走进科技荣誉殿堂 感受城市创新基因

发布日期: 2018- 06- 13 信息来源: 北京日报 字号:[ ]

习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上发表重要讲话,站在党和国家事业发展的战略全局,高度概括党的十八大以来我国科技事业的历史性变革与成就,准确把握科技创新与发展大势,深刻分析我国科技发展面临的形势与任务,对实现建设世界科技强国的目标作出了重点部署、提出了明确要求。习近平总书记的重要讲话对推动北京创新发展、高质量发展,建设具有全球影响力的全国科技创新中心具有重大指导意义。

加强基础研究和原始创新,超前布局前沿技术,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果的重大突破,是北京落实城市战略定位,服务创新型国家和世界科技强国建设的时代要求。为此,北京市坚持首善标准,立足高点定位,进一步突出“三城一区”主平台作用。据北京市科委党组书记、主任许强介绍,按照以习近平总书记为核心的党中央的战略部署,北京正在加快建设具有全球影响力的全国科技创新中心,通过“三城一区”规划,促进“三城一区”进入加速发展期,以一流的要求规划科技创新中心长远发展。未来,中关村科学城将建设具有全球影响力的科技创新策源地和自主创新主阵地,怀柔科学城将建设世界级原始创新承载区,未来科学城将打造全球领先的技术创新高地。同时,北京经济技术开发区将一步升级,成为高精尖产业主阵地。

在 2017年度的北京市科学技术奖获奖成果中,由“三城一区”单位完成的成果达129项,占比66.2%,今天我们带来的两个代表性成果,就是中关村科学城加快建成具有全球影响力的科技创新策源地,以及未来科学城打造全球领先的技术创新高地的缩影。

未来科技革命的“主料”

半个多世纪以来,以硅材料为基础的微电子技术广泛应用,给人们生活带来了翻天覆地的变化。然而,随着半导体工艺的飞速发展,硅集成电路的器件尺寸日益逼近其物理极限,传统微电子技术面临着重大的技术瓶颈,开发新型电子材料显得尤为迫切和重要。以碳纳米管和石墨烯为代表的低维纳米碳材料因其独特的结构和极其优异的性质引起了广泛关注,有望成为硅材料的继任者,被认为是主导未来高科技竞争的电子材料之一。

中国科学院化学研究所有机固体实验室刘云圻院士带领的研究团队经过十余年的系统研究,针对困扰低维纳米碳材料发展和影响其迈向产业化的关键科学问题,在材料的可控制备和性能研究方面取得系列引领性和原创性的突破,2017年该团队“低维纳米碳材料的可控生长及其电学性能研究”项目获得北京市科学技术奖一等奖。

碳纳米,冉冉升起的电子产业新星

近半个世纪以来,以硅材料为基础的微电子产业获得飞速发展,集成电路的集成度不断提高,每隔18 个月至两年集成电路上的元器件数目便会增加一倍,性能也将提升一倍。但是,硅集成电路的器件尺寸日益逼近其物理极限,突破该瓶颈亟需发展新型的材料体系。

而以石墨烯、碳纳米管为代表的低维碳纳米材料因其独特的结构和优异的性能,被认为是最有可能替代硅材料的下一代电子器件材料。其中,被誉为“材料之王”的石墨烯,是人类已知的厚度最薄、强度最高、导电能力最强的新型材料,为创造超薄、运算速度超快的新一代电子元件和计算机提供了一种新的可能性。

碳纳米材料,这颗冉冉升起的电子产业新星,未来有望参与材料科学、微电子技术和信息技术的变革,成为主导高科技产业竞争的战略材料,掀起新一轮的产业技术革命。

控生长、调性能、转衬底,助力碳纳米走向产业化

然而,要实现碳纳米材料的大规模产业化应用,还有许多基础科学问题需要解决。如何实现碳纳米材料的可控生长?如何对石墨烯电学性能进行有效调控,获得高性能电子器件?如何在绝缘衬底上生长高质量石墨烯,实现与传统硅电子学的加工工艺相兼容?早在十年前,中国科学院化学研究所有机固体实验室的研究人员就已经针对这些问题开展了研究。

控生长,奠定碳纳米产业化的基础。化学气相沉积(CVD)被认为是制备大面积、高质量石墨烯的最佳选择,然而制备过程中往往需要使用固态金属催化剂,石墨烯由于受到固态催化剂表面不均匀性的影响,晶界较多,质量不高,极大地限制了石墨烯的大规模生产应用。为此,研究团队另辟蹊径,首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念,利用液态铜表面的均质性,有效控制了石墨烯生长的成核过程,制备出了高质量的单晶石墨烯片和单层石墨烯薄膜,奠定了石墨烯在电学器件中大规模应用的基础。

调性能,打破碳纳米的应用限制。要实现石墨烯在微电子器件中的应用,还需打开带隙和实现载流子极性的调控,掺杂是实现该目标的最有效手段之一。课题组在实验上首次生长了氮掺杂的石墨烯,显著地调控了石墨烯的电学性能,提高场效应晶体管器件的开关比和改变载流子传输类型,为开发新颖的电子及磁学器件提供了科学基础。

转衬底,加速碳纳米的应用进程。要满足光电器件的应用要求,还需要把石墨烯转移到绝缘衬底上。但新的难题随之而来,转移过程中会产生褶皱、破损,降低电学性能。研究团队开展了绝缘衬底上无催化生长石墨烯的开拓性工作,使得石墨烯不需要转移可直接用于器件的制备和组装,简化了器件的制备过程,避免了由于转移造成石墨烯的破损、褶皱、污染以及材料浪费等难题。该工艺与目前硅电子学的加工工艺兼容,为石墨烯器件的直接构筑奠定了基础。

在过去的十几年里,研究团队逐步成为国际上有重要影响的团队之一,他们在石墨烯的可控制备和性能研究方面取得系列原创性突破,对石墨烯未来在电子产业中的应用有深远的意义,为我国在新材料领域的前瞻性战略布局提供了基础理论支撑。

直流电的翻盘,“柔中带刚”的电网新技术

一百年前,电力行业的“交直流之争”以交流战胜直流的结果落下帷幕。此后,交流输电成为主要的输送方式。

如今,世界范围内正在推动新一轮的能源变革,电网发展也迎来了巨大机遇和挑战。随着能源结构的调整和电网规模的扩大,交流电自身的局限性暴露了出来,如输送范围受限,输电走廊占用大,对可再生能源的接入能力非常有限等。

在这种情况下,直流输电技术得到了飞速的发展。其中,柔性直流输电技术采用电压源换流器进行交直流电能变换,可以实现有功无功灵活控制、潮流快速可控反转、无源电网黑启动等功能,是目前世界上可控性最高、适应性最好、运行最灵活的输电技术,也是利用大规模可再生能源的重要手段,如果将传统输电方式比作一架需要超长的跑道才能起飞的大型客机,那么柔性直流输电技术就是在保证高输送容量的前提下还具备灵活快速“垂直起降”功能的客机。

作为国内首家专业从事全球能源互联网关键技术和设备开发的研发机构,全球能源互联网研究院在新一代电压源直流换流器的核心技术上取得一系列原创突破和创新,促使我国直流输电技术实现从“跟踪”到“引领”的巨大转变。汤广福院士主持完成的“新一代电压源高压直流换流器关键技术及应用”也获得了2017年北京市科学技术奖一等奖。

挑战传统,直流输电“柔”中能带“刚”

基于电压源换流器的柔性直流输电技术最早出现于20 世纪90 年代,是继交流、常规直流之后的一种新型输电技术,高效、灵活、环保的特性使其在大规模新能源并网、孤岛送电、城市电网增容扩建等方面具有很强的技术优势。

柔性直流输电技术将传统直流输电使用的半控型电力电子器件升级为全控型电力电子器件。因此可实现有功、无功功率输出的独立控制且无需无功补偿装置。就像淋浴时调节水温及水量时改变冷水、热水的比例及流量,与传统输电技术相比反应时间可缩短数十甚至上百倍。大幅提高电网的稳定性及输送能力,因此它的“柔”主要体现在具有响应速度快、可控性好、运行方式灵活等技术特点。而随着柔性直流输电技术向着高电压、大容量方向的发展,此项技术在兼顾“柔”的技术特性的同时也逐渐具备了“刚”的输送能力。

掌握核心技术,打破国外垄断

电压源换流器是柔性直流输电的“心脏”,是实现电力变换和传输的核心装备。之前,柔性直流输电技术被跨国公司ABB独家垄断,并在小规模风电并网等应用中展现出了独特优势。但工程容量有限,运行损耗高、电磁干扰严重等问题一致制约着柔性直流输电技术的进一步发展和应用。为此,世界各国机构和企业都瞄准了新一代电压源换流器开展技术攻关。

本项目研究团队提出了换流器多层级电力变换调控方法,发明了换流器非周期时变应力均衡技术,开发了规模化功率单元超高速触发与保护技术,取得了一系列原创性发明成果,形成了完整的专利保护体系,实现了新一代电压源直流换流器的整体技术突破,有力促进了柔性直流输电技术的工程应用及推广。

改善性能,将新能源编织成网

众所周知,风电、光伏发电等可再生能源存在间歇性,由于独特的技术特点,柔性直流输电可以改善可再生能源的接入性能,极大提高低电压穿越能力和系统稳定性。同时,由于易于构建多端直流电网,基于柔性直流输电技术的直流电网可携带多个风电场、光伏电站的清洁能源,通过远距离、大容量的输电线路同时为多个负荷中心送电。

为保证张北地区的新能源接入以及2022 年冬奥会的供电需求,目前我国正在建设的基于柔性直流输电技术的多端直流电网工程——“张北可再生能源示范工程”便是基于柔性直流输电技术的多端直流电网工程。建成后每年可向京津冀地区提供清洁电能240 亿度,为超过三百万户居民输送绿色环保的可再生能源。可减少燃煤5250 万吨,减少二氧化碳排放12960 万吨,减少二氧化硫排放390 万吨。

突破限制,为孤岛送去光明

为海上风电场、孤岛、海上平台等特殊应用场景传输电能时,如果应用传统交流输电手段,交流电缆越长,电能损耗越高,输送的有效电能越少,经济性较差, 就像冬季供暖时,由于管道输送过程中热量的损失,造成末端用户的温度始终很低。如果应用常规直流输电技术则需要依赖受端电网具备相应的启动设备,不能向没有电源点的电网送电,就像没有港口时大型船舶无法靠岸,也无法解决孤岛送电问题。

目前孤岛用电通常采用柴油发电机供电,不仅会造成环境污染,同时由于燃料运输受到天气等因素的影响,供电可靠性也无法保证。采用柔性直流输电技术,就好像在没有港口的岛屿之间使用了直升飞机,可实现电能灵活、便捷的双向输送,直接向无电源电网供电,同时也能够将离岸较远的海上风电场产生的电能及时联网送出。

例如,厦门岛内缺乏修建大型电厂的基础条件、没有大型电源,随着厦门岛内负荷的持续增长,现有进岛线路已经无法满足供电需求。但是,在厦门地区很难找到新的线路走廊,且架设跨海线路施工难度和投资都很大。该技术成果应用于厦门工程,采用柔性直流技术及直流电缆,利用现有的行车隧道,工程占地面积小,非常适合寸土寸金的厦门,并极大的提高了厦门岛电网在台风等恶劣天气情况下的供电可靠性。

提升国际话语权

项目成果推动成立了我国主导的首个国际大电网组织(CIGRE)工作组,团队成员参与编制了目前柔性直流输电领域所有的国际电工委员会(IEC)标准,大幅度提高了我国电力领域的国际影响力和话语权。

十余年的时间里,全球能源互联网研究院的研究团队在新一代电压源直流换流器的基础理论、关键技术、设备研发、工程应用等方面取得了丰硕的成果,开辟了一条新的柔性直流输电技术路线,为中国乃至世界电力领域的创新变革提供了战略选择,也对全球能源和电力发展格局产生了深刻的影响。

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