儲(chǔ)能系統(tǒng)

2015年巴黎氣候變化大會(huì)（COP21）是全球邁向?qū)崿F(xiàn)氣候變化目標(biāo)的重要一步。大會(huì)上各國做出對(duì)《巴黎協(xié)定》的承諾，即，各國承諾到2100年將全球平均氣溫上升幅度控制在2°C以內(nèi)（目標(biāo)為1.5°C）。與會(huì)各國為實(shí)現(xiàn)上述承諾把在2050年前實(shí)現(xiàn)世界氣候中和作為了目標(biāo)。

對(duì)全球經(jīng)濟(jì)利好的一面是，綠色（或可再生）能源不僅可以極大地解決氣候變化問題，同時(shí)還可以創(chuàng)造預(yù)計(jì)到2030年達(dá)到2萬億美元的市場(chǎng)機(jī)遇。本文將介紹綠色能源行業(yè)的現(xiàn)狀與新技術(shù)的發(fā)展。

可再生能源已然成為全球發(fā)電能源的重要組成部分。水力發(fā)電占據(jù)大半壁江山，但風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電也將很快迎頭趕上。圖1顯示了2021年的全球發(fā)電情況，從圖1中可以看出近幾年風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電正在逼近水力發(fā)電。

圖1：2021年全球按能源分類的可再生能源發(fā)電概況。（圖源：Hannah Ritchie、Max Roser和Pablo Rosado (2022) 創(chuàng)作的《Energy》。在線發(fā)布于：OurWorldInData.org。檢索位置：“https://ourworldindata.org/energy”）

01

太陽能

太陽能和光伏（PV）發(fā)電已有了重大創(chuàng)新，但具體實(shí)施仍然遇到一些阻礙，其中包括：

部署電力基礎(chǔ)設(shè)施的土地

設(shè)備與安裝成本

逆變器和功率轉(zhuǎn)換設(shè)備

集成到電網(wǎng)的技術(shù)

在用戶房頂或農(nóng)業(yè)土地上安裝大面積太陽能電池板的美學(xué)設(shè)計(jì)

鑒于提高太陽能比例的重要性，再加上兌現(xiàn)《巴黎協(xié)定》承諾的緊迫性，各國政府開始強(qiáng)制安裝太陽能電池板，而不是讓用戶自行選擇。例如，東京將在2025年后強(qiáng)制新建的房屋上安裝太陽能電池板。

1

太陽能電池與集成光伏

太陽能的兩大主要缺陷是不穩(wěn)定性和低效率。一般來講，從大自然取得電能要比通過能源深加工取得電能效率要低、可靠性要差。例如，盡管單一材料的理論最高效率約為30%，但商用太陽能電池板的效率也僅為15–20%。這些限制主要受能源轉(zhuǎn)換損耗以及太陽光到達(dá)電池板表面之前自身耗散的影響。

工程師們正在盡一切可能集成光伏技術(shù)，以期提高這個(gè)低效過程的總功率輸出。由于朝南無遮蔽的電池板表面太陽能效率最高，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以盡量在這種位置多安裝太陽能電池板以獲得最大效率。此外，太陽能電池板陣列的大占地面積還可提供附加優(yōu)勢(shì)，如利用太陽能陣列結(jié)構(gòu)遮蔽停車場(chǎng)，或美化樓下居民看不到其平頂輪廓線的高樓大廈。

2

海上太陽能

由于空間是太陽能的一個(gè)重要考量因素，因此在海面上部署太陽能系統(tǒng)成為了另一個(gè)新興趨勢(shì)。地球上的大面積開放水域?yàn)椤昂Ｉ掀∈焦夥保ㄒ卜Q“漂浮式光伏電站”）提供了天然優(yōu)勢(shì)，例如用液冷的方式匯集海水，通過水反射太陽光將能量加到電池板。而且，液冷系統(tǒng)比空氣冷卻系統(tǒng)具有更高的熱傳導(dǎo)效率，可以用更小的組件尺寸生成同等的能量。

3

農(nóng)業(yè)用太陽能

與漂浮式光伏電站一樣，農(nóng)業(yè)光伏（也稱農(nóng)光互補(bǔ)）發(fā)電也需要大面積安裝光伏板，本文中，是在農(nóng)田上安裝太陽能電池板，與農(nóng)作物種植融為一體。這種做法還可為尚未連接到電網(wǎng)的地區(qū)提供遠(yuǎn)程彈性供電，或者可以為農(nóng)業(yè)擴(kuò)大電網(wǎng)供電。在土地上部署發(fā)電設(shè)施有益于農(nóng)耕，電池板還可降低土壤溫度、減少蒸發(fā)，從而提高農(nóng)田產(chǎn)量。

4

聚光太陽能熱發(fā)電

解決太陽能天然低效還有另一種方法，即利用聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）反射鏡或透鏡將可再生能量收集到小面積板上，然后再將其轉(zhuǎn)換為熱能按需使用。這種熱電轉(zhuǎn)換的工作原理類似于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)。此外，CSP的支持因素還包括進(jìn)入高壓輸電線路的權(quán)限、充足的土地面積，以及高質(zhì)量的日照（如在美國西南部）。

5

光伏材料的創(chuàng)新

商用單一材料的光伏轉(zhuǎn)換效率非常低，大約為20%。但是在材料方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)步，打破了這一限制。例如，減少光伏電池的材料厚度可增加材料柔性、降低成本，而用料更少還提高了可持續(xù)性。此外，光伏材料更薄可降低沿材料厚度的傳導(dǎo)損耗（加熱更厚的材料），從而提高能源轉(zhuǎn)換效率。

光伏材料的另一個(gè)進(jìn)步是采用基于鉍（Bi）的材料和涂層來突破大約30%的理論限值。目前比較領(lǐng)先的涂層材料為鈣鈦礦，它通過擴(kuò)展太陽能光譜中能吸收的波長將理論效率限值提升到43%，從而增加了可用能量。雖然鈣鈦礦的長期耐用性依然有爭議，但在太陽能電池的生命周期內(nèi)還是可以提高能源轉(zhuǎn)換效率。其他薄膜和涂層，類似于CSP，通過捕獲和重定向光束將效率提高了5–10%。

02

風(fēng)能和水力發(fā)電

隨著技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)采用率的提升，可再生能源越來越經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。盡管建設(shè)新的風(fēng)能和太陽能裝置目前比建設(shè)煤炭或天然氣裝置更加經(jīng)濟(jì)，但與可再生能源相比，石油燃料依然占據(jù)全球消費(fèi)的主導(dǎo)地位。

即便如此，由于全球可持續(xù)性的承諾，世界對(duì)綠色能源的需求暴增，而且，每單位（kWh）風(fēng)能和太陽能發(fā)電成本也在下降，有時(shí)甚至比每kWh石油燃料的成本還要低。因此，與石油燃料發(fā)電相比，可再生能源的投入資本和每單位成本更低，在滿足無上限的全球需求時(shí)，有著出色的商業(yè)表現(xiàn)。

水力發(fā)電是可再生能源發(fā)電中占比最高的一種，充分利用了水的分布優(yōu)勢(shì)。這種發(fā)電方式利用流水的動(dòng)能，帶動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)耦合發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電力。此外，許多風(fēng)能創(chuàng)新也利用了海洋資源的優(yōu)勢(shì)。

1

本地渦輪機(jī)總成與結(jié)構(gòu)

風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的巨大體量使得運(yùn)輸整個(gè)裝置困難重重，令物流中心頭疼無比。因此，工程師們?cè)O(shè)計(jì)的渦輪機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝或分件運(yùn)輸。這種方法簡化了渦輪機(jī)的運(yùn)輸，同時(shí)也減少了獨(dú)特部件的數(shù)量。另外還增加了其余部件的生產(chǎn)數(shù)量，通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)提升渦輪發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

2

葉片空氣動(dòng)力學(xué)和數(shù)字建模

為提高風(fēng)力發(fā)電的效率，工程師們重點(diǎn)關(guān)注葉片設(shè)計(jì)。例如，工程師利用3D數(shù)字建模或計(jì)算機(jī)輔助工程法（也稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，CFD），分析靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件，從而預(yù)測(cè)最佳設(shè)計(jì)。

3

數(shù)字孿生

數(shù)字孿生，顧名思義，就是為實(shí)體部件創(chuàng)建一份相同的數(shù)字版本。數(shù)字孿生融入了實(shí)體部件的性能數(shù)據(jù)，用于模型校準(zhǔn)。然后，制造商在開始新的實(shí)體原型之前，就能夠快速進(jìn)行數(shù)字版本的設(shè)計(jì)更新，從而可以節(jié)省大量的時(shí)間和成本。

4

能量收集

能量收集充分利用屬性差來創(chuàng)造發(fā)電機(jī)會(huì)。例如，許多住宅樓儲(chǔ)水箱被架高，從而提供穩(wěn)定的水壓。工程師們已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種方法來利用海洋中的天然熱能差、鹽分差和潮汐壓力差來進(jìn)行水力發(fā)電。

5

海洋熱能轉(zhuǎn)換和梯度能量捕獲

表層水溫與水下幾百米深的水溫相差甚遠(yuǎn)。海水溫差發(fā)電（OETC）設(shè)備利用熱海水和冷海水對(duì)蒸汽壓縮制冷循環(huán)中的工作流體進(jìn)行蒸發(fā)與冷凝。溫差越大，能源效率和輸出越高。同樣，滲透和潮汐波壓差也可產(chǎn)生能量，因?yàn)槌跏紶顟B(tài)會(huì)尋求與較低能量狀態(tài)之間的平衡。

03

儲(chǔ)能與并網(wǎng)

人類在綠色能源的儲(chǔ)能方面正在做出重大創(chuàng)新?？稍偕茉捶€(wěn)定性不佳，因此，儲(chǔ)存電能可幫助用戶或公用事業(yè)公司解決電力穩(wěn)定性問題。

電池化學(xué)

隨著電氣化的興起，電池化學(xué)正在不斷發(fā)展。諸如磷酸鐵鋰（LFP）、鈉離子、固態(tài)等技術(shù)旨在提升功率密度、充電/放電速度以及安全性。

電池化學(xué)的進(jìn)步對(duì)電氣化解決方案的長壽命至關(guān)重要。不過，隨著工程師們開發(fā)電池產(chǎn)品并將其應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，確保其安全性也變得同等重要。這一目標(biāo)對(duì)于易受熱逃逸影響的鋰離子電池而言尤為重要。

產(chǎn)品聚焦：

Analog Devices LTC6811多節(jié)電池監(jiān)控器

Analog Devices已開發(fā)出能解決電池監(jiān)控問題的強(qiáng)大系統(tǒng)，可用于符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)：LTC6811 12通道多節(jié)電池監(jiān)控器（圖2）可測(cè)量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)電池，最大測(cè)量誤差為1.2毫伏。LTC6811的電池測(cè)量范圍為0V至5V，測(cè)量誤差為1%甚至更低，測(cè)量所有系統(tǒng)電池只需290μs。此外，LTC6811采用isoSPI接口進(jìn)行高速遠(yuǎn)距離通信，其主機(jī)處理器不易受到射頻干擾的影響。

圖2：Analog Devices LTC6811 12通道多節(jié)電池監(jiān)控器。（圖源：貿(mào)澤電子）

在每節(jié)電池內(nèi)，監(jiān)控器采用被動(dòng)平衡和PWM占空比控制，用于功率調(diào)節(jié)和延長電池使用壽命。該器件可從電池本身或外部電源供電，還采用了具有可編程三階噪聲濾波器的16位Σ--Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該特性非常重要，因?yàn)樵肼暿请姎庀到y(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

LTC6811在多種電池化學(xué)和系統(tǒng)中的應(yīng)用廣泛、可靠，因此非常適合用于電池電動(dòng)汽車（BEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）、電網(wǎng)儲(chǔ)能、電池備份系統(tǒng)、大功率便攜式設(shè)備，等等。此外，當(dāng)解決方案使用指定負(fù)載的電池時(shí)，LTC6811監(jiān)控器能夠測(cè)量其性能，在性能指標(biāo)下降時(shí)發(fā)出警示，并幫助預(yù)測(cè)即將發(fā)生的故障。

分布式儲(chǔ)能和微電網(wǎng)

隨著風(fēng)能和太陽能的趨勢(shì)與創(chuàng)新不斷演變，將這些電能并入電網(wǎng)是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)換的下一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體一樣，電網(wǎng)電子系統(tǒng)支持各種能量形式通過功率集成進(jìn)行融合。此外，該技術(shù)還提供替代能源形式的分布式儲(chǔ)能。

電網(wǎng)電子系統(tǒng)還支持微電網(wǎng) — 可獨(dú)立運(yùn)行（如發(fā)電機(jī)），或并入電網(wǎng)的本地電源集合。這些布局為所有可再生能源提供累加效應(yīng)，從而提升主電網(wǎng)電力或增強(qiáng)斷電期間的供電彈性，最終提高電力利用效率。因此，類似于LTC6811的電池監(jiān)控器對(duì)遠(yuǎn)程微電網(wǎng)無法接入主電網(wǎng)時(shí)確保性能穩(wěn)定至關(guān)重要。

微控制器

操作人員可利用微控制器控制可再生能源的分布。在AI驅(qū)動(dòng)的智能系統(tǒng)中集成這些控制器可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電力平衡，從而提供最佳效率，按需適應(yīng)各種變化或峰值需求。這些控制器還可適應(yīng)電力不穩(wěn)定帶來的電壓波動(dòng)，并在應(yīng)用中予以糾正。

汽車對(duì)電網(wǎng)（V2G）

電氣化運(yùn)動(dòng)帶來的最重要轉(zhuǎn)變之一就是工程師如何看待能源，他們?cè)絹碓蕉嗟貙⑵湟暈榘葱枰獊砘亓鲃?dòng)的液體。不過，綠色能源大規(guī)模推廣面臨的重大挑戰(zhàn)是難以獲取或其本身匱乏，即便成本持平也無濟(jì)于事。

針對(duì)這種現(xiàn)象，電動(dòng)汽車的普及或許可以解決能源獲取問題，因?yàn)樗鼈兛捎米饕苿?dòng)的電池，或者在車輛與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)雙向充電。這對(duì)無法接入電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)特別有益，這些區(qū)域如能獲得額外存儲(chǔ)的電能，就可以實(shí)現(xiàn)供電彈性。這還可以提高VIII級(jí)（公路、重載）卡車的商業(yè)應(yīng)用，同時(shí)降低現(xiàn)有電網(wǎng)的電力需求和不穩(wěn)定性。因此，V2G將成為重要的綠色能源助推器。

04

結(jié)語

在綠色能源所有進(jìn)步和趨勢(shì)的加持下，采用綠色能源的主要障礙依然是不穩(wěn)定性和低效率。為克服這些障礙，最新研究利用去中心化的優(yōu)勢(shì)，增加了中間存儲(chǔ)機(jī)制，將電力部署轉(zhuǎn)移到最后階段。作為補(bǔ)充，工程師們利用天然能源的現(xiàn)有特性進(jìn)一步提高其使用效率。

這些發(fā)明如何并入現(xiàn)有電網(wǎng)將決定廣泛采用綠色能源的速度和效率。

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