媒体评论

2010-01-08[据欧空局网站2010年1月5日报道] 空间技术已经引领了许多有益于环境且节约能源的发明。基于卫星的系统正在减少运载器的二氧化碳排放,遥感技术正在使风力发电机更具效率,来自气象卫星的信息也正在帮助太阳能电池产生更多能量。

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发电站---隐形“污染源” 毋庸置疑,电动汽车并不会排出有毒气体。但在西方国家,造成大气污染的污染源却是大大小小的发电站。举个简单的例子,美国三分之二的电力资源来源于燃烧矿物燃料因此这项研究声称,在依靠矿物燃料供电的条件下,内燃机车二氧化碳排放量仅为电动汽车的一半。此外研究还表明,电动汽车依靠电力驱动,因此在能源转换的过程中,电动汽车的能量泄漏率竟高达76%,相对而言内燃机车则为45%。 在英国,20%的电力资源来源于可再生资源。而在以煤炭为主要电力来源的国家能源耗损率会更高。这也意味着以石油燃料内燃驱动的内燃机车与通过电力传输驱动的电动汽车相比,前者更为环保。然而目前并未有具体证据能够证明石油燃料的提炼与运输就一定优越于柴油或汽油。 另外英国目前电力资源储备极为丰富,这将使得电动汽车的使用日益高涨。但颇受争议的是,如果电动汽车的使用量增加,无疑发电站数量也会增多,这样一来矿物燃料的开采量及二氧化碳排放量也会随之加大。 事实上,在电力使用高峰期提供足够的低碳电力绝非易事。并非所有家庭都有自己的私家车库及电力供应点。因此,大型电动汽车的投放需要有足够的路旁电力供应点。此外,在一些商场、露天运动场、大型展览、文化、以及娱乐活动场馆以及多层停车场等场所在用电高峰期会导致超负荷用电。矿物燃料使用量的增加也使得电动汽车在环保方面毫无优势可言。 另外更大的挑战在于,每年都要建立数以百计的海上风力涡轮机、太阳能发电站以及海浪能、潮汐能等能源核电站。电动汽车的环保效益显而易见,这也使其大规模使用成为必然。这就需要我们转变目前的内燃机车兼容的环境模式。而在此转变过程中,所有权、资金以及税费等模式都亟待改进。 另一先决条件—智能电网 智能电网也就是所谓的智能供电网络,也是一个很重要的先决条件。它能够更加生动并及时地反映网络上的信息流动,以此使得电力输送变得更加高效和持久。但是,目前还没有具体的实施方案。没有优化的智能电网,何谈电动汽车的环境效益? 尽管现在的发电厂的排碳量很高,但是有一点是可以肯定的,那就是电动汽车的碳排放量要低于内燃机车辆的排放量。 如果采取替代能源发电,就可以实现电动汽车二氧化碳的零排放。但是由于人们无法完全掌握自然能源,于是发电量就会变得不稳定。例如,云层较厚时就不利于太阳能发电,反气旋会影响潮汐能发电。而插电式混合动力汽车是将电力和汽油发动机结合,这样的设计不需要太大的设备投入,因此被认为是可靠的选择。 科学技术的发展促使了锂离子电池的研发,这种电池不仅支持手机和笔记本电脑,也用于电动汽车。这些电池电力强大,便于携带,充电迅速且方便。但是,有研究显示,电动汽车的电池每次冲完电后只能维持约100英里的行驶里程。 此外,即使在理想的状态下,充电时间需要一小时左右。具体的一些解决办法也已经出现,如在目的地、街道停车处以及工作地点设置电池转换站或者提供充电设施。一些工作场所已经配备了关于太阳能的汽车充电设备。在一些较为寒冷的地区,如芬兰、美国和加拿大北部的一些城市就设置了公共电源插座,这些电源采用的是加热器和断路器合作的原理。 内燃机汽车将释放的大部分余热用于保持汽车内部温度,但是节能的电动汽车排放的余热很少,汽车内部温度只有靠电阻热保持。另外,在寒冷的天气里,电动汽车消耗更多的能源,电池的续航里程也会相应降低。尽管有上述这些缺点,电动汽车较为适合短距离和日常出行。

这只是空间技术和卫星服务衍生产品的几个实例。近年来,欧空局的技术转移项目和它的企业孵化中心一直在鼓励、支持有助于缓和气候变化的新服务和新产品的创新型技术和概念。

矿物燃料一直以来都是发电的首选能源。但是,随着对矿物燃料供应的可持续性以及温室效应气体生成的关注,以及有关减少燃烧所产生的二氧化碳排放量协议的出台,许多举措正朝着可再生能源的方向发展。通过使用现代材料来满足机械要求以及使用现代电子元件和电力电子元件来有效地为主网送电,制造具有高达5MW 额定功率的现代风能涡轮机才有可能。为了对转换器进行最优控制,各种规格的电流传感器在风能涡轮机中是每个转换器必不可缺的元件 。从人类发展的早期开始,已经将风能作为一种能源使用。风车将风中所含的能量转换为可以用来磨粒或抽水的机械可用能量。

适用于可再生能源的空间技术

图1:希腊罗德港内的风车 – 做成转子旋翼的布已被卷起

为了使新型风力发电机产生的电量最大化,法国Leosphere 公司研制了一种小型设备,用于测量距地200米高处的风速和风向。这种激光雷达技术与欧空局即将用于Aeolus卫星上的技术类似,后者旨在从太空提供风量全球观测。

图2:波罗的海德国吕根岛上的风能驱动沿海泵站

参与该任务的欧空局专家曾在Leosphere公司启动阶段参与改良公司设备。基于这一技术的设备不断浮现,现在它们已经用在100多个国家。

20 世纪上半页,许多现代风力涡轮机的物理和设计理论基础得以发现。德国工程师Albert Betz 在其于1926 年出版的著作中计算出了理想风力涡轮机的最大理论效率大约为59.3%。20 世纪40 年代,Ulrich Hütter 研究出了用于具有两片或三片转子叶片的所有现代自由和高速运行风能转换器的设计理论基础[1]。但是直到20 世纪90 年代初期当政治结构发生变革时,许多国家才提供用于可再生能源的政府援助。这种政府行为推动了风能涡轮机的集约化商业发展。越来越多的风力涡轮机和风力发电厂安装和建立起来;现在首批4.55MW 风力涡轮机正处于试验阶段。德国以总装机容量占全世界39151MW 风能中的14609MW 而名列前茅,领先于美国、西班牙和丹麦[2]。风力涡轮机的功率控制风是空气团交换的结果,主要由太阳辐射效应形成的局部甚或大面积温差而引起。诸如森林、高山和建筑等障碍物会产生影响风速持久变化的湍流。风力涡轮机的转子将风中所含的能量转换为转动能,从而驱动发电机产生电流。

通过利用气象卫星的数据,意大利Flyby公司的太阳阴影标尺技术能够精确预测光电发电站的能量输出。这种信息可用于设计系统改进和快速发现运行中的光电发电站存在的故障,故障通常会导致每年能量产出减少10%以上。该系统已经安装在意大利的多个光电系统上。

图3:加那利群岛西班牙Gran Canaria 风力发电厂

空间传感器能够减少热系统的排放量

风能以及由此可以使用的量与风速的立方成正比。在由转子直径而计算出的转子面积和从流经该面积的风而产生的能量之间还存在着一个简单的相关关系。当风速超出一个固定限值时,为了避免机械和/或电气过载,风能涡轮机必须配有功率控制器。一般来说,发电机的额定功率是一个必须给予关注的阈值电平。还有一个同样重要的功率控制原因。为了给电网提供持续的电能,尽管风速每秒都在变化,使发电机以最佳状态运行还是必要的。涡轮机使用各种功率控制。控制程度可以通过转子叶片被动或主动实现。被动限制可以通过一种特殊形状的单转子叶片而实现。在一定的风速下,使转子转动的气流突然消失,转子也停止转动。现在的大型风力涡轮机通常采用主动功率控制系统来调节转子叶片处于其纵向轴内。通过调节与转子平面有关的叶片角度,可能控制的不仅仅是发电机功率。在较高风速下,转子叶片可以转子快速停止的方式扭转。小功率电气驱动器通常用于这种用途。在某些逆变器内,小型和PCB 安装电流传感器应用非常广泛。这些传感器是转换器闭环控制的一部分,因此可以快速反应。当与发电机的智能功率控制同时使用时,可以确保在风能涡轮机启动之后在一个很宽的风速范围内为电网提供持续功率,直到涡轮机在上限风速时停机为止。偏航控制转子一直与风向垂直很重要。有两个原因,一是可以确保风流经过最大转子面积,因而从风中获得最多能量;第二个原因是通过确保转子叶片在每次旋转中不会来回伸缩,从而避免转子叶片的非均匀负载。商用大型风力涡轮机通常称为迎风机,即转子面对塔前面的风,但这是一个不稳定的状态。因此,整流罩和转子必须通过电动机的作用积极地转到风的方向。此外,制动器还可用于确保整流罩不会由于风向小的短时间改变而发生扭转。为了对驱动器进行最佳定位,各个转换器内的传感器对电流进行连续测量。电路控制器的质量和反应时间最终由电流传感器的设计和性能而确定。这就是具有小电流额定值的闭环电流传感器应用在这种场合的原因。

微型陶瓷气体传感器技术最初研发用于测量再入航天器周围的含氧量。目前则用于能够精确控制加热器燃烧的系统,这是污染的主要来源之一。

图4:闭环电流传感器电路图

它能够减少有害于环境的废气,并且能够确保加热系统在最优的水平上工作。它还能够将燃料消耗量减少10%-15%。该技术由欧空局的技术转移项目及其合作方MST共同资助,目前正用于德国ESCUBE公司的工业加热器控制系统。

除了具有极好的线性度以及因此的极好精确度之外,闭环电流传感器本身还具有高带宽以及快速的反应时间等优点。闭环电流传感器的原理在[3]中予以描述。下一个问题是从风中获得电能并将其送进主网。风力涡轮机制造商已经开发了用于该种用途的具有竞争力的系统。实际上,每台风力涡轮机都配有一台异步发电机或一台同步发电机。异步发电机和电网耦合典型“丹麦概念”描述了一种风力涡轮机,这种风力涡轮机包括一个具有三片转子叶片的失速控制转子、一个变速箱、一台配有鼠笼式转子的极切换异步发电机和一个直接主网耦合器。直接电网耦合器产生一个在超同步滑动区域具有几近恒定运行速度的“恒速”系统。转子速度可以通过滑动控制在一个狭窄的范围内调节,或是通过切换发电机的极性在一个较宽的范围内调节。变速箱使转子旋转与发电机速度相适应。设备需要电网提供动力来逐步产生旋转磁场。为了对在发电机与电网耦合时所产生的浪涌电流进行限制,在启动过程中在发电机和电网之间采用软启动器。这种直接电网耦合方法由于某些技术缺陷而不再用于大型风力涡轮机。双馈感应发电机现在大多数的风力涡轮机都使用一种经过修正的“丹麦概念”,在这种概念中,一台双馈异步机器作为发电机。

卫星数据能够减少车辆排放量

图5:双馈异步发电机电路图

传统的卫星导航系统能够帮助人们认路。而现在提出的几种创新性方案能够将同样的信息用于减少车辆的燃料消耗和污染。

定子的频率和电压与主网紧密耦合。滑动环转子通过特殊逆变器与电网相耦合,逆变器必须能够将能量向机器传送以及向电网传送。该逆变器只需要指定滑动功率,这个功率通常仅为发电机额定功率的20%。以这种方式设计的风力涡轮机是一个从次同步直到超同步范围的变速系统。两台完全相同的配有直流链的脉冲控制IGBT逆变器用作转换器。不管在哪个能量输送方向上,其中一台转换器都会用作整流器而另外一台用作逆变器,反之亦然。为了控制电网功率,除了直流链电压之外,还需要进行精确而快速的电流检测。LEM提供可完全适合该用途的具有中等电流额定值的闭环电流传感器。这些传感器体积小并有多种不同的安装方式可以选择。除此之外,LEM电压传感器还可用于监测和/或控制直流链的电压。同步发电机和电网耦合以上所描述的两种概念都使用一个变速箱来使相对慢速的转子旋转与发电机的速度相适应。市场上获得成功的一个不同概念使用一台同步发电机来提供一台变速风能涡轮机。由于变速箱自身的机械损失和无需再进行深入的维护保养,转子旋转与发电机速度的适应只有通过低转子速度来实现。因此,一种具有多个极点的所谓环发电机设备得以应用。同步发电机一个至关重要的优点是能够根据磁场/励磁控制器的控制提供感性或容性无功功率。主网耦合通过指定用于输送总功率的脉冲转换器来进行。对于这些应用,LEM 的动态闭环电流传感器可用于整流器和逆变器。对于粗糙环境,还可提供封装型传感器。可用于以上应用场合的所有LF 系列电流传感器[4]在环境室温下都具有良好的共模特性以及0.3%的精度。

重复性的飞快加速和突然刹车都能够增加车辆的燃料消耗,甚至包括最环保车型。这种智能的绿色驾驶(GreenDrive)系统能够结合车型,车辆位置和路面状况的信息,向驾驶者建议使用最经济的驾驶方式。这种做法平均能够节省15%-25%的燃料。

图7:LF 系列包括从20A 到2000A 的电流传感器

另外一种系统能够利用导航系统提供的道路大地高度,优化辅助设备的操作,例如发电机、空调、动力方向盘、货运卡车上的深度制冷和水泥搅拌机的移动部件。这些设备的燃料损耗高达20%。这种系统能够使全欧洲每年节省20亿升的燃料,避免500万吨的二氧化碳排放。 (中国航天工程咨询中心 曲佳 陈菲)

通过应用闭环原理,可实现一种快速反应传感器,从而为逆变器内的功率半导体器件提供短路保护-对于维护困难而费用又昂贵的近海区风能涡轮机来说,这一优点不可估量。总结电流传感器是现代风能涡轮机中不可或缺的元件。在传感器开发方面拥有30 多年经验的LEM 贡献了广泛的专业知识。对于许多这些应用,LEM 可提供即用解决方案;其他应用可根据客户和应用场合的需求进行开发和定制。参考文件[1] Heiner Drner, Institut für Flugzeugbau at the University of Stuttgart –~doerner/doerner.html[2] Bundesverband Windenergie – [3] LEM 技术信息CH22102 E/US-用于标称值从200A 到2000A 电流测量的LF 系列[4] LEM 应用说明 CH24101 E/US – 隔离电流和电压传感器关于LEM莱姆作为传感器领域的市场先导者,可以为客户提供全新的技术和高质量的电气参数测试解决方案。其核心产品为电流和电压传感器,它们被广泛应用于工业、铁路、能源与自动化以及汽车等领域。莱姆作为一家全球化的公司,在全球范围内拥有1000名员工,在日内瓦、町田、北京设有生产中心,各地的销售办事处能够为全球客户提供周到的服务。北京莱姆电子有限公司是莱姆电子在中国的全资公司,在各地区设有销售办事处,为中国客户提供全球化的无缝服务。(end)

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