新能源材料的科学与工程

新能源材料的科学与工程

通过上材料社会这门课，我了解到材料材料是人类文明进步的里程碑。每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步。事实上，人类文明进化的时代就是以某种材料的使用来划分的。

就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。

(1)太阳能集热器。太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。另外还有一种真空集热器:一个好的太阳能集热器应该能用 20～30 年。自从大约 1980 年以来所制作的集热器更应维持 40～50 年且很少进行维修。

(2)太阳能热水系统。早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部

分。此外，可能还有辅助的能源装置以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种： 1、自然循环式: 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。 2、强制循环式: 热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知，容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处，但因其必须利用水，故有水电力、维护以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。

(3)暖房。利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，

设法应用太阳辐射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，再加热房间，或透过冷暖房的热装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中，然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，再把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。

太阳能发电。即直接将太阳能转变成电能，并将电能存储在电容器中，以备需要时使用。太阳能离网发电系统太阳能离网发电系统包括 1、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放

完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。

除了利用太阳能做成的太阳能新能源材料，新能源材料还包括、镍氢电池材料、锂离子电池材料、反应堆核能材料。

新能源材料是新能源开发的物质基础,近几年,我国政府比较重视能源材料的开发和应用,973计划、863计划、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对绿色二次电池、燃料电池和太阳能电池等能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入。XX年,我国新能源材料的研究和开发取得一系列突破,市场和应用也有了进一步的拓展，我国新能源材料工业的发展取得了辉煌成就，但随着国际金融危机的日益加剧，国家不断推动产业结构调整、倡导企业科技创新、科学发展，走循环经济之路，大力推进新能源材料产业的技术进步与健康发展。

在风能利用方面，形成了兆瓦级风电机组的自主研发和规模化制造能力，XX年总装机容量超过6000万千瓦；在太阳能光伏发电方面，形成了高性能晶体硅、太阳能光伏电池的规模化制造和生产能力，XX年光伏发电装机容量超过300万千瓦，取得了一批重大成果；通信光纤、钽铌铍合金等新材料生产技术已达到国际先进水平，为相关产业发展提供了重要支撑。

核电方面，XX年我国核电投资同比增%，核电标准扩容已定，核安全规划、核电中长期发展调整规划也已基本制定完成，政府工作报告中再次强调要安全高效发展核电，核电恢复发展预期逐渐明朗。2020年我国核电装机有望达到8000万千瓦，未来我国核电发展将进入新轨道。

在10日开幕的“XX诺贝尔奖获得者北京论坛”上，北京市常务副市长李士祥表示，目前北京新材料和新能源产业总规模达1000亿元左右，预计未来十年将保持20%以上的年均增长。新材料及新能源产业虽然目前在北京GDP中占比不多，但是增速很快，未来有望成为北京重要的先导和支柱产业。

“随着中国企业在新能源应用领域的不断突破，中国极有可能成为亚洲的龙头,并带领亚洲及世界进入下一个伟大的经济时代，从而引领第三次工业革命。”美国著名经济学家、趋势学家、《第三次工业革命》的作者杰里米·里夫金