第二章太阳能

第二章太阳能打印1-151.太阳能-热能转换技术基本原理：采用集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。2.平板集热器吸热体,透明盖板,隔热层（保温层）,外壳（箱体）作用(资料第一页T5)3.全玻璃真空管集热器(效率提高—抽真空减少对流传热损失)原理:它由两根同心的玻璃管组成内外圆管之间抽真空。集热管内气体的压强小于5*10-2Pa，在内管的外表面上沉积选择性吸收涂层，涂层通过吸热实现加热内玻璃管的传热流体。4.热管真空管原理：热管式集热器通过热管内工质的汽--液相变循环过程，连续不断的吸收太阳辐射能为系统供热能。5.太阳能热发电技术组成：聚光集热子系统，蓄热子系统，汽轮发电子系统，辅助能源系统（1）聚光集热子系统聚光器收集阳光并聚集到有限尺寸面上。接收器接收阳光，将太阳能转换为热能并传给工质。跟踪装置（2）蓄热子系统把热能储存和转变成高温水蒸气，实现蓄热和热交换。（3）汽轮发电子系统热源采用太阳能向蒸发器供热，工质在蒸发器中蒸发为蒸汽并过热，进入透平，通过喷管加速后驱动叶轮旋转，带动发电机实现发电。（4）辅助能源系统6.塔式太阳能发电站特点：(1)点状聚焦，聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；(2)能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效；(3)吸收器散热面积相对较小，可得到较高的光热转换效率；(4)建设费用十分昂贵；(5)跟踪代价高。7.槽形抛物镜集热器电站的特点（1）线状聚焦，中温太阳能热发电；（2）集热器等装置都布置于地面上，安装和维护比较方便；蓄热材料显热蓄热材料相变蓄热材料热化学蓄热材料吸附蓄热材料（3）跟踪控制成本大为降低；（4）管路复杂，输热损失和阻力损失较大；（5）能量集中代价大。8.盘状(碟式)抛物镜集热器分散布置式电站（1）点状聚焦，高温太阳能热发电；（2）槽式太阳能发电系统是目前太阳能热发电技术发展的方向；（3）热损失大，管路代价大。9.太阳能烟囱组成：太阳能集热棚，涡轮机，烟囱。能量转化过程：首先空气被加热，太阳能转化为空气内能，由于空气在烟囱内的上升流动，内能转变为动能，当空气流到涡轮机时，气流推动涡轮机转子转动，动能又转化为电能。10.太阳能光伏发电技术（1）光伏效应：用适当的波长照射到某些物质（液、固）上时，其吸收光能后两端产生电动势，称为光伏效应。（2）太阳能电池的分类同质结太阳能电池：由同一种半导体材料构成的一个或多个p-n结的太阳电池。如硅太阳电池、砷化镓太阳电池。异质结太阳能电池：由两种不同禁带宽度的半导体材料在相接界面上构成异质p-n结的太阳电池。如氧化铟锡-硅太阳电池、硫化亚铜-硫化镉太阳电池等。肖特基太阳能电池：用金属和半导体接触组成的太阳电池。如铂-硅肖特基太阳电池，铝-硅肖特基太阳电池。（3）目前，晶体硅太阳能电池仍为市场主流，占90%份额。半导体材料的分类按其是否有杂质：本征半导体材料（不含杂），杂质半导体材料按其导电类型：n型（电子型）半导体，p型（空穴型）半导体（4）对于半导体，价带是满带，比价带能量更高的能带是导带。（5）本征半导体的导电能力较弱在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。（6）P,N型半导体的多子与少子，来源（资料第二页T16）（7）扩散与漂移内电场：当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成n型半导体和p型半导体。此时将在n型半导体和p型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。第三章氢能1.甲烷蒸汽重整(SMR)（1）为什么要进行脱硫？腐蚀设备和管道；用作燃料会污染环境，影响健康;用作化工原料会使催化剂中毒。醇胺法——目前最常用的天然气脱硫方法。（2）主要反应：水汽重整吸热反应水气转换放热反应（3）催化剂催化剂=活性组分+载体+助催化剂活性组分：促进反应进行。载体：提高活性组分分散度、增大比表面积，防熔结。助催化剂：提高活性，延长寿命（稳定性），增加抗硫、抗炭能力。（4）催化剂的中毒与再生催化剂的中毒：催化剂的活性中心吸附了有害杂质被破坏，而失去催化活性。有害杂质：硫、砷、卤族元素。a.可逆的短暂性中毒：硫、卤族元素。原料脱除有害杂质；对于已中毒的催化剂，只要使原料中（卤族元素）含量降到规定的标准以下，催化剂的活性就可以完全恢复。b.不可逆的永久性中毒：砷。原料脱除有害杂质；更换催化剂。(5)氢气纯化a.变压吸附:利用气体组分在吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的原理，通过周期性的压力变化过程实现气体的分离。(压力越高，平衡吸附容量越大;温度越高，平衡吸附容量越小)物理吸附：依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力）进行的吸附。无化学反应，吸附快，可逆。吸附平衡：在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。b.钯膜扩散法原料气需预先除去O2和水，另外还需预先除尘。(O2在钯合金膜催化下会发生氢氧催化反应，使钯合金膜局部过热，水会使钯合金膜氧化。)2.甲烷部分氧化法制氢（1）主要反应原理：CH4+1/2O2→CO+2H2（2）反应器a.固定床：流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备。优点：①催化剂不易磨损。②床层内流体→平推流，较少量催化剂可获较大生产能力。缺点：①飞温②不能使用较小颗粒的催化剂③不适用于催化剂需要频繁再生的反应b.流态化:固体颗粒像流体一样进行流动的现象。优势:传热效能高，而且床内温度易于维持均匀;方便输送大量固体颗粒;可使用较小颗粒催化剂。c.蜂窝状反应器:反应器内的催化剂结构为多孔状或蜂窝状。3.甲烷自热转化(ATR)（1）原理：CH4+1/2O2→CO+2H2甲烷自热转化(ATR)是将甲烷部分氧化POX反应放出的热量供给甲烷蒸汽重整SMR。（甲烷自热转化(ATR)是结合甲烷蒸汽重整SMR和甲烷部分氧化POX的一种方法。）4.甲烷催化裂解制氢优点：产物气中不含或含少量碳氧化合物，不需要进一步的变换反应；分离设备也比天然气水蒸气重整简单，可缩短流程、简化操作单元和减少投资。缺点：甲烷在分解过程中生成大量的碳，沉积于催化剂上很容易造成催化剂失活。5.煤制氢工艺a.煤焦化：隔绝空气，900～1000℃制取焦炭，副产品焦炉煤气。（氢气60%，甲烷23-27%，CO6-8%）b.煤气化：高温、常压或高压条件下，煤与气化剂反应，转化为含有氢气的气体产物。气化反应:CO变换（水气变换）:气化剂：水蒸汽、氧气（空气）5.电解水制氢(1)碱性水溶液电解a.为什么要加电解质，KOH的作用？运载电荷；增加电解池中H+和OH-浓度。电解质：增强导电能力（KOH）隔膜：防止阳极和阴极的短路；阻止产物相互混合。（2）固体聚合物电解制氢聚合物薄膜作为电解质的作用？（保持电解质浓度的恒定）：传递氢离子（3）固体氧化物电解制氢电解质：固体氧化物（ZrO2）固体氧化物的作用？传导氧离子6.光解水制氢原理：半导体材料在受到能量相当于或高于催化剂半导体的禁带宽度的光辐照时，晶体内的电子受激从价带跃迁到导带,在导带和价带分别形成自由电子e-和空穴h+，水在这种电子-空穴对的作用下发生电离，生成H2和O2。空穴h+:得电子，强氧化性自由电子e-:还原性7.生物质制氢途径：生物质气化，微生物制氢生物质气化：氧化层，还原层（气化层：氧化层+还原层），热分解层（干馏层），干燥层（温度依次从高到低）8.氢的储存a.压缩氢气储存：压缩储氢是最常用的氢气储存方式，氢气被压缩后在气缸里以气体形式储存。b.液化储氢技术问题：1.液化能耗2.绝热问题3.正氢向仲氢的转化(应采取措施加速正氢向仲氢的转化，使液氢的储存容器中基本不存在未转化的正氢)。c.玻璃微球储氢浓度差原理d.碳质材料储氢碳纳米管是目前储氢容量最大的碳质吸附材料。(碳纳米管：比表面积很大，含有很多尺寸均一的微孔。当氢到达其表面时，一方面被吸附在材料表面，另一方面在微孔毛细管力的作用下，氢被压缩到微孔中，因此能储存相当多的氢。)e.金属氢化物储氢氢分子被吸附在金属表面后，离解成氢原子嵌入到金属的晶格中形成金属氢化物。适当条件下金属氢化物又可释放出氢气。（释氢方法：加热，并放在比平衡压力低的环境中。）f.有机液体氢化物储氢不饱和液体有机物与H2发生的一对可逆反应：加氢反应（化学键合，储氢）与脱氢反应（释放氢气）。g.物理吸附：碳材料第四章核能（另补充）第五章化学能源1.电化学反应的基本概念正极和负极：正极：电势相对较高的电极。负极：电势相对较低的电极。阳极和阴极：阳极：发生氧化反应的电极。阴极：发生还原反应的电极。放电时，负极是阳极，正极是阴极充电时，负极是阴极，正极是阳极2.化学电源的分类（按工作性质分）1）一次电池也称原电池，电池放电后不能充电再用。如锌锰干电池、锌银钮扣式电池。2）二次电池又称充电电池或蓄电池，放电后再充电可以使活性物质再生。如铅酸电池、锂离子电池。3）储备电池也称激活电池，在储存期间，电解质和电极活性物质分离或电解质处于惰性状态，使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活，电池立即开始工作。如锌银电池、热电池、镁氯化铜电池。4）燃料电池又称“连续电池”，即将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。如碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池。3.金属氢化物-镍电池（MH/Ni）负极材料：金属氢化物MH正极材料：羟基氧化镍电解质：KOH水溶液氢原子的扩散步骤为充放电过程的控制步骤。4.锂离子二次电池锂离子的工作原理：浓差电池正极活性物质：提供正负极嵌锂化合物间往复嵌/脱所需要的锂。允许Li脱嵌（LiCoO2）负极活性物质：（1）碳材料：石墨是目前锂离子电池应用最多的负极材料。（2）合金材料（3）氧化物（4）氮化物锂离子电池电解液=有机溶剂+电解质锂盐+添加剂有机溶剂：锂离子的溶解度大；不与锂离子发生反应；较低的黏度。电解质锂盐：LiPF6（六氟磷酸锂）是目前商业化锂离子电池采用的主要电解质。添加剂：a.改善电极SEI膜性能添加剂；b.控制电解液中酸和水含量的添加剂；c.过充保护添加剂；d.阻燃剂5.燃料电池（1）碱性燃料电池（AFC）（重点）a.反应式：阳极：2H2+4OH-→4H2O+4e-阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-总反应：2H2+O2→2H2O燃料：氢气，氨氧化剂：纯氧或脱除二氧化碳的空气电解质：KOH或NaOH等碱性溶液b.电极材料：贵金属：铂、钯、金或其合金非贵金属：过渡金属及合金，Ni-Mn、Ni-Cr、Ni-Co,一些金属氧化物及过渡金属大环化合物。c.电极型式双孔结构电极粗孔层与气室相连,细孔层与电解质接触d.电解质常用：6-8mol/LKOH水溶液。电解质的存在型式:自由型,固定型e.基体（隔膜）:常用：石棉膜（氧化镁，氧化硅）;作用:保持电解质；分隔氢气和氧气；为OH-提供通道。f.动态排水法（PPT）:耗循环动力静态排水法:增加水蒸气（阳极侧增加排水膜与水蒸气腔）。（2）磷酸燃料电池（PAFC）a.催化剂:碳载铂或铂合金催化剂（为什么用贵金属）b.电解质:约98%的浓磷酸c.隔膜:要求SiC微粉和少量PTFE黏结而成d.磷酸电池的工作温度（书第196,197页）（3）熔融碳酸盐燃料电池电解质:熔融碳酸盐（碳酸锂-碳酸钾碳酸锂-碳酸钠）导电离子:CO32-工作温度:650～700℃催化剂：镍或贵金属燃料气由天然气、甲烷、石油、煤气等转化产生的富氢燃料气。(含CO、甲烷和更高级的烃类）主要发生水气重整反应：CO2回路水和CO2是熔融碳酸盐燃料电池反应气体的重要组分。隔膜：LiAlO2电极材料阳极技术要求：良好的催化氧化活性;良好的电子电导率;耐高温熔融碳酸盐腐蚀;抗还原。阳极蠕变高温和较大压力下，金属晶体产生的微小形变。阴极技术要求：良好的催化还原活性；良好的电子电导率；耐高温熔融碳酸盐腐蚀；抗