分配和使用的技術(shù)將成為下世紀(jì)電力技術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。電力技術(shù)屬于傳統(tǒng)技術(shù)的范疇，技術(shù)創(chuàng)新和出現(xiàn)重大突破的機(jī)會(huì)要比信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等新興學(xué)科少得多。但是，應(yīng)該看到，電力技術(shù)與其他學(xué)科的相互交叉和滲透的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。電力研究的一些前沿課題反映了這種趨勢(shì)。以下將對(duì)若干電力前沿技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行評(píng)述。

    1 分布式電源

    分布式發(fā)電裝置(Distributed Generation)是指功率為數(shù)千瓦至50 MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有，用以滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求。如調(diào)峰、為邊遠(yuǎn)用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，節(jié)省輸變電投資、提高供電可靠性等等。

    當(dāng)今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)(IC)、微型燃?xì)廨啓C(jī)(Micro�瞭ur_bines)和各種工程用的燃料電池(Fuel Cell)。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與"小機(jī)組"已不是同一概念。

    1.1 應(yīng)用背景

    由于公眾對(duì)輸電線路可能產(chǎn)生的電磁影響的憂慮，開(kāi)辟新的線路走廊越來(lái)越困難。例如，北美和西歐許多國(guó)家已決定一般不再興建新的輸電線路。于是，直接安置在用戶近旁的分布式發(fā)電裝置便成為一種替代方案。其次，與大電網(wǎng)配合，分布式電源可大大地提高供電可靠性，可在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害(例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭(zhēng))情況下，維持重要用戶的供電。加拿大魁北克省1997年冰雪災(zāi)造成輸配電線路災(zāi)難性破壞，引起大面積停電，許多重要用戶長(zhǎng)期不能恢復(fù)供電。人們認(rèn)識(shí)到，如果能有與電網(wǎng)配合的分布式電源在運(yùn)轉(zhuǎn)，供電可靠性將會(huì)大大地提高，一些災(zāi)難性后果是可以避免的。

    對(duì)供電網(wǎng)難以達(dá)到的邊遠(yuǎn)分散用戶，分布式電源在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，發(fā)展電動(dòng)車電源是研究發(fā)展分布式電源的重要推動(dòng)力。

    1.2微型燃?xì)廨啓C(jī)

    微型燃?xì)廨啓C(jī)(Micro Turbine),是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為96 000 r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)，工作溫度500 ℃，其發(fā)電效率可達(dá)30%。目前國(guó)外已進(jìn)入示范階段。其技術(shù)關(guān)鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等�？梢�(jiàn)，電工技術(shù)的突破常常取決于材料科學(xué)的進(jìn)步。

    1.3燃料電池

    燃料電池是直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀(jì)的分布式電源。

1.3.1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(guò)程。氫基燃料送入燃料電池的陽(yáng)極(電源的負(fù)極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負(fù)氧離子通過(guò)2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極與氫離子結(jié)合成水，外電路則形成電流。

    通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護(hù)與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器(又稱為燃料重整器)。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無(wú)須配備重整器。

    磷酸型燃料電池(PAFC)是目前技術(shù)成熟、已商業(yè)化的燃料電池。現(xiàn)在已能生產(chǎn)大容量加壓型11 MW的設(shè)備及便攜式250 kW等各種設(shè)備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池(MCFC)，工作在高溫(600～700 ℃)下，重整反應(yīng)可以在內(nèi)部進(jìn)行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進(jìn)行兆瓦級(jí)的驗(yàn)證試驗(yàn)。固體電解質(zhì)燃料電池(SOFC)被稱為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，未來(lái)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(dòng)車電源。

    1.3.2 性能和特點(diǎn)

     燃料電池有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發(fā)電效率可達(dá)100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實(shí)際效率可達(dá)58��4%。通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達(dá)到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)�；�本無(wú)關(guān)，小型設(shè)備也能得到高效率。(2)處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負(fù)荷變化的能力非常強(qiáng)，可以在1 s內(nèi)跟隨50%的負(fù)荷變化。(3)噪音低；可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的零排放；省水。(4)安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)。

    目前燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的障礙是造價(jià)高，在經(jīng)濟(jì)性上要與常規(guī)發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)尚需時(shí)日。

    1.3.3 技術(shù)關(guān)鍵和研究課題

    燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價(jià)格等與商業(yè)化有關(guān)的項(xiàng)目，主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池(MCFC)在高溫條件下液體電解質(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實(shí)用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕；電極細(xì)孔構(gòu)造變化使電池性能下降等問(wèn)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(duì)構(gòu)成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學(xué)性穩(wěn)定和致密性(不通過(guò)氣體)的電解質(zhì)，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應(yīng)盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結(jié)法和電化學(xué)蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。實(shí)用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05 mm。比較先進(jìn)的已達(dá)到0.01 mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應(yīng)當(dāng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度外，必須具有高度的氣體致密性，否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運(yùn)行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好，但費(fèi)用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導(dǎo)電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個(gè)重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導(dǎo)電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造價(jià)就可以大幅度降低。

    2 大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用硅片引起的"第二次革命"

    2.1 大功率電力電子器件的重大進(jìn)展

    電力電子學(xué)(Power Electronics)的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史。

    電力電子學(xué)器件用于電力拖動(dòng)、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。大功率電子器件(High Power Electronics)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10多年來(lái)，可控整流器(SCR)、可關(guān)斷的晶閘管(GTO)、MOS控制的晶閘管(MCT)、絕緣門極雙極性三極管(IGBT)等大功率高壓開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷能力不斷提高。目前，已經(jīng)生產(chǎn)出6 kA、6 kV的GTO，單個(gè)元件的開(kāi)斷功率可達(dá)到30 MW左右，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

    近年來(lái)，大功實(shí)繾悠骷�已经广泛应用釉懢�?duì)的一次伒蛨?chǎng)？煽毓?晶閘管)用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。大功率電子器件應(yīng)用于靈活的交流輸電(FACTS)、定質(zhì)電力技術(shù)(Custom Power)以及新一代直流輸電技術(shù)則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，將成為下世紀(jì)的電力研究前沿。