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《能量转换材料与器件（第二版）》系统地阐述生物质能、地热能、太阳能、氢能、风能、海洋能、核能等主要能源的开发和利用；详细介绍这几类能源领域涉及的能量转换材料和器件；介绍各能量转换器件的工作原理，归纳总结主要的能量转换过程中所使用的关键材料。《能量转换材料与器件（第二版）》共分为8章，包括能量转换材料与器件概述、生物质能转换材料与器件、地热能转换材料与器件、太阳能转换材料与器件、氢能转换材料与器件、风能转换材料与器件、海洋能转换材料与器件、核能转换材料与器件。
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目录第1章 能量转换材料与器件概述 11.1 能量与能源 11.2 新能源特征及利用前景 21.3 能量的形态与转换 31.3.1 能量的主要形态 31.3.2 能量的转换 41.4 对能量转换系统的要求 51.4.1 对生物质能转换系统的要求 51.4.2 对地热能转换系统的要求 61.4.3 对太阳能转换系统的要求 71.4.4 对氢能转换系统的要求 71.4.5 对风能转换系统的要求 71.4.6 对海洋能转换系统的要求 81.4.7 对核能转换系统的要求 81.5 能量转换与材料和器件的关系 91.5.1 能量转换与材料的关系 91.5.2 能量转换与器件的关系 101.6 能源发展现状与趋势 12主要参考文献 13课后习题 14第2章 生物质能转换材料与器件 152.1 生物质能概述 152.1.1 生物质能的基本概念 152.1.2 生物质能利用技术 182.2 生 物 制 氢 212.2.1 生物制氢的原理 212.2.2 生物制氢的原料 322.3 生物质燃料沼气 332.3.1 燃料沼气的特性 332.3.2 沼气发酵 362.4 生物燃料乙醇 402.4.1 生物燃料乙醇的特性 412.4.2 燃料乙醇发酵工艺 452.5 生物柴油 552.5.1 生物柴油的燃料特性 552.5.2 生物柴油的生产方法 57主要参考文献 70课后习题 72第3章 地热能转换材料与器件 733.1 地热能概述 733.1.1 地热能的基本概念 733.1.2 地热资源的分布 763.1.3 地热能的开发与利用方式 773.2 地源热泵 783.2.1 地源热泵的定义及工作原理 783.2.2 地源热泵的类型 793.2.3 地源热泵的优越性 823.2.4 地源热泵技术存在的问题 823.3 地热干燥 833.3.1 地热干燥技术在工业方面的应用 833.3.2 地热干燥技术在农业等方面的应用 843.4 地热能-电能转换 853.4.1 地热能发电技术概述 853.4.2 地热蒸汽发电 873.4.3 地下热水发电 893.4.4 地压地热发电 933.4.5 干热岩地热发电 94主要参考文献 95课后习题 96第4章 太阳能转换材料与器件 984.1 太阳能概述 984.1.1 太阳辐射的基本概念 984.1.2 太阳能的利用方式 1004.1.3 太阳能的开发历史 1014.2 太阳能光电材料与器件 1024.2.1 太阳能电池原理 1024.2.2 单晶硅太阳能电池 1114.2.3 多晶硅太阳能电池 1214.2.4 非晶硅及微晶硅薄膜太阳能电池 1274.2.5 其他太阳能光电转换器件 1374.3 太阳能光热转换器件与材料 1524.3.1 太阳能热发电 1524.3.2 太阳能热水器 1584.3.3 太阳灶 1624.3.4 太阳能制冷 1634.3.5 太阳能干燥器 1664.3.6 太阳能蒸馏器 1694.4 太阳能制氢 170主要参考文献 171课后习题 172第5章 氢能转换材料与器件 1735.1 氢能概述 1735.1.1 氢能的基本概念 1745.1.2 氢能开发利用的历史 1745.1.3 氢的性质 1745.2 氢的制备及纯化 1775.2.1 氢的制备 1775.2.2 氢的纯化 1825.3 氢能转换器件的应用 1855.3.1 氢在燃气轮机发电系统中的应用 1855.3.2 氢在内燃机中的应用 1865.3.3 氢在喷气发动机中的应用 1875.3.4 氢在燃料电池中的应用 188主要参考文献 192课后习题 193第6章 风能转换材料与器件 1946.1 风力发电技术概述 1946.1.1 风能利用前景 1946.1.2 风力发电原理 1976.2 风力发电设备和材料 1996.2.1 叶片的材质 1996.2.2 碳纤维及其在风机叶片中的应用 2026.2.3 润滑油和涂料 2066.2.4 组件装备 2106.3 风力发电新设备 2116.3.1 新型蓄能发电站 2116.3.2 浮置式风力涡轮 2126.3.3 新型垂直轴风力发电机 2126.3.4 磁悬浮垂直轴风力发电机组 2136.3.5 多转子风力涡轮 2136.3.6 风筝电站 2136.3.7 智能风力涡轮叶片 2146.3.8 隐形风力发电机 215主要参考文献 215课后习题 216第7章 海洋能转换材料与器件 2177.1 海洋能概述 2177.1.1 海洋能的定义 2177.1.2 海洋能简述 2177.1.3 海洋能的潜能 2187.2 潮汐能发电 2197.2.1 潮汐能发电原理 2197.2.2 潮汐能发电技术及特征 2197.2.3 潮汐能转换材料与器件 2217.2.4 应用实例 2227.3 波浪能发电 2247.3.1 波浪能发电原理 2247.3.2 波浪能发电技术及特征 2247.3.3 波浪能转换材料与器件 2257.3.4 应用实例 2287.4 海流能发电 2297.4.1 海流能发电原理 2297.4.2 海流能发电技术及特征 2297.4.3 海流能转换材料与器件 2307.4.4 应用实例 2327.5 温差能发电 2337.5.1 温差能概述 2337.5.2 温差能发电原理 2347.5.3 温差能发电技术及特征 2347.5.4 温差能转换材料与器件 2367.5.5 温差能发电现状 2377.6 盐差能发电 2397.6.1 盐差能概述 2397.6.2 盐差能发电原理 2417.6.3 盐差能发电技术及特征 2417.6.4 盐差能发电材料与器件 2457.6.5 盐差能发电现状 247主要参考文献 248课后习题 249第8章 核能转换材料与器件 2508.1 核能概述 2508.1.1 核能简介 2508.1.2 核能的应用基础和特点 2518.1.3 核能的优越性 2538.2 核反应及核反应堆 2548.2.1 核反应的基本概念 2548.2.2 核反应堆简介 2618.2.3 核反应堆材料 2638.3 核电的发展现状及趋势 2668.3.1 核电的发展现状 2668.3.2 核电的发展趋势 266主要参考文献 267课后习题 267
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第1章 能量转换材料与器件概述 1.1 能量与能源 能量是度量物质运动的一种物理量，又称能，通常解释为物质做功的能力。对应于物质的各种不同的运动形式有不同形式的能量。能量的基本类型有位能、动能、势能、电能、磁能、光能、热能、机械能、化学能、重力位能和核能等。能量与系统的状态有关，是系统状态的单值函数，系统处在一定状态就具有一定的能量。如煤具有一定的能量，当煤燃烧以后，其状态发生了变化，一部分能量就释放出来了。 能够提供某种形式能量的物质，或是物质的运动，统称为能源。能源是一种可以提供能量的物质，如煤、石油、天然气等通过燃烧可以提供热能；也有些物质只有在运动中才能提供能量，这些物质的运动也称为能源，如空气和水只有在运动中才能提供动能—风能和水能。 由以上的定义可见能量与能源是不同的概念。能源物质中储存着各种形式的能量，并可为人类提供各种形式的能量（表1-1）。 能源有多种分类方法，按形成方式可分为一次能源（如煤、石油、天然气、太阳能等）和二次能源（如电、煤气、蒸汽等）；按使用性质可分为含能体能源（如煤、石油等）和过程能源（如太阳能、电能等）；按环境保护的要求可分为清洁能源（又称为绿色能源，如太阳能、氢能、风能、潮汐能等）和非清洁能源；按循环方式可分为不可再生能源（如化石燃料）和可再生能源（如生物质能、氢能、化学能）；按使用或研究的成熟程度可分为常规能源和新能源。 1.2 新能源特征及利用前景 能源、信息、材料和生物是现代文明的四大支柱。推动社会发展和经济进步的主要物质基础是能源，能源技术的每次进步都带动人类社会的迅速发展。随着煤、石油和天然气等化石燃料资源的消耗及生态环境保护的迫切需要，人类越来越重视新能源的开发利用。新能源的开发利用将促进世界能源结构的转变，新能源技术的日臻成熟将带来产业变革。 太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等可再生能源，因其资源分布广、环境污染小、利用潜力大和可持续利用等特点，有利于人与自然的和谐发展。从长远来看，开发以环境友好为特征的可再生能源，使其在保障能源供应中发挥重要作用，已成为我国未来可持续能源战略的唯一选择。进入21世纪后，我国对新能源技术的发展非常重视。2022年1月，国家发展改革委、工业和信息化部、住房和城乡建设部、商务部、市场监管总局、国管局、中直管理局联合印发了《促进绿色消费实施方案》。该方案提出，到2025年，初步形成绿色低碳循环发展的消费体系。 太阳能作为一种可再生绿色能源是取之不尽、用之不竭的，人类通过光电转换、光热转换和光化转换等技术创造了热发电、蓄热、光伏发电和光化学发电。目前太阳能的开发利用还存在成本高、使用寿命短以及转换效率低等问题。 风能是由太阳的热辐射引起大气流动的一种能量，也是一种清洁的可再生能源，风能利用的主要方式是风力发电。 氢能因其来源广、质量轻、传热效率高和清洁等特点，有着广阔的开发前景。目前世界各国的研究热点主要集中在氢能的制备、储存和小规模利用上，离大规模利用还有一定距离。 生物质能也是绿色能源的一种，它将成为未来可持续利用新能源系统中不可缺少的重要组成部分。生物质气化、液化、固化和发电技术的开发和应用是近年世界各国的研究热点。 另外，地热能、海洋能和可燃冰也都是大自然馈赠的巨大能源财富。积极开发研究多种多样的新能源，提供新的开发利用技术，是实现社会稳定和可持续发展的迫切要求。 通过预测和比较，七种可再生能源资源供给量状况如下。 （1）生物质能。生物质能目前约占全球能源总消费的6%～7%。估计地球每年植物光合作用固定的碳为2.0×1011t，含能量3×1021J。地球上的植物每年生产的能量是目前人类每年消耗矿物能的20倍。 （2）地热能。地热能是来自地球深处的可再生能源。全世界地热资源总量大约为1.45×1026J，相当于全球煤储热能的1.7亿倍，是分布广、洁净、热流密度大、使用方便的新能源。 （3）太阳能。太阳能是人类可利用的*主要的可再生能源。太阳每秒输出的能量约为1.73×108GW，到达地球的能量大约是这个数值的22亿分之一，每年辐射到地球陆地的能量大约为8.5×107GW。这个数量远大于人类目前消耗的能量的总和，相当于5.0×106t标准煤燃烧释放出的能量。 （4）氢能。氢能是未来*理想的二次能源。氢以化合物的形式储存于地球上*广泛的物质—水中，如果把海水中的氢全部提取出来，其能释放的总能量将是地球现有化石燃料储能的9000倍。 （5）风能。风能是大气流动的动能，是来源于太阳能的可再生能源。估计全球风能储量为1×1011GW，如有千万分之一能被人类利用，就有1×104GW的可利用风能，这个数值等于目前全球的电能总需求量，也是全球可利用水力资源的10倍。 （6）海洋能。海洋能是依附在海水中的可再生能源，包括潮汐能、潮流能、海流能、波浪能、海水温差能和海水盐差能。全世界海洋能的理论可再生量为7.6×104GW，相当于人类目前需求电能的总和。 （7）核能。核能是原子核结构发生变化时放出的能量。核能释放方式包括核裂变和核聚变。核裂变所用原料铀每克就可以释放相当于30t煤所储存的能量，而核聚变所用的氘仅用560t就可以为全世界提供一年所需的能量。海洋中氘的储量可供人类使用几十亿年，也是取之不尽、用之不竭的清洁能源。 地球正面临着不可回避的多种矛盾，如人口迅速增长和人类对生活质量的要求不断提高的矛盾，能源需求的大幅增加与化石能源的日益减少的矛盾，以及各种能源形式的开发与利用和生态环境保护的门槛提升的矛盾。时代呼吁新能源技术的高速发展，各种新能源的能量转换、储存及传输的理论和技术是21世纪能源与工程研究的重大课题。 1.3 能量的形态与转换 1.3.1 能量的主要形态 目前，人类认识的能量主要有如下六种形态。 （1）机械能。它包括固体和流体（能够流动的物体）的动能、势能、弹性能及表面张力能。动能和势能统称为宏观机械能，是人类*早认识的能量。在牛顿力学中，机械能表现为平动动能Ek、转动动能Er和重力势能Ep。可再生能源中的水能、波浪能、风能也属于这种能量形式。 （2）热能。热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，热能在能量利用中有着重要的意义。热能的本质是微观粒子随机热运动的动能和势能的总和，这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的剧烈程度。由于分子运动速度越快，物体的温度越高，因此，在热力学中，热能也表示为由温差传递的能量。在实际应用中，绝大多数化石能的利用，都是先将燃料的化学能转换为热能，然后再将热能转换成其他形式的能量。 （3）电能。它是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。 （4）辐射能。物体以电磁波形式发射的能量称为辐射能，如地球表面所接收的太阳能就是辐射能的一种。辐射能被物体吸收时产生热效应，物体吸收的辐射能不同，所表现的温度也不同。因此，辐射是能量转换为热量的重要方式。地球表面所接收的太阳能就是*重要的辐射能。 （5）化学能。它是一种原子核外进行化学反应时放出的能量。人类利用*普遍的化学能是通过燃烧碳和氢获得的，而碳和氢正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中*重要的可燃元素。同时，光化学反应涉及的能量包括化学键能、热能与辐射能等。当燃料燃烧时，内部的化学键能转换成为分子热运动的热能和辐射能。干电池和蓄电池就是利用了化学能。 （6）核能。核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。释放巨大核能的核反应有两种，即核裂变反应和核聚变反应。 1.3.2 能量的转换 能量在使用过程中会发生转换。人们通常所说的能量转换是指能量形态上的转换，如燃料的化学能通过燃烧转换成热能，热能通过热机再转换成机械能。然而广义地说，能量转换还应当包含以下两项内容：一是能量空间转换，即能量传输；二是能量时间转换，即能量储存。 任何能量的转换过程都必须遵循自然界的普遍规律—能量守恒定律，即 输入能量?输出能量=储存能量变化 人类目前使用*多、*普遍的能量形式是热能、机械能、电能。它们都可以由其他形态的能量转换而来，而它们之间也可以相互转换。然而任何能量的转换过程都需要一定的转换条件，并在一定的设备或系统中才能实现。表1-2为能量转换过程及应用。 1.4 对能量转换系统的要求 以下列举几种常见的能量转换器件，简要介绍能量转换过程对能量转换系统的要求。 1.4.1 对生物质能转换系统的要求 生物质能的利用受资源分散、能量密度低、能量转换效率低等多种条件制约，因此生物质能转换系统的开发利用在技术上应该多途并进，重点发展生物质能直接氧化燃烧和供热发电技术、压缩成型技术、热化学转换技术（气化法、热分解法、液化法和生化法）、大中型沼气工程技术、生物质能气化以及集中供气发电技术和生物液体燃料发电系统，为生物质能开发利用的规模化建设和跨越式发展提供技术支撑。 生物化学过程是利用原料的生物化学作用和微生物的新陈代谢作用生产气化燃料和液化燃料。该技术主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气和在微生物作用下生成乙醇等能源产品。沼气发酵微生物过程要求适宜的条件，对温度、酸碱度、氧化还原电势以及其他各种环境因素都有一定要求。因此对于生物质能转换系统中的沼气技术的要求如下。 （1）建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池（罐），保证一个严格厌氧环境。 （2）根据不同的发酵类型控制一定的发酵温度，使得产气速率*高，且保持产气稳定、安全。 （3）不同的发酵原料有不同的产气量和产气速率，根据需求及效益选择不同的发酵原料。 （4）要对沼气池内原料进行搅拌，使池内温度均匀，使微生物与发酵原料充分接触，提高原料利用率，加快发酵速度，提高产气量。 （5）沼气池设计要求构造简单、施工方便、使用寿命长、力学性能好、材料适应性强、造价低等。 （6）考虑沼气脱硫及稳压、防爆、控制沼气-空气混合比及进气速率，提高沼气利用的可靠性。 1.4.2 对地热能转换系统的要求 地热发电是以地下热水和蒸汽为动力源带动锅炉发电的技术。其基本原理与火力发电类似，依据能量转换原理，蒸汽轮机将热能转换为机械能，再带动发电机发电。地热发电不需要燃料，仅利用地热能，但需要利用载热体把热能从地下带到地面上来。地热发电清洁简易，整个发电体系的二氧化碳排放量只有火力发电的几十分之一，是核能发电的一半左右，可认为基本不产生二氧化碳，且地热发电不受风力等季节和气象条件限制。根据地热田的类型及温度可把地热发电分为蒸汽发电、热水发电、联合循环发电、全流发电和干热岩发电。地热蒸汽发电包括一次地热蒸汽发电和二次地热蒸汽发电，闪蒸地热水发电包括单循环闪蒸地热水发电和双循环闪蒸地热水发电。 （1）地热蒸汽发电热力系统。把地热田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但是在引入发电机组前应把蒸汽中所含有的岩屑和水滴（直径为10μm及以上）分离出去。 （2）单循环闪蒸地热水发电热力系统。闪蒸是将井口出来的中温地热水汽混合物，先借助扩容器进行扩容降压产生部分蒸汽（也叫闪蒸），再将蒸汽引到一般汽轮机实现做功发电。扩容后排出的地热水，可以再回灌地下或作他用。单循环闪蒸地热水发电又可分为单级闪蒸系统和双级闪蒸系统，单级闪蒸系统简单、投资低，但热效率低、厂用电率高，主要用于中温地热田发电。双级闪蒸系统热效率较高、厂用电率较低，但系统复杂，投资较高。 （3）双循环闪蒸地热水发电热力系统。在蒸发器中的地热水先将低沸点介质加热蒸发为气
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