引論：我們?yōu)槟砹?3篇燃料電池技術論文范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
（1）氫氣通過雙極板上的導氣通道到達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
（2）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過電解質(zhì)膜到達陰極，電子在陽極側積累；
（3）氧氣通過雙極板到達陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差；
（4）陽極和陰極通過外電路連接起來，在陽極積聚的電子就會通過外電路到達陰極，形成電流，對負載做功。同時，在陰極側反應生成水；
（5）只要持續(xù)不斷地提供反應氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對外提供電能。
2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點
（1）高效率。PEMFC以電化學方式進行能量轉換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實際效率大約是內(nèi)燃機的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必須將負荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負荷范圍內(nèi)均有很高效率。
（2）模塊化。PEMFC在結構上具有模塊化的特點，可根據(jù)不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設計方法簡化了不同規(guī)模電堆的設計制造過程。
（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結構簡單，易于維護。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當屏蔽措施，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會導致整個動力系統(tǒng)的癱瘓。
（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
（5）環(huán)境友好。當采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內(nèi)燃機而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結構部件均可回收利用。
3研究現(xiàn)狀
3.1關鍵部件
電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關鍵部件。
電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業(yè)型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。
雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導氣體在電池內(nèi)電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。
鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的擔體上，目前廣泛采用的擔體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。
PEMFC的氣體擴散電極由兩層構成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反應進行的場所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。
3.2測控系統(tǒng)
PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測各個影響因素。即運用有效的措施來連續(xù)監(jiān)測PEMFC運行的關鍵或重要狀態(tài)，并對收集到的信息進行必要的分析和處理，以便做到故障預測和及時診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進行PEMFC測試系統(tǒng)相關方面研究的公司和機構眾多，但仍沒有制定出有關PEMFC測試的國際標準和相應的標準測試設備，不過已有實用的測試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站（FCATS）、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。
4質(zhì)子交換膜燃料電池的應用
質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動的場合。因此世界各大汽車生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車動力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動力源的PEMFC電動車，曾先后推出各種類型的樣車，并進行PEMFC電動車隊的示范運行。PEMFC電動車以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點引起了人們的普遍關注，甚至被認為將是21世紀內(nèi)燃機汽車最為有力的競爭者。
此外，在航空航天特別是無人飛行器領域，以及家庭電源、分散電站、移動電子設備電源、水下機器人及潛艇不依賴空氣推進電源等方面也有廣泛應用前景。
5質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢
在關鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價格昂貴，開發(fā)非全氟的廉價質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點是開發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導率，但成本較高，加工難度大，強度、電導率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復合材料雙極板則結合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強度大及工藝性良好等特點，是未來發(fā)展的趨勢。
在電堆方面，今后的研究重點將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對電堆的結構進行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。
參考文獻
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篇2
燃料電池具有高效率、無污染、建設周期短、易維護以及成本低的誘人特點，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、潛艇、水下機器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場前景十分廣闊。人們預測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四電方式[1]，它將引發(fā)21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。
1，中國燃料電池技術的進展
“燃料電池技術”是我國“九五”期間的重大發(fā)展項目，目標是，利用我國的資源優(yōu)勢，從高起點做起，加強創(chuàng)新；在“九五”期間，使我國燃料電池的技術發(fā)展接近國際水平。內(nèi)容包括“質(zhì)子交換膜燃料電池技術”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術”及“固體氧化物燃料電池技術”三大項目[2]，其中，用于電動汽車的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池”列為開發(fā)的重點。此項任務由中國科學院及部門所屬若干研究所承擔。所定目標業(yè)已全部實現(xiàn)。
在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國研究開發(fā)的這類電池已經(jīng)達到可以裝車的技術水平，可以與世界發(fā)達國家競爭，而且在市場份額上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我國自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關計劃的重點項目以后，以大連化學物理研究所為牽頭單位，在全國范圍內(nèi)全面開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進展，相繼組裝了多臺百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車已研制成功，現(xiàn)已開發(fā)出200瓦電動自行車用燃料電池系統(tǒng)。百瓦級移動動力源和5kW移動通訊機站動力源也已開發(fā)成功。千瓦級電池系統(tǒng)作為動力源，已成功地進行了應用試驗。由6臺5kW電池組構成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國首臺燃料電池輕型客車動力源。裝車電池最大輸出功率達46千瓦。目前該車最高時速達60.6km/h，為燃料電池電動汽車以及混合動力電動汽車的發(fā)展打下良好的基礎。該電池堆整體性能相當于奔馳、福特與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的水平[3]。我國目前正在進行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開發(fā)和燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)集成的研究。
在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）方面，我國已經(jīng)研制出α和γ型偏鋁酸鋰粗、細粉料，制備出大面積（大于0.2m2）的電池隔膜，預測隔膜壽命超過3萬小時。在進行材料部件研究的基礎上，成功組裝和運行了千瓦級電池組。
在固體氧化物燃料電池（SOFC）技術方面，已經(jīng)制備出厚度為5-10μm的負載型致密YSZ電解質(zhì)薄膜，研制出一種能用作中溫SOFC連接體的Ni基不銹鋼材料。負載型YSZ薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達到0.4W/cm2,負載型LSGM薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達到0.8W/cm2。這些技術創(chuàng)新為研制千瓦級、十千瓦級中溫固體氧化物燃料電池發(fā)電技術的研發(fā)奠定了堅實基礎。
2，國外燃料電池技術發(fā)展迅猛
燃料電池是新世紀最有前途的清潔能源，是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇。因此，燃料電池技術的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視。美國將燃料電池技術列為涉及國家安全的技術之一，《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術之首；日本政府認為燃料電池技術是21世紀能源環(huán)境領域的核心；加拿大計劃將燃料電池發(fā)展成國家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來，國外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過50億日元[4]。
歐、美發(fā)達國家和日本等國政府和企業(yè)界都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，并且已取得了許多重要成果，PEMFC技術已發(fā)展到實用階段，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，用于國防、航天、汽車、醫(yī)院、工廠、居民區(qū)等方面；各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成，其中，國際燃料電池產(chǎn)業(yè)巨頭加拿大巴拉德公司籌資3.2億美元，建成的燃料電池廠已于2001年2月正式投產(chǎn)。美國和歐洲將成批生產(chǎn)低成本的家用供電－供暖燃料電池作為最近的開發(fā)計劃。目前，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正快速進入工業(yè)化規(guī)模應用的階段。
目前，車用氫燃料電池已成為世界各大汽車公司技術開發(fā)的重中之重。迄今為止，世界6大汽車公司在開發(fā)氫燃料電池車上的開發(fā)費用已超過100億美元，并以每年10億美元的速度遞增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的車用燃料電池就達41種。
3，我國開發(fā)燃料電池技術相對乏力
我國研究燃料電池有過起落。在20世紀60年代曾開展過多種燃料電池的實驗室研究，70年入大量人力物力開展用于空間技術的燃料電池研究，其后研究工作長期停頓。最近幾年，我國才開始重新重視燃料電池技術的研究開發(fā)，并取得很大進展。特別在PEMFC方面，達到或接近了世界水平。但是，在總體上，我國燃料電池的研究開發(fā)剛剛起步，仍處于科研階段，與國外相比，我國的燃料電池研究水平還較低，我國對燃料電池的組織開發(fā)力度還遠遠不夠。作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，開發(fā)以煤作為一次能源的高溫型MCFC和SOFC具有特別重要的意義。但是我國在MCFC、SOFC研究方面與國外的差距很大，要實現(xiàn)實用化、商業(yè)化應用還有很長的路要走。迄今為止，我國還沒有燃料電池發(fā)電站的應用實例。這和我國這樣一個大國的地位很不相稱。盡管國家也將燃料電池技術列為"九五"攻關項目，國家和企業(yè)投入的資金卻極為有限，年度經(jīng)費僅為千萬元量級人民幣，與發(fā)達國家數(shù)億美元的投入相比顯得微不足道；承擔研究任務的也只是中科院等少數(shù)科研院所，且研究力量分散，缺少企業(yè)的介入，難以取得突破性進展，尤其是難以將取得的研究成果進行實際應用試驗，以形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。從表1所列國外燃料電池的研究和開況看，歐、美國家和日本等大多是以公司企業(yè)為主在從事燃料電池的研究開發(fā)和制造生產(chǎn)，而且規(guī)模很大，例如，僅加拿大的Ballard一家公司的資產(chǎn)就達10億美元。
4，大力發(fā)展燃料電池技術勢在必行
從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢頭看，本世紀頭十年將是燃料電池發(fā)電技術商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術實用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。預計燃料電池系統(tǒng)將在潔凈煤燃料電池電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應用前景，潛在市場十分巨大。可以預料，分散電源供電系統(tǒng)——燃料電池發(fā)電廠必將在21世紀內(nèi)取代以“大機組、大電網(wǎng)、高電壓”為主要特征的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，成為電力行業(yè)的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應用，必將在能源及相關領域引發(fā)一場深刻的革命，促進新興產(chǎn)業(yè)的形成，帶動國民經(jīng)濟高速發(fā)展。能源領域的這場革命是我國政府、企業(yè)、科研院所、高等院校不得不正視的課題，我們對此必須有充分認識并給予足夠的重視。我們應該準確把握這場革命所帶給我們的機遇，毫不遲疑地投入足夠的人力、物力、財力，推動燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)和應用工作，使之早日實用化產(chǎn)業(yè)化，為我國的國家能源安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務。
篇3
微生物燃料電池（Microbial fuel cells， MFCs）是一種新興的高效的生物質(zhì)能利用方式，它利用細菌分解生物質(zhì)產(chǎn)生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優(yōu)點。因此MFCs逐漸成為現(xiàn)今社會的研究熱點之一。
1 微生物燃料電池的工作原理
圖1是典型的雙室結構MFCs工作原理示意圖，系統(tǒng)主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質(zhì)子交換膜構成。陽極室中的產(chǎn)電菌催化氧化有機物，使其直接生成質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物，氧化過程中產(chǎn)生的電子通過載體傳送到電極表面。根據(jù)微生物的性質(zhì)，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質(zhì)。陽極產(chǎn)生的H+透過質(zhì)子交換膜擴散到陰極，而陽極產(chǎn)生的電子流經(jīng)外電路循環(huán)到達電池的陰極，電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下，與陰極室中的電子接受體結合，并發(fā)生還原反應[1]。
下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應完成后葡萄糖完全被氧化[2]。
2 微生物燃料電池的分類
目前為止，MFCs的分類方法沒有統(tǒng)一標準，通常有以下幾種分類方法。
（1）基于產(chǎn)電原理進行分類，包括氫MFCs、光能自養(yǎng)MFCs和化能異養(yǎng)MFCs。氫MFCs的原理是利用微生物制氫，同時利用涂有化學催化劑的電極氧化氫氣發(fā)電；光能自養(yǎng)MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接將光能轉化為電能；而化能異養(yǎng)MFCs則是在厭氧或兼性微生物的作用下，從有機底物中提取電子并轉移到電極上，實現(xiàn)電力輸出[3]。
（2）基于電池構型進行分類，包括單極室微生物燃料電池、雙極室微生物燃料電池和多級串聯(lián)MFCs。圖1中的微生物燃料電池即為雙極室結構，電池通過質(zhì)子交換膜分為陽極室和陰極室兩個極室。單極室MFCs則以空氣陰極MFCs為主，將陰極與質(zhì)子交換膜合為一體，甚至是去除質(zhì)子交換膜。為了提高產(chǎn)電量，將多個獨立的燃料電池串聯(lián)，就形成了多級串聯(lián)MFCs[4]。
（3）基于電子轉移方式分類，包括直接微生物燃料電池和間接微生物燃料電池兩類。直接微生物燃料電池是指底物直接在電極上被氧化，電子直接由底物分子轉移到電極，生物催化劑的作用是催化在電極表面上的反應。間接微生物燃料電池的底物不在電極上氧化，而是在電解液中或其它地方發(fā)生氧化后，產(chǎn)生的電子由電子介體運載到電極上去[5]。
（4）基于電子從細菌到電極轉移方式進行分類，可分為有介體MFCs和無介體MFCs兩類。電子需要借助外加的電子中介體才能從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉移到陽極，這類為有介體MFCs。某些微生物可在無電子傳遞中間體存在的條件下，吸附并生長在電極的表面，并將電子直接傳遞給電極，這稱為無介體MFCs。
3 電池性能的制約因素[6～7]
迄今為止，MFCs的性能遠低于理想狀態(tài)。制約MFC性能的因素包括動力學因素、內(nèi)阻因素和傳遞因素等。
動力學制約的主要表現(xiàn)為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率[8]。內(nèi)電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質(zhì)子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內(nèi)阻。不用質(zhì)子交換膜也可以大大降低MFC的內(nèi)阻，這時得到的最大功率密度為有質(zhì)子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題[9]。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應物到微生物活性位間的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。
另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對微生物燃料電池內(nèi)的物質(zhì)傳遞有影響[10]。
4 微生物燃料電池的應用
（1）廢水處理與環(huán)境污染治理。
微生物燃料電池可以同步廢水處理和產(chǎn)電，是一種廢水資源化技術。把MFC用于廢水處理是其最有前景的一個應用方向，也是當前微生物燃料電池的研究熱點之一。同時，在生物脫氮、脫硫、重金屬污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽視的作用。
（2）海水淡化。
普通的海水淡化處理技術條件苛刻，需要高壓、高效能的轉化膜，有的還要消耗大量的電能，故不能大規(guī)模的處理，并且成本較高，難以有效地解決海水淡化問題。如果找到一種高效的產(chǎn)電微生物和特殊的PEM交換膜，那么MFC，就可以達到海水淡化的目的，而且具有能耗低，環(huán)保和可持續(xù)的優(yōu)點。利用MFC淡化海水也將成為具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较騕11]。
（3）便攜式電源。
微生物燃料電池能夠利用環(huán)境中自然產(chǎn)生的燃料和氧化劑變?yōu)殡娔埽糜谔娲Ｒ?guī)能源。可以為水下無人駕駛運輸工具、環(huán)境監(jiān)測設備的長期自主操作提供電源。
（4）植物MFCs。
通過光合作用，植根在陽極室的綠色植物將二氧化碳轉換為碳水化合物，在根部形成根瘤沉積物；植物根系中的根瘤沉積物被具有電化學活性的微生物轉化為二氧化碳，同時產(chǎn)生電子。這種植物MFCs能夠原位將太陽能直接轉換為電能[12]。
（5）人造器官的動力源[13]。
微生物燃料電池可以利用人體內(nèi)的葡萄糖和氧氣產(chǎn)生能量。作為人造器官的動力源，需要長期穩(wěn)定的能量供給，而人體內(nèi)源源不斷的葡萄糖攝入恰好可以滿足MFC作為這種動力源的燃料需要。
5 微生物燃料電池技術研究展望
MFCs技術正在不斷成長并且已經(jīng)在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術還沒有實現(xiàn)真正的大規(guī)模實際應用。基于其產(chǎn)電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點。
（1）深入研究并完善MFCs的產(chǎn)電理論。MFCs產(chǎn)電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴重制約了MFCs的實際應用。MFCs中產(chǎn)電微生物的生長代謝過程，產(chǎn)電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質(zhì)是今后的研究重點[14]。
（2）篩選與培育高活性微生物。目前大多數(shù)微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應用的目的，需要尋找自身可產(chǎn)生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結合電子傳遞化合物質(zhì)的微生物。今后的研究應致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生。
（3）優(yōu)化反應器的結構。研究與開發(fā)單室結構和多級串聯(lián)微生物燃料電池。利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質(zhì)子的材料作為陰極[15]。
（4）改進或替代質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜的質(zhì)量與性質(zhì)直接關系到微生物燃料電池的工作效率及產(chǎn)電能力。另外，目前所用的質(zhì)子交換膜成本過高，不利于實現(xiàn)工業(yè)化。今后應設法提高質(zhì)子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池[16]。
6 結語
MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，并已逐步顯現(xiàn)出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應用[17]。
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1. 分布式電源
當今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(IC)、微型燃氣輪機（Microtur_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“小機組”已不是同一概念。
1.1 微型燃氣輪機
微型燃氣輪機（Micro Turbine），是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉速為96 000 r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機，工作溫度500 ℃，其發(fā)電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術關鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術的突破常常取決于材料科學的進步。
1.2 燃料電池
燃料電池是直接把燃料的化學能轉換為電能的裝置。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世紀的分布式電源。
1.2.1 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程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉變?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)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質(zhì)到達陽極與氫離子結合成水，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，無須配備重整器。磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術成熟、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的設備及便攜式250 kW等各種設備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700 ℃）下，重整反應可以在內(nèi)部進行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進行兆瓦級的驗證試驗。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車電源。
1.2.2 性能和特點
燃料電池有以下優(yōu)點：（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100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達58.4%。通過熱電聯(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到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無關，小型設備也能得到高效率。（2）處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1 s內(nèi)跟隨50%的負荷變化。(3)噪音低；可以實現(xiàn)實際上的零排放；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)模應用的障礙是造價高，在經(jīng)濟性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。
1.2.3 技術關鍵和研究課題
燃料電池的技術關鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業(yè)化有關的項目，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的大型化及實用化受到限制。需要解決電池構成材料的腐蝕；電極細孔構造變化使電池性能下降等問題。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，對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩(wěn)定和致密性（不通過氣體）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，應盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結法和電化學蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。實用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05 mm。比較先進的已達到0.01 mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應當有足夠的機械強度外，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，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造價就可以大幅度降低。
2. 大功率電力電子技術的應用硅片引起的“第
2.1 大功率電力電子器件的重大進展
電力電子學（Power Electronics）的應用已經(jīng)有多年的歷史。電力電子學器件用于電力拖動、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術。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。
近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應用于電力的一次系統(tǒng)。可控硅（晶閘管）用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長的歷史。大功率電子器件應用于靈活的交流輸電（FACTS）、定質(zhì)電力技術（Custom Power）以及新一代直流輸電技術則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應用，將成為電力研究前沿。
2.2 靈活交流輸電技術(FACTS)
靈活交流輸電技術是指電力電子技術與現(xiàn)代控制技術結合以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。
篇5
Power Electronics and New Energy Power Generation Technology
Yang Lin
(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)
Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.
Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control
我們已進入21世紀，這是一個全新的時代，經(jīng)濟的高速發(fā)展給人們的生活帶來了很多的便利，但隨之而來的卻是能源的耗竭，原本豐富的能源如今已變得匱乏，并危及到人們未來的生產(chǎn)生活。與此同時，毫無顧忌的能源利用還造成了大氣的嚴重污染，從而又引發(fā)能源危及，這樣的惡性循環(huán)會直接危及到人類的發(fā)展，甚至威脅人類的健康和繁衍。因此，開拓新能源，減少能量源浪費成為當今世界最為關注的話題。
一、新能源的發(fā)電方式
（一）太陽能發(fā)電
太陽能發(fā)電開始于上世紀50年代，當時，第一塊實用的硅太陽電池研制成功，如今，太陽能發(fā)電技術已經(jīng)經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展，其技術也在日益成熟。目前，占主流的太陽電池仍然是硅太陽電池，主要分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。典型的太陽能供電系統(tǒng)結構如圖1所示，太陽電池陣列進行光電轉換，把太陽能變?yōu)殡娔埽儆晒β首儞Q器將太陽電池輸入到直流電中，最后轉換成用戶所要使用的電源模式。根據(jù)用戶的需求，功率變換器可以選擇直流斬波器進行DC/DC變換，或采用逆變器進行DC/AC變換。而功率變換裝置還應包括蓄電池系統(tǒng)，主要是為了平衡電流。如果太陽光充足，可以利用太陽能，并利用蓄電池充電；如果在夜晚或者陽光不充足時，就可以使用蓄電池供電。
（二）風力發(fā)電
如今，風力的主要運用方式就是風力發(fā)電，它的發(fā)展速度最快，也最受全世界關注。風力發(fā)電主要有3種運轉方式：
1.獨立運行方式，利用一臺小型的風力發(fā)電機向需要的用戶提供電能，它還可以通過蓄電池充電，預防無風時影響發(fā)電效果；
2.風力發(fā)電與其他發(fā)電方式相結合的聯(lián)合供電方式，主要向交通不便或偏遠山區(qū)供電，以及地廣人稀的草原牧場提供電力；
3.并網(wǎng)型風力發(fā)電運行方式，將風力發(fā)電網(wǎng)安裝在條件較好的地區(qū)，常常是一處風場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發(fā)電機，這也是風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。風力發(fā)電機組在不同風速的條件下運行，其發(fā)電機輸出的電壓的幅值和頻率是變化的，所以，通常要配置電力電子功率變換器，通過這種裝置控制電流，保證輸出的電壓是平衡穩(wěn)定的。
（三）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)
燃料電池（Fuel Cell）是將反應物如氫氣等的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。它通過燃料（通常是氫氣）和氧氣結合所發(fā)生的光電反應來發(fā)電。燃料電池發(fā)展了這么久，根據(jù)電介質(zhì)的不同，主要分為5種燃料電池：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔鹽燃料電池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
實際上，燃料電池也有其優(yōu)點，例如：發(fā)電效率高：發(fā)熱少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料電池發(fā)電主要集中在以下幾個方面：燃料電池特性研究；燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構和高效功率變換的研究；能量管理技術；孤島檢測和保護技術，并網(wǎng)電流控制；并網(wǎng)運行與獨立運行之間的無縫切換控制技術。
燃料電池所輸出的電壓會隨著電壓的變化，發(fā)生較大范圍的變化。燃料電池的輸出電壓在負載發(fā)生突變時還要經(jīng)過一段時間才能停止反應，對于質(zhì)子交換模燃料電池響應延遲達2秒。因此，燃料電池一般與負荷動態(tài)的具體要求無法很好的匹配。
二、電力儲能技術
可再生能源發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能主要還存在無法預測的周期性變化，例如風能、光伏發(fā)電等，如果將其電能直接輸入普通電網(wǎng)，將會對電流帶來不良影響，而電力儲備裝置就可以平衡能源發(fā)電輸入與電網(wǎng)之間的矛盾。電力儲能技術有蓄水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能等它們都各具特點，各有優(yōu)勢，但它們的正常運行主要是依靠電子電力技術。
蓄水儲能與壓縮空氣儲能主要是對電力高峰期進行調(diào)節(jié)，但是對地理條件的要求較高。電池儲能的精密性高，需要在技術成熟的條件下進行，理論上可以用于電力調(diào)峰，單電池使用壽命有效，這成為蓄電技術的難點。飛輪儲能的儲能量有限，運行復雜，一般用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。
三、電能質(zhì)量控制
（一）電源諧波檢測和分析技術
諧波的測量和分析都是以思想諧波治理為前提條件的，精準的諧波測量和分析可以為諧波的治理提供準確的依據(jù)。自提出快速傅里葉變換算法（FFT）以來，基于傅里葉變換的諧波測量得到了普遍應用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，不然就會嚴重影響其效果。因此，怎樣減少因同步偏差而引起的測量誤差成為電子電力技術人員迫切要解決的難題。
（二）電能質(zhì)量控制和管理
首先，電能質(zhì)量的控制和管理主要包含功率因數(shù)校正和濾波器設計，由于傳統(tǒng)的無源濾波器體積和重點都很大，還需要對不同的頻率進行設計，而功率因數(shù)較技術正是提高功率因數(shù)和降低諧波污染的重要途徑。如今，電能質(zhì)量控制和管理的研究重點在與PFC控制技術上，比如：單開關、多開關以及軟開關三相PFC電路的研制，軟開關技術與PFC技術的融合已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢，雖然目前的PFC產(chǎn)品受到功率的限制，但應用于分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)卻是重要機遇。
四、總結
綜上所述，隨著科技的發(fā)展，新能源的開拓和使用技術越來越成熟，但是，要真正做好新能源發(fā)電技術，還需要從解決先存的各種問題，因此，電子電力技術人員應在在電氣、電子、控制和信息等工程技術領域加強合作研究，通過系統(tǒng)集成和技術融合，實現(xiàn)各種技術的突破，我相信，我們一定可以克服各種困難，迎來新能源造福人類的燦爛明天。
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1陶瓷膜技術發(fā)展概況
陶瓷膜也稱CT膜，是固態(tài)膜的一種，最早由日本的大日本印刷公司和東洋油墨公司在1996年開發(fā)引入市場。2004年7月，北美陶瓷技術公司順利完成了其價值超過500萬美元的新型雙磨盤研磨機的組裝，該設備在制備超薄陶瓷膜的生產(chǎn)技術上首屈一指，這同時也使得公司在制備超平、超完整陶瓷膜上的技術大大提升。
2陶瓷膜的廣泛應用
2.1提純用陶瓷過濾膜
2004年8月，由北京邁勝普技術有限公司與山東魯抗醫(yī)藥有限公司研制的陶瓷膜過濾系統(tǒng)用于某種抗生素的分離提純獲得成功，這不僅優(yōu)化了此種抗生素的生產(chǎn)工藝，而目使抗生素收率提高15%，這是我國首次將陶瓷膜技術運用于抗生素生產(chǎn)。抗生素的分離提純，必須經(jīng)過對發(fā)酵液的過濾和對濾出的藥液進行樹脂交換。目前，許多抗生素生產(chǎn)企業(yè)對氨基糖苷類抗生素發(fā)酵液的分離提純均采用真空轉鼓過濾器，這種工藝需先將發(fā)酵液酸化調(diào)至一定的pH值，然后用敷設助濾劑層的真空轉鼓過濾器進行預過濾，再用板框進行復濾及樹脂交換。采用這種工藝不僅過程繁瑣，而目有效成分收率低，僅過濾和樹脂交換過程的收率損失達30%。
2.2鍍陶瓷包裝膜
在食品包裝領域，近年越來越引人注目的是具有高功能性和良好環(huán)保適應性的透明鍍陶瓷膜。這種膜盡管目前價格較高，物理性能還有待進一步改進，但可預期在不遠的將來它將在食品包裝材料中占據(jù)重要的地位。陶瓷膜的加工鍍膜方法與通常的鍍金屬方法相似，基本上按我們己知的加工法進行。鍍陶瓷膜由PET（12μm）陶瓷（Si0x）組成。氧化硅能分成4類，即Si0，Si304，Si203，Si02。對這種膜的主要要求是具有良好的透明度、極佳的阻隔性、優(yōu)良的耐蒸煮性、較好的可透過微波性與良好的環(huán)境保護性以及良好的機械性能[2]。
鍍陶瓷膜首先用作細條實心面的調(diào)味品包裝材料。其優(yōu)良的包裝性能引起了人們的注意。由于這種膜保味性極佳，因此，尤其適合于包裝易升華產(chǎn)品，如茶（樟腦）之類的易揮發(fā)材質(zhì)。由于其極好的阻隔性，除了作為高阻隔性包裝材料和作食品包裝材料用外、預計還可用在微波容器上作為蓋材，在調(diào)味品、精密機械零配件、電子零件、藥物和醫(yī)藥儀器等方而作為包裝材料。隨著加工技術的進一步發(fā)展，如果這種膜在成本上大幅下降，那么它將得到迅速推廣和應用。
2.3 燃料電池陶瓷膜
我國“863”計劃固體氧化物燃料電池（SOFC）項目經(jīng)過對新型中溫固體氧化物陶瓷膜燃料電池的長期研制，把陶瓷膜制備技術開拓應用于SOFC的制作，把通常SOFC的高溫（1000-900℃）拓延到中溫階段（700-500℃）。目前中國科技大學無機膜研究所己經(jīng)研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質(zhì)的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內(nèi)阻，提高了有用功率的輸出，不需要高溫的條件下實現(xiàn)了中溫化，操作溫度降到700-500℃[4]。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優(yōu)點，同時降低了成本。此類陶瓷膜燃料電池具有廣闊的應用前景[5]。
結束語
陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，其發(fā)展可分為3個階段：用于鈾的同位素分離的核工業(yè)時期，于20世紀80年代建成了膜面積達400萬平方米的陶瓷膜的富集256UF6工廠，以無機微濾膜和超濾膜為主的液體分離時期和以膜催化反應為核心的全面發(fā)展的時期。
總之，隨著科學技術的發(fā)展，陶瓷膜作為一種新型的材料，在各行各業(yè)的領域中，發(fā)揮著巨大的作用。其前景也越來越廣闊。
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根據(jù)我國《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)則》，新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車包括混合動力汽車、純電動汽車（包括太陽能汽車）、燃料電池汽車、氫發(fā)動機汽車、其他新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產(chǎn)品。
二、國際新能源汽車發(fā)展態(tài)勢分析
（一）發(fā)展環(huán)境分析
1．能源危機成為新能源汽車發(fā)展的動力。石油資源的日益枯竭和石油價格的巨幅波動，不僅對世界各國經(jīng)濟造成了重要影響，更引起各國汽車產(chǎn)業(yè)的深刻變革：大排量、高油耗的汽車不再受到大多數(shù)消費者的青睞，燃油節(jié)約型汽車逐漸成為汽車市場的主流。世界各國欲借發(fā)展新能源擺脫其對石油的依賴發(fā)展趨勢，逐步形成了新的世界經(jīng)濟增長模式。
2．金融危機提供新能源汽車發(fā)展的機遇龍源期刊。全球金融危機的爆發(fā)給新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了新的機遇。為了擺脫經(jīng)濟低谷，拉動經(jīng)濟復蘇，獲得市場[1]競爭先機，并使自己在未來的產(chǎn)業(yè)競爭格局中占據(jù)有利位置，發(fā)展新能源汽車成為世界各大汽車企業(yè)共同的戰(zhàn)略選擇。
3．環(huán)境污染呼喚新能源汽車時代的到來。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為城市的污染源之一。汽車尾氣主要成分是CO、HC、NOX和顆粒物等，在城市中心，交通排放的CO形成的污染物濃度占CO總濃度的90%～95%，HC和NOX占80%～90%，而這些排放物正是造成地球氣候變暖的重要原因之一。
4．技術變革促進新能源汽車的研發(fā)和生產(chǎn)。除了常規(guī)的化石能源（煤、石油）以外，新能源與可再生能源（太陽能、風能、水能、生物能等）的開發(fā)和利用比例逐漸提高，并由此產(chǎn)生了相應的多種新技術。能源的多樣化發(fā)展給汽車新技術的應用帶來了無限可能，各類新能源汽車的研發(fā)和生產(chǎn)必然會將汽車產(chǎn)業(yè)領域延伸、拓展到更加廣泛的產(chǎn)業(yè)范疇。
（二）發(fā)展特點分析
新能源汽車在全球剛剛起步，代表著汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。混合動力作為新型汽車能源動力技術共性平臺發(fā)展趨勢，繼承了先進內(nèi)燃機技術，結合了高效潔凈的電力驅(qū)動方式，既充分利用現(xiàn)有燃料基礎設施，又能包容各種代用燃料，已成為新型動力系統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)化的典型代表，開始大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，其中插電式混合動力汽車越來越受到重視；純電動汽車借助各種高新技術特別是新型動力電池技術的進步找到了新的發(fā)展機遇，開始進入市場，并有快速增長的趨勢；燃料電池作為一種新興能量轉換裝置，盡管目前還存在很多需要克服的技術障礙，但其作為新一代汽車能源動力系統(tǒng)的遠期解決方案仍然被看好，各種資助和示范驗證正在進行，真正進入市場將還有一個較長的時期；代用燃料汽車可以用天然氣、液化石油氣、生物柴油、合成燃料、醇類燃料、醚類等多種清潔替代能源，成為解決石油資源短缺的重要途徑。
（三）發(fā)展戰(zhàn)略比較
美國長期側重降低石油依賴、確保能源安全的戰(zhàn)略發(fā)展趨勢，將發(fā)展新能源汽車作為交通領域?qū)崿F(xiàn)根本上擺脫石油依賴的重要措施，并以法律法規(guī)的形式確定其戰(zhàn)略定位。美國從20世紀80年代起在不同的階段提出了不同的車用能源發(fā)展戰(zhàn)略，克林頓時期以提高燃油經(jīng)濟性為目標，混合動力是其主要的技術解決方案；布什時期追求零排放和對石油的零依賴，氫燃料電池汽車是其主要的技術解決方案，后期還計劃用10年時間實現(xiàn)20%的石油替代和節(jié)約，主要措施是使用生物質(zhì)燃料；近期奧巴馬大力發(fā)展電動汽車，實施了總額48億美金的動力電池以及電動汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化計劃，其中40億美金用于動力電池的研發(fā)。
日本長期堅持確保能源安全、提高產(chǎn)業(yè)競爭力的雙重戰(zhàn)略，通過制訂國家目標引導新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時高度重視技術創(chuàng)新龍源期刊。日本在2006年“新國家能源戰(zhàn)略”中明確提出，通過改善和提高汽車燃油經(jīng)濟性標準、推進生物質(zhì)燃料應用、促進電動汽車應用等途徑，到2030年交通領域?qū)κ偷囊蕾嚹軌蚪档?0%。重視生物燃料和燃料電池等技術開發(fā)，擬在2011年單年度生產(chǎn)生物燃料5萬千升發(fā)展趨勢，計劃在五年內(nèi)斥資2090億日元開發(fā)以天然氣為原料的液體合成燃料技術、車用電池，以及氫燃料電池科技。近期又將大力發(fā)展電動汽車作為低碳革命的重要內(nèi)容，計劃到2020年以電動汽車為主體的下一代汽車能夠達到1350萬輛。日本的混合動力汽車已形成產(chǎn)業(yè)化，豐田、本田、日產(chǎn)等日本廠商的混合動力汽車不僅在國內(nèi)熱銷，在國際市場上也令其他國家廠商望其項背。
歐洲更加側重于溫室氣體減排戰(zhàn)略，將滿足日益嚴格的二氧化碳排放限制要求作為發(fā)展新能源汽車的主要驅(qū)動力。歐洲新能源汽車發(fā)展的主要目標在早期以生物質(zhì)燃料和天然氣為主，在本世紀初期提出到2020年實現(xiàn)23%的石油替代，主要是生物質(zhì)燃料、CNG以及氫燃料，但近期對于電動汽車給予高度關注。歐洲在發(fā)展電動汽車方面起步較晚，但是國家規(guī)劃非常細致、系統(tǒng)，從基礎研發(fā)做起，分階段從研發(fā)產(chǎn)業(yè)化、基礎設施方面給予統(tǒng)籌布局。2009年下半年德國的電動汽車計劃以純電動汽車為重點，分別提出了2015年、2020年的產(chǎn)業(yè)化和市場化的發(fā)展目標。
（四）產(chǎn)業(yè)政策分析
上世紀90年代以來，美日歐等國先后出臺了一系列法律、規(guī)劃、政策文件發(fā)展趨勢，加強了對形成本國電動汽車產(chǎn)業(yè)的有效支持，主要體現(xiàn)在以下幾方面：高度重視產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)期的政策扶持；主要采用稅收和補貼等政策支持措施；稅收、補貼政策往往與油耗控制政策及尾氣排放控制政策相結合；注重加強對降低整車重量的政策引導。2008年國際金融危機爆發(fā)以來，世界各國加強了對本國汽車產(chǎn)業(yè)的扶持力度，尤其是針對培育形成本國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)出臺了一系列扶持政策，關注點重在兩個方面：大力支持先進電池等技術的研發(fā)和鼓勵購買電動汽車。
2009年1月，韓國頒布“新增長動力規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略”，將綠色技術、尖端產(chǎn)業(yè)融合、高附加值服務等三大領域共17項新興產(chǎn)業(yè)確定為新增長動力，在綠色運輸系統(tǒng)方面，提出重點開發(fā)油電混合動力汽車等自主核心技術，實現(xiàn)關鍵零部件和材料國產(chǎn)化，2013年進入綠色汽車世界4強。2009年9月，美國“美國創(chuàng)新戰(zhàn)略：推動可持續(xù)增長和高質(zhì)量就業(yè)”，提出撥款20億美元，支持汽車電池技術等的研發(fā)和配件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展發(fā)展趨勢，盡快生產(chǎn)出全球最輕便、最廉價和最大功效的汽車電池，使美國電動汽車、生物燃料和先進燃燒技術等站在世界前沿。
2009年4月1日，日本開始實施“綠色稅制”，免除消費者在購買純電動汽車、混合動力汽車、清潔柴油汽車時的多項稅收，還提出在2009年11月后的一年時間里再提供2300億日元左右的資金用于支持節(jié)能環(huán)保車型的補貼龍源期刊。2009年7月1日，美國政府提出了總額10億美元的“汽車折價退款機制”——以舊換新補貼政策，計劃為期一年；“美國創(chuàng)新戰(zhàn)略：推動可持續(xù)增長和高質(zhì)量就業(yè)”提出，為鼓勵消費者購買電動汽車，美國政府將提供總額高達7500億美元的稅收抵免。英國政府在2010年度預算案中提出“綠色復蘇”計劃，其核心是挑選2～3個城市作為僅適用電動汽車的純綠色城市，重點推動普及電動汽車；在全國范圍內(nèi)建立一個充電網(wǎng)絡，保證電動汽車能在路邊充電站及時充電；對放棄污染較高舊車、購買清潔能源車的消費者，提供每車2000英鎊的補貼。
（五）發(fā)展趨勢分析
在車用動力電池領域，混合動力和純電動車用動力電池負責儲存并為電動機提供電能發(fā)展趨勢，其性能、成本和安全性很大程度上決定著混合動力汽車和純電動汽車的發(fā)展進程。從當前的技術水平以及發(fā)展趨勢來看，鎳氫電池是目前應用最為廣泛的車用動力電池，由于其技術成熟度和成本上的優(yōu)勢，在短期內(nèi)仍將是混合動力汽車的首選動力。鋰離子電池具有無記憶性、低自放電率、高比能量、高比功率、環(huán)保等諸多優(yōu)點，應用前景較好，一旦成本問題得到解決，將成為純電動汽車和插電式混合動力汽車的主要動力選擇。
在車用驅(qū)動電機領域，永磁無刷電動機結構靈活、設計自由度大、性能較好，適合成為電動汽車高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動，已經(jīng)在混合動力轎車上進行較多應用，但是受永磁材料工藝影響和限制較大，而且控制系統(tǒng)復雜，造價很高；開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，結構簡單、維護修理容易、可靠性好、轉速和效率高、調(diào)速范圍寬、控制靈活發(fā)展趨勢，如果其技術瓶頸（轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器、結構復雜性較大等）得到突破，將更適合電動汽車動力性能要求，被視為最具潛力的電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)。
電子控制技術在新能源汽車中發(fā)揮著極其重要的作用，應用在汽車的各個領域，包括動力牽引系統(tǒng)控制、車輛行駛姿態(tài)控制、車身控制和信息傳送。隨著集成控制技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，汽車電子控制技術已明顯向集成化、智能化和網(wǎng)絡化三個主要方向發(fā)展。
三、國際新能源汽車發(fā)展經(jīng)驗總結
從國際經(jīng)驗看，各國政府都制定和實施了系統(tǒng)的激勵性政策，在發(fā)展規(guī)劃、關鍵技術研發(fā)投入、消費政策、環(huán)境標準、道路交通管理等方面，都為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了寬松的環(huán)境。
1．發(fā)展規(guī)劃制定。美國、日本、韓國、歐盟等根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所處階段的實際需要，制定分階段、分類別發(fā)展規(guī)劃，動態(tài)調(diào)整新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持政策，使電動汽車產(chǎn)業(yè)順利實現(xiàn)由政府推動過渡到市場推動。
2．基礎研究資助。美國、日本、歐盟等地政府組織科研大攻關，協(xié)調(diào)全境范圍內(nèi)甚至全球范圍內(nèi)的政府機構、科研單位、汽車和燃料廠商，對未來新能源汽車技術進行大規(guī)模的基礎研究發(fā)展趨勢，并對新能源汽車的示范運行直接補貼龍源期刊。
3．財稅政策激勵。各國政府通過財稅政策降低消費環(huán)節(jié)新能源汽車的購車成本和使用成本，從經(jīng)濟上激勵消費者購買、使用新能源汽車，主要措施包括：購置稅減免、返還以及直接補貼，許多歐盟國家基于燃油效率和環(huán)保性能制定車輛稅費，針對消費者購置新型、清潔和高能效汽車給予稅收減免；征收燃油稅，歐盟實施高稅率燃油稅激勵消費者選用節(jié)能環(huán)保的先進柴油車。
4．技術法規(guī)限制。美國、日本、歐盟等普遍采用強制性技術法規(guī)限制燃油消耗和尾氣排放，并逐步提高技術標準，促使汽車生產(chǎn)商加大研發(fā)投入，生產(chǎn)新能源汽車。各國和地區(qū)的法規(guī)主要有：美國的CAFE標準和Tier標準、日本燃料經(jīng)濟性標準和尾氣排放標準、歐洲自愿協(xié)議和歐盟尾氣排放標準。
5．交通管理獎罰。為鼓勵新能源汽車的發(fā)展，美國、日本、歐盟等地在交通管理措施中也有所體現(xiàn)，給予新能源汽車交通優(yōu)先和停車免費等獎勵，對高油耗、污染大的汽車采用懲罰性的措施。
參考文獻
[1]陳柳欽.新能源汽車國際路線觀察[J].決策，2010，(10).
篇8
本書采用獨特的方式，融合了最新的技術信息、研究成果和成功示范應用，旨在吸引大量工程師、學生、工程實踐人員、科學家和研究人員，為他們展現(xiàn)可持續(xù)能源技術的最新發(fā)展。
寧圃奇，博士，研究員
（中國科學院電工研究所）
Puqi Ning，Associate Professor
（Institute of Electrical Engineering，CAS）Giovanni Petrecca
Energy Conversion and
Management
2014
http：///book/
篇9
（一）供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。
（二）通信電源設備的更新?lián)Q代
近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，電磁兼容性，消除網(wǎng)側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進步。
（三）現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術
目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優(yōu)缺點。一般認為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發(fā)展趨勢
（一）開關器件的發(fā)展趨勢
電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現(xiàn)代電源技術的繁榮和發(fā)展。
（二）通信直流電源產(chǎn)品的技術發(fā)展市場需求發(fā)展
在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產(chǎn)品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢：
體系架構相當長的一段時間內(nèi)維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當長的時間內(nèi)還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關模式，暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產(chǎn)品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律，一般而言，技術的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術，開關電源技術基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高，未來幾年甚至十幾年內(nèi)，通信直流電源產(chǎn)品將進入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現(xiàn)，通信直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就像開關穩(wěn)壓技術替代線性穩(wěn)壓技術，給電源帶來了革命性的變化。
（三）通信用蓄電池技術研究的新進展
通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應手段，其研制、生產(chǎn)和應用技術一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經(jīng)進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池無可比擬的優(yōu)越性。
1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。
2．燃料電池。燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發(fā)電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經(jīng)過內(nèi)部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產(chǎn)生0.9V電壓的直流電能，同時產(chǎn)生大量的熱能.
3．電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)從以前的單機或小局域系統(tǒng)逐漸發(fā)展至大局域網(wǎng)系統(tǒng)或廣域網(wǎng)系統(tǒng)，大量人力、物力被投入到網(wǎng)絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環(huán)境越來越復雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設備的監(jiān)控管理提出了新的需求，保護通信互聯(lián)網(wǎng)終端的電源設備必須具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡通信能力。此時，數(shù)字化技術就表現(xiàn)出了傳統(tǒng)模擬技術無法實現(xiàn)的優(yōu)勢，數(shù)字化技術的發(fā)展逐步表現(xiàn)出傳統(tǒng)模擬技術無法實現(xiàn)的優(yōu)勢.
4．通信電源的環(huán)保要求。環(huán)保問題，一方面的指標是通信電源的電流諧波要符合要求，降低電源的輸入諧波，不但可以改善電源對電網(wǎng)的負載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網(wǎng)絡設備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環(huán)利用和環(huán)境的無污染，這方面需要產(chǎn)品滿足WEEE/ROHS指令。
在通信電源開發(fā)、生產(chǎn)早期，人們主要集中研究電源的輸出特性，較少考慮到電源的輸入特性。例如：傳統(tǒng)的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路，其輸入電流呈脈沖狀，導通角約為π/3，波峰因數(shù)大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網(wǎng)帶來了嚴重的污染，使電網(wǎng)波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網(wǎng)來說，還很有可能因中性線電流過大而出現(xiàn)不安全隱患。
參考文獻：
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篇10
分布式能源技術的發(fā)展，為中國與世界發(fā)達國家重新回歸同一起跑線創(chuàng)造了一個新機遇，如同手機和家電一樣，它有可能使中國依據(jù)市場優(yōu)勢迅速占據(jù)世界領先地位。
所謂“分布式能源”是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)。一次能源以氣體燃料為主，畢業(yè)論文可再生能源為輔，利用一切可以利用的資源；二次能源以分布在用戶端的熱電冷（植）聯(lián)產(chǎn)為主，其他中央能源供應系統(tǒng)為輔，實現(xiàn)以直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用，并通過中央能源供應系統(tǒng)提供支持和補充；在環(huán)境保護上，將部分污染分散化、資源化，爭取實現(xiàn)適度排放的目標；在管理體系上，依托智能信息化技術實現(xiàn)現(xiàn)場無人職守，通過社會化服務體系提供設計、安裝、運行、維修一體化保障；各系統(tǒng)在低壓電網(wǎng)和冷、熱水管道上進行就近支援，互保能源供應的可靠。分布式能源實現(xiàn)多系統(tǒng)優(yōu)化，將電力、熱力、制冷與蓄能技術結合，實現(xiàn)多系統(tǒng)能源容錯，將每一系統(tǒng)的冗余限制在最低狀態(tài)，利用效率發(fā)壞發(fā)揮到最大狀態(tài)，以達到節(jié)約資金的目的。
分布式能源技術的基礎科學主要在以下幾個方面：
1、動力與能源轉換設備；
2、一次和二次能源相關技術；
3、智能控制與群控優(yōu)化技術；
4、綜合系統(tǒng)優(yōu)化技術；
5、資源深度利用技術。
動力與能源轉換設備：
主要是指一些基于傳統(tǒng)技術的完善和新技術的發(fā)展。
（1）小型燃氣輪機——在小型航空渦輪發(fā)動機技術的基礎上，實現(xiàn)地面發(fā)電和供熱的聯(lián)產(chǎn)技術。目前中國在這一技術上已經(jīng)可以開發(fā)相應產(chǎn)品，主要的問題是需要提高設備的能源轉換效率，提高可靠性，延長設備檢修周期，提高設備的自動智能控制水平；
（2）微型燃氣輪機——這是基于汽車發(fā)動機增壓渦輪技術的延伸，關鍵技術在于精密鑄造和燒結金屬陶瓷轉子，空氣或磁懸浮軸承，高效回熱利用技術，永磁發(fā)電技術，可控硅變頻控制技術等。由于技術層次并不高，其中許多項目已經(jīng)有專家在研究，只要國家真正重視，中國完全可以趕超世界先進水平；
（3）燃氣內(nèi)燃機——內(nèi)燃機技術對于中國已經(jīng)非常成熟，但是燃氣內(nèi)燃機的制造水平與國際先進設備還存在比較大的差距，主要是轉換效率、排放控制、電子控制和設備大修周期等，此外，國外正在發(fā)展的預燃、回熱、增壓渦輪技術，以及電子變頻等技術，都是發(fā)展的重要方向；
（4）斯特林發(fā)動機——外燃式斯特林技術中國已經(jīng)有了比較大的突破，上海711所已經(jīng)可以生產(chǎn)該技術的產(chǎn)品，目前主要是提高設備可靠性和發(fā)電效率，以及自動化控制水平；
（5）燃料電池——該技術有質(zhì)子交換膜、固體氧化物、熔融硅酸鹽和氫氧重整等多種技術方式，該技術應用極為廣泛，污染極小，而且可以同燃氣輪機技術整合，發(fā)電效率將可能達到80%，是未來最具有發(fā)展價值的技術；
（6）微型蒸汽輪機——蒸汽輪機是非常傳統(tǒng)的技術，但是利用一部噪音小、振動小、運行方便可靠的小型蒸汽輪機代替熱交換器，將其中一部分能量轉換為價值較高的電能，或者利用蒸汽管網(wǎng)中較低品位的蒸汽為制冰機組提供低溫冷能，可以更好地利用蒸汽中的能量；
（7）微型水輪機和微型抽水蓄能電站——小型、微型水輪機組不僅可以在任何有水位落差的地方使用，而且可以廣泛利用在分布式能源項目上。利用自來水管網(wǎng)的水能壓力，或者建筑物可能產(chǎn)生的落差進行發(fā)電，并在用電低谷進行抽水蓄能，新型的微型水輪發(fā)電機組將何以采用電子變頻控制技術，調(diào)整電能品質(zhì)；
（8）太陽能發(fā)電和太陽熱發(fā)電——利用太陽能量的發(fā)電技術，關鍵是降低成本，同時需要研究與其他能源利用方式和載體進行整合，將太陽熱發(fā)電與沼氣利用整合，將光伏電池與建筑材料整合，利用光導纖維與照明技術整合等等；
（9）風能——風力發(fā)電是世界能源發(fā)展的一個重要方向，在大型風場大量利用大型風機發(fā)電將何以代替現(xiàn)有的火力發(fā)電系統(tǒng)，但是對于居住分散的用戶小型高效的風力發(fā)電系統(tǒng)更加具有普及意義，小型風力發(fā)電系統(tǒng)主要需要解決的是成本、可靠性和蓄能問題；
（10）余熱制冷系統(tǒng)——利用動力機產(chǎn)生的余熱供熱制冷是分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，尤其是制冷，可以采用吸收式制冷，也可以采用吸附式，以及余熱——動力轉換——低溫制冷等技術，這些技術均比較成熟，關鍵是系統(tǒng)的集成和提高效率，以及降低造價等問題；
（11）熱泵——利用地源、水源和其他溫差資源的能源利用技術，重點在于提高效率和增強于其他能源利用技術的整合能力；
（12）能量回收系統(tǒng)——諸如將建筑物內(nèi)電梯下行、汽車制動、自來水減壓等能量回收的技術以及應用設備的研發(fā)。
與分布式能源系統(tǒng)相關的一次和二次能源相關技術：
（1）天然氣系統(tǒng)的優(yōu)化利用，以及管道輸送技術；
（2）液化天然氣的生產(chǎn)和利用——分散化的液化天然氣生產(chǎn)技術可以充分利用石油開采中的伴生氣資源，減少溫室氣體排放，提高資源的綜合利用率，液化天然氣利用中對于冷能的有效利用可以有效節(jié)能等等，在液化天然氣利用中，將產(chǎn)生大量的新課題；
（3）煤層氣和礦井瓦斯利用，世界上可能有60%以上的礦工是死在中國的礦井里，而瓦斯爆炸是元兇之一，減少礦工死亡和提高煤層氣和礦井瓦斯資源的利用有著密切關聯(lián)，利用煤層氣和礦井瓦斯發(fā)電等技術不僅可以挽救無數(shù)礦工的生命，還能有效減少溫室氣體排放，緩解全球變暖問題；
（4）可燃冰——存在于海底和高寒地區(qū)的天然氣水化合物是人類未來的主要能源，它是為分布式能源系統(tǒng)提供燃料的重要途徑；
（5）煤地下氣化——中國目前有100億噸以上的煤炭資源在開發(fā)過程中被遺棄在地下，如何利用可控地下氣化技術將其變?yōu)闅怏w燃料回收利用是中國煤炭工業(yè)的重要課題；
（6）地熱——利用和開發(fā)地熱資源，將地下低品位熱能轉換為高品位的電能或冷能是技術的關鍵；
（7）深層海水冷能——利用沿海深層海水的低溫資源，解決沿海城市的制冷問題，并降低城市熱島效應；
（8）水能——利用水利資源，特別是小型水電設施解決農(nóng)村以水代柴，保護植被；
（9）沼氣——利用城市垃圾、農(nóng)村廢棄物資源等進行發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)，減少溫室氣體排放，提高資源綜合利用水平；
（10）甲醇——利用煤等礦物資源生產(chǎn)甲醇，以代替石油。甲醇可以滿足燃料電池對氫的需要；
（11）乙醇——利用植物資源生產(chǎn)乙醇，以代替石油和其他礦物燃料，乙醇可以作為燃料直接使用，也可以作為燃料電池的氫分離的原料；
（12）氫——對于氫的利用將決定人類的未來，如何從水中低成本地重整氫氣將是技術的關鍵；
（13）壓縮空氣——利用低估電力或其他能源生產(chǎn)高壓空氣，作為汽車和其他動力設備，以及分布式能源的動力源，主要解決高增壓比壓縮技術、設備小型化、材料和效率等問題。
智能控制與群控優(yōu)化技術：
（1）分布式能源機組和系統(tǒng)自身的智能化控制——解決設備“無人職守”問題，能夠根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)，自動跟蹤電、熱、冷負荷；
（2）分布式能源與載體的信息互動——解決分布式能源系統(tǒng)成為智能化建筑的一個組成部分，與建筑系統(tǒng)的需求進行優(yōu)化整合，提高建筑的能源可靠性和節(jié)能性；
（3）分布式能源機組的聯(lián)合控制——分布式能源采用模塊化組合設計，需要對模塊組合聯(lián)合控制，根據(jù)需求變化進行智能調(diào)節(jié)，決定每一模塊的運行狀態(tài)和模塊之間的調(diào)節(jié)優(yōu)化關系；
（4）遠程遙控——通過電話線、因特網(wǎng)、無線網(wǎng)絡和電源線對設備進行遠程監(jiān)視控制，需要解決安全和協(xié)議統(tǒng)一等問題；
（5）群控優(yōu)化——根據(jù)一個區(qū)域內(nèi)各種用戶對于電力、熱力、制冷等需求的變化，以及燃料、氣溫變化趨勢、蓄能量庫存等等因素，優(yōu)化控制各個用戶的分布式能源系統(tǒng)，以及公共能源系統(tǒng)，進行多系統(tǒng)容錯優(yōu)化，減少冗余，提高各系統(tǒng)的安全性和需求適應性，降低造價，提高效率；
（6）智能電網(wǎng)技術——必須建立電網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)，對于電網(wǎng)特別式近用戶低壓供電電網(wǎng)的信息化控制，流量平衡控制、網(wǎng)內(nèi)分布式能源智能管制系統(tǒng)、智能保護系統(tǒng)等；
（7）信息化計量與結算系統(tǒng)——建立網(wǎng)絡化能源系統(tǒng)的各種能源產(chǎn)品和各個用戶與分布式能源設施擁有者之間、各時段間根據(jù)預約定價進行計量和結算的智能系統(tǒng)；
（8）自動信息系統(tǒng)——對于用戶與臨近用戶能源使用狀態(tài)、用戶與臨近用戶的分布式能源系統(tǒng)伺服狀態(tài)、以及燃料系統(tǒng)和公共能源供應系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息進行，以便智能化建筑、用戶能源管理系統(tǒng)、分布式能源設施、儲能設施、設備運行服務機構、以及燃料供應者和公共電網(wǎng)能夠根據(jù)每一信息源所的實時信息進行狀態(tài)優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)資源共享。
綜合系統(tǒng)優(yōu)化技術：
（1）多種能源系統(tǒng)整合優(yōu)化——將各種不同的能源系統(tǒng)進行聯(lián)合優(yōu)化，例如：將分布式能源與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)整合后，進行聯(lián)合優(yōu)化；或者，將分布式能源系統(tǒng)與冰蓄冷系統(tǒng)整合并進行聯(lián)合再優(yōu)化，將微型燃氣輪機與熱泵系統(tǒng)整合優(yōu)化，以及太陽能與分布式系統(tǒng)的優(yōu)化整合等等，達到取長補短的目的，充分發(fā)揮各個系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢；
（2）將分布式能源與交通系統(tǒng)整合優(yōu)化——利用低谷電力為電動汽車蓄電或燃料電池汽車儲氫等，將燃料電池和混合動力汽車作為電源形成隨著人流移動的電源和供水系統(tǒng)。實現(xiàn)節(jié)約投資經(jīng)費，降低高技術產(chǎn)品使用成本等目的；
（3）分布式能源系統(tǒng)電網(wǎng)接入研究——解決分布式能源與現(xiàn)有電網(wǎng)設施的兼容、整合和安全運行等問題；
（4）蓄能技術——通過蓄能技術的開發(fā)應用，解決能源的延時性調(diào)節(jié)問題，提高能源系統(tǒng)的容錯能力，其中包括蓄電、蓄熱、蓄冷和蓄能四個技術方向。蓄電包括化學蓄電：電池；物理蓄電：飛輪和水能、氣能。蓄熱包括項變蓄熱、熱水、熱油和蒸汽等多種形式。蓄冷：冰和水。蓄能包括物理蓄能：機械蓄能、水蓄能、以及記憶金屬蓄能等多種方式；
（5）地源蓄能技術——利用地下水和土壤將冬季的冷和夏季的熱蓄能儲存，進行季節(jié)性調(diào)節(jié)使用，結合熱泵技術進行直接利用，減少城市熱島效應；
（6）網(wǎng)絡式能源系統(tǒng)——互聯(lián)網(wǎng)式的分布式能源梯級利用系統(tǒng)是未來能源工業(yè)的重要形態(tài)，英語論文它是由燃氣管網(wǎng)、低壓電網(wǎng)、冷熱水網(wǎng)絡和信息共同組成的用戶就近互聯(lián)系統(tǒng)，復合網(wǎng)絡的智能化運行、結算、冗余調(diào)整和系統(tǒng)容錯優(yōu)化；
資源深度利用技術：
（1）天然氣凝結水技術——利用天然氣燃燒后的化學反應結果回收水，解決部分城市水資源緊缺問題；
（2）將分布式能源與大棚結合的技術——將分布式能源系統(tǒng)發(fā)電設備排除的余熱、二氧化碳和水蒸汽注入大棚，作為氣體肥料和熱源，解決城市綠化和蔬果供應，同時減少溫室氣體和其他污染物排放問題；
（3）利用發(fā)電制冷的冷卻水生產(chǎn)生活熱水的技術——利用熱泵的技術，將低品位熱源轉換為較高品位的生活熱水，減少能源消耗；
篇11
（一）合理設置實驗項目
合理地設置實驗項目，不斷更新先進、新穎的實驗內(nèi)容是與時俱進的教學理念的完美體現(xiàn)，也是響應國家關于“抓緊建立更新教學內(nèi)容的機制，加強課程的綜合性和實踐性，重視實驗課教學，培養(yǎng)學生實際操作能力”號召的必要措施[3]。首先，針對“化學綜合實驗”的教學特點，教師應根據(jù)自己的科研方向，結合當前的研究熱點確定合適的實驗內(nèi)容。轉化為實驗教學項目的研究成果必須是成熟的科研成果，確保實驗整體的科學性、系統(tǒng)性、實用性和先進性。為此，結合學生的知識背景和化學研究領域的熱點，我們圍繞教師承擔的國家以及省部級科學基金項目，衍生出相??的綜合性實驗。例如，作者多年來一直從事固體電化學及器件方面的科研工作，研究課題涉及了固體氧化物燃料電池（SOFC）相關材料的合成與性質(zhì)研究。因此選擇課題中實驗方法比較成熟的一部分開發(fā)為“化學綜合實驗”課程內(nèi)容。我們設立了綜合實驗“固體電解質(zhì)納米粉的制備、陶瓷成型及離子電導率的測試”。固體氧化物燃料電池以其發(fā)電效率高、能量密度大、燃料使用范圍廣等優(yōu)點受到廣泛關注。電解質(zhì)作為SOFC的主要組成部分之一，其主要作用是在陰極、陽極之間傳遞氧離子和對燃料及氧化劑的有效隔離。目前Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）是SOFC中研究最熱、利用最廣泛的電解質(zhì)材料。YSZ的離子電導率不僅與摻雜濃度有關，而且還與粉體的制備工藝、燒結密度密切相關。這個實驗課程的完成過程，既讓學生領略了新能源領域的最新發(fā)展動態(tài)，了解了新型綠色能源的研究背景和重要意義，又讓他們學習了固體氧化物燃料電池的工作原理及對其相關部件的要求和發(fā)展現(xiàn)狀，同時還了解了電解質(zhì)材料的制備工藝對其離子電導率等相關性能的影響，又讓學生從全方位角度領會和理解了新型燃料電池材料研發(fā)人才應該具備的知識和技能以及燃料電池關鍵材料開發(fā)領域的技術狀態(tài)。為了提高學生的創(chuàng)新能力，我們還在實驗中安排一些自由設計環(huán)節(jié)，比如在陶瓷成型和燒結工藝環(huán)節(jié)中，學生可以自主設計實驗參數(shù)和操作來獲得實驗結果，并對結果進行分析與討論得出一些非預見性的結論，從中引導和啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。
（二）詳盡介紹課題，開展資料調(diào)研，學生制定實驗設計報告
作為科研成果轉化成具體綜合實驗內(nèi)容的教學過程的主導者，教師應該在實驗開展之前給學生詳細地介紹課題研究的意義和背景。盡量將學生掌握的理論知識結合起來講解實驗相關原理和內(nèi)容，拓展知識面，讓學生充分感受理論學習的重要性，提高學以致用的積極性。同時提出實驗要求，實驗開展過程中的重點和難點等，并提出一些與實驗關鍵內(nèi)容有關的問題，布置學生自主查閱相關的文獻資料和書籍，制定詳細合理的實驗方案。通過查閱的資料并經(jīng)過分析和討論，學生整理出詳盡的實驗設計報告，內(nèi)容應該包含以下內(nèi)容：研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、實驗的目的和意義、實驗材料和實驗儀器設備、實驗方案和具體實驗步驟、實驗結果與討論（包括數(shù)據(jù)記錄與處理以及對實驗結果的分析討論）。教師要認真審閱學生提交的實驗設計報告，保證實驗方案的合理性和可行性。對不符合要求的實驗設計報告教師要及時與學生討論并做出完善和修改。對于有些學生的創(chuàng)新性設計要尊重其想法并在實驗條件允許的情況下合理地布置實施。整個文獻調(diào)研和實驗設計環(huán)節(jié)，不但使學生掌握了基本的文獻檢索和調(diào)研手段而且促進了學生將理論課程知識與實踐的橫向聯(lián)系，充分調(diào)動了學生進行科研的主觀能動性。有效避免了以往照方抓藥，學生不動腦思考的弊端，提高了學生的綜合素質(zhì)[4]。
（三）建立健全儀器設備使用與管理制度
綜合實驗要求學生具有安排與開展專業(yè)實驗的綜合能力，在此階段的學生經(jīng)過了基礎實驗對基本實驗技能和動手能力的訓練，更要將理論知識聯(lián)系實驗過程，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，感悟科研的真諦。在此過程中，2―3人一組的實驗模式既要求大家有獨立自主的動手能力，又要求他們發(fā)揚團隊精神，協(xié)作精神，集思廣益，討論問題，解決問題，保證實驗的順利進行。
“化學綜合實驗”課程開展中大型表征和測試儀器的使用是保證實驗順利完成的必要因素之一。由科研項目轉化而來的實驗項目往往用到的是項目指導教師課題組或者專業(yè)實驗室的相關儀器和設備。教師在學生開展實驗之前應當帶領學生參觀實驗室，把需要用到的實驗儀器和設備的用途、操作規(guī)程做介紹，必要的項目需要親自示范操作。比如，在“固體電解質(zhì)納米粉的制備、陶瓷成型及離子電導率的測試”實驗中教師需要事先為學生講解并且示范陶瓷壓片模具的使用方法、高溫爐的使用方法和電化學工作站的測試方法。在整個實驗進行過程中，實驗室或者實驗中心應當做好儀器設備開放使用的安排，并且加強實驗室管理，建立健全實驗室規(guī)章制度，制定儀器設備具體操作規(guī)程和管理措施以保障實驗教學的順利完成。
在實驗進行的過程中，學生要按照設計好的實驗路線認真操作，記錄好實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)。教師全程跟蹤指導，在學生遇到問題的時候引導釋疑，在實驗結束后進行點評和總結[5]。
（四）按照科技論文標準撰寫實驗報告，進行實驗結果匯報
實驗報告的撰寫是對整個實驗過程中的現(xiàn)象和結果的綜合分析與討論，是最能體現(xiàn)學生分析和總結能力的環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)中，我們摒棄過去固定模式的實驗報告形式，要求學生以科技論文的形式完成數(shù)據(jù)討論與總結，對數(shù)據(jù)的處理不再是簡單的數(shù)據(jù)羅列和圖形展示，要從中總結和歸納數(shù)據(jù)變化規(guī)律，與實驗設計過程中的理論預期相對照，解釋現(xiàn)象和原因，做到環(huán)環(huán)相扣，實驗結果與理論推導相互驗證。完成實驗報告的撰寫之后，每一名?W生還要對其實驗結果進行匯報和答辯。實驗結果的口頭匯報及答辯不僅極大地提高了學生的學術交流能力，也是對以往綜合實驗成績評價方式的重要改革。我們將綜合實驗的成績評定分成幾大部分，前期文獻調(diào)研和實驗方案設計、實驗過程以及報告撰寫與答辯各占不同比例，重點落在實驗過程和報告撰寫與答辯上。公開匯報實驗結果的方式既體現(xiàn)了成績評定的公平性，又有效避免了同組學生報告雷同的現(xiàn)象。同時，對于優(yōu)秀的實驗論文，可以讓學生進一步完善并推薦其在校級以上級別的刊物上發(fā)表，激發(fā)學生做科研的成就感[6]。
篇12
1 當前我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
伴隨著國際上低碳經(jīng)濟的呼聲越來越高，我國新能源產(chǎn)業(yè)近兩年獲得了快速的膨脹，但由于擴張的速度太快，使得新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展陷入無序的狀態(tài)，特別是近兩年快速擴張的風電、多晶硅等新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)明顯的重復建設傾向，新能源產(chǎn)業(yè)這種“虛熱”的狀態(tài)，不得不引起我們高度的重視。
①風電產(chǎn)業(yè)——失衡的產(chǎn)業(yè)鏈。中國風電產(chǎn)業(yè)在2005年《可再生能源法》實施之后，連續(xù)4年實現(xiàn)新增裝機容量翻番，2008年中國風電裝機1221萬kW，已占全球總裝機的10％，已成為亞洲第一、世界第四的風電大國，僅排在美國、德國、西班牙之后。但是，在競相上馬的風電項目背后，卻是微不足道的經(jīng)濟效益，風電產(chǎn)業(yè)陷入產(chǎn)能過剩的尷尬境遇。截至2008年底，風電裝機容量只占到全國電力總裝機容量的1.13％，而發(fā)電量更是只占區(qū)區(qū)0.37％。同時，內(nèi)蒙古約有三分之一的風電并網(wǎng)項目處于閑置狀態(tài)；甘肅酒泉已經(jīng)投運的46萬kW風電裝機最大發(fā)電出力只能達到65％左右。國內(nèi)風電產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題主要集中在產(chǎn)能過剩、成本過高、機組質(zhì)量和電網(wǎng)模式制約等方面。
而從風電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上來講，嚴重失衡。今年上的風電項目都集中在風機制造一端，這是因為我國目前風電場建設的高歌猛進，催生了風電設備的巨大需求，使得風機制造項目一哄而上，造成了風電產(chǎn)業(yè)鏈的結構性失衡，所以我們說風電過熱過剩其實指的是風電產(chǎn)業(yè)的這種結構性過剩。國內(nèi)風電整機生產(chǎn)企業(yè)超70家，超過全球其他地區(qū)風電設備廠商總和。目前，不僅在整機市場上存在著過多企業(yè)涌入的狀況，在葉片市場也出現(xiàn)了一哄而上的現(xiàn)象。盡管風電大小企業(yè)如雨后春筍般成立，在核心技術和關鍵零部件等方面，生產(chǎn)企業(yè)走的卻是清一色的引進路線。
②光伏產(chǎn)業(yè)——國外環(huán)保事業(yè)的打工仔。國際上新技術的發(fā)展與應用，促使太陽能發(fā)電成本大大降低，美國工業(yè)體系大約在0.21美元左右，這一數(shù)值已經(jīng)相當接近于火電價格的成本。而且成本還將進一步的下降，可以預期不遠的將來光伏產(chǎn)業(yè)將會迎來一個爆發(fā)的增長期。我國光伏產(chǎn)的發(fā)展也是隨著國外的需求而近年來得到了快速發(fā)展，最近5年的年平均增長率在40％以上，其擴展主要在海外市場。按照國家制定的發(fā)展計劃，至2010年，中國光伏發(fā)電的累計安裝量將不會超過300MW，因此目前光伏產(chǎn)業(yè)的主要市場仍將在海外。
目前國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)上游多晶硅產(chǎn)業(yè)擴張迅猛，價格回落預期強烈，多晶硅行業(yè)的暴利時代將逐漸走結束。而且由于金融危機影響了下游光伏需求，許多曾出臺龐大擴產(chǎn)計劃的多晶硅制造商必將推遲或取消其部分后期項目，近幾年將發(fā)生無情的洗牌。下游太陽能電池制造業(yè)將擺脫多晶硅原料產(chǎn)能瓶頸，行業(yè)毛利率將會有所回升。
但是，中國的太陽能電池生產(chǎn)最主要的原料晶體硅，我國礦產(chǎn)儲存很少，因此不得不從歐洲和日本高價進口。加工制成太陽能電池后，再返銷回當?shù)兀@種發(fā)展模式無疑等同于擔任著國外環(huán)保事業(yè)“打工仔”的角色。
③其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在新能產(chǎn)業(yè)領域，我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)近幾年發(fā)展迅速，產(chǎn)品推廣很快，目前國內(nèi)太陽能熱水器安裝總量達到13284萬m3，占全球安裝總量的70％以上，產(chǎn)業(yè)形態(tài)也逐步走向成熟。在國際生物燃料產(chǎn)業(yè)化風潮的促進下，我國生物燃料產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展很快，2008年中國燃料乙醇產(chǎn)量達到190萬t，受糧食產(chǎn)量制約，我國近期不再擴大以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)。為了擴大生物燃料來源，我國已自主開發(fā)了以甜高粱莖稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(稱為甜高梁乙醇)，并開展了甜高梁的種植及燃料乙醇生產(chǎn)試點。另外，我國也在開展纖維素制取燃料乙醇的技術研究開發(fā)，如果農(nóng)林廢棄物纖維素制取燃料乙醇或合成柴油的技術實現(xiàn)突破，生物燃料年產(chǎn)量可達到上億噸，從理論上講，我國生物燃料的發(fā)展?jié)摿€是很大的，但目前還處于起步階段，其產(chǎn)業(yè)化的進程還很緩慢。總體來講部分新能源細分產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)市場仍未完全啟動，雖然目前發(fā)展態(tài)勢來看還不錯，但是如果不加快新能源產(chǎn)業(yè)領域核心技術的研發(fā)與應用，以及加強行業(yè)的規(guī)范與引導，新能源產(chǎn)業(yè)泡沫無疑將會發(fā)展成為中國經(jīng)濟將來發(fā)展的又一隱患。
2 我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術瓶頸
我國新能源企業(yè)的大多規(guī)模小，核心技術對外依存度高，關鍵設備和零部件主要靠引進，企業(yè)自主研發(fā)能力薄弱。有數(shù)據(jù)顯示我國新能源技術的專利集中在高校和科研院所，這一方面說明我國對于新能源技術研發(fā)的投資重點在高校和科研院所，同時又從另一個方面說明我國新能源企業(yè)自主研發(fā)能力低下，從而制約了我國新能源技術產(chǎn)業(yè)化轉化的效率和能力。當前我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術瓶頸主要有以下幾方面：
①戰(zhàn)略產(chǎn)品缺乏核心技術大幅縮減了產(chǎn)業(yè)的利潤空間。總體來說我國新能源產(chǎn)品的技術水平偏低，而且核心技術多依賴國外。比較有代表性的是光伏產(chǎn)業(yè)，目前太陽能的利用的效率主要依賴于電池的性能，而我國太陽能電池生產(chǎn)的上游產(chǎn)品最重要的專用原材料單晶硅基本都靠進口，由于前期生產(chǎn)過快的擴大，競爭變得異常激烈，因為缺乏核心技術，使得我國這些企業(yè)的利潤大幅下降，后期的發(fā)展不容樂觀。
②設備與制造技術落后使得新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏后勁。這個問題在風電、核電等產(chǎn)業(yè)都很突出。風電機組制造技術是風電發(fā)展的核心，而目前我國風電整機總體設計和關鍵零部件設計制造仍是制約我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前我國風電建設遠遠落后于世界發(fā)展，其主要原
因是，沒有加大力度依靠國內(nèi)雄厚的機電制造業(yè)基礎，吸收引進國外先進技術對風電成套設備進行自主開發(fā)。隨著世界風力發(fā)電設備制造水平提高，更大的單機容量已經(jīng)是全球風能技術發(fā)展的趨勢。據(jù)了解，國外風電機組目前已達到兆瓦級，如美國主流1.5MV，丹麥主流2.0～3.0MV，在2004年的漢諾威工業(yè)博會上4.5MV的風電機組也已面世。而迄今為止，我國在這一技術上處于落后位置，尚不具備自行開發(fā)制造大型風電機組的能力，且在機組總體設計技術，特別是槳葉和控制系統(tǒng)及總裝等關鍵性技術上落后于歐美發(fā)達國家，且機組質(zhì)量普遍不高，易出現(xiàn)故障，這就使國產(chǎn)設備的競爭力面臨嚴峻的考驗。
③新能源并網(wǎng)應用技術滯后形成了新能源的消費瓶頸。我國風電、光伏電站一般處于偏遠地帶后，電網(wǎng)負荷小，不能滿足大規(guī)模風電接人的要求，特別是近幾年隨著新能源發(fā)電裝機容量的大幅提升必然對電網(wǎng)提出更高的建設要求。典型的例子便是，西北、東北和華北本是我國風電資源相對豐富的地區(qū)，但這些地區(qū)大部分處于電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的末梢，電網(wǎng)基礎設施建設較為薄弱，因而難以對當?shù)氐娘L電資源進行充分有效利用。就全國來看，如業(yè)內(nèi)人士所言，我國風電裝機容量雖然在2008年底已突破1200萬kW，但其中僅有800萬kW的裝機容量入網(wǎng)發(fā)電。將來新能源的發(fā)展迫切需要在電網(wǎng)的系統(tǒng)接入、并網(wǎng)技術標準、并網(wǎng)管理等方面開展突破性工作。
3 對策思路
①做好新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，進行超前布局。新能源是一個新興的產(chǎn)業(yè)，我們應該做好超前布局和規(guī)劃，為新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建立良好的政策環(huán)境。政府應該提前進行新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵技術、共性技術進行攻關從戰(zhàn)略上提前布局，只有這樣我們的新能源產(chǎn)業(yè)才能克服當前發(fā)展的核心技術不足的軟肋，迎頭趕上甚至超越發(fā)達國家。
②建立起行業(yè)標準，引導規(guī)范新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。逐步建立和完善新能源產(chǎn)品的標準體系，以及質(zhì)量控制體系，選擇有特色的創(chuàng)新能力較強的地區(qū)，發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)基地，構建比較完善的產(chǎn)業(yè)鏈，促進新能源產(chǎn)業(yè)的積聚式發(fā)展。
篇13
為此，發(fā)展環(huán)保型汽車，解決汽車所帶來的負面影響在當前中國就顯得格外的重要。我國政府已制定的環(huán)保型汽車發(fā)展政策是否有效地發(fā)揮了應有的作用，應該如何合理地運用政策工具等理論對其驚醒優(yōu)化組合，更好地實現(xiàn)支持環(huán)保型汽車快速健康發(fā)展的目的。上述問題都值得公共政策科學研究者進行深入研究。
環(huán)保型汽車在我國的發(fā)展目前處于技術創(chuàng)新的階段。技術創(chuàng)新的市場失靈為政府干預和支持環(huán)保型汽車的發(fā)展提供了理論依據(jù)。市場失靈是指市場在資源配置方面的低效，不能實現(xiàn)帕累托最優(yōu)。技術知識的公共性、技術創(chuàng)新外溢、技術創(chuàng)新的不確定性和風險、技術創(chuàng)新的信息不對稱是技術創(chuàng)新市場失靈的四種主要表現(xiàn)。政府要根據(jù)4種市場失靈有針對性地制定環(huán)保型汽車的發(fā)展政策。
一、環(huán)保型汽車發(fā)展背景與狀況
根據(jù)世界上多方研究的結果顯示，世界一次能源(化石燃料資源)的枯竭已成必然，而汽車是能源消耗的重大因素之一。國際能源機構(IEA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球石油消耗量最近20年一直呈上升趨勢，其中的57％被消耗于交通領域。預計到2020年交通用油占全球石油總消耗百分比將從2002年的57.2％上升到62％以上(孫立清，2006)。目前全世界汽車保有量約為8億輛，同時還在以每年3000萬輛的速度遞增，預計到2010年，全球汽車保有量將達到10億輛。而可支配的化石能源按照目前的開采速度僅可供開采41年，據(jù)美國能源部預測，2020年以后，全球石油需求與常規(guī)供給之間將開始出現(xiàn)凈缺口，這個缺口將在2050年達到500億桶。解決汽車發(fā)展對一次能源，尤其是對石油的依賴，是我們面臨的必須盡快解決的重大問題。
在解決環(huán)境污染問題上，發(fā)展環(huán)保型汽車也有著重要的意義。汽車對環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在汽車排氣污染、噪聲污染和二次揚塵污染等。其中，以排氣污染最為嚴重。汽車尾氣包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HE)、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫(SO2)和微粒(PM)等污染物。汽車排放污染物除通過排氣管排放外，還有極少一部分通過曲軸竄氣和蒸發(fā)這兩條途徑排出。
大氣污染所造成的危害主要表現(xiàn)在：煙霧、酸雨、臭氧層簡薄、臭氧濃度過高、溫室效應幾個方面。溫室效應和臭氧層減薄是一個全球性的效應，而臭氧濃度過高，則只發(fā)生在地面附近，煙霧和酸雨也是發(fā)生再污染源的附近地區(qū)，特別是人口密集地區(qū)。此外，汽車的排氣污染又具有污染源的流動性、污染狀態(tài)的穩(wěn)定性、污染危害的直接性等特點。幾乎在所有的工業(yè)發(fā)達國家，這些由汽車帶來的負面效應都已威脅到人們的正常生活和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展，引起了人們的廣泛關注。
二、環(huán)保型汽車技術創(chuàng)新知識的公共性
市場失靈的主要原因之一是公共產(chǎn)品的存在。要判定某物品是否是公共產(chǎn)品要首先判斷其是否具有非競爭性，即根據(jù)邊際使用成本與邊際擁擠成本的大小來判斷其非競爭性的程度；然后，判斷其是否具有非排他性，根據(jù)其排他成本(排他的可行性)的大小來判別其非排他性的程度。
環(huán)保型汽車發(fā)展過程中伴隨著大量的技術創(chuàng)新活動，特別是其中的R&D活動所提供的產(chǎn)品主要是以論文、專著、專利、工藝、程序、配方、試產(chǎn)品、概念模型等知識形式為表現(xiàn)形式，而不僅僅是以物質(zhì)產(chǎn)品形式表現(xiàn)出來，即技術創(chuàng)新所提供的是科學技術知識產(chǎn)品(ideas)(Romer，1990)。
環(huán)保型汽車發(fā)展過程中所提供的知識產(chǎn)品具有公共產(chǎn)品的性質(zhì)。知識產(chǎn)品在使用上具有非競爭性。知識品是可以無限重復使用的，某個消費者對知識品的使用并不會妨礙另一個消費者對該知識品的使用，即消費邊際成本為零。不同于其他公共產(chǎn)品的是，對知識產(chǎn)品的消費不僅不會引起知識的損耗而且還有可能會增加知識產(chǎn)出。以環(huán)保型汽車中燃料電池雙極板流道設計的技術研究成果為例，當一種流道形式被設計成功后，越多的深入研究和試驗結果可以對此類流道形式的可行性進行驗證，并不斷對其性能進行優(yōu)化。政府應更為廣泛的搭建科技公共信息平臺，促進技術共享與交流，提高我國環(huán)保型汽車關鍵技術的創(chuàng)新能力。
知識產(chǎn)品一旦創(chuàng)造出，任何具有相關知識的人都可以使用它。在不存在知識產(chǎn)權和專利保護制度的條件下，復制、傳播和使用知識產(chǎn)品的成本與知識產(chǎn)品的生產(chǎn)成本相比可以忽略不計，知識產(chǎn)品的高度外溢性使得其排他成本極高。知識產(chǎn)品具有占有上的非排他性，至少部分地具有這種特點。專利制度的確立使得知識產(chǎn)品部分地具有了私人產(chǎn)權，排他成本大大降低了，在一定程度上解決了知識品的“搭便車行為”問題。正如道格拉斯?諾思(1998)所說：“一般而言，創(chuàng)新都可以毫無代價地被別人模仿，也無需付給發(fā)明者或創(chuàng)新者任何報酬。技術變革速度緩慢的主要原因就在于，直到相當晚期都未能就創(chuàng)新發(fā)展出一整套所有權”。“只有在專利制度下，鼓勵技術變革和將創(chuàng)新的私人收益率提高到接近于社會收益率的一整套機制才能形成”。知識產(chǎn)權保護政策也因此成為國家鼓勵技術研發(fā)，促進知識創(chuàng)新的重要手段。
然而在存在專利與知識產(chǎn)權的條件下，不是所有的知識產(chǎn)品都能夠確立產(chǎn)權，有的知識產(chǎn)品即使有了私有產(chǎn)權也不能阻止其收益的大量外溢(如專利過期、模仿創(chuàng)新)，也就是說知識產(chǎn)品存在非排他性程度上的差別，或者說，不同知識產(chǎn)品的排他成本是不同的。這就需要政策采取除知識產(chǎn)權保護以外的政策手段，對知識的創(chuàng)新予以鼓勵和支持。
三、環(huán)保型汽車技術創(chuàng)新的外部性
由于知識品公共性的存在，一個機構主體可以在沒有市場交易的條件下無償獲得其他機構主體的技術創(chuàng)新成果。這種情況被稱為技術創(chuàng)新的外溢效應(spill over effect)，也可以理解為知識產(chǎn)品的外部性。
主要有四方面的原因?qū)е铝送庖缧Ｊ紫龋M管專利為專有技術的所有者帶來了產(chǎn)權保護，但專利保護在法律上有時間限制。一旦專利過了保護期，其他企業(yè)則可以免費使用。另外，由于構成專利技術知識信息的大部分內(nèi)容可見于專利申請案中的專利發(fā)明說明書，絕大多數(shù)專利說明書均公開刊登在出版物上，在相應的技術領域中有興趣的人都可以
得到這種信息。一個企業(yè)可以無償獲得專利的信息并利用其專利發(fā)明的思想支持本企業(yè)的技術創(chuàng)新活動。這將使專利轉讓無法全部實現(xiàn)專利發(fā)明的社會價值。二是聯(lián)系(linkage)效應(李平，1999)。一個技術上具有優(yōu)勢的企業(yè)與其供貨商和客戶發(fā)生聯(lián)系時，這些廠商和客戶可能通過業(yè)務聯(lián)系從該企業(yè)免費獲得先進產(chǎn)品和工藝的知識，于是外溢效應得以產(chǎn)生。在環(huán)保型汽車發(fā)展的當前階段，一些關鍵技術(尤其在于代用燃料、混合動力汽車方面)對企業(yè)或研究單位往往有著決定命運的作用。在商業(yè)合作過程中，如何解決好共享與保密的關系，成為一些科研部門和企業(yè)頭痛的問題。三是人員的流動。研發(fā)人員是新技術知識的載體，研發(fā)人員的流動使新技術知識在企業(yè)間得以流動，形成外溢。從以往經(jīng)驗看，我國汽車界技術人員的流動速度并不快，企業(yè)對于人員流動造成的知識外溢通過簽訂保密合同等方式進行了規(guī)避。但隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是環(huán)保型汽車關鍵技術對于人員載體的依賴性逐漸提高，避免人員流動造成的知識外溢是企業(yè)需要關注的新問題。四是市場溢出(李正風等，1990)。創(chuàng)新產(chǎn)品的市場開發(fā)需要成本。而創(chuàng)新產(chǎn)品的市場需求、市場結構特點和發(fā)展趨勢的有關信息可以被其他企業(yè)免費獲得。同時，創(chuàng)新企業(yè)開拓出的市場中會出現(xiàn)無法滿足的市場需求，這種剩余市場空間為其他企業(yè)進入同類創(chuàng)新產(chǎn)品市場提供了機會，降低了其他企業(yè)進入市場的成本。
通過上述分析可以看出，技術創(chuàng)新企業(yè)對其他企業(yè)的溢出，能夠為其他企業(yè)帶來收益，屬于正外溢。這種外溢不僅發(fā)生在微觀企業(yè)層次，產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新也能夠?qū)Ξa(chǎn)業(yè)鏈上的相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生外溢，同樣這種外溢也能發(fā)生在國家層面上，能夠提高整個產(chǎn)業(yè)和社會的福利水平。但是又由于外溢效應，創(chuàng)新者的成果部分或全部被他人無償使用，使技術創(chuàng)新的私人收益率和社會收益率之間存在外溢差距(spillover gap)，創(chuàng)新者的積極性在一定程度上會被削弱。
這為政府干預企業(yè)的技術創(chuàng)新活動提供了理論基礎。政府可以通過財政等手段來彌補外溢差距，使企業(yè)技術創(chuàng)新的積極性不至于削弱，同時使整個社會的福利水平達到最優(yōu)。
四、環(huán)保型汽車技術創(chuàng)新的不確定性和風險
技術創(chuàng)新面臨的另一個市場失靈的問題是技術創(chuàng)新過程中的不確定性。不確定性(uncertainty)最早是概率論術語，是用隨機事件或隨機變量來描述的，指隨機事件發(fā)生與否或隨機變量的取值在事先是不知道的。美國經(jīng)濟學家奈特(Frank Knight)首次在風險與不確定性之間作了重要區(qū)分，認為風險是概率已知的不確定狀態(tài)，不確定性卻是并不知道未來事件概率的狀態(tài)(SLundsted，1982)。
技術創(chuàng)新涉及到探索、發(fā)現(xiàn)、試驗、開發(fā)、模仿以及采用新產(chǎn)品、新工藝和新的組織結構以及新技術的商業(yè)化。這一活動中的各個環(huán)節(jié)都包含了不確定性。總的來說，它主要包含了兩方面的不確定性，一是技術的不確定性，二是市場的不確定性。技術的不確定性與R&D活動緊密相連。在R&D活動本身開展之前，幾乎不可能準確地知道在探索什么，因此，技術創(chuàng)新努力所帶來的技術(甚至進一步的商業(yè))結果事先很難知道。正如目前環(huán)保型汽車的發(fā)展現(xiàn)狀。以燃料電池汽車為例，由于燃料電池是基于氫氣和氧氣(空氣)發(fā)生電化學反應的理論研制而成的，其反應生成物是水和電子，環(huán)境污染為零，一時間收到能源研究界廣泛的追捧；但由于質(zhì)子交換膜技術(燃料電池關鍵技術)難關難以逾越，業(yè)界對燃料電池的熱情有所下降；隨著世界幾家膜生產(chǎn)企業(yè)介入此項技術研究，膜技術被攻克，燃料電池又重新受到重視；而礦產(chǎn)專家對于鉑金(燃料電池反應催化劑)儲量調(diào)研結果的發(fā)表(研究結果顯示世界鉑金儲量不足以發(fā)展燃料電池技術)，又再次造成燃料電池技術受到強烈的質(zhì)疑。如此波折的過程是技術結果難以預期的典型實例。
而在R&D活動展開之后，發(fā)明者和企業(yè)家對于技術向何方向發(fā)展，多長時間能夠取得成功，也都沒有確切的把握。根據(jù)曼斯費爾德(M?Mansfield)的研究，不同的技術創(chuàng)新項目的技術成功的概率是不同的，但總的成功的概率不高(Beije，1998)。
市場的不確定性也是影響技術創(chuàng)新的重要因素。市場的不確定性主要與新技術的商業(yè)化相關聯(lián)。技術創(chuàng)新的目的是商業(yè)化，但技術創(chuàng)新的成果能否立刻被市場所接受，能否在生產(chǎn)規(guī)模化、營銷定位等方面達到市場的要求，在這些方面技術創(chuàng)新又面臨著不確定性。此外，是否有足夠的市場容量和利潤空間保證起初R&D投入的回收和盈利，企業(yè)家不一定有絕對的把握。即使新技術在市場化方面取得了成功，但是創(chuàng)新企業(yè)還要面對競爭對手的挑戰(zhàn)，特別是由于技術外溢的存在，其他競爭對手通過對新技術的模仿可以在短時間內(nèi)以低成本形成市場力量，對創(chuàng)新企業(yè)形成阻礙。
很明顯，在基礎研究初期階段、共性技術研究初期階段以及市場推廣初期階段政府應給予經(jīng)濟、政策方面的支持與保護，降低社會組織在此技術生命周期中的風險，促進環(huán)保型汽車的健康發(fā)展。
五、環(huán)保型汽車發(fā)展的信息不對稱
上述三類市場失靈問題直接導致了環(huán)保型汽車發(fā)展技術創(chuàng)新的信息不對稱。安沃?沙赫(2000)認為，R&D項目實施者同其資助者之間的信息不確定性和不對稱性限制了對R&D項目的資助，是技術創(chuàng)新市場失靈的主要表現(xiàn)之一。一方面技術創(chuàng)新的實施者為了防止技術外溢必須使技術創(chuàng)新的信息保密，另一方面，技術創(chuàng)新的資助者為了判斷投資的方向和規(guī)模，降低投資風險，又必須獲得關于技術創(chuàng)新項目的詳盡信息。這在兩者之間形成了一個不可調(diào)和的矛盾，結果使許多項目因缺乏資助而終止。
