新能源材料制备与加工技术.docx
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新能源材料制备与加工技术
新能源材料制备与加工技术
李长久
西安交
通
大
学
《新能源材料制
备
与加
工技
西安交
通大学
材料
制备与加工技
术》
本课程的安排
第1讲绪论:
能源结构与太阳辐射特点
第2讲太阳电池原理
第3讲太阳电池原理（续
第4讲单晶硅太阳电池制造工艺
第5讲薄膜太阳电池与DSC制造工艺
第6讲燃料电池基础
第7讲固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池制备成形技术
第8讲新型2次电池材料
试验1单晶硅太阳电池特性
试验2单晶硅、非晶硅、多晶硅太阳电池特性比较
试验3SOFC电池输出特性
试验4PEMFC试验
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术》
本课程的基本要求
了解能源结构与发展趋势,可再生能源与化石燃料高效能源转换系统
能源转换材料基本特征
太阳电池原理,太阳电池转换效率的影响因素及其影响规律、提高转换效率的基本途径;太阳电池的种类与制造工艺及其特点;
燃料电池的原理、特点、开发现状与应用前景。
二次电池及其相关材料技术
材料制备、加工与制造器件一体化的特征
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交通
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料制备与加工技术》
主要参考书
1.（美胡晨明,R.M.还特著,（李采华译,太阳电
池,北京大学出版社,1990年
2.ChenmingHUandRichardM.White,SolarCell,
FromBasictoAdvancedSystem,McGrawHillBook
Company,1983
3.（澳马丁格林著,李秀文等译,太阳电池,电子工
业出版社,1987年
4.赵富鑫,魏彦章,太阳电池及其应用,国防工业出版
社,1985
5.雷永泉主编,新能源材料,天津大学出版社,
2000。
6.衣宝廉著,燃料电池,化学工业出版社,2003。
7.FuelCellHandbook
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材料科学与工程
制备与加工、成分、组织结构、性能（使用性能的控制与机制、相互关系
Structures
Properties
Compositions
Processing
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材料制备与加工
材料制备制造可用于生产产品的原材料
原材料（矿石→冶金（物理、化学→材料（粉末、板材、棒与丝
传统加工制造方法（机械零件
控性、控形以零件使用
加工成形
制造各种形状结构的零件与构件
材料→加工（热加工、冷加工→装配→产品
冷加工:
车、铣、刨、磨、钻等
热加工方法:
铸造、锻造、焊接、热处理
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电子器件的制造
二极管、三极管、场效应管、集成电路等
太阳电池、显示器（等离子平板显示器等
功能层:
薄（纳米级!
元器件制造的特点:
材料合成制备、加工成形、器件制造一体化!
太阳电池与燃料电池为例,理解微纳器件制造特征
新能源、微电子
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第一章概述
能源的有限性与能源需求的不断增长能源的构成
能源使用存在的问题
发展新能源技术的必要性太阳辐射的特点
太阳常数,大气质量,太阳高度
太阳电池的基本特点
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学材料制备与加工技
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第1节地球上究竟还有多少能源?
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安交通
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备与加
工技
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通大学
材料
制备与加工技
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单位:
亿吨标准油
通加
石油天然气煤合计
2003年世界能源统计报告
2002年:
世界一次能源消耗:
94亿吨标准油;
全球可供开采剩余年数:
石油:
40.6年;天然气:
60.7年;煤:
204年
我国剩余可采资源保证度:
129.7年
原油:
20.1年;天然气:
49.3年;煤:
114.5年
化石燃料的有限性!
可燃冰!
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料制备与
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1.能源利用方式
木材（生物质能煤炭石油天然气
核能（核裂变、核聚变太阳能
水电
第2节世界商品能源的构成西
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通加年份
（1木材
产业结构的变化!
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我国能源构成比例（%通加
我国一次能源构via世界变化
（1木材
煤的液化、汽化
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能源安全问题
通加
石油需求量大增,石油进口量大增
常规发电系统与SOFC发电效率比较
SOFC/GasTurbineHybridSystem
FuelCell
GasturbinesimpleCycle
GasturbinecombinedCycle
Internalcombustionengine
Efficiency（LHV%
Poweroutput,MW
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4.矿物（化石燃料使用造成的
环境污染问题
燃烧排放物:
SO2、Nox、CO、CO2、烟尘等
危害作用
破坏植被与土壤:
SO2
对人体健康有害:
烟尘、SO2等
对气候造成影响:
产生温室效应、酸雨等:
Nox、
SOx
处理措施:
燃烧前净化处理,SO2、烟尘等
CO2?
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5.
通加
可再生能源
不可再生能源
煤、石油、天然气、核能
可再生能源
太阳能、生物质能、海洋能、风能、水能、地热能
新能源:
太阳能、生物质能、海洋能、风能、地热能、核能、氢能
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本课程所涉及的能源材料与技术
太阳电池（SolarCell
太阳能、一次能源:
燃料电池（FuelCell
天然气、煤气化气:
一次能源
氢能、二次能源
新型二次电池（Battery
金属氢化物-镍电池,Li离子二次电池
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Cell
通加
所涉及的能源材料
通加
涉及的制备与成形加工技术
传统的材料制备方法
物理（熔炼、烧结、化学（反应生成
传统材料加工
陶瓷成形（挤压、注塑,模压等
先进薄膜与涂层制备技术
PVD,CVD,等离子喷涂,丝网印刷等
材料制备与器件成形加工一体化
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第3节太阳辐射的特点
太阳:
一座核聚变反应器,中心温度约为
2x107K,发射功率为:
3.8x1026W;
波长范围:
0.276µm~4.96µm（占99%的能量
辐射相当于表面5743K的黑体;
大气层外太阳辐射强度与5743K黑体辐射强度的比较
3.1太阳常数
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3.1太阳常数（续
地球轨道为一椭圆
最远距离:
152x106km;最近距离:
147x106km平均距离:
149x106km（1天文单位
最远处的辐射为最近处的94%,差别不大。
认为大气层外的辐射强度不变,单位面积的辐射通量为一常数:
称为太阳常数
S0=1.353kW/m2（1.338~1.418kW/m2
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3.2大气层对太阳光的吸收
阳光穿过大气达到地表时,辐射强度至少衰减30%。
造成衰减的原因:
1大气中的分子散射:
波长越短,衰减越大;
2悬浮颗粒与灰尘引起的散射;
3大气（特别是O2、O3、H2O、CO2的吸收
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3.3大气质量（AirMass
影响地球表面接受辐射的因素:
大气的吸收入射角度
物理意义:
入射光通过大气层的相对厚度
用“大气质量”（AirMassnumber表示接受辐射
的强度,简称“AM+数字”
AM0:
大气层外垂直辐射（=太阳常数
AM1:
入射光与地表的夹角为90o时的地面辐射
/
（1
7.0
353
.12
m
kW
I≈
×
=
西安交通大学
李长久教授
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通加θ-
3.4地表日照的构成
地面接收到的太阳辐射的构成:
直接辐射
水平面散射（在晴朗无云的天气,占总辐射量的10~20%;阴天接收到的辐射主要为散射;介于晴天与阴天之间,接收到晴天一半的辐射时,其中散射辐射约占50%。
地表日照强度随下列条件变化:
地区（纬度、季节、白昼、气候条件（阴晴
聚光系统的目的是为了利用太阳直射辐射,散射光不能利用。
西安交通大学李长久教授
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备与加工技术》
地球轨道与赤纬
-23.5o
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太阳高度随地域与季节的变化
设接受太阳光的地域纬度为北纬δ,
太阳在正午的高度:
“春分”与“秋分”时:
90o-纬度值;
“夏至”时,90o-纬度值+地球赤纬
“冬至”时:
90o-纬度值-地球赤纬
地球赤纬:
23.5o
太阳高度随地域与季节在发生变化
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的太阳高度随季节地变化
通加
接收的太阳能随日期的变化
季节性气候变化减小
白昼、大气质量光束倾角的减小
大气层外辐射强度
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加
工
第4节太阳电池的特点（优点
广泛性:
无处不有。
地球一年接受太阳的总能量为:
1.8x1018kWh（约为
太阳辐射总能量的20亿分之一,为人类消耗能量
的12000倍。
适合于分散发电:
如小村庄、偏僻地区。
可以作为
水泵、制冷、通讯、照明等的能源。
清洁性:
不存在污染（矿物燃料的污染、核燃
料的污染等
太阳电池具有标准配件,安装好即可使用
西安交通大学
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太阳电池的特点（2
分散性:
存在接受面积问题。
能量密度Max~
1000W/m2,为获取足够的能量,需要足够的
接受面积。
如为满足2000年全球电力需求,以电池转换
效率10%计,需要640,000（km2。
我国1995年发电1亿度,所需面积12500
（km2,比天津市大。
解决方案:
建筑物顶安装电池板。
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太阳电池的特点（3
间歇性:
产生的能量与负载匹配问题。
受昼夜、季节、气候变化的影响,较难与负
载匹配。
需要储电装置→投资大、需要维护
采用与其它形式的电力并网发电。
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太阳电池的特点（4
电池材料资源问题
接受面积布满太阳电池,需要大量材料
640,000（km2面积上使用硅电池,按300µm厚计,约需4.57亿吨太阳电池级高纯硅。
地球资源中的硅是否存在充足的量?
YES
（T:
生产能力严重不足。
全球冶金级硅的年生产量为:
100万吨/年
高纯半导体级硅的生产能力:
2万吨/年
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与加工技术》
通加发电成本问题
使用太阳电池面临的问题
提高转换效率,降低发电成本提高材料生产能力,满足市场需求
开发薄膜电池,减少对材料的需求
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本章小结
地球能源资源是有限的,但能源需求在不断增长能源的构成
矿物能源使用存在的问题发展新能源技术的必要性太阳辐射的特点
太阳常数、大气质量、太阳高度
太阳电池的基本特点
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本讲思考题
1.试算地处约北纬40o的北京,分别在夏至与冬至、春分与秋分的正午时的太阳高度角、大气质量与太阳直射辐射强度。
并与约北纬25o的福州（或昆明的上述值进行比较。
2.处于南北极周围的地区,可以整天不见太阳。
世界上哪些地区每年至少有一天将会出现这种情况。
3.夏至中午在西安（北纬35o的总辐射为60
mW/cm2,假设30%是散射辐射,并且作如下近似:
太阳组件地面无反射,散射辐射强度在空间均匀。
试估算与水平面成45o角的向南的平面上的辐射强度。
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本讲思考题
4.你认为解决我国能源问题的基本途径有哪些?
5.你认为如何有效利用风能?
试论述调节风能的方法。
1-4题,2周内交;5题在讲完SOFC后交。
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教学资料
教学资源
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