Zns|ZnSO4||HCl|AgCls|Ags,净反应,11,C.金属腐蚀与防护,,,,,电化学腐蚀示意图,,钢材因腐蚀消耗占年产1/3左右,美国1982年用于腐蚀和防腐的费用为1260亿美元,发达国家每年用于防腐的费用占国民经济4左右,12,构成化学电源的要素,化学反应必须有电子得失，即氧化还原反应,所产生电流必须通过外电路做功,化学电源的评价指标,电容量,比功率,自放电率,开路与工作电压,13,容量,电池的容量指在给定的放电条件下，电池初始放电至终止电压时所放出的电量。单位安时（Ah）也称额定容量。1Ah表示用1安培的电流放电1小时。,干电池的容量常用恒定负载的电阻放电到规定终止电压的时间表示。电池的容量性能用单位体积的容量或单位质量的容量（即比容量）来表示。,提高活性物质的利用率必须增大或新股遏制的表面积，使之在放电过程中不钝化,14,获得1Ah电量所需的活性物质质量,15,自放电,定义化学电源在不对外输出电流的情况下消耗活性物质的现象,原因活性物质内与电解质中的杂质使电池内形成局部电池，局部电池造成电池内部短路，促进腐蚀，引起自放电,例如锌锰干电池电池负极ZnZn22e同时2H2eH2净反应Zn2HH2Zn2,16,二次电池充放电,电池反应是可逆的，没有副反应发生，充电时欧姆电阻小，极化小,在水溶液电解质的电池中，正极和负极上的氧过电位和氢过电位高，充电时，水的电解反应难于进行,充放电能量转换是可逆的，活性物质的状态能够很好的再生,17,电池的效率,A、效率的表示方法,电池总效率0ivf,iG/H100最大热效率vV/E100电压效率fI/Im100法拉第电流效率,18,B、功率与电流密度的关系,电池输出功率（P）PVIISj,S为电极的面积,低电流密度下，j0，P0,高的极限电流密度下，E0，P0,19,电池,14.1.4.电池类型,利用物质的物理变化或化学变化，并把这些化学变化释放出来的能量直接转变为电能的装置,物理电池,把物理反应产生的能量转换为电能的装置。如太阳能电池、原子能电池等,化学电池,把化学反应产生的化学能转变为电能的装置。,20,电池分类,21,化学电池的组成,14.1.5.化学电池的反应,正极、负极、电解质。其中电解质可以是酸性水溶液、碱性水溶液或各种盐类的中性水溶液，也有部分非水溶液、熔融盐或固体电解质,负极N1N2ne,化学电池反应,正极P1neP2,净反应P1N1N2P2,22,一次电池将化学能转变为电能并输出的装置，一旦化学能转变为电能，就不能通过该装置将电能再转变为化学能，即化学反应是不可逆的。,一次电池分类,干电池,,湿电池,注液电池,,糊状干电池,纸板干电池,碱性干电池,14.2.一次电池,23,各种干电池性能比较,24,14.2.1.锰干电池,25,电池表示-Zn|NH4ClZnCl2混合溶液淀粉糊化|MnO2C,在中性介质中NH4Cl＋ZnCl2以NH4Cl为主Zn2＋＋2NH4Cl→ZnNH32Cl2↓＋2H＋以ZnCl2为主4Zn2＋＋9H2O＋ZnCl2→ZnCl24ZnO5H2O＋H＋,26,14.2.2.碱锰电池,电池表示-Zn锌汞齐|NaOH或KOH3040水溶液ZnO|MnO2C,在碱性介质中KOH溶液Zn2＋＋2OH－→ZnOH2⇌ZnO＋H2OZnOH2＋2KOH→K2ZnO2＋2H2O或ZnO＋2KOH→K2ZnO2＋H2O,27,14.2.3.银锌电池,电池表示-Zn|KOH|Ag2O,AgO1883年经Clarke改装推出，1941年Henry采用玻璃纸隔膜，4050KOH做电解液制得,电极反应及电池反应正极Ag2OH2O2e→2Ag2OH-负极Zn2OH-→ZnOH2O2e总反应ZnAg2O→AgZnO,28,14.2.4.燃料电池,负极H22OH-2H2O2e,正极O2H2O2e2OH-,净反应H2O2H2O,EEӨRT/nFlna2H2O/p2H2pO2G-nFE,29,特点,a、能量转变化效率高,汽油柴油发电机3540,太阳能转换装置1535,核能转换装置理论60，实际1,燃料电池理论80，实际6070,2001年我国单机6000千瓦及以上电厂热效率仅为35.09％,30,澳新型聚光太阳能光伏发电装置光电转换率达35图据俄罗斯媒体11月4日报道，澳大利亚的“绿金能源”公司日前推出了其研制的最新型太阳能发电装置“太阳球”。太阳能电池板是一种非常诱人的电能生产装置，但它们同时也具有明显的缺陷相对便宜的太阳能电池板往往效率很低，无法生产出足够的电能；而高效的太阳能电池板却又十分昂贵，无法在普通消费者中推广。“绿金能源”公司研制的“太阳球”很好地解决了这一问题－－它可为那些生活在山区的居民提供充足且廉价的电能。据介绍，“太阳球”使用的光电转换装置的工作效率高达35，并且其面积只有约1平方厘米。“太阳球”的表面是一片直径为1.13米的由丙烯酸酯制成的凸透镜。它可将阳光“浓缩”500倍后再投放到光电转换器上。整套设备都被安装在了一个铝制支架上，以便及时地为太阳能电池板降温。此外，“太阳球”上还配备有一套双坐标驱动设备，能够跟踪太阳的运动并调整透镜的朝向。即使考虑到阳光在通过透镜时的损失，这套装置将光转换为电能的效率仍可达到33。测试表明，在晴朗的日子里一部“太阳球”的发电功率可以达到330瓦，换句话说，它每天平均可“收集”超过3度的电能。预计这种新型的太阳能发电装置将在2006年2月份投放市场，零售价初步定为1190美元。同年6月份，该产品还将实现出口。“太阳球”的研制者表示，如果考虑到每平方米太阳能电池板74000美元的高昂价格，1190美元的售价可以说是相当的廉价了。聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑“或“焦带“，并将太阳电池置于这种“焦斑“或“焦带“上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。因此，首先要考虑聚光器的结构、跟踪装置和散热措施。通常聚光器的倍率大于几十，其结构可采用反射式或透镜式。反射式有槽形平面聚光器和抛物面聚光器；透镜式则多选用菲涅耳透镜。聚光器的跟踪一般用光电自动跟踪。散热方式可以是气冷或水冷，有的与热水器结合，既获得电能，又得到热水。用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。最理想的制造聚光太阳电池的材料为砷化镓，因为它的禁带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作。其次是单晶硅材料。在电池结构方面，聚光电池的Ｐ-ｎ结构要求较深，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用垂直结构，以减少串联电阻的影响。同时，聚光电池的栅线也较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的10.,31,b、低污染,氢气作为储能物质时产物只有水,用富氢气体化石燃料制备做燃料时，CO2少40,其它燃料，也不存在SO2，NOx，粉尘等污染,32,c、低噪音，安装灵活，积木化强，占地面积小,d、储能物质选择范围宽,e、负荷响应快，工作可靠性好，运行质量高,f、运行成本高，难以普及,g、高温工作时电池寿命短，稳定性差,h、缺乏完善的燃料供应体系,33,发展史,a、1838年瑞士科学家Schonbein发现原理,b、1839年英国科学家Grove按电解水逆过程设计出第一个燃料电池,c、1889年Mond和Langer制得氢氧燃料电池，获得0.73V的工作电压,d、1894年Ostward从理论上论证了燃料电池的效率为5080,e、1959年Bacon制造出可以实际工作的碱性燃料电池,f、1962年燃料电池用于太空任务,g、1972年杜邦公司研制出高分子电解质隔膜,34,二次电池的质量比能量和体积比能量一般低于一次电池,14.3.二次电池,35,10.3.1.铅蓄电池,铅蓄电池的应用机动车辆、备用电源、电站负荷调整、电动工具电源,铅蓄电池的分类开放式外壳上有排气孔，电解液会减少，须检查，加水加酸维护免维护密封式用高析氢过电位铅合金，几乎没有水电解，在整个使用寿命期，不需维护,36,铅蓄电池的表示Pb|H2SO4|PbO2，Pb,放电时,电池总反应为PbPbO22H2SO4→2PbSO42H2O,负极PbSO42-→PbSO42e,正极PbO2SO42-4H2e→PbSO42H2O,充电时,负极PbSO4固体→PbSO4液体→Pb2SO42-,电池总反应为2PbSO42H2O→PbPbO22H2SO4,正极PbSO42H2O→PbO2SO42-4H2e,37,10.3.2.碱性蓄电池以KOH等水溶液为电解质,碱性蓄电池的正负极反应,38,碱性蓄电池的电池反应,39,40,41,WhatisSolarEnergy,Originateswiththethermonuclearfusionreactionsoccurringinthesun.Representstheentireelectromagneticradiationvisiblelight,infrared,ultraviolet,x-rays,andradiowaves.,42,RenewableEnergyPossibilities,1.2105TWonEarth’ssurface36,000TWonlandworld,Biomass5-7TWgrossworld0.29efficiencyforallcultivatablelandnotusedforfood,Hydroelectric4.6TWgrossworld1.6TWtechnicallyfeasible,Wind2-4TWextractable,Tide/OceanCurrents2TWgross,Geothermmal9.7TWgrossworld0.6TWgrossUSsmallfractiontechnicallyfeasible,43,大面积利用太阳能的困难,A.太阳辐射强度受季节影响较大,B.现有技术光电转化效率低下,C.光化合反应或作用速度较慢，不易集中储备,44,1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8％。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。在1997－2006年的10年中，世界光伏产业扩大了20倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。,太阳能电池的发展历史,45,世界太阳能电池发展的主要节点1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％1955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池1958太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。1959第一个单晶硅太阳能电池问世。1960太阳能电池首次实现并网运行。1974突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。1975非晶硅及带硅太阳能电池问世1978美国建成100KW光伏电站1980单晶硅太阳能电池效率达到20％多晶硅为14.5％，GaAs为22.5％1986美国建成6.5KW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池,46,太阳能电池发电原理,47,并网发电系统及工作原理,48,上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势,太阳能电池的应用,49,PowertowerinBarstow,California.,PowerTowers,50,用户太阳能电源小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等太阳能电源太阳能逆变器,51,3-5KW家庭屋顶并网发电系统；,52,光伏水泵解决无电地区的深水井饮用、灌溉,53,交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。,54,通讯/通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。,55,石油、海洋、气象领域石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等风云三号气象卫星的太阳能电池,56,光伏航标灯,57,海洋气象监测标,58,家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。,59,光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。,60,ParabolicDishesandTroughs,Becausetheyworkbestunderdirectsunlight,parabolicdishesandtroughsmustbesteeredthroughoutthedayinthedirectionofthesun.,CollectorsinsouthernCA.,61,太阳能使用现状与预测,62,GlobalCumulativePVPower,http//www.epia.org/fileadmin/EPIA_docs/publications/epia/Global_Market_Outlook_Until_2013.pdf,63,GlobalAnnualPVMarket,http//www.epia.org/fileadmin/EPIA_docs/publications/epia/Global_Market_Outlook_Until_2013.pdf,64,Cumulativeinstalledsolarelectricpowerby2007,1stGermany3.8GW2ndJapan1.9GW3rdUS814MW4thSpain632MW,65,Japan,2002-BasicActonEnergyPolicytosecurestableenergysupply,environmentalsuitabilityanduseofmarketmechanismsBy2006,installed1.2GWfor350,000homes2008–Newresearchinitiativetoimproveyieldsfrom10-15to40andreducecostfrom0.48/kWhto0.073/kWh,www.epia.orgSolarGenerationVReportSep2008,66,China,2007NationalRenewableEnergytargets10by2010300MW15by20201.8GWSupplies1,130tonsofpolysiliconfrom6companiesSupplies21,400tonsofsiliconingotfrom70companiesNumber1PVpanelproducer–1.1GW50PVpanelcompaniesincludingSuntech,Yingli,HebeiJingao,JiansuLinyang,andNangjingCEEG82,800employees6timesthatof2005,www.epia.orgSolarGenerationVReportSep2008,67,SolarPVMarketOutlook,SEMIPVGroupMarch2009fromsourceEPIASolarGenerationVSept08www.epia.org,by20308.9ofGlobalEnergy,1,864GWProductionCapacity,2,646TWhElectricity,68,谢谢,