电力电子器件及其应用的现状和发展(2)

　　2、关于一些电力电子应用热点的探讨

　　如前所述，电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第五代战机、激光炮、电磁炮等现代化国防武器装第29期钱照明等：电力电子器件及其应用的现状和发展备诸多重要领域，它们涉及到许多电力电子共性基础技术和形形色色电力电子装置和应用系统，本文限于篇幅对各种应用不作详细展开，仅对当前一些电力电子应用热点进行探讨。

　　2.1风力发电

　　风能是世界各国能源中增长最快的一种。截至2012年底，全球风力发电装机容量已达282.43.GW，其中，中国、美国、德国位居世界前3名，德国提出2020年可再生能源发电占到电力消费35%，其中50%来自风电。

　　《2012年中国风电装机容量统计》报告表明，2012年，中国(不包括台湾地区)累计装机容量75.3.GW。尽管受到中国风电产业调整政策的影响，中国风电市场的年增长率将经历一个相对减慢的时期，但是预计2015年累计装机容量仍将达到134.GW，2020年达到230.GW，2030年接近500.GW，届时将首次超过经合组织欧洲397.GW的规模，仅次于经合组织北美地区666.GW的预期。全球海上累计装机容量约5.41.GW，截至2012年底，英国海上累计装机容量达29.5.GW，位居世界第一位[21]，截至2010年底，我国海上风电装机容量仅为142.5.MW，在2010年全球海上风电装机总量中占4%左右。风电的装机成本也逐年下降，它是当前唯一在发电装机成本上可能与火力发电相媲美的一种新能源发电，目前风力发电和电网兼容的问题受到了业界极大的关注，一方面，风力发电不能适应较大的电网电压和频率暂态变化，同样风力发电的不稳定性对电网也会造成冲击。另外，在世界范围内大规模开发应用风能的今天，如何合理评估风力发电对生态的影响并加以开发利用，也显得日益重要。风是由于地球表面气流的运动形成的，如果人们大规模地、不合理地乱设风场、滥用风能，有可能使地球表面的气流发生人们预想不到的改变，可能使人们赖以生存的气候和生态环境产生灾难性的后果。因此，大规模风场的设立和风能利用应当有环境、气象科研部门的积极参与和经过认真的科学论证，如果能将风电开发利用和改造人居环境密切结合将是最理想的做法。

　　2.2太阳能光伏发电

　　20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅光伏电池；二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。从第一次空间应用到现在，光伏产业已经经历了近50年的发展历史。过去10年，是强劲增长的10年，同时预计这种增长仍将在未来数年内持续。

　　70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。2006年全球光伏电池的实际产量达到了2.6.GW，截至2011年底，全球累计光伏装机量已达到67.4.GW，成为仅次于生物质能和风电的第3大可再生能源。传统欧洲市场仍然是2011年全球光伏发电装机市场增长的主要动力：2011年欧洲地区21.GW的光伏发电装机量占到了全球总装机的约75%，其中德国和意大利光伏装机为16.5.GW，占全球光伏装机量的近60%。截至2011年底，中国光伏发电装机量累计达3.GW，较2010年增长了三倍多。2012年中国光伏装机量累计达4.5.GW。2013年7月15日，我国出台了《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出到2015年总装机容量要达到35.GW以上。

　　从长远看，我们的看法是：期望用硅光伏电池来解决发电的问题从根本上讲是不现实的，因为制造一块硅光伏电池实际需要花费的电力(沙子–二氧化硅–工业级多晶硅–高纯多晶硅–单晶硅–单晶硅片–单晶硅光伏电池每道工艺过程均需要消耗大量电力)可能比它所能发出的电力还要多。因此，硅光伏电池光伏发电将主要用于特殊地区的发电及改造环境的需要。太阳能光伏发电最有应用前途的是光伏建筑一体化应用。它是结合光伏电池发电和建筑物外墙的功能，将光伏电池组件装置在建筑物上，使其起到既可以发电又可以代替建筑材料的双重用途。在土地价格昂贵的地区，光伏建筑一体化是解决土地成本过高和整合发电运送的最佳方案，建筑业已开始使用薄膜光伏电池，因为它既能发电又可降低二氧化碳的排放量，这是未来一个新的发展趋势。

　　依照安装位置的不同，光伏建筑一体化可以有很多种类型，如与屋顶结合、与外墙结合、与遮阳装置结合、做玻璃幕墙用等。光伏建筑一体化具有如下优点：节省光伏电池支撑结构，并可替代屋顶、墙面、窗户等建材；节省光伏电池安装成本；有效利用建筑物的表面积，不需另外占用土地；可以遮阳，降低建筑物外表温度；增加建筑物美观；将太阳能和建筑物结合，使建筑物能有自己的电源供应，特别在我国这样一个幅员广阔、人口众多的国家将会在很大程度上解决电能供给的难题。

　　薄膜光伏电池有非晶硅(amorphusSilicon，a-Si)；微晶硅(NanocrystalineSilcon，nc-Si，MicrocrystallineSilicon，mc-Si)；无机化合物半导体(CdS、CdTe(碲化镉))、CIGS(铜铟镓硒化物)；色素敏化染料(Dye-Sensitized)和有机高分子(Organic/Polymer)光伏电池等多种类别。其中，目前已实现产业化的薄膜光伏电池有非晶硅、微晶硅、无机化合物半导体、CIGS光伏电池等。色敏染料和有机高分子光伏电池尚处于实验室研究阶段。

　　2010年12月6日，全球重要的铜铟镓硒CIGS(Cu(In,Ga)Se2)薄膜光伏电池制造商MiaSolé宣布，经美国能源部下属的国家可再生能源实验室证实，该公司生产的铜铟镓硒薄膜光伏电池转换效率已第29期钱照明等：电力电子器件及其应用的现状和发展5159达到了15.7%。据悉，这是当前薄膜组件在商业运用中已被证实的最高转换效率。虽然许多数据表明，无机化合物半导体(CdS、CdTe(碲化镉))、CIGS(铜铟镓硒化物)薄膜光伏电池具有许多如表3所示的优点，但是由于它们存在材料来源稀缺或有毒和会造成环境污染等致命缺点，推广应用速度不快。

　　随着技术的进步，薄膜光伏电池产品的转换效率可望稳定达到10%以上，加上它们原来就具有低成本、总耗电量小、可大规模量产等一系列的优点，组件售价可望降到l.$/W以下，发电成本也就可望降到8.￠/(kW.h)以下，和现有传统电力相比是具有竞争力的。图21为全球当前各类光伏电池产业化/实验室研发水平进程示意图，图中EmergingPV表明各种目前尚处于实验室研究开发阶段的有机/非有机薄膜光伏电池的技术现状，从图可见，目前EPFL研发的色素敏化染料薄膜光伏电池转换效率已达到14.1%，多个实验室制作的有机高分子(Organic/Polymer)和非有机高分子(Inorganic)薄膜光伏电池转换效率均已达到10%以上，距离实现产业化并不遥远。

　　2.3电动汽车

　　汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。但是，汽车的大量使用带来了能源消耗、资源短缺、环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的环保车。而电动汽车是以电能为动力，通过电动机将电能转化为机械能，这完全符合零污染汽车的理念。因此，电动汽车作为解决资源短缺、环境污染等问题的重要途径，得到了快速发展。

　　国内外电动汽车发展从动力上来说，目前主要分为3种类型：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。纯电动汽车完全由二次电池(蓄电池)提供动力；燃料电池汽车以燃料电池作为动力源，利用燃料和氧化剂在催化剂作用下直接经电化学反应产生电能；混合动力汽车则采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合。近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国在电动汽车的研发布局中出现了三者并驾齐驱的局面，电动汽车正朝产业化方向一步步迈进。

　　国内电动汽车的研究始于20世纪60年代，但当时的研究开发都是零散和小规模的，投入也很少。自1980年开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮，电动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果，但与国外先进电动汽车相比还有一定差距。2001年9月30日，科技部组织召开了“十五”国家“863”计划电动汽车重大专项可行性论证会，专项确立了“三纵三横”的研发布局，其中“三纵”是指燃料电动汽车、混合动力汽车、纯电动汽车3种整车技术，“三横”指多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池3种关键技术。虽然电动汽车呈现良好的发展状态，但是无论国内还是国外在电动汽车发展方面还存在一定的问题。从三种类型电动汽车的技术特点看，阻碍纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车产业化发展的主要原因也有所不同。其中最大的技术障碍是纯电动汽车的动力蓄电池，燃料电池汽车的燃料电池。当前已有的各种动力蓄电池的优缺点比较。要真正解决动力蓄电池和燃料电池的瓶颈尚需时日，对于能源与环境问题而言，电动汽车“不是近期，也不是中期，而确实是远期的解决办法”。

　　2.4LED照明

　　据估计，照明大约消耗20%的电能。照明用电的迅速增加不但要增加大量的电力投资，且还会产生大量污染。照明在能源及环境污染上的严重问题已引起了人们的共识。为此，工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。特别是近几年发展起来的LED照明技术是一个重要的发展领域，如前所述，在LED照明应用市场的有力推动下，GaN异质结外延工艺技术的发展产生了质的飞跃，2012年GaN-on-Si外延片问世，为GaN材料及器件大幅度降低成本开辟了广阔的道路，可以预料，LED照明技术将在节能减排中大显神威。

　　3、结论

　　1）电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至今日，无论高技术应用领域，还是传统产业，特别是我国一些重大工程(三峡、特高压、高铁、西气东输等)，乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在。

　　2）传统的硅基电力电子器件已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如SiC或GaN器件。

　　3）以硅晶闸管为代表的半控型器件已达到70.MW/9.000.V的水平，虽然它受到了全控器件应用的冲击，但由于它技术的成熟性和价格优势，今后仍旧有较好的市场前景，特别在高电压、大电流应用场合还会得到继续发展。

　　4）硅基全控型电力电子器件本身的技术、制造工艺虽然发展空间已经不太大了，可是它们的待开发的应用空间仍旧十分广阔，应用市场前景无限好。

　　5）SiC和GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，其价格还是比硅基的贵。由于它们的优异特性，可能主要用于中高端应用。从长远看，将来有可能形成如下一种格局：SiC电力电子器件将主要用于1.200.V以上的高压工业应用领域；预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平，GaN电力电子器件将主要用于900.V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

　　6）对于当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题(绿色能源应用、电动汽车、LED照明)，我们应当理性思考，抓住发展机遇，挑战电力电子技术应用的明天。

　　参考文献：

　　[1]钱照明等：电力电子器件及其应用的现状和发展