儲能系統(tǒng)

2015年巴黎氣候變化大會（COP21）是全球邁向實現氣候變化目標的重要一步。大會上各國做出對《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（目標為1.5°C）。與會各國為實現上述承諾把在2050年前實現世界氣候中和作為了目標。

對全球經濟利好的一面是，綠色（或可再生）能源不僅可以極大地解決氣候變化問題，同時還可以創(chuàng)造預計到2030年達到2萬億美元的市場機遇。本文將介紹綠色能源行業(yè)的現狀與新技術的發(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)電占據大半壁江山，但風力發(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”）

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太陽能

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

部署電力基礎設施的土地

設備與安裝成本

逆變器和功率轉換設備

集成到電網的技術

在用戶房頂或農業(yè)土地上安裝大面積太陽能電池板的美學設計

鑒于提高太陽能比例的重要性，再加上兌現《巴黎協(xié)定》承諾的緊迫性，各國政府開始強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年后強制新建的房屋上安裝太陽能電池板。

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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換損耗以及太陽光到達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，以期提高這個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)設計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，如利用太陽能陣列結構遮蔽停車場，或美化樓下居民看不到其平頂輪廓線的高樓大廈。

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海上太陽能

由于空間是太陽能的一個重要考量因素，因此在海面上部署太陽能系統(tǒng)成為了另一個新興趨勢。地球上的大面積開放水域為“海上漂浮式光伏”（也稱“漂浮式光伏電站”）提供了天然優(yōu)勢，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)具有更高的熱傳導效率，可以用更小的組件尺寸生成同等的能量。

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農業(yè)用太陽能

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

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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，然后再將其轉換為熱能按需使用。這種熱電轉換的工作原理類似于斯特林發(fā)動機和蒸汽渦輪機。此外，CSP的支持因素還包括進入高壓輸電線路的權限、充足的土地面積，以及高質量的日照（如在美國西南部）。

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光伏材料的創(chuàng)新

商用單一材料的光伏轉換效率非常低，大約為20%。但是在材料方面已經取得了重大進步，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損耗（加熱更厚的材料），從而提高能源轉換效率。

光伏材料的另一個進步是采用基于鉍（Bi）的材料和涂層來突破大約30%的理論限值。目前比較領先的涂層材料為鈣鈦礦，它通過擴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還是可以提高能源轉換效率。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%。

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風能和水力發(fā)電

隨著技術進步和市場采用率的提升，可再生能源越來越經濟實惠。盡管建設新的風能和太陽能裝置目前比建設煤炭或天然氣裝置更加經濟，但與可再生能源相比，石油燃料依然占據全球消費的主導地位。

即便如此，由于全球可持續(xù)性的承諾，世界對綠色能源的需求暴增，而且，每單位（kWh）風能和太陽能發(fā)電成本也在下降，有時甚至比每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，有著出色的商業(yè)表現。

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。這種發(fā)電方式利用流水的動能，帶動渦輪機轉動，從而驅動耦合發(fā)電機，產生電力。此外，許多風能創(chuàng)新也利用了海洋資源的優(yōu)勢。

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本地渦輪機總成與結構

風力渦輪發(fā)電機的巨大體量使得運輸整個裝置困難重重，令物流中心頭疼無比。因此，工程師們設計的渦輪機采用現場拼裝或分件運輸。這種方法簡化了渦輪機的運輸，同時也減少了獨特部件的數量。另外還增加了其余部件的生產數量，通過規(guī)模經濟提升渦輪發(fā)電機的經濟性。

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葉片空氣動力學和數字建模

為提高風力發(fā)電的效率，工程師們重點關注葉片設計。例如，工程師利用3D數字建模或計算機輔助工程法（也稱為計算流體動力學，CFD），分析靜態(tài)與動態(tài)條件，從而預測最佳設計。

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數字孿生

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

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能量收集

能量收集充分利用屬性差來創(chuàng)造發(fā)電機會。例如，許多住宅樓儲水箱被架高，從而提供穩(wěn)定的水壓。工程師們已經設計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行水力發(fā)電。

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海洋熱能轉換和梯度能量捕獲

表層水溫與水下幾百米深的水溫相差甚遠。海水溫差發(fā)電（OETC）設備利用熱海水和冷海水對蒸汽壓縮制冷循環(huán)中的工作流體進行蒸發(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生能量，因為初始狀態(tài)會尋求與較低能量狀態(tài)之間的平衡。

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儲能與并網

人類在綠色能源的儲能方面正在做出重大創(chuàng)新。可再生能源穩(wěn)定性不佳，因此，儲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

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

電池化學的進步對電氣化解決方案的長壽命至關重要。不過，隨著工程師們開發(fā)電池產品并將其應用到更廣泛的領域，確保其安全性也變得同等重要。這一目標對于易受熱逃逸影響的鋰離子電池而言尤為重要。

產品聚焦：

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)控問題的強大系統(tǒng)，可用于符合ISO 26262標準的系統(tǒng)：LTC6811 12通道多節(jié)電池監(jiān)控器（圖2）可測量多達12節(jié)串聯(lián)電池，最大測量誤差為1.2毫伏。LTC6811的電池測量范圍為0V至5V，測量誤差為1%甚至更低，測量所有系統(tǒng)電池只需290μs。此外，LTC6811采用isoSPI接口進行高速遠距離通信，其主機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：貿澤電子）

在每節(jié)電池內，監(jiān)控器采用被動平衡和PWM占空比控制，用于功率調節(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模數轉換器（ADC）。該特性非常重要，因為噪聲是電氣系統(tǒng)的關鍵指標之一。

LTC6811在多種電池化學和系統(tǒng)中的應用廣泛、可靠，因此非常適合用于電池電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、電網儲能、電池備份系統(tǒng)、大功率便攜式設備，等等。此外，當解決方案使用指定負載的電池時，LTC6811監(jiān)控器能夠測量其性能，在性能指標下降時發(fā)出警示，并幫助預測即將發(fā)生的故障。

分布式儲能和微電網

隨著風能和太陽能的趨勢與創(chuàng)新不斷演變，將這些電能并入電網是推動能源轉換的下一個關鍵環(huán)節(jié)。與氮化鎵和碳化硅半導體一樣，電網電子系統(tǒng)支持各種能量形式通過功率集成進行融合。此外，該技術還提供替代能源形式的分布式儲能。

電網電子系統(tǒng)還支持微電網 — 可獨立運行（如發(fā)電機），或并入電網的本地電源集合。這些布局為所有可再生能源提供累加效應，從而提升主電網電力或增強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)控器對遠程微電網無法接入主電網時確保性能穩(wěn)定至關重要。

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驅動的智能系統(tǒng)中集成這些控制器可自動實現電力平衡，從而提供最佳效率，按需適應各種變化或峰值需求。這些控制器還可適應電力不穩(wěn)定帶來的電壓波動，并在應用中予以糾正。

汽車對電網（V2G）

電氣化運動帶來的最重要轉變之一就是工程師如何看待能源，他們越來越多地將其視為按需要來回流動的液體。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于事。

針對這種現象，電動汽車的普及或許可以解決能源獲取問題，因為它們可用作移動的電池，或者在車輛與電網之間實現雙向充電。這對無法接入電網的偏遠地區(qū)特別有益，這些區(qū)域如能獲得額外存儲的電能，就可以實現供電彈性。這還可以提高VIII級（公路、重載）卡車的商業(yè)應用，同時降低現有電網的電力需求和不穩(wěn)定性。因此，V2G將成為重要的綠色能源助推器。

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結語

在綠色能源所有進步和趨勢的加持下，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，增加了中間存儲機制，將電力部署轉移到最后階段。作為補充，工程師們利用天然能源的現有特性進一步提高其使用效率。

這些發(fā)明如何并入現有電網將決定廣泛采用綠色能源的速度和效率。

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