新能源驱动（共10篇）
新能源驱动 篇1
摘要：采用Thomson Innovation专利检索分析平台搜集整理驱动电机相关专利,通过分析国内外驱动电机专利的申请时间趋势、国别分布、申请人排名、技术热点分布以及国内专利省市分布,了解国内外驱动电机专利技术的发展现状,对比指出国内专利申请特点以及存在的问题,并尝试性地为国内驱动电机相关企业和科研机构提出相应的发展建议。
关键词：新能源,驱动电机,专利信息
新能源汽车具有环保、节能、简单三大优势,以电动机代替燃油机,由电机驱动而无需自动变速箱,相对于自动变速箱,电机结构简单、技术成熟、运行可靠。传统的内燃机能高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内,导致其变速机构庞大而复杂,而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩,在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置,操纵方便容易,噪音低[1]。
驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分,以电机为核心的驱动系统占整车成本的60% 左右[2],特别是在目前蓄电池技术未取得突破性进展的背景下,电机驱动系统是保证电动汽车续驶里程、使电动汽车产业化的关键。我国 “十二五”规划中明确提出 “十二五”期间将集中力量围绕环保型新能源电动汽车的电驱动系统方面进行研究,开发具有高功率密度、低速大转矩、调速范围广、转矩响应快、高可靠性等性能的各种类型的驱动电机及符合电动汽车驱动需求的控制系统[3]。但是与此同时,国内驱动电机的专利情报研究尚处于空白,所以本文的相关专利信息统计与分析研究对新能源汽车产业的关键技术发展具有重要意义。
本文采用的专利数据中全球专利来自汤森路透集团TI数据库,其数据源包括全球70 多个国家和地区的核心数据库、涵盖德温特数据库、亚洲全文数据库[4],国内专利数据来自广东省专利信息服务平台。通过编写检索表达式得到1995 年1 月1 日—2014 年12 月31 日共计20 年间驱动电机的专利数据,分析国内外专利发展态势,进而为国内相关研发机构提供参考。
1 全球驱动电机专利信息分析
全球范围看,有刷直流电机、一般同步电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长,产品更新换代不断,迄今还在应用。20 世纪80 年代开始进入商品化的表面永磁同步电机与从90 年代以来研制开发的开关磁阻电机、内置式永磁同步电机以及最新的同步磁阻电机相继进入市场,在电动汽车与混合动力汽车上获得应用[5]。
直流电机结构简单、控制方便,技术相对成熟,但由于其存在电刷部件,维护难度增大,同时由于体积和重量相对较大,限制了其在电动汽车上面的运用。感应电机也是较成熟的一种电机,它采用V/F控制、矢量控制、直接转矩控制等控制方法,在运行过程中转矩脉动小,调速范围大,因此美国、欧洲研制的电动汽车多采用感应电机作为驱动电机,如Chrysler公司生产的Epic Van、福特公司生产的Ranger EV、通用汽车公司生产的Impact、S - 10EV和EVI电动汽车等。开关磁阻电机结构较新,结构简单可靠,成本较低,起动性能好,没有大的冲击电流,兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点,但其噪声较大,转矩脉动严重[6]。永磁同步电机是当前电动汽车驱动电机研究的热点,具有功率密度大、体积小、质量轻等优点,同时其低速输出转矩大、效率高、维护方便,因此作为电动汽车驱动电机的优势明显。当前的主要研究方向是无位置传感器控制、转矩脉动抑制和新型控制策略等。日本和欧洲各国大都采用永磁同步电机作为电动汽车驱动电机,比如丰田公司的Prius,本田公司的CIVIC。
1. 1 专利申请趋势分析
1995 年1 月1 日—2014 年12 月31 日期间全球新能源汽车驱动电机专利申请量累计达到43 024件。在1999 年之前,专利申请趋势基本保持平缓,年申请量均处在1 000 件以下。进入21 世纪,伴随新能源汽车的迅速发展,驱动电机专利申请量也进入快速增长时期,2012 年专利量更是达到了4 491件。2013 年与2014 年专利申请量有所下滑,其中主要是因为专利公开存在滞后性。
1. 2 专利申请国与技术来源国分布分析
全球新能源汽车驱动电机领域的专利申请涉及到近50 个国家和地区,排名靠前的国家和地区分别是日本、中国、美国、德国、欧洲专利局、韩国、世界知识产权组织、法国、印度,其专利总量占到世界专利总量的96. 9% ,可见全球驱动电机技术专利分布较为集中,关键技术基本掌握在这些新能源汽车发展较早的国家。
而从技术来源国家分布情况来看,专利持有者依旧集中在除了印度以外的其余8 个国家和地区,其中日本专利总持有量占比达到52. 0% ,对比日本本土专利申请总量44. 4% 的比重,可以看出日本企业非常重视国外市场的专利布局,其主要驱动电机代表企业有丰田、电装、三菱等。中国驱动电机专利申请量所占比重也很高,对比技术来源情况可以看出,中国除了本国申请人在本土的专利布局外,外国专利权人也占据了一定比重。美国、德国同样占据较高比重的专利申请量,作为传统汽车技术强国和新能源汽车发展较早的国家,他们均掌握了驱动电机的核心技术,其专利的实用价值和技术生命周期较长。
1. 3 主要申请人分析
考虑到同一公司的不同书写形式以及相关子公司的从属情况,对检索得到的专利数据进行申请人标引排名,得到驱动电机专利申请量排名前十位的专利申请人。这十位申请人专利申请量累计达到7861 件,占到了专利总量的33% ,专利集中度非常高。同时可以看出除了博世以外,其余9 位均为日本企业,其专利布局的群体性优势非常明显,特别是在海外市场的推广过程当中,将对其他国家驱动电机相关企业形成严峻的发展阻力。
排名第一位的丰田专利量达到1 898 件,其电机本体和控制类专利均占到一半左右,技术均衡性较高,丰田具有代表性的新能源车型如RAV4 EV、Prius Hybrid、Civic Hybrid以及FCHV客车均采用永磁同步电机电机,采用先进的电机设计技术与控制技术,使汽车驱动系统具备优异的动力性与平顺性[7]。第二位企业电装作为世界顶级的汽车零部件供应商,其旗下拥有世界第一大电机企业阿斯莫,在新能源汽车驱动电机方面展现出其强大的技术研发能力。三菱、本田、日产同为汽车整车制造商,其电机直接运用在旗下新能源汽车产品上,性能匹配较好。日立、三叶、恩梯恩以及住友作为知名零部件供应商,为全球主要汽车厂提供电机产品,其研发能力同样处于世界领先水平。这种汽车企业和零部件企业的强强联手,使日本新能源汽车驱动电机技术走在了世界前列。
1. 4 专利地图及其技术热点分析
采用Thomson Innovation专利信息系统自带的专利信息分析工具对全球驱动电机技术专利进行自动聚类,生成驱动电机专利技术研究热点分布图,其可视化程度较高且技术点描述较IPC分类号更为深入全面。从整体情况来看,全球驱动电机专利电机控制专利技术领域主要技术点集中在: 混合动力控制、转矩转速控制、电压电流检测与转换装置、电机冷却、电机制动能回收技术。电机本体专利集中在: 永磁体、磁极、电机定子、磁钢片、铁芯以及绕组线圈等。另外专利地图中还涉及到轮边电机技术,该技术作为新式驱动形式,将转矩直接传输到车轮,舍弃了传统汽车所采用的离合器、减速器以及传动桥等传动部件,使得车体空间利用率大大提高。混合动力汽车作为当前新能源汽车的主要发展对象,其混合动力系统的技术研究成为各主要汽车公司的工作重点。在混合动力系统的结构上,日本企业各自采用不同控制策略,故串联、并联和混联都有发展,最为突出的是丰田Prius的THS混合动力系统,是目前最高效的混合动力系统[8]。同时,电机电压电流感应、转矩转速控制均为控制类方面的主要研究热点。当前电机控制系统的发展趋于智能和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自应控专家系统及遗传算法等非线性智能控制技术,都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统[9]。电机冷却技术则是电机工作稳定性的保障,绕组线圈的材料以及布置形式同样拥有众多相关专利。
2 国内驱动电机专利信息分析
早在80 年代我国有关方面就已提出并着手发展电动车,早期研发的新能源汽车有很多使用的是直流电机。从20 世纪90 年代以来,国内车用驱动电机的技术研发工作得到了政府各方面的重视和支持[10]。进入 “十五”以后,国家和企业进一步加大车用电机驱动系统技术和产业投入,车用电机从技术研究向产品开发方向快速发展,涌现出上海电驱动有限公司、株洲南车时代电动汽车股份有限公司等专业研发生产车用电机驱动系统的产业化公司。总的来说,目前国内电动汽车电机取得大量的成果,但在驱动电机功率密度、高效区等方面和国外还有很大差距,相关技术还需要深入研究[11]。
2. 1 中国驱动电机专利申请时间趋势
1995—2014 年,驱动电机专利申请量累计达到29 713 件( 见图6) 。由图可以看出中国在该领域的专利申请起步较晚,2001 年之前基本保持在年申请量300 件以下的水平。2001 年之后专利申请趋势开始稳步上升,2010—2012 年间增长更加迅速,不仅说明近年来驱动电机技术的进步,也说明国内申请人的专利保护意识和布局意识进一步提高。
2. 2 技术来源国分布及专利类型分析
对申请国家为中国的专利进行进一步分析,区分其技术来源国情况得到下面的技术来源国分布图( 见图7) 。中国本土申请人的专利占比达到78% ,申请量为23 178 件,其余22% 的专利为国外申请人所持有,可见大量外国企业加大了在中国的专利布局,为其新能源汽车产品推广提供有力保障,其中专利量占比最高的国外专利权人为日本,达到3 703件。近年来诸如丰田、本田、日产等日本企业新能源汽车技术发展迅速,市场推广不断加强,在中国的合资企业更是具备强大的竞争优势,相对应的专利布局也是对其技术优势性的保护,其形成的专利壁垒必须引起国内企业的重视。德国、美国、韩国等汽车强国也纷纷加大了在中国的专利申请,专利申请量分别达到782 件、736 件和481 件。
虽然中国驱动电机技术专利总体申请量较大,全球排名更是达到第二位,但从图8 中可知,发明专利仅占专利总量的39% ,而实用新型专利占比达到61% 。实用新型专利技术性较差,专利的生命周期也较短,大量的实用新型专利说明中国在驱动电机关键技术方面掌握程度还比较低,总体研发能力较弱。相比较而言,日本在中国申请的专利中,发明专利达到95% 的占比率,这也和日本全球总体专利类型比例相一致。巨大的专利技术差距必须引起国内相关驱动电机研发机构的重视,中国专利必须在申请量提高的同时保证其专利技术的质量,才能更好地在新能源汽车产业发展过程中赢得有利条件。
2. 3 主要专利权人
国内驱动电机专利排名前二十位的专利权人( 见图9) ,累计申请专利达到4 555 件,占国内专利申请总量的15. 3% 。其中排名前六位的企业均为外国申请人,说明在该技术领域国外企业对中国的专利布局力度非常大,相关产品技术优势明显,其中又以日本的整车厂和零部件商为主。国内申请人排名相对靠后,主要有东南大学、中山大洋电机、哈尔滨工业大学、中达电机等电机制造企业和高校。排名前二十位的申请人中没有国内的整车制造厂,而国内这类企业代表主要有万向集团、上汽集团、一汽集团、东风集团、深圳五洲龙、玉柴集团、中国南车等。由于电机跟整车开发设计关系密切,在整车开发初期就要同步进行配合,这类企业具有先天的开发优势,所以提高整车制造厂在驱动电机方面的专利重视程度和专利保护意识对发展新能源汽车显得尤为关键。电机制造企业方面涉足新能源汽车领域相对较晚,尚处于起步阶段,专利技术的实用性还有待市场的考证[12]。高校在驱动电机方面的专利技术研究成果必须抓紧投入到企业生产实践中,紧密依靠 “产学研”相结合的发展策略,大力推进国内新能源汽车的产业发展。
2. 4 IPC主分类
IPC主分类号作为专利技术的归类依据,可以很大程度上看出其技术的研究热点。从表1 可以看出,国内驱动电机专利的技术热点基本集中在电机本体领域的磁路零部件、制造与维修设备、机壳支撑物、绕组零部件、电机冷却和电机控制领域的电机控制器、电机控制策略等,其中,涉及磁路零部件技术的专利量达到5 655 件,相关专利内容的主要技术点包括电机定子与转子的材料运用、结构设计以及安装布置形式。涉及电机机壳与支撑物方面的专利同样较多,良好的电机壳体结构、材料的选用对电机工作的稳定性同样具有重要意义。H02K03描述的技术热点为绕组零部件,具体包括定子与转子的励磁绕组的结构设计、装配布置、散热等。排名靠前的主分类号均为电机本体方面的专利技术,此领域容易产生较多的实用新型等外围专利。H02P21、H02P27、B60L15、H02P06 则是专利量相对较高的涉及驱动电机控制方面的技术点,其专利量明显少于本体技术领域
件
2. 5 驱动电机专利省市分布
在中国驱动电机专利申请人排名前二十位的省市中( 见图10) ,排名第一位的江苏省专利申请量为4 244 件,其主要依靠高校和电机制造企业的联合发展。高校中东南大学、南京航空航天大学、以及江苏大学均具备较强的电机研发能力,而企业则以无锡中达电机、无锡哈电电机等电机制造企业为主。江苏省总体电机专利申请量虽然较高,但专利申请人非常分散,排名靠前的申请人也仅仅最多持有100 多件专利,另外没有涉及整车制造企业,对其新能源驱动电机技术的发展不利。
浙江省排名第二,专利申请量为3 780 件,其主要申请人类型则是高校、电机制造企业和个人,主要代表为浙江联宜电机有限公司的许晓华、浙江大学、卧龙电气集团等。但浙江省同样存在整车制造企业缺乏、专利申请人分散等情况。
广东省专利申请量达到3 174 件,其新能源汽车驱动电机领域的优势企业主要集中在广州、深圳、中山、佛山等几个地区,例如以生产永磁同步电机为主的中山大洋电机、深圳比亚迪汽车公司在全国都是比较靠前的企业。关于电机控制领域,华南理工大学、中山大学、广东工业大学、中科院深圳先进技术研究所等科研单位在电机控制策略、控制器件、功率变换器件等领域有着雄厚的科研实力。
3 结论与建议
( 1) 进入21 世纪,中国新能源汽车驱动电机专利申请趋势明显上升,与全球专利发展态势相吻合,政府大力扶持新能源产业发展也为技术进步提供强大助力。从专利申请量来看,中国走在世界前列,数量方面仅次于日本,足见国内驱动电机相关企业与科研机构对专利技术保护的重视,专利布局意识不断加强。但从国内专利类型来看,实用新型占比过高,与日本在中国布局的专利形成巨大反差,需要引起国内相关企业和高校重视。必须提高技术研发能力,保证专利的应用价值,才能在新能源汽车产业发展中发挥出其重要作用。
( 2) 从专利申请国和技术来源情况可以看出日本和德国等世界汽车强国的专利全球布局意识非常强。在专利权人排名中,日本企业驱动电机专利拥有量更是处于绝对领先地位,同时其在中国专利权人排名中也占据了前六位,日本在新能源汽车产业的优势地位与其专利战略的实施紧密相关。作为全球第一大汽车市场,外国企业纷纷加大了对中国的专利申请,国内企业和科研机构必须警惕其专利布局而形成的技术壁垒。科研机构和企业还可以开展多方面的国际合作,寻求资源共享,避开专利壁垒对自身的不利条件,走出一条平稳可持续的发展道路。
( 3) 从驱动电机专利技术热点来看,全球电机主要专利技术点包含了主流的混合动力控制技术、混合动力控制、电机控制策略、电压与电流检测、电机冷却、制动能回收、磁体、铁芯以及绕组线圈等,控制类专利和本体类相当。但从国内专利IPC分类号可以看出,主要技术点集中在本体类专利,发展相对不平衡,而本体类专利产生了大量实用新型外围专利,其技术实用性较差。未来国内研发人员必须加大对控制类技术的研发力度,兼顾专利申请量和专利运用价值。由于国内存在丰富的稀土资源,对发展永磁电机技术非常有利,该专利技术点也将继续成为申请热点,但由于相关电力电子模块等关键零部件领域开发与供货能力尚较弱,严重影响了电机产品的研发与生产。所以必须保证研发和生产两个环节的同步发展,积极通过行业之间的联合开发合作、产业链上下游之间的联盟合作以及产学研相结合等多种形式提高研发水平,产品可靠性、耐久性和工艺水平才能得到有效提高,才能具备优秀的市场竞争力。
参考文献
[1]陈清泉,詹宜君.21世纪绿色交通工具——电动汽车[M].北京:清华大学出版社,2001
[2]王莹.电动汽车常用驱动电机分析[J].工程技术与产业经济,2013(3):53-54
[3]贡俊.电动汽车驱动电机系统研发及其产业化现状与发展[J].汽车与配件,2011,44(4):20-24
[4]兰凤崇,黄维军,陈吉清.新能源汽车产业专利分析综述[J].科技管理研究,2013(21):104-119
[5]胡林,谷正气,黄晶,等.电动汽车的关键技术分析[J].机械制造,2005,43(494):45-47
[6]孙力,王玲,刘梅英,等.我国电动车的发展急需产业政策的支持[C]//孙力,孙立清.2002中国电动汽车研究与开发.北京:北京理工大学出版社,2002:14-17
[7]沈启平.车用高功率密度永磁同步电机的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2012
[8]高惠民.丰田普锐斯电机及驱动控制系统解析[J].汽车新技术,2007(5):28-31
[9]李永钧.电动汽车电机驱动技术[J].汽车工程师,2012(12):60-62
[10]温旭辉.车用电机驱动系统技术和产业蓄势待发[N].中国电子报,2009-6-9(7)
[11]吕宏.电动汽车电机的要求和发展趋势[J].汽车零部件,2011(4):17-18
[12]游琳娟,吴汉光,雷德森.电动车电机及其控制技术的发展[J].中小型电机,2001,28(1):35-38
盘点驱动未来的新能源 篇2
主文：事实上，工业界一直没有停止替代能源的研究和应用，例如太阳能、风能、地热能、海洋能、和核能等新能源形式的理论研究已经相当成熟。目前大部分新能源形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生的热能，通过能量转化使其变为电能加以利用。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着积极意义。
Top5：低转换效率制约太阳能应用
太阳不断地向宇宙空间辐射出巨大的能量，据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦，其中可开发利用500～1000亿度。但是由于太阳能电池10%左右的能量转换效率和高昂的制造成本使得太阳能的开发利用收效甚微。
太阳能光伏发电的核心技术在于光伏板。它由半导体材料制成的固体光伏电池组成，当暴露于阳光下便可以产生直流电。由于没有机械运动机构，因此长时间运行也不会导致磨损。光伏板的成本和性能差异来源于不同半导体材质和面积，小型低成本光伏电池虽然已经广泛应用于手表及计算器，但是由于转换效率较低，因此用于发电用途的光伏电池仍需要通过多组阵列的方式以产生更多电力。目前成本最高的单晶硅太阳能电池的转换效率为14%-17%左右，成本较高的多晶硅太阳能电池的转换效率为12%-15%，成本较为低廉的薄膜太阳能电池的转换效率仅为8.5%。受到低转换效率的制约，太阳能电池面积巨大同时成本高昂，虽然太阳的能量是免费的，但是将其能量转换成电能却不免费，采用光伏技术发电的成本仍然远高于传统电网能源的成本。
太阳能热电站是近年来降低太阳能发电成本的新途径。它不需要成本高昂的光伏板，仅用反光镜将阳光聚焦在一条线或一点上，利用所产生的热能制造蒸汽，炽热而高压的蒸汽进而推动涡轮机发电。据推算，至2015年太阳能热电站总装机容量可以超过5000兆瓦。到2020年，每年新增的装机容量可达4500兆瓦，而全球总装机容量将可达到近30000兆瓦，足以供电给超过3000万家庭用户。
被人们所关注的太阳能汽车目前仍处于概念车和试验验证车阶段，由于太阳能的不稳定性和光伏技术低转换效率是以太阳能直接作为汽车的动力来源不可逾越的技术瓶颈，因此商业前景并不乐观，不过利用太阳能电池作为车载发电设备为汽车提供辅助电力较为现实。
Top4：发展迅猛——风能
风能的存在也与太阳息息相关，因为地球上的风是空气在太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势：蕴藏量大，分布广泛，并且永不枯竭。风力发电是现代人们利用风能最常见的形式。我们知道，风速越高，动能越大。风力发电的原理便是利用风车将风的动能转化为旋转运动去推动发电机，以产生电力。自从19世纪末，丹麦研制成风力发电机以来，风力发电在进入21世纪之后得到迅速发展。到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有 9400万千瓦，供应的电力已超过全世界用电量的1%。虽然现在风能对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间利用风能发电量已经成长了四倍以上。
风能作为清洁环保的可再生能源，其发电设施也日趋进步，不少地区的风力发电成本已低于火力发电成本。不过大部分地区的风力依然存在间歇性导致的经济性不足的问题，例如某些地区在电力需求较高的夏季及白天往往是风力较弱的时间段，另外，风力发电机所发出的噪音和干扰鸟类活动的影响也制约了风力发电的进一步推广。
Top3潜力巨大——地热能与海洋能
说到地热能和海洋能也许不是令人熟悉，但是这两种能源的蕴含潜力丝毫不亚于前面提到的太阳能和风能。地热能是来自地球深处的可再生热能。它源自地球内部的熔融岩浆和放射性物质的衰变。事实上，人类很早以前就开始利用地热能，例如温泉沐浴、地下热水取暖等等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪50年代。其中地热发电是地热利用最重要的方式。
地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，带动发电机发电。两者不同的是，地热发电不象火力发电那样需要装备庞大的锅炉，也不需要消耗燃料认为制造热能，它所利用的热能便是直接来自地热能。不过由于地热能主要集中分布在构造板块边缘一带、同时也是火山和地震多发区。因此分布相对来说比较分散，并且开发难度较大。
海洋面积占地球表面积的71%，一望无际的大海，不仅为人类提供了水产和矿藏，并且还蕴藏着巨大的能量。海洋能包括潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等多种能量类型。理论上，海洋能中可再生的总量高达766亿千瓦。目前海洋能利用中规模最大并且技术较成熟的是潮汐能发电。潮汐能发电与水力发电的原理相似，它是利用潮水涨落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量转变为机械能，再将机械能转变为电能的发电过程。据估算，世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿千瓦，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万亿度。
Top2：有望接替火力发电——核能发电
提到核能不少人会联想到原子弹和核动力航母，然而核能发电却是人们和平利用核能的一大科技进步。随着环境污染和常规能源短缺的日益加重，核能发电将会有望接替火力发电成为今后主力发电形式。核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电。它与火力发电过程极其相似。只是核反应堆及蒸汽发生器代替了火力发电所需要的锅炉。
核能发电的历史与核反应堆的发展历史密切相关。而核反应堆的发展最初则是出于军事目的。从1954年苏联建成世界上第一座核电站之后，英国和美国也相继建成核电站。至1960年全球核电站装机容量为1279兆瓦，并且核能发电成本开始逐渐低于火力发电成本。目前，法国核能发电量超过全国发电总量的76％，美国则以拥有104个核反应堆和发电总量778兆兆瓦小时名列全球核能发电规模第一，日本以核能发电总量达到317兆兆瓦小时排名第三。
Top1：一个玩笑到了不能再笑的技术——氢燃料
氢燃料曾经只是一个玩笑，氢气和氧气变成水，释放能量推动汽车前进。但今天这个玩笑已经到了不能再笑的时候了
利用氢气作为燃料并不是一个新创意。1766年亨利•卡文迪许在英国发现氢气并把它定名为氢元素。1839年，英国律师、科学家威廉·格罗夫提出氢燃料电池工作原理。英国科学家迈克尔•法拉第认为可以通过电解水的方式获得氢气和氧气。逆向思维的格罗夫通过氢气和氧气创造出电。
氫是占据我们世界75％的元素。它并不像传统燃料、风或太阳能那样可以直接提供动力，它只是能量的携带者。很久以来，很少有人认为氢是一种能源，因为我们没有找到一种可以利用它的形态。它不能从地下挖掘或钻探出来。氢还必须要从化合物的状态下分离出来，如从水、煤或天然气中获得氢气单质。事实上，传统燃料燃烧时参与燃烧的2/3的原子都是氢原子。另外1/3参与燃烧的原子主要是碳，碳参与燃烧所带来的环境和大气问题早在一个世纪前就被发现了。所以科学家非常希望找到一种途径只通过燃烧氢来获得能量。
说到污染和排放，氢气简直就是传统燃料无以伦比的替代者。汽油发动机排放的二氧化碳占每年二氧化碳总排放量的1/4，联合国环境计划署认为汽车尾气排放是全球变暖的罪魁祸首。氢动力汽车则相反，它的排放是水而不是二氧化碳。
氢是我们这个世界上最常见的元素，它被看作人类摆脱对传统能源依靠的救星。氢除了是水的组成部分，在很多工业过程中，它都以副产品的形式出现，如原油提炼等。有一点讽刺意味，通过化学办法，氢可以从汽油中分裂出来。通过汽油来分裂出氢气的作法听起来有些愚蠢，但是这至少还可以对地球上已经建起来的汽油基础设施加以利用——提炼站、加油站、管线和卡车都可能变成氢气燃料的基础设施。很难想象那些能源公司肯为了氢气未来迅速将现有的汽油基础设施转型或者废弃。这些公司拥有世界最大的经济和政治权力，他们已经在石油勘探、钻塔和提炼方面投资了千亿美元。他们需要用几十年的时间来完成向氢动力的转变。
目前，制造和储存氢气的费用比提炼和储存汽油高得多，但有一部分原因是氢动力还没有形成规模经济。生产的氢气越多，它的成本就可以被分摊给越多的人。氢气全球生产量的年度报告显示2002年全球生产5400万立方吨氢气，它被广泛应用在很多领域上，氢燃料电池已经被美国宇航计划作为火箭的能量供给，在美国一些办公大楼也使用氢燃料电池作为主力能量供给或者大停电时的备用能量。美国国家航空航天局从40年代开始就把氢气作为火箭燃料。在发射太空梭时，观测者可以看见飞行器三个主引擎推进器喷出的蓝色火焰。这就是搭载氢动力的火箭。美国国家航空航天局把氢气作为主动力，同时氢气也是在太空制造引用水的主要途径。美国海军长期以来也把电解水作为海下制造氧气的主要途径。潜艇使用柴油发动机，但是它还是有可能利用电解水产生的氢气。
目前人类对氢气燃料在汽车上面的利用有两种方式。一种是氢燃料电池车，一种是氢内燃机车。前者是将氢释放出的能量转化为电能来驱动汽车，后者是通过氢气的燃烧（类似于现在的汽油和柴油发动机）来驱动气缸往复运动并输出动力。通用的研究方向就是氢燃料电池，而宝马则在氢内燃机方面作了很大投入。前一类发动机对氢气的利用效率更高，而且在低速时的加速性能要好一些。而宝马的氢内燃机则可以让氢气车开起来更像真正的宝马。毕竟你不能指望电池在中段加速过程中给你很好的动力感受。开过通用HY-WIRE的人应该深有体会。
新能源驱动 篇3
这些新能源、新技术、新负荷的接入需求, 使得人们开始审视以往的交流配电模式是否可以采用直流配电模式予以取代, 这样不但可以省去交流与直流之间的换流环节, 减少换流损耗, 而且直流配电模式本身还有其他一些技术优势, 如线路造价低、送电效率高、供电质量与供电可靠性易于保障等。当然, 交流配电模式向直流配电模式过渡的过程, 现有配电设备厂家和用电设备厂家也要生产相关配套设备, 才有可能启动, 另外, 由于现有配电网存量资产巨大, 如何科学、合理、经济地充分利用现有配电网的存量资产, 也是摆在我们面前的巨大挑战。
本期特别策划以“直流配电”为主题, 试图从采用直流配电技术的客观驱动力、国内外的研究与实践、直流配电关键技术、直流配电的关键元件等方面全面展示国内外关于直流配电技术的研究思路与应用成果。我非常荣幸受邀担任本期特约栏目主编, 有机会整理国内外关于直流配电技术的最新研究成果, 并与读者共同探讨直流配电课题。相信本期的特别策划将会为国内电网企业、科研院所和高等院校开展直流配电技术方面的研究和实践提供有益参考。
新能源驱动 篇4
一、 发展新能源汽车是国家创新战略的需要
（一）国家能源创新战略的需要
目前，我国汽车保有量1000人不到100辆，与美国1000人800多辆相比还相差很多，发展汽车产业，满足人民生活需要，任重道远。目前，中国石油进口已经超过60%，如果只发展燃油车，能源供给将难以维持，只有发展新能源汽车，才是出路。
（二）国家环保创新战略的需要
众所周知，汽车尾气是PM2.5的重要来源之一。近两年北京因为几次重要会议和活动，采取了对汽车进行限号等措施，卓有成效地改善了北京的大气环境，出现了人们交口称赞的“APEC蓝”“阅兵蓝”。目前，我国大气污染状况十分严重，不少地区反复出现雾霾，如果我国燃油汽车保有量接近美国水平，那么中国大气环境将会出现灾难性恶化。只有发展新能源汽车，才是既满足老百姓开车需要又不恶化环境的正道。
（三）国家汽车产业创新战略的需要
目前，中国汽车产量全球第一，汽车销量全球第一，是名副其实的汽车大国。但是，由于在传统燃油车方面不具有核心技术，汽车产业受制于人，利润的80%被外企拿走。独立自主、弯道超车，发展新能源汽车，是中国由汽车大国走向汽车强国的必由之路。
二、河南省新能源汽车发展情况
（一）基本情况
河南省目前共有8家企业具有新能源汽车生产资质，分别是宇通客车、郑州日产、海马汽车、少林客车、宇通重工、森源重工、新乡新能、中原特车。近年来，河南省新能源汽车产销量不断增长，新能源客车产销增长迅猛，其市场占有率稳居国内第一位，新能源客车已基本实现产业化。截至2015年年底，河南省新能源客车累计实现产量3.6万辆。1—9月，全省累计生产各类新能源汽车1.4192万辆，约占全国5.6%。其中，新能源客车实现产销量1.3425万辆和1.3614万辆，同比分别增长23.80%和30.22%。
河南省新能源汽车示范推广和基础设施建设不断推进。截至2016年上半年，全省累计推广应用新能源汽车约1.5万辆，其中今年上半年完成2681辆，已超额完成全年推广任务。郑州市在参与“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”的基础上，2013年11月又成为第一批继续开展新能源汽车推广应用城市，新能源公交车推广数量位居全国前列。新乡市创新商业化运营模式，初步建立的“车电分离，换电为主”的商业模式，起到了较好的运营效果。截至2015年年底，河南省已建成26座电动汽车充换电站，充电桩近2200个。郑州市、新乡市作为第一批继续开展新能源汽车推广应用城市，新能源推广应用基础设施建设走在全省的前列。郑州市加快推广应用配套的充换电站等基础设施建设，建成商都路和博学路大型公交换电站、商都路充电站、交运集团纯电动大巴充电站、荥阳公交充电站等。
（二）存在的问题
一是认识需进一步转变。人们还没有真正站在国家民族利益的高度来关注、发展新能源汽车产业，尤其是汽车企业的主体意识不够，甚至一些企业是为了拿补贴而立项、生产，并出现“骗补”问题。
二是社会认知度不高。新能源汽车是个新生事物，目前全社会对它的认识还不清晰，关心关注程度不高，出现问题后指责的多，谅解的少。
三是核心技术瓶颈有待突破。纯电动汽车最核心的技术是电池及管理系统技术。目前电池技术还没有获得根本性突破，存在容量低、重量大，电池价格偏高，充电时间长，使用寿命较短，性价比低、安全性能不稳定等问题，导致新能源汽车行驶里程短，制约着电动汽车进入市场的步伐。另外，整车控制技术和轻量化也有待进一步提高。全省几个主流厂家自主开发了整车控制技术，都因故障率高、配件采购成本高导致维修成本高。车辆轻量化技术进展不大，车身自重大，如碳纤维材料的应用还未进行。汽车结构需要进一步优化设计，才能满足电动汽车放置电池模块的位置要求。
四是集团化、规模化生产还不够强大。就目前全省最强大的新能源客车制造企业而言，与传统汽车生产相比比例太小，不成气候。新能源汽车最终能否走进千家万户，关键看新能源轿车产业的发展，目前河南汽车企业具有轿车生产资质的只有海马轿车公司一家，而海马轿车目前只有两款车获国家新能源汽车公告，共生产纯电动轿车30辆，离规模化生产差距甚远。
五是技术研发和推广应用投入不足。新能源汽车的技术攻关、示范推广应用均需要投入大量资金，而目前新能源汽车企业资金筹措渠道单一，远远满足不了发展需要。产学研合作不紧密，整车企业之间、整车与关键部件企业之间合作不够，各自为战，力量分散；高校、科研院所在基础理论研究也存在深度和合作不够，科研与生产脱节。
六是充换电设施建设滞后。网络化、立体化、广覆盖的充（换）电基础设施还未形成，无法满足消费者对于充换电的方便、安全、快捷、价廉的要求。造成这样的局面主要是整车制造与基础设施建设没有协调发展，整车制造企业担心整车产品没市场，不敢大干快上；而消费者则担心买了车辆充不上电，影响了消费者兴趣，阻碍了产业发展。
七是商业化运作模式尚未建立。商业化运作是一个产业健康发展的基础。目前，全省新能源汽车产业投资、金融创新政策不足，没有活力；市场主导没有形成，整车和电池租赁、充换电服务等多种商业化运营模式没有建立起来，企业不盈利就没有主动性，影响了规模推广。
三、发展新能源汽车，政府应该管理创新
（一）挂牌政策路权管理创新
低速电动车是一个典型的市场拉动型产业，适应了快捷、方便、绿色、低成本消费的用户体验，市场需求旺盛。在各级、各部门和业内观点不一，国家产业政策尚不明晰的情况下，低速电动车投资热度依然不断升温，已迅速走进千家万户，悄然改变着广大居民的出行方式。
前几年，两轮电动自行车不被相关部门认可，以至于现在全国从城市到乡村几亿辆两轮电动车不合法，日常管理非常被动。
近两年，电动汽车也面临着如此尴尬局面，政府无视低速电动车的存在，只是片面要求高大上的“双100，锂电池”。靠国家补贴的高大上电动汽车老百姓不买账，完不成规划任务，2015年年销售仅33万辆（规划任务50万辆），2016年预计销售50万辆（规划任务是70万辆）。
与此形成鲜明对比的是，不靠国家补贴的低速电动车老百姓喜爱有加，厂家如雨后春笋、遍地开花。2015年全年全国低速电动车产销量达到70万辆，2016年可望突破100万辆。
近几年河南省低速电动车产业产能以50%以上的年均速度增长，2015年产能达到20万辆，产销超过10万辆。在快速发展的同时，也随之出现了一些问题：由于生产门槛比较低，缺乏相应的产、销和使用的监控机制，出现了产品质量较低、无证驾驶、监控缺失等现象。如任其发展下去，势必危害产业健康发展，不仅不利于消费者安全，也不利于维护市场和交通秩序。
低速电动车符合国家新能源发展趋势，满足老百姓基本需求。建议借鉴国外做法，承认低速电动汽车合法性，将其列入国家新能源汽车发展总体规划，尽快制定标准，科学规划分配路权，因势利导出台政策，顺势而为助推发展。
（二）地方补贴政策引导方向创新
补贴政策是引导产业方向的有效推手，正因为相继出台了新能源汽车国家补贴和地方补贴政策，才引领了新能源汽车技术和产业的快速发展。但目前地方补贴政策还有些偏颇，2013至2015年，河南省财政共拿出10亿元人民币支持新能源产业发展，其中9个亿用于新能源客车公交车补贴，1个亿用于新能源客车公交车充电设施建设补贴，其他新能源车型和充电设施一概不予补贴，严重影响了私人购买新能源汽车积极性，也影响了乘用车企业生产积极性。河南省是人口大省，地处中原，村村通工程普及率高，新能源乘用车市场非常巨大，发展新能源汽车，打造新能源汽车强省，减少尾气排放，消除雾霾，只依靠几千辆新能源客车公交车远远不够，必须通过补贴引导，激活百万级新能源乘用车市场和千万级低速电动车市场。
（三）充电设施建设规划创新
现阶段制约新能源产业发展的两大难题分别是充电设施不完善和续航里程不足。其中，充电设施不完善阻碍了人们购买新能源汽车的愿望，严重影响了新能源乘用车的产业发展和应用推广。
目前，河南省在充电设施建设方面还没有向社会开放，主要补贴支持电力部门主导建设公交车充电站，配套政策和补贴扶持没有有效引导社会资本进入充电设施建设。
建议科学规划并且给予强有力的补贴政策，引导社会资本进入充电设施建设领域，在土地规划使用、特许经营优惠、有偿充电服务、供电配套保障、新建住宅强制建设充电设施等方面给予政策扶持和政策约束。
四、发展新能源汽车，企业应该技术创新
目前，由于国家政策不明朗，低速电动汽车企业没有也不敢从长远考虑，大多数车企只是以初步改装为主。如发动机更换成电动机，汽油箱更换成电池包；与此关联加一个充电器、加一个电机控制器、加一个DCDC、换一个仪表板。虽然简洁实用，但是续航短、速度低、安全性差。
新能源汽车技术创新方向是：轻量化、智能化、模块化。一是车体结构轻量化设计：底盘铝材轻量化、壳体复合材料、充气软体化等；二是电池高能、环保、快充：铝材极板、钠盐电解液、超级电容物理电池、铝空电池等；三是充电器：能够对电池极板修补的充电器、脉冲快充充电器、并联充电串联放电充电器、无线充电等等；四是电动机轻量、节能、高效：无铁芯电动机、交流多相电动机、共轴双输出电机等；五是车载多功能仪表盘：语音指令、基于安卓系统的综合娱乐显示、前置防撞雷达等；六是动力电池组统一标准、统一容量、统一接口、统一尺寸、统一协议，乘用车配置一块动力电池组，中巴车配置两块动力电池组，大巴车配置四块动力电池组，可以相互更换。动力电池组以慢充为主，并可以利用晚上低谷充电，集中充电，分送到各个换电站，各类车型动力电池组可以互换使用。
五、发展新能源汽车，商家应该模式创新
（一）以租代买、以租带卖
新能源汽车尽管运行成本低，但是对于整车性能和电池寿命老百姓还不太了解，需要应用示范引导。建议新能源汽车经销商先期开展销售与租赁相结合的营销模式，以租代买、以租带卖。开展电动车辆出租业务，以电动物流车测算：一辆44度电池容量的物流车，国家补贴近8万元，地方补贴按照1比1也近8万元，两项加起来近16万元，实际购车成本不到3万元，包月出租，以用户常规小货车燃油费价格出租给用户，一年可以资金回笼，两年收回成本。
对于乘用车，可以代驾出租，也可以自驾分时出租，即引入滴滴打车、超级优步等模式，客户通过移动互联网平台约车、租车、自驾、计时、结算、缴费。
（二）车电分离、拖挂换电
续航里程是电动汽车发展中一个令人纠结的问题，整车配置电池容量小，续航太近，用户使用不满足，但电池配置便宜；整车配置电池容量大，续航远些，用户使用满足，但电池配置又贵。考虑到充电时间长、用户不方便等因素，建议解决的均衡方式是：拖挂式换电模式。用户只买低价格无电池车，想跑路程远租大容量电池包，想跑路程近租小容量电池包，拖挂式换电比悬挂式换电设备投资低，操作快捷，比加油还快，体现电动车方便、便宜的用户要约。意义更加深远的是：动力电池集团经营便于梯次应用，由车辆淘汰的电池还可以应用于光伏储能电池。
六、结语
中国汽车产业方兴未艾，发展新能源汽车产业对于落实国家“稳增长、调结构”发展战略具有积极意义，对于“能源战略、环保战略”具有深远意义。河南省人口众多，新能源汽车具有较好的市场应用空间；河南省新能源汽车起步较早，整车企业、零部件配套企业资源丰富，新能源汽车具有较好的产业基础。只要我们破除桎梏、解放思想、政府制度创新、厂家技术创新、商家模式创新，河南省新能源汽车产业跨入国家汽车大省强省的愿景一定能够实现！
新能源驱动 篇5
出席本次论坛的国内外相关机构、商协会、学会, 主流媒体, 中部省、市相关部门、产业园区、研究机构、高校以及中部新能源汽车及配件企业代表300多人, 围绕“新常态、新趋势、新技术、新发展”主题, 共同探讨产业发展新趋势, 寻求新合作, 实现新共赢。
国务院研究发展中心原党组书记兼副主任陈清泰在论坛上发表了《发展、协同效应加速产业化进程》主题报告。他认为, 新能源汽车不能一味追求发展“高大上”纯电动车, 必须适应大多数民众的经济承受能力和市内代步需求。有长途需求者, 可用“增程式油电一体”混合动力车型。
中国汽车工程学会副秘书长侯福深作了《务实创新合作扎实推进新能源汽车产业健康有序发展》演讲。他在介绍了全球新能源汽车发展现状和我国对新能源汽车的支持后指出, 我国新能源汽车还面临着三大竞争:技术竞争 (当前技术、下一代技术) 、产品竞争 (性能、质量、成本、品牌、服务) 、产业竞争 (产业链) , 并就此提出到2020年, 自主品牌纯电动和插电式新能源汽车年销量将突破100万辆, 在国内市场占70%以上;到2025年, 与国际先进水平同步的新能源汽车年销量300万辆, 在国内市场占80%以上。同时, 侯福深指出中国汽车工程学会将面向新兴交叉学科和市场需求空白, 积极协调相关市场主体共同制定满足市场和创新需要的标准, 促进形成产学研相结合的标准研制模式。
清华大学汽车工程系陈全世作了《我国新能源汽车产业的发展与挑战》演讲。他较详细介绍了我国新能源汽车的发展现状和各地补贴政策, 指出发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路, 要加大研发力度, 认真研究市场, 用好用活政策, 开发适应各种需求的产品, 使之成为一个强劲的增长点。陈全世还预言我国“新能源汽车产业将呈爆发式增长”。
湖北省城市客车工程技术研究中心总工程师雷洪钧博士作了《车用充电器将有效破解当前新能源汽车推广的最大痛点》演讲。
武汉电动汽车示范运营有限公司郭亮作《电动汽车租赁新模式探索》演讲, 对电动汽车推广中遇到的难题进行了深入剖析, 并就德国、法国、英国、日本、韩国的电动汽车分时租赁业务模式进行了解析。指出通过分时租赁可提高共享车辆的使用效率, 达到缓解城市拥堵、改善城市交通环境和空气质量的目的。
他们的演讲, 不仅观点独到, 见解深刻, 而且很多演讲内容都是第一次披露, 对我国新能源汽车未来的发展, 具有重要的指导和参考意义, 值得期待, 值得聆听。
本次论坛之前一周的9月23日, 李克强总理主持召开了国务院常务会议, 部署加快电动汽车充电基础设施和城市停车场建设, 补公共服务短板促进扩内需惠民生。会议提出, 放宽准入, 鼓励民间资本以独资、PPP等方式参与。企业和个人均可投资建设公共停车场, 原则上不对泊位数量做下限要求。鼓励个人在自有停车库 (位) 、各单位和居住区既有停车泊位安装充电设施。而此前一天, 作为充电系列标准之一的GB/T20234《电动汽车传导充电用连接装置》3项国家标准, 也登上了工信部的网站。
新能源驱动 篇6
气候变化会使冰川消融, 海平面上升, 部分物种灭绝, 破坏生态系统的平衡。大量燃烧化石燃料所排放的温室气体是气候变化的主要原因。其中, 二氧化碳占温室气体77%以上[1]。2013年空气中二氧化碳浓度达到0.04%[2]。减少二氧化碳排放是缓解气候变化的重要手段。
碳捕集与封存 (carbon capture and storage, CCS) 是将大型发电厂产生的二氧化碳收集并储存起来, 避免其排放到大气中的一种技术。政府间气候变化专门委员会关于二氧化碳捕集和封存的特别报告指出, 二氧化碳捕集和封存的潜力很大, 与其他减缓气候变化方案相比, CCS的成本相对较低[3]。因此, CCS受到了广泛重视。国际能源署 (IEA) 预计, 到2050年通过在全世界范围内建立CCS装置可以捕获全球二氧化碳排放量的19%[4]。不过, 碳捕集设备的使用会降低电厂发电的效率, 影响电力系统节能发电调度[5]。CCS也不能减少通过其他途径排放到空气中的二氧化碳。CCS可以在一定程度上解决空气中二氧化碳含量增加的“增量”问题, 并不能解决“存量”问题。科学家已经证明, 即使空气中二氧化碳的含量不增加, 全球气候变暖的趋势还将持续一段时间[6]。
从空气中直接捕碳, 是碳捕集的一种重要形式。与CCS项目从燃煤电厂捕碳不同, 从空气中直接捕碳受地点限制较小, 可以在各地广泛开展。而且, 从空气中直接捕碳能降低空气中二氧化碳的浓度[7], 可以解决“存量”的问题。但是, 空气中的二氧化碳含量远小于电厂等大量使用化石能源的特定生产环节, 因此从空气中直接捕碳需要消耗更多的能源[8]。在化石能源日益紧缺的情况下, 利用化石能源为捕碳装置提供动力不符合可持续发展的要求, 需要寻找其他可用的替代能源。风能、太阳能等波动性新能源开发潜力巨大, 开发利用过程中不会产生附加的二氧化碳, 是驱动空气中直接捕碳装置的理想动力。利用风能、太阳能等波动性新能源驱动捕碳装置从空气中直接捕碳能够降低大气中二氧化碳浓度, 是应对气候变化的理想路径之一。
综上所述, 利用风能、太阳能等波动性新能源驱动从空气中直接捕集二氧化碳具有重要意义, 有巨大的发展潜力。本文在分析新能源捕碳潜力的基础上, 提出新能源捕碳需要解决的关键技术, 以及相关技术应用的主要方式, 从而初步搭建利用新能源捕碳的研究框架, 为下一步研究奠定基础。
1 新能源捕碳的潜力
全球蕴含着丰富的新能源资源, 但其利用率很低。本文中, 主要讨论风能、太阳能两种得到广泛应用的新能源。表1是风能、太阳能的理论可开发容量和近3年的装机总容量[9]。由表1可知, 风能、太阳能的利用率不到3%。利用率偏低的原因是多方面的, 主要包括以下几个方面。
1) 输出功率随机性较大。太阳能、风能等新能源随着光照、风等天气因素的变化而变化。大量的随机性强的新能源并网发电会对电网安全稳定运行和电能质量产生负面影响[10]。
2) 多数新能源有很强的地域性, 需要就地利用;较多新能源的分布与需求匹配程度低。
3) 大量的波动性电源接入电网需要电网提供更大的备用容量, 增加备用成本[11]。
4) 波动性新能源并网会降低电网的可用输电能力, 影响系统调度[12]。
从空气中直接捕碳需要经过多个环节, 各部分的耗能形式不一样, 大部分能源以热能形式消耗[8]。文献[13]表明碳捕集系统能在额定功率的60%~120%范围内平稳运行。将每个环节消耗的能量都换算成电能, 因为其部分环节可以在偏离额定功率时正常工作, 则每套捕碳装置正常运行的功率范围为:
式中:Pr为一套捕碳装置的额定功率;ai为第i个环节偏离捕碳装置额定功率下限的百分比;βi为第i个环节偏离捕碳装置额定功率上限的百分比;m为捕碳装置的环节数目。
捕碳装置负荷是柔性负荷。对新能源电源出力波动较大的情况, 可以通过投切捕碳装置或改变捕碳装置的运行功率, 使负荷跟踪电源的出力变化, 协助电力系统保持平衡。以风力发电为例, 风电场的出力在短时间内具有互补性, 其出力在分钟级别时间内变化很小[10]。捕碳系统通过贫液流速的调节, 其动态响应时间可以控制在分钟级别[14]。捕碳装置负荷与风电场出力波动能在合适的时间尺度内良好地匹配, 为新能源驱动捕碳装置的推广奠定了基础。
利用新能源驱动捕碳装置从空气中直接捕碳与现有的CCS技术相比, 具有很多优势[7]。
1) 设备安装受地点约束较少, CCS只能建设在化石燃料电厂或者富含二氧化碳的地点。
2) 不仅可以捕获电厂等企业所产生的大量二氧化碳, 也可捕获分散的、小规模的污染源所产生的低浓度的二氧化碳。
3) 在捕碳过程中不产生附加的二氧化碳, 直接降低空气中二氧化碳浓度。
从空气中捕集一吨二氧化碳大约需要3 600kW·h的电能[15]。如果开发可利用的风力资源来驱动捕碳装置, 发出的电能每年可以捕集约7.8Gt的二氧化碳, 超过全球2012年二氧化碳排放量的20%。除了风能, 还有太阳能等多种新能源可以驱动捕碳装置运行。因此利用新能源驱动捕碳装置从空气中直接捕碳可以有效降低空气中二氧化碳浓度, 是应对气候变化极具希望的手段。
2 新能源捕碳的关键技术
利用新能源驱动捕碳装置从空气中直接捕碳, 关键是要捕碳装置能更好地适应新能源电源的波动性, 使捕碳装置尽可能在较大的功率范围内运行, 以充分利用波动性新能源发出的电能。当捕碳装置布置在大电网或微网中时, 应尽可能降低其对大电网、微网安全稳定运行的影响。要达到上述目标, 可以从捕碳装置的设计、捕碳装置的调度策略两个方面考虑。
2.1 优化捕碳装置设计
为了提高捕碳装置对波动性电源的适应能力, 使其对电力供应的持续性、稳定性要求降低, 捕碳装置的优化设计, 应该扩大其运行上下限, 使其能适应尽可能短的时间尺度的出力波动, 并使其投切更迅速, 且基本消除对捕碳装置本身的不良影响。可进行的优化包括如下几个方面。
1) 增加辅助的溶液存储器, 分别存储富液和贫液。将捕碳的吸收环节和解析环节独立控制, 可以提高捕碳装置接受波动性新能源的能力。文献[16]指出, 吸收环节耗能一般只占总捕集能量的2%~10%。当新能源的出力不足以驱动捕碳装置整体运行时, 只驱动捕碳装置二氧化碳的吸收环节工作, 将吸收塔的富液储存起来。当新能源的出力增加时, 再将存储的富液接入再生环节。溶液存储器的容积越大, 系统运行在小于总功率10%范围内的时间越长, 接受波动性电源的能力越强。
2) 在捕碳装置控制溶液流速的环节中安装调速性能良好的电动机。文献[17]指出, 溶液的流速会影响汽提塔的功率需求。汽提塔消耗的能量在整个捕碳系统中所占比例大, 控制溶液的流速能够有效地调节捕碳装置的功率需求。在新能源电源出力不足时, 减缓溶液的流速。溶液的流速慢, 贫液吸收二氧化碳的时间更长, 富液搭载的二氧化碳浓度高, 解吸过程中消耗的能量相对较少。同时, 溶液流速慢, 其单位时间内进入汽提塔的富液减少, 解吸所需的能量也相应减少。在理想情况下, 捕碳装置解吸环节溶液的流速可以在零到额定值之间变化, 其运行的功率下限接近于零。捕碳装置能够在很大的功率运行范围跟踪波动性新能源电源出力的变化。
3) 文献[14]提出, 在动态操作过程中, 溶液在再沸器的停留时间是影响系统响应时间的主要因素。在设计捕碳装置时, 应适当提高再沸器的温度, 加快再沸器的响应时间, 使捕碳装置能适应波动性新能源发电出力变化迅速、频繁的特点。
通过以上改进, 可以使捕碳装置运行功率突破文献[13]所提的60%下限, 并可以短时间在功率小于额定功率10%的情况下运行。并且, 若供电完全中断, 只是影响捕碳量, 对捕碳装置的影响可以忽略。总体而言, 捕碳装置是优良的可中断负荷, 功率可调范围大, 时间常数短。
2.2 捕碳装置的优化调度
除了优化捕碳装置接纳波动性电源的能力, 优化调度是另一个需要解决的关键技术。优化调度包括两方面:一是在还有其他负荷的情况下, 如何将电能在其他负荷与捕碳负荷之间优化分配, 比如, 布置在大电网中的捕碳装置在不同的条件下以多大的总功率运行;二是如何将功率分配给捕碳装置的不同设备。
关于第一个方面, 捕碳装置的负荷是可中断负荷, 需求弹性较大。可中断负荷的调度已有大量文献研究。文献[18]的研究表明, 在电网中接入可中断负荷能够降低电网的波动性, 有利于风电的并网。文献[19]对融合了大规模风电和柔性负荷的电力系统进行优化调度, 取得了良好的经济效益, 同时, 减少了电网弃风的风险。文献[20]则对包含碳捕集电厂的电力系统进行低碳电力系统调度的研究, 建立了综合的低碳电力系统调度模型。目前, 研究比较充分的可中断负荷包括电动汽车负荷、热负荷以及其他重要性比较低的负荷。电动汽车充电负荷的主要优点是响应速度快, 可响应的幅度大, 但需要考虑荷电状态 (state of charge, SOC) 约束及用户对充电量的需求;热负荷的时间弹性相对比较大, 但比较分散。捕碳装置兼具电动汽车充电负荷和热负荷的优点, 可望成为目前已知的最优质的可中断负荷。捕碳装置的优化调度, 可以在现有研究成果的基础上, 进一步研究捕碳装置与其他调频电源的联合优化, 捕碳装置与波动性电源的联合优化调度等。
关于第二个方面, 将每个设备视为一个负荷, 在捕碳装置内部再开展优化调度。由于捕碳装置内部设备比较多, 各个设备之间虽然需要消耗的总电量存在一定的比例关系, 但在分钟级的时间尺度上, 不同设备的用电功率的比例可以有很大的弹性。充分利用这种弹性, 可以大幅度提升捕碳装置接纳波动性电源的能力。
目前, 捕碳装置的优化调度还有一个核心问题尚待解决, 即捕碳装置的运行点是否是连续的?在不同的功率上分别能持续运行多长时间?比如, 前文分析已经提出, 通过优化捕碳装置设计, 捕碳装置可在额定功率的10%左右运行, 有文献指出捕碳装置可以在额定功率的60%~120%运行, 那么, 10%~60%的功率点上, 捕碳装置能否运行?在下一步的研究中, 需要解决该问题。
3 新能源捕碳的方式与捕碳装置规划
3.1 基本思路
利用新能源驱动捕碳装置从空气中直接捕碳, 基本思路如下。
1) 捕碳装置的安装地点基本不受捕碳装置本身的限制。在捕碳装置选址时, 主要考虑新能源的分布, 使捕碳装置的分布与新能源电源分布相匹配, 尽量提高新能源电源的利用率。
2) 充分利用捕碳装置负荷的可中断特性, 捕碳装置可以快速投切或改变运行功率, 对电源和负荷的变化及时响应。
3) 考虑到捕碳需要消耗较多电能, 尽量使捕碳装置消耗经济价值较低的电能。一般而言, 连续、稳定、可控的电力的经济价值较大, 间歇、波动性强、可控性差的电力经济价值较小;负荷高峰时期的电力价值较大, 低谷时期电力价值较小。
根据上述原则, 概括而言, 存在经济价值较低的电能的地点, 优先布置从空气中直接捕碳的装置, 并利用捕碳装置提供调峰、调频等辅助服务。具体有如下几种主要情况。
3.2 新能源捕碳的主要方式
3.2.1 新能源专门驱动的捕碳装置
对于远离负荷中心且新能源丰富的地区, 如岛屿、沙漠等, 其电网结构一般比较薄弱甚至电网尚未覆盖, 波动性新能源电源难以并网。而且, 由于输送距离远, 波动性电能向外输送成本高。同时, 波动性电能的远距离输送会增大电力系统运行控制难度与安全稳定运行风险。因此, 在新能源丰富的地区, 特别是电网尚未覆盖的地区, 可以利用新能源电源专门驱动捕碳装置捕集空气中的二氧化碳。
在这种情况下, 电源的波动幅度较大, 波动速度较快, 对捕碳装置运行控制的挑战最大。保证捕碳装置优化运行的关键技术有两个方面, 一是目前文献广泛研究的, 利用电源之间的互补性降低波动性;二是前文提到的优化捕碳装置设计与控制, 提高其接纳波动性电源的能力。
3.2.2 捕碳装置布置到微网
微网是近年来受到广泛关注的热点, 被认为是智能电网的关键组成部分。微网通过充分利用不同微源之间的互补性, 能够降低对大电网的依赖与冲击, 提高微网中负荷的保障供电能力及接纳新能源的能力。
微网内风力、光伏发电出力受环境影响较大, 波动幅度大。比如, 以风力发电、光伏发电等方式组成的微网, 其保证出力占容量的比例明显低于传统电源组成的大电网。因此, 为满足负荷需求, 装机容量需要配置较大, 微网总发电量将大于用户实际需要的发电量。这部分不确定、难以消纳的电量, 是经济价值很小的电量。可以利用这部分电量来驱动捕碳装置, 在电量富余时捕集二氧化碳。由于并网型微网可以将富余电力送至大电网, 因此, 这种方式主要适应于独立型微网。
以海岛独立供电系统为例。文献[21]提出, 单纯利用发电设备和储能装置难以实现海岛微网负荷的平衡, 负荷侧需求响应成为平衡电网功率的合理选择。在海岛微网布置可中断负荷, 可以实现发电出力与负荷的匹配。捕碳装置对间歇性、波动性负荷有良好的适应性, 能充当可控负荷、随机负荷的角色。在独立型微网中布置捕碳装置, 可以降低微网对储能容量的需求, 消纳富余的波动性电能, 在捕碳的同时也可以提高其运行的经济性和可靠性。
与新能源电源专门驱动捕碳装置相比, 含多个甚至是多种电源的微网, 其电源波动性一般情况下小于单一电源的波动性。因此, 是一种更容易实现的技术路径, 可望成为新能源捕碳的主要方案。
3.2.3 捕碳装置布置到含波动性新能源的大电网
波动性新能源接入大电网会对电网的安全稳定运行产生影响。在某些情况下, 调度部门会被迫限制波动性新能源的出力以保证电力系统的平衡, 造成发电量损失。目前, 受系统调峰能力、电网输送能力等因素的影响, 导致了大量波动性能源的浪费, 即弃风、弃光等。2012年, 中国弃风限电量超过200亿kW·h[22]。在大电网中布置捕碳装置, 可以吸纳波动性新能源, 减少新能源发电的出力损失, 提高新能源并网发电的经济性。
波动性新能源在不同区域并网, 对电网的影响不一样, 在受电区域并网对电网的可用输电能力的影响比在发电区域并网大[11]。在大电网中, 将捕碳装置布置到靠近新能源接入大电网的地点, 消纳部分波动性新能源, 可以减少其对电网可用输电能力的影响, 提高电力系统的稳定性。
大电网中接入捕碳装置以前, 电网的功率平衡方程为:
式中:PG为常规能源发出的功率;PN1为接入电网的波动性新能源的功率;PL为负荷的总功率。
大电网中接入捕碳装置以后, 电网的功率平衡方程为:
式中:PN为波动性新能源发出的总功率;PB为捕碳装置消耗的功率。
捕碳装置消耗的电能由PN与PN1之差提供。PN与PN1之差是一个随机波动的值, 其大小决定投入运行的捕碳装置容量。
3.2.4 捕碳装置布置到大型受端电网
受端电网负荷波动易造成电压、联络线功率较大幅度波动, 电压崩溃、联络线功率振荡的风险相对较大。因此, 受端电网需要本地电源或可中断负荷支持, 以提高安全性与可靠性。
作为良好的可中断负荷, 捕碳装置也可以布置在大型受端电网中, 特别是送端有大量波动性电源的情况。
3.3 捕碳装置容量配置
捕碳装置容量的选择对系统的经济性有着重要影响。容量配置过大, 捕碳装置的利用率低, 造成资源浪费;容量配置过小, 则不能充分利用新能源电源的电力。捕碳装置的容量配置与捕碳方式有关, 分如下3种情况。
3.3.1 新能源专门驱动的捕碳装置容量配置
新能源专门驱动的捕碳装置, 不与大电网进行电能交换, 其发出的电能由捕碳装置消耗。捕碳装置的综合运行成本决定其配置的容量大小。首先应根据捕碳装置的综合运行成本, 确定捕碳装置的年最小利用小时数, 然后选择捕碳装置的容量。
以风力发电为例, 图1为风电场出力的概率分布[23]。
假设区间[0, 0.1]到[0.9, 1.0]的年运行小时数取值依次为C1到C10。当风电场的出力超过其额定功率的0.1倍时, 0.1倍的捕碳装置容量可以正常运行, 即0.1倍的捕碳装置容量年运行小时数为C2到C10之和。
依据上述分析可知, 当根据综合运行成本确定捕碳装置的年最小利用小时数为C10时, 则布置的捕碳装置容量应为风电场容量的0.9倍。同理, 当根据综合运行成本求得的捕碳装置的年最小利用小时数为C9与C10之和时, 布置的捕碳装置容量为风电场容量的0.8倍较为合适。
3.3.2 微网中捕碳装置容量配置
微网中加入可中断负荷, 可以减少新能源的弃用量, 提高其经济效益。微网中捕碳装置容量配置可以借鉴微网中可中断负荷的优化配置, 对于运行目标不同的微网, 其配置的捕碳装置容量不同, 微网运行的可靠性、经济性及微网中新能源利用率都与其配置的捕碳装置容量密切相关。同时, 微源的容量和出力水平也会影响捕碳装置容量的配置。图2为典型微网的实时切负荷比例[24], 以可靠性为运行目标时, 利用捕碳装置负荷的可中断特性, 在其他时段布置与切负荷相同容量的捕碳装置, 利用这部分负荷, 可以使微网平稳地运行。
3.3.3 大电网中捕碳装置容量配置
布置在大电网中的捕碳装置, 由受限功率提供能源。捕碳装置的容量与新能源并网的受限容量密切相关。当受限容量大的概率小时, 选择较小的捕碳装置容量就可以达到很好的吸纳波动性新能源的效果。当受限容量大的概率大时, 则应配置较大容量的捕碳装置。
2011年, 中国部分地区风电弃风超过25%。假设受限容量概率分布如图3 (a) 所示, 则配置的捕碳装置容量为新能源电源总容量的20%时, 就可以将并网发电的新能源电源的受限容量减少50%。而当受限容量分布如图3 (b) 所示, 要将并网发电的新能源电源的受限容量减少50%, 则应配置的捕碳装置容量为新能源电源总容量的30%。
新能源电源受限容量的概率分布决定布置的捕碳装置容量, 新能源电源受限容量的概率分布不同, 其优化配置的捕碳装置容量相差很大。要配置合理的捕碳装置容量, 必须保证新能源电源的受限容量在确定的置信区间内有较高的置信度。
目前对新能源受限容量的概率分布研究较少, 需要深入的探究, 为大电网中捕碳装置容量的优化配置提供支撑。
3.4 捕碳装置的控制策略
捕碳装置在不同的方式下, 控制策略有所不同。
1) 新能源专门驱动的捕碳装置, 在保证捕碳装置、电源等设备安全的前提下, 其目的是利用发出的电能尽可能多地捕集二氧化碳。
2) 将捕碳装置布置到微网、含波动性电源的大电网时, 控制目标兼具经济性和安全性, 即尽量消纳富余电能, 尽可能减少弃风、弃光等, 尽可能减少储能装置的调用;同时, 尽量保障微网安全, 作为可中断负荷, 参与微网电压与频率管理。
3) 将捕碳装置布置到大型受端电网时, 以安全性为控制的主要目标。作为可中断负荷的捕碳装置, 捕碳是一种辅助功能。在对其进行控制时, 应保证电网的安全性为目标, 使捕碳装置实时响应电网频率、电压控制的需要。
4 结语
化石能源是目前开发利用的主要能源, 这种情况在短时内不会改变, 空气中二氧化碳含量不断增加的趋势仍将持续, 将导致更加严重的气候问题。要抑制全球气候变化, 需要寻求一种可持续发展的方法来减少空气中二氧化碳的含量。新能源储量丰富, 开发利用过程中对环境影响较小, 其出力特点能满足捕碳装置的要求。利用波动性新能源驱动捕碳装置直接从空气中捕集二氧化碳, 能够降低空气中二氧化碳含量, 是缓解全球气候变化的重要途径之一。
新能源驱动 篇7
1 汽车用驱动电机特点和类型
汽车用驱动电机不同于一般工业用电机,由于其布置空间有限,必须根据具体产品进行特殊设计以达到小型化的目的,这就要求电机的功率密度要显著高于其他工业电机;工作温度变化大(-40~105℃),工作时期振动剧烈,要求高的可靠性以保证乘车者安全,多采用为水冷;能够实现精确的力矩控制,动态性能较好。具体来说,电机驱动系统工况复杂,可以说是随机变化的。车辆的启动、加速、制动、停车、上坡、下坡、转弯、变道等是随机的;而在HEV中,又存在多种工作模式如电机启动发动机、电机驱动、电机发电、电机制动能量回馈等,且电机具体工作于何种模式也是随机的,这就要求电机具有如下特点[4,5,6]:转矩、功率密度大,即在减小电机体积的同时,电机还要有足够的转矩和功率;电机工作速域宽,以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况;系统效率高,提高电驱动系统的效率是提高汽车续航里程和经济型的重要手段;系统适应环境能力强,要防水、防尘、防震,具有良好的环境适应性和高可靠性;电磁兼容性好,避免和减小驱动系统对其他电器的影响;性价比高,即在保证性能的前提下,造价不能太高。电动汽车最早采用的是直流电机系统,特点是成本低、控制简单,但质量大,需要定期维护。随着电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展,三相交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更为优越的性能,目前已逐步取代了直流电机控制系统。各种驱动电机系统的基本性能比较见表1[7]。其中,异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机,永磁同步驱动是未来的发展方向,主要因其能在控制方式上可实现数字化,在结构上可实现电机与齿轮箱的一体化。日本丰田公司的PRIUS采用的永磁同步电动机功率已达到了50kW,新配置的SUV车型所用电机功率达到了123kW。永磁电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点,采用矢量控制的变频调速系统,可使永磁电动机具有宽广的调速范围,因此,丰田和本田国际汽车制造商以及一汽、东风、长安、奇瑞等国内厂商均在其电动汽车中采用了永磁电机方案,推动了车用电机向永磁化方向发展。尤其是采用了稀土永磁材料的稀土永磁电机,不仅效率高,而且结构简单、运行可靠、体积小、质量轻。它既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能。根据电动汽车、混合动力车车型的开发应用年代,日本的产业水平与市场偏好、成本核算等方面考虑,先采用感应电机,而近几年来在批量生产的日本电动汽车车型上以采用永磁同步电机为主流。
2 汽车用驱动电机与无取向电工钢片性能之间的关系
随着我国新能源汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。目前某些关键材料(如高性能硅钢片、绝缘材料)和关键元器件(如IGBT、DSP芯片)依然主要依靠进口。作为制造电机铁心的材料,电工钢带是使用最普遍的重要磁性材料,是车用电机高效、高功率密度的保障。日本新日铁、住友金属生产的电工钢带已用在混合动力驱动电机上,我国宝钢集团在“863”课题支持下,从2008年起开展了电动汽车驱动电机用电工钢带研发,并已申请公开了一项专利。武钢正在进行高强度无取向电工钢的工业试验,钢铁研究总院已开始在实验室通过模拟薄板坯连铸连轧技术试制高强度无取向电工钢。
驱动电机的功率(转矩)、效率和寿命都与所用的无取向电工钢片有很大关系,尤其是电机转子所用的无取向电工钢片,磁性能决定了电机的转矩和效率;如图1所示,电工钢片铁损越低而电机效率越高,而磁感增大导致电机转矩增加;同时力学性能决定了定子和转子的加工精度、服役承载强度和最大转速。
因此新能源汽车的驱动电机对所采用的电工钢片有如下要求[9]:(1)为了良好的驾驶体验,电机需要提供高扭矩用于启动,要提高扭矩必须提高驱动电流和所用电工钢的磁感;(2)要提高能源转换效率,在最经常使用的驾驶模式下电机效率在一般在85%~93%,要求电机所用电工钢片具有优秀的磁性能,即中低磁场下的高磁感和高频下的低铁损;(3)高行车速度需要电机转子高速运转(6000~15000r/min),要求所使用的电工钢片具有足够高的强度抵抗离心力;这就要求使用高强度电工钢;特别是对于永磁驱动电机,磁极镶嵌于转子之中,因此保证转子的强度至关重要;(4)缩小转子和定子之间的间隙可有效提高磁通密度,这要求电工钢薄片具有良好的冲片性;(5)在汽车使用周期内,处于服役期的高速旋转的电工钢片不能发生疲劳破坏,即高的疲劳寿命。
综上所述,新能源汽车EV或HEV的驱动电机所用的电工钢片,既是要求磁性能的功能材料,也是要求强度和疲劳性能的结构材料,因此是具有高技术附加值的、结构性能和功能性能复合的钢铁材料。
3 驱动电机用高强度无取向电工钢片
电机所用的电工钢片成分通常都是超低碳、氮(质量分数均小于50×10-6)和高硅,有时还需要加入高Al含量来保证其优异的磁性能特别是低的铁损。驱动电机要求的电工钢片要较传统无取向电工钢强度高200MPa以上,并且提高强度同时还需保证不能损害其优良的磁性能。驱动电机用电工钢片的磁性能要求并不是很高,通常现有的如50W230和35W210等高牌号无取向硅钢或者高效电机类无取向硅钢如35WH230和50WH300等这类牌号的成分体系就可以满足磁性能的要求[9],因此开发此类钢的关键,就是在高Si+Al含量的无取向硅钢成分体系下,如何大幅度提高强度而不会恶化磁性能。传统磁性硅钢通过Si的固溶强化提高强度同时降低铁损,但最多只能提高至550MPa左右,更高Si含量导致不可轧制,如图1所示[10],同时高Si导致磁感下降。通常的高强结构钢多采用固溶和析出等多种强化机制,可有效提高强度,但其磁性能差。因此需要通过多种强化机制提高无取向电工钢强度,如图2所示[10]。由于电工钢的超低碳含量以及冷轧后需进行再结晶退火,一般情况下无法通过相变和位错强化机制进行强化,而电工钢产品为了防止磁滞时效,其碳、氮含量均很低(通常质量分数在50×10-6内),因此也无法进行间隙原子固溶强化。因此可行的强化机制只有代位原子固溶强化和析出强化。日本从1980年起开始研究高强度无取向电工钢,代表厂家主要为新日铁、JFE和住友金属[11]。由于最终采用的强化技术路线涉及各公司的商业机密,因此很少有这方面的详细研发报告发表,取而代之的是这三家公司在其本国或是其他国家申请了逾百篇高强度无取向电工钢专利,这些专利大多是为了覆盖和掩盖其真实的工艺技术而设立的,因此需要结合科学规律详细分析对这些专利文献,发现它们所遵循的研发思路的,下面分别详细讨论。
3.1 固溶强化提高无取向电工钢强度
新日铁在1990年以前公开的专利中主要采用Si,P,Mn,Ni的固溶强化,但有时也会用到Cr,Mo,Cu,Ti等其他合金元素,并且为达到高强度一般会适当控制成品板晶粒尺寸。Cr可以有效降低高频铁损,同时有降低应力敏感性的作用[12]。无取向电工钢中固溶的Ti,有增强{111}面织构的作用,从而有助于提高强度[13]。主要采用固溶强化的各专利的典型成分、工艺及产品性能如表1所示。由表1可见其采用的主要强化手段是P,Mn,Ni等元素的固溶强化[14],我们推测其实际成分(质量分数)应该是0.1%P-1%Mn-2%Ni-1%Cr左右。P虽为固溶强化效果很好的元素,但其易在晶界偏聚引起钢板脆裂,对此新日铁提出了几种解决方案:一种是将P的含量控制在小于0.1%,将B的含量控制在10×10-6~70×10-6,并采用更低的退火温度(750~800℃)[15];另一种方法是使热轧板在热轧结束到卷取开始这段时间的平均冷速大于100℃/min,并使卷取温度小于650℃,卷取后到300℃的冷速大于100℃/h[16];还有一种是使卷取温度小于550℃,并使热轧板的再结晶率<60%,且热轧板再结晶部分的平均晶粒直径<60μm[17]。
图1 Si含量对普通钢、高强结构钢强度和可轧制性的影响,以及通过包括固溶强化在内的多种手段所要达到的高强电工钢目标强度区间[10]Fig.1 Influence of Si content on the tensile strength of conventional ordinary steel,conventional high-strength steel and the targeted region of strength using strengthening other than solution strengthening[10]
图2高强电工钢产品的强度-铁损目标性能区间及与普通钢和高强结构钢的对比[10]Fig.2 Tensile strength and iron loss of the conventional ordinary steels,high strength steels and the targeted development region using strengthening other than solution strengthening and securing magnetic properties[10]
表1 采用固溶强化的新日铁高强度无取向电工钢专利的部分内容Table 1 Some patents of Nippon Steel relevant to high-strength non-oriented silicon steels
新日铁于2002年11月公布的高强度硅钢片HST系列,有0.50,0.35mm和0.20mm三个规格,其典型磁性能和屈服强度[7],如图3所示。0.2mm和0.5mm厚度屈服强度在780MPa级别是其W10/400分别只有38W/kg和52W/kg;而0.35mm厚度屈服强度570MPa级别的W10/400为30W/kg。图中也将其与高效电机用0.35mm和0.50mm的高效无取向硅钢的性能进行了比较,由此可见,在同样的厚度规格情况下,磁性能虽然略有下降,但是屈服强度大约提高了一倍以上,材料的抗变形能力显著增强,实现了预期目的。
图3 新日铁2002年公布的高强度无取向电工钢系列产品磁性能[7]Fig.3 Magnetic properties of HST series high-tension electrical steel sheet from Nippon Steel,reported in 2002[7]
3.2 析出强化提高无取向电工钢强度
由于过去的固溶强化往往含有昂贵的金属镍,导致合金成本显著上升,而且固溶强化增加了轧制前的强度,使得轧制难度增大,因此住友金属在2011年的美国专利[21]中提出了向无取向硅钢中加入Nb,Ti,V,Zr这一类的微合金元素的方法,一方面形成细小碳化物粒子通过析出强化提高强度,另一方面是通过固溶Nb抑制退火时的再结晶,使得再结晶分数不超过90%,保留了部位冷加工位错等缺陷使得强度不会因再结晶显著下降,他们详细研究了固溶Nb和Ti对退火后抗拉强度的影响,如图4所示。其中固溶Nb*和Ti*的摩尔分数指的是钢中的Nb和Ti被碳和氮固定后剩下的固溶在基体中的量,根据化学当量比按下式计算:Nb*=Nb/93-C/12-N/14和固溶Ti*=Ti/48-C/12-N/14。由图4可知,当Nb含量超过化学当量比后,其对强度的贡献急剧增加然后趋于饱和;而Ti含量超过化学当量比后,抗拉强度随着过剩Ti含量逐步增加。退火时的再结晶分数对屈服和抗拉强度也有显著影响,如图5所示。当再结晶分数不超过90%时,其强度下降幅度为50~100MPa,而当再结晶完全完成时,强度急剧下降;因此需要通过退火温度、钢中固溶Nb含量来控制退火时的再结晶分数,使得材料不能发生完全的再结晶,根据这一技术所开发的SXRC系列高强度无取向硅钢的性能如表2所示[22],在普通无取向硅钢的高频铁损范围内强度显著提高1倍以上,但这一性能指标与图3中的新日铁产品牌号相比,铁损相差较大。但是住友金属采用了不同的设计思路,认为在不损害电工钢的压延加工性的前提下,可以采用位错强化手段。虽然位错强化导致钢的铁损会增大。但是,转子比定子用硅钢片容许铁损要大很多。这是因为电机的能量效率主要受定子铁损支配,而转子铁损的影响很小。永磁同步电机的转子用电工钢的铁损水平,可以根据抑制由焦耳热引起的永磁体热退磁来设计。因此,作为转子用电工钢的强化采用位错强化非常适用,工艺简单易行,成本经济。新日铁在2005年起也有了类似的专利,通过析出Cu或者Nb的碳氮化物来延迟再结晶,并控制再结晶率,实现强度与铁损之间的平衡[23,24]。
图4高强无取向硅钢片中经750℃退火20s时效处理后,其固溶Nb*和Ti*的摩尔分数和抗拉强度之间的关系[21]Fig.4 The relationship of the amount of solute Nb*and Ti*and tensile strength after annealing of high-strength non-oriented silicon steels at 750℃for 20s[21]
图5 屈服强度、抗拉强度与退火时再结晶分数之间的关系[21]Fig.5 Dependence of yield and tensile strength on recrystallized fraction after annealing[21]
表2 住友金属公司的高强度无取向硅钢产品系列的性能[22]Table 2 Magnetic and mechanic properties of high-strength non-oriented silicon steel grades from Sumitomo Metal Corp[22]
RD:Rolling direction;TD:Transverse direction
1990年之后,新日铁公开的专利中开始用到其他强化方式。在固溶强化的基础上同时采用Nb,Zr,Ti,V碳氮化物析出强化[25,26,27,28]。一般来说,为了防止碳氮化物严重恶化磁性能,专利中对这些元素的含量都有严格的要求。另外,添加Ni会增加钢的成本,许多专利中选择不加Ni。各种碳氮化物的强化效果也不尽相同,久保田猛认为Zr的碳氮化物与其他的碳氮化物相比,析出强化效果大,同时对磁性能的劣化较小[25]。有田吉宏、村上英邦、松本穰等指出,NbC通常与MnS复合析出,当Mn含量满足[%Mn]≤0.6-10×[%C]时,有利于NbC细小密集析出,增强抑制晶粒长大的作用,从而获得高的强度和韧性[26]。最近十年新日铁专利转向了Cu金属相的析出强化[29,30]。Cu金属相降低饱和磁通密度的作用很小,而且与碳氮化物相比,对磁畴壁移动的阻碍作用较小[27]。采用Cu金属相的析出强化时,可以通过控轧控冷,使冷轧之前Cu金属相不析出,或不过多地析出,或控制其析出状态,从而使热轧板或常化板不至于特别大地硬化和脆化,这样就比较容易冷轧,也减少了冷轧时轧裂的发生。在冷轧之后的退火及其冷却过程中,也可通过控制退火温度和冷速,从而抑制Cu金属相的析出。用户将成品板冲片后,再经时效退火处理,使Cu金属相析出,从而获得高的强度。这样,在时效退火之前,钢板一直是处于一个相对“软质”的状态,冷轧及其冲片过程中的成材率相对较高。为了防止Cu金属相严重恶化磁性能,专利中一般都对Cu金属相的尺寸、密度做出规定。
4 关于实际应用的高强度无取向硅钢强化方法的分析及未来技术发展趋势
虽然我们由上述新日铁、住友金属关于这一产品的性能变化推测了该公司的日本几大钢铁公司究竟在工业化生产的高强无取向电工钢中采用了何种强化方法,其细节作为商业机密都进行了严格保护。虽然几大钢铁公司都申请了很多相关专利,但涉及众多强化手段,包括P,Mn,Ni的固溶强化、微合金元素(Ti,Nb,V,Zr)等析出强化和Cu的时效强化以及不完全再结晶的位错强化。其中Ni,P,Mn等元素固溶强化是最早提出的,由于这三个元素固溶强化效果显著同时对磁性能的恶化最小,如图6所示,其中P的固溶强化效果最好,Ni其次,Mn最小;而对于磁性能而言,增加Ni含量提高磁感降低铁损,效果最好;P略微增加铁损而Mn降低磁感。据信新日铁是通过这三个元素结合的固溶强化开发出了图3所示的高强度无取向硅钢系列[31]。
(a)强度;(b)铁损和磁感(a)yield strength;(b)iron loss and permeability
图6 P,Mn和Ni固溶元素含量对无取向硅钢性能的影响[31]Fig.6 Influence of the solute P,Mn and Ni contents on the properties of non-oriented silicon steels[31]
但是由于Ni的合金成本高昂,P容易导致冷脆需要特别的工艺处理,从最近各大日本钢铁公司的研发趋势看,正在积极研究其他强化手段来代替。我们注意到新日铁与住友金属两大公司近年来刚刚合并后,其给出的关于高强无取向硅钢的产品性能如表3所示,可以看出表3所给出的在同一强度级别下的磁性能更接近表2中住友产品的水平,但要略好一些,但和最初图3所示的新日铁最初开发的薄规格高强度无取向硅钢牌号的磁性能水平相比,实际上磁性能和强度都是下降的。这表现在一方面将最初的屈服强度改变为抗拉强度来定义强度水平;二是如0.35mm厚度590MPa强度水平下,其高频铁损磁性能W10/400由30W/kg大幅恶化到40W/kg。这种将降级的技术应用于工业生产,应该是因为新日铁基于成本压力改变了强化技术手段,很可能是将最初的Ni,Mn,P等较昂贵的固溶强化改变为上述住友公司开发的、通过加入Nb实现不完全再结晶进行位错强化的经济手段;而其最新的Cu析出强化技术应该是该公司正在研发的最新技术,以在强化效果、更好的磁性能与成本经济之间达到一个更好的平衡,这一技术的未来应用潜力很大。因此,我国在研发此类钢种时,建议充分利用我们的后发优势,直接研究如何通过析出强化来提高现有高牌号无取向硅钢的强度,但这需要首先对各类析出强化的技术途径进行可行性分析。
表3 新日铁住金公司生产的高强度无取向硅钢系列产品的磁性能和力学性能要求及其典型值[32]Table 3 Requirements and typical values of high-strength non-oriented silicon steel grades from Nippon Steel&Sumitomo Metal Corp[32]
L:Rolling direction;C:Perpendicular to rolling direction
潘振东等[33]曾经通过加入3%Mn通过Mn的固溶强化来试制高强度硅钢,但是实验结果发现在经过完全再结晶退火后,其磁性能优秀但是其强度达不到目标;而当经过不完全再结晶退火时,强度可以达到目标但是磁性能显著恶化。因此,通过Mn单一元素固溶强化手段达到如此高的强化增量,还是比较有难度的,需要和析出强化相结合,而析出强化的具体手段也需要仔细分析。
低合金高强结构钢常通过加入Ti,Nb,V等微合金元素以析出碳化物、氮化物纳米粒子使得强度增加,大量的实践证明,如果仅仅考虑析出强化效果,在加入同样质量元素的前提下,Ti的析出强化最明显,因为Ti的原子量最小、密度最小,所以析出相的摩尔分数、体积分数最大。为了使得炼钢中加入的微合金元素在控轧控冷时充分析出,需要在加热时尽量让加入的微合金元素固溶,对于低碳钢而言,加热时是在奥氏体相区,因此加热时微合金元素大部分都要固溶在奥氏体中,这对于析出强化很重要。因为碳化物、氮化物在奥氏体中的固溶度积要显著高于铁素体,这一方面导致加热时可在奥氏体中固溶更多的微合金元素;另一方面,在冷却时由奥氏体至铁素体相变过程中,由于两者固溶度积的很大差别,固溶的微合金元素会以相间析出碳化物的形式弥散分布,强化效果最好。但是对于含有3%Si以及一定量Al的电工钢而言,其相图结构与普通碳钢完全不同,几乎不出现美-奥氏体相圈,也即在加热时硅钢不可能全部奥氏体化。图7给出了3%Si-0.5%Al-0.2%Ti-0.004%N在不同Mn含量下的相图结构,其中BCC_A2相为铁素体,FCC_A1为奥氏体,FCC_A1#2为析出的面心立方的Ti(CN)碳氮化物。由图7可见TiN在各Mn含量下的固溶温度都超过1400℃,因此不可能在加热时使得加入的Ti充分固溶。另外,在没有Mn时,碳含量小于0.07%时在整个温度范围内不出现奥氏体相(见图7(a));2%Mn时,碳大于0.1%在1200℃左右时出现奥氏体单相区,小于0.1%时在700~1400℃范围内出现奥氏体铁素体两相区,且碳含量低时奥氏体相分数很小(见图7(b));4%Mn时,在碳大于0.03%温度在1200℃就出现了奥氏体单相区,这恰好是加热温度范围,因此在成分设计时,可设计钢中碳质量分数(%)≈([Ti]-[N]/14×48)/48×12+0.03,在1000℃左右终轧,快速冷却至600℃左右卷取,这样可抑制1000℃温度以下存在的部分奥氏体向铁素体的相变,最终相变温度可控制在600℃,TiC可在相变时在相界面上实现相间析出,颗粒尺寸细小且弥散分布,实现有效的析出强化。但这一工艺有如下问题需要注意,由于TiN很稳定,在1400℃就可以析出,当钢中氮含量较高时,1200℃以上高温段析出大量TiN,这些高温析出相尺寸在0.1~5μm左右,过于粗大不能起到强化的作用,因此需要尽可能降低钢中的氮避免过多的Ti在高温区间析出。另外,粗大的TiN颗粒可能会对转子用硅钢片的疲劳寿命有影响,而且最终成品钢中还有剩余的固溶碳约0.03%,这将会导致服役时显著的磁致时效。因此通过加入Ti的析出强化达到目标强度,困难重重。
(a)0Mn,(b)2%Mn;(c)4%Mn;(d)4%Mn时,Ti(CN)在各温度下析出量(a)0Mn,(b)2%Mn;(c)4%Mn;(d)amount of Ti(CN)precipitated at different temperatures in the case of 4%Mn
图7 Mn对成分为3%Si-0.5%Al-0.004%N-0.2%Ti的Fe-C相图的影响(图中FCC_A1#2为Ti(CN))由ThermoCalc软件和TCFe数据库计算Fig.7 Influence of Mn on Fe-C phase diagram of 3%Si-0.5%Al-0.004%N-0.2%Ti(FCC_A1#2is Ti(CN)),calculated by ThermoCalc software with TCFe 7database
采用类似地方法可以分析Nb在硅钢中的强化途径,假设成分体系中已经加入了1%Mn-3%Ni固溶强化并同时在高温下获得足够多的奥氏体化相,分别加入0.2%Nb和0.5%Nb的相图结构如图8所示,图中BCC_A2相为铁素体,FCC_A1为奥氏体,FCC_A1#2为析出的面心立方的Nb(CN)。0.2%Nb-0.02%C对应的固溶温度为1200℃,虽然此时没有单一奥氏体相区而只有奥氏体铁素体两相区,但Nb可以完全固溶,如果维持较高的终轧温度和轧后快速冷却,其中的奥氏体区域相变至铁素体时会引起相间析出,而铁素体区域则只会沿晶析出少量Nb(CN)。因此此时的析出相的分布可能是不均匀的,且此时成品钢中固溶碳为0.02-([Nb]-[N]/14×96)/96×12≈0,即加入钢中的碳恰好可以全部析出,保证了服役过程无迟滞时效。析出体积分数约0.2%,若析出相平均尺寸在5nm左右,析出强化贡献可达200MPa左右,而具有3%Si+0.5%Al成分的高牌号无取向硅钢(如50W270或者50W250牌号)屈服强度已经超过了400MPa,Mn、Ni的固溶强化按照图6(a)的数据就可以贡献150~200MPa强化使得屈服强度提高到550~600MPa,如果再加上析出强化的贡献,屈服强度可达到700~800MPa左右,因此达到目标要求强度是可能的。如果进一步提高Nb含量至0.5%,一方面使得NbN的固溶温度显著升高,1200℃固溶时所要求的碳含量不超过0.01%,导致最终析出的NbC数量显著减少;另一方面,0.2%Nb时奥氏体单相区的鼻尖温度和碳含量为1150℃和0.04%C,而0.5%Nb时显著右移至1150℃和0.07%C,这意味着Nb含量升高导致在同一温度、成分下形成的奥氏体数量减少,因此在随后冷却过程中析出NbC的分布将更不均匀。即Nb含量过高反而不利于强化,最佳成分在0.2%Nb-0.02%C,成分和热轧工艺窗口均很狭窄。另外,无论是固溶的Nb还是析出的Nb都会显著抑制再结晶。住友金属利用此特性通过含Nb的高硅钢经不完全再结晶退火得到高强度无取向硅钢[22],这一方法成本经济、简单易行、强化效果明显,但是得到的硅钢片高频铁损依然不低,显著高于新日铁的HST牌号,只能适用于要求不高的驱动电机。
(a)0.2%Nb;(b)0.5%Nb(a)0.2%Nb;(b)0.5%Nb
图8 Nb对3%Si-0.5%Al-0.004%N-1%Mn-3%Ni的Fe-C相图的影响(图中FCC_A1#2为析出的Nb(CN))Fig.8 Influence of Nb on the Fe-C phase diagram with 3%Si-0.5%Al-0.004%N-1%Mn-3%Ni(FCC_A1#2is Nb(CN))
新日铁最新专利中的Cu析出强化路线似乎是个可行的选择,一是因为Cu本身就是奥氏体稳定化元素,可以有限扩大奥氏体相区,如图9的Fe-Cu二元相图所示,奥氏体中Cu的最大固溶量可以超过10%。当富Cu奥氏体在840℃左右转变为铁素体后,Cu在铁素体中的固溶度随着温度下降急剧降低,在400~500℃时几乎全部析出;与Ti、Nb等的析出强化相比,一是避免了大量加入Mn、Ni以便在高温下形成奥氏体相来固溶碳化物,因此成本相对经济;另外,因为不是通过碳化物、氮化物析出强化,所以在炼钢时不需要在钢中预留足够碳含量以供后续析出,而是直接得到超低碳含量,也不需要在热轧、卷取和退火时控制碳化物氮化物的析出,因此工艺相对简单;而且Cu在铁素体相中的析出强化同时并不会损害硅钢片的磁性能,因此Cu是理想的强化相;最后,Cu在铁素体中低温下固溶度很小,在结构钢中Cu的时效析出强化是个成熟的技术,通常就是在铁素体相区400~600℃区间进行回火,大量的Cu就可以析出,其强度贡献与Cu的析出量成正比;有实验证明,对于含1.8%Cu的FeCu合金在1000℃固溶后淬火然后在475℃时效,其屈服强度最大可增加365 MPa[34,35,36]。而对于新日铁的高强度无取向硅钢产品而言,其强度相较于普通无取向硅钢需提高近300MPa,因此可以通过加入Cu后时效析出强化实现这一目标。新日铁2012年针对此技术的美国专利中所保护的Cu含量范围为0.8%~8%,经300~720℃区间内某一温度时效处理析出Cu析出相,平均尺寸<0.1μm[10],可以达到图2所示的强度与磁性能区间。很明显,这个工艺窗口是出于隐藏真正的工艺参数而故意宽化的。仔细研究该专利文献和依据在结构钢中Cu的时效强化的经验发现,最佳Cu含量应该为2%~3.5%,热处理温度窗口为400~550℃,具体保温时间需要通过实验研究来摸索,但是应该遵循温度越高时间越短的原则。总的来说,Cu析出强化的热轧工艺控制窗口宽泛,不需要额外的P,Mn,Ni等的固溶强化和Nb、Ti的析出强化,简单易行,因此工艺上容易实现,而且在实现强化的同时不会损耗磁性能。但是,钢中加入Cu带来的一个显著问题就是会引起热脆,如图9所示,因为Cu的熔点低,在1094℃就会出现液相,尤其是在氧化性气氛下,S和Cu同时在晶界偏聚时,就会在加热、热轧时沿晶产生液相,导致严重的表面裂纹。因此,为克服这一问题,一是要控制钢中的硫含量,不能超过0.01%;尽量缩短加热和热轧时在高温区的停留时间,节奏快、效率高的薄板坯连铸连轧工艺应该是合适的工艺;另外,还要在钢中加入Ni,其加入量通常为Cu含量的1/8~1/2,上限最好不超过2.5%。Ni的加入不仅仅是可以避免由于Cu所导致的热脆[37,38],同时也可以起到固溶强化作用,而且会改变Cu析出的形貌与尺寸,使得Cu的析出强化作用也会增强。另外,根据现有的铜含量在0.5%左右的取向硅钢品种的生产时,并没有发现严重的Cu热脆问题,因此这为更高Cu含量的无取向硅钢的工业生产奠定了信心。
图9 Fe-Cu二元相图(FCC_A1#2是析出的金属Cu相)Fig.9 Binary phase diagram of Fe-Cu(FCC_A1#2is the copper-precipitate)
5 结束语
全球能源互联网的ICT驱动 篇8
多电压等级直流电网是构建全球能源互联网的重要基础,其协调控制是以其主控系统与各个大规模新能源站、关键装置以及大容量负荷间海量信息的交互为前提,基于单条特高压的通信技术已不能满足要求,《多电压等级直流电网实证系统通信系统研究》提出了技术解决方案,并进行了验证。同样,在大电网互联和新能源高比例下,广域稳定控制作为关键技术,其核心是多元信息的实时利用,因此通信问题被提到了最前面,多端转发的时延和可靠性问题亟待解决,《大电网安全稳定控制对信息通信技术需求分析研究》提出了控制保护专网的解决方案。未来,在电力通信网的技术与组网方式上,必须要突破现有的通用标准和技术协议。从防御体系看,全球能源互联网将呈现更加复杂的随机特性,多元大数据和多尺度动态特性,传统的“建模仿真+ 预想故障”的安全防御系统已不能满足要求,研究结果提出了利用电网时空大数据,通过计算、通信和控制技术的融合协作构成全新的安全防御系统(I-PSDS)。
新能源面临着并网技术提升和全球范围的资源统筹与优化运行。《全球能源互联网中的大数据应用研究》从全球新能源的开发利用角度,总结了大数据应用场景,并针对随机矩阵理论提出了应用框架。《基于云计算的全球可再生能源资源精细化评估方法》实现了高效、快速、精细的全球可再生能源资源的状况评估。利用这一方法进行延伸计算,将可展现全球可再生能源资源的即时分布,假以数据,可望展现全球可再生能源的运行状态。泛在海量的分布式电源接入是全球能源互联网将面对的问题,但它也将给大电网互联发展带来效应式的促进。研究团队设计了分布式电源的云服务和大数据分析平台,通过虚拟化+ 大数据+ 云计算为全球分布式电源用户提供服务,实现协同优化运行和服务聚合,这是互联网思维的运用。《微电网中逆变型DG最优接入位置研究》通过电磁暂态仿真的分析实验将分布式电源接入最优位置。微电网接入和虚拟同步机技术正在解决分布式新能源并网的技术瓶颈。
随着全球能源互联网的发展,作为重要的基础网络平台和载体,配电网中的设备和相应的智能传感将呈现井喷式增长,需要基于IPv6 的新一代互联网技术来支撑物理电网和能源及用能终端的智能互联,研究团队从多维度探索配电网中的实际应用场景。用电数据是电网运行和运营的支点,《全球能源互联网背景下基于地理信息的用电数据分析与可视化》进行了多重价值的数据分析挖掘和可视化,并在天津中新生态城应用。配电网的可靠性预测评估是大数据的重要应用领域,在能源互联网多元复杂的因素下,大数据将替代传统的负荷预测和可靠性分析方法,提供精准的深度预测,研究团队所提出的方法已在实践中应用。
信息通信技术贯穿全球能源互联网三大要素(特高压、清洁能源、智能电网)并深度融合,信息物理融合是下一代工业革命的特点。从战略上讲,及早开展对电力信息通信技术的系统研究是必要之举,这其中,首先应着力顶层架构设计。目前众多研究者就此进行了研究思考,《全球能源互联网的信息顶层架构》研究了全球能源互联网信息系统特征,提出了松散协调的信息顶层架构。其次,应建立仿真系统。全球能源互联网的推进,需要信息通信建立对应体系来支撑其全景全域需求,对未知系统进行模拟仿真、预测以及新技术创新实验。《全球能源互联网的信息通信仿真技术研究》运用仿真技术,建立了多种功能的仿真场景,进行了广域稳定控制的通信建模与仿真。《光纤传感技术在海底电缆监测中的研究及应用》实现了对海底电缆的远程实时监测,克服了其他监测方式的弱点,这无疑是一项重要的实际需求和值得关注的技术手段。
“乌克兰停电事件”终于发生了人们预想的由远程攻击来破坏供电的事件,电网安全是战略安全,信息安全威胁电网安全。研究团队进行了全面的事件推断和样本分析,广域互联智能控制与终端系统,以及信息交互带来的安全风险使全球能源互联网面临不可忽视的挑战。针对信息安全现有架构,《可信计算技术在全球能源互联网信息安全中的应用》提出了生产环节到用户环节,及跨国跨洲的主动免疫与互信的思路,可信计算是全球能源互联网信息安全的一条重要技术路线。
在云计算广泛运用中,“雾计算”被推出,将计算分析功能扩展到网络边缘,云雾协同,软件定义和非侵入式监测,将可运用于全球能源互联网最优控制和高效运行的技术与装置创新。《云雾协同优化控制和软件定义应用技术》介绍了在美国快速发展的这三项技术,体现了IT技术与控制技术融合在技术模式上的变革。《欧盟能源科技创新战略对我国能源互联网发展的启示》中突出地体现了能源与ICT的技术和产业融合已被更多的国家认同,它将成为能源互联化和清洁化重要的发展途径。
新能源驱动 篇9
在此背景下，远光能源互联网的专家团队贴合市场需求，创新打造配售电公司一体化信息平台整体解决方案。该解决方案紧密围绕电改政策要求设计，在深入分析国内外配售电公司经营模式和发展趋势的基础上，提供负荷预测、报价策略、能效管理、精准运维等核心功能，满足配售电公司的精准交易、业务拓展、客户管理等业务需求，帮助配售电公司构建“轻量化、社交化、一体化”的信息管理平台，提高运营效率，降低购电成本，增强核心竞争力。
该解决方案整合多源异质的数据源，利用豐富的互联网大数据、经济统计数据、电力数据与其他社会信息，形成准实时与周期性统计数据相结合的综合数据体系。在此基础上，远光能源互联网采用时间序列及神经网络等先进技术，通过外部合作及自身多年的技术沉淀和模型研究，能够精准评估购售电时机、购售电价格、购售电对象，满足配售电公司智能决策的需要。目前，该解决方案已在三峡电能有限公司、珠海高远电能科技有限公司等客户的配售电业务中得以应用，并取得显著成效。
远光能源互联网此次获得“2016年度中国产业互联网大会解决方案创新奖”，是业界对其信息化建设及服务运维能力的充分肯定，有助于进一步增强远光能源互联网在配售电信息化建设业务方面的承揽能力。远光能源互联网将继续精研大数据、神经网络、区块链等新技术，助力能源生态创新，支持能源互联互通。
新能源驱动 篇10
1 电动汽车的驱动能源
电动汽车简而言之就是指以车载电源为动力, 用电机驱动车轮行驶, 符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是:它本身不排放污染大气的有害气体, 即使按所耗电量换算为发电厂的排放, 除硫和微粒外, 其它污染物也显著减少。由于电力可以从多种一次能源获得, 如煤、核能、水力、风力、光、热等, 解除人们对石油资源日见枯竭的担心。
电动汽车还可以充分利用夜间用电低谷时富余的电力充电, 使发电设备日夜都能充分利用, 大大提高其经济效益。有关研究表明, 同样的原油经过粗炼, 送至电厂发电, 经充入电池, 再由电池驱动汽车, 其能量利用效率比经过精炼变为汽油, 再经汽油机驱动汽车高, 因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排放。
电动汽车所使用到的能源——电池的种类以及性能如下介绍。
化学电池按工作性质可分为:一次电池 (原电池) 、二次电池 (可充电电池) 、铅酸蓄电池。其中一次电池可分为:糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等;二次电池可分为:镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等;铅酸蓄电池可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。
电池是一种化学物质, 因而也是有一定服务寿命的, 诸如干电池 (包括普通的碱性电池) 等一次电池是不能充电的, 服务寿命只有一次。对于充电电池, 一般以充电次数来衡量其服务寿命的长短。镍镉电池的循环使用寿命在300～700次左右, 镍氢电池的可充电次数一般为400～1000次, 锂离子电池为500～800次。
1.1 铅酸蓄电池
铅酸蓄电池由正极板、负极板、电解液、隔板、容器 (电池槽) 等5个基本部分组成。它是用二氧化铅作正极活性物质, 铅作负极活性物质, 硫酸作电解液, 微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。铅酸电池 (含铅酸胶体电池) 成本便宜, 性能稳定, 目前市场上的中低端电动车均采用此种电池。
1.2 锂离子电池
锂离子电池 (常称之为锂电池) 成本昂贵, 性能不稳定, 容易出现爆炸, 安全系数低。目前正在研制使用的磷酸铁锂动力电池解决了安全的问题。
锂离子电池指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极, 锂的化合物作正极, 混合电解液作电解质液制成的电池。
1.3 锌锰电池
锌锰电池又称勒兰社电池, 是法国科学家勒兰社于1868年发明的由锌作负极, 二氧化锰为正极, 电解质溶液采用中性氯化铵、氧化锌的水溶液, 面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池。由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态, 故又称为锌锰干电池。按使用隔离层区可分为糊式和板式电池2种, 板式又按电解质液不同分为铵型和锌型电池纸板电池2种。
1.4 碱性锌锰电池
碱性锌锰电池指20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的, 是锌锰电池的改进型。该电池使用氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解液, 采用了与锌锰电池相反的负极结构, 负极在内为膏状胶体, 用铜钉作集流体, 正极在外, 活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接, 正、负极采用专用隔膜隔开制成的电池。
1.5 镉镍电池和金属氢化物电池
二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极, 以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液, 金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末, 利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成, 是小型二次电池主导产品。
1.6 燃料电池
它是一种利用燃料 (如氢气或含氢燃料) 和氧化剂 (如纯氧或空气中的氧) 直接连接发电的装置。具有效率高、电化学反应转换效率可达40%以上, 且无污染气体排出的特点。
燃料电池虽然是理想的清洁能源, 但是目前它的性价比太低, 要达到可以进入市场的性价比, 可说是任重而道远, 必须从基础材料和基本理论上有重大突破, 才可能进入汽车市场。
1.7 绿色环保电池
近年来已投入使用和正在研制的一类高性能、无污染电池, 包括目前已投入使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池, 正在推广使用的无汞碱性锌锰电池、燃料电池、太阳能电池 (光伏电池) 等。
2 电动汽车储能装置和电驱动的结构形式
2.1 储能装置的结构形式
采用不同类型的储能装置, 如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容器和高速飞轮等, 构成不同的电动汽车结构。现在电动汽车所独有的以蓄电池作动力源的一种结构, 蓄电池可以布置在车的四周, 也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面。电动汽车所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率, 并且在车辆制动时能回收再生制动能量。同时具有高比能量和高比功率的蓄电池对电动汽车而言是最理想的动力能源, 比能量影响汽车的行驶里程, 而比功率影响汽车的加速性和爬坡能力。
为了解决一种蓄电池不能同时满足对比能量和比功率要求的问题, 可以在电动汽车上同时采用不同的蓄电池, 其中一种能提供高比能量, 另外一种提供高比功率。这种蓄电池作混合动力能源的基本结构, 不仅分离了对比能量和比功率的要求, 而且在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回收能量。除了蓄电池以外, 还可以用燃料电池作储能装置。
燃料电池所需的氢气不仅可以作为压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存, 还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生。当用蓄电池与电容器作混合动力时, 所选的蓄电池必须能提供高比能量, 因为电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力。
由于用在电动汽车上的电容器 (通常称为超大容量电容器) 相对而言电压较低, 所以需要在蓄电池和电容器之间加一个功率转换器。与超大容量电容器类似, 飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮不同, 这种飞轮质量轻, 且在真空下高速运转, 超高速飞轮与具有一种工作模式 (电动机和发电机) 的电动机转子相结合, 能够将电能和机械能进行双向转换。这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构, 所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用, 因为这种电动机的效率比直流电动机高, 因而应在蓄电池和飞轮之间加一个转换器。
2.2 电驱动的结构形式