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時間：2023-03-10 15:03:45
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1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理
按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。
PEMFC的基本工作過程如下：
（1）氫氣通過雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
（2）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽極側(cè)積累；
（3）氧氣通過雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差；
（4）陽極和陰極通過外電路連接起來，在陽極積聚的電子就會通過外電路到達(dá)陰極，形成電流，對負(fù)載做功。同時，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；
（5）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對外提供電能。
2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)
（1）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達(dá)85-90%，目前的實(shí)際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。
（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計方法簡化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計制造過程。
（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當(dāng)屏蔽措施，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會導(dǎo)致整個動力系統(tǒng)的癱瘓。
（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
（5）環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內(nèi)燃機(jī)而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。3研究現(xiàn)狀
3.1關(guān)鍵部件
電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴(kuò)散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。
電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業(yè)型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。
雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導(dǎo)氣體在電池內(nèi)電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導(dǎo)氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。
鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地?fù)?dān)載到導(dǎo)電、抗腐蝕的擔(dān)體上，目前廣泛采用的擔(dān)體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。
PEMFC的氣體擴(kuò)散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴(kuò)散層，另一層為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場所催化層。擴(kuò)散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。
3.2測控系統(tǒng)
PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運(yùn)行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測各個影響因素。即運(yùn)用有效的措施來連續(xù)監(jiān)測PEMFC運(yùn)行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測和及時診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進(jìn)行PEMFC測試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機(jī)構(gòu)眾多，但仍沒有制定出有關(guān)PEMFC測試的國際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，不過已有實(shí)用的測試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站（FCATS）、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。
4質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用
質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實(shí)用程度較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動的場合。因此世界各大汽車生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車動力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動力源的PEMFC電動車，曾先后推出各種類型的樣車，并進(jìn)行PEMFC電動車隊(duì)的示范運(yùn)行。PEMFC電動車以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認(rèn)為將是21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)汽車最為有力的競爭者。
此外，在航空航天特別是無人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動電子設(shè)備電源、水下機(jī)器人及潛艇不依賴空氣推進(jìn)電源等方面也有廣泛應(yīng)用前景。
5質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢
在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價格昂貴，開發(fā)非全氟的廉價質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點(diǎn)是開發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導(dǎo)率，但成本較高，加工難度大，強(qiáng)度、電導(dǎo)率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來發(fā)展的趨勢。
在電堆方面，今后的研究重點(diǎn)將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對電堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。
氫和氧氣是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長遠(yuǎn)發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進(jìn)行高效、清潔發(fā)電的有效途徑。我國豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來源。
燃料電池具有高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低的誘人特點(diǎn)，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機(jī)、潛艇、水下機(jī)器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場前景十分廣闊。人們預(yù)測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四電方式[1]，它將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。
1，中國燃料電池技術(shù)的進(jìn)展
“燃料電池技術(shù)”是我國“九五”期間的重大發(fā)展項(xiàng)目，目標(biāo)是，利用我國的資源優(yōu)勢，從高起點(diǎn)做起，加強(qiáng)創(chuàng)新；在“九五”期間，使我國燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國際水平。內(nèi)容包括“質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)”及“固體氧化物燃料電池技術(shù)”三大項(xiàng)目[2]，其中，用于電動汽車的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池”列為開發(fā)的重點(diǎn)。此項(xiàng)任務(wù)由中國科學(xué)院及部門所屬若干研究所承擔(dān)。所定目標(biāo)業(yè)已全部實(shí)現(xiàn)。
在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國研究開發(fā)的這類電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車的技術(shù)水平，可以與世界發(fā)達(dá)國家競爭，而且在市場份額上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我國自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關(guān)計劃的重點(diǎn)項(xiàng)目以后，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在全國范圍內(nèi)全面開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進(jìn)展，相繼組裝了多臺百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車已研制成功，現(xiàn)已開發(fā)出200瓦電動自行車用燃料電池系統(tǒng)。百瓦級移動動力源和5kW移動通訊機(jī)站動力源也已開發(fā)成功。千瓦級電池系統(tǒng)作為動力源，已成功地進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。由6臺5kW電池組構(gòu)成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國首臺燃料電池輕型客車動力源。裝車電池最大輸出功率達(dá)46千瓦。目前該車最高時速達(dá)60.6km/h，為燃料電池電動汽車以及混合動力電動汽車的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。該電池堆整體性能相當(dāng)于奔馳、福特與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的水平[3]。我國目前正在進(jìn)行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開發(fā)和燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成的研究。
在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）方面，我國已經(jīng)研制出α和γ型偏鋁酸鋰粗、細(xì)粉料，制備出大面積（大于0.2m2）的電池隔膜，預(yù)測隔膜壽命超過3萬小時。在進(jìn)行材料部件研究的基礎(chǔ)上，成功組裝和運(yùn)行了千瓦級電池組。
在固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)方面，已經(jīng)制備出厚度為5-10μm的負(fù)載型致密YSZ電解質(zhì)薄膜，研制出一種能用作中溫SOFC連接體的Ni基不銹鋼材料。負(fù)載型YSZ薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達(dá)到0.4W/cm2,負(fù)載型LSGM薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達(dá)到0.8W/cm2。這些技術(shù)創(chuàng)新為研制千瓦級、十千瓦級中溫固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2，國外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛
燃料電池是新世紀(jì)最有前途的清潔能源，是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇。因此，燃料電池技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視。美國將燃料電池技術(shù)列為涉及國家安全的技術(shù)之一，《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀(jì)10大高技術(shù)之首；日本政府認(rèn)為燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；加拿大計劃將燃料電池發(fā)展成國家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來，國外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過50億日元[4]。
歐、美發(fā)達(dá)國家和日本等國政府和企業(yè)界都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，并且已取得了許多重要成果，PEMFC技術(shù)已發(fā)展到實(shí)用階段，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，用于國防、航天、汽車、醫(yī)院、工廠、居民區(qū)等方面；各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成，其中，國際燃料電池產(chǎn)業(yè)巨頭加拿大巴拉德公司籌資3.2億美元，建成的燃料電池廠已于2001年2月正式投產(chǎn)。美國和歐洲將成批生產(chǎn)低成本的家用供電－供暖燃料電池作為最近的開發(fā)計劃。目前，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正快速進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段。
目前，車用氫燃料電池已成為世界各大汽車公司技術(shù)開發(fā)的重中之重。迄今為止，世界6大汽車公司在開發(fā)氫燃料電池車上的開發(fā)費(fèi)用已超過100億美元，并以每年10億美元的速度遞增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的車用燃料電池就達(dá)41種。
3，我國開發(fā)燃料電池技術(shù)相對乏力
我國研究燃料電池有過起落。在20世紀(jì)60年代曾開展過多種燃料電池的實(shí)驗(yàn)室研究，70年入大量人力物力開展用于空間技術(shù)的燃料電池研究，其后研究工作長期停頓。最近幾年，我國才開始重新重視燃料電池技術(shù)的研究開發(fā)，并取得很大進(jìn)展。特別在PEMFC方面，達(dá)到或接近了世界水平。但是，在總體上，我國燃料電池的研究開發(fā)剛剛起步，仍處于科研階段，與國外相比，我國的燃料電池研究水平還較低，我國對燃料電池的組織開發(fā)力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，開發(fā)以煤作為一次能源的高溫型MCFC和SOFC具有特別重要的意義。但是我國在MCFC、SOFC研究方面與國外的差距很大，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、商業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走。迄今為止，我國還沒有燃料電池發(fā)電站的應(yīng)用實(shí)例。這和我國這樣一個大國的地位很不相稱。盡管國家也將燃料電池技術(shù)列為"九五"攻關(guān)項(xiàng)目，國家和企業(yè)投入的資金卻極為有限，年度經(jīng)費(fèi)僅為千萬元量級人民幣，與發(fā)達(dá)國家數(shù)億美元的投入相比顯得微不足道；承擔(dān)研究任務(wù)的也只是中科院等少數(shù)科研院所，且研究力量分散，缺少企業(yè)的介入，難以取得突破性進(jìn)展，尤其是難以將取得的研究成果進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，以形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。從表1所列國外燃料電池的研究和開況看，歐、美國家和日本等大多是以公司企業(yè)為主在從事燃料電池的研究開發(fā)和制造生產(chǎn)，而且規(guī)模很大，例如，僅加拿大的Ballard一家公司的資產(chǎn)就達(dá)10億美元。
4，大力發(fā)展燃料電池技術(shù)勢在必行
從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢頭看，本世紀(jì)頭十年將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實(shí)用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。預(yù)計燃料電池系統(tǒng)將在潔凈煤燃料電池電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，潛在市場十分巨大。可以預(yù)料，分散電源供電系統(tǒng)——燃料電池發(fā)電廠必將在21世紀(jì)內(nèi)取代以“大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓”為主要特征的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，成為電力行業(yè)的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應(yīng)用，必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場深刻的革命，促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)的形成，帶動國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。能源領(lǐng)域的這場革命是我國政府、企業(yè)、科研院所、高等院校不得不正視的課題，我們對此必須有充分認(rèn)識并給予足夠的重視。我們應(yīng)該準(zhǔn)確把握這場革命所帶給我們的機(jī)遇，毫不遲疑地投入足夠的人力、物力、財力，推動燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用工作，使之早日實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化，為我國的國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。
“電力技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”，這個論斷已經(jīng)逐漸成為人們的共識。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)?，在保證相同的能源服務(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，人們賴以生存的環(huán)境和生活質(zhì)量就會大大改善。因此，電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲存、分配和使用的技術(shù)將成為電力技術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。以下將對若干電力前沿技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景進(jìn)行簡單評述。
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)（Microtur_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?？梢?，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程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(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2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達(dá)陽極與氫離子結(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（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無須配備重整器。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)行兆瓦級的驗(yàn)證試驗(yàn)。固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）被稱為第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車電源。
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)用的障礙是造價高，在經(jīng)濟(jì)性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。
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
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、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，通常稱為硅片引起的第。
近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力的一次系統(tǒng)?？煽毓瑁ňчl管）用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長的歷史。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
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，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程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(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2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達(dá)陽極與氫離子結(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（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無須配備重整器。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)行兆瓦級的驗(yàn)證試驗(yàn)。固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）被稱為第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車電源。
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)用的障礙是造價高，在經(jīng)濟(jì)性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。
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的造價就可以大幅度降低。論文百事通
2.大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用硅片引起的“第
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、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，通常稱為硅片引起的第。
近年來，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發(fā)和應(yīng)用，將成為電力研究前沿。新晨
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。
中圖分類號：TU852文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2010) 14-0000-01
Power Electronics and New Energy Power Generation Technology
Yang Lin
(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)
Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.
Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control
我們已進(jìn)入21世紀(jì)，這是一個全新的時代，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展給人們的生活帶來了很多的便利，但隨之而來的卻是能源的耗竭，原本豐富的能源如今已變得匱乏，并危及到人們未來的生產(chǎn)生活。與此同時，毫無顧忌的能源利用還造成了大氣的嚴(yán)重污染，從而又引發(fā)能源危及，這樣的惡性循環(huán)會直接危及到人類的發(fā)展，甚至威脅人類的健康和繁衍。因此，開拓新能源，減少能量源浪費(fèi)成為當(dāng)今世界最為關(guān)注的話題。
一、新能源的發(fā)電方式
（一）太陽能發(fā)電
太陽能發(fā)電開始于上世紀(jì)50年代，當(dāng)時，第一塊實(shí)用的硅太陽電池研制成功，如今，太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了半個世紀(jì)的發(fā)展，其技術(shù)也在日益成熟。目前，占主流的太陽電池仍然是硅太陽電池，主要分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。典型的太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，太陽電池陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，把太陽能變?yōu)殡娔?，再由功率變換器將太陽電池輸入到直流電中，最后轉(zhuǎn)換成用戶所要使用的電源模式。根據(jù)用戶的需求，功率變換器可以選擇直流斬波器進(jìn)行DC/DC變換，或采用逆變器進(jìn)行DC/AC變換。而功率變換裝置還應(yīng)包括蓄電池系統(tǒng)，主要是為了平衡電流。如果太陽光充足，可以利用太陽能，并利用蓄電池充電；如果在夜晚或者陽光不充足時，就可以使用蓄電池供電。
（二）風(fēng)力發(fā)電
如今，風(fēng)力的主要運(yùn)用方式就是風(fēng)力發(fā)電，它的發(fā)展速度最快，也最受全世界關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電主要有3種運(yùn)轉(zhuǎn)方式：
1.獨(dú)立運(yùn)行方式，利用一臺小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)向需要的用戶提供電能，它還可以通過蓄電池充電，預(yù)防無風(fēng)時影響發(fā)電效果；
2.風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式相結(jié)合的聯(lián)合供電方式，主要向交通不便或偏遠(yuǎn)山區(qū)供電，以及地廣人稀的草原牧場提供電力；
3.并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行方式，將風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)安裝在條件較好的地區(qū)，常常是一處風(fēng)場安裝幾十臺甚至幾百臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這也是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速的條件下運(yùn)行，其發(fā)電機(jī)輸出的電壓的幅值和頻率是變化的，所以，通常要配置電力電子功率變換器，通過這種裝置控制電流，保證輸出的電壓是平衡穩(wěn)定的。
（三）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)
燃料電池（Fuel Cell）是將反應(yīng)物如氫氣等的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。它通過燃料（通常是氫氣）和氧氣結(jié)合所發(fā)生的光電反應(yīng)來發(fā)電。燃料電池發(fā)展了這么久，根據(jù)電介質(zhì)的不同，主要分為5種燃料電池：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔鹽燃料電池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
實(shí)際上，燃料電池也有其優(yōu)點(diǎn)，例如：發(fā)電效率高：發(fā)熱少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料電池發(fā)電主要集中在以下幾個方面：燃料電池特性研究；燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和高效功率變換的研究；能量管理技術(shù)；孤島檢測和保護(hù)技術(shù)，并網(wǎng)電流控制；并網(wǎng)運(yùn)行與獨(dú)立運(yùn)行之間的無縫切換控制技術(shù)。
燃料電池所輸出的電壓會隨著電壓的變化，發(fā)生較大范圍的變化。燃料電池的輸出電壓在負(fù)載發(fā)生突變時還要經(jīng)過一段時間才能停止反應(yīng)，對于質(zhì)子交換模燃料電池響應(yīng)延遲達(dá)2秒。因此，燃料電池一般與負(fù)荷動態(tài)的具體要求無法很好的匹配。
二、電力儲能技術(shù)
可再生能源發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能主要還存在無法預(yù)測的周期性變化，例如風(fēng)能、光伏發(fā)電等，如果將其電能直接輸入普通電網(wǎng)，將會對電流帶來不良影響，而電力儲備裝置就可以平衡能源發(fā)電輸入與電網(wǎng)之間的矛盾。電力儲能技術(shù)有蓄水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能等它們都各具特點(diǎn)，各有優(yōu)勢，但它們的正常運(yùn)行主要是依靠電子電力技術(shù)。
蓄水儲能與壓縮空氣儲能主要是對電力高峰期進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是對地理?xiàng)l件的要求較高。電池儲能的精密性高，需要在技術(shù)成熟的條件下進(jìn)行，理論上可以用于電力調(diào)峰，單電池使用壽命有效，這成為蓄電技術(shù)的難點(diǎn)。飛輪儲能的儲能量有限，運(yùn)行復(fù)雜，一般用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。
三、電能質(zhì)量控制
（一）電源諧波檢測和分析技術(shù)
諧波的測量和分析都是以思想諧波治理為前提條件的，精準(zhǔn)的諧波測量和分析可以為諧波的治理提供準(zhǔn)確的依據(jù)。自提出快速傅里葉變換算法（FFT）以來，基于傅里葉變換的諧波測量得到了普遍應(yīng)用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，不然就會嚴(yán)重影響其效果。因此，怎樣減少因同步偏差而引起的測量誤差成為電子電力技術(shù)人員迫切要解決的難題。
（二）電能質(zhì)量控制和管理
首先，電能質(zhì)量的控制和管理主要包含功率因數(shù)校正和濾波器設(shè)計，由于傳統(tǒng)的無源濾波器體積和重點(diǎn)都很大，還需要對不同的頻率進(jìn)行設(shè)計，而功率因數(shù)較技術(shù)正是提高功率因數(shù)和降低諧波污染的重要途徑。如今，電能質(zhì)量控制和管理的研究重點(diǎn)在與PFC控制技術(shù)上，比如：單開關(guān)、多開關(guān)以及軟開關(guān)三相PFC電路的研制，軟開關(guān)技術(shù)與PFC技術(shù)的融合已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢，雖然目前的PFC產(chǎn)品受到功率的限制，但應(yīng)用于分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)卻是重要機(jī)遇。
四、總結(jié)
綜上所述，隨著科技的發(fā)展，新能源的開拓和使用技術(shù)越來越成熟，但是，要真正做好新能源發(fā)電技術(shù)，還需要從解決先存的各種問題，因此，電子電力技術(shù)人員應(yīng)在在電氣、電子、控制和信息等工程技術(shù)領(lǐng)域加強(qiáng)合作研究，通過系統(tǒng)集成和技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的突破，我相信，我們一定可以克服各種困難，迎來新能源造福人類的燦爛明天。
參考文獻(xiàn)：
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“我不比你差！”
當(dāng)我以問卷調(diào)查的方式問及這些博士生為何而來讀研時，出身魯東大學(xué)的朱星寶同學(xué)在答復(fù)說，父母對他讀書求學(xué)的全力支持、自己個人對科學(xué)的喜好和追求是他選擇讀研究生、攻讀博士學(xué)位的兩個最主要的動機(jī)。在他成長的過程中，心頭始終有“我不比你差”這樣一句看似樸實(shí)無華，但意涵深刻的勵志語錄。
我至今仍記得，在他博士入學(xué)后來和我討論研究課題的時候，當(dāng)我談起我根據(jù)當(dāng)時課題組所從事研究課題狀況和博士生的個人能力，提出了博士生畢業(yè)要求“一五一十”（即發(fā)表5篇以上SCI收錄的論文、影響因子之和力爭達(dá)到10）的指標(biāo)時，他坦然接受了這個要求。后來我得知，其實(shí)他當(dāng)時在心里給自己定的目標(biāo)是在讀博士期間發(fā)表10篇論文，他最后也真的做到了。
朱同學(xué)能達(dá)到這個宏偉目標(biāo)，是因?yàn)樗梢云鸬帽葎e人早，經(jīng)常在早上5點(diǎn)半就來實(shí)驗(yàn)室開始做實(shí)驗(yàn)。在整理結(jié)果撰寫論文期間，他可以靠一兜子饅頭和幾包大醬再加上點(diǎn)簡單的生鮮蔬菜就能在寢室寫一整天的文章，其用心專注，可見一斑。朱同學(xué)的另一個特點(diǎn)是執(zhí)行力強(qiáng)、下手快，有想法立刻就會付諸行動。他的視野比常人更開闊，常常不拘泥于自己既有的研究選題，不斷積極拓展新的研究方向，所以他取得的成果最終超出了我的想象。
例如，他的博士論文課題是研究一種用于燃料電池的氧化物的微納米陽極，最初的方案中主要側(cè)重解決陽極在甲烷燃料中的抗積碳能力。朱同學(xué)沒有固步自封，而是在發(fā)現(xiàn)這種陽極具有優(yōu)異的性能之后，不但迅速在其他液體燃料和固體燃料環(huán)境下進(jìn)行了電池試驗(yàn)，而且把它用于單氣室燃料電池和火焰燃料電池，還頗具創(chuàng)意地制作出了以一種氧化物材料同時作為陰極和陽極的對稱結(jié)構(gòu)燃料電池。因?yàn)樗軌虿粩嗟貙ρ芯糠较蚝瓦x題進(jìn)行自主擴(kuò)展，所以取得了超乎想象的許多成果。
因?yàn)閷W(xué)術(shù)上的突出成就，朱同學(xué)贏得了一連串的榮譽(yù)，其中包括2010年度的首屆“教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎”（該獎項(xiàng)2010年設(shè)立，獎勵在博士生階段學(xué)術(shù)研究表現(xiàn)出色的博士研究生），哈爾濱工業(yè)大學(xué)“李昌獎”（這是以我校老校長命名的大獎，每次只獎勵5名學(xué)生）、研究生“十佳英才”等等，并在2011年的兩個國際學(xué)術(shù)會議上獲得獎勵資助。第一學(xué)歷并沒有成為朱同學(xué)成長的羈絆，相反，用他自己的話來說反而讓他“很接地氣”，結(jié)果是“觸底反彈”，時時刻刻促使他要比別人多付出、多努力、多思考。
放下包袱，無須糾結(jié)
如果說朱同學(xué)選擇讀研還帶有一些古典理想主義色彩的話，田彥婷同學(xué)考研的理由算是比較現(xiàn)實(shí)主義的。對本科大規(guī)模擴(kuò)招后就業(yè)難的擔(dān)憂和期望到一個新的地方走走看看的想法，是這位山西師范大學(xué)畢業(yè)的女生選擇來到地處東北陲的哈爾濱工業(yè)大學(xué)讀研的主要原因。在如愿考取了哈工大研究生后，田同學(xué)以“既來之則安之”的心態(tài)投入到學(xué)習(xí)和研究工作中，并不因?yàn)樽约旱某錾矶械阶员盎蜻^多的壓力，認(rèn)認(rèn)真真地學(xué)習(xí)專業(yè)知識和技術(shù)，用女生特有的細(xì)心和耐心做好自己承擔(dān)的電解質(zhì)薄膜制備技術(shù)方面的工作，出色地完成了碩士階段的論文工作。
在田同學(xué)博士入學(xué)之初，恰逢課題組的一項(xiàng)863項(xiàng)目進(jìn)入了攻堅(jiān)階段，她欣然接受了去做項(xiàng)目的工作安排，從即將畢業(yè)的師兄劉博士手中接過了課題的單氣室固體氧化物燃料電池（SC-SOFC）微堆結(jié)構(gòu)方面的后續(xù)研究任務(wù)，并迅速完成了研究方向的轉(zhuǎn)變，成了這項(xiàng)課題中的骨干力量。在半年多時間里，一項(xiàng)項(xiàng)新的SC-SOFC結(jié)構(gòu)設(shè)計從最初師生共同討論的草圖，在她的手里變成了器件，并高效率地完成了試驗(yàn)。經(jīng)過幾輪改進(jìn)設(shè)計和改進(jìn)，課題組的SC-SOFC微堆研究取得了很大的進(jìn)展，不但順利完成了項(xiàng)目的研究任務(wù)，還在此領(lǐng)域達(dá)到了領(lǐng)先的水平。
近一年的項(xiàng)目攻關(guān)中，雖然田同學(xué)做了大量的工作，卻沒有立刻寫出博士生們夢寐以求的SCI文章，但事實(shí)上這一次攻關(guān)的過程已然幫她選準(zhǔn)了博士論文的研究方向，并進(jìn)行了關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新，還積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，項(xiàng)目結(jié)題階段的繁重實(shí)驗(yàn)工作一結(jié)束，她就開始清理這部分的工作結(jié)果，不斷地申報發(fā)明專利和撰寫論文，從而在博士結(jié)束前，取得了發(fā)表4篇影響因子較高的SCI收錄論文和獲得2項(xiàng)發(fā)明專利的成就，榮獲了2012年度“教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎”和博士研究生國家獎學(xué)金。雖然這些成果似乎已經(jīng)足夠完成她的博士論文了，她并沒有就此止步，而是在掌握了新的實(shí)驗(yàn)儀器和數(shù)值模擬軟件后，又針對前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一些機(jī)理方面問題展開了研究，讓研究工作的水平上了一個新的臺階。
從田同學(xué)的經(jīng)歷不難看出，放下第一學(xué)歷這個包袱和由此產(chǎn)生的種種糾結(jié)，輕裝上陣，踏踏實(shí)實(shí)地做好自己承擔(dān)的每一項(xiàng)工作，不但可以取得很好的成果，也可以讓自己的科研能力和學(xué)術(shù)水平得到不斷的提升。
思想讓人走遠(yuǎn)
同樣畢業(yè)于山西師范大學(xué)的王志紅同學(xué)，在給我的答復(fù)中說，自己是為了不再回到原來的高中。去周而復(fù)始地講高中物理那點(diǎn)兒知識而選擇了讀研，用他自己的話講，“逃避痛苦”成了他前進(jìn)的動力。事實(shí)上他在讀研究生期間，面臨的壓力也不少，首先是要取得好的學(xué)習(xí)成績獲得獎學(xué)金，不再因?qū)W費(fèi)問題給家長增添負(fù)擔(dān)，后來則是要發(fā)表足夠的文章以順利博士畢業(yè)。這些壓力，沒有把高個子的他壓矮壓倒，而是統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)變成了動力。
以3D打印機(jī)噴嘴替代這個注射器，意味著人們可以3D打印制造包含金屬絲的塑料制品。這種液態(tài)金屬不同于液態(tài)水銀，它沒有毒性，因此可安全用于商業(yè)生產(chǎn)，然而這種液體金屬成本并不低，大約是制造3D塑料物品的100倍。
編譯/悠悠
蚯蚓糞便有溫度記憶 可幫助預(yù)測氣候變化
英國約克大學(xué)和雷丁大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)預(yù)測氣候變化的“金鑰匙”就隱藏在蚯蚓的糞便中。根據(jù)他們的研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞便中的微小方解石顆粒能夠保留對空氣溫度的“記憶”。這種“記憶”有助于科學(xué)家預(yù)測氣候變化。
研究過程中，科學(xué)家將蚯蚓放置在不同溫度環(huán)境下，而后對糞便進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果顯示糞便中的微小方解石顆粒能夠保留對空氣溫度的“記憶”。這也就意味著通過研究蚯蚓糞便的化石樣本和測試糞便內(nèi)方解石的殘余溫度，科學(xué)家便能了解地球氣候在長達(dá)數(shù)千年時間里發(fā)生的變化。
方解石是一種類似白堊的物質(zhì)，它們隨溫度發(fā)生的變化可用于預(yù)測未來的氣候變化趨勢。科學(xué)家在論文中指出，在蚯蚓排便時，糞便中微小的方解石顆粒會記錄下與周圍環(huán)境溫度有關(guān)的信息。在將蚯蚓放置在不同溫度環(huán)境下進(jìn)行研究之后，科學(xué)家驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
目前，研究人員正在年代可追溯到數(shù)千年前的考古遺址收集樣本，將描繪出一幅展示過去氣候的圖畫，同時預(yù)測未來的氣候變化趨勢。
編譯/楊孝文
地球曾有兩顆衛(wèi)星另一顆“夭折”
美國加利福尼亞州大學(xué)圣克魯斯分校的月球?qū)W家埃里克·阿斯哈格教授認(rèn)為地球一度擁有兩顆衛(wèi)星，另一顆體積較小，誕生幾百萬年后便“夭折”。當(dāng)時，這顆衛(wèi)星與另一顆衛(wèi)星相撞，最后香消玉殞。在英國皇家學(xué)會9月舉行的一場與月球有關(guān)的會議上，阿斯哈格將解釋他的雙衛(wèi)星理論。
阿斯哈格指出：“第二顆衛(wèi)星只存在了幾百萬年，隨后與另一顆衛(wèi)星相撞。撞擊之后，地球就只剩下一顆衛(wèi)星，也就是我們今天看到的月球。這顆衛(wèi)星“夭折”前一直以相同的速度環(huán)繞地球運(yùn)行同時與地球保持相同的距離。隨著時間的推移，它逐漸接近另一顆衛(wèi)星，最后發(fā)生相撞?！卑⑺构癖硎?，他認(rèn)為月球地貌應(yīng)該是兩顆衛(wèi)星的撞擊殘余。較小衛(wèi)星的體積據(jù)悉只有另一顆衛(wèi)星的大約三十分之一。
地球及其衛(wèi)星據(jù)悉誕生于太陽系出現(xiàn)后的3000萬年至1.3億年之間。太陽系在大約46億年前形成。迄今為止，科學(xué)家共發(fā)現(xiàn)9顆所謂的“超級地球”。超級地球是指質(zhì)量是地球1到10倍的行星。
編譯/楊孝文
滅絕百年“食尸蒼蠅”再現(xiàn)蹤跡
“骨骼隊(duì)長”曾是空中飛行最奇特的一種蒼蠅，它們對于新鮮的動物尸體并不感興趣，而傾向于腐爛已久的大型動物尸體。不同于多數(shù)蒼蠅物種，它們在冬季初期活動頻繁，從11月至1月，通常在黃昏之后覓食。
羅馬智慧大學(xué)研究員皮耶爾費(fèi)利波·切雷蒂稱，這種蒼蠅已從人們視線中消失很久，一個多世紀(jì)前它們就被宣布滅絕消失。過去幾年，歐洲再次發(fā)現(xiàn)三只“骨骼隊(duì)長”蒼蠅。目前，切雷蒂和同事首次確定這種蒼蠅是一種“新模式標(biāo)本”，為了更好鑒別它們，他將對比所有“骨骼隊(duì)長”蒼蠅標(biāo)本。這種蒼蠅物種的學(xué)名為“Centrophlebomyia anthropophaga”，1798年首次發(fā)現(xiàn)于德國曼海姆地區(qū)，1830年一位科學(xué)家最早對它進(jìn)行了描述，但是相關(guān)的描述僅是基于他的記憶。
這種蒼蠅之所以被命名為“骨骼隊(duì)長”是因?yàn)樗鼈儗⒐趋劳怀龈叨雀癄€的動物尸體作為自己的“家”，同時，發(fā)育之中的蒼蠅能夠上下跳躍，因此尸體上看上去充滿了這種蒼蠅的幼體。切雷蒂解釋稱，為了能夠在尸體中跳躍，骨骼隊(duì)長蒼蠅必須將嘴巴和尾部連接在一起，收縮背部肌肉，向上猛沖。這種昆蟲在100多年前曾一度被認(rèn)為滅絕消失，現(xiàn)在又再次重現(xiàn)它們的蹤跡。通常這種蒼蠅傾向于較大的動物尸體，其中也包括人類尸體，還以腐爛蝸牛、嚙齒動物為食，研究人員還使用死魷魚和鳥類尸體作為誘餌吸引它們。
編譯/悠悠
尿液可充當(dāng)燃料發(fā)電
英國的布里斯托爾機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家找到了一種利用尿液充當(dāng)燃料進(jìn)行發(fā)電的方式，成功研制出世界上第一款采用這項(xiàng)技術(shù)的微生物燃料電池，進(jìn)而讓用尿液為手機(jī)充電成為現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)家表示雖然很多用戶在面對這種燃料時會捏住鼻子，但尿液卻是一種“終極廢物”，有別于飄忽不定的風(fēng)能或者太陽能。
研究參與者、布里斯托爾西英格蘭大學(xué)的伊奧尼斯·伊洛普羅斯博士表示，這是世界上第一款利用尿液發(fā)電的微生物燃料電池?！霸诖酥埃€沒有一個人將尿液
作為燃料。這是一項(xiàng)令人興奮的研究成果。將尿液這種終極廢物充作燃料發(fā)電是一種非常環(huán)保的做法。有一種產(chǎn)品的供應(yīng)是無限的，那就是我們的尿液。利用尿液這種燃料讓微生物燃料電池發(fā)電，我們可以為三星手機(jī)充電?！?/p>
伊洛普羅斯是研制利用不尋常燃料的微生物燃料電池的專家。他說：“尿液型微生物燃料電池產(chǎn)生的電量足以讓手機(jī)收發(fā)即時短信、上網(wǎng)沖浪和進(jìn)行簡短通話?！?/p>
編譯/楊孝文
神奇材料可讓土壤儲水一年
墨西哥化學(xué)工程師塞爾吉奧·朱斯·里克·韋拉斯克研發(fā)了一種神奇材料，能夠讓土壤的儲水時間達(dá)到一年。這種新材料名為“固體雨”，形態(tài)與糖類似，由一種被稱之為“聚丙烯酸鉀”的吸收性材料構(gòu)成，所能吸收的水量是其體積的500倍。不久后，生活在干旱國家的農(nóng)民便有望成為這項(xiàng)技術(shù)的受益者，利用這種粉末狀水對抗旱情，提高糧食產(chǎn)量。
本書第1作者Ibrahim Dincer是安大略理工大學(xué)機(jī)械工程系教授，也是工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。他獨(dú)自撰寫或合作撰寫過幾十本書，發(fā)表過的期刊和會議論文被引用超過1000次，還發(fā)表過很多技術(shù)報告。他曾多次主持國內(nèi)與國際會議、擔(dān)任會議主席。他還參與了很多國際知名會議的初創(chuàng)工作，包括國際能源與環(huán)境專題討論會等。他曾經(jīng)擔(dān)任過300余次主題演說，還擔(dān)任著多種國際期刊的主編和編輯，如《國際能源研究期刊》，《國際燃燒熱力學(xué)期刊》，以及《全球變暖研究》等。
本書采用獨(dú)特的方式，融合了最新的技術(shù)信息、研究成果和成功示范應(yīng)用，旨在吸引大量工程師、學(xué)生、工程實(shí)踐人員、科學(xué)家和研究人員，為他們展現(xiàn)可持續(xù)能源技術(shù)的最新發(fā)展。
寧圃奇，博士，研究員
（中國科學(xué)院電工研究所）
Puqi Ning，Associate Professor
（Institute of Electrical Engineering，CAS）Giovanni Petrecca
Energy Conversion and
Management
2014
http：///book/
一、通信電源的發(fā)展現(xiàn)狀
（一）供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設(shè)計目標(biāo)是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡(luò)時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。
（二）通信電源設(shè)備的更新?lián)Q代
近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是功率器的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術(shù)的不斷改進(jìn)，控制方法的不斷進(jìn)步，以及相關(guān)學(xué)科的技術(shù)不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，電磁兼容性，消除網(wǎng)側(cè)電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進(jìn)步。
（三）現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術(shù)
目前通信電源的變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優(yōu)缺點(diǎn)。一般認(rèn)為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發(fā)展趨勢
（一）開關(guān)器件的發(fā)展趨勢
電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達(dá)到兆赫茲級，開關(guān)電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎(chǔ)，促進(jìn)了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。
（二）通信直流電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展市場需求發(fā)展
在需求與技術(shù)的共同推動下，通信直流電源產(chǎn)品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢：
體系架構(gòu)相當(dāng)長的一段時間內(nèi)維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當(dāng)長的時間內(nèi)還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構(gòu)；功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關(guān)模式，暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關(guān)電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機(jī)的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，一定程度制約了整機(jī)系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術(shù)、通信電源技術(shù)的成熟，以及各通信直流電源設(shè)備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產(chǎn)品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)化規(guī)律，一般而言，技術(shù)的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術(shù)，開關(guān)電源技術(shù)基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進(jìn)一步提高，未來幾年甚至十幾年內(nèi)，通信直流電源產(chǎn)品將進(jìn)入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)，通信直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就像開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù)，給電源帶來了革命性的變化。
（三）通信用蓄電池技術(shù)研究的新進(jìn)展
通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應(yīng)手段，其研制、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外正在研制和試驗(yàn)新一代的通信用蓄電池，有的已經(jīng)進(jìn)入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的先進(jìn)性，在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池?zé)o可比擬的優(yōu)越性。
中國1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進(jìn)入商用化階段。
2．燃料電池。燃料電池是一種化學(xué)電池，也是一種新型的發(fā)電裝置，它所需的化學(xué)原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經(jīng)過內(nèi)部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產(chǎn)生0.9V電壓的直流電能，同時產(chǎn)生大量的熱能.
3．電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)從以前的單機(jī)或小局域系統(tǒng)逐漸發(fā)展至大局域網(wǎng)系統(tǒng)或廣域網(wǎng)系統(tǒng)，大量人力、物力被投入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和維護(hù)工作上。不過通信設(shè)施所處環(huán)境越來越復(fù)雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護(hù)的難度，這對電源設(shè)備的監(jiān)控管理提出了新的需求，保護(hù)通信互聯(lián)網(wǎng)終端的電源設(shè)備必須具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信能力。此時，數(shù)字化技術(shù)就表現(xiàn)出了傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展逐步表現(xiàn)出傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢.
4．通信電源的環(huán)保要求。環(huán)保問題，一方面的指標(biāo)是通信電源的電流諧波要符合要求，降低電源的輸入諧波，不但可以改善電源對電網(wǎng)的負(fù)載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重污染的情況，還可減少對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環(huán)利用和環(huán)境的無污染，這方面需要產(chǎn)品滿足WEEE/ROHS指令。
在通信電源開發(fā)、生產(chǎn)早期，人們主要集中研究電源的輸出特性，較少考慮到電源的輸入特性。例如：傳統(tǒng)的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路，其輸入電流呈脈沖狀，導(dǎo)通角約為π/3，波峰因數(shù)大于純電阻負(fù)載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的污染，使電網(wǎng)波形失真，實(shí)際負(fù)荷能力降低，對于三相四線制的電網(wǎng)來說，還很有可能因中性線電流過大而出現(xiàn)不安全隱患。
參考文獻(xiàn)：
[1]朱雄世，《通信電源的現(xiàn)狀與展望》.
[2]《淺析全球通信電源技術(shù)發(fā)展趨勢》.
[3]《通信直流電源發(fā)展趨勢》.
[4]孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術(shù)研究的新進(jìn)展》.
[5]《通信電源技術(shù)發(fā)展趨勢及標(biāo)準(zhǔn)研究方向》.
[6]曾瑛，《淺談通信電源》.
[7]王改娥、李克民，《談我國通信電源的發(fā)展方向》.
[8]王改娥、李克民，《我國通信電源的發(fā)展回顧與展望》.
[9]侯福平，《UPS系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)中使用的特點(diǎn)及要求》.
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設(shè)計目標(biāo)是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡(luò)時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。
（二）通信電源設(shè)備的更新?lián)Q代
近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是功率器的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術(shù)的不斷改進(jìn)，控制方法的不斷進(jìn)步，以及相關(guān)學(xué)科的技術(shù)不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，電磁兼容性，消除網(wǎng)側(cè)電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進(jìn)步。
（三）現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術(shù)
目前通信電源的變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優(yōu)缺點(diǎn)。一般認(rèn)為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發(fā)展趨勢
（一）開關(guān)器件的發(fā)展趨勢
電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達(dá)到兆赫茲級，開關(guān)電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎(chǔ)，促進(jìn)了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。
（二）通信直流電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展市場需求發(fā)展
在需求與技術(shù)的共同推動下，通信直流電源產(chǎn)品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢：
體系架構(gòu)相當(dāng)長的一段時間內(nèi)維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當(dāng)長的時間內(nèi)還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構(gòu)；功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關(guān)模式，暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關(guān)電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機(jī)的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，一定程度制約了整機(jī)系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術(shù)、通信電源技術(shù)的成熟，以及各通信直流電源設(shè)備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產(chǎn)品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)化規(guī)律，一般而言，技術(shù)的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術(shù)，開關(guān)電源技術(shù)基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進(jìn)一步提高，未來幾年甚至十幾年內(nèi)，通信直流電源產(chǎn)品將進(jìn)入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)，通信直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就像開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù)，給電源帶來了革命性的變化。
（三）通信用蓄電池技術(shù)研究的新進(jìn)展
通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應(yīng)手段，其研制、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外正在研制和試驗(yàn)新一代的通信用蓄電池，有的已經(jīng)進(jìn)入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的先進(jìn)性，在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池?zé)o可比擬的優(yōu)越性。
[論文關(guān)鍵詞]：通信電源通信網(wǎng)現(xiàn)狀發(fā)展趨勢
[論文摘要]：通信電源是向通信設(shè)備提供交直流電的電能源，是整個通信電信網(wǎng)的能量保證。通信電源系統(tǒng)由交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)和相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。通信電源系統(tǒng)的設(shè)備多，分布廣，不僅單個電源設(shè)備的可靠性會影響系統(tǒng)的可靠性，電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)也會對自身的可靠性造成很大的影響。
一、通信電源的發(fā)展現(xiàn)狀
（一）供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設(shè)計目標(biāo)是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡(luò)時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。
（二）通信電源設(shè)備的更新?lián)Q代
近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是功率器的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術(shù)的不斷改進(jìn)，控制方法的不斷進(jìn)步，以及相關(guān)學(xué)科的技術(shù)不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，電磁兼容性，消除網(wǎng)側(cè)電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進(jìn)步。
（三）現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術(shù)
目前通信電源的變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優(yōu)缺點(diǎn)。一般認(rèn)為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發(fā)展趨勢
（一）開關(guān)器件的發(fā)展趨勢
電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達(dá)到兆赫茲級，開關(guān)電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎(chǔ)，促進(jìn)了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。
（二）通信直流電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展市場需求發(fā)展
在需求與技術(shù)的共同推動下，通信直流電源產(chǎn)品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢：
體系架構(gòu)相當(dāng)長的一段時間內(nèi)維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當(dāng)長的時間內(nèi)還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構(gòu)；功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關(guān)模式，暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關(guān)電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機(jī)的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，一定程度制約了整機(jī)系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術(shù)、通信電源技術(shù)的成熟，以及各通信直流電源設(shè)備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產(chǎn)品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)化規(guī)律，一般而言，技術(shù)的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術(shù)，開關(guān)電源技術(shù)基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進(jìn)一步提高，未來幾年甚至十幾年內(nèi)，通信直流電源產(chǎn)品將進(jìn)入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)，通信直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就像開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù)，給電源帶來了革命性的變化。
（三）通信用蓄電池技術(shù)研究的新進(jìn)展
通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應(yīng)手段，其研制、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外正在研制和試驗(yàn)新一代的通信用蓄電池，有的已經(jīng)進(jìn)入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的先進(jìn)性，在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池?zé)o可比擬的優(yōu)越性。
1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進(jìn)入商用化階段。
2．燃料電池。燃料電池是一種化學(xué)電池，也是一種新型的發(fā)電裝置，它所需的化學(xué)原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經(jīng)過內(nèi)部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產(chǎn)生0.9V電壓的直流電能，同時產(chǎn)生大量的熱能.
3．電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)從以前的單機(jī)或小局域系統(tǒng)逐漸發(fā)展至大局域網(wǎng)系統(tǒng)或廣域網(wǎng)系統(tǒng)，大量人力、物力被投入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和維護(hù)工作上。不過通信設(shè)施所處環(huán)境越來越復(fù)雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護(hù)的難度，這對電源設(shè)備的監(jiān)控管理提出了新的需求，保護(hù)通信互聯(lián)網(wǎng)終端的電源設(shè)備必須具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信能力。此時，數(shù)字化技術(shù)就表現(xiàn)出了傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展逐步表現(xiàn)出傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢.
4．通信電源的環(huán)保要求。環(huán)保問題，一方面的指標(biāo)是通信電源的電流諧波要符合要求，降低電源的輸入諧波，不但可以改善電源對電網(wǎng)的負(fù)載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重污染的情況，還可減少對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環(huán)利用和環(huán)境的無污染，這方面需要產(chǎn)品滿足WEEE/ROHS指令。
在通信電源開發(fā)、生產(chǎn)早期，人們主要集中研究電源的輸出特性，較少考慮到電源的輸入特性。例如：傳統(tǒng)的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路，其輸入電流呈脈沖狀，導(dǎo)通角約為π/3，波峰因數(shù)大于純電阻負(fù)載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的污染，使電網(wǎng)波形失真，實(shí)際負(fù)荷能力降低，對于三相四線制的電網(wǎng)來說，還很有可能因中性線電流過大而出現(xiàn)不安全隱患。
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一、以科研促進(jìn)“化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式改革的方案設(shè)計
（一）合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
合理地設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷更新先進(jìn)、新穎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是與時俱進(jìn)的教學(xué)理念的完美體現(xiàn)，也是響應(yīng)國家關(guān)于“抓緊建立更新教學(xué)內(nèi)容的機(jī)制，加強(qiáng)課程的綜合性和實(shí)踐性，重視實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力”號召的必要措施[3]。首先，針對“化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)特點(diǎn)，教師應(yīng)根據(jù)自己的科研方向，結(jié)合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)確定合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的研究成果必須是成熟的科研成果，確保實(shí)驗(yàn)整體的科學(xué)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性和先進(jìn)性。為此，結(jié)合學(xué)生的知識背景和化學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，我們圍繞教師承擔(dān)的國家以及省部級科學(xué)基金項(xiàng)目，衍生出相??的綜合性實(shí)驗(yàn)。例如，作者多年來一直從事固體電化學(xué)及器件方面的科研工作，研究課題涉及了固體氧化物燃料電池（SOFC）相關(guān)材料的合成與性質(zhì)研究。因此選擇課題中實(shí)驗(yàn)方法比較成熟的一部分開發(fā)為“化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”課程內(nèi)容。我們設(shè)立了綜合實(shí)驗(yàn)“固體電解質(zhì)納米粉的制備、陶瓷成型及離子電導(dǎo)率的測試”。固體氧化物燃料電池以其發(fā)電效率高、能量密度大、燃料使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。電解質(zhì)作為SOFC的主要組成部分之一，其主要作用是在陰極、陽極之間傳遞氧離子和對燃料及氧化劑的有效隔離。目前Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）是SOFC中研究最熱、利用最廣泛的電解質(zhì)材料。YSZ的離子電導(dǎo)率不僅與摻雜濃度有關(guān)，而且還與粉體的制備工藝、燒結(jié)密度密切相關(guān)。這個實(shí)驗(yàn)課程的完成過程，既讓學(xué)生領(lǐng)略了新能源領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)，了解了新型綠色能源的研究背景和重要意義，又讓他們學(xué)習(xí)了固體氧化物燃料電池的工作原理及對其相關(guān)部件的要求和發(fā)展現(xiàn)狀，同時還了解了電解質(zhì)材料的制備工藝對其離子電導(dǎo)率等相關(guān)性能的影響，又讓學(xué)生從全方位角度領(lǐng)會和理解了新型燃料電池材料研發(fā)人才應(yīng)該具備的知識和技能以及燃料電池關(guān)鍵材料開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)狀態(tài)。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，我們還在實(shí)驗(yàn)中安排一些自由設(shè)計環(huán)節(jié)，比如在陶瓷成型和燒結(jié)工藝環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)參數(shù)和操作來獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行分析與討論得出一些非預(yù)見性的結(jié)論，從中引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。
（二）詳盡介紹課題，開展資料調(diào)研，學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計報告
作為科研成果轉(zhuǎn)化成具體綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)過程的主導(dǎo)者，教師應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)開展之前給學(xué)生詳細(xì)地介紹課題研究的意義和背景。盡量將學(xué)生掌握的理論知識結(jié)合起來講解實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理和內(nèi)容，拓展知識面，讓學(xué)生充分感受理論學(xué)習(xí)的重要性，提高學(xué)以致用的積極性。同時提出實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)開展過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)等，并提出一些與實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵內(nèi)容有關(guān)的問題，布置學(xué)生自主查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料和書籍，制定詳細(xì)合理的實(shí)驗(yàn)方案。通過查閱的資料并經(jīng)過分析和討論，學(xué)生整理出詳盡的實(shí)驗(yàn)設(shè)計報告，內(nèi)容應(yīng)該包含以下內(nèi)容：研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、實(shí)驗(yàn)的目的和意義、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方案和具體實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論（包括數(shù)據(jù)記錄與處理以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論）。教師要認(rèn)真審閱學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)設(shè)計報告，保證實(shí)驗(yàn)方案的合理性和可行性。對不符合要求的實(shí)驗(yàn)設(shè)計報告教師要及時與學(xué)生討論并做出完善和修改。對于有些學(xué)生的創(chuàng)新性設(shè)計要尊重其想法并在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下合理地布置實(shí)施。整個文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)設(shè)計環(huán)節(jié)，不但使學(xué)生掌握了基本的文獻(xiàn)檢索和調(diào)研手段而且促進(jìn)了學(xué)生將理論課程知識與實(shí)踐的橫向聯(lián)系，充分調(diào)動了學(xué)生進(jìn)行科研的主觀能動性。有效避免了以往照方抓藥，學(xué)生不動腦思考的弊端，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)[4]。
（三）建立健全儀器設(shè)備使用與管理制度
綜合實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具有安排與開展專業(yè)實(shí)驗(yàn)的綜合能力，在此階段的學(xué)生經(jīng)過了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對基本實(shí)驗(yàn)技能和動手能力的訓(xùn)練，更要將理論知識聯(lián)系實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，感悟科研的真諦。在此過程中，2―3人一組的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊纫蟠蠹矣歇?dú)立自主的動手能力，又要求他們發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神，協(xié)作精神，集思廣益，討論問題，解決問題，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
“化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”課程開展中大型表征和測試儀器的使用是保證實(shí)驗(yàn)順利完成的必要因素之一。由科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化而來的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往用到的是項(xiàng)目指導(dǎo)教師課題組或者專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)儀器和設(shè)備。教師在學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)當(dāng)帶領(lǐng)學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室，把需要用到的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的用途、操作規(guī)程做介紹，必要的項(xiàng)目需要親自示范操作。比如，在“固體電解質(zhì)納米粉的制備、陶瓷成型及離子電導(dǎo)率的測試”實(shí)驗(yàn)中教師需要事先為學(xué)生講解并且示范陶瓷壓片模具的使用方法、高溫爐的使用方法和電化學(xué)工作站的測試方法。在整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，實(shí)驗(yàn)室或者實(shí)驗(yàn)中心應(yīng)當(dāng)做好儀器設(shè)備開放使用的安排，并且加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理，建立健全實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度，制定儀器設(shè)備具體操作規(guī)程和管理措施以保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利完成。
在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，學(xué)生要按照設(shè)計好的實(shí)驗(yàn)路線認(rèn)真操作，記錄好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教師全程跟蹤指導(dǎo)，在學(xué)生遇到問題的時候引導(dǎo)釋疑，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行點(diǎn)評和總結(jié)[5]。
（四）按照科技論文標(biāo)準(zhǔn)撰寫實(shí)驗(yàn)報告，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯報
實(shí)驗(yàn)報告的撰寫是對整個實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象和結(jié)果的綜合分析與討論，是最能體現(xiàn)學(xué)生分析和總結(jié)能力的環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)中，我們摒棄過去固定模式的實(shí)驗(yàn)報告形式，要求學(xué)生以科技論文的形式完成數(shù)據(jù)討論與總結(jié)，對數(shù)據(jù)的處理不再是簡單的數(shù)據(jù)羅列和圖形展示，要從中總結(jié)和歸納數(shù)據(jù)變化規(guī)律，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計過程中的理論預(yù)期相對照，解釋現(xiàn)象和原因，做到環(huán)環(huán)相扣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)相互驗(yàn)證。完成實(shí)驗(yàn)報告的撰寫之后，每一名?W生還要對其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯報和答辯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的口頭匯報及答辯不僅極大地提高了學(xué)生的學(xué)術(shù)交流能力，也是對以往綜合實(shí)驗(yàn)成績評價方式的重要改革。我們將綜合實(shí)驗(yàn)的成績評定分成幾大部分，前期文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、實(shí)驗(yàn)過程以及報告撰寫與答辯各占不同比例，重點(diǎn)落在實(shí)驗(yàn)過程和報告撰寫與答辯上。公開匯報實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方式既體現(xiàn)了成績評定的公平性，又有效避免了同組學(xué)生報告雷同的現(xiàn)象。同時，對于優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)論文，可以讓學(xué)生進(jìn)一步完善并推薦其在校級以上級別的刊物上發(fā)表，激發(fā)學(xué)生做科研的成就感[6]。
