微电网(MG)

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微电网(MG)(精选三篇)

微电网(MG) 篇1

关键词:微弧氧化,陶瓷膜,成膜特征,α相,α+β双相,β相,Mg-Li合金

0 前 言

Mg-Li合金是最轻的金属结构材料,随着Li含量的不同会产生结构的转变:Li含量为5.5%时,镁锂合金结构由密排六方(α相)结构转变为密排六方与面心立方(β相)共存;Li含量为10.3%时,又将全部转变为面心立方结构[1]。Mg-Li合金具有轻量化、节能、环保等优点,在航空航天、军事、电子等领域将具有广泛的应用前景。但是,Li的注入会使Mg-Li合金耐蚀性显著降低,因此有效的表面处理对于提高其综合性能、拓宽其应用范围具有重要的意义[2]。目前,主要使用气相沉积、阳极氧化、化学转化、有机涂覆以及激光改性等对Mg-Li合金进行表面处理[3,4],但这些方法均存在成本高、效率低、膜层结合力差等问题。采用微弧氧化对镁合金进行表面处理,形成的陶瓷膜结构致密、与基体结合牢固、耐蚀性好,可赋予陶瓷膜其他方法难以获得的性能[5,6,7]。目前,关于Mg-Li合金微弧氧化的研究大都集中在工艺参数的优化和膜层的结构性能方面[8],有关基体组成结构对陶瓷膜性能的影响研究还未见报道。

本工作选取3种结构的Mg-Li合金基体在Na2SiO3溶液中进行微弧氧化处理,研究了其成膜特点,认识了不同相的Mg-Li合金微弧氧化的成膜差别,从而为实际应用提供参考。

1 试 验

1.1 基材前处理

基材为Mg-Li合金,尺寸为15 mm×15 mm×2 mm。3种Mg-Li合金基材中Li含量分别为5.0%,8.0%,14.0% (质量分数,下同),其余化学成分均为3.5% Al,1.0% Zn,1.2% Ce,1.5% Mn,余量Mg,其结构分别为α相、α+β双相及β相。基材依次用240,1 000和2 000号金刚砂纸打磨,于乙醇中超声清洗2~3 min,去离子水清洗后冷风吹干。

1.2 微弧氧化

利用自制的5 kW直流脉冲微弧氧化装置进行Mg-Li合金微弧氧化:装置由高压直流脉冲电源、不锈钢电解槽、爆气装置和循环冷却系统等组成,以Mg-Li合金为阳极,不锈钢槽为阴极,恒流模式微弧氧化,电解液为13 g/L Na2SiO3溶液;频率为300 Hz,占空比为45%,电流密度为2 A/dm2,处理时间为15 min。反应过程中使用冷却系统控制电解液温度为20~30 ℃。为减小启动电源、调节电流稳定所带来的时间误差,以100 V为计时零点。

1.3 检测分析

采用IRIS IntrepidⅡ电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测量微弧氧化过程中溶液中Li+含量,溶液取样量2 mL,取样深度2 cm,距离基体表面0.5 cm。

利用JSM-6480A型扫描电子显微镜(SEM)观察膜的表面形貌。用Dmax-3B型X射线衍射仪(XRD)测定试样及膜层的相组成:铜靶,波长为0.154 18 nm,工作电压为40 kV,工作电流为150 mA,扫速为10 (°)/min。

采用GTC-10涡流测厚仪测量膜层的厚度,在膜层表面选取10个测试点,取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 槽电压随时间的变化

图1是不同相Mg-Li合金微弧氧化15 min的槽电压-时间曲线。由图1可看出:3种相Mg-Li合金的电压变化基本一致,按电压变化速率的大小都可分为3个阶段(ab,bc,cd);对于每种基体来说,电压上升速率按ab > bc >cd的顺序依次减小,分别对应于其成膜过程中的无火花阶段、白色火花阶段和黄色火花阶段。

在无火花阶段(ab),3种基体表面金属光泽变暗,都产生了一层透明的阳极氧化膜,并有大量气泡吸附于表面。不同相基体的槽电压上升的速率按α相>α+β双相>β相的顺序依次减小。这是因为电子电流密度很小,离子电流密度占主导,并随着膜层电阻的增大而增大[9];α相基体中含有较多的Mg元素,使得其更容易参与成膜,并且生成的膜层电阻较大,因而其槽电压会迅速上升以维持稳定的电流密度。

白色火花阶段(bc),当电压由法拉第放电区上升至微弧放电区,达到膜层的击穿电压后,基体即进入此阶段。表1显示,3种相Mg-Li合金的击穿电压按β相>α+β双相> α相依次减小。由此推测,α相基体表面最容易成膜。

黄色火花阶段(cd),随着电压的继续增大,3种基体上的白色细小火花都逐渐发展长大并趋于不均匀分布,随后进入黄色火花阶段,并产生低频的爆鸣声。不同相的基体其最终槽压也不同,α相最终槽压最大。一般地,膜层越厚最终槽压越高[10],由此推测,α相基体表面陶瓷膜最厚。

2.2 微弧氧化时基体中Li+的析出

图2为不同相Mg-Li合金在微弧氧化过程中电解液中的Li+含量。从图2可以看出,微弧氧化过程中3种基体中的Li都不断溶出,β相基体中Li的析出量远远高于其他2种。因为面心立方结构(β相)的Mg-Li合金热稳定性差,密排六方结构(α相)的Mg-Li合金热稳定性好[11],因而在高温剧烈的微弧氧化过程中Li的析出量大小为β相>α+β双相>α相。

2.3 陶瓷氧化膜的微观形貌与元素分布

图3、图4分别为3种基体微弧氧化15 min所得陶瓷膜的表面和截面形貌。从图3可以看出:膜层表面均为多孔结构;α+β相膜层表面最为均匀,孔洞最少;β相膜层最粗糙并有大量空洞存在。这是由于β相基体上膜层生长速度慢,成膜困难,膜层较薄,容易被击穿,因而形成了大的放电隧道。从图4可以看出:陶瓷膜均为单层结构,α相基体与膜层结合较好;陶瓷膜均由O,Na,Mg,Si 4种元素组成,其中O,Si元素的含量明显高于基体,β相膜层中O元素由外到内呈现先增后减趋势,一方面,O,Si元素以OH-,SiOundefined等形式通过液相传质吸附在膜层空洞中,另外,这2种元素可能参与了成膜反应,以化合物的形式存在于陶瓷膜中;由基体到膜层Na元素含量变化不大;基体中Mg元素含量明显高于膜外,说明Mg元素已经进入膜层。

2.4 膜层的相组成

图5为不同相Mg-Li合金表面陶瓷膜的XRD谱。由图5可知:α+β相及β相膜层均由MgO和Mg2SiO4 2个相组成,α相膜层只有MgO相且整个成膜过程中没有其他晶相出现。膜层相组成的差别主要由基体成分和结构的不同造成的。MgO为高温稳定相,由于α相表面容易成膜,膜层比其余2种基体的都厚,成膜过程中获得了较大的放电能量,因而膜层晶相主要由MgO组成。从整个成膜过程来看,这些相的衍射峰强度均随着氧化时间的延长、膜层厚度的增加而增加。这是因为:成膜初期放电过程中产生的能量小,熔融物主要存在于试样表面,电解液的直接“液淬”作用使多数Mg,O,Si原子来不及按固有的晶格结构规则排列而以无定形相固化于表层;随着厚度的增加,放电过程产生的能量增大,电解液冷却将由直接“液淬”冷却逐步转变为通过热传导过程对内层的熔融物进行冷却使之凝固,更多的Mg,O,Si原子将有足够的时间进行规则排列从而使其晶化程度增高、衍射峰增强。

2.5 陶瓷膜层生长的速率

不同相Mg-Li合金的陶瓷膜的生长速率也不同,图6为陶瓷膜厚-时间变化曲线。可以看出:3种基体表面陶瓷膜的厚度与氧化时间的关系均符合抛物线规律;在微弧氧化反应时间相同时,膜厚按α相>α+β相>β相的顺序依次减小。3种基体的膜厚-时间曲线经最小二乘法拟合,所得方程式如下:

α相 d=0.702 5+2.167 3t-0.075 9 t2 (1)

α+β相 d=0.405 0+1.921 7t-0.057 2 t2 (2)

β相 d=0.097 9+1.324 7t-0.032 9 t2 (3)

3 结 论

(1) α相Mg-Li合金击穿电压最小,最终槽压最大。

(2)微弧氧化过程中β相基体中Li的析出量大大超过α相和α+β相。

(3)陶瓷膜均为单层结构;α+β相基体膜层表面最为均匀、孔洞最少,β相膜层最粗糙、孔洞最大。

(4)陶瓷膜均由O,Na,Mg,Si 4种元素组成;α相膜层由MgO相组成,α+β相和β相膜层均由MgO和Mg2SiO4两相组成,其衍射峰的强度均随着氧化时间的延长而增大。

(5) 陶瓷膜厚度与氧化时间均呈现抛物线变化,膜厚按α相>α+β相>β相的顺序依次减小。

参考文献

[1]乐启炽,崔建忠,李红斌,等.Mg-Li合金研究最新进展及其应用[J].材料导报,2003,17(12):1~8.

[2]Gao L L,Zhang C H,Zhang M L,et al.Phytic acid con-version coating on Mg-Li alloy[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,485(1/2):789~793.

[3]Yamauchi N,Ueda N,Okamoto A,et al.DLC coating on Mg-Li alloy[J].Surface and Coatings Technology,2007,201(9~11):4913~4918.

[4]Song D L,Jing X Y,Jun W G,et al.Corrosion resistant ZSM-5zeolite coatings formed on Mg-Li alloy by hot-pressing[J].Corrosion Science,2011,53(5):1732~1737.

[5]Chang L M.Growth regularity of ceramic coating on mag-nesium alloy by plasma electrolytic oxidation[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,468(1/2):462~465.

[6]Singh R S,Dahotre N B.Corrosion degradation and pre-vention by surface modification of biometallic materials[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2007,18(5):725~751.

[7]Pietak A,Mahoney D,Dias G J,et al.Bone-like matrix formation on magnesium and magnesium alloys[J].Jour-nal of Materials Science:Materials in Medicine,2008,19(1):407~415.

[8]Shi L L,Xu Y G,Li K,et al.Effect of additives on structure and corrosion resistance of ceramic coatings on Mg-Li alloy by micro-arc oxidation[J].Current Applied Physics,2010,10:719~723.

[9]Guo H F,An M Z,Huo H B,et al.Microstructure charac-teristic of ceramic coatings fabricated on magnesium alloys by micro-arc oxidation in alkaline silicate solutions[J].Applied Surface Science,2006,252:7911.

[10]赵晴,章志友,陈宁.终止电压对MB8镁合金微弧氧化膜耐蚀性的影响[J].表面技术,2007(4):55~58.

微电网运行策略 篇2

而光伏发电作为微电网中一种典型的 DG,其运行具有代表性

[10,37]

:输出功

率的大小易受自然环境(天气等)的影响,产生电能具有明显的阶段性,光照不 充足甚至多日阴天多雨时,对于离网型光伏发电系统会造成供电的不稳定甚至断 电;同时,大规模的并网光伏发电系统经常会因为系统波动大,以及需要得到并 网许可等问题无法进行并网,极大的影响了光伏发电系统的经济性和稳定性。因 此,风力发电等其他类型的 DG 与光伏发电混合、光伏发电配置储能系统等发电 形式来共同构建混合的微电网发电系统,成为提高光伏发电系统友好接入和调节 微电网电能质量的一个研究热点。而对这种随机性较强的 DG 的控制目标,是保 证其供电可靠性和对可再生能源的最大利用率,并且这类 DG 均通过电力电子逆 变器接入微电网,因此对光伏发电这类发电具有明显间歇性的控制策略的研究,可以为其它采用同类型接口的 DG 控制器设计提供模型和理论分析依据。这对微

室内物联网监控系统是多种技术的综合研究与应用,包括传感器

技术、计算机网络技术、数据存储技术以及多种软件应用技术。本文

从室内物联网应用具体实现的角度进行研究与设计,实现了一种实用

化的室内物联网监控应用系统,详细的介绍了室内感知网络软硬件设

计、网络通信系统设计、数据库系统设计以及网络服务器应用程序设

微电网:智能电网铺路石 篇3

像通讯网一样,电网也由城市之间的骨干网和城市之中的配电网组成。眼下,由于电力行业的体制问题,中国在发展智能电网的道路上重骨干网而轻配电网,骨干网中的物联网技术应用已达到世界领先水准,城市电网的智能应用却相对落后,“智能家居”的概念喊了多年,也没有明显进展。可以说,二网信息化水平极不均衡,就像人的两条腿有一长一短,前行时未免跌跌撞撞。

为诊断中国智能电网的“长短脚”症状,《计算机世界》报记者专访了国家电网中国电力科学研究院副总工程师蔡国雄。蔡国雄为记者系统剖析了中国发展智能电网面临的问题,以及实现真正“智能”的必要条件。

微电网实验

中国的老百姓也可以在屋顶安装太阳能光电板和风机进行发电,不同的是,按照我国相关规定,这种电只允许自己使用,并不能接入到电网中。2011年,民间环保组织“自然之友”遴选了21家户型不同的北京家庭进行节能改造试点,通过在窗台外安装太阳能光电板、将普通节能灯换为LED灯等措施,改造后的居民住宅可节约能源使用量至少30%,照明用电量最高可节约95%,节能效果十分显著。

蔡国雄告诉记者,“如果家家发电,小区内就可以组成一个必要时可以独立运行的微电网,通过相互之间的电力传输,解决小区内部的用电需求。我们家中的电表会与光纤相接,通过互联网将用电和售电信息传送给控制中心,控制中心再通过互联网对电能进行智能调度。微电网可算是城市智能电网的组织单位,在很多发达国家,正是这样一个个微电网构成了四通八达的城市智能电网。”

蔡国雄直言现在的城市电网“比较傻”,最大的缺陷就在于无法实现双向传输,只能从电网公司向用户输电。在中国,发展微电网最显而易见的障碍正是来自民间买卖电能的政策限制,技术上的难度则相对较小。“现在只用于单向传输的电网理论上完全可以承担双向传输的任务,只要在用电侧和发电侧安装逆变装置、通过逆变装置使居民自家发的电转变为满足电网质量需求的电就可以了,成本也不会很高。”

眼下,我国现在已经迈开了试点微电网的第一步。2012年3月,全国首个微电网示范工程——新疆吐鲁番新能源城市微电网示范工程项目获得了国家发改委、国家能源局、国家电监会的联合批复。与德国同类项目相似,该微电网系统实行“自发自用、余量上网、电网调剂”的运行机制,即屋顶光伏电站电量直接出售给微电网内的其他用户、电动汽车充电站和储能单元,富余电量则送向地区电网。当光伏电站发电量不足时,也可以从地区电网购电,通过微电网向用户供电。地方电网与微电网相互补充,让整个电网更加坚强可靠。

尽管微电网的推广会面临种种阻力,但毕竟已经开始出发了。

互联网传输能源

微电网最直接的受益者是普通民众,它实际上创造了一个市场化运作的电力市场,有效地打破了电力垄断;这种电力市场的形成也增加了民众的投资渠道,人们可以在谷值蓄电、在峰值卖出,就像炒股一样“炒电”。

未来,通过互联网了解实时电价信息后,民众既有权选择购买电网公司的电,也能购买其他人发的电。未来某天的淘宝网上,或许我们会看到北京买家和内蒙古卖家之间这样的对话:“亲,你家的电还能再便宜点吗?”“不好意思,已经是最低价了,可以包邮哦!”北京买家只是按照双方约定的价格买到了电,而未必就是内蒙古卖家所直接发出的电,电网公司在其中扮演了一个类似于电子银行的角色。当能量流与信息流紧密融合时,我们也可以说,互联网承担了一部分传输电力的任务。

微电网在短期内会冲击电网公司和电厂的利益,因此在推行过程中有一定难度。但蔡国雄预测,在新兴电力市场中,电网公司会逐渐找到全新的盈利模式,例如收取电力传输费用、交易手续费或者像电信运营商那样提供增值服务,“每个环节、每个部门中都会出现一些新的盈利点”。蔡国雄认为,对于国家而言,微电网还可以鼓励民众自发地储存电能,形成“存电于民”的能源格局,进而减少电力系统为尖峰负荷准备的发电设备投资,提高全国电力系统的防灾抗灾能力。

蔡国雄举了个例子,2008年南方发生雨雪冰冻灾害,造成湖南郴州电网443座铁塔、14万余根电杆倒塌,400余万人陷于黑暗之中,手机都充不上电,通信完全瘫痪。“如果小区中有小而独立的微电网存在,那微电网中每家每户的储电设备就会起到一个短时间的支撑作用。骨干网万一出问题了,我们还是有办法用电的,所以各地必须发展独立的微电网。”

每个家电都有IP地址

互联网联接的不仅是千家万户的电脑,在能够“为每一粒沙子分配一个IP地址”的IPv6网络中,互联网足以联接全球的大小家电。因此,在蔡国雄看来,智能家居大有可为。

“电饭煲可以联网,也有IP地址。如果我希望上午12:00之前把米饭做好,就可以将10:00-12:00之间的电饭煲控制权卖给电网公司。在这一时间段内,电网公司会根据全市实时波动的电力需求来决定何时通过互联网远程控制电网、启动电饭煲做饭。协议时间段越长,给电网公司选择的余地越大,电价就会越便宜。”蔡国雄说,“过去我们的电网总是觉得,控制不了用电负荷侧也就是老百姓用电,但我认为,在真正的智能环境下,负荷侧也要控制。”事实上,在美国,出卖电器控制权的事情已经发生了,电网公司通过控制用电负荷侧,进一步合理调配有限的电力资源,实现“削峰填谷”的目的。在这个智能电网内,互联网、物联网和电网形成了一个高度融合的整体。

为适应高度发达的智能电网,越来越多的电器设有互联网接口,并且为这种电网设计出一些五花八门的应用。从某种角度上说,智能电网已经掀起了家电产业的技术革命,拉动了整个产业的转型升级。

分时电价的引擎作用

上述情景固然美好,但在我国目前推行的阶梯电价政策下却无法实现。与其临渊羡鱼,不如退而结网。在现有条件下,蔡国雄倡导阶梯电价与分时电价并行的政策,即白天使用阶梯电价,提高用电尖峰时的电价;夜间使用分时电价,降低用电低谷时的电价,鼓励居民夜间用电。分时电价的引擎一旦开动,将带来多重收益。

“我们建这么多发电厂就是为了应对白天的用电尖峰,尖峰过去之后,很多发电厂都要降低发电功率,到晚上甚至全部停止发电,不是它没有能力发,而是发了没人用。如果采取分时电价的政策来鼓励大家夜间用电,那么国家就可以少建许多电厂,现有电厂的发电设备在白天和夜间都能得到充分利用。”蔡国雄补充道,“夜间的电价可以变得很便宜,这样一来,老百姓心理也会平衡很多,他会觉得原来电价政策不仅有涨的部分,也有夜间降的那部分。”

蔡国雄给记者拿出一份我国各省市的阶梯电价方案资料,资料显示上海市已经出台了阶梯电价与分时电价并行的政策,在峰谷时段加价不同,夜间电价有明显下降。“过去两年,上海一直在搞分时电价的试点工作,现在上海一到晚上,洗衣机就开始洗衣服,形成一道亮丽的风景线。”这种市场手段有力地帮助了电网公司削峰填谷。

分时电价对于智能电器的拉动作用也不容小觑,蔡国雄告诉记者:“很多洗衣机都可以设置定时功能,这样第二天一早衣服就洗好、甚至烘干了直接就可以穿;再比如空调,如果采取分时电价,就可以晚上做冰,白天将冰的冷气吹出来,节省白天用电;冰箱也可以做成储冷效果更好一些的结构,夜晚调低温度,白天调高温度。如果不推行分时电价,这些电器都很难卖出去。”

从分时电价到实时电价,这是个逐步摸索的过程,不可一蹴而就。在蔡国雄看来,这首先需要国家政策和相关标准的出台,而政策和标准也要不断地根据实际需求来制定、修改;此外,对于发电集团、电网公司、民众等不同群体的利益再分配,也将成为一个矛盾的集中点。

推动四网融合

尽管我国现有的城市电网与真正智能的电网还相去甚远,但蔡国雄看到的是一个更远的将来。他认为,三网融合的设计中存在一个缺陷,就是没有将智能电网加进去。

“电力系统其实有一个很强大的通信网络,大部分高压输电线中的接地线设有光纤,光纤覆盖不到的地区,电网本身也可以通过载波传输信号,载波信号易受干扰而且不太稳定,但也能作为光纤网络的补充,传递一些基本信息。”蔡国雄介绍说,在智能电网的城市配电网中,也设有光纤。光纤会随着电网铺设到每户居民的家里,用电信息也通过电力系统的通信网络得以传输,这让电网与另外三网有了交集。这条光纤目前主要用于智能抄表等初级物联网应用,将很小的信息量传输给电网公司。随着城市智能电网的逐渐发展,一旦微电网和智能家居普及开来,光纤发挥的作用将不可替代。

单纯从技术角度来看,每家只需要一根光纤就够了,这根光纤可以为智能电网、广电网、电信网、互联网四网所共用。它的服务范围也不仅限于这四网。

蔡国雄介绍,“像暖气、水、煤气的信息都可以通过这根光纤传输出来。现在暖气按照每平米计价,未来可以通过按照传感器,感知一个房间的进水温度、进水量、出水温度,从而运算出这个房间所消耗的热量,根据热量收费。如果屋里没人,你可以选择关掉暖气,也就不产生费用。每层楼都会设有一个信息收集器,将本楼层的水、电、煤气、暖气等信息数据收集后进行本地运算,然后将结果上传到后台控制系统中。现在北京已经开始相关改造了。”

蔡国雄强调,加速城市智能电网发展,最重要的是转变发展思维。“国外在发展智能电网时更重视低压电网,我们更关注高压电网;国外在发展规划上趋向于让家家户户都能发电,但我们要做就做大规模的太阳能发电厂、风电站,这就是思维方式上的不同。发展智能电网,推行分时电价,也要观念先行,一旦发展思路达成共识,技术难题也就迎刃而解了。”

链接

电动车储能

如何储电蓄能?这个问题看似容易,其实不简单。早在20年前,香港采用的储能方法是家家户户安装一个高约两米、直径半米多的电热水器,每到夜晚,电厂都会远程启动电热水器的开关、将水加热,白天居民就可以用这些热水洗澡、做饭了。现在,尽管抽水蓄能、超导储能、氢气储能等新型储能方式层出不穷,但成本都相对较高。在蔡国雄看来,电动汽车蓄电池储能是个发展趋势,蓄电能力衰退的汽车电池也可以拆下来作为微电网中的储电设备。为此,蔡国雄也一直致力于推进电动汽车和混合动力汽车的发展。

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