第一，构思
太阳能光伏无碳冶金研究的思路来源于以下两个方面:一是对当前钢铁生产过程中碳元素的作用和温室气体排放的分析；二是关于新疆巴音郭楞蒙古自治州太阳能资源的调查。可以得出以下两点。
(1)地球接收的太阳辐射能量是巨大的，每年获得的太阳辐射能量是人类已知能量储备总量的1万倍以上。目前煤炭能源、石油天然气能源资源有限且过度开采，核能危险。太阳辐射能是最有潜力的清洁能源。目前，太阳能光伏技术发展迅速。
(2)人类掌握碳冶金技术已有3000多年，“为人权而战为五兵”可能要追溯到5000年前。碳冶金为战争、人类、社会、历史做出了不可磨灭的贡献。然而，近年来，人们开始恐慌地注意到，工业化以来温室气体的大量排放对人类社会和人类文明构成了巨大威胁，钢铁生产中消耗的碳所排放的温室气体也不容忽视。
工业的发展离不开大量材料的使用。一般来说，现代社会使用的工业材料可以分为五类:①金属材料；②陶瓷材料；③塑料；④木材；⑤纤维。
根据用量，金属材料用在最重要的部位。根据2005年的统计数据，世界上的主要金属是铁，如表1所示，占金属消费总量的94.37%，第二位的铝仅为2.72%。
表1 2005年世界主要金属产量
碳在钢铁制造中有三个作用:一是它是一种合金元素，每吨钢用碳量在10kg左右；；二是还原剂，吨钢碳耗约250kg；三是燃料，每吨钢用碳量约300kg。考虑到反应吸热、过剩系数和能量回收，每冶炼一吨粗钢要消耗600 ~ 700公斤碳，产生CO2 1800 ~ 2000公斤。全球温室气体排放中，钢铁行业占3.15% (2004)，工业温室气体排放中，钢铁行业占15% (2004)，如图1所示。在中国，这个比例要高得多。
图1钢铁行业二氧化碳排放比率
在目前的钢铁生产中，大部分被消耗的碳元素最终以CO2的形式排放到大自然中。作为原料，电极在电炉炼钢过程中与氧气结合，以CO2气体的形式排出；石灰石作为助熔剂，在煅烧过程中分解，也产生CO2气体。在中国，钢铁生产消耗的相当一部分电力来自消耗碳的火力发电。根据钢铁生产全过程的生命周期理论，粗略计算每生产一吨钢铁将产生3.71吨CO2，见表2。
表2根据生命周期理论每吨钢的碳排放量
第二，测试
2005年，我们课题组在北京科技大学冶金学院搭建了1.2kW太阳能光伏电站及其配套的储能单元、配电单元和高温冶炼单元，并对系统进行了调试和优化。太阳能电池板和电池的充放电试验采用纯阻性负载，放电深度为70% ~ 100%。典型的充电和放电曲线如图2和图3所示。
图2典型蓄电池20A的放电曲线
图3典型系统的充电曲线
2005年12月24日，冬至乌云密布，北风凛冽，是北京日照时间最短、气候最冷的季节。2005年12月24日，研究组成功进行了一次独立的太阳能光伏炼钢实验，随后的四年间进行了一系列非碳冶金探索实验和一系列实验室探索实验。主要包括:
一、太阳能光伏DC电弧炉冶炼试验；
b、太阳能光伏水溶液电解还原制铁试验；
c、太阳能光伏电解制氢还原铁矿石实验；
d、太阳能光伏电渣重熔试验。
(1)太阳能光伏DC电弧炉冶炼试验
冶炼机组应保证能产生1600℃以上的高温，为生产1kg钢水提供能量；根据研究要求，该系统是一个完全独立的能源系统，不与电网重叠。炼钢过程中的能量全部来自太阳能光伏效应，提供的能量每小时可熔化1kg钢水，可连续工作4 ~ 5h。DC电弧炉的冶炼过程如图4所示，工艺参数列于表3。
图4 DC电弧炉冶炼过程
表3太阳能无碳冶金试验电弧外壳工艺参数
电解实验中，电解液为(FeCl 2·4H2O+HCl)，DC电源由储能单元提供，电解池的工作电压为2.4V，还原和氧化分别发生在阴极和阳极，在阴极上获得电解铁层。每消耗1000C电能可获得192.9g的电解铁。经过多次预试验和正交试验，确定了实验室条件下的理想工艺参数，列在表4中，水溶液的电解示意图见图5。
表4实验室条件下的工艺参数
图5水溶液电解示意图
(3)太阳能光伏电解制氢还原铁矿粉实验
东莞市友泉能源科技有限公司生产的电解水装置用于制氢，普通精矿粉或赤铁矿粉在850℃下可还原生成非熔融状态的金属铁。首先利用太阳能光伏技术发电，然后电解水制氢，从而还原铁矿粉。实验室条件下的最佳工艺条件如表5所示。
表5铁矿粉氢还原工艺条件
在实验室条件下，自制了一台自耗电极内衬电渣炉，并配有一台3kW 24V DC/220V交流电的逆变器。可用于交流/DC电渣重熔试验，2009年连续熔炼12h。主要工艺参数见表6，实际冶炼过程见图6。
表6太阳能无碳冶金电渣炉工艺参数
三。技术
实现太阳能光伏无碳冶金的技术难点在于建立独立的能源冶金体系，是太阳能光伏发电技术和钢铁冶金技术的相互渗透、合作和集成。具体如下。光伏冶金技术包括以下四项单元技术和一项系统集成技术。
(1)光电转换单元技术——太阳辐射能量的收集与转换。北京位于北纬40°，北京日太阳辐射为15261 kJ/m2。太阳能提供光伏发电的平均时间约为5h/d，每平方米可接收850W太阳辐射。
本实验选用北京大河新力公司生产的12块多晶硅光伏电池(每块面积为0.8m2)作为太阳能光伏电池。见图7，其主要技术参数见表7。
表7 DH-100主要参数
试验选用了12个型号为TP2 - 100、额定电压为2V、额定容量为1000Ah的免维护铅蓄电池，它们串联在一起，如图8所示，其主要技术参数见表8。
表8蓄电池主要技术参数
图8电力存储单元
(C)供电单元技术----向冶金用户供应储存的电能。这个单元控制供电和用电的协调工作。其主要作用是控制太阳能电池的充电状态，控制蓄电池的充放电，防止过充、过放或反向充电，控制输入负载的电流，保证稳定的电流供应，使负载正常工作。电源装置的主要部件如图9和图10所示。
图9系统控制柜
图10 3kW逆变器
控制器主要技术参数见表9，逆变器参数见表10。
(4)冶金单元技术——在冶金过程中利用储存的电能，达到熔化、分离、提取金属的目的。参见图11至图15。制氢装置主要参数见表11，铁矿粉还原设备主要技术参数见表12。
表9控制器的主要技术参数
图11独立设计制造的DC电弧炉
图12自行设计和制造的自耗内衬电渣炉
图13水溶液电解槽
图14制氢设备
图15氢气还原炉
表11制氢装置主要参数
①系统能量的匹配与整合。到达地面的太阳辐照度是间歇性的，而且极不稳定。在位于北纬40°的北京，太阳能光伏电池每天提供约5h的电力。连续的高温冶炼和太阳能供应的不连续性之间的矛盾是核心难点。因此，需要对电压、电流、功率进行系统的能量匹配和整合，以满足连续高温冶炼的需求。
②还原介质的选择。“太阳能光伏无碳冶金”提出用氢气和电子代替碳作为还原介质，这将带来一系列新的冶金原理和技术问题。
③系统温度系统或数值的整合。太阳虽然照射在地球上的能量很大，但温度不高，价值很低。要获得1600 ~ 1800℃的高温，需要一系列的技术手段来提高数值。“太阳能光伏无碳冶金”是一个全新的概念。要自主研发实验研究的条件，进行集成技术创新，然后具体开展“太阳能光伏无碳冶金”实验研究。在建设独立光伏电站的基础上，要完成“太阳能光伏无碳冶金”高温转换单元和冶金反应堆的设计制造。
④系统各单元电压系列的整合。电热转换技术应用于高温熔炼单元最重要的工艺参数是炉口工作电压，这就要求从太阳能光伏发电单元到高温熔炼单元、电驱动、仪表、电控单元的电压系列的集成与匹配。相应的，就有了目前整个系统的整合匹配过程。
⑤冶金技术与清洁能源技术的融合。目前电弧炉炼钢技术已经相当成熟，可以有效借鉴。但这些现有技术都是基于大容量三相交流电网的供电技术，与纯DC供电的供电和电气运行略有不同。
⑥能量序列和功率序列的整合。太阳辐射能量取之不尽，用之不竭，能量非常丰富，但其能流密度和价值很低。太阳能转化为风能、水能后，其价值提高，光合作用固碳的过程也是价值提高的过程。太阳能光伏的利用也是一个提高其价值的过程，但机理尚不清楚。
第四，思考
传统的碳冶金技术已有3000多年的历史，全球粗钢产量每年13亿吨以上，历史悠久，体量巨大，惯性很大。相比之下，新提出的“无碳冶金”是一个待开发的工业应用，还是一个很弱的新生事物，会面临很多理论、技术和经济问题。
太阳能普照大地。通过植物的光合作用，其能量被固定在碳水化合物中，埋在地下，或者被动物摄取后埋在地下。历经数万年，形成石化源，为今人所用。这个过程空的尺度是几千万公里，时间尺度是几万年。其能量转化依赖于碳介质的化学变化，从而影响地球的碳循环过程。
风能和水能也是一个太阳辐射能量转换的过程。大气受热不均匀就变成风，水蒸发成水蒸气，云变成雨，落在高山上就有势能。风力发电和水力发电也是太阳光的辐射能，它们的空尺度都是几十万公里，时间尺度是以天或年来计量的。它的能量转化取决于空气体和水的物理过程，与碳循环无关。
光伏发电过程的时间空尺度很小，空之间的时间尺度只有几毫米，时间尺度只有几毫秒或几微秒。与上述自然界形成的过程不同，将太阳辐射能量转化为电能的过程时间空尺度缩小数万倍，依靠人造太阳能电池，利用半导体器件的光电效应，以及
不同规模的过程有不同的规律和技术。利用太阳能光伏发电技术的冶金不同于传统的碳素冶金，具有全新的技术含量，从超大规模技术集中到极小规模，如图16所示。这是一种全新浓缩的高科技理念和技术，体现了中国道教的时间空观念，即“袖中躯干大，釜中日月长”。
图16非碳过程和碳循环
动词 （verb的缩写）讨论
(一)“无碳冶金”的概念和内涵
低碳经济是由英国首先提出的概念。所谓低碳经济，就是以低能耗、低排放、低污染、高效率为特征的新型发展模式。其核心内容包括低碳产品、低碳技术、低碳能源或无碳能源的开发和利用。低碳技术涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等多个行业。，包括可再生能源和新能源，煤炭的清洁高效利用，油气资源和煤层气的勘探开发利用，二氧化碳的捕获和购买，温室气体排放的有效利用。低碳经济已逐渐成为世界经济的发展趋势。继工业化和信息化之后，世界经济正在走向“低碳”。
本课题组在低碳理论和光伏炼钢实验研究的基础上，提出了无碳冶金的概念，即在冶金过程中不使用含碳介质作为燃料和还原剂，而是消耗其他少量的碳，如合金化、电极和耐火材料，不是一个完全的“无碳”过程，而是一个“无碳”过程。
(二)非碳冶金的特点
1.闭环灵活性。从时间空的尺度上考虑，自然的存在和自然的能量都是以时间和空的方式决定自己的存在。无论是石油、天然气还是煤炭，归根结底都是几万年前固化储存的太阳能。人类发展的进步在时间上和太阳的寿命是不一样的，所以在人类发展的时间空范畴内可以认为太阳能是取之不尽用之不竭的。
新型太阳能光伏无碳冶金的能量直接来自太阳辐射能，能量转换过程极短，铁源来自铁矿石和废钢，具有良好的生产灵活性。因此，这种钢铁生产模式可以衍生为一种内部闭环循环生产模式。
2.微电网和多源结构供能系统。随着社会用电负荷的不断增加，电网建设没有同步发展，使得长距离输电线路的输送容量不断增加，受端电网对外来电力的依赖程度也不断增加，使得电网运行的稳定性和安全性下降。近年来的各种大面积停电，暴露了当前电力系统的这一严重缺陷。
光伏电站是一种分布式电源，可以独立运行，与其他形式的发电机组组成稳定可靠的多源供能网络。多源供能网络不仅可以为钢铁生产提供更好的电力保障，还可以接入国家电网。
不及物动词观点
无碳冶金不经过高炉炼铁的漫长过程，省略了高炉、球团炼焦等高碳排放的过程。在发电模式上，无碳冶金不再消耗传统化石能源，而是使用清洁无碳的太阳能光伏发电。整个生产过程是一个清洁的炼钢过程。在碳排放越来越受重视的时代，无碳冶金的低碳排放优势会越来越明显。
国家相继出台鼓励和培育光伏产业发展的政策，良好的发展环境成为光伏产业发展不可或缺的有利因素。
光伏发电被称为世界上10种能源中增长最快的能源。从2001年到2006年，全球太阳能电池产量从386MW增长到2500.3MW，增长了6.5倍，年均增长率约为45%，成为一个快速发展的新兴产业。正如工业制氧技术推动转炉发展一样，太阳能光伏发电技术的成熟和发展必将推动无碳冶金的快速发展。
