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篇（1）

日本自實施月光計劃以來，作為國家級項目，正在實施5000千瓦級加壓型和1000千瓦級常壓型電廠實證運行。目前，磷酸型燃料電池的發電效率為30％～40％，如果將熱利用考慮進去，綜合效率可高達60％～80％。

除日本外，目前世界約有60臺PAFC發電設備在運轉，總輸出功率約為4.1萬千瓦。按國別和地區劃分日本為2.9萬千瓦，美國8000千瓦，歐洲3000千瓦，亞洲900千瓦。運轉中的發電設備除3臺(日本2臺，意大利1臺)為加壓型外，其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國，設備主要銷往歐、亞。

美國已完成基礎研究，200千瓦級電廠用電池近期有望商品化，但大容量電廠用電池處于停滯狀態。德國已引進美國200千瓦級電廠用電池進行試驗運行。另外，瑞典、意大利、瑞士等國也引進日、美的電池進行試運行。

2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)

日本對MCFC發電系統的技術開發始于1981年度的月光計劃，該計劃圍繞開發1千瓦級發電機組這個目標展開了對MCFC燃料、電極等的開發。該開發研究進展順利，從1984年開始，進而對10千瓦級發電機組進行研究開發。1986年，日立、東芝、富士電機、三菱電機、IHI分別對5臺10千瓦級機組進行發電試驗，其結果是輸出功率為10千瓦，初期性能為電池電壓0.75伏，電流密度150毫安/平方厘米。

1987年起，日本在對1000千瓦級實驗電場(外部改質型)進行主要開發的同時，對100千瓦級發電機組以及1000千瓦級機組的設備的開發研究也取得了進展。1993年度，日立、IHI的2臺100千瓦級外部改質型機組和三菱電機的1臺30千瓦級內部改質型機組開始試驗發電運行。其試驗結果以及1994年度進行的5-25千瓦級機組的試驗結果表明，電池電壓0.8伏，電流密度達15毫安/平方厘米，單位時間內的劣化率小于1％。

在此基礎上，1994年度起開始著手開發1000千瓦級試驗工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發電所開始建廠，確立了1000千瓦級實用化發電系統試驗工廠的基本系統，對現有的事業用燃料電池電廠的運行進行評價，計劃1999年開始試驗運行，其目標為：燃料利用率為80％，千小時電池的劣化率小于1％，初期性能為：電池電壓大于0.8伏，電流密度1500毫安/平方厘米，計劃試驗運行5000小時。

為使電池實用化，在上述研究開發的基礎上，還進行了機組長壽命化研究，計劃連續實驗運行4萬小時，每千小時單位劣化率小于0.25％。除此之外，還在開發200千瓦級內部改質型燃料電池發電系統。

美國能源部和美國電力研究所，正在積極開發MCFC。美國ERC公司開發的2兆瓦級內部改質型機組發電系統于1996年5月在圣克拉拉開始試驗運行。MC－power公司開發的250千瓦級外部改質型機組發電系統，1997年2月起在圣迭戈開始試運行。

在歐洲，MCFC作為共同項目正在研究開發，取得了一些進展，其主要項目如下：

①高級DIC－MCFC發展計劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國參加研究，歐洲在市場分析、系統開發以及內部改質型機組的開發等方面取得進展。

②ARGE項目(1990年起計劃10年內完成)。德、丹麥參加，并在內部改質型發電系統的開發上取得進展。

③MOLCARE。由意、西班牙參加，并在外部改質型發電系統開發上取得進展。

韓國從1993年起開始開發MCFC，1997年以開發100千瓦外部改質型發電系統為目標，開始了第二階段研究開發工作。

3.固體電解質型燃料電池(SOFC)

作為SOFC開發的基礎科學離子學，其開發歷史很長，日、美、德等國已有30多年的開發史。日本工業技術院電子技術綜合研究所從1974年起就開始研究SOFC，1984年進行了500瓦發電試驗(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國西屋公司從1960年起開始開發SOFC，1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開發出3千瓦熱自立型電池模塊，在國內外掀起了開發SOFC的。

日本新陽光計劃中，以產業技術綜合開發機構(NEDO)，為首，從1989年起開始開發基礎制造技術，對數百千瓦級發電機組進行測試。1992年起，富士電機綜合研究所和三洋電機在共同研究開發數千瓦級平板型模塊基礎上，還組織了7個研究機構積極開發高性能、長壽命的SOFC材料及其基礎技術。

除此之外，三菱重工神戶造船所與中部電力合作，共同開發平板型SOFC，1996年創造了5千瓦級模塊成功運行的先例。同時，在圓筒橫縞型電池領域中，1995年三菱重工長崎造船所在電源開發共同研究中，采用圓筒橫縞型電池，開發出10千瓦級模塊，成功地進行了500小時試運行，之后又于1996年開發了2.5千瓦模塊，并試運行1000小時。TOTO與九州電力共同開發全濕式圓筒縱縞型電池，1996年起，開始開發1千瓦級模塊。同時，在日本以大學與國立研究所為首的許多研究機構在積極開發SOFC。

美國西屋公司在能源部的支持下，開始開發圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對25千瓦級發電及余熱供暖系統進行的共同測試表明，截至1997年3月，已成功運行了約1.3萬小時，其間已經過11次啟動與停機，千小時單位電池的劣化率小于0.1％，可見其技術已非常成熟。西屋公司除計劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進行100千瓦級模塊運行外，為降低制造成本，還在研究開發濕式電池制造技術。美國Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在開發平板型SOFC上取得進展，目前正對1千瓦級模塊進行試運行。

在歐洲，德國西門子公司在開發采用合金系列分離器的平板型SOFC，1995年開發出10千瓦(利用氧化劑中的氧，若在空氣中則為5千瓦)模塊，1996年開發出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。

奔馳汽車制造公司在開發陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進展，1996年對2.2千瓦模塊試運行6000小時。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開發家庭用SOFC，目前已開發出1千瓦級模塊。今后，德國還計劃在特蒙德市進行7千瓦級發電及余熱供暖系統現場測試。

在此基礎研究上，以英、法、荷等國的大學和國立研究所為中心的研究機構，正在積極研究開發低溫型(小于800℃)SOFC材料。

4.固體高分子型燃料電池(PEFC)

日本開發固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，開發改質器以及電極催化媒體的機構有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開發汽車燃料電池方面，豐田制造出甲醇改質型燃料電池汽車(1997年)，同時三菱電機、馬自達也在著手開發汽車燃料電池。

在供電及余熱供暖系統方面，PEFC排熱溫度較低，為70℃左右，在熱利用上有所限制，與其他類型燃料電池相比，目前只開發小型系統。東芝(30千瓦)、三洋電機(數千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機和關西電力(5千瓦)等公司在開發以天然氣和甲醇為燃料的電池系統，同時，三洋電機在開發1千瓦級氫燃料便攜式商品化電源，三菱重工在開發特殊用途(無人潛水艇用)燃料電池。

PEFC主要作為汽車動力電源在開發。但在汽車上燃料的搭載方式各種各樣，有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長短，目前還未能確定最適方式。

德國奔馳與加拿大BPS在進行共同開發，它們開發的搭載氫燃料、小底盤汽車在試運行。除此之外它們還共同開發甲醇燃料電池汽車。若在降低成本、提高運行性能等方面再取得一些進展，電池汽車就有望走向市場。

篇（2）

1質子交換膜燃料電池的結構及原理

按照電解質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子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構成，圖1是其結構與工作原理示意圖。

PEMFC的基本工作過程如下：

（1）氫氣通過雙極板上的導氣通道到達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；

（2）氫離子以水合質子H+（xH2O）的形式通過電解質膜到達陰極，電子在陽極側積累；

（3）氧氣通過雙極板到達陰極后，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陰極，形成電流，對負載做功。同時，在陰極側反應生成水；

（5）只要持續不斷地提供反應氣體，PEMFC就可以連續工作，對外提供電能。

2質子交換膜燃料電池的特點

（1）高效率。PEMFC以電化學方式進行能量轉換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實際效率大約是內燃機的兩倍。傳統動力源為了提高效率必須將負荷限制在很小范圍內，而PEMFC幾乎在全部負荷范圍內均有很高效率。

（2）模塊化。PEMFC在結構上具有模塊化的特點，可根據不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設計方法簡化了不同規模電堆的設計制造過程。

（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結構簡單，易于維護。一旦某個單電池發生故障，可自動采取適當屏蔽措施，只會使系統輸出功率略有下降，而不會導致整個動力系統的癱瘓。

（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。

（5）環境友好。當采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內燃機而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結構部件均可回收利用。3研究現狀

3.1關鍵部件

電解質膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質子交換膜燃料電池的四大關鍵部件。

電解質膜是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子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學家正在研究部分氟化或非氟質子交換膜。

雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導氣體在電池內電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網格狀等。

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擔載到導電、抗腐蝕的擔體上，目前廣泛采用的擔體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。

PEMFC的氣體擴散電極由兩層構成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反應進行的場所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產生腐蝕或降解。根據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

PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監測各個影響因素。即運用有效的措施來連續監測PEMFC運行的關鍵或重要狀態，并對收集到的信息進行必要的分析和處理，以便做到故障預測和及時診斷，為PEMFC管理系統提供依據。目前，進行PEMFC測試系統相關方面研究的公司和機構眾多，但仍沒有制定出有關PEMFC測試的國際標準和相應的標準測試設備，不過已有實用的測試系統投入使用。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（FCTS）是其中的突出代表。

4質子交換膜燃料電池的應用

質子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優越性不僅限于能量轉換效率高、工作溫度低，還體現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廠商一致看好其在汽車工業中的應用前景，PEMFC已成為現今燃料電池汽車動力的主要發展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發以PEMFC系統為動力源的PEMFC電動車，曾先后推出各種類型的樣車，并進行PEMFC電動車隊的示范運行。PEMFC電動車以其優異的性能和環境污染很少等突出特點引起了人們的普遍關注，甚至被認為將是21世紀內燃機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域，以及家庭電源、分散電站、移動電子設備電源、水下機器人及潛艇不依賴空氣推進電源等方面也有廣泛應用前景。

5質子交換膜燃料電池的發展趨勢

在關鍵部件方面，圍繞電解質膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價格昂貴，開發非全氟的廉價質子交換膜是今后的研究方向。近年來，新型質子交換膜的的研究熱點是開發能夠在100℃以上使用的高溫電解質膜。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，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現有鉑催化劑的替代。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率，但成本較高，加工難度大，強度、電導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。復合材料雙極板則結合了純石墨板和金屬板的優點，具有耐腐蝕、體積小、質量輕、強度大及工藝性良好等特點，是未來發展的趨勢。

在電堆方面，今后的研究重點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構進行優化，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境，并優化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。

篇（3）

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0003-02

微生物燃料電池（Microbial fuel cells， MFCs）是一種新興的高效的生物質能利用方式，它利用細菌分解生物質產生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優點。因此MFCs逐漸成為現今社會的研究熱點之一。

1 微生物燃料電池的工作原理

圖1是典型的雙室結構MFCs工作原理示意圖，系統主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質子交換膜構成。陽極室中的產電菌催化氧化有機物，使其直接生成質子、電子和代謝產物，氧化過程中產生的電子通過載體傳送到電極表面。根據微生物的性質，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質。陽極產生的H+透過質子交換膜擴散到陰極，而陽極產生的電子流經外電路循環到達電池的陰極，電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下，與陰極室中的電子接受體結合，并發生還原反應[1]。

下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應完成后葡萄糖完全被氧化[2]。

2 微生物燃料電池的分類

目前為止，MFCs的分類方法沒有統一標準，通常有以下幾種分類方法。

（1）基于產電原理進行分類，包括氫MFCs、光能自養MFCs和化能異養MFCs。氫MFCs的原理是利用微生物制氫，同時利用涂有化學催化劑的電極氧化氫氣發電；光能自養MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接將光能轉化為電能；而化能異養MFCs則是在厭氧或兼性微生物的作用下，從有機底物中提取電子并轉移到電極上，實現電力輸出[3]。

（2）基于電池構型進行分類，包括單極室微生物燃料電池、雙極室微生物燃料電池和多級串聯MFCs。圖1中的微生物燃料電池即為雙極室結構，電池通過質子交換膜分為陽極室和陰極室兩個極室。單極室MFCs則以空氣陰極MFCs為主，將陰極與質子交換膜合為一體，甚至是去除質子交換膜。為了提高產電量，將多個獨立的燃料電池串聯，就形成了多級串聯MFCs[4]。

（3）基于電子轉移方式分類，包括直接微生物燃料電池和間接微生物燃料電池兩類。直接微生物燃料電池是指底物直接在電極上被氧化，電子直接由底物分子轉移到電極，生物催化劑的作用是催化在電極表面上的反應。間接微生物燃料電池的底物不在電極上氧化，而是在電解液中或其它地方發生氧化后，產生的電子由電子介體運載到電極上去[5]。

（4）基于電子從細菌到電極轉移方式進行分類，可分為有介體MFCs和無介體MFCs兩類。電子需要借助外加的電子中介體才能從呼吸鏈及內部代謝物中轉移到陽極，這類為有介體MFCs。某些微生物可在無電子傳遞中間體存在的條件下，吸附并生長在電極的表面，并將電子直接傳遞給電極，這稱為無介體MFCs。

3 電池性能的制約因素[6～7]

迄今為止，MFCs的性能遠低于理想狀態。制約MFC性能的因素包括動力學因素、內阻因素和傳遞因素等。

動力學制約的主要表現為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率[8]。內電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內阻。不用質子交換膜也可以大大降低MFC的內阻，這時得到的最大功率密度為有質子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題[9]。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區電子最終受體的擴散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。

另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對微生物燃料電池內的物質傳遞有影響[10]。

4 微生物燃料電池的應用

（1）廢水處理與環境污染治理。

微生物燃料電池可以同步廢水處理和產電，是一種廢水資源化技術。把MFC用于廢水處理是其最有前景的一個應用方向，也是當前微生物燃料電池的研究熱點之一。同時，在生物脫氮、脫硫、重金屬污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽視的作用。

（2）海水淡化。

普通的海水淡化處理技術條件苛刻，需要高壓、高效能的轉化膜，有的還要消耗大量的電能，故不能大規模的處理，并且成本較高，難以有效地解決海水淡化問題。如果找到一種高效的產電微生物和特殊的PEM交換膜，那么MFC，就可以達到海水淡化的目的，而且具有能耗低，環保和可持續的優點。利用MFC淡化海水也將成為具有發展潛力的研究方向[11]。

（3）便攜式電源。

微生物燃料電池能夠利用環境中自然產生的燃料和氧化劑變為電能，用于替代常規能源。可以為水下無人駕駛運輸工具、環境監測設備的長期自主操作提供電源。

（4）植物MFCs。

通過光合作用，植根在陽極室的綠色植物將二氧化碳轉換為碳水化合物，在根部形成根瘤沉積物；植物根系中的根瘤沉積物被具有電化學活性的微生物轉化為二氧化碳，同時產生電子。這種植物MFCs能夠原位將太陽能直接轉換為電能[12]。

（5）人造器官的動力源[13]。

微生物燃料電池可以利用人體內的葡萄糖和氧氣產生能量。作為人造器官的動力源，需要長期穩定的能量供給，而人體內源源不斷的葡萄糖攝入恰好可以滿足MFC作為這種動力源的燃料需要。

5 微生物燃料電池技術研究展望

MFCs技術正在不斷成長并且已經在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術還沒有實現真正的大規模實際應用。基于其產電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點。

（1）深入研究并完善MFCs的產電理論。MFCs產電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴重制約了MFCs的實際應用。MFCs中產電微生物的生長代謝過程，產電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質是今后的研究重點[14]。

（2）篩選與培育高活性微生物。目前大多數微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應用的目的，需要尋找自身可產生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結合電子傳遞化合物質的微生物。今后的研究應致力于發現和選擇這種高活性微生。

（3）優化反應器的結構。研究與開發單室結構和多級串聯微生物燃料電池。利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質子的材料作為陰極[15]。

（4）改進或替代質子交換膜。質子交換膜的質量與性質直接關系到微生物燃料電池的工作效率及產電能力。另外，目前所用的質子交換膜成本過高，不利于實現工業化。今后應設法提高質子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池[16]。

6 結語

MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，并已逐步顯現出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應用[17]。

參考文獻

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篇（4）

“電力技術是通向可持續發展的橋梁”，這個論斷已經逐漸成為人們的共識。研究表明，為了實現可持續發展，應盡可能把一次能源轉換為電能使用，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,使用電力這種優質能源最清潔、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換為電力使用，人們賴以生存的環境和生活質量就會大大改善。因此，電能高效潔凈地生產、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狀和未來發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換為電能的裝置。它是一種很有發展前途的潔凈和高效的發電方式，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)轉變為氫離子，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到達陽極與氫離子結合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發電系統由電池堆、燃料供給系統、空氣供給系統、冷卻系統、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無須配備重整器。磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術成熟、已商業化的燃料電池。現在已能生產大容量加壓型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，重整反應可以在內部進行，可用于規模發電，現在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由于電解質是氧化鋯等固體電解質，未來可用于煤基燃料發電。質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

燃料電池有以下優點：（1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發電效率可達100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達58.4%。通過熱電聯產或聯合循環綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發電效率與規模基本無關，小型設備也能得到高效率。（2）處于熱備用狀態，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1s內跟隨50%的負荷變化。(3)噪音低；可以實現實際上的零排放；省水。（4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統

目前燃料電池大規模應用的障礙是造價高，在經濟性上要與常規發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、價格等與商業化有關的項目，主要涉及新的電解質材料和催化劑。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。需要解決電池構成材料的腐蝕；電極細孔構造變化使電池性能下降等問題。固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質且工作溫度很高,對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩定和致密性（不通過氣體）的電解質，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩定氧化鋯。為了降低工作溫度，應盡可能減少電解質薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結法和電化學蒸發涂層法制備電解質薄膜。實用的電解質膜的厚度為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子導電的電解質。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

2.1大功率電力電子器件的重大進展

電力電子學（PowerElectronics）的應用已經有多年的歷史。電力電子學器件用于電力拖動、變頻調速、大功率換流已經是比較成熟的技術。大功率電子器件（HighPowerElectronics）的快速發展也引起了電力系統的重大變革，通常稱為硅片引起的第。

近年來，大功率電子器件已經廣泛應用于電力的一次系統。可控硅（晶閘管）用于高壓直流輸電已經有很長的歷史。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代控制技術結合以實現對電力系統電壓、參數(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續調節控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統穩定水平，降低輸電損耗。

篇（5）

0.引言

時至今日，世界經濟大體上仍然是化石燃料依賴型的，石油、煤和天然氣占世界初級能源消費總量的85％左右，剩下的部分主要是水電和核電，真正的可再生清潔能源如風能、太陽能等所占比例不到3％。世界能源需求仍在以1.5％～2％的年率增長，而地質學家預測說，石油和天然氣價格將大幅度上升，再也不會回落。

燃料電池的出現與發展，給便攜式電子設備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業，住宅，以及社會各方面的集中供電系統。在21世紀中它將會把人類由集中供電帶進一種分散供電的新時代。燃料電池供電，沒有二氧化碳的排放，可減輕溫室效應使全球氣候變暖問題，它解決了火力發電使全球環境污染的問題，它是一個純正的綠色清潔能源。

1.燃料電池的原理

1.1 燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質和外電路。燃料電池中的電解質有不同的種類。燃料電池是靠氫氧結合成水的反應來發電的，因而不會產生氮氧化物（NOX）和碳氫化合物（HC）等易對空氣造成污染的物質。它由三部分組成：陰極、陽極和電解液。

燃料電池有著幾個獨特的性質：

（1）燃料電池在工作時必須有能量（燃料）輸入，才能產出電能。

（2）燃料電池所能夠產生的電能只和燃料的供應有關，只要供給燃料就可以產生電能，其放電是連續進行的。

（3）燃料電池本體的質量和體積并不大，但需要一套燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備的質量和體積遠遠超過燃料電池本身。

1.2 燃料電池中的催化作用

燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學反應中電荷轉移的一種作用，一般發生在電極與電解質的分界面上。 催化劑是一類可產生電催化作用的物質。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優選不同的催化劑。

評價催化劑的主要技術指標為穩定性、電催化活性、電導率和經濟性。

2.燃料電池的特點

由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒有像通常的火力發電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量形態變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發電效率。同時還有以下一些特點：

不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發電效率；不管裝置規模大小均能保持高發電效率； 具有很強的過負載能力； 通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環境相容性優。

此外，燃料電池的能量轉換效率高，不受卡諾效率限制；清潔、環保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設備、沒有SOx、NOx氣體和固體粉塵的排放；可靠性和操作性良好，噪聲低；所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。

3.燃料電池的分類

燃料電池可依據其工作溫度、所用燃料的種類和電解質類型進行分類。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類。按燃料來源，燃料電池可分為直接式燃料電池(如直接甲醇燃料電池)，間接式燃料電池(如甲醇通過重整器產生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料)和再生類型進行分類。依據電解質的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MC

FC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

3.1直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池是以甲醇為燃料，通過與氧結合產生電流的，優點是直接使用甲醇，省去了氫的生產與存儲。其電化學轉化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質子膜到陰極與氧氣反應并同時產生電流。間接燃料電池是先將甲醇進行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質子膜電解槽反應而獲得供給汽車動力的電能。這種燃料電池以甲醇為能量來源，手機，筆記本電腦將不再用充電。

3.2固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質，除了高效，環境友好的特點外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；在高的工作溫度下電池排出的高質量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳氫化合物、NH3、H2S等作燃料。這類電池最適合于分散和集中發電。

3.3堿性燃料電池

再生氫氧燃料電池將水電解技術(電能+2H2O2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(2H2+O2H2O+電能)相結合 ,氫氧燃料電池的燃料 H2、氧化劑O2可通過水電解過程得以“再生”, 起到蓄能作用。可以用作空間站電源。采用氫氧化鉀溶液作為電解液。這種電解液效率很高（可達60-90％），但對影響純度的雜質，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態氫氣和氧氣。這一點限制了將其應用于宇宙飛行及國際工程等領域。

3.4質子交換膜燃料電池

燃料電池工程中心研究雙效催化劑和雙效氧電極的制備方法，研制薄層電極并制備膜電極三合一組件，降低電極鉑擔量。目前電極的鉑擔量已降至0.02mg/cm2。同時進行固體電解質的水電解技術開發，已掌握水電解用膜電極的制備技術。

3.5熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構造材料價廉等諸多優點，是下一世紀的綠色電站。

4.燃料電池的應用

燃料電池技術因具備低污染、高能源轉換效率的特性，更能滿足人類高效、環保的需求。它具有更高的能源密度。緊急備用發電機、住宅用熱電共生系統、UPS、分布式發電系統、軍事國防、太空與運輸工具領域、機器人、筆記型計算機、PDA、手機等便攜電子產品、便攜電源、搬運工具、電動輔助/代步車等。采用極薄的塑料薄膜作為其電解質。這種電解質具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動裝置的理想材料。

質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解質,無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，無污染，可室溫快速啟動。質子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景，尤其是電動車的最佳驅動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。

5.小結

高效、潔凈的燃料電池必將在未來的高效、清潔發電技術中占有一席之地。但是，資金、技術、觀念、基礎設施上還有許多需要克服的困難。油價飆升、電價太貴，燃料電池成為未來家庭能源供應相對便宜的選擇，也是目前最令人滿意的解決方案。在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景。　[科]

【參考文獻】

篇（6）

關鍵詞：陶瓷膜 新材料

1陶瓷膜技術發展概況

陶瓷膜也稱CT膜，是固態膜的一種，最早由日本的大日本印刷公司和東洋油墨公司在1996年開發引入市場。2004年7月，北美陶瓷技術公司順利完成了其價值超過500萬美元的新型雙磨盤研磨機的組裝，該設備在制備超薄陶瓷膜的生產技術上首屈一指，這同時也使得公司在制備超平、超完整陶瓷膜上的技術大大提升。

2陶瓷膜的廣泛應用

2.1提純用陶瓷過濾膜

2004年8月，由北京邁勝普技術有限公司與山東魯抗醫藥有限公司研制的陶瓷膜過濾系統用于某種抗生素的分離提純獲得成功，這不僅優化了此種抗生素的生產工藝，而目使抗生素收率提高15%，這是我國首次將陶瓷膜技術運用于抗生素生產。抗生素的分離提純，必須經過對發酵液的過濾和對濾出的藥液進行樹脂交換。目前，許多抗生素生產企業對氨基糖苷類抗生素發酵液的分離提純均采用真空轉鼓過濾器，這種工藝需先將發酵液酸化調至一定的pH值，然后用敷設助濾劑層的真空轉鼓過濾器進行預過濾，再用板框進行復濾及樹脂交換。采用這種工藝不僅過程繁瑣，而目有效成分收率低，僅過濾和樹脂交換過程的收率損失達30%。

2.2鍍陶瓷包裝膜

在食品包裝領域，近年越來越引人注目的是具有高功能性和良好環保適應性的透明鍍陶瓷膜。這種膜盡管目前價格較高，物理性能還有待進一步改進，但可預期在不遠的將來它將在食品包裝材料中占據重要的地位。陶瓷膜的加工鍍膜方法與通常的鍍金屬方法相似，基本上按我們己知的加工法進行。鍍陶瓷膜由PET（12μm）陶瓷（Si0x）組成。氧化硅能分成4類，即Si0，Si304，Si203，Si02。對這種膜的主要要求是具有良好的透明度、極佳的阻隔性、優良的耐蒸煮性、較好的可透過微波性與良好的環境保護性以及良好的機械性能[2]。

鍍陶瓷膜首先用作細條實心面的調味品包裝材料。其優良的包裝性能引起了人們的注意。由于這種膜保味性極佳，因此，尤其適合于包裝易升華產品，如茶（樟腦）之類的易揮發材質。由于其極好的阻隔性，除了作為高阻隔性包裝材料和作食品包裝材料用外、預計還可用在微波容器上作為蓋材，在調味品、精密機械零配件、電子零件、藥物和醫藥儀器等方而作為包裝材料。隨著加工技術的進一步發展，如果這種膜在成本上大幅下降，那么它將得到迅速推廣和應用。

2.3 燃料電池陶瓷膜

我國“863”計劃固體氧化物燃料電池（SOFC）項目經過對新型中溫固體氧化物陶瓷膜燃料電池的長期研制，把陶瓷膜制備技術開拓應用于SOFC的制作，把通常SOFC的高溫（1000-900℃）拓延到中溫階段（700-500℃）。目前中國科技大學無機膜研究所己經研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內阻，提高了有用功率的輸出，不需要高溫的條件下實現了中溫化，操作溫度降到700-500℃[4]。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優點，同時降低了成本。此類陶瓷膜燃料電池具有廣闊的應用前景[5]。

結束語

陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，其發展可分為3個階段：用于鈾的同位素分離的核工業時期，于20世紀80年代建成了膜面積達400萬平方米的陶瓷膜的富集256UF6工廠，以無機微濾膜和超濾膜為主的液體分離時期和以膜催化反應為核心的全面發展的時期。

總之，隨著科學技術的發展，陶瓷膜作為一種新型的材料，在各行各業的領域中，發揮著巨大的作用。其前景也越來越廣闊。

參考文獻：

[1]詹捷，陳小安，王永剛，等.工程陶瓷材料精密加工技術.機械工藝師，1998（6）：11_12.

[2]林濱.程陶瓷超精密磨削機理與實驗研究：[博十學位論文].天津大學，1999.

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[1]楊孝綸.電動汽車技術發展趨勢及前景（上）[J].汽車科技.2007（06）.

[2]楊孝綸，劉曉康，汪斌.電動汽車技術發展趨勢及前景[J].變頻器世界.2007（07）.

[3]楊孝綸.電動汽車技術發展趨勢及前景（下）[J].汽車科技.2008（01）.

[4]余群明，石小波，王雄波，楊振東.電動汽車技術（5）電動汽車電控系統發展現狀及其趨勢[J].大眾用電.2008（05）.

[5]曹秉剛，張傳偉，白志峰，李竟成.電動汽車技術進展和發展趨勢[J].西安交通大學學報.2004（01）.

參考文獻

[1].范從山.電動汽車技術原理及發展展望[J].揚州職業大學學報.2007，03

[2].祝占元.電動汽車[M]?黃河水利出版社.2007，09

[3].高義民.現代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車[M].機械工業出版社.2008

[4].陳世全.燃料電池電動汽車[M].清華大學出版社.2005，5

[5].劉長江.充電站之戰電動汽車新機遇[J].第一財經周刊.2010，4

參考文獻：

[1]陳翌，孔德洋.德國新能源汽車產業政策及其啟示[J].德國研究，2014，01：71-81+127.

篇（8）

一、通信電源的發展現狀

（一）供電系統的現狀

通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。

（二）通信電源設備的更新換代

近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新換代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統的可靠性、穩定性，電磁兼容性，消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現行通信電源的電路模型和控制技術

目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優缺點。一般認為，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、通信電源發展趨勢

（一）開關器件的發展趨勢

電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術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，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。

（二）通信直流電源產品的技術發展市場需求發展

在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產品體現了如下的發展態勢：

體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式，暫時不會出現類似從線性電源到開關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定，一定程度制約了整機系統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、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律，一般而言，技術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，開關電源技術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一步提高，未來幾年甚至十幾年內，通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現，通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展，就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段，其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。

1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。

2．燃料電池。燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產生0.9V電壓的直流電能，同時產生大量的熱能.

3．電源監控系統的發展。隨著互聯網技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發展，通信系統從以前的單機或小局域系統逐漸發展至大局域網系統或廣域網系統，大量人力、物力被投入到網絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環境越來越復雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設備的監控管理提出了新的需求，保護通信互聯網終端的電源設備必須具備數據處理和網絡通信能力。此時，數字化技術就表現出了傳統模擬技術無法實現的優勢，數字化技術的發展逐步表現出傳統模擬技術無法實現的優勢.

4．通信電源的環保要求。環保問題，一方面的指標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的負載特性，減少給電網帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網絡設備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環利用和環境的無污染，這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。

在通信電源開發、生產早期，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，導通角約為π/3，波峰因數大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網帶來了嚴重的污染，使電網波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網來說，還很有可能因中性線電流過大而出現不安全隱患。

參考文獻：

[1]朱雄世，《通信電源的現狀與展望》.

[2]《淺析全球通信電源技術發展趨勢》.

[3]《通信直流電源發展趨勢》.

[4]孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術研究的新進展》.

[5]《通信電源技術發展趨勢及標準研究方向》.

[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展方向》.

[8]王改娥、李克民，《我國通信電源的發展回顧與展望》.

[9]侯福平，《UPS系統在通信網絡中使用的特點及要求》.

篇（9）

一、通信電源的發展現狀

（一）供電系統的現狀

通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。

（二）通信電源設備的更新換代

近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新換代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統的可靠性、穩定性，電磁兼容性，消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現行通信電源的電路模型和控制技術

目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優缺點。一般認為，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、通信電源發展趨勢

（一）開關器件的發展趨勢

電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術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，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。

（二）通信直流電源產品的技術發展市場需求發展

在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產品體現了如下的發展態勢：

體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式，暫時不會出現類似從線性電源到開關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定，一定程度制約了整機系統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、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律，一般而言，技術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，開關電源技術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一步提高，未來幾年甚至十幾年內，通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現，通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展，就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段，其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。

1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。

2．燃料電池。燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產生0.9V電壓的直流電能，同時產生大量的熱能.

3．電源監控系統的發展。隨著互聯網技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發展，通信系統從以前的單機或小局域系統逐漸發展至大局域網系統或廣域網系統，大量人力、物力被投入到網絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環境越來越復雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設備的監控管理提出了新的需求，保護通信互聯網終端的電源設備必須具備數據處理和網絡通信能力。此時，數字化技術就表現出了傳統模擬技術無法實現的優勢，數字化技術的發展逐步表現出傳統模擬技術無法實現的優勢.

4．通信電源的環保要求。環保問題，一方面的指標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的負載特性，減少給電網帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網絡設備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環利用和環境的無污染，這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。

在通信電源開發、生產早期，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，導通角約為π/3，波峰因數大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網帶來了嚴重的污染，使電網波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網來說，還很有可能因中性線電流過大而出現不安全隱患。

參考文獻：

[1]朱雄世，《通信電源的現狀與展望》.

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[3]《通信直流電源發展趨勢》.

[4]孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術研究的新進展》.

[5]《通信電源技術發展趨勢及標準研究方向》.

[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展方向》.

[8]王改娥、李克民，《我國通信電源的發展回顧與展望》.

[9]侯福平，《UPS系統在通信網絡中使用的特點及要求》.

篇（10）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.13.065

0 引言

能源是人類生存及發展基礎。人類對能源的需求大幅增長，現如今能源危機威脅著人類的經濟發展，大量煤電、火電等能源的使用產生大量的二氧化碳，導致溫室效應，人類的生存環境受到威脅，紛紛轉向可持續發展能源戰略規劃，開發利用分布式發電能源。新能源發電接入傳統電力系統并達到規模應用，對于緩解能源緊張和抑制環境污染必將產生積極的意義。分布式電源指的是利用可再生能源獨立發電的小型發電系統，包括風能、太陽能、小水電和燃氣輪機等。光伏發電具有間歇性和不穩定性（季節性、時段性、瞬時突變性）特點，該特點會對大電網造成沖擊。文獻[1]風光互補發電系統在并網和獨立運行下的能量供需平衡的檢測和對電網的影響，蓄電池的充放電管理和市電、負載的控制要求。

1 微網的運行策略

微網的運行具有不穩定性，其不同于傳統電網發電單元，微網能提高電網的供電可靠性、降低線路網損和環境污染，是配電網的有益補充[2]。

微網既可以孤島運行，也可以與外部電網并網運行，微網在與電網并網運行，能量雙向運行，其在不用的運行模式下需要采用不同的能量控制策略。

在離網運行中，當光伏微網的發電量大于負荷的需求，采用先給儲能單元充電的等方式，儲能的電量達到設定的需求，則根據時時電價將發電成本高的發電設備停止，保證光伏電網內部的正常運行。

當微網的時時發電量小于負荷的需求時，儲能設備的高于設定值，則采用儲能單元先放電，當儲能單元低于設定值，啟動報價高的分布式電源進行時時的供電。

當微網的發電量與負荷需求持平時，儲能單元低于設定值，優先保證給儲能單元充電。如果高于設定值，則根據電網報價，關閉運行成本高的發電設備。

2 微網能量管理模型

2.1 光伏電池能量管理模型

光伏電池的輸出功率收到太陽照度，溫度、太陽能電池板的傾斜度等問題的決定，在不同的情況下輸出的功率也不相同，經過經驗的總結，得到太陽能電池板的輸出功率由如下公式表達[3]：

3 結論

與傳統的大容量火力發電相比，微網與配電網之間存在能量的雙向流動，本文主要分析了微網能量管理的基本原理和策略，從微網的可靠性和經濟性考慮分布式電源的能量管理。能量平衡控制的基本原理及并網和獨立運行模式下能量管理的基本策略。根據發電單元和儲能單元的穩態特性，建立了發電單元和儲能單元的能量管理模型。

參考文獻：