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新能源概论重庆大学魏子栋2010年5月目录一、能源的概念及分类二、新能源和可再生能源三、氢能经济及燃料电池技术四、氢能技术研发在重庆大学五、几点感想能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式1.1能源的概念石油煤天然气电按能源的形成方式划分一次能源——直接来自自然界的未经加工转换的能源，如柴草、煤炭、原油、天然气、核燃料、水力、风力、太阳能、地热能、海洋能等。二次能源——把一次能源直接或间接转化来的能源称二次能源，如蒸汽、焦炭、洗煤、煤气、电力、汽、煤、柴、油、氢能等。1.2能源的分类按能源的使用性质划分含能体能源——指能够提供能量的物质能源，其特点是可以保存且可储存运输，如煤炭、石油等。过程性能源——指能够提供能量的物质运动形式，它不能保存、难于储存运输，如太阳能，电能等。1.2能源的分类1.2能源的分类按能源可否再生划分不可再生能源——指随人类的使用而减少的能源，如煤炭、原油、天然气等化石能源可再生能源——不随着人类使用而逐渐减少的能源，如水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等非化石能源按现阶段使用的成熟程度划分常规能源——指人类已长期使用，巳在技术上也比较成熟的能源。新能源——指虽已开发并少量使用，不过技术上还未成熟而没有被普遍使用，但却具有潜在应用价值的能源。1.2能源的分类随着技术和经济的发展以及人口的增长，人们对能源的需求越来越大，能源问题也越来越突出。环境污染——化石燃料的使用带来了严重的环境污染,导致了温室效应的产生和酸雨的形成。2005年2月16日，旨在减排室温气体的《京都协议书》已经正式生效。能源危机——石油、天然气和煤炭这三种人类使用的主要能源可开采年限，分别只有40年、50年和240年。目前我国已经有超过31%的石油需要进口，而到2010年，这一数字将会增长到45-55%。1.3能源问题正在开采的油井▲2、我国的能源结构▲1、我国和世界的能源消耗20%的能源消耗生产了约5%的GPD1.3能源问题新能源技术——新能源和可再生能源太阳能小水电生物质能地热能海洋能天然气水合物2新能源的几种形式风能氢能2.1太阳能按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6×1010年。所以可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时（3.78×1024J），相当于1.3×106亿吨标准煤。1)总量最大——取之不尽，用之不竭（应对能源危机）2)分布最广——遍布世界各地（应对传统能源的区域差异和贸易壁垒）3)最清洁——利用过程中不会产生任何污染，也不会产生废弃物（应对环境恶化）4)能源品位低——需要一定的面积保证（通常认为在不考虑地球大气吸收的情况下，功率是1.39KW/m2）5)不稳定因素多——多数利用方式受天气状况影响2.1.1太阳能特点2.1.2全球太阳能资源分布情况我国太阳能分布：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°-35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部。2.1.3我国太阳能资源分布特点光——热转化2.1.4太阳能的利用方式光——电转化光——化学转化2.1.4太阳能的利用方式——光热转化光热转化：就是把太阳辐射能通过各种集热装置（集热器）转变成热能。主要包括热水器、干燥器、采暖和制冷、太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具；北京2008奥运会的示范工程，中国太阳能第一楼☆平板太阳能热水器产水量大，利于清洁，热效率高，是与建筑物相结合的首选产品。但不抗冻，环境温度0℃时则不能工作，广泛运用于非结冰地区，国外90%以上的用户使用本产品（通过改造的平板热水器可抗严寒）。☆真空管太阳能热水器高硼硅玻璃真空管具有一定的抗冻能力，可在－15℃的环境中照常工作。管内走水，易炸裂，时间长了会有水垢积存，影响热效率，☆热管太阳能热水器在普通真空太阳集热管中加上传热导管即可，因为增加了传热介质，热效率有一定损耗。优点是管内无水，永不结垢，适用严寒地区使用。2.1.4太阳能的利用方式——光热转化太阳能热水器与其它热水器使用效益比较表热水器装置类别太阳能热水器燃气热水器电热水器装置投资（元）30001000(含钢瓶)600装置寿命（年）1565每年燃料动力费（元）081067515年需总费用（元）300015150119252.1.4太阳能的利用方式——光热转化2.1.4太阳能的利用方式——光电转化光电转化：就是通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。各种规格类型的太阳电池板和供电系统均属这一类。2.1.4太阳能的利用方式——光电转化工作原理：光伏发电是根据光生伏打效应，将太阳光直接转化为电能。2.1.4太阳能的利用方式——光电转化光伏材料特点结晶硅材料保持着目前最高的光电转化效率（实验室24.4%，商业12%~16%），纳米晶硅薄膜光伏电池发展较快，光吸收系数较低，当样品厚度小于100μm时，几乎不能吸收hvEg的全部光子。非晶硅材料目前较高的多晶硅电池转换效率为19%(德国费莱堡太阳能研究所)，实为硅氢合金材料，其光学禁带宽度为1.12-1.7eV。到目前为止该类光伏电池的光电转化效率还比较低，存在光致退化效应。铜铟硒光伏材料最高转换效率已经达到18.8%(NREL)，三元化合物半导体，禁带宽度覆盖了最主要的太阳光谱部分。碲化鎘材料目前实验室电池的效率达到16%，大面积商业模件的效率为10%，为多晶材料，晶粒间界增强了光生少数载流子的收集。有机半导体光伏材料光电转化效率已经达到3%，主要有酞菁锌(ZnPc)、甲基卟啉(TTP)、聚苯胺(Pam)等。通过适当的化学掺杂可提高电子迁移率，禁带宽度为几个电子伏特。可能在非常低的温度下，以低廉的价格进行大面积的光伏电池制备。染料敏化纳米晶TiO2材料光电转化效率达到了7%，建立在快速的再生型光电转换过程之上，对于低电阻的电子传输过程来说，对电极上常常会覆盖一层Pt催化剂。在光伏发电中，半导体材料起着关键的作用，目前主要的光伏材料有：太阳能发电站2.1.4太阳能的利用方式——光电转化2.1.4太阳能的利用方式——光电转化太阳能汽车2.1.4太阳能的利用方式——光电转化日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，2010年光伏发电装机容量达到5GW欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW美国能源部制定了从2000年1月1日开始的新5年国家光伏计划和2020～2030年的长期规划，按照预计的发展速度，2010年美国光伏发电装机容量达到4.7GW澳大利亚计划于2010年使光伏发电的装机容量达到0.75GW2.1.4太阳能的利用方式——光化学转化光化学转化：就是用光和物质相互作用引起化学变化的过程。这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢、利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等。2.2生物质能生物质能是指绿色植物通过光合用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。2.2.1生物质能的特点优点：燃烧容易，污染少，灰分较低。缺点：热值及热效率低，体积大而不易运输，直接燃烧生物质的热效率仅为10％一30％。2.2.2生物质能种类生物质能通常包括以下几个方面：1）木材及森林工业废弃物；2）农业废弃物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工业有机废弃物；6）动物粪便。2.2.3生物质能的利用——直接燃烧农牧民学习使用节柴灶生物质的直接燃烧在今后相当长的时期内仍将是我国农村生物质能利用的主要方式。推广热效率可达20%～30%的节柴灶这种技术已被国家列为农村能源建设的重点任务之一。物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂解技术等。可以把生物质转变成热值较高的可燃气、固定碳、木焦油及木醋液等物质。可燃气含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃气或工业用气。2.2.3生物质能的利用——物化转化秸杆发电2.2.3生物质能的利用——生化转化生化转化主要包括厌氧消化技术和酶技术。厌氧消化是利用厌氧微生物的生长代谢过程将生物质转化为CH4等可燃气体，同时得到厌氧发酵液、渣等厌氧发酵残留物，用作农田肥料，效果很好。酶技术是利用微生物体内的酶分解生物质，生产液体燃料，如乙醇、甲醇等。2.2.4生物质能的发展前景表12003年我国生物质能开发利用量从资源和技术（包括技术的经济性）两方面看，利用生物质能发电和生产生物燃油在我国有广阔的发展前景，将为满足我国的电力需求、石油需求起到重要作用，而且具有良好的经济、环境和社会效益。2.3风能风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量。太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW。2.3.1风能的特点风能的优点：1)蕴藏量大、分布广泛2)无污染、可再生3)适应性强、发展潜力大风能的限制性：•能量密度低，只有水力的l／8l6•不稳定性，气流瞬息万变•地区差异大资源丰富区有山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城、阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地，以及分布各地的高山山口和山顶。2.3.2我国风能的分布利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。2.3.3风能的利用不同能源发电成本2.3.3风能的利用2.3.3风能的利用国家累计装机2002-2003增长速度(%)3年平均增长速度(%)2001年底2002年底2003年底德国8734119681461222.133.8美国42454674636136.134.6西班牙35505043642027.331.3丹麦2456288030766.89.5印度14561702212524.920.3意大利70080692214.429.5英国52557075933.121.3荷兰52372793829.025.6中国40647357120.717.5日本35748676156.675.1世界前10名22957293293654524.629.2世界总计24927320374030125.629.2世界风电市场前10名国家的风电发展增速统计经过多年的努力，截至2002年底，我国风力发电的装机容量已经达到了46.85万千瓦（不包括台湾地区）。2.3.4我国风能的发展现状我国大型风电机组历年总装机容量图2.4小水电所谓小水电，通常是指电站总容量在5万kW以下的小型水电站及与其相配套的小电网的统称。小水电的开发方式，按照集中水头的办法，可分为引水式、堤坝式和混合式三类。2.4.1小水电的特点工程简单、建设工期短，一次基建投资小，水库的淹没损失、移民、环境和生态等方面的综合影响甚小。而且小水电接近用户，输变电设备简单、线路输电损耗小，水电发电的效率为同等规模的热电站的两倍以上。2.4.2小水电资源分布按有利情况估计(MW)地区1990年2000年2005年2010年2020年北美洲430268298604984912906拉丁美洲11132125293738396557西欧723111478144621655521692东欧及独联体22963645459252576889中东及北非洲4586119156266次撒哈拉非洲1813454776241065太平洋102162204234306中国38907428102641341522915亚洲34365590511832021合计1950332753425645111274616注：包括小于10MW的水电站2.4.3小水电资源发展预测2.4.4小水电发展前景我