能量转换材料与器件要点

Cap1绪论能源的定义：凡是能够提供能量的物质或是物质的运动能源的分类：一次能源、二次能源（形成方式）含能体能源、过程能源（使用性质）清洁能源、非清洁能源（环境保护要求）可再生能源、不可再生能源（循环方式）对能量转换系统的要求：1、转换效率高2、转换速度快、能量密度大3、具有良好的负荷调节能力4、满足环境要求、经济合理太阳能转换系统的要求：1、较高的光电转换效率2、稳定的转换效率3、较低的制造成本4、简单的制造工艺5、较长的使用寿命6、较小的环境污染风能转换系统的要求：1、运转安全2、成本低3、质量轻4、便于安装运输5、对抗恶劣环境的能力生物质能转换系统的要求：1、技术开发多途并进氢能转换系统的要求：1、安全储存核能转换系统的要求：1、核电站的安全防护2、核废料的处理海洋能转换系统的要求：1、建造地点海湾河口，降低建造难度和成本2、防腐防污3、正确选址，考虑潮差，地形地质，海湾建设和海洋生态能量转换与材料的关系：1、新材料能够把习用已久的能源变成新能源2、新材料可提高储能和能量转换效率3、新材料决定核反应堆的性能和安全性4、材料的组成、结构、制作和工艺决定新能源的投资与运行成本Cap2太阳能太阳能优缺点优点：1、数量巨大2、时间长久3、方便开发和利用4、清洁安全无污染无危险缺点：1、分散性：能流密度低2、间断性和不稳定性3、效率低，成本高太阳的结构：里三层：核反应区、辐射区、对流区外三层：光球、色球、日冕太阳能利用方式：太阳能发电：光伏发电、光热发电、光化学发电光热利用：热水器、蒸馏器、太阳灶、干燥器动力利用：热气机、光压转轮光化学应用：光解水制氢生光应用：光合作用太阳能→生物质能光光应用：太空反光镜、太阳能激光器、光导照明太阳能电池作用原理光生伏特效应：在半导体被光照射后，产生光传导现象，如果光产生的载流子在不同的位置具有不均一性，或者由于pn结产生了内部载流子，就会因扩散或漂移效应引起电子和空穴的密度分布不平衡，从而产生电力，这一现象称为光生伏特效应。（n正p负）丹倍效应：当半导体受光照不均匀时，载流子浓度分布也不均匀，从而引起载流子的扩散，如果电子比空穴扩散得快，将导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，该现象称为丹倍效应。（即在表面和内部产生电位差）PEM效应：在强光照射下，沿着与光照垂直的方向对半导体施加磁场，有丹倍效应产生的扩散电流受洛伦兹力的影响，产生电子空穴电力，即在垂直于光和磁场的半导体的两端面之间产生电势。太阳能电池理论极限：28.5%、研究极限：24.7%、生产效果：20%太阳能能量转换过程中的损失：1、由于材料的光电光谱效应和太阳光谱的不匹配（不可回收损失）2、由于光谱响应的有效光，由于表面反射而损失（可回收损失）3、由光吸收生成载流子中，太阳能电池的表面或背电极由于与环境的复合造成的表面复合损失4、光生载流子在半导体内的复合造成的体内复合损失5、电流流动时从电极到半导体内的电阻发生焦耳热的串联电阻损失6、光生载流子由于半导体中的内建电场产生漂移，如果超过pn结的不纯物浓度决定的扩散电位Vd，使得起始电力也得不到，叫电压因子损失单晶硅太阳能电池优点：1、转换效率高2、基本技术成熟3、可靠性高制作过程：1、从原材料制作单晶硅棒2、切断单晶硅棒，加工为片状3、形成pn结，加入电极，制作为电池片改进技术：1、入射光的有效利用（表面蚀刻）2、光生载流子的收集效率改善（BSF）3、减少光生载流子的复合损失（光生活性层的膜质改善）4、减少串联电阻损失（透明电极的低电阻化，集电极的最佳化）5、减少电压因子损失（BSF）表面蚀刻：利用碱性溶液对硅片表面进行棱状凹凸的蚀刻加工处理→入射光多重反射→增加光程→增加光电流BSF：在背场将不纯物进行喷雾处理，形成p+层→侧面形成内建电场追回载流子损失→减少复合损失，同时改善波长收集效率HIT太阳能电池特点：1、结构较简单，较高的转换效率2、随温度上升特性下降的问题得到一定的改善3、制作过程所需温度低，节省能源4、表面与背面的对称结构减少热膨胀引起的缝隙5、两面发电非晶硅太阳能电池：A、a-Si：H氢化非晶硅：氢原子对空间缺陷进行补偿，禁带宽度由于缓和作用提高了光吸收系数优点：1、较高的光吸收系数2、禁带宽度大，与太阳光谱匹配好3、制备工艺和设备简单问题：1、孪生复合2、空穴扩散长度小，迁移率低3、填充因子低4、性能衰减B、微晶硅：得到介于非晶和结晶中间的特性，使电阻降低铜铟镓硒太阳能电池优点：1、吸收系数最高2、光谱响应最广3、转换效率很高4、实现卷到卷生产，降低生产制造成本5、抗辐照性好，可靠性好，无光致衰减6、功率密度极高电池结构：染料敏化太阳能电池工作原理：入射阳光被用化学法固定在TiO2表面的Ru增感色素所吸收，发生跃迁，电子进入TiO2传导层，Ru增感色素变成氧化态。被氧化了的色素从氧化还原介质I-中得到电子，使得I-成为氧化态I3-向电极进行扩散，从Pt电极接收电子回到还原态I-，这就是电子的一个循环。特点：1、由光合作用过程的动力学竞争实现电荷分离2、半导体材料仅参与电荷分离，不参与光子捕获3、材料成本低，制备工艺简单4、转换效率随温度上升而提高5、电池两面均可以吸收光6、能制备出半透明或不同颜色的电池，装饰性强7、质量轻，能制作称为柔性器件，便于携带8、能源回收周期较短9、较高的转换效率太阳能光热转换器件1、太阳能热发电：利用集热器将太阳辐射能转化为热能通过热力循环进行发电聚光型：成本低Ⅰ、槽式：利用槽式反射镜抛物面聚光集热器产生高温蒸汽驱动汽轮机组发电Ⅱ、塔式：独立调节方向的跟踪型定日镜反射太阳光集中高塔接收器使太阳辐射能转化为热能带动机组发电Ⅲ、碟式：盘状抛物面聚光集热器，光热转换效率高达85%非聚光型：Ⅰ、太阳池：利用具有一定浓度梯度的盐水池水作为集热器和蓄热器（盐水池中温度随深度增加而增加，利用池底高热）Ⅱ、太阳能烟囱：利用太阳能集热棚加热空气以及烟囱产生上曳气流效应，驱动空气涡轮带动发电机发电2、太阳能热水器：吸收太阳辐射热加热冷水供给日常生活非聚光型：平板集热器、真空管集热器（利用太阳直射辐射和散射辐射）聚光型：将阳光会聚在面积较小吸热面（只能利用太阳直射辐射，且需要跟踪太阳）3、太阳灶：利用聚光镜对太阳能辐射进行聚光获取热量进行食物加工4、太阳能制冷：光-电-冷、光-热-冷吸收式太阳能制冷：利用太阳能集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需的热媒水Ⅰ、氨吸收式制冷机（制冷剂为氨，吸收剂为水，但氨不稳定不安全）原理：氨溶液在集热器中升温→氨过饱和溢出→氨气在冷凝器冷却为氨液→节流阀降温降压形成氨湿蒸汽→在蒸发器内吸收外热制冷→氨气升温进入吸收器溶于水和氨水进入循环Ⅱ、溴化锂吸收式制冷机（制冷剂为水，吸收剂为溴化锂）原理：溴化锂水溶液在集热器中受热媒水加热使水汽化→水蒸气进入冷凝器冷却降温→溴化锂溶液浓度升高进入吸收器→冷凝水通过节流阀进入蒸发器膨胀汽化产生制冷效果→低温水蒸气进入吸收器被溴化锂溶液吸收浓度降低回到发生器吸附式太阳能制冷：通过白天制冷剂从吸附剂脱附，夜里制冷剂回到吸附剂。5、太阳能干燥器：将太阳能转化为热能加热物料并使其达到干燥目的的完整装置直接吸热式、间接吸热式、主动式、被动式、温室型、集热器型、整体式、抛物面聚光型6、太阳能蒸馏器：利用太阳能产生热能驱动海水发生相变过程，产生蒸汽，接收冷凝后的淡水（直接法、间接法）7、太阳能制氢：Ⅰ、太阳能电解水制氢（效率高但耗电大）Ⅱ、太阳能热分解水制氢（加热至3000K，对材料要求高）Ⅲ、太阳能热化学循环制氢（加入催化剂在较低温度下经历多次化学反应阶段实现水分解制氢）Ⅳ、太阳能光化学分解水制氢（加入光敏物质做催化剂，增加对太阳光中长波的吸收，利用光化学反应制氢）Ⅴ、太阳能光电化学电池分解水制氢（N型TiO2半导体电极做阳极，Pt作阴极制成太阳能光化学电池，阴极产生氢气，阳极产生氧气）Ⅵ、太阳光络合催化分解水制氢（利用络合物作为催化剂，吸收光能，产生电荷分离、电荷转移和集结，通过耦合过程实现水分解制氢）Ⅶ、生物光合作用制氢（利用藻类细菌作为生物发生器在太阳光下以水为原料，连续的释放氢气）Cap3生物质能生物质：动植物通过光合作用生成并积累至一定量的有机物生物能：以生物为载体的能量生物质能源的分类：原料化学性质（糖类，淀粉，木质纤维素物质），原料来源（废弃物，垃圾，能源植物）生物质能优缺点优点：1、挥发组分高，易燃，燃烧相对充分2、燃烧过程污染低3、储量大分布广易获得4、可储存和运输5、开发转换技术容易6、属可再生能源缺点：1、生物质能量密度低，燃烧热值低2、生物质组成性质差异大3、生物质供应和价格不稳定4、生物质有水分含量生物制氢途径：光裂解，光发酵，暗发酵优点：1、耗能低效率高2、清洁节能可再生3、成本低无污染4、较好的环境效益关键：固氮酶：铁蛋白和铁钼蛋白同时存在才能固氮，在厌氧环境下催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生，氢酶：吸氢酶氧化固氮酶产生的氢气，可逆氢酶氧化合成氢气光合微生物产氢（直接光解，间接光解，光发酵）优势：以太阳能为能源，水为原料，能量消耗小，过程清洁劣势：光能转换率低，需要很大的受光面积，没有满意的产氢藻直接光解产氢光能→光能自养型微生物（念珠蓝细菌，绿藻）→氢气间接光解产氢光能→光能自养型微生物（光合作用）→有机物→光能自养型微生物（蓝细菌）+光能→氢气光发酵产氢有机物→光能异养型微生物（紫色非硫细菌，无PSⅡ光合系统）+光能→氢气微生物水气转换制氢优点：1、生长较快2、产氢速率快，转化率高3、对生长条件要求不严格局限性：高细胞密度，高压力操作，CO2收集系统CO+H2O→无色硫细菌→CO2+H2暗发酵制氢有机物→厌氧微生物→氢气生物质燃料沼气沼气：富含有机物的沼泽地会发酵形成很多可燃性的混合气体。（无色易燃有毒臭味，70%甲烷30%CO2）生产沼气的原料：农作物秸秆、人畜粪便、工业废液渣、城市垃圾沼气发酵过程：水解阶段（发酵性细菌利用胞外酶对有机物体外酶解，将大分子有机物分解成能溶于水的小分子化合物）产酸阶段（发酵性细菌→产氢产乙酸菌→耗氧产乙酸菌、不产甲烷细菌）产甲烷阶段（食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌）生物质燃料乙醇乙醇汽油：在不含MTBE含氧添加剂的专用汽油组分油中按一定体积比例的变性燃料乙醇混配而成的燃料生产方法：合成法，生物法环境效益：1、降低碳氢、碳氧、氮氧化合物的排放量2、降低了炭烟生成的可能性3、生成臭氧的活性降低4、减少了CO的排放优点：1、减少石油消耗2、不更换发动机，提高汽油抗爆性3、减少汽油消耗，使汽油充分燃烧4、可再生缺点：1、保质期短2、环境要求高生物柴油定义：以植物油或动物脂肪等油脂类物质通过酯基转移作用而得到有机脂肪酸酯类物质特点：1、环保性能2、低温启动性能3、润滑性能4、安全性能5、燃料性能6、可再生性能7、副产品具有经济价值8、原料廉价易得生产方法：1、化学合成法2、生物酶合成法3、工程微藻4、油料植物：麻疯树、黄连木、光皮树5、潲水油Cap4地热能地热能：来自地球地下或内部的热能地热来源：外部热源（太阳辐射热，潮汐摩擦热，宇宙能源）内部热源（放射性衰变热，重力分异热，地球转动热）地热资源类型：1、蒸汽型2、热水型3、地压地热型4、干热岩型5、岩浆型地源热泵：以地源能作为冷热源，同时提供冬季采暖、夏季空调和生活热水的系统组成：压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀特点：1、清洁可再生2、经济有效节能3、环境效益显著4、一机多用5、寿命长6、节省空间地热能-电能转换地热发电：利用地下热水和蒸汽为动力源的发电技术（地热蒸汽发电，地下热水发电、地压地热发电、干热岩地热发电）地热蒸汽发电：背压式汽轮机地热发电系统原理：蒸汽井（引出干蒸汽）→净化分离器（净化蒸汽，分离固体杂质）→汽轮机发电机凝汽式汽轮机地热发电系统原理：蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式冷凝器，被循环水泵打入冷却水使蒸汽冷却凝结成水后排走。其中抽气系统的作用是保持冷凝压力低，抽走地热蒸汽带来的不凝结气体和外界漏入气体地下热水