您好,欢迎访问三七文档
新能源材料—基础与应用丁占来石家庄铁道大学材料学院第一章课程绪论•1.1新能源的概念•1.2新能源材料基础•1.3新能源材料的应用现状能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换或提炼)可再生能源非再生能源风能,水能,太阳能,地热,海洋能,生物能化石燃料(煤,石油,天然气)铀电能,氢能,汽油,柴油等(1)人类社会对能源的需求不断增加。能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。能源应用现状世界一次能源消费的增长率(2)能源结构发生变化。世界一次商品能源构成(3)能源应用形态有所改变。小型的可移动电源的需求量增长很快,这主要是信息技术发展的结果;特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展,对电池的能量密度要求更高,并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。(4)矿物能源面临枯竭。(1992世界能源大会)石油/年天然气/年煤/年铀/年世界495726260中国2361102301990:12TW2050:28TWTotalPrimaryPowervsYear能源现状与发展问题1.可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到3%2.石油、煤和天然气占初级能源消耗的85%左右3.其余主要是火电和水电据可靠资料报道,到2020年,我国能源的消费比例除了利用石油、煤和天然气以及水电外,风能的消费比例要占到10%,核能的消费要占到3%。各种能源的消费比例图我国石油产品需求预测2010年,万吨2020年,万吨汽、煤、柴油17750-1890021700-28800润滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油产品合计31300-3350038800-47700国内石油需求3.3-3.5亿吨4.1-5.0亿吨其它:LPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等2004年我国汽柴油消耗分别达4706万吨和10292万吨(合计1.5亿吨)无穷大约45年约15约61年约30约230年约81约71年约50我国各种能源探明储量(以储采比表示)与世界比较摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会:机遇与挑战”论文集2004年4月8日,北京P8050100150200250300太阳能石油天然气煤铀世界中国二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状表3全球各国CO2排放量比较排行汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002)耗油量,万吨占消费量,%汽油车282575.5柴油车188824.2交通运输用油约占石油消耗的40%2020年原油需求控制在4.5亿吨,至少进口2.5亿吨,对外依存度65%;汽车保有量应控制在1亿辆2004年,产量500万辆,到2010年汽车年产超过1000万辆。(5)矿物燃烧造成环境污染。(SO2、CO、CO2、NO)(植被、土壤;气候;健康)图2世界CO2排放量随时间的变化在北京、上海等大城市,空气污染的60%来自汽车排放二氧化碳的全球排放量中,中国居第二2010550ppm从左图大气CO2浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出:很明显,近20年来,CO2的浓度上升迅速非常迅速,2010年将接近550ppm。而且,主要分布在美国和中国所在的北半球高纬度60-80度处。CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应!化石能源及其现状应对气候变化的国际行动为应对全球气候变化,国际社会制定了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》。许多国家和非政府组织相应建立了碳基金,并以此为平台开展减排和碳汇项目。以实际行动参与应对气候变化联合国气候变化框架公约(6)新能源的开发不断取得进展不可再生能源逐渐向新能源和可再生能源过渡,是发展国际趋势。太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统,另一方面靠材料的开发与应用,使新系统得以实现,并提高效率,降低成本。•Hydroelectric•Geothermal•WindPotentialofRenewableEnergyBiomassSolarTide(7)新能源材料的基础:新能源材料是材料学科的一个重要研究方向;新能源材料分类:新能源技术材料;能量转化与储能材料;节能材料。新能源材料的基础:仍然是材料科学与工程基于新能源理念的演化与发展。新材料的作用:•新材料把原来习用已久的能源变为新能源。•如:半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能;燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能,代替过去利用氢气燃料获得高温。•一些新材料可提高储能和能力转化效果•如:镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定着核反应堆的性能与安全性。材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。如:太阳电池材料决定着光电转换效率;燃料电池的电极材料决定着电池的质量和寿命;材料的制备工艺又决定着能源的成本。(8)能源材料的概念及分类广义上,凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。新能源材料-如增殖堆用核材料、太阳能电池材料节能材料-如非晶态金属磁性,超导材料。储能材料-如贮氢(吸氢)材料,高比能电池材料参考资料:•1、《新能源材料-基础与应用》艾德生等编著,化学工业出版社。•2、《新能源材料-基础与应用》吴其胜主编,华东理工大学出版社。•3、《新能源材料与应用》童忠良,张淑谦,杨京京编著,国防工业出版社。第一章相变贮能材料—理论与应用1、贮热相变材料的相变形式相变现象1.1.固体液体凝固与融化冰雪融化、盐碱溶化、金属熔化、溶液结晶1.2.液体气体沸腾,凝结1.3.固体气体升华凝华结霜、樟脑挥发1.4.固体固体相转变1、贮热相变材料的相变形式•当物质分子热运动动能远小于分子间的相互作用势能时,分子力作用上升到主要地位,分子运动降到次要地位,组成物质的粒子(分子、原子或离子)只能在各自的平衡位置附近作微小振动,这就是物质的固态。处于固态的物质称为固体。1、贮热相变材料的相变形式•相可定义如下:“相是系统中均匀的与其他部分有界面分开的部分。”•所谓均匀的,是指这部分的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的,或是以一种连续的方式变化,也就是没有突然的变化。一个多相系统是不均匀的,在相界处有物理性质或化学性质或两者兼有突变。例如,在一个包含有冰和水的两相系统中,其物理性质在相界面处有突然变化。1、贮热相变材料的相变形式•在一定条件下,物质不同相之间的相互转变叫做相变。•如果系统中各相经历很长时间而不互相转化,则是处于平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡,从系统内部来看,分子或原子仍在相界处不停地转换,只不过同一时间内各相之间的转化速度相同。•相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相互作用是有序的起因,热运动是无序的来源。在热力学理论中表现为U和ST的消长。在缓慢降温的过程中,每当温度降低到一定程度,以致热运动不再能破坏某种特定相互作用造成的有序时,就可能出现新相。1、贮热相变材料的相变形式•自由能方程两种参数的相互作用•克拉贝龙方程相变过程伴随明显的热量释放或吸收dpHdTTVFUST1、贮热相变材料的相变形式•描述物质状态的三个基本参数不是相互独立的。–这就是物质的状态方程•理想气体•范德瓦尔斯方程(,,)0FPVTPVnRT2aPVbRTV1、贮热相变材料的相变形式理想气体范德瓦尔斯气体1、贮热相变材料的相变形式相变分类厄伦菲斯特依据热力学势及其导数的连续性对相变进行分类。–自由能、内能都是热力学函数。它们的第一阶导数是压力(或体积)、熵(或温度)、平均磁化强度等等,而第二阶导数给出压缩率、膨胀率、比热.磁化率。22222pTpppTpTTggvspTcgsTTTgvgvvvpppTT1、贮热相变材料的相变形式–凡是热力学势本身连续,而第一阶导数不连续的状态突变,称为第一类相变。第一阶导数不连续,表示相变伴随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。–热力学势和它的第一阶导数连续变化,而第二阶导数不连续的情形,称为第二类相变。这时没有体积变化和潜热,但比热、压缩率、磁化率等物理量随温度的变化曲线上出现跃变或无穷的尖峰。超流和没有外磁场的超导转变、气液临界点,以及大量磁相变,属于二类相变。1、贮热相变材料的相变形式•相变图固液相变•固体点阵排列对应于势能最小,固体吸热之初,温度升高,固体粒子能量增加到一定程度(熔点)可摆脱束缚,点阵结构解体,从而固体变为液体。温度不变是因为吸收的热几乎全部用于增加相互作用能。2.贮热相变材料的分类•热物性潜热导温系数导热系数/(比热*密度)相变温度无机类•结晶水合盐(salthydrate)附表1结晶水合盐类热物性表•熔融盐(moltensalt)附表2一些无机化合物的热物性表•其它:水,硅•金属(包括合金)附表12-1到12-5及附表152.贮热相变材料的分类醋酸盐类硝酸盐类硫酸盐类磷酸盐类碳酸盐类卤化物类NaCH3COO·3H2ONaCH3COO·2H2OLiCH3COO·2H2OMg(NO3)2·6H2OMg(NO3)2·4H2OCa(NO3)2·4H2OZn(NO3)2·4H2OZn(NO3)2·6H2OZn(NO3)2·H2ONa2SO4·10H2OFeSO4·7H2ONa2HPO4·12H2OK3PO4·7H2ONa3PO4·12H2ONa2CO3·12H2OCaCl2·6H2OKF2·H2OKF·4H2O常用结晶水合盐类常用结晶水合盐类热物性表材料名称熔点℃熔解热kJ/kg比热kJ/kgKLiquidsolid导热系数W/mK1共融系统Mg(NO3)2·6H2OMgCl2·6H2OZn(NO3)2·6H2O2部分共融系统Na2S2O3·5H2OCaCl2·6H2O3非共融系统Na2SO4·10H2O89.9115.036.148.529.732.41671651472101702411.841.721.341.461.461.762.512.822.262.382.133.300.49095℃0.570120℃0.46439.9℃0.5740℃0.54038.7℃0.544附表1结晶水合盐类热物性表附表2无机化合物(高温)材料名称相变温度℃比热kJ/kgK导热系数W/mK熔解热kJ/kg溶解熵kJ/kgK密度kg/m3NaFNaClKFMgCl2AlMgLiNo3KClNa2CO4K2CO4KBrCaLiBrNa2SO4NaOH9958048567146596502527728528987348485508842933197894864844524013723703462902352222182022023010.6220.4520.4280.4590.4300.4040.7050.3320.2590.1990.2200.1940.2460.1750.6412.802.162.482.322.701.742.371.992.532.751.553.462.692.13附表3Al的比热(kJ/kgK)、潜热(kJ/kg)值文献123456固态比热1.291.0840.9490.9200.9530.912-1.031液态比热1.20潜热400395.7388400387342-405名称熔点温度导热系数密度比热粘度Pt数汞钾铋铅-38.363.9271.1327.3151503001503005007003505007008.13611.62314.06444.98116.50515.57515.57516.27215.57514.00613550132001280081010020977095301050010350101000.1380.1380.
本文标题:新能源材料-1
链接地址:https://www.777doc.com/doc-1746181 .html