電力電子與功率器件

電力電子與功率器件

0電力電子的內涵電力電子及其應用設備日益廣泛應用于能源、運輸、環(huán)境、先進裝備制造、激光、航空航天、造船、船舶、坦克、第五代戰(zhàn)艦、激光槍、電磁炮等現代國防武器裝備的重要領域。這與20世紀30年代以來我國能源電子、能源電子技術的快速發(fā)展和能源電子的重要作用密切相關。二次大戰(zhàn)后,特別是20世紀80年代以后,電子技術(包括:半導體、微電子技術;計算機、通信技術;電力電子技術等)的飛速發(fā)展,給世界科學技術、經濟、文化、軍事等各方面帶來了革命性的影響。概括地說,電子技術包含兩大部分:信息電子技術(包括:微電子、計算機、通信等)是實施信息傳輸、處理、存儲和產生控制指令;電力電子技術是實施電能的傳輸、處理、存儲和控制,它不但要保障電能安全、可靠、高效和經濟地運行,而且還要將能源與信息高度地集成在一起。如果用人體組成來比喻的話,信息電子相當于人的大腦和神經中樞,負責思考和指揮;而電力電子則相當于人體的心血管系統(tǒng)和四肢,負責為人體活動提供能量和承擔執(zhí)行的功能,兩者缺一不可,不可能互相代替。事實表明,無論是電力、機械、礦冶、交通、石油、能源、化工、輕紡等傳統(tǒng)產業(yè),還是通信、激光、機器人、環(huán)保、原子能、航天等高技術產業(yè),都迫切需要高質量、高效率的電能。而電力電子正是將各種一次能源高效率地變?yōu)槿藗兯璧碾娔?。它是實現節(jié)能環(huán)保和提高人民生活質量的重要手段,它已經成為弱電控制與強電運行之間、信息技術與先進制造技術之間、傳統(tǒng)產業(yè)實現自動化、智能化改造和興建高科技產業(yè)之間不可缺少的重要橋梁。所以,電力電子是我國國民經濟的重要基礎技術,是現代科學、工業(yè)和國防的重要支撐技術。時至今日,無論高技術應用領域還是傳統(tǒng)產業(yè),特別是我國一些重大工程(三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸等),乃至照明、家電等量大面廣的與人民日常生活密切相關的應用領域,電力電子產品已經無所不在,表1列出各主要應用領域必須用到的關鍵應用裝置。能量的合理利用,電氣系統(tǒng)的微型化及電源智能管理促進了電力電子近50年的革命性發(fā)展。而新型電力電子器件的出現,總是帶來一場電力電子技術的革命。電力電子器件就好像現代電力電子裝置的心臟,雖然它在整臺裝置中的價值通常不會超過總價值的20%~30%,但是,它對裝置的總價值,尺寸、重量、動態(tài)性能,過載能力,耐用性及可靠性等,起著十分重要的作用。因此,新型電力電子器件及其相關新型半導體材料的研究,一直是電力電子領域極為活躍的主要課題之一?？梢赃@么說:沒有各種現代電力電子器件,就沒有現代電力電子裝置及其應用;沒有日益擴大的電力電子應用市場需求強烈的推動和促進,也不會出現今天現代電力電子器件的蓬勃發(fā)展的局面。1當前和發(fā)展動力設備1.1電力器件的發(fā)展歷程一個理想的功率半導體器件,應當具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性:在阻斷狀態(tài),能承受高電壓;在導通狀態(tài),能導通高的電流密度并具有低的導通壓降;在開關狀態(tài)和轉換時,具有短的開、關時間,能承受高的di/dt和du/dt,具有低的開關損耗;運行時具有全控功能和良好的溫度特性。自20世紀50年代硅晶閘管問世以后,功率半導體器件的研究工作者為達到上述理想目標做出了不懈努力,并已取得了世人矚目的成就。早期的大功率變流器,如牽引變流器,幾乎都是基于晶閘管的。到了20世紀80年代中期,4.5kV的可關斷晶閘管(gateturn-offthyristor,GTO)得到廣泛應用,并成為在接下來的10年內大功率變流器的首選器件,一直到絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)的阻斷電壓達到3.3kV之后,這個局面才得到改變。與此同時,對GTO技術的進一步改進導致了集成門極換流晶閘管(intergratedgatecommutatedthyristor,IGCT)的問世,它顯示出比傳統(tǒng)GTO更加顯著的優(yōu)點。目前的GTO開關頻率大概為500Hz,由于開關性能的提高,IGCT和大功率IGBT的開通和關斷損耗都相對較低,因此可以工作在1~3kHz的開關頻率下。至2005年,以晶閘管為代表的半控型器件已達到70MW/9000V的水平,全控器件也發(fā)展到了非常高的水平。當前,硅基電力電子器件的水平基本上穩(wěn)定在109~1010Wuf0d7Hz左右,已逼近了由于寄生二極管制約而能達到的硅材料極限,如圖1所示。不難理解,更高電壓、更好開關性能的電力電子器件的出現,使在大功率應用場合不必要采用很復雜的電路拓撲,這樣就有效地降低了裝置的故障率和成本。圖2為電力電子器件發(fā)展歷史示意圖。圖3概括了當前市場上最主要的電力電子器件及其對應的電壓和電流等級。目前電力電子器件現狀和發(fā)展簡要綜述如下。1.2高、低壓大電流半控電力器件gto晶閘管是電力電子中傳統(tǒng)的電力電子器件。自問世以來,它的功率容量已提高了近3000倍,具有最高的功率等級(12kV,6kA)。并且因為晶閘管可以光觸發(fā),所以它很容易就可實現串聯連接。為阻斷13kV電壓,提出一種13kV不對稱晶閘管和13kV二極管相串聯的新器件概念,并通過使用一種基于N(10)發(fā)射極前的深埋場阻層的場阻技術,13kV二極管反向恢復性能得到顯著改善。晶閘管的主要缺點是不能自關斷,只能靠電路本身將其電流置零。因此,晶閘管在關斷的時候需要消耗很大的無功功率。我國以晶閘管為代表的第1代半控電力電子器件的產業(yè)業(yè)已成熟,種類齊全,質量可靠,產品、技術水平已居世界前列,如:5英寸7200V/3000A和6英寸8500V/(4000~4750A)電控晶閘管以及5英寸7500V/3125A光控晶閘管已實現了產業(yè)化,并已經成功用于高壓直流輸電和無功補償等領域。預計在今后若干年內,晶閘管仍會在高電壓、大電流應用場合得到繼續(xù)發(fā)展。1982年日本日立公司首先研制成功2500V/1000A的GTO。目前許多生產商均可提供額定開關功率36MVA(6000V,6000A)用的高壓大電流GTO。為了折衷其導通、開通和關斷特性,傳統(tǒng)GTO的典型關斷增量僅為3~5。GTO關斷期間的不均勻性引起的“擠流效應”使GTO關斷期間du/dt必須限制在500~1000V/uf06ds。為此,人們不得不使用體積大且笨重又昂貴的吸收電路。它另一個缺點是門極驅動電路較復雜和要求較大的驅動功率。但是,高的導通電流密度、阻斷電壓和阻斷狀態(tài)下高的du/dt耐量和有可能在內部集成一個反并二極管這些突出的優(yōu)點使人們仍對GTO感到興趣。到目前為止,傳統(tǒng)的GTO在高壓、大功率牽引、工業(yè)和電力逆變器中是應用得最為普遍的門控功率半導體器件。目前,GTO的最高研究水平為6英寸、6000V/6000A以及9000V/10000A。這種GTO采用了大直徑均勻結技術和全壓接式結構,通過少子壽命控制技術折衷了GTO導通電壓與關斷損耗兩者之間的矛盾。由于GTO具有門極全控功能,它正在許多應用領域逐步取代可控硅(siliconcontrolledrectifier,SCR)。為了滿足電力系統(tǒng)對1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要,可望解決幾十個高壓GTO串聯的技術,可使電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用方面再上一個臺階。1.3關于igct當前已有兩種常規(guī)GTO的替代品:高功率的IGBT模塊;新型GTO派生器件—集成門極換流晶閘管IGCT。IGCT晶閘管是一種新型的電力電子器件,它的最重要特點是有一個引線電感極低的與管餅集成在一起的門極驅動器。圖4為門極驅動和器件的外形照片,圖中門極驅動器與IGCT管餅之間的距離只有15cm左右,包括IGCT及其門極驅動電路在內的總引線電感量可以減小到GTO電路的1/100左右,因此與常規(guī)GTO晶閘管相比,它具有許多優(yōu)良的特性,例如:損耗低、開關速度快、關斷可靠、易于應用等。這些優(yōu)點保證了IGCT可以以較低的成本,緊湊、可靠、高效率地用于300kVA~10MVA變流器,而不需要串聯或并聯。目前,IGCT電壓已達到9kV/6kA研制水平,而6.5kV或者是6kA的器件已經開始供應市場了。如用串聯,逆變器功率可擴展到100MVA范圍而用于電力設備。因此,IGCT可望成為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選電力電子器件之一。但是,從本質上講,IGCT仍屬于GTO系列,它主要是克服了GTO實際應用中存在的門極驅動的難題。而IGCT門極驅動電路中包含了許多驅動用的MOSFET和儲能電容器,所以實際上它仍舊需要消耗較大的門極驅動功率,影響系統(tǒng)的總效率。1.4igbt模塊自1985年絕緣門極雙極型晶體管進入實際應用以來,IGBT已經成為主流電力電子器件,在10~100kHz的中壓、中電流應用范圍占有十分重要的地位。IGBT及其模塊(包括IPMs)已經涵蓋了0.6~6.6kV的電壓和1~3500A的電流范圍,應用IGBT模塊的100MW級的逆變器也已有商品問世。IGBT是一種電壓全控器件,它的開通和關斷可以通過門極驅動實現。IGBT相對比較容易驅動并具有低的門極驅動功率,IGBT變流器具有較高的功率密度和較低的成本。IGBT常常封裝成功率模塊形式。一個IGBT功率模塊內實際包含很多的IGBT芯片,例如,一個比較典型的3300V/1200AIGBT模塊中就具有60塊IGBT裸芯片和超過450根連線。這些并聯的IGBT裸芯片固定在同一塊陶瓷襯底上,以保證良好的絕緣和導熱,這類模塊可以非常容易地安裝在散熱器上。但是,這種封裝結構限制了IGBT模塊只能采取單面冷卻,這增加了在大電流條件下造成器件損壞的可能性。由此,進一步發(fā)展了陶瓷封裝的雙面散熱IGBT模塊,這樣可以為中壓大功率應用中提供與圓盤形密封、雙面壓接的晶閘管和GTO一樣的可靠性。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性,例如:能實現di/dt和du/dt的有源控制、有源箝位、易于實現短路電流保護和有源保護等,但是高的導通損耗、低的硅有效面積利用率、損壞后會造成開路等缺點局限了高功率IGBT模塊在高功率變流器中的實際應用。在過去二十幾年間,基于功率MOSFET、IGBT和智能功率模塊的迅速發(fā)展,電力電子裝置的功率密度也隨之得到了顯著的提高。圖5為中功率電力電子裝置功率密度逐年提高的示意圖。另外,日本東芝公司推出了一種新的加強型IGBT(也叫IEGT),它在關斷損耗和導通電壓上均取得了很好的折衷,可望成為中功率應用場合的優(yōu)選電力電子器件。1.5其他封裝材料和設備IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點:低飽和壓降,寬安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右),低柵極驅動功率(比GTO低2個數量級),和較高的工作頻率,由于該器件采用了平板壓接式電極引出結構,可望有較高的可靠性和良好的散熱效果。目前在母線直流電壓超過3kV的應用場合,IGCT是大功率變流器的首選器件,而在母線電壓不超過3kV的應用中,IGBT、IEGT模塊將具有優(yōu)勢,特別是IGBT在短路限流制能力對于硬開關變流器具有很大的吸引力。雖然6.6kV的IGBT模塊已經問世,但是其高昂的價格,要完全取代高功率GTO和IGCT還尚需時日。1.6功率器件的器件設計70年代功率MOSFET研究成功,它是典型的多數載流子器件,其靜態(tài)驅動損耗近于零,而開關速度極快。可是,對于標準的MOSFET工藝,其開關頻率和功率容量的乘積,器件耐壓和電流容量之間的矛盾受到材料極限的限制,如圖1所示。其通態(tài)電阻Rds正比于UB2.5,所以高壓功率MOSFET通態(tài)電阻較大,在開關電源中的應用受到很大局限。盡管如此,功率MOSFET在各類開關電源、3C產品中占有巨大的市場。特別是超級結技術引入到MOSFETs后,上述材料極限已被突破。這類器件的設計理念是通過在有源層內引入三維PN結結構,降低PN結周圍的最大電場值。以SJ-MOSFET為例,它在寄生二極管的有源層中采用了垂直PN細條的三維結構,它能維持相同的阻斷電壓,但是由于通過減小垂直PN條的寬度,可以大幅度提高N型導電區(qū)的摻雜濃度,導通電阻得以成比例的減小。采用這個方法,當前最優(yōu)秀的COOLMOS器件的單位面積導通電阻已經降低到相同電壓等級傳統(tǒng)MOS器件的1/10以下,開關、驅動損耗可降低2倍左右。該器件的問世為功率MOSFET的更廣泛應用開辟了新的天地。當前,傳統(tǒng)的硅基電力電子器件已經逼近了由于寄生二極管制約而能達到的硅材料極限,為突破目前的器件極限,有兩大技術發(fā)展方向:一是如上文所述的采用各種新的器件結構;二是采用寬能帶間隙材料的半導體器件,如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)器件。1.7碳化硅電力器件碳化硅材料相比于硅材料來說具有許多重要的特性:更高的擊穿電場強度2~4MV/cm;其最高結溫可達600℃等。眾所周知,半導體材料的特性對其構成的電子器件表現起著至關重要的作用,利用適當的優(yōu)良指數可以對SiC和Si以及其他的普通半導體的理論特性進行一個比較。圖6為以Si材料為歸一基準的各種半導體材料的各種優(yōu)良指數對比圖:其中Johnson優(yōu)良指數(JFM)表示器件高功率、高頻率性能的基本限制;KFM表示基于晶體管開關速度的優(yōu)良指數;質量因子1(QF1)表示電力電子器件中有源器件面積和散熱材料的優(yōu)良指數;QF2則表示理想散熱器下的優(yōu)良指數;QF3表示對散熱器及其幾何形態(tài)不加任何假設狀況下的優(yōu)良指數;Baliga優(yōu)良指數BHFM表示器件高頻應用時的優(yōu)良指數。圖6表明,SiC材料具有比硅材料綜合的優(yōu)良特性。高壓Si器件通常用于結溫在200℃以下的情況,阻斷電壓限制在幾kV。由于較寬的能帶隙,SiC擁有較高的擊穿電場和較低的本征載流子濃度,這都使得器件能在高電壓、高溫下工作。SiC還由于有較高的飽和遷移速度和較低的介電系數,使得SiC器件具有好的高頻特性。近年來,作為一種新型的寬禁帶半導體材料,碳化硅因其出色的物理及電特性,越來越受到產業(yè)界的廣泛關注。碳化硅電力電子器件的重要系統(tǒng)優(yōu)勢在于具有高壓(達數十kV)高溫(大于500℃)特性,突破了硅基功率半導體器件電壓(數kV)和溫度(小于150℃)限制所導致的嚴重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術的進步,各種碳化硅電力電子器件被研發(fā)出來,由于受成本、產量以及可靠性的影響,碳化硅電力電子器件率先在低壓領域實現了產業(yè)化,目前的商業(yè)產品電壓等級在600~1700V。隨著技術的進步,高壓碳化硅器件已經問世,并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅器件的道路上取得進步。隨著高壓碳化硅電力電子器件的發(fā)展,已經研發(fā)出了19.5kV的碳化硅二極管,3.1kV和4.5kV的門極可關斷晶閘管(GTO),10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等。碳化硅器件已經在諸如高電壓整流器以及射頻功率放大器等領域有了商業(yè)應用。它們的研發(fā)成功以及未來可能的產業(yè)化,將在高壓領域開辟全新的應用。在過去的15年中,碳化硅器件在材料和器件質量方面均取得了令未來應用市場矚目的飛速發(fā)展。然而,目前碳化硅晶體缺陷和碳化硅晶片的高昂成本是其在電力電子器件上應用的一個主要制約因素,要生產電流和電壓范圍適用于中壓驅動應用場合的器件的碳化硅材料和器件目前還相當困難。盡管如此,碳化硅還是將來代替硅材料的最有前途的材料。如前所述,SiC具有高的擊穿電場強度,因此,即使在比Si或GaAs更加薄(約為它們的1/10)的漂移層,SiC也能承受較高的電壓,因而具有較低的導通電阻。SiC肖特基二極管已接近于4H-SiC單極性器件的極限,耐壓已到達600V,目前這類產品正被Infineon和Cree等公司投入商業(yè)生產。SiC肖特基二極管能有效避免反向恢復問題,從而降低了二極管的開關功率損耗,使得該器件能應用在開關頻率較高的電路中。在600~3300V阻斷電壓范圍,SiC結勢壘肖特基二極管(JBS)是較好的選擇。JBS二極管結合了肖特基二極管所擁有的出色的開關特性和PN結二極管所擁有的低漏電流的特點。但是,SiCJBS二極管的處理工藝技術比SiC肖特基二極管要更加復雜。表2和圖7羅列了近來各類SiC二極管的各項性能比較。PN結二極管在3~4kV以上的電壓范圍具有優(yōu)勢,由于內部的電導調制作用而呈現出較低的導通電阻。Cree公司曾報道過一種在電流密度為100A/cm2,阻斷電壓為19.5kV的PN結二極管,其正向壓降僅為4.9V,這顯然都得益于電導調制作用。這種甚高壓二極管在諸如高直流電壓輸電等眾多場合中具有潛在的應用價值。然而,甚高壓二極管一般主要應用于電流在100A以上的情況。這就要求芯片面積在1cm2等級范圍內,考慮到SiC晶片襯底存在的諸如微管、螺旋、邊緣位錯和低角度晶界等晶體缺陷問題,此類甚高壓二極管的商業(yè)化生產必需解決了前述這些晶體缺陷問題后才有可能。圖8為美國Cree公司和我國山東天岳公司SiC晶片微管缺陷密度改善趨勢圖。圖9為SiC半導體材料和器件發(fā)展過程示意圖。圖10為SiC電力電子器件價格發(fā)展的示意圖,由圖可知,碳化硅器件價格趨勢為:碳化硅二極管目前是硅肖特基二極管價格的5~7倍;碳化硅JFET是硅MOSFET價格的4~7倍;碳化硅MOSFET是硅MOSFET價格的10~15倍。圖11為對SiC電力電子器件市場的預測。1.8gan電力器件圖6關于不同半導體材料的各種優(yōu)良指數比較表明,GaN與SiC一樣,與硅材料相比具有許多優(yōu)良特性,但是由于它最初必須用藍寶石或SiC晶片作襯底材料制備,限制了其快速發(fā)展。后來,它在LED照明應用市場的有力推動下,GaN異質結外延工藝技術的發(fā)展產生了質的飛躍,2012年GaN-on-Si外延片問世,為GaN材料及器件大幅度降低成本開辟了廣闊的道路,隨之GaN電力電子器件也得到業(yè)界熱捧。圖12為GaN半導體材料和器件發(fā)展過程示意圖。圖13為GaN-on-Si電力電子器件市場的預測示意圖。由于GaN器件只能在異質結材料上制造,所以其只能制作橫向結構的電力電子器件,耐壓很難超過1kV,因此在低壓應用要求較苛刻的場合可能會與硅基電力電子器件形成競爭態(tài)勢,圖14為從事GaN器件研發(fā)人士的角度出發(fā)對未來GaN電力電子器件發(fā)展的預測。從目前發(fā)展情況來看,最有前途的GaN電力電子器件是增強型氮化鎵功率MOSFET(enhancement-modeGaN(eGaN)MOSFET)。它的結構示意圖如圖15所示,可見與橫向SiMOSFET結構完全相同,但由于GaN更加優(yōu)異的電氣特性,可望在中高端應用中對SiCOOLMOS造成挑戰(zhàn)。用eGaNMOSFET及用CoolMOS制成的DC/DC變流器電源電壓–效率–工作頻率比較如圖16所示,在48V供電電壓下,在300~800kHz頻率范圍用eGaNMOSFETDC/DC變流器效率可以提升6%~8%。1.9sic與gan寬禁帶電力器件的未來發(fā)展展望以硅晶閘管為代表的半控型器件已達到7uf0b4107W/9000V的水平,各種類型的晶閘管已經廣泛、成功地用于許多傳統(tǒng)晶閘管應用及高壓直流輸電和無功補償等領域。雖然它受到了全控器件應用的沖擊,但由于它技術的成熟性和價格優(yōu)勢,今后仍舊有較好的市場前景,特別在高電壓、大電流應用場合還會得到繼續(xù)發(fā)展。以功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)為代表的全控器件也發(fā)展到了十分高的水平。當前,硅基電力電子器件的水平已基本上穩(wěn)定在109~1010Wuf0d7Hz左右,逼近了由于寄生二極管制約而能達到的Si材料極限。它們的飛速發(fā)展使當今無論高技術應用領域,還是傳統(tǒng)產業(yè),特別是一些重大工程(三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸等),乃至照明、家電等量大面廣的與人民日常生活密切相關的應用領域,電力電子產品已經無所不在,電力電子已經成為國民經濟的重要基礎技術,是現代科學、工業(yè)和國防的重要支撐技術。這些硅基全控型電力電子器件本身的技術、制造工藝雖然發(fā)展空間已經不太大了,可是它們的待開發(fā)的應用空間仍舊十分廣闊,應用市場前景無限好。SiC和GaN寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領域發(fā)展方向,材料和工藝都存在許多問題有待解決,即使這些問題都得到解決,它們的價格肯定還是比硅基貴。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應用,與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣,SiC和GaN寬禁帶電力電子器件在將來也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。從長遠看,有可能形成如下一種格局:SiC電力電子器件將主要用于1200V以上的高壓工業(yè)應用領域;預計到2019年,硅基GaN的價格可能下降到可與硅材料相比擬的水平,GaN電力電子器件將主要用于900V以下的消費電子、計算機/服務器電源應用領域。2國防武器裝備安全應用現狀如前所述,電力電子器件及其應用裝置已日益廣泛地應用和滲透到能源、交通運輸、環(huán)境、先進裝備制造、激光、航空航天及航母、艦船、坦克、第五代戰(zhàn)機、激光炮、電磁炮等現代化國防武器裝備諸多重要領域,它們涉及到許多電力電子共性基礎技術和形形色色電力電子裝置和應用系統(tǒng),本文限于篇幅對各種應用不作詳細展開,僅對當前一些電力電子應用熱點進行探討。2.1海上風電鉆機在世界范圍內的地位將更加廣泛風能是世界各國能源中增長最快的一種。截至2012年底,全球風力發(fā)電裝機容量已達282.43GW,其中,中國、美國、德國位居世界前3名,德國提出2020年可再生能源發(fā)電占到電力消費35%,其中50%來自風電?！?012年中國風電裝機容量統(tǒng)計》報告表明,2012年,中國(不包括臺灣地區(qū))累計裝機容量75.3GW。盡管受到中國風電產業(yè)調整政策的影響,中國風電市場的年增長率將經歷一個相對減慢的時期,但是預計2015年累計裝機容量仍將達到134GW,2020年達到230GW,2030年接近500GW,屆時將首次超過經合組織歐洲397GW的規(guī)模,僅次于經合組織北美地區(qū)666GW的預期。全球海上累計裝機容量約5.41GW,截至2012年底,英國海上累計裝機容量達29.5GW,位居世界第一位,截至2010年底,我國海上風電裝機容量僅為142.5MW,在2010年全球海上風電裝機總量中占4%左右。風電的裝機成本也逐年下降,它是當前唯一在發(fā)電裝機成本上可能與火力發(fā)電相媲美的一種新能源發(fā)電,如圖17所示。目前風力發(fā)電和電網兼容的問題受到了業(yè)界極大的關注,一方面,風力發(fā)電不能適應較大的電網電壓和頻率暫態(tài)變化,同樣風力發(fā)電的不穩(wěn)定性對電網也會造成沖擊。另外,在世界范圍內大規(guī)模開發(fā)應用風能的今天,如何合理評估風力發(fā)電對生態(tài)的影響并加以開發(fā)利用,也顯得日益重要。風是由于地球表面氣流的運動形成的,如果人們大規(guī)模地、不合理地亂設風場、濫用風能,有可能使地球表面的氣流發(fā)生人們預想不到的改變,可能使人們賴以生存的氣候和生態(tài)環(huán)境產生災難性的后果。因此,大規(guī)模風場的設立和風能利用應當有環(huán)境、氣象科研部門的積極參與和經過認真的科學論證,如果能將風電開發(fā)利用和改造人居環(huán)境密切結合將是最理想的做法。2.2光伏發(fā)電技術展望20世紀50年代,太陽能利用領域出現了兩項重大技術突破:一是1954年美國貝爾實驗室研制出6%的實用型單晶硅光伏電池;二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論,并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項技術的突破為太陽能利用進入現代發(fā)展時期奠定了技術基礎。從第一次空間應用到現在,光伏產業(yè)已經經歷了近50年的發(fā)展歷史。過去10年,是強勁增長的10年,同時預計這種增長仍將在未來數年內持續(xù)。70年代以來,鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加,世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮。2006年全球光伏電池的實際產量達到了2.6GW,截至2011年底,全球累計光伏裝機量已達到67.4GW,成為僅次于生物質能和風電的第3大可再生能源。傳統(tǒng)歐洲市場仍然是2011年全球光伏發(fā)電裝機市場增長的主要動力:2011年歐洲地區(qū)21GW的光伏發(fā)電裝機量占到了全球總裝機的約75%,其中德國和意大利光伏裝機為16.5GW,占全球光伏裝機量的近60%。截至2011年底,中國光伏發(fā)電裝機量累計達3GW,較2010年增長了三倍多。2012年中國光伏裝機量累計達4.5GW。2013年7月15日,我國出臺了《國務院關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》,提出到2015年總裝機容量要達到35GW以上。圖18為2003—2017年全球光伏發(fā)電累計裝機容量示意圖。圖19為目前市場上已實現產業(yè)化的各類光伏電池:單晶硅光伏電池(轉換效率14%~20%)、多晶硅光伏電池(轉換效率11%~16%)、薄膜硅光伏電池(轉換效率5%~8%)、碲化鎘薄膜光伏電池(轉換效率9%~11%)和銅銦鎵硒薄膜光伏電池(轉換效率10%~12%)。當前單晶硅光伏電池占有80%以上的光伏發(fā)電市場份額,仍是當前光伏發(fā)電的主體,如圖20所示。表3為當前各種光伏電池主要優(yōu)缺點比較。從長遠看,我們的看法是:1)期望用硅光伏電池來解決發(fā)電的問題從根本上講是不現實的,因為制造一塊硅光伏電池實際需要花費的電力(沙子–二氧化硅–工業(yè)級多晶硅–高純多晶硅–單晶硅–單晶硅片–單晶硅光伏電池每道工藝過程均需要消耗大量電力)可能比它所能發(fā)出的電力還要多。因此,硅光伏電池光伏發(fā)電將主要用于特殊地區(qū)的發(fā)電及改造環(huán)境的需要。2)太陽能光伏發(fā)電最有應用前途的是光伏建筑一體化應用。它是結合光伏電池發(fā)電和建筑物外墻的功能,將光伏電池組件裝置在建筑物上,使其起到既可以發(fā)電又可以代替建筑材料的雙重用途。在土地價格昂貴的地區(qū),光伏建筑一體化是解決土地成本過高和整合發(fā)電運送的最佳方案,建筑業(yè)已開始使用薄膜光伏電池,因為它既能發(fā)電又可降低二氧化碳的排放量,這是未來一個新的發(fā)展趨勢。依照安裝位置的不同,光伏建筑一體化可以有很多種類型,如與屋頂結合、與外墻結合、與遮陽裝置結合、做玻璃幕墻用等。光伏建筑一體化具有如下優(yōu)點:節(jié)省光伏電池支撐結構,并可替代屋頂、墻面、窗戶等建材;節(jié)省光伏電池安裝成本;有效利用建筑物的表面積,不需另外占用土地;可以遮陽,降低建筑物外表溫度;增加建筑物美觀;將太陽能和建筑物結合,使建筑物能有自己的電源供應,特別在我國這樣一個幅員廣闊、人口眾多的國家將會在很大程度上解決電能供給的難題。薄膜光伏電池有非晶硅(amorphusSilicon,a-Si);微晶硅(NanocrystalineSilcon,nc-Si,MicrocrystallineSilicon,mc-Si);無機化合物半導體(CdS、CdTe(碲化鎘))、CIGS(銅銦鎵硒化物);色素敏化染料(Dye-Sensitized)和有機高分子(Organic/Polymer)光伏電池等多種類別。其中,目前已實現產業(yè)化的薄膜光伏電池有非晶硅、微晶硅、無機化合物半導體、CIGS光伏電池等。色敏染料和有機高分子光伏電池尚處于實驗室研究階段。2010年12月6日,全球重要的銅銦鎵硒CIGS(Cu(In,Ga)Se2)薄膜光伏電池制造商MiaSolé宣布,經美國能源部下屬的國家可再生能源實驗室證實,該公司生產的銅銦鎵硒薄膜光伏電池轉換效率已達到了15.7%。據悉,這是當前薄膜組件在商業(yè)運用中已被證實的最高轉換效率。雖然許多數據表明,無機化合物半導體(CdS、CdTe(碲化鎘))、CIGS(銅銦鎵硒化物)薄膜光伏電池具有許多如表3所示的優(yōu)點,但是由于它們存在材料來源稀缺或有毒和會造成環(huán)境污染等致命缺點,推廣應用速度不快。隨著技術的進步,薄膜光伏電池產品的轉換效率可望穩(wěn)定達到10%以上,加上它們原來就具有低成本、總耗電量小、可大規(guī)模量產等一系列的優(yōu)點,組件售價可望降到l$/W以下,發(fā)電成本也就可望降到8￠/(kWuf0d7h)以下,和現有傳統(tǒng)電力相比是具有競爭力的。圖21為全球當前各類光伏電池產業(yè)化/實驗室研發(fā)水平進程示意圖,圖中EmergingPV表明各種目前尚處于實驗室研究開發(fā)階段的有機/非有機薄膜光伏電池的技術現狀,從圖可見,目前EPFL研發(fā)的色素敏化染料薄膜光伏電池轉換效率已達到14.1%,多個實驗室制作的有機高分子(Organic/Polymer)和非有機高分子(Inorganic)薄膜光伏電池轉換效率均已達到10%以上,距離實現產業(yè)化并不遙遠。2.3我國電動助力產業(yè)發(fā)展的現狀汽車是人們生活的重要交通工具,隨著人們生活水平的提高,越來越多的人開始購買汽車。但是,汽車的大量使用帶來了能源消耗、資源短缺、環(huán)境污染等一系列問題,這些問題促使各大汽車公司競相研制各種新型無污染的環(huán)保車。而電動汽車是以電能為動力,通過電動機將電能轉化為機械能,這完全符合零污染汽車的理念。因此,電動汽車作為解決資源短缺、環(huán)境污染等問題的重要途徑,得到了快速發(fā)展。國內外電動汽車發(fā)展從動力上來說,目前主要分為3種類型:純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車。純電動汽車完全由二次電池(蓄電池)提供動力;燃料電池汽車以燃料電池作為動力源,利用燃料和氧化劑在催化劑作用下直接經電化學反應產生電能;混合動力汽車則采用內燃機和電動機兩種動力,將內燃機與儲能器件通過先進控制系統(tǒng)相結合。近年來,隨著環(huán)境污染和能源危機的加劇,世界各國在電動汽車的研發(fā)布局中出現了三者并駕齊驅的局面,電動汽車正朝產業(yè)化方向一步步邁進。國內電動汽車的研究始于20世紀60年代,但當時的研究開發(fā)都是零散和小規(guī)模的,投入也很少。自1980年開始,我國開始掀起電動汽車的研究高潮,電動汽車被國家列為“八五”、“九五”科技攻關項目。國內一些科研院所和生產企業(yè)相繼開始