新能源技术概论详解.docx
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新能源技术概论详解
新能源技术概论
一、氢能
1、氢能的优点是什么？
（1）来源广，水是氢取之不尽的重要来源；
（2）燃烧热值高，比几种常见的化石燃料的热值都要高；
（3）清洁，本身无毒无味，燃烧不生成有毒有害及温室效应气体
（4）燃烧稳定性好，容易做到比较完善的燃烧；
（5）存在形式多，氢可以以气态、液态或固态金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
2、天然气制氢包括哪几个过程？
每种过程发生的作用是什么？
甲烷蒸汽重整：
为很多合成反应提供更合理的H2/CO比例。
在氧气中部分氧化生成合成气。
绝热预重整：
绝热预重整主要用于天然气到重石脑油等沸点高于200℃、芳香烃含量高于30%的烃类物质的重整反应，实现原料气的无硫化。
部分氧化：
实现自热反应，无需外界供热而可避免使用耐高温的合金钢管反应器，
采用极其廉价的耐火材料堆砌反应器。
其装置投资明显降低。
④自热重整：
将部分氧化反应放出的热量提供给甲烷蒸汽重整，既可限制反应器内的最高温度，又可降低能耗。
3、甲醇制氢包括哪几个过程？
每种过程发生的作用是什么？
热解或催化裂解：
产物气中氢含量高
蒸汽重整
部分氧化（POX）
④联合蒸汽重整
4、煤制氢包括哪几种方式？
每种方式的机理是什么？
煤地面气化技术：
该过程由两个循环构成。
第一个循环为（H2O-H2-H2O），水与煤反应产生H2和CO2，H2与O2反应生成H2O，并发电。
第二个循环是钙的循环（CaO-CaCO3-CaO），CaO吸收CO2形成CaCO3，提供水与煤反应所需热量，然后CaCO3再生，生成CaO和CO2。
5、水电解制氢的原理
水电解制氢目前主要包括三种方法，分别是碱性水溶液电解、固体聚合物电解质水电解和高温水蒸气电解。
①电解过程和电解定律
碱性水溶液电解制氢主要涉及如下反应：
阳极：
4OH--4e→2H2O+O2
阴极：
2H2O+2e→H2+2OH-
总反应：
2H2O→2H2+O2
高温水蒸汽电解
电极反应过程如下：
阳极：
O2-→1/2O2+2e
阴极：
H2O+2e→H2+O2-
6、法拉第电解定律
第一定律：
电极上析出的物质的量与通过电解质的电量成正比，即
G=KeIt
第二定律：
当一定的电量通过一系列电解质溶液时，电极上析出物质的量同它们的电化当量成正比，即析出1mol的任何物质都需要96,500C电量。
7、光化学系统包括哪几个部分？
（1）光敏化剂PS吸收可见光产生受激的具有氧化还原特性的产物PS*。
（2）化合物R在受激的PS*发生电子转移反应形成电荷对PS+和R-，R被还原。
（3）第三部分化合物能收集电子，并且促进和水的电子交换。
一些特别的氧化还原催化剂Cat可以用来收集和转移电子。
8、半导体光催化满足哪四个条件？
哪些物质适合作光催化催化剂？
（1）禁带宽度应该大于水中氢和氧的化学势之差，即Eg＞EoH2/H2O-E标H2O/O2
（2）光的量子能量应大于禁带宽度，即hv＞Eg
（3）n型半导体的平带电势应比析氢电位更负，而p型半导体则应比析氧电位正。
（4）电子、空穴的费米能级达到析出氢、氧的电化学势级，此条件一般通过外加电压实现。
9、硫化氢分解制氢的原理是什么？
采用溶剂吸附的办法将其分离出来，而后以Clause工艺分解H2S，实现硫的回收并生成蒸汽。
10、列举几种主要的储氢技术
物理储存方法主要包括液氢储存、高压氢气储存、活性炭吸附储存、碳纤维和碳纳米管储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等。
化学储存方法有金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、无机物储存、铁磁性材料储存等。
2、风能
1、风能的理论计算（基本原理）
见P303
2、风机的工作原理
现代风机主要利用空气提升力，其方向与风向垂直，主要装置为风翼或叶片。
3、风机驱动中哪几种力发生作用？
轴向力、径向力、切向力
4、风机的转子工作原理
转子叶片数目与周缘速度间接相关。
叶片数多的风机周缘速度低，但起始扭矩高，当风速提高时完全可以实现水泵的自动启动。
5、风机的发展趋势是什么？
（1）单机容量增大；
（2）风电机桨叶的变化：
桨叶长度增长，最长的叶片超过50m；桨叶叶形的优化设计；桨叶的材料由玻璃纤维增强树脂 —— 强度高质量轻的碳纤维 —— 向柔性发展；（3）塔架高度上升；（4）控制技术的发展（5）海上风力发电。
三、其他能源
1、地热的种类和利用。
（1）水热型：
地球浅处（地下400-4500m），所见到的热水或水热蒸汽。
（2）地压地热能：
在某些大型沉积（或含油气）盆地深处（3-6kg）存在着的高温高压流体，其中含有大量甲烷气体。
（3）干热岩地热能：
特殊地质条件造成高温但少水甚至无水的干热岩体，需用人工注水的办法才能将其热能取出。
（4）岩浆热能：
储存在高温（700-1200℃）熔融岩浆体中的巨大热能。
2、可燃冰的组成和性质。
（1）组成：
其主要成分是甲烷与水分子（CH4·H2O）
（2）性质：
可燃冰是在一定条件下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。
如果不能保持高压、低温的状态，甲烷水合物在运往海面的途中会迅速融化。
3、可燃冰开采有哪几种方法？
钻孔取心技术测井方法化学试剂法④减压法。
4、海洋能的利用包括哪些方面？
（论述题）
（1）潮汐能发电：
与水利发电的原理基本相似，它是利用潮水涨落产生的水位所具有的势能来发电的，也就是利用潮涨潮落的能量变为机械能，在把机械能转化为电能的过程。
（2）波浪能：
将波力转化为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。
（3）温差能：
利用海洋表面的温海水加热沸腾点工质并使之气化，或通过降压使海水气化以驱动汽轮机发电。
（4）盐差能：
利用海水中的盐分浓度和淡水间的化学电势差进行发电。
4、太阳能
1、光伏发电的优缺点。
优点：
①无枯竭危险；②安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；③不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦建设周期短，获取能源花费的时间短。
缺点：
①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。
光伏发电的起源及发展。
2、光生伏打效应
光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
3、太阳能电池的分类
（1）太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
（2）按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形
（3）根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：
硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，
4、概述塔式、槽式、蝶式太阳能热发电系统的优缺点。
塔式效率高，槽式成本低，碟式单机可标准化生产，三种方式各自优势明显，同时缺点也很明显：
塔式一次性投入大，槽式相对塔式和碟式效率较低，碟式单机规模很难做大。
目前来说，塔式和碟式尚处于研究、开发、示范阶段，槽式已经是最成熟的商业化技术。
5、概述大气层对太阳能有哪些削弱作用？
（1）吸收作用
• 太阳辐射穿过大气层的时候，光谱中的短波成分如X射线和γ射线，被电离层吸收；
臭氧层对紫外区域的辐射有选择性吸收的作用；更地层的二氧化碳和水蒸汽等多原子气体，对长波辐射（红外线）具有强吸收作用，长波份额到达地面的很少；大气中的固体灰尘对所以波长的太阳辐射都具有连续性吸收作用。
（2）散射作用
• 大气中的水滴和固体颗粒对太阳辐射中波长大于0.69um的红外区具有连续性的散
射作用，到达地面的辐射能波长主要集中在0.29~2.5um之间。
（3）漫反射作用
• 大气中的固体灰尘对太阳辐射具有漫反射作用。
• 由于大气层对太阳辐射的削弱作用，使太阳辐射衰减，衰减的程度与太阳辐射在大
气中穿行的距离有关，同时也与辐射所穿行的大气特性（清洁程度）有关。
• 一个标准大气质量定义为当太阳在天顶时，太阳辐射到达海平面高度时在大气中穿
行的距离。
6、概述太阳能光伏发电系统设备构成。
（1）离网型太阳能光伏发电系统的组成
主要由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、逆变器等部分组成，可分为直流系统、交流系统和交、直流混合系统
（2）联网型太阳能光伏发电系统的组成
典型的宅联网光伏系统主要由：
太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器3大部分组成。
7、概述平板型太阳能集热器与聚焦型集热器的区别及特点。
（1）平板型太阳能集热器
• 集热器是把一种太阳辐射能转化为集热器内载热介质的热能的换热器。
• 平板型集热器不必跟踪太阳，使用、维护简单方便；投资少；它可以接受直接辐射，
也可以接受漫射辐射。
不过平板型集热器不能提供 高辐射强度，只能提供中、低温栽热介质，主要用于供暖、空调等方面。
（2）聚焦型集热器
• 如果要提高太阳辐射能量密度，需要采用聚焦型集热器。
• 聚焦型集热器可以增大能量密度，从而减小集热器本身的面积，减少散热损失，提
高载热介质的温度。
其缺点是造价高，机构复杂。
• 聚焦型集热器组成：
聚光器、接收器、跟踪系统。
8、简述太阳能热电站的供热系统与热功转换系统的作用。
• 太阳能热电站可以分为供热系统和热功转换系统两个部分：
• 供热部分是太阳能收集、光热转换装置，可以采用各类型的集热器，从技术经济的
角度来看，目前主要采用柱形抛物面集热器。
•热工转换系统与常规火电厂类似，也是以朗肯循环为基础的有再热、回热的蒸汽动
力循环系统。
为了弥补太阳能时间分布的不均匀性，通常需要蓄能装置或者与其他能源联合循环。
9、太阳能热发电系统的主要组成部分太阳能热发电系统的主要组成部分。
聚光集热子系统，蓄热子系统，辅助能源子系统，汽轮机发电子系统。
10、太阳能热气流发电的基本原理。
它是利用地面集热器产生的热空气，从吸风口进入烟囱，形成热气流，驱动安装在烟囱内的风轮带动发电机发电。
11、太阳池热发电的基本原理。
它是利用具有一定浓度梯度的池水作为集热器和蓄热器的一种太阳能利用系统。
12、放电倍率
放电倍率：
是指在规定时间内放完全部容量时，用电池容量的倍数表示的电流值。
如2倍率放电就是放电电流时电池容量的2倍。
5．化学电源
1.化学电源:
是一种将物质的化学能通过电化学氧化还原反应直接转换成电能的装置或系统。
2.化学电源按工作性质分为以下几类：
一次电池、二次电池、燃料电池、储备电池
（1）一次电池：
又称原电池，放电后不能用充电的方法使之复原，因此两电极的活性物质只利用一次。
一次电池的特点是小型、携带方便，但放电电流不大。
常用的原电池如锌锰电池。
（2）二次电池：
又称充电电池或蓄电池，充电后可使之复原。
能多次充放电，循环利用。
常见的蓄电池如铅酸蓄电池。
（3）燃料电池：
又称连续电池，连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电源。
其正负极本身不包含活性物质，将燃料（电极活性物质）输入电池就能长期放电。
例如，氢氧燃料电池。
（4）储备电池：
又称激活电池。
在储存期内电极活性物质和电解质不接触，或电解质处于固态；能储存几年或十几年，使用时借助动力源或水作用于电解质使电池激活。
3.化学电源的基本组成：
正极、负极、电解质、隔膜、外壳（5个基本部件）
（1）正极和负极：
参与电极反应和导电，决定电池的电性能。
（2）电解质：
保证正负极之间离子导电作用，有的参与成流反应或二次反应，有的只起导电作用。
（3）隔膜：
防止正、负极短路，但允许离子顺利通过。
（4）外壳：
起保护作用。
4.电动势：
电池在断路条件下，正负极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。
开路电压：
没有通电时电池的两电极之间的电压，小于电池电动势。
额定电压：
电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。
工作电压（负载电压、放电电压）：
在电池两端接上负载R后，在放电过程中显示出的电压。
内阻：
电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。
容量：
在一定放电条件下，可从电池获得的电量，称为容量。
比容量：
指单位质量或单位体积的电池所能给出的电量。
倍率：
指电池在规定时间内，放出其额定容量时所输出的电流值，数值上为额定容量的倍数,通常以字母C表示。
自放电：
电池在储存一段时间后，容量要发生自动降低的现象。
循环寿命：
电池充电和放电一次称为一个周期或循环。
电池容量降到某一规定值之前，能反复充、放电的次数称为循环寿命。
5.镍氢电池
（1）工作原理：
充电的时候，正极发生Ni（OH）2→NiOOH转变，负极则发生水分解反应，合金表面吸附氢，生成氢化物。
放电过程是上述反应的逆反应，即正极发生NiOOH转变为Ni（OH）2，负极储氢合金脱氢，在表面生成水。
（2）如何避免“过充/放”产生的气体使电池内压升高？
由于储氢合金的催化作用，可以消除正极产生的O2和H2，从而使MH-Ni电池具有耐过充过放电能力。
过充电时：
正极上析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合，还原为H2O和OH-进入电解液，避免电池内压升高。
过放电时：
正极上析出的氢气通过隔膜扩散到负极表面可以被储氢合金迅速吸收，否则，在过放电时，MH电极上会析出氧，使MH合金氧化。
（3）镍氢电池优势：
（a）能量密度高；（b）无镉污染，是绿色电池；（c）可以大电流快速充放电；（d）Ni／MH电池的工作电压也是1.2V，与Ni／Cd电池具有互换性等独特优势。
（4）应用领域：
在小型便携式电子器件中获得了广泛应用，在电动工具、电动车也正在逐步得到应用。
6.锂离子电池
（1）工作原理：
充电时：
锂离子从正极中脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中。
放电时：
锂离子由负极中脱嵌，通过电解质和隔膜，重新嵌入到正极中。
（2）锂离子电池主要正极材料（四种材料特点）：
A.钴酸锂（LiCoO2）：
优点：
可逆性、放电容量、充放电效率、电压的稳定性等.
缺点：
钴为稀有金属,成本高，产地比较集中；存在供给不稳定问题；容易过充
B.镍酸锂（LiNiO2）：
优点：
价格低廉、放电容量高；
缺点：
热稳定性差、放热量大，存在安全问题。
C.锰酸锂（LiMn2O4）：
优点：
和LiCoO2、LiNiO2相比，Li的含量较少，用4.2V充电后，大部分Li脱出，不易发生过充电现象，就可以不用预防措施，降低成本，安全性高，另外，Mn在自然界含量较多，资源丰富、成本低（锰的价格为钴的1/40）。
缺点：
放电容量小，且Mn在电解液中容易溶出，使充放电特性劣化，高温充放电特性不好。
D.磷酸铁锂（LiFePO4）：
优点：
材料具有优秀的循环稳定性;材料具有高的安全特性;原料资源丰富、价格便宜、环境友好的特点，可以满足大规模使用的实用要求。
缺点：
锂离子的扩散系数小，电子导电率低，导致其室温下的循环性能以及高倍充放电性能不是很好
（3）负极材料要求：
A.锂储存量高。
B.锂在碳中的嵌入脱嵌反应快，即锂离子在固相的扩散系数大，在电极－电解液界面的移动阻抗小。
C.锂离子在电极材料中的存在状态稳定。
D.在电池的充放电循环中，碳负极材料体积变化小。
E.电子导电性高。
F.碳材料在电解液中不溶解
（4）锂离子电池优势：
具有比能量高、充放电寿命长、安全可靠、无记忆效应、无污染、可快速充电、内阻小、自放电率低等优点。
（5）应用领域：
锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机、电动自行车、摩托车、电动汽车等等，且越来越多的国家将该电池应用于军事用途。
7.碱性（AFC）燃料电池的特点：
（1）AFC的优点：
①效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高；
②因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；
③因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。
（2）AFC的缺点：
①因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。
②电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。
8、磷酸型（PAFC）燃料电池：
磷酸型燃料电池是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。
9.PAFC的特点
（1）PAFC的优点：
①发电效率在35%-43%之间，热电联供时，总效率为71%-85%；②洁净、对环境污染小，没有（或很小）转动部件，振动和噪声污染也很小；③适应多样燃料。
PAFC电站可使用各种气态或液态燃料，主要是使用天然气或液化天然气，也可以使用液化石油气、煤油、沼气等。
（2）PAFC的缺点：
需要贵重金属铂做催化剂，还需要外部的燃料处理器来重整燃料以提高含氢量，降低了电池的效率并增加了费用。
10.熔融碳酸盐燃料电池MCFC的组成
MCFC主要由燃料电极（阳极）、空气电极（阴极）、熔融碳酸盐电解质及隔板等组成,这些材料好坏直接影响燃料电池的性能。
11、质子交换膜（PEMFC）燃料电池：
（1）定义：
质子交换膜型燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质的一类燃料电池，以铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。
（2）工作原理：
A.吸附于阳极催化剂层中的氢气在铂催化剂的作用下，发生阳极反应H2→2H++2e-，在阳极上产生电子。
B.随后，H+进入质子交换膜，通过质子交换到达电池阴极。
C.吸附于阴极催化剂中的氧气与交换而来的H+在铂催化剂的作用下，发生阴极反应：
1/2O2+2H++2e→H2O，两极间产生电位差，将外电路连接就会形成电流，向外电路输出电能。
12、固体氧化物（SOFC）燃料电池：
（1）优点：
A.单电池可以由传统的陶瓷工艺制成，电解质和电极的厚度可以减小到数微米的程度，缩短了离子和电子在单电池中的传输距离，从而极大地降低了电池中的内耗；
B.全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题
C.工作温度在600-800℃之间，金属可以作为其连接体材料，改善了电池的导电、导热性能，并使得生产成本降低。
（2）缺点：
电解质在高温下才具有良好的电导率，而在高温下SOFC封装困难、稳定性能差、电极和连接材料的腐蚀，影响燃料电池的使用寿命，也使得电池的制作成本与运行成本高。
13、什么是微生物燃料电池？
微生物燃料电池（MFC）是利用微生物的作用进行能量转换，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。
在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。
14、燃料电池优势及应用：
（1）优势：
具有高效率、无污染、功率密度高、启动快、使用寿命长等优点。
（2）应用领域：
在固定电站、电动车、可移动电源等方面都有广阔的应用前景。
15、钒液电池（VRB）工作原理：
全钒液电池将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。
在对电池进行充放电时，电解液通过泵的作用，由外部储液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现电池的充放电。
16、什么是钠硫电池？
钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。
在一定的工作温度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。
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