本课程将为学生提供有关能量转换技术的功能和效率的具体知识。课程完成后,学生将有知识来对功率周期和不同系统进行简单计算。本课程涵盖了热力学的基础知识以及应用于能量系统的运输过程。该课程还将在广泛的能源领域中纳入基本面,过程和系统的分析工具,旨在教育能源技术领域的未来领导者。该课程还通过在通用框架内引入该字段中使用的常见概念和工具来涵盖能源转换,利用和存储,该框架使学生可以分析多个替代系统并根据与预期性能兼容的基本原理确定。
与当前的技术状态相比,美国能源部(DOE)提议向普渡大学提供联邦资金,以开发具有增强稳定性和电子特性的太阳能钙钛矿细胞。普渡大学将专注于将半导体配体(即与金属原子结合的分子)整合到细胞中。与技术的当前状态相比,配体将覆盖太阳能电池并提高设备内能量交换的能量转换效率和控制能量交换的方面,从而提高稳定性和能源效率。与项目相关的活动包括数据分析,计算机建模,概念设计工作,材料合成,表征,太阳能电池/微型模块制造和性能测试。
发现石墨烯对2D材料引起了极大的兴趣,该材料呈现出具有高各向异性和可调节能带结构的超薄分层结构。有趣的是,它为开发2D材料家族的开发打开了大门,其中包括不同类别的2D材料。在其中,出现了过渡金属二甲化合物(TMD)和过渡金属碳化物MXENES(TMC)。tmds具有独特的分层结构,低成本,由地球丰富的元素组成,但是它们的电子电导率差,循环性较差,其在电化学测量过程中的结构和形态变化阻碍了其实际使用。最近,TMC MXENES在2D材料世界中引起了人们的关注,但是重新打包和聚合的问题限制了它们在大规模的能量转换和存储中的直接使用。为了应对这些挑战,基于导电TMCS MXENES和电化学活性TMD的杂种结构已成为有前途的解决方案。但是,了解异质结构材料中的固体/实心界面仍然是一个挑战。为了解决这个问题,高容量,低扩散屏障和良好的电子结构率的2D单个成分晶体非常寻求。过渡金属碳 - chalcogenides(TMCC)的出现提供了潜在的解决方案,因为这些2D纳米片由TM 2 x 2 C组成,其中TM代表过渡金属,X是S或SE和C原子。这种新的2D材料类是一种补救措施,避免了与异质结构中经常遇到的固体/实心接口相关的挑战。本综述着重于TMCC的最新发展,包括它们的合成策略,表面/接口工程以及电池,水分拆分和其他电催化过程中的潜在应用。还讨论了TMCC设计对电化学能量转换和存储的挑战和未来观点。
这项工作是我在 2018 年至 2021 年担任亚琛工业大学电力电子与电气驱动研究所 (ISEA) 电化学能量转换与存储系统系主任期间从事的研究助理工作期间开展的。这项工作的动机是基于物理建模、电池数据和机器学习的集成来开发电池系统的数字孪生,以更好地利用锂离子电池。如果没有欧盟通过 EVERLASTING (713771) 和 BSMS (EU-1-1-081) 项目提供的资金、德国联邦教育和研究部 (BMBF) 通过 Model2Life (03XP0334) 项目提供的资金以及德国联邦交通和数字基础设施部 (BMVI) 通过 X-EMU (03B10502B) 项目提供的资金,这项工作就无法完成。
电能在我们的日常生活和工业生产中起着非常重要的作用。化石燃料、核热能和可再生能源(例如太阳能、风能和生物质能)都可以转换成电能[1]。不幸的是,能量转换过程总是伴随着大量的能量损失。例如,核热能转化为电能的效率仅为约30%。此外,来自可再生能源的电能高度依赖于天气、季节和地域,无法及时满足实际需求。因此,迫切需要解决电能的存储和转换问题。开发先进的能量存储和转换技术对于提高能源利用效率和扩大能源应用领域至关重要。二次电池、超级电容器、水电解器和燃料电池是一些典型的电化学能量存储和转换装置。图1.1显示了这些电化学能量存储和转换系统的示意图[2]。水电解器可将电能转化为化学能,产生氢气(转化效率约为 70%),供燃料电池进一步使用。在相反的过程中,燃料电池将化学能转化为电能。二次电池(如锂离子电池)的能量转化过程是可逆的。在充电过程中,电能可以转化为化学能 [3]。在放电过程中,化学能又转化回电能。转化速度决定了系统功率,而存储容量与系统能量有关。一般来说,由于内部系统的原因,能量转换和存储的活性材料被集成到二次电池中。与二次电池不同,电解器和燃料电池系统适用于分离的转换器和存储。这种电化学存储和转换系统通常比集成存储和转换器的系统提供更高的能量。因此,电解器和燃料电池也引起了广泛关注 [4]。本文简要概述了典型的二次电池、超级电容器、燃料电池和水电解器。
在双绿色和数字过渡的背景下,欧洲必须预测并量化为满足电气化和能源存储的转化要求所必需的巨大原材料投资需求。随着太阳能,风能和燃料电池技术的兴起,将产生增加可再生能源的数量,这将需要大量的原材料和金属,其中许多是至关重要的,在欧洲很容易发现。能量存储和能量转换很重要,因为该技术允许我们在需要时使用能量,以及在任何给定时刻都不会生成能量时。许多能源(例如风能和太阳能)是间歇性的,这意味着它们并不总是可用或一致。的存储和转换系统有助于支持这些来源的可变性,并确保在需要时可用。
机械设备:与太阳能系统相关的任何设备,例如户外电动机/控制盒,都将能量从太阳能系统转移到预期的现场结构。太阳能访问:财产所有人在所有者的土地上拥有阳光照射的权利。(该权利的执行是通过建立高度和挫折要求的分区条例。)太阳能系统:一个能量转换系统,包括附属系统,将太阳能转换为可用的能源形式,以满足现场用户的全部或部分能源需求。该定义应包括被动太阳能和主动太阳系。太阳眩光:由太阳能电池板反射的光所产生的效果,其强度足以引起视觉性能和可见性的烦恼,不适或损失。第2节。适用性:
XL4016 稳压器旨在最大限度地减少外部元件的数量。该模块由 XL4016 稳压器和一些其他有源(半导体)和无源元件组成。它具有 7805 5V 稳压器,可调节 LM358 芯片的输入电压,该芯片用作反馈电压比较器。TL431 用作分流稳压器,用作比较器电路的正电压基准。XL4016 是一个开关稳压器,这意味着它用作高频开关。双(肖特基)二极管用作电压整流器,它具有高速特性,这对于转换器的效率至关重要。电感线圈用作能量转换元件。转换器电路具有输入和输出电解电容器,它们用作滤波器,以清除电路中先前未调节和开关部分的纹波并存储电能。