新能源技术(翟秀静)(第三版)

本书系统地介绍了太阳能、氢能、核能、化学电源、生物质能以及风能、海洋能、地热能、可燃冰等新能源的开发与应用技术，包括技术原理、工艺流程、设备和发展趋势等。其中，太阳能技术主要介绍太阳能-热能交换技术、太阳能-光电转换技术、太阳能-化学能转化技术。氢能技术包括氢的制取、氢的储存与输运、氢的应用、氢的安全性等内容。核能技术包括核电技术、核供热、核废物处理与核安全等内容。化学电源主要介绍金属氢化物镍电池、锂离子二次电池、燃料电池、铝电池、储能电池。本书可以作为高等学校能源、冶金、化学、化工、材料、环境和生化等相关学科的学生教材，也可供相关学科的研究人员参考。

翟秀静，东北大学，教授，培养博士4名，硕士10名，研究成果获省级自然科学奖一项，发表论文100余篇。

第1章绪论/ 001

 

1.1能源/ 001

 

1.2新能源/ 001

 

1.3新能源技术/ 002

 

第2章太阳能/ 004

 

2.1概述/ 004

 

2.1.1太阳和太阳辐射能/ 004

 

2.1.2到达地球的太阳辐射能/ 005

 

2.1.3太阳能的利用/ 006

 

2.2太阳能-热能交换技术/ 007

 

2.2.1太阳能热发电技术/ 007

 

2.2.2太阳能供暖技术/ 016

 

2.2.3太阳能制冷技术/ 020

 

2.2.4太阳能热水系统/ 023

 

2.2.5太阳能集热器/ 025

 

2.2.6其他太阳能的热利用技术/ 027

 

2.3太阳能-光电转换技术/ 031

 

2.3.1晶体硅太阳能电池/ 034

 

2.3.2非晶硅太阳能电池/ 039

 

2.3.3新型硅太阳能电池/ 043

 

2.3.4化合物半导体太阳能电池/ 043

 

2.3.5染料敏化纳米晶太阳能电池/ 048

 

2.3.6太阳能电池（光伏发电）的发展/ 052

 

2.3.7太阳能光伏并网系统/ 054

 

2.4太阳能-化学能转化技术/ 057

 

2.4.1光合作用/ 057

 

2.4.2光化学作用——光催化水解制氢/ 058

 

2.4.3光电转化——电解水制氢/ 058

 

2.4.4太阳能-高温热化学反应/ 058

 

思考题/ 059

 

参考文献/ 059

 

第3章氢能/ 064

 

3.1氢的制取/ 065

 

3.1.1化石燃料制氢技术/ 065

 

3.1.2电解水制氢/ 077

 

3.1.3生物制氢技术/ 083

 

3.1.4太阳能光解水制氢/ 088

 

3.1.5热化学分解水制氢/ 091

 

3.1.6其他制氢技术/ 094

 

3.1.7氢气提纯/ 096

 

3.2氢的储存与输运/ 097

 

3.2.1储氢技术/ 098

 

3.2.2氢的输运/ 107

 

3.3氢的应用/ 108

 

3.3.1氢在燃气轮机发电系统中的应用/ 108

 

3.3.2氢在内燃机中的应用/ 110

 

3.3.3氢在发动机上的应用/ 115

 

3.4氢的安全性/ 116

 

3.4.1泄漏性/ 116

 

3.4.2氢脆/ 117

 

3.4.3氢的扩散/ 117

 

3.4.4氢的可燃性/ 118

 

3.4.5氢的爆炸性/ 119

 

思考题/ 119

 

参考文献/ 120

 

第4章核能/ 126

 

4.1概述/ 126

 

4.1.1人类认识和利用核能的历史/ 126

 

4.1.2人类利用核能的现状/ 126

 

4.1.3核能应用的基础知识/ 128

 

4.1.4核能的优势及用途/ 129

 

4.2核电技术/ 132

 

4.2.1核裂变反应堆/ 132

 

4.2.2核聚变装置/ 143

 

4.3核供热/ 148

 

4.3.1常压深水池供热反应堆/ 149

 

4.3.2常压壳式供热堆/ 151

 

4.3.3核供热堆的其他用途/ 153

 

4.3.4核供热堆前景展望/ 153

 

4.4核废物处理与核安全/ 154

 

4.4.1核废物的管理及处置/ 154

 

4.4.2核安全/ 159

 

思考题/ 160

 

参考文献/ 160

 

第5章化学电源/ 164

 

5.1金属氢化物镍电池/ 165

 

5.1.1MH/Ni电池的工作原理/ 165

 

5.1.2MH/Ni 二次电池的结构与性能/ 166

 

5.1.3MH/Ni电池的性能/ 166

 

5.1.4MH/Ni二次电池的制造工艺/ 167

 

5.1.5MH/Ni电池的材料/ 170

 

5.1.6MH/Ni电池的发展/ 170

 

5.2锂离子二次电池/ 171

 

5.2.1锂离子电池的工作原理/ 171

 

5.2.2锂离子电池的结构/ 171

 

5.2.3锂离子电池的性能/ 172

 

5.2.4锂离子电池的制备工艺/ 173

 

5.2.5锂离子电池的材料/ 174

 

5.2.6有机聚合物锂离子电池/ 177

 

5.2.7超级电容器/ 177

 

5.2.8锂离子电池的发展/ 178

 

5.3燃料电池/ 178

 

5.3.1碱性燃料电池(AFC)/ 179

 

5.3.2磷酸型燃料电池(PAFC)/ 181

 

5.3.3质子交换膜燃料电池(PEMFC)/ 184

 

5.3.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)/ 190

 

5.3.5固体氧化物燃料电池(SOFC)/ 194

 

5.3.6微生物燃料电池/ 199

 

5.4铝电池/ 201

 

5.4.1水溶液电解质铝电池/ 201

 

5.4.2铝-空气电池/ 203

 

5.4.3非水溶液电解质铝电池/ 205

 

5.5储能电池/ 206

 

5.5.1全钒液流电池/ 207

 

5.5.2钠硫电池/ 210

 

思考题/ 212

 

参考文献/ 213

 

第6章生物质能/ 218

 

6.1生物质能概述/ 218

 

6.1.1生物质的特点/ 219

 

6.1.2生物质能分类/ 219

 

6.1.3生物质能利用的现状/ 220

 

6.1.4生物质能利用技术的发展现状/ 220

 

6.2生物质能转化技术/ 221

 

6.2.1物理转换技术/ 221

 

6.2.2生物质化学转化技术/ 226

 

6.2.3生物转换技术/ 245

 

6.3生物质利用新技术/ 261

 

6.3.1垃圾处理技术/ 261

 

6.3.2沼气发电技术/ 262

 

6.3.3生物柴油生产技术/ 264

 

6.3.4生物质制氢技术/ 268

 

6.3.5生物质能的前景/ 273

 

思考题/ 274

 

参考文献/ 275

 

第7章风能/ 278

 

7.1风能利用的发展历程/ 278

 

7.2风力发电系统/ 279

 

7.2.1关于风能的理论计算/ 279

 

7.2.2风机的工作原理/ 280

 

7.2.3风机系统/ 281

 

7.2.4风机技术/ 285

 

7.3风力发电场地/ 290

 

7.3.1海上风力发电/ 290

 

7.3.2高空风力发电/ 291

 

7.3.3低风速风力发电/ 291

 

7.3.4风力发电存在的问题/ 292

 

7.4我国风能的发展历程/ 292

 

7.4.1我国风能的发展历史/ 292

 

7.4.2我国风能存在的问题/ 292

 

7.4.3我国风能的发展前景/ 293

 

思考题/ 294

 

参考文献/ 294

 

第8章其他新能源/ 295

 

8.1海洋能/ 295

 

8.1.1潮汐能发电/ 295

 

8.1.2波浪能发电/ 298

 

8.1.3温差能发电/ 299

 

8.1.4盐差能发电/ 302

 

8.2地热能/ 302

 

8.2.1地热能资源/ 302

 

8.2.2地热能的利用/ 303

 

8.2.3地热能的开发/ 304

 

8.2.4地热能的发展/ 305

 

8.3可燃冰/ 305

 

8.3.1可燃冰的形成/ 306

 

8.3.2可燃冰的性质/ 306

 

8.3.3可燃冰的开采技术/ 306

 

8.3.4可燃冰的全球分布与储量/ 307

 

8.3.5我国可燃冰的现状与发展/ 308

 

思考题/ 308

 

参考文献/ 308

 

附录相关单位的换算关系/ 310

第三版前言新能源技术是高技术的支柱。新能源技术包括太阳能技术、氢能技术、核能技术、化学电源技术、生物质能技术、风能技术及地热能技术、海洋能技术等。新能源技术的开发利用，打破了以石油、煤炭为主体的传统能源观念，开创了能源的新时代。截至2015年，全球超过130个国家实施了新能源扶持政策。新能源产业已经成为全球化产业，其多元化的发展格局正在逐步深化和发展，未来新能源在全球能源格局中将占据更加重要的地位。我国政府高度重视发展新能源产业。2015年巴黎气候大会通过的全球气候变化新协定为控制全球气温和温室气体排放设定一系列目标。这些目标将推动世界转向使用更为清洁的新能源。全球掀起了新能源发展的高潮，我国能源结构也发生着深刻调整。截至2015年，我国风电装机容量连续4年世界第一，光伏装机容量首次超过德国跃居世界第一，风电和太阳能发电累计装机容量1.7亿千瓦，占全球的1/4以上。我国计划到2030年，新能源的比重将由目前的11.4%达到20％左右。《新能源技术》教材自2005年出版以来，受到了广大读者的欢迎与好评。2014年，本教材被辽宁省教育厅选入“辽宁省第二批‘十二五’普通高等教育本科生省级规划教材”。《新能源技术》（第二版）自2010年出版以来，新能源技术领域发生了许多深刻变化，在太阳能、氢能、核能、化学电池、生物质能、风能、地热能和海洋能等领域均涌现大量的新产品、新技术和新工艺。有鉴于此，作者根据能源技术的新发展，在第二版的基础上修订完成了本教材的第三版。《新能源技术》（第三版）主要就以下内容进行了更新和完善：在太阳能技术一章，第三版增加了线性菲涅耳式太阳能发电技术，列出了塔式、槽式和碟式太阳能热发电系统分析比较，补充了太阳能海水淡化技术和太阳能汽车技术；增加了石墨烯-硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和光伏并网发电系统。在核能技术一章，第三版介绍了近几年核裂变和核聚变技术的进展，重点介绍了我国高温气冷堆和快中子反应堆的技术，介绍了钠快堆和铅快堆技术；同时对核供热、核废处理及核安全的内容做了补充和调整。化学电源涉及航天领域的发展，也关系到城市的环保问题，近几年备受重视。镍氢电池和锂离子电池在推动电动汽车发展上取得了长足进步，燃料电池和各种储能电池技术发展快速。第三版在化学电源部分增加了橄榄石结构的LiFePO4的锂离子电池正极材料和超级电容器技术；介绍了近几年快速发展的固体聚合物电解质碱性燃料电池；同时更新了微生物燃料电池和储能电池技术的内容。生物质能是人类最早直接应用的能源，面对秸秆焚烧的困扰和垃圾围城的困局，生物质能技术亟待发展和应用。第三版在生物质能部分增加了垃圾发电技术，补充和完善了生物柴油、沼气的制取技术。在氢能技术、风能技术及地热、海洋能等章节，第三版重点介绍了近几年的发展，补充了新的内容，例如波浪能发电装置、海洋温差能-太阳能联合热发电的方式、地热发电、地源热泵和干热岩地热资源的开发等。作者感谢化学工业出版社的支持，感谢给予本书启示及参考的有关文献作者。由于作者水平有限，不当之处恳请读者批评指正。编著者2016年10月第一版前言能源、材料、信息和生物技术是现代文明的四大支柱，能源是人类生存及发展的物质基础，也是人类从事各种经济活动的原动力。新能源包括太阳能、氢能、核能、生物质能、化学能源、风能、海洋能和地热能等。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，人类通过光热转换技术、光电转换技术和光化转化技术实现了热发电、蓄热、光伏发电和光化学发电等利用形式。目前太阳能的开发还存在转换效率、成本和使用寿命等一系列问题。氢能以质量轻、传热高、清洁和来源广等特点展示着诱人的开发前景。氢能的制备、储存和利用目前是世界各国的研究热点，氢能的制备和贮存距离大规模利用还有一定距离。核能是清洁能源之一，和平利用核能为全球所关注。核能包括核裂变和核聚变。人类已实现对核裂变的控制和利用，但尚未实现可控的核聚变反应。化学电源是人们生活中应用广泛的方便能源，也是高新技术和现代移动通讯的新型能源。性能优越的金属氢化物-镍电池、锂离子电池和燃料电池是21世纪的绿色能源。化学电源的电化学原理、制造技术和发展趋势是新能源开发的重要组成部分。生物质能是绿色能源，科学家们预计将成为未来可持续新能源系统的重要组成部分。生物质气化技术、生物质液化技术、生物质固化技术和生物质发电技术等的开发和应用是世界各国的研究热点。风能是太阳热辐射引起的大气流动的动能，是可再生的清洁能源，风力发电是风能利用的主要领域；海洋能、地热能和可燃冰都是巨大的能源。积极开发科学研究，提供开发技术，是实现可持续发展的需要。人类生活的地球面临着不可回避的压力：人口迅速增长和人类生活质量不断提高；能源需求的大幅增加与化石能源的日益减少；各种能源形式的开发应用和生态环境的门槛提升。时代呼吁新能源技术的高速发展，太阳能、氢能、核能、生物质能、化学能、风能、海洋能和地热能的能量转化、能量储存和能量传输的理论与技术是21世纪能源与工程的前沿性课题。新能源技术与物理、化学、材料、生物、环境、机械、矿物和工程技术等诸多学科相互交叉，节能技术与新能源技术互相渗透。新能源技术直接对接新能源的开发、应用和商品化进程。作者在总结国内外最新的能源技术的基础上，结合自己的科研成果与积累，编著了《新能源技术》一书。全书共7章，翟秀静撰写了第1章、第2章、第5章，刘奎仁撰写了第4章、第6章，韩庆撰写了第3章和第7章。作者感谢化学工业出版社的支持，感谢给予本书启示及参考的有关文献作者。由于时间仓促，加上作者水平有限，不当之处恳请读者批评指正。作者2005年6月第二版前言2005年9月，《新能源技术》(第一版)在东北大学和化学工业出版社的支持下出版发行，4年多来新能源技术在全球迅速发展,该书也受到了广大读者的欢迎与好评。目前，能源问题已经关系到我国经济社会可持续发展的全局。太阳能、风能、生物质能、水能、地热能和海洋能等可再生能源，具有资源分布广、利用潜力大、环境污染小和可永续利用等特点，发展新能源有利于人与自然的和谐发展。从战略高度看，开发环境友好的可再生能源，并使其在保障能源供应中扮演重要角色，已经成为我国可持续能源战略的必然选择。近年来，我国对新能源技术非常重视，发改委在2008年制定的《“十一五”时期可再生能源发展规划》中提出，到2010年可再生能源在能源消费中的比重达到10％，其中，风电总装机容量达到1000万千瓦，生物质发电总装机容量达到550万千瓦，太阳能发电总容量达到30万千瓦，太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米。全球金融危机给可再生能源产业带来了跨越式发展的机遇，而全球气候变暖所导致的灾难性后果更为可再生能源的发展提供了动力，由危机导致的经济转型正在不断引发能源产业的深刻变革，世界各国都把支持可再生能源发展作为恢复经济实现经济可持续发展的重要手段，美欧等国纷纷出台的政府投资计划，普遍加大了对可再生能源技术开发和应用的投入，相当数量的政府资金被用于支持对可再生能源技术的超前研究和技术成果的快速转化。《新能源技术》（第二版）总结了4年来在太阳能、氢能、核能、生物质能、化学能源、风能、海洋能和地热能等领域的新进展，同时在太阳能一章中补充了多晶硅太阳能电池及多晶硅材料制备、聚合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、屋顶计划和并网发电技术；氢能一章更新了适合我国国情的煤气化重整制氢和焦炉气重整制氢技术；核能一章重点介绍了第四代核能技术、高温气冷堆技术和核聚变堆进；生物质能一章重点介绍了我国目前加大沼气工程的建设，已形成年产沼气数十亿立方米的能力；化学能源章节中增加了钒电池、微生物燃料电池及有机聚合物锂离子电池等内容；“风能”则单列为一章，同时补充了风机大型化技术。此外，为方便读者的阅读和学习，在每章后均附有思考题。本书第一版得到了读者给予的大力支持及充分肯定，自2005年出版以来重印多次，几位作者分别收到读者的电话、邮件和短信，讨论与《新能源技术》相关的话题，作者在此表示衷心的感谢。作者感谢化学工业出版社的支持，感谢给予本书启示及参考的有关文献作者。由于作者水平有限，不当之处恳请读者批评指正。编著者2009年11月