發電技術研究論文大全11篇

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現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術的具體應用。

當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。

1.電力電子技術的發展

現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

1.1整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

1.2逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

1.3變頻器時代

進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現代電力電子的應用領域

2.1計算機高效率綠色電源

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關電源

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9分布式開關電源供電系統

分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1高頻化

理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數字化

在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。

3.4綠色化

電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。

總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。

參考文獻：

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機電一體化技術是面向應用的跨學科的技術，它是機械技術、微電子技術、信息技術和控制技術等有機融合、相互滲透的結果。今天機電一體化技術發展飛速，機電一體化產品更新日新月異。

一、機電一體化技術的發展歷程

“機電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀60年代末作商業注冊時最先創用的。當時及70年代，人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結合。國內早期將“機電一體化技術”與“機械電子學”并用，近年來“機電一體化”更流行使用。

80年代，信息技術嶄露頭角。微處理機的性能提高，為更高級的機電一體化產品所采用，典型的機電一體化產品如數控機床、工業機器人和汽車的電子控制系統等。微機作為關鍵技術引入了飛行器系統后，使機械—電子系統在高度控制、排氣控制、振動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應用。

信息技術驅使機械系統在不同程度上利用數據庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數據庫驅動系統。這樣，對機電一體化的系統設計方法的探索、成型和系統集成以及并行工程設計和控制的實施日顯重要。此外，光學也進入了機電一體化，產生了“光機電一體化”的新領域。

進入90年代，通信技術進入了機電一體化，機器可像機器人系統那樣遙控和虛擬現實多媒體等技術緊密聯系的計算機控制的網絡化機電一體化日益普及。有些機電一體化機械可兩用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微傳感器和執行器技術的發展，和半導體技術以光刻為基礎的方法以及和傳統機電一體化微型化方法的結合，開創了以精密工程和系統集成為特點的機電一體化新分支“微機電一體化”。雖然微加工方法尚未成熟，但將逐漸成為集成控制系統的一個組成部分。之后，機電一體化隨著自動化技術的發展而日益發展，穩步進入了21世紀。

二、典型機電一體化產品的發展趨勢

（一）數控機床

目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近320萬臺），但數控機床只占約5％且大多數是普通數控（發達國家數控機床占10％）。近些年來數控機床為適應加工技術的發展，在以下幾個技術領域都有巨大進步。

1．高速化。由于高速加工技術普及，機床普遍提高了各方面的速度。車床主軸轉速有3000～4000r/min提高到8000～10000r/min；銑床和加工中心主軸轉速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上；快速移動速度由過去的10～20m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，由過去一般機床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G～2G，最高可達15G；直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內裝式主軸電機。

2．高精度化。數控機床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右；亞微米級機床達到0.0005mm左右；納米級機床達到0.005～0.01um；最小分辨率為1nm（0.000001mm）的數控系統和機床已問世。

數控中兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使兩軸聯動出的圓弧都可以達到1u的圓度，插補前多程序預讀，大大提高了插補質量，并可進行自動拐角處理等。

3．復合加工，新結構機床大量出現。如5軸5面體復合加工機床，5軸5聯動加工各類異形零件。同時派生出各種新穎的機床結構，包括6軸虛擬軸機床，串并聯絞鏈機床等，采用特殊機械結構，數控的特殊運算方式，特殊編程要求。

4．使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。如內冷轉頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉頭切削刃和排除切屑，在轉深孔時大大提高效率。加工剛件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。

5．數控機床的開放性和聯網管理。數控機床的開放性和聯網管理已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而且是企業合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計算機集成制造、網絡制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術都在數控機床基礎上發展起來，這必然成為21世紀制造業發展的一個主要潮流。

（二）自動機與自動生產線

在國民經濟生產和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產線及各種自動化設備，是當前機電一體化技術應用的又一具體體現。如：2000～80000瓶/h的啤酒自動生產線；18000～120000瓶/h的易拉罐灌裝生產線；各種高速香煙生產線；各種印刷包裝生產線；郵政信函自動分撿處理生產線；易拉罐自動生產線；FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產線等等，這些自動機或生產線中廣泛應用了現代電子技術與傳感技術。如可編程序控制器，變頻調速器，人機界面控制裝置與光電控制系統等。我國的自動機與生產線產品的水平，比10多年前躍升了一大步，其技術水平已達到或超過發達國家上一世紀80年代后期的水平。使用這些自動機和生產線的企業越來越多，對維護和管理這些設備的相關人員的需求也越來越多。

三、機電一體化技術的發展趨勢

以微電子技術、軟件技術、計算機技術及通信技術為核心而引發的數字化、網絡化、綜合化、個性化信息技術革命，不僅深刻地影響著全球的科技、經濟、社會和軍事的發展，而且也深刻影響著機電一體化的發展趨勢。專家預測，機電一體化技術將向以下幾個方向發展：

（一）光機電一體化方向

一般機電一體化系統是由傳感系統、能源（下轉第80頁）（上接第81頁）（動力）系統、信息處理系統、機械結構等部件組成。引進光學技術，利用光學技術的先天特點，就能有效地改進機電一體化系統的傳感系統、能源系統和信息處理系統。

（二）柔性化方向

未來機電一體化產品，控制和執行系統有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發事件，被設計成“自律分配系統”。在這系統中，各子系統是相互獨立工作的，子系統為總系統服務，同時具有本身的“自律性”，可根據不同環境條件做出不同反應。其特點是子系統可產生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具有“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統的能力（柔性），又不因某一子系統的故障而影響整個系統。

（三）智能化方向

今后的機電一體化產品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要得益于模糊技術與信息技術（尤其是軟件及芯片技術）的發展。

四、仿生物系統化方向

今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結構上處于“靜態”時不穩定，但在動態（工作）時卻是穩定的。這有點類似于活的生物：當控制系統（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統（大腦）工作時，生物就很有活力。就目前情況看，機電一體化產品雖然有仿生物系統化方向發展的趨勢，但還有一段很漫長的道路要走。

五、微型化方向

目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當這一成果用于實際產品時，就沒有必要再區分機械部分和控制器部分了。那時，機械和電子完全可以“融合”機體，執行結構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型化是機電一體化的重要發展方向。

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電子中的概念是反映電子現象和過程的本質屬性的思維方式，是電子技術事實的抽象。它不僅是電子技術基礎理論知識的一個重要組成部分，也是構成電子技術規律和公式的理論基礎。論文百事通學生學習電子技術的過程，其實是在不斷地建立電子技術概念的過程。因此概念教學是學生學好電子技術的基礎，更是學好電子技術的關鍵。在實際教學中如何才能讓學生有效地掌握、理解并運用好高中電子技術概念呢，從實際教學的經驗中體會到，采用靈活多變的教學方式，激發學生的學習興趣，變抽象為形象，可以提高概念教學的效果。

一、聯系、聯想記憶法

電子技術中有很多抽象的概念，例如：電場、電力線，磁場、磁力線。電場、磁場看不到但卻實存在(可以利用實驗證明)，而電力線和磁力線不存在為了分析問題方便而畫出來的(可以看到)。利用電力線或磁力線的方向表示電場或磁場的方向，利用電力線或磁力線的疏密來表示電場或磁場的強弱。

半導體中載流子的運動也是如此：一般我們看不到，為了分析方便往往把空穴和自由電子畫出來。空穴帶正電荷，自由電子帶負電荷，主要靠空穴導電的半導體稱為空穴型半導體或P型半導體；主要靠自由電子導電的半導體稱為電子型半導體或稱為N型半導體。空穴通常用圓圈O表示，P去掉尾巴就是O；電子帶負電N就可以想成三個負號。通過總結空穴、電子，P型半導體、N型半導體就比較容易記了。

二、教學實驗演示法

電子技術是一門以實驗為基礎的學科，在進行概念教學時，演示實驗法是一種行之有效的教學方法，一個生動的演示實驗，可創設一種良好的電子技術環境，給學生提供鮮明具體的感性認識，再通過引導學生對現象特征的概括形成自己的概念。

如“整流”概念的教學，用直流電源和單向半波整流電路演示，讓學生體會到外加電源的正極接二極管的正極，電源的負極接二極管的負極，二極管受正電壓，二極管導通，電路中通過大的電流IF；反之外加電源的正極接二極管的負極，電源負極接二極管的正極，電路中幾乎無電流通過。從而揭示了二極管的單向導電性。

三、電教圖像剖析法

有些高中電子技術概念，無法實驗演示也無法從生活中體驗。如PN結的形成，空穴和電子的擴散運動、漂移運動等。可以用圖像、電教手段(如FLASH動畫)展示給學生觀看。電子技術圖像通過培養學生的直覺，從而培養學生的高層次的形象思維能力，建立起電子技術概念的情景；電教手段能以生動、形象、鮮明的動畫效果，模擬再現一些電子技術過程，學生通過觀看、思考，就會自覺地在頭腦中形成建立電子技術概念的情景。這種方法符合“從生動的直觀，到抽象的思維”的基本認識規律，是現代教學中提高概念教學效果的一種重要手段。

四、興趣引導法

興趣是最好的老師，實際生活，生產實踐及現代高科技中一些有趣的電子技術現象會吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，活躍學生的思維，提高學生的理解能力，有利于知識的掌握。

如對放大概念的認識，以門鈴的工作過程為例。可以先不加放大三極管時接好電源和音樂片，門鈴發聲，聲音很小只能在耳邊才能聽到；接著接好電源、音樂片，門鈴發聲，聲音比較大，整個班都可以聽到。使學生親身感受到門鈴發出聲響的明顯變化的現象。說明和分析什么是放大的概念，通過學生對“放大”現象切身的體會來理解掌握這一概念。利用振蕩電路組成的閃光燈電路即提高了學生的學習興趣，有利于學生對電路的分析對知識的掌握。

五、循序漸進法

篇（4）

下一代網絡（NGN）引發了許多的觀點和爭論。有的專家預言，不管下一代網絡如何發展，一定將要達到三個世界，即服務層面上的IP世界、傳送層面上的光的世界和接入層面上的無線世界。下一代傳送網要求更高的速率、更大的容量，這非光纖網莫屬，但高速骨干傳輸的發展也對光纖提出了新的要求。

（1）擴大單一波長的傳輸容量

目前，單一波長的傳輸容量已達到40Gbit/s，并已開始進行160Gbit/s的研究。40Gbit/s以上傳輸對光纖的PMD將提出一定的要求，2002年的ITU-TSG15會議上，美國已提出對40Gbit/s系統引入一個新的光纖類別（G.655.C）的提議，并建議對其PMD傳輸中的一些問題進行深入探討，也許不久的將來就會出現一種專門的40Gbit/s光纖類型。

（2）實現超長距離傳輸

無中繼傳輸是骨干傳輸網的理想，目前有的公司已能夠采用色散齊理技術，實現2000～5000km的無電中繼傳輸。有的公司正進一步改善光纖指標，采用拉曼光放大技術，可以更大地延長光傳輸的距離。

（3）適應DWDM技術的運用

目前32×2.5Gbit/sDWDM系統已經運用，64×2.5Gbit/s及32×10Gbit/s系統已在開發并取得很好的進展。DWDM系統的大量使用，對光纖的非線性指標提出了更高的要求。ITU-T對光纖的非線性屬性及測試方法的標準（G.650.2）最近也已完成，當光纖的非線性測試指標明確之后，對光纖的有效面積將會提出相應指標，特別是對G.655光纖的非線性特性會有進一步改善的要求。

1.2光纖標準的細分促進了光纖的準確應用

2000年世界電信標準大會批準將原G.652光纖重新分為G.652.A、G.652.8和G.652.C3類光纖；將G.655光纖重新分為G.655.A和G.655.B兩類光纖。這種光纖標準的細分促進了光纖的準確使用，細化標準的同時也提高了一些光纖的指標要求（如有些光纖幾何參數的容差變小），明確了對不同的網絡層次和不同的傳輸系統中使用的光纖的不同指標要求（如PMD值的規定），并提出了一些新的指標概念（如“色散縱向均勻性”等），對合理使用光纖取得了很好的作用。所有這些建議的修改、子建議的出現及新子建議的起草，都意味著光纖分類及指標、測試方法有某些改進，或有重要的提升；都標志著要求光纖質量的提高或運用方向上的調整，是值得注意的光纖技術新動向。

1.3新型光纖在不斷出現

為了適應市場的需要，光纖的技術指標在不斷改進，各種新型光纖在不斷涌現，同時各大公司正加緊開發新品種。

（1）用于長途通信的新型大容量長距離光纖

主要是一些大有效面積、低色散維護的新型G.655光纖，其PMD值極低，可以使現有傳輸系統的容量方便地升級至10～40Gbit/s，并便于在光纖上采用分布式拉曼效應放大，使光信號的傳輸距離大大延長。如康寧公司推出的PureModePM系列新型光纖利用了偏振傳輸和復合包層，用于10Gbit/s以上的DWDM系統中，據稱很適合于拉曼放大器的開發與應用。Alcatelcable推出的TeralightUltra光纖，據介紹已有傳輸100km長度以上單信道40Gbit／s、總容量10.2Tbit／s的記錄。還有一些公司開發負色散大有效面積的光纖，提高了非線性指標的要求，并簡化了色散補償的方案，在長距離無再生的傳輸中表現出很好的性能，在海底光纜的長距離通信中效果也很好。

（2）用于城域網通信的新型低水峰光纖

城域網設計中需要考慮簡化設備和降低成本，還需要考慮非波分復用技術（CWDM）應用的可能性。低水峰光纖在1360～1460nm的延伸波段使帶寬被大大擴展，使CWDM系統被極大地優化，增大了傳輸信道、增長了傳輸距離。一些城域網的設計可能不僅要求光纖的水峰低，還要求光纖具有負色散值，一方面可以抵消光源光器件的正色散，另一方面可以組合運用這種負色散光纖與G.652光纖或G.655標準光纖，利用它來做色散補償，從而避免復雜的色散補償設計，節約成本。如果將來在城域網光纖中采用拉曼放大技術，這種網絡也將具有明顯的優勢。但是畢竟城域網的規范還不是很成熟，所以城域網光纖的規格將會隨著城域網模式的變化而不斷變化。

（3）用于局域網的新型多模光纖

由于局域網和用戶駐地網的高速發展，大量的綜合布線系統也采用了多模光纖來代替數字電纜，因此多模光纖的市場份額會逐漸加大。之所以選用多模光纖，是因為局域網傳輸距離較短，雖然多模光纖比單模光纖價格貴50％～100％，但是它所配套的光器件可選用發光二極管，價格則比激光管便宜很多，而且多模光纖有較大的芯徑與數值孔徑，容易連接與耦合，相應的連接器、耦合器等元器件價格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纖標準，但由于局域網發展的需要，它仍然得到了廣泛使用。而ITU-T推薦的G.651光纖，即50/125μm的標準型多模光纖，其芯徑較小、耦合與連接相應困難一些，雖然在部分歐洲國家和日本有一些應用，但在北美及歐洲大多數國家很少采用。針對這些問題，目前有的公司已進行了改進，研制出新型的5O/125μm光纖漸變型（G1）光纖，區別于傳統的50/125μm光纖纖芯的梯度折射率分布，它將帶寬的正態分布進行了調整，以配合850nm和1300nm兩個窗口的運用，這種改進可能會為50/125pm光纖在局域網運用找到新的市場。

（4）前途未卜的空芯光纖

據報道，美國一些公司及大學研究所正在開發一種新的空芯光纖，即光是在光纖的空氣夠傳輸。從理論上講，這種光纖沒有纖芯，減小了衰耗，增長了通信距離，防止了色散導致的干擾現象，可以支持更多的波段，并且它允許較強的光功率注入，預計其通信能力可達到目前光纖的100倍。歐洲和日本的一些業界人士也十分關注這一技術的發展，越來越多的研究證明空芯光纖似有可能。如果真能實用，就能解決現有光纖系統長距離傳輸的問題，并大大降低光通信的成本。但是，這種光纖使用起來還會遇到許多棘手的問題，比如光纖的穩定性、側壓性能及彎曲損耗的增大等。因此，對于這種光纖的現場使用還需做進一步的探討。

2光纜技術的發展特點

2.1光網絡的發展使得光纜的新結構不斷涌現

光纜的結構總是隨著光網絡的發展、使用環境的要求而發展的。新一代的全光網絡要求光纜提供更寬的帶寬、容納更多的波長、傳送更高的速率、便于安裝維護、使用壽命更長等。近年來，光纜結構的發展可歸納為以下一些特點。

1）光纜結構根據使用的網絡環境有了明確的光纖類型的選擇，如干線網光纖、城域網光纖、接入網光纖、局域網光纖等，這決定了大范圍內光纜光纖傳輸特性的要求，具體運用的條件還有可依據的細分的標準及指標；

2）光纜結構除考慮光纜使用環境條件以外，越來越多的與其施工方法、維護方法有關，必須統一考慮，配套設計；

3）光纜新材料的出現，促進了光纜結構的改進，如干式阻水料、納米材料、阻燃材料等的采用，使光纜性能有明顯改進。

不同的場合和不同的要求造成了光纜的多結構的發展趨勢，新的光纜結構以及在現有結構上不斷改進的各種結構也在不斷涌現，出現了如下一些類型。

·“干纜芯”式光纜：所謂“干纜芯”即區別于常用的填充管型的光纜纜芯。這種纜的阻水功能主要靠阻水帶、阻水紗和涂層組合來完成，其防水性能、滲水性能都與傳統的光纜相同，但它具有生產、運輸、施工和維護上的一些優點。首先是方便，因為阻水材料不含粘性脂類，操作使用比較方便安全；其次，干式光纜重量輕、易接續、易搬運，設備投資小、成本低，生產使用中也顯得干凈衛生，在長期使用中還可減少纜芯中各種元件之間的相對移動。特別是在接入網室內纜和用戶纜中，好處更加明顯。

·生態光纜：一些公司從環境保護及阻燃性能的要求出發，開發了生態光纜，應用于室內、樓房及家庭。現有光纜中使用的一些材料已不符合環保的要求，如PVC燃燒時會放出有毒性氣體，光纜穩定劑中有時含鉛，都是對人體及環境有害的。2001年ITU-T已通過了一項L45建議——“使電信網外部設備對環境的影響最小化”建議，通過對光纜、電纜光器件及電桿等基于壽命周期怦估（LifeCycleAnalysis，LCA）的方法來確定產品對環境的影響。由于環境因素正日益受到重視，對通信外部設備，特別是光纜產品規定這樣的指標已提到日程上來，如果不在材料和工藝上下功夫就難以達到環保的要求。因此已有不少公司針對此類問題開發了一些新材料，如對室內用纜，開發了含有阻燃添加劑的聚酞胺化合物，以及無鹵性阻燃塑料等。

·海底光纜：海底光纜近年來有根快的發展，它要求長距離、低衰減的傳輸，而且要適應海底的環境，對抗水壓、抗氣損、抗拉伸、抗沖擊的要求都特別嚴格。

·淺水光纜（MarinizedTerrestrailCable，MTC）：淺水光纜是區別于海底光纜而提出來的另一類結構的水下光纜，適合于在海岸邊上、淺水中安裝，無需中繼、通信距離比較短的水下（如島嶼間、沿海岸邊上的城市）敷設使用。這種光纜區別于海底光纜的環境，需要的光纖數不多（中等），但要求結構簡單、成本較低，易于安裝和運輸，便于修復和維護。ITU-T在2001年提出了ITU-TG.972定義下的淺水光纜建議，為建設類似的水下光纜提供了一組規范，隨后也有可能形成相應的國際標準。

·微型光纜：為了配合氣壓安裝（或水壓安裝）施工系統的運用，各種微型的光纜結構已在設計和使用中。對于氣壓安裝的微型光纜，要求光纜與管道之間有一定的系數，光纜重量要準確，具有一定的硬度等。這種微型光纜和自動安裝的方式是未來接入網，特別是用戶駐地網絡中綜合布線系統很有潛力的一種方式，如在智能建筑中運用的智能管道中就非常適合這種安裝。

·采用了納米材料的光纜：近來，一些廠商已開發出納米光纖涂料、納米光纖油膏、納米護套用聚乙烯（PE）及光纖護套管用納米PBT等材料。采用納米材料的光纜，利用了納米材料所具有的許多優異性能，對光纜的抗機械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善，并可延長光纜的使用壽命。目前此類材料尚處于試用階段。

·全介質自承式光纜（ADSS）：全介質光纜對防止電磁影響及防雷電都有優良的特性，而且重量輕、外徑小，架空使用非常方便，在電力通信網中已得到大量的應用。預計2000～2005年，每年電力部門對ADSS光纜需求約15000km。ADSS同時也是電信部門在對抗電磁干擾及雷暴日高的敷設環境中一種很好的光纜類型的選擇。在今后一段時間內，如何在滿足要求的前提下，盡量減小ADSS光纜的外徑，減輕光纜的重量，提高其耐電壓性能是ADSS光纜研究改進的課題。

·架空地線光纜（OPGW）：OPGW已出現了很長一段時間，近年來一直在改進和提高之中。OPGW的光纖單元中采用PBT，于套管外面再加上一層不銹鋼管，有的還在塑料套管與不銹鋼管之間加上一層熱塑膠，不銹鋼管用激光焊接長度可達數十公里，光纖在這樣的多層保護管中得到了充分的機械保護。預計從現在到2005年，OPGW光纜的需求將會逐年上升，每年增加約2500km，到2005年預計可達到20000km。當然對OPGW光纖的防雷問題一直是業界十分關注的問題，也應配合具體環境和使用條件加以考慮，使之得到充分保護。

2.2光纜的自動維護、適時監測系統已逐漸完善，可保證大容量高速率的光纜不中斷傳輸

光纜的維護對于保證網絡的可靠性是十分重要。在已開通的光網絡中，光纜的維護和監測應該是在不中斷通信的前提下進行的，一般通過監測空閑光纖（暗光纖）的方式來檢測在用光纖的狀態，更有效的方式是直接監測正在通信的光纖。雖然ITU-T長時間收集和討論了國際上的最新資料，于1996年了L.25光纜網絡維護的建議書，對光纜的預防性維護和故障后維護規定了詳細的維護范圍和功能，但已經不能滿足當前的需要，目前最新的建議是2001年12月IUT-TSG16會議通過的“光纜網絡的維護監測系統”（L.40建議）。為了進一步縮短檢測及修復時間，美國朗訊公司曾提出了新一代光纖測試及監控系統，能在1s內發出故障告警，3min內找到故障點，且工作人員可以遙控操作，據稱該系統還將開發有故障預測及對斷纖（纜）的快速反應能力。日本、意大利等國電信企業也提出了一些系統方案。

·日本NTT方案：在局內運用光纖選擇器與系統的測試設備和傳輸設備相連形成了一種可對光纖狀況進行實時監測的系統，保證有用信號在通過光纖選擇器測試證明良好的光纖上傳輸，對有故障的光纖可以預選監測出來及時傳送到維護中心進行適當處理，避免不良狀況進入有用的光傳輸信道，從而起到在運行中對整個光通信系統的支撐作用；在局外通過水敏傳感器裝置可監測外部設備光纜線路接頭盒浸水的位置，水敏傳感器安裝在空閑的光纖上，水敏傳感器中裝有吸水性膨脹物，當水滲人接頭盒時，吸水性物質會膨脹使得接頭盒中的光纖受力，也就是使得這一空閑光纖彎曲，從而使光纖的損耗增加，在監測中心的OTDR上就會反映出來。

·意大利的方案：此方案是一種綜合處理的新型連續光纜監測系統。主要特點是將光纜網絡、光纖及光纜護套的監測綜合在一起，既利用了OTDR系統周期性地對光纖的衰減進行監測，發現有衰減變化即發出警報，并進行故障定位，同時也能連續監測光纜護套的完整性，包括護套對地絕緣電阻的監測，發現問題（如護套進水等）即馬上告警，達到更全面地預告故障發生的目的。

比較日本和意大利電信部門提出的光纜維護支撐系統的方案可見：日本方案在OTDR自動適時測試光纖的基礎上，加入了光纖選擇器，在外線上裝設水敏傳感器并進行護套監測，形成了一套較完整的自動維護、支撐系統，真正做到不中斷光通信的維護。意大利的方案中除監測光纖性能以外，還考慮了護套絕緣電阻的自動監測。由此兩例可以看出全自動的光纜維護應是一種發展方向。

3通信電纜的發展特點

3.1寬帶的HYA通信電纜需要更好地為數字通信新業務服務

原有的電纜網絡雖然可以支持一些數字新業務，但是在實際使用中并不是特別理想，在通信距離、速率及質量上仍有一定的限制。對于新的網絡當然是以光纖為主，對于光纖所不能達到的地方或因各種原因仍然要新建電纜網絡的地區，應該考慮新型寬帶結構的HYA電纜（銅芯聚乙烯絕緣綜合護套市內通信電纜），以便更能符合新業務發展的需要。一些公司對現有的電纜高頻特性作了測試，他們得到的結論是所研究的電纜（即現有的HYA市話電纜）不能達到5類電纜的技術要求，戶外電纜要實現j類電纜的特性，必須通過特殊的設計和制造來達到。但在20MHz以下，所有電纜都顯示出充分適宜的傳輸性能。

美國已在1997年制定了用于寬帶的對絞通信電纜標準（ANSI/ICEAS-98-688-1997及S-99-689-1997），包括非填充和填充兩種型式。傳輸頻寬已擴展到100MHz，可供數字網絡使用。IEC對此問題也進行過較長時間的討論，2001年，IEC62255-1文件“用于高比特頻率數字接入電信網絡的多對數電纜”提出了0.4～個0.8mm線徑、1～150對、最高頻率30MHz等指標的建議，此建議的提出也許會為這種電纜開辟一個新的空間，我國也開始了這方面的探討和研制，并正在建立相應的標準。

3.2超5類及6類電纜將替代5類電纜成為布線系統發展的超蟄

隨著智能化大樓、智能化建筑小區對寬帶布線的要求愈來愈高，超5類和6類電纜己逐漸成為布線系統中的主流。超5類電纜與5類電纜的頻帶都是100MHz，但其具有雙向通信的能力，用戶可以同時收發寬帶信息。因此超5類電纜比5類電纜在電阻不平衡性、絕緣電阻、對地電容不平衡性、傳輸速度等指標上都有提高，并且增加了近端串音衰減功率和等電平遠端串音功率等一些指標，因此在工藝和結構上要做一定的改進才能達到。6類電纜在超5類的基礎上，又提高了傳輸頻帶，達到250MHz，其相應的指標也有較大的提高。同時，6類電纜要求不但有嚴格的工藝，而且不少廠商在結構上也有一定的改進和創新，如采用泡沫皮絕緣芯線或皮泡皮絕緣芯線、骨架式結構隔離線對等都改善了電纜的高頻特性。

3.3物理發泡射頻同軸電纜及漏泄同軸電纜將具有較好的發展前景

由于移動通信的高速發展，無線電基路用物理發泡射頻同軸電纜，特別是超柔形結構的室內電纜、路由連結電纜都有了較大的市場需求。同時，隨著移動通信信號覆蓋面的不斷擴大，基站站數的增多，以及邊緣地區（電梯、地鐵、地下建筑、高層建筑室內等用戶）對移動信號的要求不斷提高，預計這類電纜將會有較好的發展前景。但對電纜指標的要求（如駐波比、屏蔽衰耗等要求）已明顯提高，要求電纜的工藝及結構應不斷改進，以與之適應。

4光纖光纜及通信電纜技術與產業發展中幾個值得思考的問題

4.1積極創新開發具有自主知識產權的新技術

雖然這幾年來，我國光纜電纜技術有很大發展，有一些具有自主知識產權的技術已在發揮作用，但是應該看到這種比例仍是很小的，國內有近200家光纖光纜廠，但大多產品單一，沒有自主的知識產權，技術含量較低，競爭力不強。有資料統計，1997～1999年國內企業申請光通信專利的有132件，其中光纖38件，光纜只有19件，而同期外國公司在中國申請光通信專利達550件，其中光纖光纜37件。還有資料報道：從1997年以來，國內光通信核心技術專利是90件，我國自主申請的只有9件，僅占10％。實際上我國的光纖光纜技術應該說與國際水平己差距下大，因此我們作為世界第二的光纜大國，應該把開發具有自主知識產權的技術作為我們工作的重中之重，爭取創造更多的光纖光纜專利。

4.2開發具有先進技術水平、與使用環境、施工技術相配套的新產品

電信網絡在不斷發展的同時也對光纜電纜產品不斷提出新的要求。不難發現，光纜的結構越來越依賴于使用的環境條件及施工的具體要求，在海底光纜、淺水光纜、ADSS及OPGW光纜的開發中，會對這一點有深刻的體會。而今后光纜建設的重點將會隨著接入網、用戶駐地網的建設不斷展開，新一代的光纜結構和施工技術也會基于如微型光纜、吹入或漂浮安裝及迷你型微管或小管系統的全套技術而有一系列新的變化，以便有限的敷設空間得到充分、靈活的利用。這當中也包含了若干光纜設計、制造工藝、光纖光纜材料、施工安裝方面的新的技術課題。一些國家或公司已取得了一些經驗，正逐漸形成新的系統技術專利。我國的用戶眾多，接入網和用戶駐地網具有很多的特色，對接入光纜也會有更多的要求，為我們研究和創新接入網和用戶駐地網光纜結構提供了很好的機會。應該說，多數光纜技術我們是跟在國外最新技術的后面，雖然緊跟了先進技術，但自我創新的成份太少。今后應當在這方面下些功夫，走自己的創新之路。在有中國特色的接入網及用戶駐地網中多采用一些有中國特色的光電纜產品。

4.3利用已有設備與技術,改善HYA市話電纜的相應特性,為數字業務提供更好的服務

對于已經敷設的銅電纜，我們只能在現有條件下盡量利用其特性開通數字新業務。而現有的HYA電纜，雖然亦可開通ADSL等一些新業務，但是容量有限，當ADSL數量增大到一定限度后還是會出現干擾問題，而且還會影響以前開通的業務。因此，對新敷設的銅電纜，希望能提出一些新的寬帶指標要求，為將來開通更多更好的新業務作好準備。現有的市話電纜生產廠商應深入研究自身的生產工藝，在不改變（或不大改變）生產設備的情況下，認真設計和精心制造，把現有電纜的技術水平提高一個檔次，以提供更寬頻帶的電纜，為更多更好地開拓數字新業務提供高質量的通道。

4.4改進光纜電纜的施工和維護方法

目前，為了適應城市施工的特點，國際上較重視不挖溝的方式施工光、電纜，采用小地溝或微地溝技術安裝光纜，同時對光纜網進行自動監測，保證光纜網絡不中斷通信維護。與此相適應的是需要開發相應的元器件、工具和設備，并且要在體制上作一些改進與之相適應。ITU對NH開發光纜用浸水傳感器、光纖自動測試時的光纖選擇器以及美國提出的1s告警、3min內定位的指標及意大利提出的光纖纖芯與光纜護套指標綜合監測等方案都十分重視。在現代化的光網絡中，這些方式已經起到明顯的作用。由此可見，為了保證光纜網絡工作的可靠性，在施工和維護中降低成本、節省勞力、節省時間，逐步推廣新的施工方法，逐步完善光纜網絡的自動監測維護系統和提高光纜網絡的不中斷維護水平已勢在必行。

4.5冷靜地審視當前電信市場的發展，促進光纖光纜和通信電纜產業的發展

2001年下半年以來，光纖光纜需求下降，這當然與世界電信行業的整體下滑以及寬帶網絡泡沫的破滅有很大關系，但更多的則是受到從1999年下半年起由于光纖緊缺而各大公司擴產過多的影響。據資料介紹，在2000年，全球光纖廠商的投資額達到26億美元，為1999年的6倍，按推算到2002年全球光纖的產能將達到1.65～1.75億光纖公里，遠遠超過了實際需求。加上當前電信基礎建設的不景氣，光纖過剩的現象不可避免。

光纖光纜及通信電纜的市場走勢雖然受到國際經濟大形勢發展的影響，特別是與整個電信行業的發展有密切的關系，但應看到，在擠出了網絡泡沫的水份之后，隨著光纖網絡從骨干網的擴建到接入網、城域網的擴散以及向用戶駐地網的不斷延伸，光纖光纜及寬帶數字電纜的市場必將增長。據KMI預計，2003年世界光纖市場將開始有較大的增長，而到2004年的市場規模將超過敷設量最高的2000年。

篇（5）

電氣自動化控制技術，能夠實現控制系統的自動化，提升工藝的運行水平。電氣自動化控制是一類新型的技術，核心是電子技術，可以大面積地應用到設備行業中。電氣自動化控制的技術能力高，通過不同技術的相互配合，實現電氣自動化的運行控制，而且自動化控制是電氣運行中的核心，保障生產的精確性和運行速率。電氣自動化控制能夠以少量程序控制多個變量，各個控制對象處于相互配合的狀態，提升了系統操作的水平，監督被控對象的運行過程，期間修正被控對象的運行狀態，使其具備準確、合理的運行方式。 

2 電氣自動化控制技術的發展 

2.1 智能化 

電氣自動化控制技術下的產品、系統等，能夠根據指令智能化的完成操作，簡化操作服務的流程。智能化是電氣自動化控制技術的首要發展方向，正是由于智能化的要求，促使電氣自動化控制技術與信息技術、通訊技術相互融合，注重技術中的性能開發，體現技術控制的速率。 

2.2 節約化 

節約化發展，是指電氣自動化控制技術應用中實現了節能與環保。例如：電氣自動化控制技術在照明系統中的應用，其可輔助使用新能源，同時控制照明燈具的使用，延長燈具的使用壽命，既可以保障能源利用的效率，又可以提高照明設備的質量。 

2.3 信息化 

電氣自動化控制技術的信息化發展，改進了技術運行的方式，使電氣自動化中，以信息控制為基礎，引進互聯網、物聯網等理論，支持電氣自動化的控制運行。 

2.4 統一化 

電氣自動化控制技術拉近了各個行業之間的距離，融入各項技術的同時，朝向統一化的方向發展。在電氣自動化控制技術的作用下，行業間遵循相同的設計標準，使用方法、維護策略等，都逐步統一，在降低行業建設難度的同時，體現統一化發展的優勢[1]。電氣自動化控制技術的統一化發展，消除了行業之間潛在的發展矛盾，提升行業資源的利用效率，加快了信息傳輸、使用的速率。 

3 電氣自動化控制技術的應用 

3.1 工業 

工業是應用最廣泛的行業，因為工業規模較大，對電氣自動化控制的需求大，所以我國積極推進電氣自動化控制技術在工業中的應用，致力于改善傳統工業的運營方式[2]。PLC是電氣自動化控制技術的主要元件，其為一項可編程邏輯控制器，以工業企業為例，分析PLC的應用。該工業為機械制造企業，基于PLC的電氣自動化控制技術，為機械制造系統提供了相關的控制，PLC根據機械制造的需求，編寫了操作指令和邏輯運算程序，簡化了機械制造生產系統的操作，而且PLC的準確度高，規避了該企業生產的誤差，實現了機械制造的自動化、信息化生產，PLC寫入編程后，控制了機械制造的過程，同時控制機械制造的參數，包括尺寸、溫度信息等，按照該企業機械制造的指令，構成閉環生產方式，優化機械制造的工藝流程，而且該企業在PLC中設計了PID模塊，通過PID子程序，準確控制PLC的內部編程，預防機械制造中出現問題。 

3.2 交通業 

電氣自動化控制技術在交通業中的應用，不僅體現在車輛運輸上，還表現在紅綠燈、監控系統等方面。車輛上的元件、器件等，基本都是電氣自動化控制技術的體現，提供專業的自動化控制，保障車輛通行的安全[3]。例如：電氣自動化控制技術在電子眼中的應用，代替警察執法，實現自動化的違章取證，電子眼監督交通系統中的車輛運行，抓拍違法行為，提交到交通局的操作系統內，減輕了交通執法的工作負擔，電氣自動化控制技術彌補了電子眼的缺陷，促使其可更準確、更快速、更清晰地實現抓拍取證，提升電子眼對交通運輸的監控能力，有效控制電子眼的運行，以免交通執法中出現漏洞。我國各地政府在交通業建設中，積極引進電氣自動化控制技術，完善交通監控體系，目前，測速器、屏顯等多個交通項目中，均涉及到電氣自動化控制技術的使用。 

3.3 農業 

農業是我國經濟發展的基礎支持，為了推進農業的生產，引入電氣自動化控制技術，全面建設智能農業，加快農業機械化的發展速度。以某地區農業中的大棚種植為例，分析電氣自動化控制技術的應用。該地區傳統的大棚種植，是根據農民種植經驗分配工作，一旦控制不好溫度、濕度，即會影響大棚種植的經濟效益。研究人員將電氣自動化控制技術引入到大棚種植內，以育秧大棚為對象，構建智能控制系統，大棚內安裝不同屬性的無線傳感器，專門收集大棚內的環境參數，如：光照、含水量等，進行自動化的信息采集，傳感器采集的信號傳輸到控制中心，比對標準的參數指標，種植人員掌握大棚育秧的實際情況，同時根據對比結果調節大棚內的環境，遠程控制特定的設備。該大棚內部安裝了高清視頻，同樣接入到控制中心，種植人員可以隨時查看育秧的狀態，電氣自動化控制技術的應用，輔助構建管理平臺，劃分為四個功能模塊，分布是傳感采集、視頻監控、智能分析和遠程控制，整體控制育秧大棚的生長環境，為幼苗的培育提供優質的環境。 

3.4 服務業 

人們對服務業的需求非常大，目的是方便人們的日常生活，特別是在電子產品上，更是體現出服務業對電氣自動化控制技術的需求。生活中的電子產品，大多應用了電氣自動化控制技術，如：智能手機、ipad、跑步機等，表明電氣自動化對服務業市場的推進作用[4]。近幾年，電氣自動化控制技術的應用，由服務業的電子產品，逐步轉型到企業內，例如：餐飲服務中的“機器換人”概念，餐廳內，機器人取代人工服務，提供點菜、傳菜等服務，機器人是餐飲業的發展趨勢，表明電氣自動化控制技術的重要性，此項技術在“機器換人”中，起到自動化的控制作用，是機器人開發中不可缺少的技術。 

4 結束語 

電氣自動化技術的發展和應用，表明了該項技術在行業運營中的重要性，滿足我國社會行業建設的基本需求。根據電氣自動化控制技術的應用，落實發展策略，充分發揮電氣自動化控制技術的潛力，保障其在未來的應價值。電氣自動化控制技術的發展和應用，必須符合現代企業的需求，由此才能規范控制技術的實踐應用。

 

     

參考文獻 

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中圖分類號：P512.2+1文獻標識碼：A 文章編號：

前言

風能是非常重要并儲量巨大的能源，它安全、清潔、充裕，能提供源源不絕，穩定的能源。目前，利用風力發電已成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發展速度最快。我國的風力發電技術經過幾個五年計劃的科技攻關，在風電機組整機及零部件制造技術、風電接入系統仿真技術、風電場選擇及建設技術等方面都取得了長足的進步。同時，我國已開始發展近海風能資源的近海風電機組和風電場技術。可以預測，隨著風電產業和技術的快速發展，風力發電將成為我國可再生能源中極具規模化開發條件和商業化發展前景的一種新能源，是成本最低的溫室氣體減排方案之一。

一、風力發電的優勢分析

隨著國民經濟的進一步發展，電力的需求與目前的供應有較大的缺口，再生能源中的風力發電是當前現實的選擇，其優勢主要體現在：一是風能是是可再生能源，風力發電就是用風來發電，不消耗像煤、石油或天然氣之類的資源。二是風電場的建設周期短。例如，一個十萬千瓦級的風電場建設期可以在一年內建成。當按照有關的軟件、或經驗、或調查研究選定風電場的地址后，定好設備，修好路，就可安裝風力發電設備，這種建電廠的速度是其他電廠所不能相比的。三是風電場的運行可以無人值守，維護簡單。隨著計算機技術的發展和風力發電機的不斷革新，風力發電機的自動化程度越來越高，實現了遠程控制。四是造價低。從國外建設風電場積累的數據看，建造風力發電場的費用比建造水力發電廠、火力發電廠或核電站的建造費用低。五是占用土地少。風電場可以建在荒島上，沙漠中，甚至建在沿海的淺海中，能減少對耕地的占用。即使是建在可耕地上，只要設計合理，也不影響耕作。六是不污染環境。使用風力發電，不會產生任何的廢氣或廢物，對人類以及環境都不致造成任何的損害。一臺600kW 的風機，每年減少其它石化能源發電排放的1200 噸的二氧化碳。目前，利用風力發電已成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視。隨著國家發展規劃與相關激勵政策的不斷出臺，我國風電產業必將進入一個嶄新的大規模高速發展階段。

二、我國風力發電技術發展問題分析與思考

風力發電技術是一種極具利用潛能的可再生能源發電技術，是目前成本最接近常規電力、發展前景最大的可再生能源發電。近年來，我國風力發電市場快速發展，迫切需求風力發電技術的同步發展。隨著風力發電技術的日趨成熟，風力發電優勢也更加凸顯。近年來隨著可持續發展的需要、技術的進步、環境保護意識的增強以及有關政策的制定，風力發電技術有了長足的進步。當前，特大型風機設計仍以丹麥型為主導，制造材料也更加多樣化，工藝水平也不斷提高，設計思想也不斷推陳出新，預計在以下幾個方面會有大的突破。

1、風輪葉片設計與制造技術。風輪葉片是風力機的主要動力部件，葉片設計與制造技術涉及葉片材料、葉片結構與氣動性能。傳統的葉片大多采用玻璃鋼制造，主要考慮玻璃鋼的重量輕、比強度和比剛度高、耐腐蝕、易成型、抗疲勞性能好等優點。現在大型風力機的發展趨勢是采用高強度輕質大容量葉片，主流機組已普遍采用玻璃纖維增強復合材料，優點是可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度，翼型容易成型，可達到最大氣動效率。對更大的5～10MW 風力機來說，由于強度與剛度要求更高、自重更大，葉片設計適宜采用價格昂貴的碳纖維材料。上述材料均為熱固性樹脂，目前推出的熱塑性樹脂即所謂“綠色葉片”，具有可回收利用等一系列優點，解決了環保問題，符合現代工業綠色設計要求。據報道，美國研發一種新型風力渦輪機，利用一個遮蔽物包圍其風力機葉片，引導空氣通過葉片并給空氣加速，產生的能量與2 倍直徑的傳統風力機能量相當，可將風能變成電能的成本節省一半。風輪葉片翼型性能影響著風力機風能轉換的效率，傳統的低速風輪葉片采用薄而略凹的翼型，現代高速風輪都采用流線型葉片。國際上還推出“未來葉片的概念”，要求更可靠、更耐久地捕獲更多的風能，采用了智能材料和結構實現葉片智能化。比如在葉片上埋入光導纖維系統，采用結構健康監控技術診斷結構完整性和雷擊情況等，以此提高可靠性并降低風電成本。再比如將復合材料氣動彈性剪裁技術應用于葉片設計上，利用復合材料的非對稱、非均衡鋪層產生的偶合效應，實現對葉片有利的變形，增加氣動效率。

2、傳動機構設計與制造技術。風力機傳動機構包括齒輪機構、軸承、系統、狀態監測系統等。統計數據表明，風電機組齒輪箱故障約50%與軸承選型、制造、和工作狀態有關。目前，國內兆瓦級以上機組的核心部件如電機、齒輪箱、葉片、電控設備和偏航系統等仍然依靠進口，對基礎配件齒輪箱軸承、偏航軸承、變槳軸承及主軸軸承等研究不夠。齒輪箱作為風電機組的重要組成部分，其振動形態直接影響風力機的運行性能，狀態檢測極為重要，目前國內還處于探索階段。

3、磁懸浮技術。目前，國內外有多個關于磁懸浮技術應用于風力機的專利技術報道，特點是降低軸承摩擦阻力，提高了風電效率與使用壽命。磁懸浮風電機組可在微風下運行，工作風速為1.5～36.9m/s，即 1～12 級風，風輪轉動抗湍流能力強。總之，對于風力發電，磁懸浮技術展示了一個全新的發展方向。

4、海上風電場技術。由于海上風電場技術逐漸成熟，全球海上風電裝機容量已經超過1GM，促進了單機容量的特大型兆瓦級風力機的研發。而且海上風速大且穩定，年平均利用小時可達3000h 以上，年發電量可比陸上高出50%。21 世紀是世界風電產業由陸地轉向海洋的世紀。中國東部沿海水深 2～15m 的海域面積遼闊，可利用的風能資源約是陸上的3 倍，而且距離電力負荷中心也很近。可見，隨著海上風電場技術的發展成熟，必然成為未來的可持續能源。

三、結語

隨著科技的進步，人類對風能的認識不斷深化，風力發電具有極大的潛力，可部分滿足劇增的全球能源需求。并且風電是目前成本最接近常規電力、發展前景最大的可再生能源發電品種，正逐漸受到世界各國的重視。總而言之，風力發電在我國有著廣闊的發展前景，風能的利用必將為我國的環保事業、能源結構的調整及對減少進口能源的依賴等方面做出巨大貢獻。

［參考文獻］

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篇（8）

風力發電

目前，我國已超過美國，成為全球風電裝機容量最大的國家，同時也成為風能設備最大的生產國。隨著國內風電產業鏈日臻完善、研究規模不斷擴大，成本下降非常顯著，競爭力也逐漸增強，但是在產業鏈最上游的新型材料及半導體器件（控制芯片、電力電子器件等）研究方面仍較落后，主要研究工作集中在中下游的風電整機制造、關鍵零部件配套（發電機、電控、傳動系統等）以及并網技術領域。

沈陽工業大學在風電整機制造方面具有很強的實力，是我國最早從事風力發電技術研究的少數高校之一，設置有風能技術研究所，師資力量完善，先后承擔過多項大型橫、縱向課題，成果顯著。其設計的具有自主知識產權的1.5MW風電機組實現了產業化，占據一定的市場地位，產學研結合能力很強。

華北電力大學作為教育部直屬高校中唯一的以電力為學科特色的大學，成立了國內首家“可再生能源學院”，下設風能與動力工程專業，未來還將籌備生物質發電和太陽能利用專業。研究內容以大容量風力發電接入，對電力系統安全、穩定運行的影響為主，主要研究包括：風電場建模與仿真、風能資源測量與評估、風力發電機組狀態監測與故障診斷、風力發電機組只能控制與優化運行、低速風能利用策略與先進風力發電理論，充分發揮了其在電力系統方面的優勢。

重慶大學機械傳動國家重點實驗室，借助其在機械傳動領域的優勢，在風電機組齒輪箱設計、動態特性研究、工作模態測量及制造工藝方面有深入的研究，并且產學研結合。

汕頭大學新能源研究所在大型風電機組空氣動力學、結構強度及結構動力學研究方面頗有作為，自行開發了大型風力機優化設計系列軟件。

浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室對風力發電系統中的液壓技術有深入研究，包括風機制動系統、定槳距控制和變槳距控制等。

同濟大學機械工程學院在風電機組葉片動力學分析、結構優化設計、剛柔耦合系統模型分析方面經驗豐富。

東南大學在風力發電機研究、設計方面走在前列。近期又集合學校優勢學科，建立了風力發電研究中心，致力于以風力發電為核心的可再生能源發電及應用技術的基礎研究。

電控方面，清華大學、北京交通大學、中科院電工所都有很強的實力。清華大學電機工程與應用電子技術系原名電機工程系，歷史悠悠，師資力量雄厚，在風電接入對電力系統影響、風電機組建模仿真、風電變流器設計及控制等方面有深入研究。北京交通大學電氣工程學院早期隸屬于鐵道部，主要服務于我國軌道交通電傳動裝備產業，在大功率電力電子技術領域積累了豐富經驗，研究實力在國內高校處于領先地位。新能源研究所成立后從事大功率風電機組（直驅或雙饋）并網變流器、中大功率光伏發電逆變器、風電機組仿真及主控系統、微網技術研究，產學研結合能力很強。中科院電工所新能源發電技術研究組是國內最早研究風力發電、太陽光伏發電的單位之一，其大型并網風電機組控制及變流技術、變槳距控制技術以及風電場集中和遠程監控技術等較成熟，還有一些特色研究工作包括：風/光互補、風/柴系統及其控制逆變技術、控制逆變技術等。

光伏發電

光伏發電具有系統簡單以及維護方便等特點，應用面較廣，現在全球裝機總容量已經開始追趕傳統風力發電。太陽能發電主要分為并網電源系統和離網電源系統，目前大規模使用的主要是并網系統，一般包括光伏電池組件、光伏逆變器、配電柜、監控系統等。其中光伏電池組件將太陽能轉化成電能，光伏逆變器與風能變流器類似，可以將光伏電池組件產生的不穩定電能變成穩定的電能并入電網。

我國光伏業正處在爆發式增長期，中國大陸和臺灣的光伏電池廠商占全球總電池產量59%的份額。與風電產業鏈類似，除了最上游的化合物、硅片提純、加工外，我國已形成了較完整的光伏產業鏈，包括晶體硅、薄膜電池片及組件加工、光伏逆變器、系統集成、能源投資商等。

國內高校對于光伏系統研究主要集中于工程應用方面，合肥工業大學教育部光伏系統工程研究中心是我國迄今為止唯一的專門從事光伏系統技術研究的國家重要的科學研究基地，掛靠合肥工業大學電氣與自動化工程學院，主要從事光伏組件建模及仿真、光伏逆變器設計及控制、工程化應用等研究工作，產學研結合較好，承擔多個大型光伏電站設計工作。

海外院校

由于新能源行業涉及領域多、范圍廣，以及我國新能源行業開始起步，人才的缺乏已經成為極為突出的問題，國家、社會、高校、企業都在積極努力培養這方面的人才，學生的擇校就業也因此變得十分靈活。同時，也因為剛剛起步，目前面臨的多是工程應用技術類問題，因此我們的相關研究工作主要分布在中下游，從前面的介紹也可以看出，在新能源上游高端領域，由于技術壁壘很高，國內的研究工作相對較少，但是可以選擇留學歐美高校，得到更進一步的提高。

澳大利亞新南威爾士大學光伏研究中心，由有著“太陽能之父”之稱的馬丁·格林教授領導，專注光伏電池的研究，自上世紀80年代起，30年間畢業于新南威爾士大學光伏中心的中國留學生已經撐起了中國光伏產業的半壁江山。如今，在屈指可數的幾大領頭光伏企業中——尚德、中電光伏、英利、賽維LDK都有新南威爾士大學畢業生的身影，其科研實力可見一斑。

在歐洲，各國都十分重視新能源的開發利用。作為生態村理念的首創國，丹麥是能源問題解決得最好的國家之一。早在2006年，我國就與丹麥簽署了“可再生能源”合作項目，國內許多高校分別與丹麥高校開展聯系。丹麥奧爾堡大學能源技術學院在風力發電、分布式發電、電力系統、電力電子及控制技術等領域有深入研究經驗，并且與許多國家和組織開展合作，產學研實力很強。特別是在風力發電領域優勢突出，核心研究領域包括：風力發電機組及風電場的控制與監測、仿真、設計、優化。

隨著新能源技術發展以及各項政策效應的逐步顯現，開發利用新能源的成本將明顯下降，為人類清潔能源利用和產業結構升級帶來歷史性機遇，新能源終將成為今后世界上的主要能源之一。

Tips：新能源材料與器件專業優勢院校

文/南京航空航天大學 郭棟梁

該專業重點是研究與開發新一代高性能綠色能源材料、技術和器件（如通訊、汽車、醫療領域的動力電源），發展“新能源材料”(新型鋰離子電池材料、新型燃料電池材料和新型太陽能電池材料)的學術研究方向。

新能源材料與器件專業設置，主要依托化學化工學院，跨能源科學、材料科學、化學等多個學科，擬培養能掌握新能源材料專業基本理論、基本知識和工程技術技能，掌握新能源材料組成、結構、性能的測試技術與分析方法，了解新能源材料科學的發展方向，具備開發新能源材料、研究新工藝、提高和改善材料性能的基本能力的新能源材料專門人才。畢業生可在化學能源、太陽能及儲能材料等新能源材料領域從事科學研究與教學、技術開發、工藝設計等方面工作，也可繼續攻讀新能源材料及相關學科高層次專業學位。

新能源技術是21世紀世界經濟發展中最具有決定性影響的五個技術領域之一，新能源材料與器件是實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術的關鍵。新能源材料與器件本科專業是適應我國新能源、新材料、新能源汽車、節能環保、高端裝備制造等國家戰略性新興產業發展需要而設立的，是由材料、物理、化學、電子、機械等多學科交叉，以能量轉換與存儲材料及其器件設計、制備工程技術為培養特色的戰略性新興專業。

高校特色：

華東理工大學

以半導體材料技術、化學電源技術、太陽電池技術等為特色。未來就業集中在光伏太陽能、新能源開發和利用以及半導體材料器件的設計、化學電池開發等。

東南大學

依托電子科學與技術大類專業背景，專業內容側重光電子材料及其應用方面，主要針對太陽能材料制備、檢測和應用，可以拓展到生物能等其他新能源。

四川大學

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由于傳統的化石能源存儲量有限，而且已造成嚴重的環境污染和生態失衡，因此當今世界面臨這嚴峻的能源威脅：首先是以很難以能接受的價格獲來得充足的能源供應；其次是過度消耗不可再生能源而對環境產生了不可恢復的破壞。所以，保護環境和利用可再生能源以實現能源安全已成為了新時期能源經濟必須面對的現實課題。

風力發電形勢和現狀綜述

目前在開發新能源領域，風力發電技術的比較成熟，許多國家把利用風力發電作為減少環境污染、改善能源結構和保護生態環境的有效措施，并將風電建設納入國家發展規劃。雖然全球風力發電發展的歷史不是很長，但在過去二十多年的時間內，人類已在風機設計制造、環保法律政策、風電裝機容量等方面取得了巨大的進步，風力發電在許多國家都得到了迅猛的發展，技術的進步減少了常規發電和風力發電之間的價格競爭的差距。我國政府也非常重視包括風能在內的可再生資源的研究開發利用。在我國，大規模發展風電產業是有資源基礎的，我國的各種風力資源十分豐富。目前，我國對風力發電技術的研究研究已逐漸走向成熟，這其中包括測風設備、風力氣象學的研究和風場建設規范、軟件的研究、風電機組的技術開發和風電并網技術的研究等。總的來說，我國的風力發電技術的開發利用始于20世紀的70年代末，而風力發電技術得到大規模的應用則是在20世紀80年代初，從90年代初期開始了風力發電技術的商業化進程。近二十年來，在我國政府的全力支持下，并網的風力發電工程建設得到了迅速發展，總裝機容量從1999年的3.8萬KW增長到2010年的1500萬KW，根據來自中國風能協會統計數據，從2004年未到2009年未，中國風力發電能力的增長達到了250％，其中，2008年一年的新增裝機占據了全球新增裝機總量的23％，增長了630萬KW，成為僅次于美國（836萬KW）的世界排名第二。2009年我國首次超過印度成為了第四個裝機總量超過1000萬KW的風電利用大國。這是因為風力發電成本最接近于火電發電的成本，并且風電產業具有規模化和產業鏈優勢，而且我國巨大的風能儲量使得風電產業具有了可持續的產業化發展前景。

風力發電工程的成本構成分析

通過分析可知，風力發電產業具有以下特點：首先，建設風力發電項目的投資屬于一次性投資，而投入資本回收周期又比較長。其次，風力發電機的發電輸出功率要受到當地風力發電場的風速分布影響，風能資源也成為影響風電成本的主要岡素之一。在技術上可知，風機能夠有效利用的風速范圍是 3-20米/秒，根據相關測算，發電總量每減少5％，用電價格則增加4．6％以上，因此只有風力發電機組年利用小時數超過2000小時的風電場才具有真正的開發價值，平均年利用小時數超過2500小時的風力發電場才具有良好的開發價值，平均年利用小時數在3000小時以上的風力發電站才可以稱之為優秀風力發電場。但是，目前我國還未建立起一套完整的風能資源分布圖，風電工程建設的選址、測風、征地等前期工作還需要投資商自己操作，這大大增加了風電項目的開發成本。道路成本，風力發電場往往都在交通不便、人煙稀少的偏遠地方，首先投資方必須升級現有道路必要時候還要新修道路才能達到風電部件的運輸、安裝要求。電網成本，可建設風力發電場、風力資源豐富的地方往往處于比較偏遠的地區，因此當地電網建設可能很不完善，風電場配備的輸電線路需由投資商出資自己投建，這也增加了風電建設成本。經濟成本，目前，國內火電發電成本大約是5500元/KW，而風力發電成本則高達8000-10000元/KW，相比于火電成本要高出45％-82％，這也是成為了阻礙我國風力發電技術快速產業化、商業化的重要岡素。融資成本，風力發電項目所需資金的70％需通過各種信貸手段來解決，貸款條件、還款期、利率、手續費等對風力發電項目建設成本影響也比較大。風機設備價格，據統計，風機設備價格約占風電項目總投入成本的70％以上。根據相關研究，同等質量的條件下，國產風力發電設備價格比進口風力發電設備低20％-30％，因此完全使用國產風機則可使風電建設成本下降15％以上。風力發電上網電價，目前，風力發電上網價格仍是制約風力發電產業快速發展、投資商發揮作用的重要薄弱環節。一個企業投資風力發電項目是否能夠盈利，這主要取決于并網之后的電價，我國政府為促進風力發電產業持續、健康發展，規范風力發電價格的管理，在2009年7月，國家發改委公布了規范風電價格的相關規章制度，規定風力發電與標桿上網電價同定，這項規定為投資商提供了一個明確的投資預期，同時也有利于引導投資，限制劣質資源的開發，鼓勵優質資源的開發，有利于降低成本，控制造價，保證風力發電項目開發的有序進行。風力發電項目造價越低、價格管理就越好，投資方的收益就越高，因此，激勵風電企業不斷降低運營成本以及投資成本，具有重要的經濟效益和社會效益。

風力發電項目建設的造價控制

根據以上對影響我國風力發電成本的因素分析可知：影響風電項目建設成本的主要因素是電網成本、風機設備價格、道路成本、經濟成本、融資成本等因素，而影響風電設備發電量的主要因素是風電上網價格、風能資源質量、風電場運行成本、維護成本等。因此，降低風電成本、控制風力發電項目建設造價可通過提高發電量、節約風力發電建設投資、節省建場投資等途徑，具體可采取以下措施：（1）提高風電場的發電率，選用可靠性高、性能優良的風力發電機組，提高電力輸出率，增加風電場和電網并網的可靠性，提高風電場運營、維修隊伍的水平，保證風電機組的工作率，以提高風電場的發電效率。（2）由于風電機組設備費用、風電設備的施工安裝費用、風電場并網設備費用以及風電場道路交通建設費用構成了風電場項目的主要建設成本，其中購買安裝風電機組設備的費用約占總成本的70％，投資商可通過設備國產化進一步降低風電場項目的建設成本。(3)充分利用風能資源，根據風電場的風資源分布，合理地安排風力發電機布局，以便充分利用風能資源。相關研究表明，同樣環境條件下， 6.5m/s的風電場的發電成本比7m/s的風電場的發電成本增加約14％，8m/s的風電場的發電成本要比7m/s的風電場要低近30％，另外發電風機應選用成熟維修體系和優秀質保的風力發電機，以便將來出現故障時，能減少維修風機的等待時間。

我國風電工程建設成本仍比較高，風力發電的商業化運行尚處于初始階段，有關風力發電造價分析控制方面的研究還很成熟，仍然沒有一套有效地對風電項目進行成本管理、造價控制的辦法。建立一個科學、高效的造價分析控制研究體系，對風電項目的成本管理提供系統的、現代化的、全面的指導，從而使我國的風力發電行業得到快速健康的發展。

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陳鐘,康寧.風力發電項目風險因素識別與分析[M].黑龍江電力出版社，2006

篇（10）

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A

0引言

由于風能具有蘊藏量巨大、分布廣泛、清潔無污染和可再生，成本低、占地面積小、建設周期短等優點，使得風力發電從諸多新能源發電技術中脫穎而出。風力發電機組是高度時變的、非線性的復雜系統，其電氣控制系統的有效性和可靠性是風電機組安全運行的關鍵。并網技術是風力發電技術中很重要的一部分，它關系到電網接入的電能質量及風機運行穩定性。因此研究風電并網技術有著極其重要的經濟意義和重大民生意義。

本文以結構簡單、性價比高、成本低且廣泛使用的定槳距失速型風力發電機組中異步發電機為研究對象，對其并網相關技術進行研究。

1異步風力發電機并網方式

異步風力發電機投入運行時，靠滑差來調整負荷，機組的調速精度要求不高，不需要同步設備和整步操作，只要轉速接近同步速時就可并網，控制簡單，且并網后不會產生振蕩和失步，運行穩定，要求不高。但異步發電機直接并入電網時，其沖擊電流會達到其額定電流的6～7倍，甚至10倍以上，該沖擊電流會對電網、風機以及發電機本身造成嚴重的沖擊，甚至會影響其他聯網機組的正常運行。因此，應對發電機并網時的電流加以限制。

目前，異步風力發電機并網的主要方法有直接并網法、準同期并網法、降壓并網法和軟并網法。

直接并網法是在發電機轉速接近同步轉速時直接并網，這樣并網對電網沖擊大，有較大的瞬間沖擊電流，電網電壓下降嚴重。適用于電網容量大、風電機組容量較小的場合。

準同期并網法是在發電機轉速接近同步轉速時，先用電容產生勵磁，使其建立額定電壓，然后調節發電機的相位與電網同步后并入電網運行。其優點是并網沖擊電流較小，電網電壓下降幅度小；缺點是并網所需的整步同期設備增加了機組的造價，且從整步到準同步并網所需的時間長。適用于電網容量比風電機組大不了幾倍的場合。

降壓并網是在發電機和電網之間串電抗器，以減少合閘瞬間沖擊電流的幅值與電網電壓的下降幅度，待達到穩態時將電抗器切除。這種并網方式要增加大功率的電阻或電抗器組件，其投資隨機組容量的增大而增大，經濟性差。適用于小容量風力發電機組的并網。

軟并網法則采用雙向晶閘管的軟切入法，得到一個平穩的過渡過程而不會出現沖擊電流，可使并網電流控制在一定范圍內，大幅降低并網時的沖擊電流，增加風機的使用壽命和可靠性。目前，大型異步風力發電機都采用這種并網方法。

2失速型風力發電機的軟并網系統的工作原理

異步風力發電機組軟并網控制系統的主電路由三對反并聯或雙向晶閘管及其保護電路組成，在軟并網過渡過程中，每一時刻，有兩個晶閘管同時導通，構成一個回路。

步電機利用雙向晶閘管進行軟并網的過程如下：當異步風力發電機起動或轉速接近同步轉速時，與電網相連的每一相雙向晶閘管的控制角在180壩？爸渲鸞ネ醬蚩幻肯轡藪サ憧氐乃蚓д⒐艿牡紀角也捅櫻壩？80爸渲鸞ネ皆齟蟆4聳弊遠⑼厴形炊鰨⒌緇ü蚓д⒐芷轎鵲亟氳繽？

當異步發電機轉速小于同步轉速時，異步發電機作為電動機運行，隨著轉速的升高，其轉差率逐漸趨于零。當轉差率為零時，雙向晶閘管已全部導通，這時自動并網開關動作，常開觸點閉合，短接已全部開通的雙向晶閘管。發電機輸出功率后，雙向晶閘管的觸發脈沖自動關閉，發電機輸出電流不再經雙向晶閘管而是通過已閉合的自動開關觸點流向電網。通過控制晶閘管的導通角，來限制異步發電機并網以及大小電機切換時的瞬間沖擊電流，得到一個比較平滑的并網過程。

3仿真與實驗分析

本次對本文所提出的軟并網系統在額定功率為1.1MW風力發電機上做了軟并網實驗，實驗對象為GCN1000型定槳風力發電機。風力發電機組的切入風速為4.8 m/s，切出風速20m/s，額定風速15 m/s；風機葉片數為2，風場空氣密度 1.059Kg/m3。

發電機等效電路如圖1所示。其具體參數為：機端額定電壓VN 為0.69kV，額定容量SN 為1100MVA，額定功率PN 為1000MW，定子電阻R1為6.757 m ，定子電抗X1為80.926 m ，轉子電阻R2為51.531 m ，轉子電抗X2為147.95 m ，勵磁并聯支路電阻Rm為208.80 ，勵磁并聯支路電抗Xm為5.041 ，發電機轉子轉動慣量為45.8kgm2，發電機轉子慣性時間常數為1.2s，發電機轉子額定轉速為1560rpm。

軟并網過程是一個強非線性過渡過程，只有采用基于狀態量反饋來實施閉環控制。傳統軟閉環軟并網即限流式軟并網，主要以電機的定子電流作為晶閘管觸發角變化的根本依據，通過采樣電機定子電流，并與電流限定值進行比較，得出相應的電流偏差值，經過數字PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量。它存在潛在的缺點是：由于導通角最少需要10ms的時間才能改變一次，如果導通角已給出，則在接下來的10ms中電流是不可控的，所以當參數調校不好的時候，可能出現電流忽大忽小的狀態，引起震蕩不穩定。

本次研究改為采集發電機的轉速脈沖，通過快速檢測及運算，得出機組運行加速度，根據加速度的微分特性，達到預測控制的目的，從而實現晶閘管觸發角的精確控制。將導通角從72度階躍變化到180度并持續20ms，斷開并網接觸器，間隔1秒后合上并網接觸器，投入導通角并保持3秒后實驗結束。記錄數據如表1所示。

通過實驗數據可以看出，通過采集發電機的轉速脈沖，然后檢測、運算得出機組運行加速度來控制晶閘管觸發角的這種方法可以很好地達到控制目的，改善了電流忽大忽小，震蕩不穩定的狀態。

當發電機的轉速達到l320 r/min時由PLC（上位機）發出并網指令。整個并網過程中定子電流波形如圖2所示，從實驗波形可以看出，采用基于加速度控制的晶閘管軟并網系統基本可以抑制過大的沖擊電流，而且在整個并網過程中，沒有出現電流電流忽大忽小，震蕩不穩定的狀態。

4結語

本文對定槳失速型風力發電機組軟并網相關技術進行了研究，本次研究通過采集發電機的轉速脈沖，經過運算，得出機組運行加速度，根據加速度的微分特性，達到預測控制的目的，從而實現晶閘管觸發角的精確控制。仿真和實驗結果表明，這種方法可以實現失速型異步風力發電機組的平穩并網，其啟動電流也完全可以滿足異步風力發電機組的并網要求。

（指導老師：吳紅霞）

基金項目：此成果為省級大學生創新創業項目（項目編號：201511798001）。

參考文獻

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篇（11）

中圖分類號：TM619

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0161-03

1 引言

隨著常規能源的日趨緊張和人們環保意識的日趨增強，節能環保問題日益突出，清潔環保無污染能源的開發與利用倍受世界各國的關注和重視，新綠色能源的研究已成為當務之急。

壓電材料在外力的作用下表面產生電荷的現象，稱為正壓電效應[1]。壓電發電利用此原理將振動的機械能轉變為電能。其優點主要集中在體積小，結構簡單，便于實現及小型集成化以及無電磁干擾等方面。符合當前環保節能，可持續發展的要求，正越來越受到各國研究人員的關注[2，3]。另外，壓電發電可方便與微機電系統（MEMS）結合，為其提供能源，也成為MEMS研究領域的熱點之一。目前，歐美、日本和韓國等許多國家與地區已經對與壓電發電相關的技術展開了深入的研究，并且取得了一定的成果，而國內的壓電發電技術尚處于起步的階段。目前，壓電發電技術主要有以下幾個方面。

1.1 利用車輛或路面振動進行壓電發電

將壓電發電裝置放入如汽車等減震系統或車輛懸掛系統中，利用正壓電效應將震動能量轉變為電能，并加于存儲和利用。或者，將壓電發電裝置作為路面的組成部分或安置于路面內，利用汽車在路面上行駛時產生的振動來發電，所產生的電能經電路調整后可作為道路燈具等使用，或經儲能裝置加以存儲和利用。以色列于2009開放了世界上第一條可發電的公路[4]。

1.2 利用自然環境能量進行壓電發電

利用自然環境能源如海浪（流）能、風能等進行壓電發電。位于美國新澤西州的普林斯頓海洋動力技術公司研制了一種壓電聚合物，并將其放置在海洋中，利用海浪（流）產生的壓力和應力進行壓電發電。美國德克薩斯大學Priya S發明了一種袖珍壓電風車裝置，將風能轉換為電能，為無線網絡供電[5]。

1.3 利用人體動能進行壓電發電

1998，美國麻省理工大學發明了一種足底壓電發電鞋，它的原理是把壓電發電裝置放入鞋底內部，利用人行走時腳對鞋底的壓力，使壓電材料變形從而產生電荷。2010上海世博會，日本館展示了壓電發電地板，行人從上面踩過，該地板可進行發電。2011年，中國科學院上海硅酸鹽研究所研發了類似的國內首塊壓電發電地板，將人們日常行走運動的部分能量轉換為電能[6]。

利用人體動能進行發電的壓電地板，符合當前節能環保的要求，并具有很高的經濟效益，是目前的研究熱點。本論文主要研究一種基于人體踏走的新型壓電發電裝置，該裝置可放置在軌道交通如地鐵、輕軌和商場等具有頻繁人行流量的場合門口，將頻繁人體踏走的動能進行壓電發電，以存儲或供用電負載使用，具有發電節能的效果。

2 總體結構設計

2.1 壓電陶瓷發電特性分析

根據壓電方程，可得單壓電晶體片在d33模式下，其產生的電荷和兩端的電壓為：

為了提高壓電陶瓷的輸出電壓（或電荷），將多個壓電晶體片在物理上串聯連接，電學上串聯或并聯連接，如圖1所示。

從上述式（3）～（6）可以看出，兩種連接方式的總電能是一樣的。對于串聯連接來說，輸出的電荷量大；對于并聯連接來說，輸出的電壓大。為了提高本壓電發電的輸出電壓，本研究采用并聯連接的壓電疊堆。

2.2 總體結構設計

從上述的分析可以看出，壓電陶瓷發電的電壓或電荷與作用力F、晶體片數n成正比，因此，為了提高壓電發電性能，采用多片串聯而成的壓電疊堆。另一方面，人體行走時對壓電疊堆的作用力小且緩慢變化，若此作用力直接作用于壓電疊堆，其發電量小，達不到實用的目標。因此，需要將此作用力M行放大以實現對壓電疊堆的快速沖擊，提高發電量。基于上述考慮并結合壓電疊堆的結構特點，設計了如圖2所示的基于人體踏走的壓電發電裝置。其中，壓電疊堆1通過粘接固定在底板8上，杠桿架2通過螺釘連接固定在底板8上。

其工作原理為：踏塊5在人體踏走的作用下，向下運動并壓縮支撐彈簧7，杠桿3短臂向上運動并壓縮預緊彈簧4；當人體踏走后，在預緊彈簧4和支撐彈簧7的作用下，杠桿3短臂迅速向下運動并敲擊壓電疊堆1，壓電疊堆1在外力沖擊下產生電能。在頻繁人體踏走的作用下，上述的壓電發電單元不斷重復上述的發電過程，源源不斷地進行發電。

限于結構尺寸，不可能選用大長度的壓電疊堆和采用大放大比的杠桿，故單個壓電發電單元的發電量是有限，其應用場合有限。因此，采用多個壓電發電單元按照串聯或并聯的方式進行連接，制成類似地磚的結構型式，如圖3所示。該裝置可放置在具有頻繁人體踏走的場合門口如地鐵、輕軌和商場等，將人體踏走的部分動能進行壓電發電。與壓電鞋等相比，本裝置還具有發電集中，發電量大等特點。

3 發電儲能裝置設計

利用人體踏走的壓電發電所產生的是低交流電壓，且是隨機不規則變化的，因此該電能不能直接應用于用戶負載，需要經整流儲存后，才能適合外部電子設備等用戶負載使用。另外，由于壓電疊堆在電路上等效于電容，因此當人體踏走的作用力消失后，壓電疊堆產生的電壓隨即消失（放電），因此需要對所產生的電荷進行儲存。綜上，為了有效利用該發電量，需要設計相關電路以實現對壓電發電裝置產生的電能進行能量轉換和存儲。

3.1 電容儲存

壓電發電的電容儲存電路如圖4所示，壓電發電裝置所產生的電量經整流電路后儲存于電容。之所以采用全波整流電路，這是由于其能充分利用交變電的正、負兩個半波，能大大減小輸出電壓的脈動度，有效提高整流效率。另外利用儲能元件電容兩端的電壓不能突變的特性，儲能電容還具有濾波的作用，能濾掉整流電路輸出電壓中的脈動成分，達到穩壓目的。

3.2 電池存儲

由于普通電容容量有限，容易達到飽和電壓。又因為放電速度較快，所以普通電解電容只能作為一種短期的儲能元件提供瞬時的較大功率輸出。而電池能儲存的電荷遠大于電容，電荷保持能力也更勝一籌，所以廣泛應用在各種能量收集系統中。如圖5所示，電池儲能電路將來自壓電發電裝置的電量，經全橋整流電路和電容，儲存到一個鎳氫紐扣電池中。

4 結語

本文利用人體踏走的動能進行壓電發電，設計出了一種壓電發電裝置，并進行了相關的理論分析與設計。該裝置中運用了杠桿放大將人體緩慢踏走的作用力進行放大以實現對壓電疊堆的快速沖擊，從而提高發電量。該裝置所產生的電能經整流電路后儲存于電容或電池以供用電負載使用。該裝置可放置在軌道交通車輛和車站，如地鐵、輕軌，和商場等具有大流量的場合門口，將頻繁人體踏走的動能進行壓電發電，具有發電節能的效果，符合當前節能環保的要求。

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