能量转换材料与器件要点.docx
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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
地下热水发电：
闪蒸地热发电系统：
原理：
直接利用地下热水所产生的蒸汽进入汽轮机工作
双循环地热发电系统
原理：
利用地下热水来加热某种低沸点介质（地热流体，低沸点介质），使其产生蒸汽进入汽轮机工作
地压地热发电系统
原理：
1、热水在高压和地压分离器中分离天然气2、高压地热水通过水力涡轮发电机组利用其势能发电，然后高温地热水在一个双介质循环中再利用其势能发电
干热岩地热发电系统
原理：
利用深井将高压水注入深层地下岩层并吸收地热能量，再通过另一个深井将注入的高温水回收利用发电
Cap5氢能
氢能：
氢原子在高温高压下聚变成一个氦原子所产生的能量，燃烧氢所以获得能量
5大工业制法：
1、电解食盐水的副产氢（氯碱工业的副产物，产量第二）
阴极：
4e+4H2O→2H2+4OH-
阳极：
4OH-→O2+H2O+4e
总反应：
2NaCl+2H2O→电解→2NaOH+Cl2↑+H2↑
2、由石油热解的混合气和天然气制氢（长链的烃断裂成短链的烃产生氢气，产量第一）
3、电解水制氢（铁阴镍阳，电解KOH、NaOH溶液，纯度大，成本高）
2H2O→2H2+O2
4、水煤气法制氢（无烟煤或焦炭与高温水蒸气反应，生成水煤气，净化后得到氢气，产量大，成本低）
C+H2O→CO+H2（净化过程CO+H2O→CO2+H2O，CO2通过水去除，残余CO通过含氨乙酸亚铜溶液去除）
5、焦炉煤气冷冻制氢（炼焦用煤在炼焦炉中高温干馏→焦炭+焦油+可燃性混合气体→冷冻加压液化）
新方法：
太阳能制氢
生物质制氢
醇类氧化重整制氢
氢的纯化：
利用各种分离净化方法将经过催化变换制得的合成气中的氢气分离出来的过程
方法：
1、变压吸附法（PSA）
在常温和不同压力下，利用吸附剂对氢气中杂质组分的吸附量的不同而加以分离的方法
2、钯合金薄膜扩散法
根据氢气在通过钯合金薄膜时进行选择性扩散而纯化氢的一种方法
3、金属氢化物分离法
当氢与金属直接化合时，生成金属氢化物，当加热和降低压力时，金属氢化物发生分解，生成金属和氢气，从而达到纯化分离
4、聚合物薄膜扩散法
利用差分扩散速率原理，混合气体通过渗透薄膜的速率不同从而纯化氢的方法
5、低温分离法
在低温条件下，使气体混合物中的部分气体冷凝从而分离
Cap6风能
风的起源：
海陆风，山谷风
优点：
1、、总量大2、可再生3、分布广4、无污染
缺点：
1、密度低2、不稳定3、地区差异大
计算气流的动能：
E＝0.5ρSv3
基本原理：
风轮：
从风中捕获动能并转化为旋转的机械能
发电机：
通过电磁感应把旋转的机械能转化为电能
风机的类型：
1、机组容量：
大型，中型，小型
2、机组运行方式：
离网型，并网型
3、风轮轴线位置：
垂直轴，水平轴
4、叶片数量：
单叶片、双叶片、三叶片
5、功率调节方式：
定桨距、变桨距调节、主动失速调节
6、传动形式：
高传动比齿轮箱、直接驱动、中传动比齿轮箱叶片：
根部、外壳、加强筋
叶片要求：
1、耐候性2、强度高3、弹性，运动特性4、耐腐蚀5、原料易得，成本低，工艺简单
基体材料：
聚酯树脂，乙烯基树脂，环氧树脂
增强材料：
玻璃纤维，碳纤维（增强强度和刚度，避免雷击）
夹层材料：
聚氯乙烯泡沫，热塑性聚乙烯泡沫，轻木（增强结构刚度，抗载荷能力）
胶粘剂：
粘结芯材和壳体，填实壳体缝隙
生产问题：
1、大模具（复合材料模具）
2、长途运输问题（组合模具，组合叶片，分拆）
3、叶片固化问题（室内固化→室外固化→模具内固化）
新型风能发电机
风筝电站
多转子涡轮
磁悬浮垂直轴风力发电机组
Cap7海洋能
海洋能：
指海水中以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流形式存在的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存、散发这些能量
分类：
潮汐能，海流能，波浪能，海水温差能，海水盐差能
潮汐能发电
潮汐能：
指海水潮涨潮落形成的水的势能，是以位能形态出现的海洋能
原理：
利用海水涨落造成的水位差推动水轮机，从而由水轮机带动发电机发电
分类：
单库单向，单库双向，双库单向，发电结合抽水蓄能
组成：
拦水堤坝、水闸、发电厂、船闸
发电机种类：
竖轴、卧轴、贯流
波浪能发电
波浪能：
海洋表面波浪所具有的动能和势能
波浪种类：
风浪，涌浪，近岸浪
波浪能三种利用原理：
1、利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动
2、利用波浪的压力变化
3、利用波浪的沿岸爬升将波浪能转化为水的势能
组成：
波浪能采集系统（机械传动、空气涡轮、液压、蓄能水库）、机械能转换系统，发电系统
四种能量转换装置：
机械传动、空气涡轮、液压、蓄能水库
分类：
振荡水柱式、点头鸭式、海蛇式、摆式、收缩波道式、振荡浮子式、整流器式
海流能发电
海流能：
指海底水道和海峡中稳定的流动，潮汐导致有规律的流动，海水环流的海水所具有的动能
原理：
依靠海流的冲击力使水轮机的螺旋桨旋转带动发电机发电
分类：
按发电装置：
叶轮式，降落伞式，磁流式
按涡轮机结构：
水平轴，垂直轴
按发电装置的放置：
漂浮式、固定式、半固定式、机动式
海洋温差能发电
海洋温差能：
指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能
原理：
借助一种工作介质，使表层海水中的热能向深层冷水中转移，从而做功发电
组成：
蒸发器，汽轮发电机，冷凝器，工质泵，冷、温海水泵
类型：
开放式，封闭式，混合式
海洋盐差能发电
海洋盐差能：
指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，是一种化学能形态的海洋能
扩散现象：
离子扩散、溶剂扩散
原理：
将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转化为水的势能
分类：
渗透压式，蒸汽压式、机械化学式、反电渗析电池法
Cap8核能
核能：
指原子核在发生聚变或裂变时释放出的能量
裂变（原子弹）：
质量较大的原子核在中子的轰击下分裂成两个质量相近的新核，并释放出能量
链式反应：
原子核在中子的轰击下分裂产生新核的同时也产生中子，这些新产生的中子又可以轰击其他原子核，于是裂变反应便锁链式的持续下去
聚变（氢弹）：
两个质量较小的原子核在高温高压下聚合成质量较大的新核，并释放出能量
核能应用的基础：
质能转换公式（E=mc2）
核反应：
升高温度，高能粒子的轰击
分类：
按新粒子：
1、核散射2、核转变
按入射粒子：
1、中子核反应2、带电粒子核反应3、光核反应
按入射粒子能量：
1、低能2、中能3、高能
按靶核质量：
1、轻核2、中等核3、重核
有效增殖系数
k=新一代中子数÷上一代中子数=中子产生率÷中子消失率
k=1：
临界状态
k＞1：
超临界态
k＜1：
次临界态
常用燃料：
铀233、铀235、钚239
分类：
金属燃料，陶瓷燃料，流体燃料，弥散体燃料
核反应堆
分类：
压水式、沸水式、重水压水式、压力管式
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