国家的“2030年碳达峰，2060年碳中和”的奋斗目标，是压在我们这一代的紧迫任务。我们具体从四个方面做起：一是加大可再生能源的利用；二是实现重大交通领域、电网、通讯、城镇化等领域的基础设施低碳转型及电动化；三是提高制造及建造业的产率和能效并降低排放；四是大力增加植树造林（森林碳汇）和保持湖泊湿地及水土等自然碳汇。其中加大可再生能源的利用，全力展开“风能、光能、水力发电、氢能、储能等再生能源应用系统研发”是机电人员具体实现双碳目标的首要任务^［1］。然而，早期或现时新能源应用系统能源元素不全面^［2］，或其主部件用材缺乏先进性，不能完全满足实际应用要求，未能广泛应用。

文章构建的系统参考并改进了现时新能源风光互补现用设备，补充加入自主新研发的高效率水力与蓄水发电单元、氢能化学反应电池单元以及超级电容与锂、钠电池储电单元。五种单元新能源元素相互取长补短，共同组合成新再生能源制造、生产的“开放式”系统，下面称其为“风光水氢储一体互补的再生能源制造系统”，如图1所示。

图  1  风光水氢储一体互补的再生能源制造系统

Figure 1.  Wind-solar-water-hydrogen-storage integrated complementary renewable energy manufacturing system

该系统考虑元素全面，主部件用材先进（如逆变器铁心采用非晶材料，风能发电机采用具有“第三代磁王”之称的钕铁硼材料，其磁能积与矫顽力高，可大幅提高能量转换效率）。该系统考虑全面，可广泛应用。

系统总体各组件简要阐述如下：

所有部件、器件均选购DC 12 V、DC 24 V或AC 220 V供电类型，总DC组合互补控制器负责五路直流电压的调度、接续、分配，主控件由国内合资的FX3U-32MR及FX3U-32MT可编程控制器PLC+运算放大器LM358+外功率继电器+功率固态继电器等构成，并预备将来功能扩展的接口。互补控制器的左边为输入单双向信号，右边为输出负载或单双向信号^［3］。

输入包括风电、光电、水电、氢氧反应产生的电能、超级电容及新型锂、钠电储能等五路，输入均统一转换为12 V直流电压。

输出（二路输出）则包括第一路：DC-AC逆变器，输出交流220 V、380 V、10 000 V三路电压，供给交流220 V、380 V等各种需求的交流负载，同时可并网入10 kV高压；第二路输出：DC-DC多路变换器通常输出+6 V、+12 V、+24 V电压，供给各需求的直流负载。

控制电路：控制接续各路能量、风能部件、追日部件与电池充放电、水能部件、氢能部件与电池充放电、储能电池充放电（充放电电压为额定值的±20%）等^［4］。

综上所述，系统组成了一个多种能源制造生产的标准化、“公式化”的开放式系统。犹如一台台式电脑适用于各种应用一样，该系统适用于各种场合（如房屋、小区、社区、汽车、轮船、城区、地级市等）：在输入端，有条件的能源元素多接，无条件的能源元素不接，额定功率内不影响使用；在输出端，有各种常用的交流、直流电压输出。

后续章节对系统的风光水氢储和DC互补控制器以及元部件用材创新等部分分别描述。

目前常用水平轴风能发电系统如图2所示，发电机的风叶采用普通三叶、五叶等片状结构，围绕着水平轴旋转，将机械能转变成交流电能，再通过AC-DC变换电路转换成直流，给电池组充电。其原理直接，结构简单，成本低。但是该风能发电系统对周围环境要求高，占用面积大，如有飞鸟碰触会损坏叶片、断杆、烧毁发电机，甚至引发火灾。此外，水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，叶片所受的是交变载荷，这对于叶片的疲劳强度非常不利。该类发电机实测的利用率在26%左右。

图  2  目前常用水平轴的风能发电系统

Figure 2.  Currently commonly used horizontal axis wind power generation systems

为了改善上述情况，新研制的新X型和H型垂直轴风叶如图3所示，新X型风叶磁悬浮垂直轴风力发电系统如图4所示。

图  3  新X型和H型垂直轴风叶

Figure 3.  New X-type and H-type vertical axis wind bladeaxis wind blade

图  4  新X型风叶磁悬浮垂直轴风力发电系统

Figure 4.  New X-type wind blade maglev vertical axis wind power generation system

现时单一独立的光伏发电系统如图5所示。其优点是电路简单，制作容易，缺点是没有功率跟踪控制，太阳从东边移动到西边时功率会发生变化，斜对太阳功率变少。此外，该系统采用单面硅板，效率不高^［5］。

图  5  单一独立的光伏发电统

Figure 5.  A single independent photovoltaic power generation system

新研发的光伏发电系统在发电板输出直流电给储电池前，就对太阳板增加超级电容和追日功能，即增加跟踪器，使光板始终垂直正对着太阳光线，保证电池板有稳定的输出功率、稳定的输出电压^［5］。此外，该系统采用双面硅片发电板，硅板一面接收太阳光线，另一面接收硅板背面的光辐射热能，大大提高发电效率，如图6所示。

图  6  双面硅发电板的两种追日方式

Figure 6.  Two ways of chasing the sun for double-sided silicon power generation panels

光伏的跟踪系统，又称为追日系统，太阳东升西落，光板组件可以实现270°上下、左右旋转，而再采用双面硅片发电板+追日系统后，经测试其功率相对于无追日的单面硅板的太阳能发电系统提高了80%以上。在中国，硅片价格不高，因此双面硅片+追日光伏发电是光伏工程必由之路。

图6（a）图6（b）为双面硅发电板的两种追日方式，其电控部分由可编程控制器PLC、二路光敏电阻、步进电机及其驱动器和电源组成。通过2个光敏电阻的光阻变化来检测光照，光敏电阻放在板子的2端，若2个光敏电阻的阻值相同，则阳光正对，若2个光敏阻值不同 ，则阳光没有正对，此时步进电机调整板子正对太阳光。

现时有效率的水力发电多采用涡流涡轮+双水库式系统，这种方式优点是稳定可靠使用时间长，缺点是造价高占地面积大，如长江三峡等国家级大型水力发电站或跨几省华东地区级水力电站。

新研发的水力发电系统采用梯状圆锥型塑材外筒、配套梯状圆锥型铝塑螺旋叶片+两个水位有高低落差相连的水池“水库系统”，这种方式优点为稳定有力、效率极高造价低、占面积不大。我们称该系统为“新型梯状圆锥型铝塑材螺旋叶片水力发电系统”，如图7所示。该水力发电系统的应用可广泛深入寻常百姓家或普通小区、城区之中。

图  7  新型梯状圆锥型铝塑材螺旋叶片水力发电系统

Figure 7.  A new type of trapezoidal conical aluminum-plastic spiral blade hydroelectric power generation system

目前产氢系统有三种，分别是电解纯水、提炼焦炭和天然气。其中在我国，电解纯水是最环保低碳的，如图8所示。

图  8  电解纯水产氢系统^［7］

Figure 8.  Electrolytic pure water hydrogen production system

现时氢的储存经过35~70 MPa加压入瓶，瓶压2 MPa，再经过运输运送到目的地，这样其储存及运输存在困难。最新试验表明，将氢气冷却到零度及以下或采用现场风光互补制氢，可大大改善上述问题。

氢电池内各层分别为氢气或空气（氧气）加入层、电极（正负）、铂（或低铂、非铂）催化剂层及质子交换膜层。新改进的氢能实用发电系统如图9所示。

图  9  氢能实用发电系统

Figure 9.  Hydrogen utility power generation system

气道系统方面：一端2 MPa左右的氢瓶在互补控制系统的PLC与步进式电动减压阀控制下在加氢层徐徐加入氢气，大部分氢元素经过电极层、催化剂层、质子交换膜后，与经过滤尘的空气中的氧气发生化学反应，排出水分并流入循环冷却水回收管道，被互补控制系统的PLC与水泵抽回循环冷却水供应罐。少部分氢气经过PLC与压缩泵回收进入储氢瓶。另一端经过滤尘的自然空气经过互补控制系统的PLC与步进式电动减压阀控制下在加氧层徐徐加入氧气，大部分氧在质子交换膜层与氢发生化学反应排出水分。多余的空气直接向大气排空。

冷却水系统方面：为保证氢电池外壳氢气及空气调节腔等都处于低温状态，对它们进行循环水冷却。供水输出均采用针阀控制，上述三个部位回水+质子交换膜层化学反应排出水，均流入循环冷却水回收管道，被抽回循环冷却水供应罐。因此用氢能源，零排放，清洁环保可再生。氢电堆输出150~200 V左右，经DC150 V-DC14 V变换电路，输出14 V，最后由12 V储电池储存，作本系统的一路输入。

氢电池输出及其处理新型电路如图10所示。

图  10  氢电池输出及其处理电路

Figure 10.  Hydrogen battery output and its processing circuit

由图10可知，氢能发电是零排放和可再生的，值得深度研发推广应用。

超级电容性能介于普通电容与电池特性之间，容量极大且能快速充放电。因此我们将它直接或间接与锂或钠电池并联大胆应用于机电设备之中^［8］。

新能源锂电池的工作原理：锂电池是一种反复可充放电，但不能快速充放电的电池，主要依靠锂离子在正负极之间移动，又称摇椅电池。

充放电过程中，Li⁺插层脱嵌在两个电极之间：在充电电池中，Li⁺从正电极上被借记，通过电解液插入负极，负极处于富锂状态；在放电过程中，则相反^［9］。

锂电池由正负极、电解液、隔膜、外壳几部分组成。其良好性能体现在高储能密度上，为铅酸蓄电池的6倍，且质轻寿长环保无害^［10］。

新能源钠离子电池的工作原理与锂离子电池大致相似，它是利用钠离子在正负极之间嵌、脱过程实现充放电。充电时，Na⁺从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na⁺从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下，钠离子在正负极间的嵌入脱出不破坏电极材料的基本化学结构。

地壳中含钠量是锂的500倍之多，大力研发钠电池大有可为。钠电池的优势是质轻寿长，无毒无公害，储存丰富，铝材作负极成本低，充放电及防爆性优。

如图11所示，由于超级电容工作电压为0~3 V，不存在过充、过放电而毁坏，而锂、钠电池工作在2.5~4.2 V，存在过充、过放电的毁坏。因此将超级电容和锂、钠电池并联，提高机电设备蓄电容量。

图  11  超级电容的连接形式

Figure 11.  Connection form of super capacitor

选用超级电容与锂、钠电池并联接入本文中的再生能源制造系统中作总储电池，可大大提高系统储能总容量，使系统达到最高能效^［11］。

DC组合互补控制器采用专为工业控制用的计算机（可编程控制器PLC） 作主控件： FX3U-32MR（32点I/O，继电器输出）作接通/断开，即开/关量类的输入输出控制；而FX3U-32MT（32点I/O，晶体管输出），作步进电机如X、Y、主轴、水闸门等控制。运算放大器LM358、固态功率继电器PSSR均选用微功耗的CMOS材料IC，两器件与电阻电位器等元件构成电压比较器而作为蓄储电池的智能充放电控制电路，保证电池电压为额定值的±20%，保护电池。

目前硅钢片、矽钢片、高频铁氧体等材料被应用在相关变换或逆变电路中作磁芯，转换效率不高，特别在功率电路中转换效率欠理想。目前风水轮机组轴承及发电机磁材也欠缺先进性，发电效率还有提升空间。

在新研制过程中，其一变换电路采用非晶材料、电工纯铁等高导磁材料，应用在现有的DC-DC、DC-AC等变换电路作磁芯，使其效率大大提高，并应用在图2再生能源制造系统中，使整机能效大大提升。其二在新系统的风力、水力发电机定子转子、磁悬浮转轴时均采用钕铁硼材料，使机组能效大大得到提升。多采用新技术、新工艺、新材料、新设备，系统才永久广泛应用。

为了早日实现双碳目标，还需不断优化五位一体互补的“开放式”再生能源制造系统。未来将有更多新能源应用加入本系统的备用I/O接口中，如清洁能源材料的微光发电石墨烯、地热能及生物质能等，这些将是后续的研究方向。