摘要: 電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲存、分配和使用的技術將成為電力技術的重點領域。

關鍵詞：電力技術;電源

“電力技術是通向可持續(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，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應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。因為，在保證相同的能源服務水平的前提下,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、分配和使用的技術將成為電力技術的重點領域。以下將對若干電力前沿技術的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景進行簡單評述。

1.分布式電源

當今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(IC)、微型燃氣輪機(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“小機組”已不是同一概念。

1.1微型燃氣輪機

微型燃氣輪機(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氣輪機，工作溫度500℃，其發(fā)電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術關鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術的突破常常取決于材料科學的進步。

1.2燃料電池

燃料電池是直接把燃料的化學能轉(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)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質(zhì)到達陽極與氫離子結(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的設備及便攜式250kW等各種設備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池(MCFC)，工作在高溫(600～700℃)下，重整反應可以在內(nèi)部進行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進行兆瓦級的驗證試驗。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

燃料電池有以下優(yōu)點：

(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100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達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到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無關，小型設備也能得到高效率。

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

(3)噪音低;可以實現(xiàn)實際上的零排放;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)模應用的障礙是造價高，在經(jīng)濟性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。

1.2.3技術關鍵和研究課題

燃料電池的技術關鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業(yè)化有關的項目，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的大型化及實用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕;電極細孔構(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)法和電化學蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。

實用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05mm。比較先進的已達到0.01mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應當有足夠的機械強度外，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，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。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的應用硅片引起的“第二次革命

2.1大功率電力電子器件的重大進展

電力電子學(PowerElectronics)的應用已經(jīng)有多年的歷史。電力電子學器件用于電力拖動、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術。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二次革命。

近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應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。大功率電子器件應用于靈活的交流輸電(FACTS)、定質(zhì)電力技術(CustomPower)以及新一代直流輸電技術則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應用，將成為電力研究前沿。

2.2靈活交流輸電技術(FACTS)

靈活交流輸電技術是指電力電子技術與現(xiàn)代控制技術結(jié)合以實現(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。

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機械控制的移相器、帶負荷調(diào)變壓器抽頭、開關投切電容和電感、固定串聯(lián)補償裝置等，只能實現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機械開關動作時間長、響應慢，無法適應在暫態(tài)過程中快速靈活連續(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)展的需求促進了靈活交流輸電這項新技術的發(fā)展和應用。

盡管靈活交流輸電技術已在多個輸電工程中得到應用，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)無功、提高系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，但其推廣應用的進展步伐比預期的要慢。主要原因有：工程造價比常規(guī)的解決方案高，因此，只有在常規(guī)技術無法解決的情況下，用戶才會求助于FACTS技術;FACTS技術還需要進一步完善。目前FACTS技術的應用還局限于個別工程，如果大規(guī)模應用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術問題，例如：多個FACTS裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合問題;FACTS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護的銜接問題;FACTS控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問題等等。也有專家認為，F(xiàn)ACTS技術尚不能更快推廣應用是因為電力部門對新技術持謹慎觀望態(tài)度，只有相當成熟的技術才會大規(guī)模應用。

隨著電力電子器件的性能提高和造價降低，以電力電子器件為核心部件的FACTS裝置的造價會降低，可能會在不遠的將來比常規(guī)的輸配電方案更具競爭力。