【論文關(guān)鍵詞】：電力技術(shù) 電源

【論文摘要】: 電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、分配和使用的技術(shù)將成為電力技術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。

“電力技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”，這個(gè)論斷已經(jīng)逐漸成為人們的共識(shí)。研究表明，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，提高電力在終端能源中的比例。因?yàn)椋诒ＷC相同的能源服務(wù)水平的前提下,使用電力這種優(yōu)質(zhì)能源最清潔、方便，易于控制、效率最高。如果能將大量分散燃用的化石燃料都高效潔凈地轉(zhuǎn)換為電力使用，人們賴(lài)以生存的環(huán)境和生活質(zhì)量就會(huì)大大改善。因此，電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、分配和使用的技術(shù)將成為電力技術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。以下將對(duì)若干電力前沿技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)述。

1.分布式電源

當(dāng)今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)(IC)、微型燃?xì)廨啓C(jī)(Microtur_bines)和各種工程用的燃料電池(FuelCell)。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與“小機(jī)組”已不是同一概念。

1.1微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)(MicroTurbine),是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為96000r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)，工作溫度500℃，其發(fā)電效率可達(dá)30%。目前國(guó)外已進(jìn)入示范階段。其技術(shù)關(guān)鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見(jiàn)，電工技術(shù)的突破常常取決于材料科學(xué)的進(jìn)步。

1.2燃料電池

燃料電池是直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱(chēng)為21世紀(jì)的分布式電源。

1.2.1燃料電池的工作原理

燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過(guò)程。氫基燃料送入燃料電池的陽(yáng)極(電源的負(fù)極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負(fù)氧離子通過(guò)2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極與氫離子結(jié)合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護(hù)與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器(又稱(chēng)為燃料重整器)。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無(wú)須配備重整器。磷酸型燃料電池(PAFC)是目前技術(shù)成熟、已商業(yè)化的燃料電池。現(xiàn)在已能生產(chǎn)大容量加壓型11MW的設(shè)備及便攜式250kW等各種設(shè)備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池(MCFC)，工作在高溫(600～700℃)下，重整反應(yīng)可以在內(nèi)部進(jìn)行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進(jìn)行兆瓦級(jí)的驗(yàn)證試驗(yàn)。固體電解質(zhì)燃料電池(SOFC)被稱(chēng)為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，未來(lái)可用于煤基燃料發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池是最有希望的電動(dòng)車(chē)電源。

1.2.2性能和特點(diǎn)

燃料電池有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發(fā)電效率可達(dá)100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實(shí)際效率可達(dá)58.4%。通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達(dá)到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無(wú)關(guān)，小型設(shè)備也能得到高效率。

(2)處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負(fù)荷變化的能力非常強(qiáng)，可以在1s內(nèi)跟隨50%的負(fù)荷變化。

(3)噪音低;可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的零排放;省水。

(4)安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)

目前燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的障礙是造價(jià)高，在經(jīng)濟(jì)性上要與常規(guī)發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)尚需時(shí)日。

1.2.3技術(shù)關(guān)鍵和研究課題

燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價(jià)格等與商業(yè)化有關(guān)的項(xiàng)目，主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池(MCFC)在高溫條件下液體電解質(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實(shí)用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕;電極細(xì)孔構(gòu)造變化使電池性能下降等問(wèn)題。固體氧化物燃料電池(SOFC)使用固體電解質(zhì)且工作溫度很高,對(duì)構(gòu)成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學(xué)性穩(wěn)定和致密性(不通過(guò)氣體)的電解質(zhì)，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應(yīng)盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結(jié)法和電化學(xué)蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。實(shí)用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05mm。比較先進(jìn)的已達(dá)到0.01mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應(yīng)當(dāng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度外，必須具有高度的氣體致密性，否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運(yùn)行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好，但費(fèi)用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導(dǎo)電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個(gè)重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導(dǎo)電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造價(jià)就可以大幅度降低。

2.大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用硅片引起的“第二次革命

2.1大功率電力電子器件的重大進(jìn)展

電力電子學(xué)(PowerElectronics)的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史。電力電子學(xué)器件用于電力拖動(dòng)、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。大功率電子器件(HighPowerElectronics)的快速發(fā)展也引起了電力系統(tǒng)的重大變革，通常稱(chēng)為硅片引起的第二次革命。

近年來(lái)，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力的一次系統(tǒng)。可控硅(晶閘管)用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。大功率電子器件應(yīng)用于靈活的交流輸電(FACTS)、定質(zhì)電力技術(shù)(CustomPower)以及新一代直流輸電技術(shù)則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，將成為電力研究前沿。

2.2靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)

靈活交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。新晨范文網(wǎng)

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機(jī)械控制的移相器、帶負(fù)荷調(diào)變壓器抽頭、開(kāi)關(guān)投切電容和電感、固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置等，只能實(shí)現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)慢，無(wú)法適應(yīng)在暫態(tài)過(guò)程中快速靈活連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網(wǎng)發(fā)展的需求促進(jìn)了靈活交流輸電這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

盡管靈活交流輸電技術(shù)已在多個(gè)輸電工程中得到應(yīng)用，并證明了它在提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功、提高系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，但其推廣應(yīng)用的進(jìn)展步伐比預(yù)期的要慢。主要原因有：工程造價(jià)比常規(guī)的解決方案高，因此，只有在常規(guī)技術(shù)無(wú)法解決的情況下，用戶(hù)才會(huì)求助于FACTS技術(shù);FACTS技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。目前FACTS技術(shù)的應(yīng)用還局限于個(gè)別工程，如果大規(guī)模應(yīng)用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術(shù)問(wèn)題，例如：多個(gè)FACTS裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合問(wèn)題;FACTS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護(hù)的銜接問(wèn)題;FACTS控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問(wèn)題等等。也有專(zhuān)家認(rèn)為，F(xiàn)ACTS技術(shù)尚不能更快推廣應(yīng)用是因?yàn)殡娏Σ块T(mén)對(duì)新技術(shù)持謹(jǐn)慎觀望態(tài)度，只有相當(dāng)成熟的技術(shù)才會(huì)大規(guī)模應(yīng)用。

隨著電力電子器件的性能提高和造價(jià)降低，以電力電子器件為核心部件的FACTS裝置的造價(jià)會(huì)降低，可能會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)比常規(guī)的輸配電方案更具競(jìng)爭(zhēng)力。