时间：2023-03-10 15:03:45
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1质子交换膜燃料电池的结构及原理
按照电解质的不同可将燃料电池分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五类。PEMFC单电池由质子交换膜、气体扩散电极、双极板等构成，图1是其结构与工作原理示意图。
PEMFC的基本工作过程如下：
（1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，氢分子在催化剂的作用下解离形成氢离子和电子；
（2）氢离子以水合质子H+（xH2O）的形式通过电解质膜到达阴极，电子在阳极侧积累；
（3）氧气通过双极板到达阴极后，氧分子在催化剂的作用下变成氧离子，阴、阳极间形成一个电势差；
（4）阳极和阴极通过外电路连接起来，在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极，形成电流，对负载做功。同时，在阴极侧反应生成水；
（5）只要持续不断地提供反应气体，PEMFC就可以连续工作，对外提供电能。
2质子交换膜燃料电池的特点
（1）高效率。PEMFC以电化学方式进行能量转换，不存在燃烧过程，不受卡诺循环限制，其理论热效率可达85-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内，而PEMFC几乎在全部负荷范围内均有很高效率。
（2）模块化。PEMFC在结构上具有模块化的特点，可根据不同动力需求组合安装，采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。
（3）高可靠性。由于PEMFC电堆采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。一旦某个单电池发生故障，可自动采取适当屏蔽措施，只会使系统输出功率略有下降，而不会导致整个动力系统的瘫痪。
（4）燃料多样性。PEMFC动力系统既可以纯氢为燃料，也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物，也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。
（5）环境友好。当采用纯氢为燃料时，PEMFC的唯一产物是水，可以做到零排放。以重整气为燃料时，相对于内燃机而言，排放也极大降低。此外，PEMFC噪声水平也很低，各结构部件均可回收利用。3研究现状
3.1关键部件
电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。
电解质膜是PEMFC的核心部件，它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966年开始用于燃料电池，其商业型号为Nafion，至今仍广泛使用。但由于Nafion膜成本较高，各国科学家正在研究部分氟化或非氟质子交换膜。
双极板在PEMFC中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用，目前广泛采用的是以石墨为材料，在其上加工出引导气体流动的流场，基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。
铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂，为提高利用率，铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上，目前广泛采用的担体为乙炔炭黑，比表面积约为250m2/g，平均粒径为30nm。
PEMFC的气体扩散电极由两层构成，一层为起支撑作用的扩散层，另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备，应具备高孔隙率和适宜的孔分布，不产生腐蚀或降解。根据制备工艺和厚度不同，催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。
3.2测控系统
PEMFC的工作性能受多种因素（温度、压力等）的影响，为确保PEMFC正常运行，提高其可靠性和有效性，就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测PEMFC运行的关键或重要状态，并对收集到的信息进行必要的分析和处理，以便做到故障预测和及时诊断，为PEMFC管理系统提供依据。目前，进行PEMFC测试系统相关方面研究的公司和机构众多，但仍没有制定出有关PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备，不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料电池测试站（FCATS）、美国Arbin公司的集成燃料电池测试系统（FCTS）是其中的突出代表。
4质子交换膜燃料电池的应用
质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低，还体现在其可在较大的电流密度下工作，适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景，PEMFC已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。目前，通用、丰田等世界上知名的汽车公司，都在积极开发以PEMFC系统为动力源的PEMFC电动车，曾先后推出各种类型的样车，并进行PEMFC电动车队的示范运行。PEMFC电动车以其优异的性能和环境污染很少等突出特点引起了人们的普遍关注，甚至被认为将是21世纪内燃机汽车最为有力的竞争者。
此外，在航空航天特别是无人飞行器领域，以及家庭电源、分散电站、移动电子设备电源、水下机器人及潜艇不依赖空气推进电源等方面也有广泛应用前景。
5质子交换膜燃料电池的发展趋势
在关键部件方面，围绕电解质膜、催化剂及双极板的研究方兴未艾。全氟型磺酸膜价格昂贵，开发非全氟的廉价质子交换膜是今后的研究方向。近年来，新型质子交换膜的的研究热点是开发能够在100℃以上使用的高温电解质膜。在催化剂方面，研制高性能抗CO中毒电极催化剂是最紧迫的任务，此外，还要寻找非贵金属氮化物或碳化物作为现有铂催化剂的替代。目前广泛使用的石墨板具有较好的耐腐蚀能力和较高的热导率，但成本较高，加工难度大，强度、电导率和可回收性均不如金属板。金属板目前急需解决的问题是表面处理，以提高其耐腐蚀能力。复合材料双极板则结合了纯石墨板和金属板的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点，是未来发展的趋势。
在电堆方面，今后的研究重点将是使电堆中的电池单元的性能接近于单电池的性能，这就需要对电堆的结构进行优化，保证电堆中每一片电池单元的整个活性面积处于一致的操作环境，并优化水、热管理，改善电流密度分布的均匀性。
氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下,使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。
1.分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1微型燃气轮机
微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。
2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第
2.1大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2灵活交流输电技术(FACTS)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。新晨
1.1微型燃气轮机
微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。论文百事通
2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第
2.1大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。新晨
2.2灵活交流输电技术(FACTS)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
中图分类号：TU852文献标识码：A文章编号：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
我们已进入21世纪，这是一个全新的时代，经济的高速发展给人们的生活带来了很多的便利，但随之而来的却是能源的耗竭，原本丰富的能源如今已变得匮乏，并危及到人们未来的生产生活。与此同时，毫无顾忌的能源利用还造成了大气的严重污染，从而又引发能源危及，这样的恶性循环会直接危及到人类的发展，甚至威胁人类的健康和繁衍。因此，开拓新能源，减少能量源浪费成为当今世界最为关注的话题。
一、新能源的发电方式
（一）太阳能发电
太阳能发电开始于上世纪50年代，当时，第一块实用的硅太阳电池研制成功，如今，太阳能发电技术已经经历了半个世纪的发展，其技术也在日益成熟。目前，占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，主要分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图1所示，太阳电池阵列进行光电转换，把太阳能变为电能，再由功率变换器将太阳电池输入到直流电中，最后转换成用户所要使用的电源模式。根据用户的需求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/AC变换。而功率变换装置还应包括蓄电池系统，主要是为了平衡电流。如果太阳光充足，可以利用太阳能，并利用蓄电池充电；如果在夜晚或者阳光不充足时，就可以使用蓄电池供电。
（二）风力发电
如今，风力的主要运用方式就是风力发电，它的发展速度最快，也最受全世界关注。风力发电主要有3种运转方式：
1.独立运行方式，利用一台小型的风力发电机向需要的用户提供电能，它还可以通过蓄电池充电，预防无风时影响发电效果；
2.风力发电与其他发电方式相结合的联合供电方式，主要向交通不便或偏远山区供电，以及地广人稀的草原牧场提供电力；
3.并网型风力发电运行方式，将风力发电网安装在条件较好的地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这也是风力发电的主要发展方向。风力发电机组在不同风速的条件下运行，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，所以，通常要配置电力电子功率变换器，通过这种装置控制电流，保证输出的电压是平衡稳定的。
（三）燃料电池发电系统
燃料电池（Fuel Cell）是将反应物如氢气等的化学能直接转化为电能的电化学装置。它通过燃料（通常是氢气）和氧气结合所发生的光电反应来发电。燃料电池发展了这么久，根据电介质的不同，主要分为5种燃料电池：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔盐燃料电池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
实际上，燃料电池也有其优点，例如：发电效率高：发热少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料电池发电主要集中在以下几个方面：燃料电池特性研究；燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；能量管理技术；孤岛检测和保护技术，并网电流控制；并网运行与独立运行之间的无缝切换控制技术。
燃料电池所输出的电压会随着电压的变化，发生较大范围的变化。燃料电池的输出电压在负载发生突变时还要经过一段时间才能停止反应，对于质子交换模燃料电池响应延迟达2秒。因此，燃料电池一般与负荷动态的具体要求无法很好的匹配。
二、电力储能技术
可再生能源发电装置所产生的电能主要还存在无法预测的周期性变化，例如风能、光伏发电等，如果将其电能直接输入普通电网，将会对电流带来不良影响，而电力储备装置就可以平衡能源发电输入与电网之间的矛盾。电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等它们都各具特点，各有优势，但它们的正常运行主要是依靠电子电力技术。
蓄水储能与压缩空气储能主要是对电力高峰期进行调节，但是对地理条件的要求较高。电池储能的精密性高，需要在技术成熟的条件下进行，理论上可以用于电力调峰，单电池使用寿命有效，这成为蓄电技术的难点。飞轮储能的储能量有限，运行复杂，一般用于电能质量调节。
三、电能质量控制
（一）电源谐波检测和分析技术
谐波的测量和分析都是以思想谐波治理为前提条件的，精准的谐波测量和分析可以为谐波的治理提供准确的依据。自提出快速傅里叶变换算法（FFT）以来，基于傅里叶变换的谐波测量得到了普遍应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，不然就会严重影响其效果。因此，怎样减少因同步偏差而引起的测量误差成为电子电力技术人员迫切要解决的难题。
（二）电能质量控制和管理
首先，电能质量的控制和管理主要包含功率因数校正和滤波器设计，由于传统的无源滤波器体积和重点都很大，还需要对不同的频率进行设计，而功率因数较技术正是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。如今，电能质量控制和管理的研究重点在与PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制，软开关技术与PFC技术的融合已经成为未来的发展趋势，虽然目前的PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。
四、总结
综上所述，随着科技的发展，新能源的开拓和使用技术越来越成熟，但是，要真正做好新能源发电技术，还需要从解决先存的各种问题，因此，电子电力技术人员应在在电气、电子、控制和信息等工程技术领域加强合作研究，通过系统集成和技术融合，实现各种技术的突破，我相信，我们一定可以克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。
参考文献：
[1]Rechten H.可再生能源技术[A].中美清洁能源技术论坛论文集[C],2001
[2]汤天浩.新能源与变换:系统集成、技术融合及应用展望[J].电源技术学报,2004,2,1
[3]李俊峰,高虎,王仲颖.中国风电发展报告[M].北京:中国环境科学出版社,2008
“我不比你差！”
当我以问卷调查的方式问及这些博士生为何而来读研时，出身鲁东大学的朱星宝同学在答复说，父母对他读书求学的全力支持、自己个人对科学的喜好和追求是他选择读研究生、攻读博士学位的两个最主要的动机。在他成长的过程中，心头始终有“我不比你差”这样一句看似朴实无华，但意涵深刻的励志语录。
我至今仍记得，在他博士入学后来和我讨论研究课题的时候，当我谈起我根据当时课题组所从事研究课题状况和博士生的个人能力，提出了博士生毕业要求“一五一十”（即发表5篇以上SCI收录的论文、影响因子之和力争达到10）的指标时，他坦然接受了这个要求。后来我得知，其实他当时在心里给自己定的目标是在读博士期间发表10篇论文，他最后也真的做到了。
朱同学能达到这个宏伟目标，是因为他可以起得比别人早，经常在早上5点半就来实验室开始做实验。在整理结果撰写论文期间，他可以靠一兜子馒头和几包大酱再加上点简单的生鲜蔬菜就能在寝室写一整天的文章，其用心专注，可见一斑。朱同学的另一个特点是执行力强、下手快，有想法立刻就会付诸行动。他的视野比常人更开阔，常常不拘泥于自己既有的研究选题，不断积极拓展新的研究方向，所以他取得的成果最终超出了我的想象。
例如，他的博士论文课题是研究一种用于燃料电池的氧化物的微纳米阳极，最初的方案中主要侧重解决阳极在甲烷燃料中的抗积碳能力。朱同学没有固步自封，而是在发现这种阳极具有优异的性能之后，不但迅速在其他液体燃料和固体燃料环境下进行了电池试验，而且把它用于单气室燃料电池和火焰燃料电池，还颇具创意地制作出了以一种氧化物材料同时作为阴极和阳极的对称结构燃料电池。因为他能够不断地对研究方向和选题进行自主扩展，所以取得了超乎想象的许多成果。
因为学术上的突出成就，朱同学赢得了一连串的荣誉，其中包括2010年度的首届“教育部博士研究生学术新人奖”（该奖项2010年设立，奖励在博士生阶段学术研究表现出色的博士研究生），哈尔滨工业大学“李昌奖”（这是以我校老校长命名的大奖，每次只奖励5名学生）、研究生“十佳英才”等等，并在2011年的两个国际学术会议上获得奖励资助。第一学历并没有成为朱同学成长的羁绊，相反，用他自己的话来说反而让他“很接地气”，结果是“触底反弹”，时时刻刻促使他要比别人多付出、多努力、多思考。
放下包袱，无须纠结
如果说朱同学选择读研还带有一些古典理想主义色彩的话，田彦婷同学考研的理由算是比较现实主义的。对本科大规模扩招后就业难的担忧和期望到一个新的地方走走看看的想法，是这位山西师范大学毕业的女生选择来到地处东北陲的哈尔滨工业大学读研的主要原因。在如愿考取了哈工大研究生后，田同学以“既来之则安之”的心态投入到学习和研究工作中，并不因为自己的出身而感到自卑或过多的压力，认认真真地学习专业知识和技术，用女生特有的细心和耐心做好自己承担的电解质薄膜制备技术方面的工作，出色地完成了硕士阶段的论文工作。
在田同学博士入学之初，恰逢课题组的一项863项目进入了攻坚阶段，她欣然接受了去做项目的工作安排，从即将毕业的师兄刘博士手中接过了课题的单气室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）微堆结构方面的后续研究任务，并迅速完成了研究方向的转变，成了这项课题中的骨干力量。在半年多时间里，一项项新的SC-SOFC结构设计从最初师生共同讨论的草图，在她的手里变成了器件，并高效率地完成了试验。经过几轮改进设计和改进，课题组的SC-SOFC微堆研究取得了很大的进展，不但顺利完成了项目的研究任务，还在此领域达到了领先的水平。
近一年的项目攻关中，虽然田同学做了大量的工作，却没有立刻写出博士生们梦寐以求的SCI文章，但事实上这一次攻关的过程已然帮她选准了博士论文的研究方向，并进行了关键的技术创新，还积累了大量的实验数据。因此，项目结题阶段的繁重实验工作一结束，她就开始清理这部分的工作结果，不断地申报发明专利和撰写论文，从而在博士结束前，取得了发表4篇影响因子较高的SCI收录论文和获得2项发明专利的成就，荣获了2012年度“教育部博士研究生学术新人奖”和博士研究生国家奖学金。虽然这些成果似乎已经足够完成她的博士论文了，她并没有就此止步，而是在掌握了新的实验仪器和数值模拟软件后，又针对前期实验中发现的一些机理方面问题展开了研究，让研究工作的水平上了一个新的台阶。
从田同学的经历不难看出，放下第一学历这个包袱和由此产生的种种纠结，轻装上阵，踏踏实实地做好自己承担的每一项工作，不但可以取得很好的成果，也可以让自己的科研能力和学术水平得到不断的提升。
思想让人走远
同样毕业于山西师范大学的王志红同学，在给我的答复中说，自己是为了不再回到原来的高中。去周而复始地讲高中物理那点儿知识而选择了读研，用他自己的话讲，“逃避痛苦”成了他前进的动力。事实上他在读研究生期间，面临的压力也不少，首先是要取得好的学习成绩获得奖学金，不再因学费问题给家长增添负担，后来则是要发表足够的文章以顺利博士毕业。这些压力，没有把高个子的他压矮压倒，而是统统转变成了动力。
以3D打印机喷嘴替代这个注射器，意味着人们可以3D打印制造包含金属丝的塑料制品。这种液态金属不同于液态水银，它没有毒性，因此可安全用于商业生产，然而这种液体金属成本并不低，大约是制造3D塑料物品的100倍。
编译/悠悠
蚯蚓粪便有温度记忆 可帮助预测气候变化
英国约克大学和雷丁大学的科学家发现预测气候变化的“金钥匙”就隐藏在蚯蚓的粪便中。根据他们的研究发现，蚯蚓粪便中的微小方解石颗粒能够保留对空气温度的“记忆”。这种“记忆”有助于科学家预测气候变化。
研究过程中，科学家将蚯蚓放置在不同温度环境下，而后对粪便进行检测。检测结果显示粪便中的微小方解石颗粒能够保留对空气温度的“记忆”。这也就意味着通过研究蚯蚓粪便的化石样本和测试粪便内方解石的残余温度，科学家便能了解地球气候在长达数千年时间里发生的变化。
方解石是一种类似白垩的物质，它们随温度发生的变化可用于预测未来的气候变化趋势。科学家在论文中指出，在蚯蚓排便时，粪便中微小的方解石颗粒会记录下与周围环境温度有关的信息。在将蚯蚓放置在不同温度环境下进行研究之后，科学家验证了这一点。
目前，研究人员正在年代可追溯到数千年前的考古遗址收集样本，将描绘出一幅展示过去气候的图画，同时预测未来的气候变化趋势。
编译/杨孝文
地球曾有两颗卫星另一颗“夭折”
美国加利福尼亚州大学圣克鲁斯分校的月球学家埃里克·阿斯哈格教授认为地球一度拥有两颗卫星，另一颗体积较小，诞生几百万年后便“夭折”。当时，这颗卫星与另一颗卫星相撞，最后香消玉殒。在英国皇家学会9月举行的一场与月球有关的会议上，阿斯哈格将解释他的双卫星理论。
阿斯哈格指出：“第二颗卫星只存在了几百万年，随后与另一颗卫星相撞。撞击之后，地球就只剩下一颗卫星，也就是我们今天看到的月球。这颗卫星“夭折”前一直以相同的速度环绕地球运行同时与地球保持相同的距离。随着时间的推移，它逐渐接近另一颗卫星，最后发生相撞。”阿斯哈格表示，他认为月球地貌应该是两颗卫星的撞击残余。较小卫星的体积据悉只有另一颗卫星的大约三十分之一。
地球及其卫星据悉诞生于太阳系出现后的3000万年至1.3亿年之间。太阳系在大约46亿年前形成。迄今为止，科学家共发现9颗所谓的“超级地球”。超级地球是指质量是地球1到10倍的行星。
编译/杨孝文
灭绝百年“食尸苍蝇”再现踪迹
“骨骼队长”曾是空中飞行最奇特的一种苍蝇，它们对于新鲜的动物尸体并不感兴趣，而倾向于腐烂已久的大型动物尸体。不同于多数苍蝇物种，它们在冬季初期活动频繁，从11月至1月，通常在黄昏之后觅食。
罗马智慧大学研究员皮耶尔费利波·切雷蒂称，这种苍蝇已从人们视线中消失很久，一个多世纪前它们就被宣布灭绝消失。过去几年，欧洲再次发现三只“骨骼队长”苍蝇。目前，切雷蒂和同事首次确定这种苍蝇是一种“新模式标本”，为了更好鉴别它们，他将对比所有“骨骼队长”苍蝇标本。这种苍蝇物种的学名为“Centrophlebomyia anthropophaga”，1798年首次发现于德国曼海姆地区，1830年一位科学家最早对它进行了描述，但是相关的描述仅是基于他的记忆。
这种苍蝇之所以被命名为“骨骼队长”是因为它们将骨骼突出高度腐烂的动物尸体作为自己的“家”，同时，发育之中的苍蝇能够上下跳跃，因此尸体上看上去充满了这种苍蝇的幼体。切雷蒂解释称，为了能够在尸体中跳跃，骨骼队长苍蝇必须将嘴巴和尾部连接在一起，收缩背部肌肉，向上猛冲。这种昆虫在100多年前曾一度被认为灭绝消失，现在又再次重现它们的踪迹。通常这种苍蝇倾向于较大的动物尸体，其中也包括人类尸体，还以腐烂蜗牛、啮齿动物为食，研究人员还使用死鱿鱼和鸟类尸体作为诱饵吸引它们。
编译/悠悠
尿液可充当燃料发电
英国的布里斯托尔机器人技术实验室的科学家找到了一种利用尿液充当燃料进行发电的方式，成功研制出世界上第一款采用这项技术的微生物燃料电池，进而让用尿液为手机充电成为现实。科学家表示虽然很多用户在面对这种燃料时会捏住鼻子，但尿液却是一种“终极废物”，有别于飘忽不定的风能或者太阳能。
研究参与者、布里斯托尔西英格兰大学的伊奥尼斯·伊洛普罗斯博士表示，这是世界上第一款利用尿液发电的微生物燃料电池。“在此之前，还没有一个人将尿液
作为燃料。这是一项令人兴奋的研究成果。将尿液这种终极废物充作燃料发电是一种非常环保的做法。有一种产品的供应是无限的，那就是我们的尿液。利用尿液这种燃料让微生物燃料电池发电，我们可以为三星手机充电。”
伊洛普罗斯是研制利用不寻常燃料的微生物燃料电池的专家。他说：“尿液型微生物燃料电池产生的电量足以让手机收发即时短信、上网冲浪和进行简短通话。”
编译/杨孝文
神奇材料可让土壤储水一年
墨西哥化学工程师塞尔吉奥·朱斯·里克·韦拉斯克研发了一种神奇材料，能够让土壤的储水时间达到一年。这种新材料名为“固体雨”，形态与糖类似，由一种被称之为“聚丙烯酸钾”的吸收性材料构成，所能吸收的水量是其体积的500倍。不久后，生活在干旱国家的农民便有望成为这项技术的受益者，利用这种粉末状水对抗旱情，提高粮食产量。
本书第1作者Ibrahim Dincer是安大略理工大学机械工程系教授，也是工程和应用科学学院的项目负责人。他独自撰写或合作撰写过几十本书，发表过的期刊和会议论文被引用超过1000次，还发表过很多技术报告。他曾多次主持国内与国际会议、担任会议主席。他还参与了很多国际知名会议的初创工作，包括国际能源与环境专题讨论会等。他曾经担任过300余次主题演说，还担任着多种国际期刊的主编和编辑，如《国际能源研究期刊》，《国际燃烧热力学期刊》，以及《全球变暖研究》等。
本书采用独特的方式，融合了最新的技术信息、研究成果和成功示范应用，旨在吸引大量工程师、学生、工程实践人员、科学家和研究人员，为他们展现可持续能源技术的最新发展。
宁圃奇，博士，研究员
（中国科学院电工研究所）
Puqi Ning，Associate Professor
（Institute of Electrical Engineering，CAS）Giovanni Petrecca
Energy Conversion and
Management
2014
http：///book/
一、通信电源的发展现状
（一）供电系统的现状
通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分，其设计目标是安全、可靠、高效、稳定、不间断地向通信设备提供能源。通信电源必须具备智能监控、无人值守和电池自动管理等功能，从而满足网络时代的需求。通信电源系统由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成。
（二）通信电源设备的更新换代
近年来，随着技术的进步，特别是功率器的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等等方面都取得长足的进步。
（三）现行通信电源的电路模型和控制技术
目前通信电源的变换电路拓扑结构主要采用双单端电路，半桥电路和全桥电路，各有优缺点。一般认为，在中、小功率场合，采用双单端电路或半桥电路是适宜的；在大功率场合则采用全桥变换电路。
二、通信电源发展趋势
（一）开关器件的发展趋势
电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。其中，开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫兹级，开关电源的发展为高频变化提供了硬件基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。
（二）通信直流电源产品的技术发展市场需求发展
在需求与技术的共同推动下，通信直流电源产品体现了如下的发展态势：
体系架构相当长的一段时间内维持稳定。通信直流电源在相当长的时间内还是维持现有的交流配电、整流器模块(并联)、直流配电、监控单元、蓄电池等为主要组成部分的架构；功率变换模式也将维持现有的高频开关模式，暂时不会出现类似从线性电源到开关电源的阶跃性的变化。
功率密度不断提高。通信一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高，推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高，但配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定，一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信电源的最基本要求。随着器件技术、通信电源技术的成熟，以及各通信直流电源设备厂家在可靠性研究上大力投入，通信直流电源产品可靠性呈不断提高的趋势。
按照TRIZ理论(“创造性解决问题的理论”的俄语缩略语)描述的技术系统发展进化规律，一般而言，技术的生命周期包含四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，种种迹象表明，通信直流电源的核心技术，开关电源技术基本上开始步入成熟期：效率的提升变得缓慢和困难、而电源损耗不能大幅度降低限制了功率密度的进一步提高，未来几年甚至十几年内，通信直流电源产品将进入一个缓慢发展的阶段，直至有一天，一种新的电源变换技术出现，通信直流电源产品就会再出现一个阶跃性的发展，就像开关稳压技术替代线性稳压技术，给电源带来了革命性的变化。
（三）通信用蓄电池技术研究的新进展
通信用蓄电池作为通信系统后备的能源供应手段，其研制、生产和应用技术一直备受世界各国通信行业的重视。随着科技的发展和技术的不断进步，国外正在研制和试验新一代的通信用蓄电池，有的已经进入商用化阶段。这些新的蓄电池，由于其材料、结构和技术上的先进性，在性能上具有传统的VRLA电池无可比拟的优越性。
中国1．钒电池（VanadiumRedoxBattery）。钒电池（VRB）是一种电解值可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。
2．燃料电池。燃料电池是一种化学电池，也是一种新型的发电装置，它所需的化学原料由外部供给，如氢氧燃料电池，只要外部供给氢和氧，经过内部电极、催化剂和碱性电解液的作用，就能产生0.9V电压的直流电能，同时产生大量的热能.
3．电源监控系统的发展。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，通信系统从以前的单机或小局域系统逐渐发展至大局域网系统或广域网系统，大量人力、物力被投入到网络设备的管理和维护工作上。不过通信设施所处环境越来越复杂，人烟稀少、交通不便都会增大维护的难度，这对电源设备的监控管理提出了新的需求，保护通信互联网终端的电源设备必须具备数据处理和网络通信能力。此时，数字化技术就表现出了传统模拟技术无法实现的优势，数字化技术的发展逐步表现出传统模拟技术无法实现的优势.
4．通信电源的环保要求。环保问题，一方面的指标是通信电源的电流谐波要符合要求，降低电源的输入谐波，不但可以改善电源对电网的负载特性，减少给电网带来严重污染的情况，还可减少对其他网络设备的谐波干扰。另一个重要方面，是材料的可循环利用和环境的无污染，这方面需要产品满足WEEE/ROHS指令。
在通信电源开发、生产早期，人们主要集中研究电源的输出特性，较少考虑到电源的输入特性。例如：传统的在线式电源输入AC/DC部分通常采用桥式整流滤波电路，其输入电流呈脉冲状，导通角约为π/3，波峰因数大于纯电阻负载的1.4倍。这些谐波电流大的电源给电网带来了严重的污染，使电网波形失真，实际负荷能力降低，对于三相四线制的电网来说，还很有可能因中性线电流过大而出现不安全隐患。
参考文献：
[1]朱雄世，《通信电源的现状与展望》.
[2]《浅析全球通信电源技术发展趋势》.
[3]《通信直流电源发展趋势》.
[4]孙向阳、张树治，《国外通信用蓄电池技术研究的新进展》.
[5]《通信电源技术发展趋势及标准研究方向》.
[6]曾瑛，《浅谈通信电源》.
[7]王改娥、李克民，《谈我国通信电源的发展方向》.
[8]王改娥、李克民，《我国通信电源的发展回顾与展望》.
[9]侯福平，《UPS系统在通信网络中使用的特点及要求》.
通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分，其设计目标是安全、可靠、高效、稳定、不间断地向通信设备提供能源。通信电源必须具备智能监控、无人值守和电池自动管理等功能，从而满足网络时代的需求。通信电源系统由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成。
（二）通信电源设备的更新换代
近年来，随着技术的进步，特别是功率器的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等等方面都取得长足的进步。
（三）现行通信电源的电路模型和控制技术
目前通信电源的变换电路拓扑结构主要采用双单端电路，半桥电路和全桥电路，各有优缺点。一般认为，在中、小功率场合，采用双单端电路或半桥电路是适宜的；在大功率场合则采用全桥变换电路。
二、通信电源发展趋势
（一）开关器件的发展趋势
电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。其中，开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫兹级，开关电源的发展为高频变化提供了硬件基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。
（二）通信直流电源产品的技术发展市场需求发展
在需求与技术的共同推动下，通信直流电源产品体现了如下的发展态势：
体系架构相当长的一段时间内维持稳定。通信直流电源在相当长的时间内还是维持现有的交流配电、整流器模块(并联)、直流配电、监控单元、蓄电池等为主要组成部分的架构；功率变换模式也将维持现有的高频开关模式，暂时不会出现类似从线性电源到开关电源的阶跃性的变化。
功率密度不断提高。通信一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高，推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高，但配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定，一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信电源的最基本要求。随着器件技术、通信电源技术的成熟，以及各通信直流电源设备厂家在可靠性研究上大力投入，通信直流电源产品可靠性呈不断提高的趋势。
按照TRIZ理论(“创造性解决问题的理论”的俄语缩略语)描述的技术系统发展进化规律，一般而言，技术的生命周期包含四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，种种迹象表明，通信直流电源的核心技术，开关电源技术基本上开始步入成熟期：效率的提升变得缓慢和困难、而电源损耗不能大幅度降低限制了功率密度的进一步提高，未来几年甚至十几年内，通信直流电源产品将进入一个缓慢发展的阶段，直至有一天，一种新的电源变换技术出现，通信直流电源产品就会再出现一个阶跃性的发展，就像开关稳压技术替代线性稳压技术，给电源带来了革命性的变化。
（三）通信用蓄电池技术研究的新进展
通信用蓄电池作为通信系统后备的能源供应手段，其研制、生产和应用技术一直备受世界各国通信行业的重视。随着科技的发展和技术的不断进步，国外正在研制和试验新一代的通信用蓄电池，有的已经进入商用化阶段。这些新的蓄电池，由于其材料、结构和技术上的先进性，在性能上具有传统的VRLA电池无可比拟的优越性。
[论文关键词]：通信电源通信网现状发展趋势
[论文摘要]：通信电源是向通信设备提供交直流电的电能源，是整个通信电信网的能量保证。通信电源系统由交流供电系统、直流供电系统和相应的保护系统构成。通信电源系统的设备多，分布广，不仅单个电源设备的可靠性会影响系统的可靠性，电源系统的总体结构也会对自身的可靠性造成很大的影响。
一、通信电源的发展现状
（一）供电系统的现状
通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分，其设计目标是安全、可靠、高效、稳定、不间断地向通信设备提供能源。通信电源必须具备智能监控、无人值守和电池自动管理等功能，从而满足网络时代的需求。通信电源系统由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成。
（二）通信电源设备的更新换代
近年来，随着技术的进步，特别是功率器的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等等方面都取得长足的进步。
（三）现行通信电源的电路模型和控制技术
目前通信电源的变换电路拓扑结构主要采用双单端电路，半桥电路和全桥电路，各有优缺点。一般认为，在中、小功率场合，采用双单端电路或半桥电路是适宜的；在大功率场合则采用全桥变换电路。
二、通信电源发展趋势
（一）开关器件的发展趋势
电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。其中，开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫兹级，开关电源的发展为高频变化提供了硬件基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。
（二）通信直流电源产品的技术发展市场需求发展
在需求与技术的共同推动下，通信直流电源产品体现了如下的发展态势：
体系架构相当长的一段时间内维持稳定。通信直流电源在相当长的时间内还是维持现有的交流配电、整流器模块(并联)、直流配电、监控单元、蓄电池等为主要组成部分的架构；功率变换模式也将维持现有的高频开关模式，暂时不会出现类似从线性电源到开关电源的阶跃性的变化。
功率密度不断提高。通信一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高，推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高，但配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定，一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信电源的最基本要求。随着器件技术、通信电源技术的成熟，以及各通信直流电源设备厂家在可靠性研究上大力投入，通信直流电源产品可靠性呈不断提高的趋势。
按照TRIZ理论(“创造性解决问题的理论”的俄语缩略语)描述的技术系统发展进化规律，一般而言，技术的生命周期包含四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，种种迹象表明，通信直流电源的核心技术，开关电源技术基本上开始步入成熟期：效率的提升变得缓慢和困难、而电源损耗不能大幅度降低限制了功率密度的进一步提高，未来几年甚至十几年内，通信直流电源产品将进入一个缓慢发展的阶段，直至有一天，一种新的电源变换技术出现，通信直流电源产品就会再出现一个阶跃性的发展，就像开关稳压技术替代线性稳压技术，给电源带来了革命性的变化。
（三）通信用蓄电池技术研究的新进展
通信用蓄电池作为通信系统后备的能源供应手段，其研制、生产和应用技术一直备受世界各国通信行业的重视。随着科技的发展和技术的不断进步，国外正在研制和试验新一代的通信用蓄电池，有的已经进入商用化阶段。这些新的蓄电池，由于其材料、结构和技术上的先进性，在性能上具有传统的VRLA电池无可比拟的优越性。
1．钒电池（VanadiumRedoxBattery）。钒电池（VRB）是一种电解值可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。
2．燃料电池。燃料电池是一种化学电池，也是一种新型的发电装置，它所需的化学原料由外部供给，如氢氧燃料电池，只要外部供给氢和氧，经过内部电极、催化剂和碱性电解液的作用，就能产生0.9V电压的直流电能，同时产生大量的热能.
3．电源监控系统的发展。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，通信系统从以前的单机或小局域系统逐渐发展至大局域网系统或广域网系统，大量人力、物力被投入到网络设备的管理和维护工作上。不过通信设施所处环境越来越复杂，人烟稀少、交通不便都会增大维护的难度，这对电源设备的监控管理提出了新的需求，保护通信互联网终端的电源设备必须具备数据处理和网络通信能力。此时，数字化技术就表现出了传统模拟技术无法实现的优势，数字化技术的发展逐步表现出传统模拟技术无法实现的优势.
4．通信电源的环保要求。环保问题，一方面的指标是通信电源的电流谐波要符合要求，降低电源的输入谐波，不但可以改善电源对电网的负载特性，减少给电网带来严重污染的情况，还可减少对其他网络设备的谐波干扰。另一个重要方面，是材料的可循环利用和环境的无污染，这方面需要产品满足WEEE/ROHS指令。
在通信电源开发、生产早期，人们主要集中研究电源的输出特性，较少考虑到电源的输入特性。例如：传统的在线式电源输入AC/DC部分通常采用桥式整流滤波电路，其输入电流呈脉冲状，导通角约为π/3，波峰因数大于纯电阻负载的1.4倍。这些谐波电流大的电源给电网带来了严重的污染，使电网波形失真，实际负荷能力降低，对于三相四线制的电网来说，还很有可能因中性线电流过大而出现不安全隐患。
参考文献：
[1]朱雄世，《通信电源的现状与展望》.
[2]《浅析全球通信电源技术发展趋势》.
[3]《通信直流电源发展趋势》.
[4]孙向阳、张树治，《国外通信用蓄电池技术研究的新进展》.
[5]《通信电源技术发展趋势及标准研究方向》.
[6]曾瑛，《浅谈通信电源》.
[7]王改娥、李克民，《谈我国通信电源的发展方向》.
[8]王改娥、李克民，《我国通信电源的发展回顾与展望》.
[9]侯福平，《UPS系统在通信网络中使用的特点及要求》.
[10]《全球通信电源技术发展呈现五大趋势》.
[11]《通信电源需求现状分析》.
一、以科研促进“化学综合实验”教学模式改革的方案设计
（一）合理设置实验项目
合理地设置实验项目，不断更新先进、新颖的实验内容是与时俱进的教学理念的完美体现，也是响应国家关于“抓紧建立更新教学内容的机制，加强课程的综合性和实践性，重视实验课教学，培养学生实际操作能力”号召的必要措施[3]。首先，针对“化学综合实验”的教学特点，教师应根据自己的科研方向，结合当前的研究热点确定合适的实验内容。转化为实验教学项目的研究成果必须是成熟的科研成果，确保实验整体的科学性、系统性、实用性和先进性。为此，结合学生的知识背景和化学研究领域的热点，我们围绕教师承担的国家以及省部级科学基金项目，衍生出相??的综合性实验。例如，作者多年来一直从事固体电化学及器件方面的科研工作，研究课题涉及了固体氧化物燃料电池（SOFC）相关材料的合成与性质研究。因此选择课题中实验方法比较成熟的一部分开发为“化学综合实验”课程内容。我们设立了综合实验“固体电解质纳米粉的制备、陶瓷成型及离子电导率的测试”。固体氧化物燃料电池以其发电效率高、能量密度大、燃料使用范围广等优点受到广泛关注。电解质作为SOFC的主要组成部分之一，其主要作用是在阴极、阳极之间传递氧离子和对燃料及氧化剂的有效隔离。目前Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）是SOFC中研究最热、利用最广泛的电解质材料。YSZ的离子电导率不仅与掺杂浓度有关，而且还与粉体的制备工艺、烧结密度密切相关。这个实验课程的完成过程，既让学生领略了新能源领域的最新发展动态，了解了新型绿色能源的研究背景和重要意义，又让他们学习了固体氧化物燃料电池的工作原理及对其相关部件的要求和发展现状，同时还了解了电解质材料的制备工艺对其离子电导率等相关性能的影响，又让学生从全方位角度领会和理解了新型燃料电池材料研发人才应该具备的知识和技能以及燃料电池关键材料开发领域的技术状态。为了提高学生的创新能力，我们还在实验中安排一些自由设计环节，比如在陶瓷成型和烧结工艺环节中，学生可以自主设计实验参数和操作来获得实验结果，并对结果进行分析与讨论得出一些非预见性的结论，从中引导和启发学生的创新思维。
（二）详尽介绍课题，开展资料调研，学生制定实验设计报告
作为科研成果转化成具体综合实验内容的教学过程的主导者，教师应该在实验开展之前给学生详细地介绍课题研究的意义和背景。尽量将学生掌握的理论知识结合起来讲解实验相关原理和内容，拓展知识面，让学生充分感受理论学习的重要性，提高学以致用的积极性。同时提出实验要求，实验开展过程中的重点和难点等，并提出一些与实验关键内容有关的问题，布置学生自主查阅相关的文献资料和书籍，制定详细合理的实验方案。通过查阅的资料并经过分析和讨论，学生整理出详尽的实验设计报告，内容应该包含以下内容：研究背景和国内外研究现状、实验的目的和意义、实验材料和实验仪器设备、实验方案和具体实验步骤、实验结果与讨论（包括数据记录与处理以及对实验结果的分析讨论）。教师要认真审阅学生提交的实验设计报告，保证实验方案的合理性和可行性。对不符合要求的实验设计报告教师要及时与学生讨论并做出完善和修改。对于有些学生的创新性设计要尊重其想法并在实验条件允许的情况下合理地布置实施。整个文献调研和实验设计环节，不但使学生掌握了基本的文献检索和调研手段而且促进了学生将理论课程知识与实践的横向联系，充分调动了学生进行科研的主观能动性。有效避免了以往照方抓药，学生不动脑思考的弊端，提高了学生的综合素质[4]。
（三）建立健全仪器设备使用与管理制度
综合实验要求学生具有安排与开展专业实验的综合能力，在此阶段的学生经过了基础实验对基本实验技能和动手能力的训练，更要将理论知识联系实验过程，培养创新思维，感悟科研的真谛。在此过程中，2―3人一组的实验模式既要求大家有独立自主的动手能力，又要求他们发扬团队精神，协作精神，集思广益，讨论问题，解决问题，保证实验的顺利进行。
“化学综合实验”课程开展中大型表征和测试仪器的使用是保证实验顺利完成的必要因素之一。由科研项目转化而来的实验项目往往用到的是项目指导教师课题组或者专业实验室的相关仪器和设备。教师在学生开展实验之前应当带领学生参观实验室，把需要用到的实验仪器和设备的用途、操作规程做介绍，必要的项目需要亲自示范操作。比如，在“固体电解质纳米粉的制备、陶瓷成型及离子电导率的测试”实验中教师需要事先为学生讲解并且示范陶瓷压片模具的使用方法、高温炉的使用方法和电化学工作站的测试方法。在整个实验进行过程中，实验室或者实验中心应当做好仪器设备开放使用的安排，并且加强实验室管理，建立健全实验室规章制度，制定仪器设备具体操作规程和管理措施以保障实验教学的顺利完成。
在实验进行的过程中，学生要按照设计好的实验路线认真操作，记录好实验现象和实验数据。教师全程跟踪指导，在学生遇到问题的时候引导释疑，在实验结束后进行点评和总结[5]。
（四）按照科技论文标准撰写实验报告，进行实验结果汇报
实验报告的撰写是对整个实验过程中的现象和结果的综合分析与讨论，是最能体现学生分析和总结能力的环节。在此环节中，我们摒弃过去固定模式的实验报告形式，要求学生以科技论文的形式完成数据讨论与总结，对数据的处理不再是简单的数据罗列和图形展示，要从中总结和归纳数据变化规律，与实验设计过程中的理论预期相对照，解释现象和原因，做到环环相扣，实验结果与理论推导相互验证。完成实验报告的撰写之后，每一名?W生还要对其实验结果进行汇报和答辩。实验结果的口头汇报及答辩不仅极大地提高了学生的学术交流能力，也是对以往综合实验成绩评价方式的重要改革。我们将综合实验的成绩评定分成几大部分，前期文献调研和实验方案设计、实验过程以及报告撰写与答辩各占不同比例，重点落在实验过程和报告撰写与答辩上。公开汇报实验结果的方式既体现了成绩评定的公平性，又有效避免了同组学生报告雷同的现象。同时，对于优秀的实验论文，可以让学生进一步完善并推荐其在校级以上级别的刊物上发表，激发学生做科研的成就感[6]。
