第七章新能源材料1.ppt

1、第七章 新能源材料v概述v新型二次电池材料v燃料电池材料能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换经转换或提炼或提炼）可再生能源非再生能源风能，水能，太阳能，地热，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然气）铀电能，氢能，汽油，柴油等能源按被利用的程度分：，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；，如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。按获得的方法分，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。按能否再生分，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能

2、、风能、潮汐能、太阳能等；，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。按对环境的污染分，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。1.人类社会对能源的需求。能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。7.1 概述表1 世界一次能源消费的增长率2.能源结构发生变化。表2 世界一次商品能源构成世界能源消费结构的特点v半个世纪来，世界煤炭消费比例一直呈下降的趋势，70年代起石油已在世界能源消费中占第一位。v水能和核能的利用，主要表现在水电及核电的比例上。电能是现代化所必须的高级二次能源。煤煤碳碳（G

3、T）石石油油（GT）天天然然气气（TM3）世世界界总总计计1043.86世界总计137.3世界总计14.11前苏联241.01沙特25.71前苏联5.62美国240.562伊拉克13.42伊朗2.13中中国国114.53科威特13.33卡塔尔0.714澳大利亚90.944阿联酋12.74阿联酋0.535德国60.075伊朗12.25沙特0.536印度69.596委内瑞拉9.36美国0.467南非55.337前苏联7.87委内瑞拉0.388波兰42.18墨西哥7.38阿尔及利亚0.369美国3.89尼日利亚0.3410中中国国3.310伊拉克0.3111中中国国0.1719941994年年3.矿

4、物能源面临枯竭 世界化石燃料探明可采储量 化石燃料消耗远景预测4.矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO、烟尘）世界CO2排放量随时间的变化世界十大严重污染城市中国占：个7!因二氧化硫排放每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元)占全国排放比例占全国排放比例：燃煤污染物燃煤污染物SO285%CO2 85%NOx60%粉尘粉尘70%温室效应最近几十年来，地球日益变暖。地球为什么会变暖这是由于人类大量使用能源而放出的热量使地球变暖的吗地球变暖的原因到底是什么？人类使用能源一天所放出的热量 ；地球一天从太阳获得的热量 .地球变暖的原因到底是什么？太阳射向地球的光约被云层、冰

5、粒和空气分子反射回去；约穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，但以后又返回到太空；其余的大约则被地球表面吸收。这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新发射到天空。地球变暖的原因到底是什么？如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，地球表面的温度就会增加。单原子气体和空气、氢气、氧气、氮气等分子结构对称的双原子气体实际上并无发射和吸收辐射能的能力。它们可以看作是热辐射的透明体。二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫、甲烷、氟利昂（制冷剂）等三原子和多原子气体则有相当的辐射和吸收能力。上述气体的辐射和吸收具有明显的选择性，即它们对某些波长段有吸收和辐射能力，对该波长段以外的则不吸收。图1 某些气体的吸收

6、波段气体对包括太阳的各种热辐射的特性太阳表面温度约为，辐射的最强波段为可见光部分，地球表面温度为，地表辐射波段为红外部分。从太阳发射出来的可见光（短波辐射）被地球吸收并变成低温后，向宇宙空间发射的是长波的红外线。CO2不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地球变暖。象CO2这类会使地球变暖的气体就称为温室气体（包括水蒸汽、SO2、甲烷、氟利昂等）。温室效应 主要温室气体含量与来源结论 由于人类使用化石 燃料，其排放出的等 温室气体对辐射的选择 性和吸收特性是使地球 变暖的主要原因。5.能源应用形态有所改变。从能源的应用形态看，小型分立的可移动电源的

7、需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔记本计算机、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此，促进了高容量二次电池的发展。我国能源工业的突出问题v人均能源拥有量低、储备量低；v能源生产和消费结构依然以煤为主；v能源利用效率低；v环境污染严重解决我国能源问题的措施1、积极开发利用新能源积极开发利用新能源；2、提高能源利用率；3、努力改善能源结构；4、加速实施洁净煤技术；5、合理利用石油和天然气；新能源：太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能氢能。新能源的开发一方面靠利用新的

8、原理来发展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。(7)新材料的几个作用：新材料把原来习用已久的能源变为新能源。如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。高温。一些新材料可提高储能和能力转化效果 如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定

9、着核反应堆的性能与安全性。材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。如：太阳电池材料决定着光电转换效率；太阳电池材料决定着光电转换效率；燃料电池的电极材料决定着电池的质量和燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命；寿命；材料的制备工艺又决定着能源的成本。材料的制备工艺又决定着能源的成本。7.2 新型二次电池新型二次电池 其中铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的二次电池，但是比能量都很低；另外，铅和镉都是有毒金属，对环境的污染问题严重。新型的二次电池性能优良，可循环使用，对环境的污染较小，避免了上述弊病。因此，发展高比能量、无污染的新型二次电池受到科技界和产业界的重视。Ni/Cd、N

10、i/MH、LIB电池的主要性能对比新型二次电池发展的新型二次电池发展的推动力推动力：v天然能源（石油、煤）在不断消耗，终将枯竭，寻求新能源的呼声愈来愈高。v环境保护的呼声愈来愈高。（无毒、无污染）v信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长的服务时间和工作寿命。v航天领域和现代化武器对轻质高能二次电池的需求非常迫切。新型二次电池的研究重点：1）储氢材料及金属氢化物镍电池；2)锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；3)聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。7.2.2 NiMH二次电池二次电池产生：20世纪60年代末，储氢合金的发现。储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。1974年开始储氢合

11、金作为二次电池的负极材料的研究。1984年解决了合金冲放电过程中容量衰减迅速的问题。1987年试生产。1）工作原理）工作原理从图可以看出：v利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应；v正电极采用氧化镍物质，负电极采用吸收氢的合金；v电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。KOH电解质不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电极反应。2）电极材料电极材料v正极材料球形Ni(OH)2 正极材料 Ni(OH)2是涂覆式NiMH电池正极使用的活性物质。电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2，Ni3+还原成Ni2+。v 负极材料储氢合金(MH)用于N

12、iMH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件：(a)电化学储氢容量高；(b)在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；(c)反复充放电过程中合金不易粉化；(d)合金应有良好的电和热的传导性；(e)原材料成本低廉。3）结构）结构 圆柱形NiMH电池的结构示意NiMH电池典型的温度曲线4 4）发展优势发展优势 (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)NiMH电池的工作电压也是1.2V，与NiCd电池具 有互换性等独特优势。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。氢能开发，大势所趋氢能开发，大势所趋X氢是自然界中最普遍的元

13、素，资源无穷无尽不存在枯竭问题X氢的热值高，燃烧产物是水零排放，无污染，可循环利用X氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电X氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物实现氢能经济的关键技术v廉价而又高效的制氢技术v安全高效的储氢技术开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急v车用氢气存储系统目标：IEA:质量储氢容量5%;体积容量50kg(H2)/m3DOE:6.5%,62kg(H2)/m3不同储氢方式的比较气态储氢：1)能量密度低2)不太安全液化储氢：1)能耗高2)对储罐绝热性能要求高不同储氢方式的比较固态储氢的优势：1)体积储氢容量高2)无需高压及隔热容器3)安全性好，无爆炸危险4)可得到

14、高纯氢，提高氢的附加值体积比较体积比较2.2 氢含量比较氢含量比较0123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity(wt%)LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg2NiH4 Hydrogen storage capacity(wt%)per weight储氢材料技术现状v3.1 金属氢化物v3.2 配位氢化物v3.3 纳米材料金属氢化物储氢特点v反应可逆v氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠v较高的储氢体积密度Abs.Des.M+x/2H2MHx+H Positio

15、n for H occupied at HSM Hydrogen on Tetrahedral Sites Hydrogen on Octahedral Sites3.1 金属氢化物储氢目前研制成功的：稀土镧镍系钛铁系镁系钛/锆系稀土镧镍系储氢合金稀土镧镍系储氢合金v 典型代表：LaNi5,荷兰Philips实验室首先研制v 特点：活化容易平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小抗杂质气体中毒性能好 适合室温操作v 经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池钛铁系典型代表：TiFe，美Brookhaven国

16、家实验室首先发明价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理TiFe alloyCharacteristics:v two hydride phases;v phase(TiFeH1.04)&phase(TiFeH1.95)v 2.13TiFeH0.10+1/2H2 2.13TiFeH1.04v 2.20TiFeH1.04+1/2H2 2.20TiFeH1.95 镁系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道储氢容量高资源丰富价格低廉放氢温度高（250300）放氢动力学性能较差改进方法：机械合金化加TiFe和CaCu5球磨，或

17、复合钛/锆系v具有Laves相结构的金属间化合物v原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附vTiMn1.5H2.5 日本松下（1.8）vTi0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4v活性好v用于：氢汽车储氢、电池负极Ovinic 配位氢化物储氢v碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca）与第三主族元素(B、Al)形成v储氢容量高 v再氢化难(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180，8MPa氢压下获得5的可逆储放氢容量)纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片纳米碳管电化学储氢氢能离我们还有多远？E氢能作为最清

18、洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究E氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进E氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存E液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车安全性和成本E大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢、位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,E碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号氢能之路前途光明，道路曲折！7.2.3 锂离子二次电池锂离子二次电池 由于其工作电压与重量能量密度优于常用的镍镉电池(Ni/Cd)与Ni/MH电池，又无记忆效应及环保问题(锂离子电池的金属含量最低)

19、，因此成为目前商业开发二次电池的主流；还以其薄形化及形状有高度的可塑性等特点，因此符合电子产品轻、薄、短、小的要求，所以备受各国科学家及电池业的重视，发展极快。锂离子电池被人们称为“绿色环保能源”和“跨世纪的能源革命”。锂离子电池是照相机、电子手表、计算器、各种具有储存功能的电子器件或装置的理想电源。(1)工作原理工作原理 正极反应 LiCoO2CoO2+Li+e负极反应 Li+e+C6LiC6电池反应 LiCoO2+C6CoO2+LiC6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。锂电池的正负极反应是一种典型的嵌

20、入反应，因此锂电池又称为摇椅电池，意指电池工作时锂离子在正负极之间可以摇来摇去。由于锂离子在正、负极中有相对固定的空间和位置，因此电池充放电反应的可逆性很好，从而保证可电池的长循环寿命和工作的安全性。负极材料v碳石墨材料石墨、焦炭、炭纤维、MCMBv金属氧化物氧化锡、氧化亚锡v纳米金属及金属间化合物Si,Sn Al,In,Zn,Ge石墨类炭材料具有以下嵌锂特性：1）嵌锂容量高，其锂论容量为372mAh/g。2）嵌锂电位低且平坦，为锂离子电池提供高而平稳的 工作电压。3）容量受溶剂的影响程度较大，与有机溶剂的相容能力差。目 前 用 石 墨 作 炭 负 极 的 生 产 制 造 商 主 要 有Pan

21、asonic（松下），Sanyo（三洋），Varta（瓦尔塔）等公司。金属氧化物金属氧化物 锡的氧化物包括氧化亚锡、氧化锡及其混合物都具有一定的可逆储锂能力,可达500mAh/g以上,但首次不可逆容量大,循环衰减快。通过改进制备工艺条件以及通过向锡的氧化物中掺入B、P、Al及金属元素的方法可使不可逆容量和循环性能得到改善,但仍有待进一步改进和提高。纳米金属及金属间化合物纳米金属及金属间化合物 合金类负极材料一般高的比容量，典型的如Si、Sn、Al、In、Zn、Ge等，其中金属锡的理论比容量为990mAh/g，硅为4200mAh/g，远高于碳石墨的372 mAh/g。但锂反复的嵌入脱出导致合金类

22、电极在充放电过程中体积变化较大,逐渐粉化失效，因而循环性能很差。正极材料层状结构的LiCoO2 具有层状结构的LiCoO2，由于其合成工艺简单，电化学性质稳定等优势，所以率先进入市场，并在目前的锂离子二次电池市场中占据主导地位。LiCoO2二维层状结构属于a-NaFeO2型，适合于锂离子嵌入和脱嵌。LiMO2层状结构锂离子电池正极材料性能比较 7.3 燃料电池燃料电池 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。优点：不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；排放出的有害气体(SOx，NOx)极少；无噪声污染。由此可见，从节约能

23、源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是 最有发展前途的发电技术，可用于发电、热电联供、交通、空间宇航等领域。燃料电池发展：燃料电池发展：v碱式燃料电池（AFC)v磷酸型燃料电池(PAFC)v熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)v固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)7.3.1 固体氧化物燃料电池 v具有一般燃料电池高效与环境友好的优点；v 无电解液腐蚀和流失问题；v无需采用贵金属电极，成本大大降低v 能量综合利用效率高v燃料适用范围广7.3.2.工作原理O2+4e 2O2-2O2-+2H2-4e 2H2O 4O2-+CH4-8e 2H2O+CO2 电池的总反应是:2H2+O2 2H2O

24、CH4+2O2 2H2O+CO2 7.3.3 电池材料 SOFC组成部分：v阴极材料v阳极材料v固体电解质v连接材料7.3.4 发展趋势发展趋势 SOFC在高温下工作使得材料选用大大受限，同时，高温下电极与固体电解质反应而使电池性能显著下降以及一系列难于解决的工程问题等。虽经多年努力，仍未实现实用化。若能将电池温度降低到约700（600800），不仅能提高电极的稳定性，选用较廉价的材料（如以不锈钢做连接体材料、Ag等金属做电极材料），降低电池对材料的依赖及成本,减小热应力，提高电池的稳定性，延长电池寿命，更重要的是有利于SOFC的规模化和民用化。7.3.5 燃料电池的应用前景燃料电池的应用前景

25、 以目前容量最大的燃料电池发电厂为例，当使用天然气为燃料时，不但只排出极其微量的氮化物及二氧化硫，而且其转换效率可达40以上。若再配合热电联供技术，利用所回收的废热，则效率可超过80，且发电厂的噪声低于55dB。燃料电池不但可以给人类一个更美好的生态环境，还能解决输送电能带来的高成本问题。1990年，美国清洁空气法首次提出电动汽车概念，这种汽车用电池驱动，燃料电池将最终成为电动汽车的动力源。2002.12.4 日本首台燃料电池汽车上市。将氢气填充在车内配置的高压罐内，充满1次即可行驶大约300公里，最高时速可达155公里。克莱斯勒“新电力车4代”的概念车可乘坐5个人，装足燃料后可行驶450公里

26、，最高时速达每小时145公里。这一技术突破的重要性类似于计算机技术中的微芯片取代晶体管。但汽车制造商要使燃料电池汽车实现商业化还需克服许多障碍，如燃料电池的成本太高，其作动力的汽车重量太重等等。按照目前的技术，光是燃料电池设备的制造成本就达3万美元，是汽油引擎成本的10倍之多。而“新电力车4代”的重量比同样大小的使用汽油引擎的汽车多500公斤。美国通用汽车展示了新型燃料电池车“Hydrogen3”燃料电池收藏于发动机室 燃料电池在舰艇上的应用 v燃料电池用作舰载电池，用多个燃料电池分别为不同的舰载系统供电，避免一旦集中式供电系统受损全舰都无法工作。它的特点是标准化、低噪音、无振动，而且操作简单

27、、易维护，可以减少舰上人员。潜艇采用燃料电池AIP（Air Independent Propulsion）系统后，其红外特征很小红外特征很小，向海水辐射的能量很少；基本基本不向艇外排放废物不向艇外排放废物；能够进行超安静运行能够进行超安静运行，这些特性使得使得潜艇的隐蔽性大大提高潜艇的隐蔽性大大提高，具有极强的“隐形”作战能力。AIP重量轻、体积小、功率密度高的优点可扩大仓容，扩大仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。它的低噪声、无污染的优点增强潜艇的灵活性和战斗力。它的低噪声、无污染的优点能改善艇员生活条件。能改善艇员生活条件。AIP系统对提高潜艇的隐蔽性和作战灵活性具有重要的军事意义。日本芯片和

28、电脑制造巨头NEC公司宣布，已开发出一种小型燃料电池，能大幅度延长电池寿命。能使笔记本电脑连续运行40小时，比一般锂电池寿命高10倍。NEC打算2004年在市场测试一次使用时间5小时的内置式笔记本电脑燃料电池。燃料电池与常规电池不同，无须充电，但需要充氢来保持正常运行。新型燃料电池能使笔记本电脑连续运行40小时，比一般锂电池寿命高10倍。燃料电池与常规电池不同，无须充电，但需要充氢来保持正常运行。燃料电池用于笔记本电脑7.4 7.4 太阳能的利用太阳能的利用v太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术

29、与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用-光热利用、光电利用和光化学利用。太阳能传输 v太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。太阳能直接传输v直接传输适用于较短距离，基本上有三种方法：v通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；v通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；v采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。太阳能间接传输v间接传输适用于各种不同距离。v将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；v

30、将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；v空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。光电转换利用太阳能光电转换利用太阳能 v即通过半导体材料直接将太阳辐射能转变为电能(直流电)。v目前太阳能电池的种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等电池。v电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。光化学转换利用太阳能光化学转换利用太阳能 v通过光解或电解作用的热化学方法制造氢气，是对未来能源发展具有战略意义的一个途径。v意大利和瑞士发明了一种有效地利用太阳能分解水中氢气的方法，从生态角度上看，氢气一直被认为是理想的燃料

31、，因为氢不产生有害废弃物，它燃烧后的唯一副产品是水，所以氢是一种清洁的燃料。太阳能光利用v利用太阳光发电是人类梦寐以求的愿望。从二十世纪五十年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。由于太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。v太阳能光利用最成功的是用光电转换原理制成的太阳能电池（又称光电池）。太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。太阳能电池v最早问世的太阳能电池是单晶硅太阳能电池。硅是地球上极丰富的一种元素，几

32、乎遍地都有硅的存在，可说是取之不尽。用硅来制造太阳能电池，原料可谓不缺。目前已进行研究和试制的太阳能电池，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳能电池。太阳能电池发电原理 v常用太阳能电池按其材料可以分为：晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。晶体硅电池应用最广，其中单晶硅的光电转换效率实验室已高达24.2%，工厂规模化生产的单晶硅电池其效率也在12%以上。P型单晶硅太阳能电池结构 太阳能电池发电原理v当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形

33、成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。太阳能电池发电原理薄如纸片的太阳能电池单晶硅太阳能电池生产过程太阳能电池v由于各种不同材料制成的太阳能电池所吸收的太阳光谱是不同的，因此将不同材料的电池串联起来，就可以充分利用太阳光谱的能量，大大提高太阳能电池的效率，因此叠层串联电池的研究已引起世界各国的重视，成为最有前途的太阳能电池。太阳能电池v太阳能电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车，太阳能

34、游艇，太阳能自行车，太阳能飞机都相继问世，它们中有的已进入市场。然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。太阳能空间电站v随着地球上石油、煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，人类把目光投向太空，预计到下个世纪初将建成空间电站，以解决日益紧张的能源问题。v空间电站实际上是利用太阳能发电的卫星，这些卫星表面覆盖有太阳能电池板，能够吸收积聚大量太阳能并将其转化为电能，通过微波束将电能传送回地面。v它是由永远朝向太阳的太阳能电池列阵，能把直流电转换成微波能的微波转换站，发射微波束能的列阵天线等三部分组成，通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。v太空太阳电站

35、是十分巨大的，据计算一座81010W的太空太阳电站其太阳能电池的列阵面积即达64km2，要装配几百亿个电池片，把微波发往地球的天线列阵面积需2.6 km2。在近地轨道直接组装太阳能电站v空间发电有两大优点：一是可以充分利用太阳能，同时又不会污染环境，二是 不用架设输电线路，可直接向空中的飞 船和飞机提供电力，也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。v科学家预测，一旦建成空间电站，人类可以不断获得能源，地球能源利用将产生革命性变化。碰到的问题空间运输成本问题。法国电力公司课题研究部顾问吕西安德尚说，要使太阳能卫星变得可行，空间运输成本最少也得降低99。能量转换的效率问题。美国慕尼黑理工大学空间技术研究

36、所名誉所长哈里鲁普认为，在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题。他还担心微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人烤熟并可能引起电磁干扰，扰乱飞机的雷达系统。太阳能发电系统 v太阳能电源是由太阳能电池发电，经蓄电池贮能，从而给负载供电的一种新型电源，广泛应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、也可为无电山区、村庄、海岛提供电力。太阳供电系统太阳能供电系统的特点 1.不必拉设电线，不必挖开马路，安装使用方便；2.一次性投资，可保证二十年不间断供电（蓄电池一般为5年需更换）；3.免维护，无任何污染。v太阳能电源可分为直流供电系统和交直流供电系统二种。直流供电系统交直流供电系统 太阳

37、能供电系统太阳能新产品太阳能新产品：印度研制成功一种太阳能冰箱，在平底的太阳能收集器里，盛有氨和水的溶液，太阳光把氨从液体中蒸馏出来，并在另一个容器里冷藏下来。晚间把液态氨送到冰箱管道里，氨吸收热量使冰箱内部冷却下来。太阳能新产品太阳能新产品：日本夏普电器公司制造的太阳能空调器，当天气晴朗时，全部动力都由太阳能电池供应；多云或阴天时使用一般电源。：芬兰生产的太阳能电视机，只要白天把半导体硅电池放在阳光下，晚上不需要用电便可观看电视，可连续使用34小时。太阳能空调器太阳能新产品太阳能新产品：日本新近推出一种太阳能楼房专用换气扇，安装在有太阳能电池板的窗框上，太阳能电池产生的电流能驱动换气扇旋转，

38、换气能力达每分钟1立方米。：德国开发研制成功一种太阳能收音机，它能把太阳能转变成直流电，作收音机的能源。太阳能新产品太阳能新产品：在法国的图尔市，新建了世界上第一批太阳能电话机。设有这种电话机的电话亭的顶端装设了太阳能电池，电话机完全依靠太阳能作无线通讯的能源。这种电话机话音清晰，无通话障碍。它将在法国各公路沿线普遍设立。英国一家无线电公司，也研制成功了类似的电话机。太阳能新产品太阳能新产品：日本研制成功世界上第一架太阳能照像机，重最仅475克，机内装有高效太阳能电池板和蓄电池，蓄足电力可连续使用4年。美国一家公司也生产出了一种新型的135照像机，其动力由太阳能电池板供应，只要有光线就能提供能

39、源。太阳能新产品太阳能新产品：日本东京电机大学最近设计出一种轻型太阳能轿车，其车顶上安装了两组蓄电池，利用太阳光充电后交替使用。一组蓄电池充电后可行驶110公里，夏季日照最长季节可达150公里，最适宜于日照时间长的地区使用。不用燃油，不污染环境。太阳能汽车太阳能新产品太阳能新产品：美国科学家最近设计出了一种太阳能自行车。它在普通自行车上装一块由44个光电池组成的电池板，还装置一个铝蓄电池和功率为05马力的小型电动机。这种两用车在平地上行走时可用脚蹬，在上坡或身体疲乏时，则可开启电动机驱动自行车加速行驶。太阳能新产品太阳能新产品：日本科学家最近开发研制出一种太阳能牙刷。在这种牙刷的柄腔内放置一定

40、数量的二氧化钛，经太阳光照射后钛的氧化物会放出电子束，这种电子束使牙齿及其周围形成微小电场，并使牙刷的刷丝硬化。由于电磁效应和机械作用，可迅速清除粘贴在牙齿上的污垢。太阳能利用的优点太阳能利用的优点，太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的能源危机。，太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有六百万年的期限，对于人类而言，这样的时间可谓是无限。，现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危险性及污染性。v在人类与自然和平共处的原则下，使用太阳能最不伤和气，且若设

41、备使用得当，装置成后所需费用极少，而每年至少可生11017千瓦的电力。太阳能利用的缺点 v稳定性差，受日夜季候的影响，太阳能不断地生变化。v装置成本过高，吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果，因此相对地成本提高。v有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”，意即庞大的太阳能收集器造成视觉上的污染。太阳能发电的前景v专家预测，到2050年，全世界消耗电量的14将是太阳电，到21世纪末，可能会达到50以上。到那时候，人类居住的房屋将发展成金字塔型。因为外壁用“非晶硅太阳能砖”砌成的这种形状的住宅，可用最大面积采光发电，并用高效的贮电装置贮存起来供人们使用。v人类将在宇宙空间建设大型的太阳能发电厂，卫星上的电能将通过微波输电设备，源源不断地送回地球，且损耗率低于2，人们再也不用为地球上能源枯竭和污染问题而发愁了。产生工业三废（废水、废气、废渣）的大批火力发电厂也将退出历史舞台，人类的家园将更加美好。