能源开发与利用中的化学问题doc能源开发与利用中的化学 问题 学 院： 化学化工 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 唐有根 能源开发与利用中的化学问题 （湖南长沙111南大学化学化工学院 410000） ：在社会越來越发展的今天，能源问题也凸显的越來越明显。人们在提高传 统能源的利用率的同时，也在寻找着可以替代传统能源的口J再生能源。但是，在 可再生能源的开发与利用屮，存在着很多的问题。木文主要讨论在能源开发利用 屮面临的化学问题。 关键词：能源开发化学风能氢能太阳能 1.前言 能源问题一直是困扰着人们的一个亟待解决的问题Z—。煤矿资源的过度开 采，石油资源的逐渐匮乏，这些都使得人们开始不得不面对传统能源的持续使用 以及新能源的开发问题。经过一段时期的研究与开发，氢能、风能、太阳能、潮 汐能等新能源，也称之为可再牛能源开始登上历史的舞台。虽然人们已经找到了 开发和使用这些能源的方法，但是，怎么最大限度的使用这些能源，使得能源的 浪费和对环境的污染减到最少，这其中仍然存在很多的问题。众所周知，风能、 太阳能等再生能源的利用，有着时间和空间上的问题，对于怎么储存这些能源， 人们已经找到了比较好的媒介一一电池。但是不同的能源其性质也不相同，所以 电池的种类、形式、结构等等也不尽相同。怎样研究出分别适用于不同能源的电 池成为了能源开发中的化学问题。 2 ?能源开发中的化学问题 2.1传统能源开发中的化学问题 曾经在很t一段时间内，传统能源都在能源利用中占据主导地位。但是，在 传统能源的开发中，也存在着很多的化学问题。比如，煤炭开采中，矿井中的瓦 斯爆炸问题，水污染问题，大量堆积的煤砰右散发的气体对空气质量的影响，对 地表地下水的污染；石油开采屮，尤其是海上石油的开采屮，原油的泄漏，对海 水中的生物的影响；再者，传统能源常有燃烧不完全，以致排放的CO、NO等 对大气造成很大的污染，使用不当还会危及人身安全。所以，如何安全开采？开 采中不能完全利用的煤什石等这类物质如何处理？如何安全使用？怎样使得这 些能源得到最人限度的利用？这些都是传统能源开发与利用中需耍解决的化学 问题。 2.2可再生能源开发利用中的化学问题 2.2.1风能开发利用屮的化学问题 风能发电自身所固冇的随机性、间歇性特征，决定了英规模化发展必然会对 电网调峰和系统安全运行带來显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。研 究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，依靠传统电网技术以及 增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全；但如果所占比例达到20% 英至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。耳前为了减少对电网的 冲击，每一台风机需要配备其功率4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其 功率1%的蓄电池用于紧急情况吋风机保护收风叶用。电网对风电输出平稳性的 要求已成为风电发展的瓶颈。随着风电的快速发展，风电与电网的矛圧越来越突 出。如果需要平滑风电90%以上的电力输出，需要为风电场配置20%左右额定 功率的储能电池；如果希望风电场还能具冇削峰填谷的功能，将需要配备相当于 40-50%功率的动态储能电池；如果风机离网发电，则需要更大比例的动态储能 电池。风机现在使用的铅酸电池容量小、寿命短、稳定性茅、维护费时费力、 污染大。虽然目前来讲锐电池所具备的优点，完全可以取代现有的铅酸电池，成 为风电场动态储能系统的主体，但是研制出低成本、高能量密度的锐电池，还需 要一定的研究发展。 2.2.2氢能开发利用中的化学问题 由于氢燃烧或催化氧化后的产物为水，其与化石能源诸如煤炭、石油等相比 不会对环境造成污染；又由于其具冇来源丰富、质量轻、能量密度高、绿色环保、 储存方式与利用形式多样化等特点，使得氢能的开发利用成为一项人们热衷于的 科研课题。由氢能作为动力的电动口行车、汽车小匕 是将来氢能应用的一个重 要方面。但是，如何获取氢能，以及车载氢能的储氢材料，是需要攻克的难题。 （1） 氮气的制収彳⑷ 目前來说，氮气的制取主要方法冇，化石燃料（石油、 煤和天然气）的裂解、电解水和牛物制氢。制氢所需的原材料一般为碳氢化合物 和水。工业用氢的制备方法主要是化石燃料的热分解，包括天然气的重整、碳氢 化合物的部分氧化和煤的汽化，产氢的成本较低。然而，这些技术严重依赖化石 燃料资源且排放二氧化碳。近年来也发展了从化石燃料产氢而不释放二氧化碳的 方法，即直接热分解和催化裂解碳氢化合物，这种方法已经被用于制备碳，但相 对丁?制氢成木较高，因此，如何研制出低成本的制氢方法，是化石燃料制氢重耍 问题，但是，这种方法中氧能的来源主要还是依靠化石燃料，所以，人们更倾向 于通过屯解水来制氮。但是电解水制氢又冇另外一个问题，电解效率太低，容易 造成能源的浪费。而生物制氢与前两者相比，具有能耗低，污染小的特点，引起 了科学家们极大的兴趣，也是未来很有可能的制氢方向。 （2） 储氢技术储氢技术按氢的聚集状态可分为高压气态储氢、低温液 态储氢以及同休储氢材料储氢。与前两种方法相比，一些同休储氢材料可以可逆 地吸放氢。在固体储氢材料的研究屮有储氢合金体系，有机液体氢化物储氢体系、 碳质储氢材料体系，研究表明，碱金属、碱土金属化合物屮Mg（NH2）2 — LiH系 统在120?200°C内可逆吸放氢的量高达7%。然而，这些固体储氢材料系统或多 或少地存在问题，难以实际应用，如氮基化物系统在释放氧的同时会伴有氨气， 后者会危害燃料电池的寿命；同吋也会降低该系统的储氢量；而其它系统存在吸 放氢动力学较慢、可逆性较差或者吸放氢条件较为苛刻等其它问题。因此，如何 继续研究具有高储氢量、可逆性好的储氢材料是解决氢能开发中的问题的关键。 2.2.3太阳能开发利用中的化学问题 我国太阳能资源I ?分丰富⑻，全国年接受太阳辐射总量平均值为5?85X 1061d/m2,特别是我国的北方大部分地区及云贵高原等地。太阳能利用的一个 重要形式就是太阳能发电。太阳能发电中，光电转换材料十分关键。目前，光伏 发电主要技术为晶体硅光伏电池。但是近来也有一些新型电池得到发现与发展, 如薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池。 （1） 品体硅太阳能电池 虽然目前为止，发展最为成熟的光伏电池是品体 硅太阳能电池，且也已产业化。由于太阳能电池的成本主耍來源于硅片材料，且 在短时间内硅材料成木卜?降速度缓慢，所以，即使晶体硅太阳能技术已经比较成 熟，基于成本问题，不断提高太阳能电池的制造技术、研制高转换效率、低成本 的光电转换材料仍是亟待解决的问题。 （2） 薄膜太阳能电池⑼ 薄膜太阳能电池主要以其转化效率高和制作成木 相对较低而走入研究者的视线。目前开发研制的薄膜太阳能电池中硅基薄膜和多 元化合物薄膜太阳能电池效率较高，但受材料制约，与英他薄膜太阳能电池相比 成本相对较高。纳米品薄膜太阳能电池和冇机薄膜太阳能电池原料易得、成本低 但目前转化效率和稳定性不够好，所以研制新的低成木光电材料、开发新的大面 积薄膜电池制备工艺以提高纳米晶薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池的稳 定性和光电转换效率仍是未来薄膜太阳能电池的研究热点。 （3） 染料敏化太阳能电池321染料敏化太阳能屯池是基于纳米材料发展 的一种新型太阳能电池，比传统的太阳能电池具有更大的优越性，具有很大的发 展潜力。染料敏化纳米晶太阳能电池是将吸附了染料的宽禁带半导体纳米晶薄膜 作为正极.表面镀有一层钳的导电玻璃为对电极，正极和对电极之间加入氧化一 还原电解质形成的。其结构简单、易于制造、成本低廉，对温度变化和光强度变 化不嫩感，光稳定性好，光电转换效率高，环境污染小，虽然染料敬化太阳能电 池具有很多优点，但是它的发展仍然面临很多挑战：高效电极（光阳极和对电极） 的低温制备和柔性化；廉价、稳定的全光谱染料的设计和开发；液体电解质的封 装和高效固态屯解质的制备及相关问题的解决等。目询，人们已经可以制备出柔 性的染料敏化电极材料，但是制备过程比较麻烦，电极材料性质也不够理想。所 以，寻找一种能在低温条件下，低成木地制备出柔性基底的染料敏化材料，是人 们今后需要解决的问题。另外，染料敏化纳米晶太阳能电池的电极需要昂贵的金 属铀作为对电极表面的涂覆材料，这就使得这种电池的成本增加了，因此，还需 要继续开发能替代金属钠作为对电极表而涂覆的物质来降低成本。 3 ?结语 随着常规资源的不断消耗，以石油、煤炭等等为基础的传统能源结构将越來 越不适应可持续发展的需要。可再生能源必然会在不久的将來在能源结构中占据 不小的地位。然而，虽然前景是可观的，但是在这些能源的应用屮，也面临着不 少问题。诸如太阳能、风能这样的有着明显时间和空间性质的能源，其能得到普 遍应用的一种方式就是借助电池这一媒介。在能源应用中，成本和效率是首要考 量的因素。如何研究出低成本、高效率的电池电极材料，成为了这类能源发展利 用屮的主要问题。只有解决了这些问题，可再生能源才能越来越多的应用到H常 生活中来，才有可能，在替代传统能源的道路上越走越远。 ［1］ 冯文,王淑娟，倪维斗等.燃料电池汽车氢能系统的环境、经济和能源评价［J］? 太阳能学报,2003,24(3) ［2］ 孙永江.氢能燃料电池电动自行车［A］.上海市老科学技术工 协会第七届 学术年会论文集［C］.2OO9. ［3］ 刘庆宾?氧的制取及储存技术探讨［J］.中国新技术新产品,2011,(17) ［4］ 张轲,刘述丽，刘明明等?氢能的研究进展［J］?材料导报,2011,25(9) 5苏海燕?储氢材料研究进展A).2005*天然气化工与一碳化工技术信息交流会 论文集［C］,2005. ⑹ 许炜,陶占良，陈军.储氢研究进展［J］.化学进展,2006,18(2) ［7］ 唐文静，傅和青，黄洪等.新型能源载体■储氢材料研究进展［J］.化工新型材 料,2006,34(10) ［8］ 刘洋.太阳能电池的研究与发展［A］.陕四省新兴能源与可再生能源发展学术 研讨会论文集［CJ.2011. ［9］ ?孔继川，缪娟?薄膜太阳能电池研究进展［J］?化工时刊,2008,22(7) ［10］ 张越?染料敏化太阳能电池研究进展［J］滴品与质量?科学理论,2011,(3) ［11］ 王岳,吴季怀，范乐庆等?柔性染料敏化太阳能电池研究进展［J］.材料导 扌艮,2010,24( 15) ［12］ 林红，李鑫，刘忆翥等.太阳能电池发展的新概念和新方向［J］.稀有金属材料与 工程,2009,38(z2)

　　GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf