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光纤激光器产业,光伏与储能

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光纤激光器产业,光伏与储能

电工电气网】讯

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3月21日,工业和信息化部副部长辛国斌一行莅临中控考察调研,工信部运行监测协调局局长黄利斌以及工信部运行监测协调局经济运行处、工信部办公厅、国研室工交贸易司、中国信息通信研究院工业经济研究中心等相关领导一同前来调研。浙江省经信厅副厅长吴君青、杭州市滨江区区长李志龙等陪同调研。

这是一个产业的故事,但先说点简单的科学常识。

不久前,按照国家能源局相关要求,在国家能源局市场监管司的支持指导下,东北能源监管局经过半年多周密准备,印发了《东北电力辅助服务市场运营规则》(以下简称“暂行规则”)。

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激光是20世纪的重大科技发明之一,英文名“Laser”,1964年钱学森建议中文名为“激光”。激光的科学原理“受激辐射”是爱因斯坦1917年提出的,其实挺简单的,高中物理知识就能理解。

这份“暂行规则”一经发布就引起了新能源业界的关注,究其原因,根据“暂行规则”内容,东北能源监管局考虑到东北地区光伏发展迅猛,对电力系统调峰已经产生明显影响,因此正式将光伏纳入了电力辅助服务市场范畴。

爱因斯坦指出,处于高能级E2的粒子,当频率为V=/h的光子入射时,粒子会以一定概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这叫受激辐射。

对此,一位业界人士向《证券日报》记者表示,“此前的确很少有光伏纳入电力辅助服务市场的先例,但随着光伏应用的蓬勃发展,越来越多的电源接入电网,光伏必将承担一定的调频责任。而从另一个角度,这也有益于提高光伏等可再生能源的消纳。”

看出厉害了不?一个光子变出另一个完全一样的了,这两光子接下去会干啥?没错,这两个又去找别的粒子开火,变成四个了。这个过程就象核爆炸链式反应,光子数量迅速增加,相当于原来的光信号被放大了。“Laser”其实是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。

在上述业界人士看来,“未来光伏发电配合储能,或者与火电等可控电源进行合作,或许将成为一种新常态。”

这是爱因斯坦提出的又一个诺贝尔奖级别的理论成果,但是直到他去世5年以后的1960年,激光器才做出来。为啥要这么长时间?因为爱因斯坦论文中同时提出的“受激吸收”。光子可能碰上E1能级的粒子,把它变成E2能级,自己消失了,所谓的链式反应也就没了。

在14个地区研究启动

一般材料都是受激吸收的粒子多于受激辐射的粒子(低能级E1的多于高能级E2的),所以光通过强度不会放大反而会降低。要产生激光,关键条件是“粒子数反转”,高能级粒子多于低能级粒子。但这个其实也没那么难,回头看1930年代物理学家们就有能力做出来。

电力辅助服务市场

1960年美国做出激光器后一年,中国马上就由王大珩院士领头在1961年做出了中国第一台激光器(王老2011年去世,刚被选为改革先锋100人之一)。只是1930年代科学家对光学理论与技术不够融汇贯通,没想到去做,别的重大发现很多。这让激光的发明过程多少有一些曲折离奇,是“Maser”先搞出来,才做出了“Laser”。

春节前,国家能源局在京召开新闻发布会,市场监管司副司长陈涛表示,要大力推进电力辅助服务市场建设,促进电力清洁、安全、高效、可持续发展。

红宝石激光器

据介绍,不断完善电力辅助服务补偿机制,持续推动电力辅助服务市场建设,是国家能源局深化电力体制改革、推进电力市场建设方面的重要工作之一。近年来,我国电力行业尤其是清洁能源电力发展迅速,电源结构、网架结构发生重大变化,系统规模持续扩大,系统运行管理的复杂性随之大大增加,对系统安全稳定运行提出了更高要求。同时,我国电力供应能力总体宽松,局部地区弃风、弃光、弃水和系统调峰、北方地区供暖季电热矛盾等问题突出,建立电力辅助服务市场机制的必要性日益凸显,补偿机制亟需进一步完善。

美国哥伦比亚大学的物理学家查尔斯·汤斯二战时搞过雷达,战后美国海军想搞出强大光束,汤斯接了任务。1954年,汤斯终于把Maser做出来了,虽然放大的是微波,但是这为Laser的发明作好了准备。1958年,汤斯又和同事兼姐夫的阿瑟·肖洛发现,将氖光灯泡发射的光照在一种稀土晶体上,晶体会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。

目前,国家能源局和各派出机构结合电力市场建设进展等实际情况,在14个地区研究启动电力辅助服务市场,在全国全面建立并不断完善电力辅助服务补偿机制。主要工作体现在扩大电力辅助服务参与主体范围,明确电力辅助服务工作总体目标和具体任务,先后出台《国家能源局关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿机制试点工作的通知》、《完善电力辅助服务补偿机制工作方案》等文件。

1960年,美国休斯实验室的梅曼制成了世界上第一台激光器,用高强闪光灯管来激发红宝石。这里的关键是要有一个“光学谐振腔”,光通过晶体一次放大的倍数并不太高,但是如果两头贴上反射镜,不断来回放大,那就厉害了。一片反射镜再少镀点银漏出一部分光,出来就是人们熟悉的单向性极好的激光了。肖洛的贡献是,把这个光学研究者已经熟悉的手法,引入到激光领域了。汤斯获得了1964年诺贝尔物理学奖,肖洛是1981年获得诺贝尔物理学奖的,可能是1964年名额不够了。

二是结合电力中长期交易和现货交易试点情况,全面推进电力辅助服务市场建设,研究启动东北、华北、华东、西北、福建、山西、山东、新疆、宁夏、广东、甘肃、重庆、江苏、蒙西共14个电力辅助服务市场。

1964年因为激光和汤斯同时获得诺奖的是两位苏联物理学家,尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫。那年头苏联物理学家也非常厉害,巴索夫提出的半导体激光器发展出了后来的神器:光纤激光器。

2020年基本建立

巴索夫、普罗霍罗夫和汤斯的团队一样,1955年也搞出了一个“Maser”,氨分子束微波激发器,然后自然会想到激光。巴索夫的贡献是,他1958年公开发表论文提出了用半导体制造激光器的想法(在半导体里实现“粒子数反转”的理论描述),1961年又发表了“载流子注入”PN结的文章,并在1963年造出了PN结半导体激光器(美国人按他提出的原理先造出来)。

电力辅助服务市场机制

半导体激光器不如出现在教科书上的红宝石激光器名气大,但是专家们显然清楚半导体激光器的理论意义,潜力要更大,所以三人并列的诺奖给了两个苏联的一个美国的。

而关于已正式运行的5个电力辅助服务市场有关情况,陈涛介绍,东北电力调峰辅助服务市场于2017年1月1日正式运行,涉及装机容量1.1亿千瓦。2018年,东北区域常态新挖掘火电调峰潜力400万千瓦以上,全网风电受益电量共计179亿千瓦时,有效促进了风电消纳,缓解了东北电力系统低谷调峰困难局面,促进了电力系统安全稳定运行。2019年1月1日,东北启动旋转备用辅助服务市场模拟运行。

半导体激光器的优点非常多:电子直接变成光子,电光转换效率高达50%以上,比其它类型的激光器高多了;使用寿命长达10万小时以上,比其它类型长很多;半导体还能调制输出,别的类型办不到;体积小、重量轻、性价比高,半导体比红宝石之类的材料要便宜。

福建电力调峰辅助服务市场于2018年1月1日正式运行,涉及装机容量4789万千瓦。2018年,福建省新能源电量消纳空间进一步拓展,核电平均利用小时同比增加700多小时,未发生弃风、弃水、弃光现象。2018年12月18日,福建启动调频辅助服务市场模拟运行。

其实要理解半导体激光器的优点并不难,虽然一般人可能没留意,但是LED灯是人人都见过的。LED发光的原理就是载流子在PN结里复合时,将多余能量用光的形势放出来,电流直接变成光,而不是象白炽灯泡那样要把灯丝烧热。所以LED灯相对传统灯泡有一堆优点,色彩多、光强可调制、寿命长、成本低之类的,就和上面说的半导体激光器的优点差不多。半导体激光,可以理解成在LED发光的原理上,再加上光学谐振腔的放大效应,而且这个谐振腔也不必新建,在半导体内部就有了。

山西电力调频辅助服务市场于2018年1月1日正式运行,涉及装机容量4566万千瓦。2018年,山西省通过建立调频报价排序优化机制,在调频机组调用过程中兼顾价格和性能两方面因素,实现安全性与经济性的有机统一。

激光是罕见的一发明出来立刻就能实用的技术,1961年就用来动手术了。因为激光的特性实在太突出了,所有光子的一致性特别好,对着一个方向,能量作用于一点,可以比太阳耀眼上百万倍。拿功率大点的激光对准什么东西,切割搞加工都可以。切割、焊接、测量、打标各种用途很多,在通信、工业加工、医疗、美容等无数个行业应用,不断替换传统工艺。

甘肃电力调峰辅助服务市场于2018年4月1日正式运行,涉及装机容量1155万千瓦。截至2018年底,甘肃省累计贡献调峰电量4.03亿千瓦时,火电企业获得调峰收益共1.64亿元,有效减少弃风弃光,实现新能源与火电企业的互利共赢。

现在我们来聊光纤激光器。2017年全球工业激光器销售额20亿美元,其中48%是光纤激光器。光纤激光器的关键人物是俄罗斯人瓦伦京·加彭切夫(Valentin Gapontsev)。

宁夏电力调峰辅助服务市场于2018年12月1日正式运行,涉及装机容量1628万千瓦。截至2018年底,宁夏新增调峰容量140万千瓦,累计贡献调峰电量1.82亿千瓦时,降低新能源弃电率约0.6个百分点。

加彭切夫生于1939年,是激光材料物理领域的资深科学家,苏联科学院无线电工程及电子科学研究实验室的负责人,正宗的苏联技术出身。苏联以及解体后的俄罗斯人似乎办企业不太灵,但是加彭切夫行!加彭切夫1990年创立了IPG光子,2006年在纳斯达克上市,2017年营收14亿美元,目前市值60亿美元,是业界最知名的光纤激光器企业。加彭切夫持有IPG近半股份,是亿万富豪,虽然79岁了仍然任公司董事会主席和CEO。

下一步,按照《完善电力辅助服务补偿机制工作方案》有关要求,管理层将进一步扩大电力辅助服务参与主体范围,进一步加大电力辅助服务补偿力度,进一步推动补偿机制向市场竞争机制转型升级,持续完善电力辅助服务补偿机制,2020年底前在全国范围基本建立电力辅助服务市场机制。

2009年加彭切夫陪同梅德韦杰夫总统和交通部长索科洛夫参观IPG在俄罗斯的生产基地

2009年,加彭切夫获得了美国激光协会颁发的阿瑟·肖洛奖,这是业界对他学术成就的认可。2010年,加彭切夫获得了俄罗斯国家科技奖,是俄罗斯科技最高荣誉。其实加彭切夫是俄罗斯美国双重国籍,IPG公司总部在美国马萨诸塞,制造工厂在美国、德国、俄罗斯和意大利。但是加彭切夫获这个奖是名正言顺的,公司的创立发展与苏联俄罗斯关系很深。

让加彭切夫荣誉等身又发了大财的光纤激光器是什么东西?没有光纤激光器之前,市场上用来作材料处理的工业激光主要是气体激光器和晶体激光器。气体激光器,典型代表是CO2激光器。晶体激光器代表是YAG激光器,YAG指的是添加钕或镱的钇铝石榴石。

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