发电技术研究论文大全11篇

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现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。

当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1.电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2.现代电力电子的应用领域

2.1计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日"能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓"电力公害",例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3.高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。3.3数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

参考文献：

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机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。今天机电一体化技术发展飞速，机电一体化产品更新日新月异。

一、机电一体化技术的发展历程

“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。当时及70年代，人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期将“机电一体化技术”与“机械电子学”并用，近年来“机电一体化”更流行使用。

80年代，信息技术崭露头角。微处理机的性能提高，为更高级的机电一体化产品所采用，典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后，使机械—电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。

信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库，连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样，对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外，光学也进入了机电一体化，产生了“光机电一体化”的新领域。

进入90年代，通信技术进入了机电一体化，机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟，但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展，稳步进入了21世纪。

二、典型机电一体化产品的发展趋势

（一）数控机床

目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近320万台），但数控机床只占约5％且大多数是普通数控（发达国家数控机床占10％）。近些年来数控机床为适应加工技术的发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。

1．高速化。由于高速加工技术普及，机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速有3000～4000r/min提高到8000～10000r/min；铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上；快速移动速度由过去的10～20m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，由过去一般机床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G～2G，最高可达15G；直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

2．高精度化。数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右；亚微米级机床达到0.0005mm左右；纳米级机床达到0.005～0.01um；最小分辨率为1nm（0.000001mm）的数控系统和机床已问世。

数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1u的圆度，插补前多程序预读，大大提高了插补质量，并可进行自动拐角处理等。

3．复合加工，新结构机床大量出现。如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。同时派生出各种新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联绞链机床等，采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。

4．使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑，在转深孔时大大提高效率。加工刚件切削速度能达1000m/min，加工铝件能达5000m/min。

5．数控机床的开放性和联网管理。数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。

（二）自动机与自动生产线

在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备，是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如：2000～80000瓶/h的啤酒自动生产线；18000～120000瓶/h的易拉罐灌装生产线；各种高速香烟生产线；各种印刷包装生产线；邮政信函自动分捡处理生产线；易拉罐自动生产线；FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等，这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器，变频调速器，人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自动机与生产线产品的水平，比10多年前跃升了一大步，其技术水平已达到或超过发达国家上一世纪80年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多，对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。

三、机电一体化技术的发展趋势

以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。专家预测，机电一体化技术将向以下几个方向发展：

（一）光机电一体化方向

一般机电一体化系统是由传感系统、能源（下转第80页）（上接第81页）（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。

（二）柔性化方向

未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在这系统中，各子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具有“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

（三）智能化方向

今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。

四、仿生物系统化方向

今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上处于“静态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统（大脑）停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统（大脑）工作时，生物就很有活力。就目前情况看，机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势，但还有一段很漫长的道路要走。

五、微型化方向

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当这一成果用于实际产品时，就没有必要再区分机械部分和控制器部分了。那时，机械和电子完全可以“融合”机体，执行结构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型化是机电一体化的重要发展方向。

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电子中的概念是反映电子现象和过程的本质属性的思维方式，是电子技术事实的抽象。它不仅是电子技术基础理论知识的一个重要组成部分，也是构成电子技术规律和公式的理论基础。论文百事通学生学习电子技术的过程，其实是在不断地建立电子技术概念的过程。因此概念教学是学生学好电子技术的基础，更是学好电子技术的关键。在实际教学中如何才能让学生有效地掌握、理解并运用好高中电子技术概念呢，从实际教学的经验中体会到，采用灵活多变的教学方式，激发学生的学习兴趣，变抽象为形象，可以提高概念教学的效果。

一、联系、联想记忆法

电子技术中有很多抽象的概念，例如：电场、电力线，磁场、磁力线。电场、磁场看不到但却实存在(可以利用实验证明)，而电力线和磁力线不存在为了分析问题方便而画出来的(可以看到)。利用电力线或磁力线的方向表示电场或磁场的方向，利用电力线或磁力线的疏密来表示电场或磁场的强弱。

半导体中载流子的运动也是如此：一般我们看不到，为了分析方便往往把空穴和自由电子画出来。空穴带正电荷，自由电子带负电荷，主要靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体或P型半导体；主要靠自由电子导电的半导体称为电子型半导体或称为N型半导体。空穴通常用圆圈O表示，P去掉尾巴就是O；电子带负电N就可以想成三个负号。通过总结空穴、电子，P型半导体、N型半导体就比较容易记了。

二、教学实验演示法

电子技术是一门以实验为基础的学科，在进行概念教学时，演示实验法是一种行之有效的教学方法，一个生动的演示实验，可创设一种良好的电子技术环境，给学生提供鲜明具体的感性认识，再通过引导学生对现象特征的概括形成自己的概念。

如“整流”概念的教学，用直流电源和单向半波整流电路演示，让学生体会到外加电源的正极接二极管的正极，电源的负极接二极管的负极，二极管受正电压，二极管导通，电路中通过大的电流IF；反之外加电源的正极接二极管的负极，电源负极接二极管的正极，电路中几乎无电流通过。从而揭示了二极管的单向导电性。

三、电教图像剖析法

有些高中电子技术概念，无法实验演示也无法从生活中体验。如PN结的形成，空穴和电子的扩散运动、漂移运动等。可以用图像、电教手段(如FLASH动画)展示给学生观看。电子技术图像通过培养学生的直觉，从而培养学生的高层次的形象思维能力，建立起电子技术概念的情景；电教手段能以生动、形象、鲜明的动画效果，模拟再现一些电子技术过程，学生通过观看、思考，就会自觉地在头脑中形成建立电子技术概念的情景。这种方法符合“从生动的直观，到抽象的思维”的基本认识规律，是现代教学中提高概念教学效果的一种重要手段。

四、兴趣引导法

兴趣是最好的老师，实际生活，生产实践及现代高科技中一些有趣的电子技术现象会吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，活跃学生的思维，提高学生的理解能力，有利于知识的掌握。

如对放大概念的认识，以门铃的工作过程为例。可以先不加放大三极管时接好电源和音乐片，门铃发声，声音很小只能在耳边才能听到；接着接好电源、音乐片，门铃发声，声音比较大，整个班都可以听到。使学生亲身感受到门铃发出声响的明显变化的现象。说明和分析什么是放大的概念，通过学生对“放大”现象切身的体会来理解掌握这一概念。利用振荡电路组成的闪光灯电路即提高了学生的学习兴趣，有利于学生对电路的分析对知识的掌握。

五、循序渐进法

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下一代网络（NGN）引发了许多的观点和争论。有的专家预言，不管下一代网络如何发展，一定将要达到三个世界，即服务层面上的IP世界、传送层面上的光的世界和接入层面上的无线世界。下一代传送网要求更高的速率、更大的容量，这非光纤网莫属，但高速骨干传输的发展也对光纤提出了新的要求。

（1）扩大单一波长的传输容量

目前，单一波长的传输容量已达到40Gbit/s，并已开始进行160Gbit/s的研究。40Gbit/s以上传输对光纤的PMD将提出一定的要求，2002年的ITU-TSG15会议上，美国已提出对40Gbit/s系统引入一个新的光纤类别（G.655.C）的提议，并建议对其PMD传输中的一些问题进行深入探讨，也许不久的将来就会出现一种专门的40Gbit/s光纤类型。

（2）实现超长距离传输

无中继传输是骨干传输网的理想，目前有的公司已能够采用色散齐理技术，实现2000～5000km的无电中继传输。有的公司正进一步改善光纤指标，采用拉曼光放大技术，可以更大地延长光传输的距离。

（3）适应DWDM技术的运用

目前32×2.5Gbit/sDWDM系统已经运用，64×2.5Gbit/s及32×10Gbit/s系统已在开发并取得很好的进展。DWDM系统的大量使用，对光纤的非线性指标提出了更高的要求。ITU-T对光纤的非线性属性及测试方法的标准（G.650.2）最近也已完成，当光纤的非线性测试指标明确之后，对光纤的有效面积将会提出相应指标，特别是对G.655光纤的非线性特性会有进一步改善的要求。

1.2光纤标准的细分促进了光纤的准确应用

2000年世界电信标准大会批准将原G.652光纤重新分为G.652.A、G.652.8和G.652.C3类光纤；将G.655光纤重新分为G.655.A和G.655.B两类光纤。这种光纤标准的细分促进了光纤的准确使用，细化标准的同时也提高了一些光纤的指标要求（如有些光纤几何参数的容差变小），明确了对不同的网络层次和不同的传输系统中使用的光纤的不同指标要求（如PMD值的规定），并提出了一些新的指标概念（如“色散纵向均匀性”等），对合理使用光纤取得了很好的作用。所有这些建议的修改、子建议的出现及新子建议的起草，都意味着光纤分类及指标、测试方法有某些改进，或有重要的提升；都标志着要求光纤质量的提高或运用方向上的调整，是值得注意的光纤技术新动向。

1.3新型光纤在不断出现

为了适应市场的需要，光纤的技术指标在不断改进，各种新型光纤在不断涌现，同时各大公司正加紧开发新品种。

（1）用于长途通信的新型大容量长距离光纤

主要是一些大有效面积、低色散维护的新型G.655光纤，其PMD值极低，可以使现有传输系统的容量方便地升级至10～40Gbit/s，并便于在光纤上采用分布式拉曼效应放大，使光信号的传输距离大大延长。如康宁公司推出的PureModePM系列新型光纤利用了偏振传输和复合包层，用于10Gbit/s以上的DWDM系统中，据称很适合于拉曼放大器的开发与应用。Alcatelcable推出的TeralightUltra光纤，据介绍已有传输100km长度以上单信道40Gbit／s、总容量10.2Tbit／s的记录。还有一些公司开发负色散大有效面积的光纤，提高了非线性指标的要求，并简化了色散补偿的方案，在长距离无再生的传输中表现出很好的性能，在海底光缆的长距离通信中效果也很好。

（2）用于城域网通信的新型低水峰光纤

城域网设计中需要考虑简化设备和降低成本，还需要考虑非波分复用技术（CWDM）应用的可能性。低水峰光纤在1360～1460nm的延伸波段使带宽被大大扩展，使CWDM系统被极大地优化，增大了传输信道、增长了传输距离。一些城域网的设计可能不仅要求光纤的水峰低，还要求光纤具有负色散值，一方面可以抵消光源光器件的正色散，另一方面可以组合运用这种负色散光纤与G.652光纤或G.655标准光纤，利用它来做色散补偿，从而避免复杂的色散补偿设计，节约成本。如果将来在城域网光纤中采用拉曼放大技术，这种网络也将具有明显的优势。但是毕竟城域网的规范还不是很成熟，所以城域网光纤的规格将会随着城域网模式的变化而不断变化。

（3）用于局域网的新型多模光纤

由于局域网和用户驻地网的高速发展，大量的综合布线系统也采用了多模光纤来代替数字电缆，因此多模光纤的市场份额会逐渐加大。之所以选用多模光纤，是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤比单模光纤价格贵50％～100％，但是它所配套的光器件可选用发光二极管，价格则比激光管便宜很多，而且多模光纤有较大的芯径与数值孔径，容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纤标准，但由于局域网发展的需要，它仍然得到了广泛使用。而ITU-T推荐的G.651光纤，即50/125μm的标准型多模光纤，其芯径较小、耦合与连接相应困难一些，虽然在部分欧洲国家和日本有一些应用，但在北美及欧洲大多数国家很少采用。针对这些问题，目前有的公司已进行了改进，研制出新型的5O/125μm光纤渐变型（G1）光纤，区别于传统的50/125μm光纤纤芯的梯度折射率分布，它将带宽的正态分布进行了调整，以配合850nm和1300nm两个窗口的运用，这种改进可能会为50/125pm光纤在局域网运用找到新的市场。

（4）前途未卜的空芯光纤

据报道，美国一些公司及大学研究所正在开发一种新的空芯光纤，即光是在光纤的空气够传输。从理论上讲，这种光纤没有纤芯，减小了衰耗，增长了通信距离，防止了色散导致的干扰现象，可以支持更多的波段，并且它允许较强的光功率注入，预计其通信能力可达到目前光纤的100倍。欧洲和日本的一些业界人士也十分关注这一技术的发展，越来越多的研究证明空芯光纤似有可能。如果真能实用，就能解决现有光纤系统长距离传输的问题，并大大降低光通信的成本。但是，这种光纤使用起来还会遇到许多棘手的问题，比如光纤的稳定性、侧压性能及弯曲损耗的增大等。因此，对于这种光纤的现场使用还需做进一步的探讨。

2光缆技术的发展特点

2.1光网络的发展使得光缆的新结构不断涌现

光缆的结构总是随着光网络的发展、使用环境的要求而发展的。新一代的全光网络要求光缆提供更宽的带宽、容纳更多的波长、传送更高的速率、便于安装维护、使用寿命更长等。近年来，光缆结构的发展可归纳为以下一些特点。

1）光缆结构根据使用的网络环境有了明确的光纤类型的选择，如干线网光纤、城域网光纤、接入网光纤、局域网光纤等，这决定了大范围内光缆光纤传输特性的要求，具体运用的条件还有可依据的细分的标准及指标；

2）光缆结构除考虑光缆使用环境条件以外，越来越多的与其施工方法、维护方法有关，必须统一考虑，配套设计；

3）光缆新材料的出现，促进了光缆结构的改进，如干式阻水料、纳米材料、阻燃材料等的采用，使光缆性能有明显改进。

不同的场合和不同的要求造成了光缆的多结构的发展趋势，新的光缆结构以及在现有结构上不断改进的各种结构也在不断涌现，出现了如下一些类型。

·“干缆芯”式光缆：所谓“干缆芯”即区别于常用的填充管型的光缆缆芯。这种缆的阻水功能主要靠阻水带、阻水纱和涂层组合来完成，其防水性能、渗水性能都与传统的光缆相同，但它具有生产、运输、施工和维护上的一些优点。首先是方便，因为阻水材料不含粘性脂类，操作使用比较方便安全；其次，干式光缆重量轻、易接续、易搬运，设备投资小、成本低，生产使用中也显得干净卫生，在长期使用中还可减少缆芯中各种元件之间的相对移动。特别是在接入网室内缆和用户缆中，好处更加明显。

·生态光缆：一些公司从环境保护及阻燃性能的要求出发，开发了生态光缆，应用于室内、楼房及家庭。现有光缆中使用的一些材料已不符合环保的要求，如PVC燃烧时会放出有毒性气体，光缆稳定剂中有时含铅，都是对人体及环境有害的。2001年ITU-T已通过了一项L45建议——“使电信网外部设备对环境的影响最小化”建议，通过对光缆、电缆光器件及电杆等基于寿命周期怦估（LifeCycleAnalysis，LCA）的方法来确定产品对环境的影响。由于环境因素正日益受到重视，对通信外部设备，特别是光缆产品规定这样的指标已提到日程上来，如果不在材料和工艺上下功夫就难以达到环保的要求。因此已有不少公司针对此类问题开发了一些新材料，如对室内用缆，开发了含有阻燃添加剂的聚酞胺化合物，以及无卤性阻燃塑料等。

·海底光缆：海底光缆近年来有根快的发展，它要求长距离、低衰减的传输，而且要适应海底的环境，对抗水压、抗气损、抗拉伸、抗冲击的要求都特别严格。

·浅水光缆（MarinizedTerrestrailCable，MTC）：浅水光缆是区别于海底光缆而提出来的另一类结构的水下光缆，适合于在海岸边上、浅水中安装，无需中继、通信距离比较短的水下（如岛屿间、沿海岸边上的城市）敷设使用。这种光缆区别于海底光缆的环境，需要的光纤数不多（中等），但要求结构简单、成本较低，易于安装和运输，便于修复和维护。ITU-T在2001年提出了ITU-TG.972定义下的浅水光缆建议，为建设类似的水下光缆提供了一组规范，随后也有可能形成相应的国际标准。

·微型光缆：为了配合气压安装（或水压安装）施工系统的运用，各种微型的光缆结构已在设计和使用中。对于气压安装的微型光缆，要求光缆与管道之间有一定的系数，光缆重量要准确，具有一定的硬度等。这种微型光缆和自动安装的方式是未来接入网，特别是用户驻地网络中综合布线系统很有潜力的一种方式，如在智能建筑中运用的智能管道中就非常适合这种安装。

·采用了纳米材料的光缆：近来，一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯（PE）及光纤护套管用纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命。目前此类材料尚处于试用阶段。

·全介质自承式光缆（ADSS）：全介质光缆对防止电磁影响及防雷电都有优良的特性，而且重量轻、外径小，架空使用非常方便，在电力通信网中已得到大量的应用。预计2000～2005年，每年电力部门对ADSS光缆需求约15000km。ADSS同时也是电信部门在对抗电磁干扰及雷暴日高的敷设环境中一种很好的光缆类型的选择。在今后一段时间内，如何在满足要求的前提下，尽量减小ADSS光缆的外径，减轻光缆的重量，提高其耐电压性能是ADSS光缆研究改进的课题。

·架空地线光缆（OPGW）：OPGW已出现了很长一段时间，近年来一直在改进和提高之中。OPGW的光纤单元中采用PBT，于套管外面再加上一层不锈钢管，有的还在塑料套管与不锈钢管之间加上一层热塑胶，不锈钢管用激光焊接长度可达数十公里，光纤在这样的多层保护管中得到了充分的机械保护。预计从现在到2005年，OPGW光缆的需求将会逐年上升，每年增加约2500km，到2005年预计可达到20000km。当然对OPGW光纤的防雷问题一直是业界十分关注的问题，也应配合具体环境和使用条件加以考虑，使之得到充分保护。

2.2光缆的自动维护、适时监测系统已逐渐完善，可保证大容量高速率的光缆不中断传输

光缆的维护对于保证网络的可靠性是十分重要。在已开通的光网络中，光缆的维护和监测应该是在不中断通信的前提下进行的，一般通过监测空闲光纤（暗光纤）的方式来检测在用光纤的状态，更有效的方式是直接监测正在通信的光纤。虽然ITU-T长时间收集和讨论了国际上的最新资料，于1996年了L.25光缆网络维护的建议书，对光缆的预防性维护和故障后维护规定了详细的维护范围和功能，但已经不能满足当前的需要，目前最新的建议是2001年12月IUT-TSG16会议通过的“光缆网络的维护监测系统”（L.40建议）。为了进一步缩短检测及修复时间，美国朗讯公司曾提出了新一代光纤测试及监控系统，能在1s内发出故障告警，3min内找到故障点，且工作人员可以遥控操作，据称该系统还将开发有故障预测及对断纤（缆）的快速反应能力。日本、意大利等国电信企业也提出了一些系统方案。

·日本NTT方案：在局内运用光纤选择器与系统的测试设备和传输设备相连形成了一种可对光纤状况进行实时监测的系统，保证有用信号在通过光纤选择器测试证明良好的光纤上传输，对有故障的光纤可以预选监测出来及时传送到维护中心进行适当处理，避免不良状况进入有用的光传输信道，从而起到在运行中对整个光通信系统的支撑作用；在局外通过水敏传感器装置可监测外部设备光缆线路接头盒浸水的位置，水敏传感器安装在空闲的光纤上，水敏传感器中装有吸水性膨胀物，当水渗人接头盒时，吸水性物质会膨胀使得接头盒中的光纤受力，也就是使得这一空闲光纤弯曲，从而使光纤的损耗增加，在监测中心的OTDR上就会反映出来。

·意大利的方案：此方案是一种综合处理的新型连续光缆监测系统。主要特点是将光缆网络、光纤及光缆护套的监测综合在一起，既利用了OTDR系统周期性地对光纤的衰减进行监测，发现有衰减变化即发出警报，并进行故障定位，同时也能连续监测光缆护套的完整性，包括护套对地绝缘电阻的监测，发现问题（如护套进水等）即马上告警，达到更全面地预告故障发生的目的。

比较日本和意大利电信部门提出的光缆维护支撑系统的方案可见：日本方案在OTDR自动适时测试光纤的基础上，加入了光纤选择器，在外线上装设水敏传感器并进行护套监测，形成了一套较完整的自动维护、支撑系统，真正做到不中断光通信的维护。意大利的方案中除监测光纤性能以外，还考虑了护套绝缘电阻的自动监测。由此两例可以看出全自动的光缆维护应是一种发展方向。

3通信电缆的发展特点

3.1宽带的HYA通信电缆需要更好地为数字通信新业务服务

原有的电缆网络虽然可以支持一些数字新业务，但是在实际使用中并不是特别理想，在通信距离、速率及质量上仍有一定的限制。对于新的网络当然是以光纤为主，对于光纤所不能达到的地方或因各种原因仍然要新建电缆网络的地区，应该考虑新型宽带结构的HYA电缆（铜芯聚乙烯绝缘综合护套市内通信电缆），以便更能符合新业务发展的需要。一些公司对现有的电缆高频特性作了测试，他们得到的结论是所研究的电缆（即现有的HYA市话电缆）不能达到5类电缆的技术要求，户外电缆要实现j类电缆的特性，必须通过特殊的设计和制造来达到。但在20MHz以下，所有电缆都显示出充分适宜的传输性能。

美国已在1997年制定了用于宽带的对绞通信电缆标准（ANSI/ICEAS-98-688-1997及S-99-689-1997），包括非填充和填充两种型式。传输频宽已扩展到100MHz，可供数字网络使用。IEC对此问题也进行过较长时间的讨论，2001年，IEC62255-1文件“用于高比特频率数字接入电信网络的多对数电缆”提出了0.4～个0.8mm线径、1～150对、最高频率30MHz等指标的建议，此建议的提出也许会为这种电缆开辟一个新的空间，我国也开始了这方面的探讨和研制，并正在建立相应的标准。

3.2超5类及6类电缆将替代5类电缆成为布线系统发展的超蛰

随着智能化大楼、智能化建筑小区对宽带布线的要求愈来愈高，超5类和6类电缆己逐渐成为布线系统中的主流。超5类电缆与5类电缆的频带都是100MHz，但其具有双向通信的能力，用户可以同时收发宽带信息。因此超5类电缆比5类电缆在电阻不平衡性、绝缘电阻、对地电容不平衡性、传输速度等指标上都有提高，并且增加了近端串音衰减功率和等电平远端串音功率等一些指标，因此在工艺和结构上要做一定的改进才能达到。6类电缆在超5类的基础上，又提高了传输频带，达到250MHz，其相应的指标也有较大的提高。同时，6类电缆要求不但有严格的工艺，而且不少厂商在结构上也有一定的改进和创新，如采用泡沫皮绝缘芯线或皮泡皮绝缘芯线、骨架式结构隔离线对等都改善了电缆的高频特性。

3.3物理发泡射频同轴电缆及漏泄同轴电缆将具有较好的发展前景

由于移动通信的高速发展，无线电基路用物理发泡射频同轴电缆，特别是超柔形结构的室内电缆、路由连结电缆都有了较大的市场需求。同时，随着移动通信信号覆盖面的不断扩大，基站站数的增多，以及边缘地区（电梯、地铁、地下建筑、高层建筑室内等用户）对移动信号的要求不断提高，预计这类电缆将会有较好的发展前景。但对电缆指标的要求（如驻波比、屏蔽衰耗等要求）已明显提高，要求电缆的工艺及结构应不断改进，以与之适应。

4光纤光缆及通信电缆技术与产业发展中几个值得思考的问题

4.1积极创新开发具有自主知识产权的新技术

虽然这几年来，我国光缆电缆技术有很大发展，有一些具有自主知识产权的技术已在发挥作用，但是应该看到这种比例仍是很小的，国内有近200家光纤光缆厂，但大多产品单一，没有自主的知识产权，技术含量较低，竞争力不强。有资料统计，1997～1999年国内企业申请光通信专利的有132件，其中光纤38件，光缆只有19件，而同期外国公司在中国申请光通信专利达550件，其中光纤光缆37件。还有资料报道：从1997年以来，国内光通信核心技术专利是90件，我国自主申请的只有9件，仅占10％。实际上我国的光纤光缆技术应该说与国际水平己差距下大，因此我们作为世界第二的光缆大国，应该把开发具有自主知识产权的技术作为我们工作的重中之重，争取创造更多的光纤光缆专利。

4.2开发具有先进技术水平、与使用环境、施工技术相配套的新产品

电信网络在不断发展的同时也对光缆电缆产品不断提出新的要求。不难发现，光缆的结构越来越依赖于使用的环境条件及施工的具体要求，在海底光缆、浅水光缆、ADSS及OPGW光缆的开发中，会对这一点有深刻的体会。而今后光缆建设的重点将会随着接入网、用户驻地网的建设不断展开，新一代的光缆结构和施工技术也会基于如微型光缆、吹入或漂浮安装及迷你型微管或小管系统的全套技术而有一系列新的变化，以便有限的敷设空间得到充分、灵活的利用。这当中也包含了若干光缆设计、制造工艺、光纤光缆材料、施工安装方面的新的技术课题。一些国家或公司已取得了一些经验，正逐渐形成新的系统技术专利。我国的用户众多，接入网和用户驻地网具有很多的特色，对接入光缆也会有更多的要求，为我们研究和创新接入网和用户驻地网光缆结构提供了很好的机会。应该说，多数光缆技术我们是跟在国外最新技术的后面，虽然紧跟了先进技术，但自我创新的成份太少。今后应当在这方面下些功夫，走自己的创新之路。在有中国特色的接入网及用户驻地网中多采用一些有中国特色的光电缆产品。

4.3利用已有设备与技术,改善HYA市话电缆的相应特性,为数字业务提供更好的服务

对于已经敷设的铜电缆，我们只能在现有条件下尽量利用其特性开通数字新业务。而现有的HYA电缆，虽然亦可开通ADSL等一些新业务，但是容量有限，当ADSL数量增大到一定限度后还是会出现干扰问题，而且还会影响以前开通的业务。因此，对新敷设的铜电缆，希望能提出一些新的宽带指标要求，为将来开通更多更好的新业务作好准备。现有的市话电缆生产厂商应深入研究自身的生产工艺，在不改变（或不大改变）生产设备的情况下，认真设计和精心制造，把现有电缆的技术水平提高一个档次，以提供更宽频带的电缆，为更多更好地开拓数字新业务提供高质量的通道。

4.4改进光缆电缆的施工和维护方法

目前，为了适应城市施工的特点，国际上较重视不挖沟的方式施工光、电缆，采用小地沟或微地沟技术安装光缆，同时对光缆网进行自动监测，保证光缆网络不中断通信维护。与此相适应的是需要开发相应的元器件、工具和设备，并且要在体制上作一些改进与之相适应。ITU对NH开发光缆用浸水传感器、光纤自动测试时的光纤选择器以及美国提出的1s告警、3min内定位的指标及意大利提出的光纤纤芯与光缆护套指标综合监测等方案都十分重视。在现代化的光网络中，这些方式已经起到明显的作用。由此可见，为了保证光缆网络工作的可靠性，在施工和维护中降低成本、节省劳力、节省时间，逐步推广新的施工方法，逐步完善光缆网络的自动监测维护系统和提高光缆网络的不中断维护水平已势在必行。

4.5冷静地审视当前电信市场的发展，促进光纤光缆和通信电缆产业的发展

2001年下半年以来，光纤光缆需求下降，这当然与世界电信行业的整体下滑以及宽带网络泡沫的破灭有很大关系，但更多的则是受到从1999年下半年起由于光纤紧缺而各大公司扩产过多的影响。据资料介绍，在2000年，全球光纤厂商的投资额达到26亿美元，为1999年的6倍，按推算到2002年全球光纤的产能将达到1.65～1.75亿光纤公里，远远超过了实际需求。加上当前电信基础建设的不景气，光纤过剩的现象不可避免。

光纤光缆及通信电缆的市场走势虽然受到国际经济大形势发展的影响，特别是与整个电信行业的发展有密切的关系，但应看到，在挤出了网络泡沫的水份之后，随着光纤网络从骨干网的扩建到接入网、城域网的扩散以及向用户驻地网的不断延伸，光纤光缆及宽带数字电缆的市场必将增长。据KMI预计，2003年世界光纤市场将开始有较大的增长，而到2004年的市场规模将超过敷设量最高的2000年。

篇（5）

电气自动化控制技术，能够实现控制系统的自动化，提升工艺的运行水平。电气自动化控制是一类新型的技术，核心是电子技术，可以大面积地应用到设备行业中。电气自动化控制的技术能力高，通过不同技术的相互配合，实现电气自动化的运行控制，而且自动化控制是电气运行中的核心，保障生产的精确性和运行速率。电气自动化控制能够以少量程序控制多个变量，各个控制对象处于相互配合的状态，提升了系统操作的水平，监督被控对象的运行过程，期间修正被控对象的运行状态，使其具备准确、合理的运行方式。 

2 电气自动化控制技术的发展 

2.1 智能化 

电气自动化控制技术下的产品、系统等，能够根据指令智能化的完成操作，简化操作服务的流程。智能化是电气自动化控制技术的首要发展方向，正是由于智能化的要求，促使电气自动化控制技术与信息技术、通讯技术相互融合，注重技术中的性能开发，体现技术控制的速率。 

2.2 节约化 

节约化发展，是指电气自动化控制技术应用中实现了节能与环保。例如：电气自动化控制技术在照明系统中的应用，其可辅助使用新能源，同时控制照明灯具的使用，延长灯具的使用寿命，既可以保障能源利用的效率，又可以提高照明设备的质量。 

2.3 信息化 

电气自动化控制技术的信息化发展，改进了技术运行的方式，使电气自动化中，以信息控制为基础，引进互联网、物联网等理论，支持电气自动化的控制运行。 

2.4 统一化 

电气自动化控制技术拉近了各个行业之间的距离，融入各项技术的同时，朝向统一化的方向发展。在电气自动化控制技术的作用下，行业间遵循相同的设计标准，使用方法、维护策略等，都逐步统一，在降低行业建设难度的同时，体现统一化发展的优势[1]。电气自动化控制技术的统一化发展，消除了行业之间潜在的发展矛盾，提升行业资源的利用效率，加快了信息传输、使用的速率。 

3 电气自动化控制技术的应用 

3.1 工业 

工业是应用最广泛的行业，因为工业规模较大，对电气自动化控制的需求大，所以我国积极推进电气自动化控制技术在工业中的应用，致力于改善传统工业的运营方式[2]。PLC是电气自动化控制技术的主要元件，其为一项可编程逻辑控制器，以工业企业为例，分析PLC的应用。该工业为机械制造企业，基于PLC的电气自动化控制技术，为机械制造系统提供了相关的控制，PLC根据机械制造的需求，编写了操作指令和逻辑运算程序，简化了机械制造生产系统的操作，而且PLC的准确度高，规避了该企业生产的误差，实现了机械制造的自动化、信息化生产，PLC写入编程后，控制了机械制造的过程，同时控制机械制造的参数，包括尺寸、温度信息等，按照该企业机械制造的指令，构成闭环生产方式，优化机械制造的工艺流程，而且该企业在PLC中设计了PID模块，通过PID子程序，准确控制PLC的内部编程，预防机械制造中出现问题。 

3.2 交通业 

电气自动化控制技术在交通业中的应用，不仅体现在车辆运输上，还表现在红绿灯、监控系统等方面。车辆上的元件、器件等，基本都是电气自动化控制技术的体现，提供专业的自动化控制，保障车辆通行的安全[3]。例如：电气自动化控制技术在电子眼中的应用，代替警察执法，实现自动化的违章取证，电子眼监督交通系统中的车辆运行，抓拍违法行为，提交到交通局的操作系统内，减轻了交通执法的工作负担，电气自动化控制技术弥补了电子眼的缺陷，促使其可更准确、更快速、更清晰地实现抓拍取证，提升电子眼对交通运输的监控能力，有效控制电子眼的运行，以免交通执法中出现漏洞。我国各地政府在交通业建设中，积极引进电气自动化控制技术，完善交通监控体系，目前，测速器、屏显等多个交通项目中，均涉及到电气自动化控制技术的使用。 

3.3 农业 

农业是我国经济发展的基础支持，为了推进农业的生产，引入电气自动化控制技术，全面建设智能农业，加快农业机械化的发展速度。以某地区农业中的大棚种植为例，分析电气自动化控制技术的应用。该地区传统的大棚种植，是根据农民种植经验分配工作，一旦控制不好温度、湿度，即会影响大棚种植的经济效益。研究人员将电气自动化控制技术引入到大棚种植内，以育秧大棚为对象，构建智能控制系统，大棚内安装不同属性的无线传感器，专门收集大棚内的环境参数，如：光照、含水量等，进行自动化的信息采集，传感器采集的信号传输到控制中心，比对标准的参数指标，种植人员掌握大棚育秧的实际情况，同时根据对比结果调节大棚内的环境，远程控制特定的设备。该大棚内部安装了高清视频，同样接入到控制中心，种植人员可以随时查看育秧的状态，电气自动化控制技术的应用，辅助构建管理平台，划分为四个功能模块，分布是传感采集、视频监控、智能分析和远程控制，整体控制育秧大棚的生长环境，为幼苗的培育提供优质的环境。 

3.4 服务业 

人们对服务业的需求非常大，目的是方便人们的日常生活，特别是在电子产品上，更是体现出服务业对电气自动化控制技术的需求。生活中的电子产品，大多应用了电气自动化控制技术，如：智能手机、ipad、跑步机等，表明电气自动化对服务业市场的推进作用[4]。近几年，电气自动化控制技术的应用，由服务业的电子产品，逐步转型到企业内，例如：餐饮服务中的“机器换人”概念，餐厅内，机器人取代人工服务，提供点菜、传菜等服务，机器人是餐饮业的发展趋势，表明电气自动化控制技术的重要性，此项技术在“机器换人”中，起到自动化的控制作用，是机器人开发中不可缺少的技术。 

4 结束语 

电气自动化技术的发展和应用，表明了该项技术在行业运营中的重要性，满足我国社会行业建设的基本需求。根据电气自动化控制技术的应用，落实发展策略，充分发挥电气自动化控制技术的潜力，保障其在未来的应价值。电气自动化控制技术的发展和应用，必须符合现代企业的需求，由此才能规范控制技术的实践应用。

 

     

参考文献 

[1]贤阳.应用技术的发展是工业电气自动化系统的关键—2007年纽伦堡电气自动化（系统和部件）展览会纪实[J].自动化博览，2008，Z1：28-30. 

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篇（6）

[3]袁婉玲.危机中见机遇 太阳能光伏产业正和时宜[J].无线电技术,428.

[4]我国太阳能光伏产业的近期进展、挑战和政策建议[J].宏观经济研究,2009,(2).

[5]刘慧芬,史占中.我国发展太阳能产业政策刍议[J].科学技术与工程,2008,8(22).

篇（7）

中图分类号：P512.2+1文献标识码：A 文章编号：

前言

风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕，能提供源源不绝，稳定的能源。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。我国的风力发电技术经过几个五年计划的科技攻关，在风电机组整机及零部件制造技术、风电接入系统仿真技术、风电场选择及建设技术等方面都取得了长足的进步。同时，我国已开始发展近海风能资源的近海风电机组和风电场技术。可以预测，随着风电产业和技术的快速发展，风力发电将成为我国可再生能源中极具规模化开发条件和商业化发展前景的一种新能源，是成本最低的温室气体减排方案之一。

一、风力发电的优势分析

随着国民经济的进一步发展，电力的需求与目前的供应有较大的缺口，再生能源中的风力发电是当前现实的选择，其优势主要体现在：一是风能是是可再生能源，风力发电就是用风来发电，不消耗像煤、石油或天然气之类的资源。二是风电场的建设周期短。例如，一个十万千瓦级的风电场建设期可以在一年内建成。当按照有关的软件、或经验、或调查研究选定风电场的地址后，定好设备，修好路，就可安装风力发电设备，这种建电厂的速度是其他电厂所不能相比的。三是风电场的运行可以无人值守，维护简单。随着计算机技术的发展和风力发电机的不断革新，风力发电机的自动化程度越来越高，实现了远程控制。四是造价低。从国外建设风电场积累的数据看，建造风力发电场的费用比建造水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低。五是占用土地少。风电场可以建在荒岛上，沙漠中，甚至建在沿海的浅海中，能减少对耕地的占用。即使是建在可耕地上，只要设计合理，也不影响耕作。六是不污染环境。使用风力发电，不会产生任何的废气或废物，对人类以及环境都不致造成任何的损害。一台600kW 的风机，每年减少其它石化能源发电排放的1200 吨的二氧化碳。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视。随着国家发展规划与相关激励政策的不断出台，我国风电产业必将进入一个崭新的大规模高速发展阶段。

二、我国风力发电技术发展问题分析与思考

风力发电技术是一种极具利用潜能的可再生能源发电技术，是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电。近年来，我国风力发电市场快速发展，迫切需求风力发电技术的同步发展。随着风力发电技术的日趋成熟，风力发电优势也更加凸显。近年来随着可持续发展的需要、技术的进步、环境保护意识的增强以及有关政策的制定，风力发电技术有了长足的进步。当前，特大型风机设计仍以丹麦型为主导，制造材料也更加多样化，工艺水平也不断提高，设计思想也不断推陈出新，预计在以下几个方面会有大的突破。

1、风轮叶片设计与制造技术。风轮叶片是风力机的主要动力部件，叶片设计与制造技术涉及叶片材料、叶片结构与气动性能。传统的叶片大多采用玻璃钢制造，主要考虑玻璃钢的重量轻、比强度和比刚度高、耐腐蚀、易成型、抗疲劳性能好等优点。现在大型风力机的发展趋势是采用高强度轻质大容量叶片，主流机组已普遍采用玻璃纤维增强复合材料，优点是可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度，翼型容易成型，可达到最大气动效率。对更大的5～10MW 风力机来说，由于强度与刚度要求更高、自重更大，叶片设计适宜采用价格昂贵的碳纤维材料。上述材料均为热固性树脂，目前推出的热塑性树脂即所谓“绿色叶片”，具有可回收利用等一系列优点，解决了环保问题，符合现代工业绿色设计要求。据报道，美国研发一种新型风力涡轮机，利用一个遮蔽物包围其风力机叶片，引导空气通过叶片并给空气加速，产生的能量与2 倍直径的传统风力机能量相当，可将风能变成电能的成本节省一半。风轮叶片翼型性能影响着风力机风能转换的效率，传统的低速风轮叶片采用薄而略凹的翼型，现代高速风轮都采用流线型叶片。国际上还推出“未来叶片的概念”，要求更可靠、更耐久地捕获更多的风能，采用了智能材料和结构实现叶片智能化。比如在叶片上埋入光导纤维系统，采用结构健康监控技术诊断结构完整性和雷击情况等，以此提高可靠性并降低风电成本。再比如将复合材料气动弹性剪裁技术应用于叶片设计上，利用复合材料的非对称、非均衡铺层产生的偶合效应，实现对叶片有利的变形，增加气动效率。

2、传动机构设计与制造技术。风力机传动机构包括齿轮机构、轴承、系统、状态监测系统等。统计数据表明，风电机组齿轮箱故障约50%与轴承选型、制造、和工作状态有关。目前，国内兆瓦级以上机组的核心部件如电机、齿轮箱、叶片、电控设备和偏航系统等仍然依靠进口，对基础配件齿轮箱轴承、偏航轴承、变桨轴承及主轴轴承等研究不够。齿轮箱作为风电机组的重要组成部分，其振动形态直接影响风力机的运行性能，状态检测极为重要，目前国内还处于探索阶段。

3、磁悬浮技术。目前，国内外有多个关于磁悬浮技术应用于风力机的专利技术报道，特点是降低轴承摩擦阻力，提高了风电效率与使用寿命。磁悬浮风电机组可在微风下运行，工作风速为1.5～36.9m/s，即 1～12 级风，风轮转动抗湍流能力强。总之，对于风力发电，磁悬浮技术展示了一个全新的发展方向。

4、海上风电场技术。由于海上风电场技术逐渐成熟，全球海上风电装机容量已经超过1GM，促进了单机容量的特大型兆瓦级风力机的研发。而且海上风速大且稳定，年平均利用小时可达3000h 以上，年发电量可比陆上高出50%。21 世纪是世界风电产业由陆地转向海洋的世纪。中国东部沿海水深 2～15m 的海域面积辽阔，可利用的风能资源约是陆上的3 倍，而且距离电力负荷中心也很近。可见，随着海上风电场技术的发展成熟，必然成为未来的可持续能源。

三、结语

随着科技的进步，人类对风能的认识不断深化，风力发电具有极大的潜力，可部分满足剧增的全球能源需求。并且风电是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电品种，正逐渐受到世界各国的重视。总而言之，风力发电在我国有着广阔的发展前景，风能的利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整及对减少进口能源的依赖等方面做出巨大贡献。

［参考文献］

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[2] 张明锋, 邓凯,陈波等.中国风电产业现状与发展[J].机电工程，2010

[3] 党福玲，朝克，贾永.我国风电产业发展现状浅析[J].经济论坛，2010

[4] 韩永奇，韩晨曦.中国风电产业的发展与前景[J].新材料产业，2010

[5] 张胜利,席德科,陆森林等.我国风力发电技术的现状及与国外的差距[A].低碳陕西学术研讨会论文集,2010.

[6] 刘细平,于仲安,梁建伟.风力发电技术研究及发展[J].微电机,2007.

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风力发电

目前，我国已超过美国，成为全球风电装机容量最大的国家，同时也成为风能设备最大的生产国。随着国内风电产业链日臻完善、研究规模不断扩大，成本下降非常显著，竞争力也逐渐增强，但是在产业链最上游的新型材料及半导体器件（控制芯片、电力电子器件等）研究方面仍较落后，主要研究工作集中在中下游的风电整机制造、关键零部件配套（发电机、电控、传动系统等）以及并网技术领域。

沈阳工业大学在风电整机制造方面具有很强的实力，是我国最早从事风力发电技术研究的少数高校之一，设置有风能技术研究所，师资力量完善，先后承担过多项大型横、纵向课题，成果显著。其设计的具有自主知识产权的1.5MW风电机组实现了产业化，占据一定的市场地位，产学研结合能力很强。

华北电力大学作为教育部直属高校中唯一的以电力为学科特色的大学，成立了国内首家“可再生能源学院”，下设风能与动力工程专业，未来还将筹备生物质发电和太阳能利用专业。研究内容以大容量风力发电接入，对电力系统安全、稳定运行的影响为主，主要研究包括：风电场建模与仿真、风能资源测量与评估、风力发电机组状态监测与故障诊断、风力发电机组只能控制与优化运行、低速风能利用策略与先进风力发电理论，充分发挥了其在电力系统方面的优势。

重庆大学机械传动国家重点实验室，借助其在机械传动领域的优势，在风电机组齿轮箱设计、动态特性研究、工作模态测量及制造工艺方面有深入的研究，并且产学研结合。

汕头大学新能源研究所在大型风电机组空气动力学、结构强度及结构动力学研究方面颇有作为，自行开发了大型风力机优化设计系列软件。

浙江大学流体传动及控制国家重点实验室对风力发电系统中的液压技术有深入研究，包括风机制动系统、定桨距控制和变桨距控制等。

同济大学机械工程学院在风电机组叶片动力学分析、结构优化设计、刚柔耦合系统模型分析方面经验丰富。

东南大学在风力发电机研究、设计方面走在前列。近期又集合学校优势学科，建立了风力发电研究中心，致力于以风力发电为核心的可再生能源发电及应用技术的基础研究。

电控方面，清华大学、北京交通大学、中科院电工所都有很强的实力。清华大学电机工程与应用电子技术系原名电机工程系，历史悠悠，师资力量雄厚，在风电接入对电力系统影响、风电机组建模仿真、风电变流器设计及控制等方面有深入研究。北京交通大学电气工程学院早期隶属于铁道部，主要服务于我国轨道交通电传动装备产业，在大功率电力电子技术领域积累了丰富经验，研究实力在国内高校处于领先地位。新能源研究所成立后从事大功率风电机组（直驱或双馈）并网变流器、中大功率光伏发电逆变器、风电机组仿真及主控系统、微网技术研究，产学研结合能力很强。中科院电工所新能源发电技术研究组是国内最早研究风力发电、太阳光伏发电的单位之一，其大型并网风电机组控制及变流技术、变桨距控制技术以及风电场集中和远程监控技术等较成熟，还有一些特色研究工作包括：风/光互补、风/柴系统及其控制逆变技术、控制逆变技术等。

光伏发电

光伏发电具有系统简单以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电。太阳能发电主要分为并网电源系统和离网电源系统，目前大规模使用的主要是并网系统，一般包括光伏电池组件、光伏逆变器、配电柜、监控系统等。其中光伏电池组件将太阳能转化成电能，光伏逆变器与风能变流器类似，可以将光伏电池组件产生的不稳定电能变成稳定的电能并入电网。

我国光伏业正处在爆发式增长期，中国大陆和台湾的光伏电池厂商占全球总电池产量59%的份额。与风电产业链类似，除了最上游的化合物、硅片提纯、加工外，我国已形成了较完整的光伏产业链，包括晶体硅、薄膜电池片及组件加工、光伏逆变器、系统集成、能源投资商等。

国内高校对于光伏系统研究主要集中于工程应用方面，合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心是我国迄今为止唯一的专门从事光伏系统技术研究的国家重要的科学研究基地，挂靠合肥工业大学电气与自动化工程学院，主要从事光伏组件建模及仿真、光伏逆变器设计及控制、工程化应用等研究工作，产学研结合较好，承担多个大型光伏电站设计工作。

海外院校

由于新能源行业涉及领域多、范围广，以及我国新能源行业开始起步，人才的缺乏已经成为极为突出的问题，国家、社会、高校、企业都在积极努力培养这方面的人才，学生的择校就业也因此变得十分灵活。同时，也因为刚刚起步，目前面临的多是工程应用技术类问题，因此我们的相关研究工作主要分布在中下游，从前面的介绍也可以看出，在新能源上游高端领域，由于技术壁垒很高，国内的研究工作相对较少，但是可以选择留学欧美高校，得到更进一步的提高。

澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心，由有着“太阳能之父”之称的马丁·格林教授领导，专注光伏电池的研究，自上世纪80年代起，30年间毕业于新南威尔士大学光伏中心的中国留学生已经撑起了中国光伏产业的半壁江山。如今，在屈指可数的几大领头光伏企业中——尚德、中电光伏、英利、赛维LDK都有新南威尔士大学毕业生的身影，其科研实力可见一斑。

在欧洲，各国都十分重视新能源的开发利用。作为生态村理念的首创国，丹麦是能源问题解决得最好的国家之一。早在2006年，我国就与丹麦签署了“可再生能源”合作项目，国内许多高校分别与丹麦高校开展联系。丹麦奥尔堡大学能源技术学院在风力发电、分布式发电、电力系统、电力电子及控制技术等领域有深入研究经验，并且与许多国家和组织开展合作，产学研实力很强。特别是在风力发电领域优势突出，核心研究领域包括：风力发电机组及风电场的控制与监测、仿真、设计、优化。

随着新能源技术发展以及各项政策效应的逐步显现，开发利用新能源的成本将明显下降，为人类清洁能源利用和产业结构升级带来历史性机遇，新能源终将成为今后世界上的主要能源之一。

Tips：新能源材料与器件专业优势院校

文/南京航空航天大学 郭栋梁

该专业重点是研究与开发新一代高性能绿色能源材料、技术和器件（如通讯、汽车、医疗领域的动力电源），发展“新能源材料”(新型锂离子电池材料、新型燃料电池材料和新型太阳能电池材料)的学术研究方向。

新能源材料与器件专业设置，主要依托化学化工学院，跨能源科学、材料科学、化学等多个学科，拟培养能掌握新能源材料专业基本理论、基本知识和工程技术技能，掌握新能源材料组成、结构、性能的测试技术与分析方法，了解新能源材料科学的发展方向，具备开发新能源材料、研究新工艺、提高和改善材料性能的基本能力的新能源材料专门人才。毕业生可在化学能源、太阳能及储能材料等新能源材料领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺设计等方面工作，也可继续攻读新能源材料及相关学科高层次专业学位。

新能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源材料与器件是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键。新能源材料与器件本科专业是适应我国新能源、新材料、新能源汽车、节能环保、高端装备制造等国家战略性新兴产业发展需要而设立的，是由材料、物理、化学、电子、机械等多学科交叉，以能量转换与存储材料及其器件设计、制备工程技术为培养特色的战略性新兴专业。

高校特色：

华东理工大学

以半导体材料技术、化学电源技术、太阳电池技术等为特色。未来就业集中在光伏太阳能、新能源开发和利用以及半导体材料器件的设计、化学电池开发等。

东南大学

依托电子科学与技术大类专业背景，专业内容侧重光电子材料及其应用方面，主要针对太阳能材料制备、检测和应用，可以拓展到生物能等其他新能源。

四川大学

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由于传统的化石能源存储量有限，而且已造成严重的环境污染和生态失衡，因此当今世界面临这严峻的能源威胁：首先是以很难以能接受的价格获来得充足的能源供应；其次是过度消耗不可再生能源而对环境产生了不可恢复的破坏。所以，保护环境和利用可再生能源以实现能源安全已成为了新时期能源经济必须面对的现实课题。

风力发电形势和现状综述

目前在开发新能源领域，风力发电技术的比较成熟，许多国家把利用风力发电作为减少环境污染、改善能源结构和保护生态环境的有效措施，并将风电建设纳入国家发展规划。虽然全球风力发电发展的历史不是很长，但在过去二十多年的时间内，人类已在风机设计制造、环保法律政策、风电装机容量等方面取得了巨大的进步，风力发电在许多国家都得到了迅猛的发展，技术的进步减少了常规发电和风力发电之间的价格竞争的差距。我国政府也非常重视包括风能在内的可再生资源的研究开发利用。在我国，大规模发展风电产业是有资源基础的，我国的各种风力资源十分丰富。目前，我国对风力发电技术的研究研究已逐渐走向成熟，这其中包括测风设备、风力气象学的研究和风场建设规范、软件的研究、风电机组的技术开发和风电并网技术的研究等。总的来说，我国的风力发电技术的开发利用始于20世纪的70年代末，而风力发电技术得到大规模的应用则是在20世纪80年代初，从90年代初期开始了风力发电技术的商业化进程。近二十年来，在我国政府的全力支持下，并网的风力发电工程建设得到了迅速发展，总装机容量从1999年的3.8万KW增长到2010年的1500万KW，根据来自中国风能协会统计数据，从2004年未到2009年未，中国风力发电能力的增长达到了250％，其中，2008年一年的新增装机占据了全球新增装机总量的23％，增长了630万KW，成为仅次于美国（836万KW）的世界排名第二。2009年我国首次超过印度成为了第四个装机总量超过1000万KW的风电利用大国。这是因为风力发电成本最接近于火电发电的成本，并且风电产业具有规模化和产业链优势，而且我国巨大的风能储量使得风电产业具有了可持续的产业化发展前景。

风力发电工程的成本构成分析

通过分析可知，风力发电产业具有以下特点：首先，建设风力发电项目的投资属于一次性投资，而投入资本回收周期又比较长。其次，风力发电机的发电输出功率要受到当地风力发电场的风速分布影响，风能资源也成为影响风电成本的主要冈素之一。在技术上可知，风机能够有效利用的风速范围是 3-20米/秒，根据相关测算，发电总量每减少5％，用电价格则增加4．6％以上，因此只有风力发电机组年利用小时数超过2000小时的风电场才具有真正的开发价值，平均年利用小时数超过2500小时的风力发电场才具有良好的开发价值，平均年利用小时数在3000小时以上的风力发电站才可以称之为优秀风力发电场。但是，目前我国还未建立起一套完整的风能资源分布图，风电工程建设的选址、测风、征地等前期工作还需要投资商自己操作，这大大增加了风电项目的开发成本。道路成本，风力发电场往往都在交通不便、人烟稀少的偏远地方，首先投资方必须升级现有道路必要时候还要新修道路才能达到风电部件的运输、安装要求。电网成本，可建设风力发电场、风力资源丰富的地方往往处于比较偏远的地区，因此当地电网建设可能很不完善，风电场配备的输电线路需由投资商出资自己投建，这也增加了风电建设成本。经济成本，目前，国内火电发电成本大约是5500元/KW，而风力发电成本则高达8000-10000元/KW，相比于火电成本要高出45％-82％，这也是成为了阻碍我国风力发电技术快速产业化、商业化的重要冈素。融资成本，风力发电项目所需资金的70％需通过各种信贷手段来解决，贷款条件、还款期、利率、手续费等对风力发电项目建设成本影响也比较大。风机设备价格，据统计，风机设备价格约占风电项目总投入成本的70％以上。根据相关研究，同等质量的条件下，国产风力发电设备价格比进口风力发电设备低20％-30％，因此完全使用国产风机则可使风电建设成本下降15％以上。风力发电上网电价，目前，风力发电上网价格仍是制约风力发电产业快速发展、投资商发挥作用的重要薄弱环节。一个企业投资风力发电项目是否能够盈利，这主要取决于并网之后的电价，我国政府为促进风力发电产业持续、健康发展，规范风力发电价格的管理，在2009年7月，国家发改委公布了规范风电价格的相关规章制度，规定风力发电与标杆上网电价同定，这项规定为投资商提供了一个明确的投资预期，同时也有利于引导投资，限制劣质资源的开发，鼓励优质资源的开发，有利于降低成本，控制造价，保证风力发电项目开发的有序进行。风力发电项目造价越低、价格管理就越好，投资方的收益就越高，因此，激励风电企业不断降低运营成本以及投资成本，具有重要的经济效益和社会效益。

风力发电项目建设的造价控制

根据以上对影响我国风力发电成本的因素分析可知：影响风电项目建设成本的主要因素是电网成本、风机设备价格、道路成本、经济成本、融资成本等因素，而影响风电设备发电量的主要因素是风电上网价格、风能资源质量、风电场运行成本、维护成本等。因此，降低风电成本、控制风力发电项目建设造价可通过提高发电量、节约风力发电建设投资、节省建场投资等途径，具体可采取以下措施：（1）提高风电场的发电率，选用可靠性高、性能优良的风力发电机组，提高电力输出率，增加风电场和电网并网的可靠性，提高风电场运营、维修队伍的水平，保证风电机组的工作率，以提高风电场的发电效率。（2）由于风电机组设备费用、风电设备的施工安装费用、风电场并网设备费用以及风电场道路交通建设费用构成了风电场项目的主要建设成本，其中购买安装风电机组设备的费用约占总成本的70％，投资商可通过设备国产化进一步降低风电场项目的建设成本。(3)充分利用风能资源，根据风电场的风资源分布，合理地安排风力发电机布局，以便充分利用风能资源。相关研究表明，同样环境条件下， 6.5m/s的风电场的发电成本比7m/s的风电场的发电成本增加约14％，8m/s的风电场的发电成本要比7m/s的风电场要低近30％，另外发电风机应选用成熟维修体系和优秀质保的风力发电机，以便将来出现故障时，能减少维修风机的等待时间。

我国风电工程建设成本仍比较高，风力发电的商业化运行尚处于初始阶段，有关风力发电造价分析控制方面的研究还很成熟，仍然没有一套有效地对风电项目进行成本管理、造价控制的办法。建立一个科学、高效的造价分析控制研究体系，对风电项目的成本管理提供系统的、现代化的、全面的指导，从而使我国的风力发电行业得到快速健康的发展。

参考文献：

沈岐平.建设项目价值管理理论与实践[M].中国水利水电出版社,2008

吴义纯,丁明.电场可靠性评估[J].中国电力出版社.2004

陈钟,康宁.风力发电项目风险因素识别与分析[M].黑龙江电力出版社，2006

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中图分类号：TM614 文献标识码：A

0引言

由于风能具有蕴藏量巨大、分布广泛、清洁无污染和可再生，成本低、占地面积小、建设周期短等优点，使得风力发电从诸多新能源发电技术中脱颖而出。风力发电机组是高度时变的、非线性的复杂系统，其电气控制系统的有效性和可靠性是风电机组安全运行的关键。并网技术是风力发电技术中很重要的一部分，它关系到电网接入的电能质量及风机运行稳定性。因此研究风电并网技术有着极其重要的经济意义和重大民生意义。

本文以结构简单、性价比高、成本低且广泛使用的定桨距失速型风力发电机组中异步发电机为研究对象，对其并网相关技术进行研究。

1异步风力发电机并网方式

异步风力发电机投入运行时，靠滑差来调整负荷，机组的调速精度要求不高，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步速时就可并网，控制简单，且并网后不会产生振荡和失步，运行稳定，要求不高。但异步发电机直接并入电网时，其冲击电流会达到其额定电流的6～7倍，甚至10倍以上，该冲击电流会对电网、风机以及发电机本身造成严重的冲击，甚至会影响其他联网机组的正常运行。因此，应对发电机并网时的电流加以限制。

目前，异步风力发电机并网的主要方法有直接并网法、准同期并网法、降压并网法和软并网法。

直接并网法是在发电机转速接近同步转速时直接并网，这样并网对电网冲击大，有较大的瞬间冲击电流，电网电压下降严重。适用于电网容量大、风电机组容量较小的场合。

准同期并网法是在发电机转速接近同步转速时，先用电容产生励磁，使其建立额定电压，然后调节发电机的相位与电网同步后并入电网运行。其优点是并网冲击电流较小，电网电压下降幅度小；缺点是并网所需的整步同期设备增加了机组的造价，且从整步到准同步并网所需的时间长。适用于电网容量比风电机组大不了几倍的场合。

降压并网是在发电机和电网之间串电抗器，以减少合闸瞬间冲击电流的幅值与电网电压的下降幅度，待达到稳态时将电抗器切除。这种并网方式要增加大功率的电阻或电抗器组件，其投资随机组容量的增大而增大，经济性差。适用于小容量风力发电机组的并网。

软并网法则采用双向晶闸管的软切入法，得到一个平稳的过渡过程而不会出现冲击电流，可使并网电流控制在一定范围内，大幅降低并网时的冲击电流，增加风机的使用寿命和可靠性。目前，大型异步风力发电机都采用这种并网方法。

2失速型风力发电机的软并网系统的工作原理

异步风力发电机组软并网控制系统的主电路由三对反并联或双向晶闸管及其保护电路组成，在软并网过渡过程中，每一时刻，有两个晶闸管同时导通，构成一个回路。

步电机利用双向晶闸管进行软并网的过程如下：当异步风力发电机起动或转速接近同步转速时，与电网相连的每一相双向晶闸管的控制角在180坝？爸渲鸾ネ酱蚩幻肯辔薮サ憧氐乃蚓д⒐艿牡纪角也捅樱坝？80爸渲鸾ネ皆龃蟆4耸弊远⑼厣形炊鳎⒌缁ü蚓д⒐芷轿鹊亟氲缤？

当异步发电机转速小于同步转速时，异步发电机作为电动机运行，随着转速的升高，其转差率逐渐趋于零。当转差率为零时，双向晶闸管已全部导通，这时自动并网开关动作，常开触点闭合，短接已全部开通的双向晶闸管。发电机输出功率后，双向晶闸管的触发脉冲自动关闭，发电机输出电流不再经双向晶闸管而是通过已闭合的自动开关触点流向电网。通过控制晶闸管的导通角，来限制异步发电机并网以及大小电机切换时的瞬间冲击电流，得到一个比较平滑的并网过程。

3仿真与实验分析

本次对本文所提出的软并网系统在额定功率为1.1MW风力发电机上做了软并网实验，实验对象为GCN1000型定桨风力发电机。风力发电机组的切入风速为4.8 m/s，切出风速20m/s，额定风速15 m/s；风机叶片数为2，风场空气密度 1.059Kg/m3。

发电机等效电路如图1所示。其具体参数为：机端额定电压VN 为0.69kV，额定容量SN 为1100MVA，额定功率PN 为1000MW，定子电阻R1为6.757 m ，定子电抗X1为80.926 m ，转子电阻R2为51.531 m ，转子电抗X2为147.95 m ，励磁并联支路电阻Rm为208.80 ，励磁并联支路电抗Xm为5.041 ，发电机转子转动惯量为45.8kgm2，发电机转子惯性时间常数为1.2s，发电机转子额定转速为1560rpm。

软并网过程是一个强非线性过渡过程，只有采用基于状态量反馈来实施闭环控制。传统软闭环软并网即限流式软并网，主要以电机的定子电流作为晶闸管触发角变化的根本依据，通过采样电机定子电流，并与电流限定值进行比较，得出相应的电流偏差值，经过数字PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量。它存在潜在的缺点是：由于导通角最少需要10ms的时间才能改变一次，如果导通角已给出，则在接下来的10ms中电流是不可控的，所以当参数调校不好的时候，可能出现电流忽大忽小的状态，引起震荡不稳定。

本次研究改为采集发电机的转速脉冲，通过快速检测及运算，得出机组运行加速度，根据加速度的微分特性，达到预测控制的目的，从而实现晶闸管触发角的精确控制。将导通角从72度阶跃变化到180度并持续20ms，断开并网接触器，间隔1秒后合上并网接触器，投入导通角并保持3秒后实验结束。记录数据如表1所示。

通过实验数据可以看出，通过采集发电机的转速脉冲，然后检测、运算得出机组运行加速度来控制晶闸管触发角的这种方法可以很好地达到控制目的，改善了电流忽大忽小，震荡不稳定的状态。

当发电机的转速达到l320 r/min时由PLC（上位机）发出并网指令。整个并网过程中定子电流波形如图2所示，从实验波形可以看出，采用基于加速度控制的晶闸管软并网系统基本可以抑制过大的冲击电流，而且在整个并网过程中，没有出现电流电流忽大忽小，震荡不稳定的状态。

4结语

本文对定桨失速型风力发电机组软并网相关技术进行了研究，本次研究通过采集发电机的转速脉冲，经过运算，得出机组运行加速度，根据加速度的微分特性，达到预测控制的目的，从而实现晶闸管触发角的精确控制。仿真和实验结果表明，这种方法可以实现失速型异步风力发电机组的平稳并网，其启动电流也完全可以满足异步风力发电机组的并网要求。

（指导老师：吴红霞）

基金项目：此成果为省级大学生创新创业项目（项目编号：201511798001）。

参考文献

[1] 李文朝.并网型风电机组软并网控制系统研究[D].河海大学硕士学位论文，2006.

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[3] 张雷，谷海涛，鄂春良，李海冬.失速型风力发电机组软并网技术研究[J].电力自动化设备，2009，Vol.29，NO.5：35-37.

篇（11）

中图分类号：TM619

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0161-03

1 引言

随着常规能源的日趋紧张和人们环保意识的日趋增强，节能环保问题日益突出，清洁环保无污染能源的开发与利用倍受世界各国的关注和重视，新绿色能源的研究已成为当务之急。

压电材料在外力的作用下表面产生电荷的现象，称为正压电效应[1]。压电发电利用此原理将振动的机械能转变为电能。其优点主要集中在体积小，结构简单，便于实现及小型集成化以及无电磁干扰等方面。符合当前环保节能，可持续发展的要求，正越来越受到各国研究人员的关注[2，3]。另外，压电发电可方便与微机电系统（MEMS）结合，为其提供能源，也成为MEMS研究领域的热点之一。目前，欧美、日本和韩国等许多国家与地区已经对与压电发电相关的技术展开了深入的研究，并且取得了一定的成果，而国内的压电发电技术尚处于起步的阶段。目前，压电发电技术主要有以下几个方面。

1.1 利用车辆或路面振动进行压电发电

将压电发电装置放入如汽车等减震系统或车辆悬挂系统中，利用正压电效应将震动能量转变为电能，并加于存储和利用。或者，将压电发电装置作为路面的组成部分或安置于路面内，利用汽车在路面上行驶时产生的振动来发电，所产生的电能经电路调整后可作为道路灯具等使用，或经储能装置加以存储和利用。以色列于2009开放了世界上第一条可发电的公路[4]。

1.2 利用自然环境能量进行压电发电

利用自然环境能源如海浪（流）能、风能等进行压电发电。位于美国新泽西州的普林斯顿海洋动力技术公司研制了一种压电聚合物，并将其放置在海洋中，利用海浪（流）产生的压力和应力进行压电发电。美国德克萨斯大学Priya S发明了一种袖珍压电风车装置，将风能转换为电能，为无线网络供电[5]。

1.3 利用人体动能进行压电发电

1998，美国麻省理工大学发明了一种足底压电发电鞋，它的原理是把压电发电装置放入鞋底内部，利用人行走时脚对鞋底的压力，使压电材料变形从而产生电荷。2010上海世博会，日本馆展示了压电发电地板，行人从上面踩过，该地板可进行发电。2011年，中国科学院上海硅酸盐研究所研发了类似的国内首块压电发电地板，将人们日常行走运动的部分能量转换为电能[6]。

利用人体动能进行发电的压电地板，符合当前节能环保的要求，并具有很高的经济效益，是目前的研究热点。本论文主要研究一种基于人体踏走的新型压电发电装置，该装置可放置在轨道交通如地铁、轻轨和商场等具有频繁人行流量的场合门口，将频繁人体踏走的动能进行压电发电，以存储或供用电负载使用，具有发电节能的效果。

2 总体结构设计

2.1 压电陶瓷发电特性分析

根据压电方程，可得单压电晶体片在d33模式下，其产生的电荷和两端的电压为：

为了提高压电陶瓷的输出电压（或电荷），将多个压电晶体片在物理上串联连接，电学上串联或并联连接，如图1所示。

从上述式（3）～（6）可以看出，两种连接方式的总电能是一样的。对于串联连接来说，输出的电荷量大；对于并联连接来说，输出的电压大。为了提高本压电发电的输出电压，本研究采用并联连接的压电叠堆。

2.2 总体结构设计

从上述的分析可以看出，压电陶瓷发电的电压或电荷与作用力F、晶体片数n成正比，因此，为了提高压电发电性能，采用多片串联而成的压电叠堆。另一方面，人体行走时对压电叠堆的作用力小且缓慢变化，若此作用力直接作用于压电叠堆，其发电量小，达不到实用的目标。因此，需要将此作用力M行放大以实现对压电叠堆的快速冲击，提高发电量。基于上述考虑并结合压电叠堆的结构特点，设计了如图2所示的基于人体踏走的压电发电装置。其中，压电叠堆1通过粘接固定在底板8上，杠杆架2通过螺钉连接固定在底板8上。

其工作原理为：踏块5在人体踏走的作用下，向下运动并压缩支撑弹簧7，杠杆3短臂向上运动并压缩预紧弹簧4；当人体踏走后，在预紧弹簧4和支撑弹簧7的作用下，杠杆3短臂迅速向下运动并敲击压电叠堆1，压电叠堆1在外力冲击下产生电能。在频繁人体踏走的作用下，上述的压电发电单元不断重复上述的发电过程，源源不断地进行发电。

限于结构尺寸，不可能选用大长度的压电叠堆和采用大放大比的杠杆，故单个压电发电单元的发电量是有限，其应用场合有限。因此，采用多个压电发电单元按照串联或并联的方式进行连接，制成类似地砖的结构型式，如图3所示。该装置可放置在具有频繁人体踏走的场合门口如地铁、轻轨和商场等，将人体踏走的部分动能进行压电发电。与压电鞋等相比，本装置还具有发电集中，发电量大等特点。

3 发电储能装置设计

利用人体踏走的压电发电所产生的是低交流电压，且是随机不规则变化的，因此该电能不能直接应用于用户负载，需要经整流储存后，才能适合外部电子设备等用户负载使用。另外，由于压电叠堆在电路上等效于电容，因此当人体踏走的作用力消失后，压电叠堆产生的电压随即消失（放电），因此需要对所产生的电荷进行储存。综上，为了有效利用该发电量，需要设计相关电路以实现对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。

3.1 电容储存

压电发电的电容储存电路如图4所示，压电发电装置所产生的电量经整流电路后储存于电容。之所以采用全波整流电路，这是由于其能充分利用交变电的正、负两个半波，能大大减小输出电压的脉动度，有效提高整流效率。另外利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性，储能电容还具有滤波的作用，能滤掉整流电路输出电压中的脉动成分，达到稳压目的。

3.2 电池存储

由于普通电容容量有限，容易达到饱和电压。又因为放电速度较快，所以普通电解电容只能作为一种短期的储能元件提供瞬时的较大功率输出。而电池能储存的电荷远大于电容，电荷保持能力也更胜一筹，所以广泛应用在各种能量收集系统中。如图5所示，电池储能电路将来自压电发电装置的电量，经全桥整流电路和电容，储存到一个镍氢纽扣电池中。

4 结语

本文利用人体踏走的动能进行压电发电，设计出了一种压电发电装置，并进行了相关的理论分析与设计。该装置中运用了杠杆放大将人体缓慢踏走的作用力进行放大以实现对压电叠堆的快速冲击，从而提高发电量。该装置所产生的电能经整流电路后储存于电容或电池以供用电负载使用。该装置可放置在轨道交通车辆和车站，如地铁、轻轨，和商场等具有大流量的场合门口，将频繁人体踏走的动能进行压电发电，具有发电节能的效果，符合当前节能环保的要求。

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