第五章绿色能源材料

1第二部分环境替代材料第五章绿色能源材料2能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。新能源的发现和先进能源技术的使用推动了人类社会的发展。3人力、畜力、风力和水力人力、畜力、风力和水力热能人力、畜力、风力和水力热能、电力蒸汽机第二次工业革命电子技术能源的发展很多问题：矿物燃料的枯竭、环境污染等第一次工业革命4问题阻碍了人类社会的发展资源与能源最充分利用技术、环境最小负担技术（绿色能源和绿色能源材料）51.能源需求的持续增长1966~1973年1973~1979年1979~1985年1985~1990年世界平均(%)5.12.70.92.2发达国家(%)4.92.00.11.3发展中国家(%)6.36.04.05.0中国5.46.73.44.6其他发展中国家6.85.54.35.2世界能源消费的增长率波动较大，但总的趋势是增长！表1世界一次能源消费的增长率62.能源结构的变化表2世界一次商品的能源构成1950年1960年1970年1980年1990年一次能源供应(×108吨标油)17.528.948.562.780.3煤(%)57.546.030.528.327.3油(%)31.037.848.748.638.6天然气(%)9.714.218.619.921.6水力(%)1.62.02.12.36.7核能(%)0-0.10.95.8从70年代开始，原油已代替原煤在能源消费中占首位，天然气的消耗比例也在增加；新能源的比例增加也非常迅速！73.矿物资源面临的枯竭表31990~2020年矿物能源预测单位：亿吨标油石油天然气煤合计探明储量(1991年底)1350114052007700估计增加储量65010602880030500合计资源量200022003400038200累计需求量(1990~2020年)10006808502530能源供给量与需求关系形势严峻！84.矿物燃料燃烧造成的污染SO2、CO2、CO、NOx、三四苯并芘、烟尘等。9主要内容5.1绿色能源与材料5.2太阳能电池材料5.4生物质能源材料5.3热电材料105.1绿色能源与材料1.绿色能源和绿色能源材料绿色能源是指洁净的能源，如太阳能、风能、水能以及废热、垃圾发电能源。绿色能源材料包括直接或间接产生能源或改变能源状态的各种材料。如新型的二次电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、热电材料、生物质能源材料、相变蓄热材料、储氢材料等。112.绿色能源材料的作用绿色能源材料把原来习用已久的能源变成新能源；一些绿色能源材料可以提高储能和能量转换效果；绿色能源材料决定着核反应堆的性能与安全性；材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着绿色能源的投资与运行成本。123.绿色能源材料的任务和面临的课题研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率；资源的合理利用；安全与环境保护；材料规模生产的制作与加工工艺；延长材料的使用寿命。135.2太阳能电池材料14一、太阳能太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源；不会产生有害废渣和气体，不会污染环境；没有地域和资源限制，有阳光的地方，到处可以利用，使用方便安全。地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一15二、太阳能电池16世界太阳能电池发展的主要节点年份重要节点1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％1955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池1958太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。1959第一个单晶硅太阳能电池问世。1960太阳能电池首次实现并网运行。1974突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。1975非晶硅及带硅太阳能电池问世1978美国建成100KW光伏电站1980单晶硅太阳能电池效率达到20％，多晶硅为14.5％，GaAs为22.5％1986美国建成6.5KW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划日本提出“新阳光计划”171.意义太阳能电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电能，是对环境无污染的可再生能源。开发宇宙空间所需的连续不断的能源；解决目前化石能源的环境污染问题；为日益发展的消费电子产品随时随地的供电。182.工作原理光伏效应(PhotovoltaicEffect,PV)193.太阳能电池的分类1、硅系太阳能电池2、多元化合物薄膜太阳能电池3、聚合物多层修饰电极型电池4、纳米晶化学太阳能电池据所用材料分砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池204.太阳能电池的发展自20世纪70年代以来，太阳电池的全球平均年增长率达30%以上。(1)2006年太阳级硅锭产量约3700吨，2007年预计可达6000吨。(2)2006年我国太阳电池产量已达到370MW超过美国(202MW)，成为继日本、欧洲之后的第三大太阳电池生产国，2007年预计达到800MW。(3)2006年光伏组件产量为600MW，2007年预计1GW。(4)设备制造和专用材料生产正处在快速国产化过程中，一些设备甚至开始出口，如单晶炉、扩散炉和组件制造设备等；技术难度较大的设备如线锯等已经有样机。(5)我国已经有10家光伏公司在国外上市，形成了一个国际化的光伏产业群体，其中包括了无锡尚德（迅速做大的第一个典型）、新余LDK（06年5月投产，当年即成为亚州第一，07年6月在纽交所上市，07年8月18日投资亿的吨多晶硅项目开工）这样的优质企业。21三、太阳能电池材料1.太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带不能太宽：1.1eV到1.7eV之间要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定硅的禁带宽度为1.12eV，是地球上蕴含量第二丰富的元素，硅本身无毒性，它的氧化物稳定，硅太阳能电池是最有发展前景。222.主要的太阳能材料材料禁带宽度(eV)禁带性质迁移率(cm2/(Vs))晶系晶格常数(nm)实用状况电子空穴晶体Si1.12间接1500450立方a=0.543制作的电池占市场份额的70%-80%非晶Si1.5-2.0~10.1制作的电池占市场份额的10%-20%Ge0.66间接39001900立方a=0.5646用作空间电池的衬底GaAs1.424直接8500400立方a=0.5653已开始用于空间太阳电池InP1.35直接4600150立方a=0.5869耐辐射性能优异，处于研究开发阶段AlSb1.6间接900400立方a=0.37禁带宽度适合太阳电池，但因材料腐蚀，未获应用CdS2.42直接340-立方a=0.4136c=0.6176构成薄膜电池一极Cu2S1.2间接-30立方a=1.188c=1.349与CdS构成的太阳电池因出现衰退现象，已淘汰CdTe1.44直接70065立方a=0.6477独自制作薄膜电池或与CdS结合，构成的太阳电池已商品化CuInSe21.04间接30020立方a=0.5782c=1.162与CdS构成的太阳电池正进入商品化表4太阳电池的材料在各种类型的太阳电池中，晶体硅太阳电池由于其转换效率高，技术成熟而继续保持领先地位，占据了90%以上的份额，预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。23硅太阳能电池的材料分配单晶硅35.17%铸造多晶硅47.54%非晶硅8.30%直拉硅上非晶硅4.63%带硅3.50%其他材料0.86%243.多晶硅(1)多晶硅制备技术目前国际上多晶硅生产的在线制备技术主要有两种：1）改良西门子法2）硅烷法另有两种尚未正式用于生产线的技术为：1）流化床法2）冶金法它们均有可能在5-10年内发展成为正式的生产线技术251)改良西门子法工艺流程原理以三氯氢硅为原料，通过分馏分离杂质，然后用氢还原在加热到高温的管上收集生成的多晶硅Si+3HCl===SiHCl3+H2SiHCl3+H2===Si+3HCl2(SiHCl3)===Si+HCl+SCl426改良西门子法生产线的改进①通过三次更新换代，实现了物料的闭路循环；②集成了自动控制、热能工程、防腐蚀、防泄漏、副产品开发利用等多项跨领域的技术；③建立了现代化的生产线27优点1）能够保质保量大批生产，占世界产量的76%；2）通过研究改进，还有进一步提高还原反应转化率的潜力；3）通过研究改进，还有进一步降低能耗、成本和固定资产投资额度的潜力；28问题和不足处1）三氯氢硅还原反应的转化率低;2）除瓦克公司外，都仍在采用固态床；3）必需先停下还原炉，然后才能够取出多晶硅产物，尚未达到完全自动化的连续生产;4）能耗高；5）生产成本高；6）投资门槛高；7）建设周期长；8）资金回收慢292)硅烷法Mg2Si+4NH4Cl===2MgCl2+4NH3+SiH4SH4===Si+2H23)四氯化硅氢还原法Si+2Cl2===SiCl4SiCl4+2H2===Si+4HCl30313233345.3生物质能源材料生物质(biomass)主要是指可再生或循环的有机物质(organicmatterthatisavailableonarenewableorrecurringbasis)，包括农作物、树木和其他植物及其残体(residuces)，尤其是非食物用木质纤维素类物质(non-food-plant)。生物质能源材料包括农作物秸秆、林业废弃物、畜禽粪便及其他有机物废弃物、利用边缘土地和水面种植和养殖非食用性动植物和藻类，以及考虑到消化过剩农产品的需要也涵盖了农产品的淀粉和脂肪酸。355.3生物质能源材料一、燃料乙醇以玉米、小麦、薯类、糖蜜或植物等为原料，经发酵、蒸馏而制成。环保型的可再生能源燃料乙醇产业可解决陈化粮问题，增加农民收入。361.燃料乙醇的特性燃料乙醇的性质和汽油类似！表4几种代用燃料的物化特性柴油甲醇乙醇汽油分子式-CH3-OHCH3-CH2-OH低热值(MJ/kg)42.519.525.044.2密度(g/ml)0.840.790.810.74十六烷值40-5558-自燃温度(℃)250450420~468辛烷值-11110892当量空燃比14.66.59.014.8沸点(℃)180-370657830-190粘度(Pa·S,20℃)2-40.6-~0.43蒸发值2501110904420燃烧极限(在空气中的%值)0.6-6.55.5-253.5-15-5.3生物质能源材料375.3生物质能源材料乙醇不单是一种优良燃料，而且是一种优良的燃油品质改善剂第一，燃料乙醇具有自供氧性，可以增加汽油的含氧量，使汽油燃烧更充分；使用含有10%燃料乙醇的车用乙醇汽油，可以减少汽车尾气CO排放量30%以上、CH排放量10%，使汽车尾气中氮氧化物、酮类等污染物浓度明显降低，达到节能和环保目的。第二，乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般都在120左右，作为汽油的高辛烷值组分，它可有效提高汽油的抗爆性(辛烷值)。第三，在新标准汽油中，乙醇还可以经济有效地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂的改造费用。第四，乙醇是太阳能的一种表现形式，在整个自然界这个大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和洁净的闭路循环过程，永恒再生永不枯竭。385.3生物质能源材料2.燃料乙醇的制备技术395.3生物质能源材料3.燃料乙醇产业的发展70年代的石油危机催生巴西燃料乙醇产业05年美国燃料乙醇产量比01年翻番巴西04年产量达1272万吨欧盟、日本等国加大扶持力度国际燃料乙醇产业发展加速405.3生物质能源材料中国已成为世界第三