新能源范例：未来将有哪些技术创新来满足不断增长的能源需求？

不断增长的电力需求

根据国际能源署（IEA）的数据，目前全球每年的用电量约为27 TWh（太瓦小时），到2040年将会增长40％。推动这一增长的主要动力之一是发展中国家的快速发展，中产阶级的崛起将对高质量住房、照明、信息和娱乐产生必不可少的巨大需求。在世界范围内，也包括发达地区，交通运输的电气化是应对气候变化的脱碳过程中至关重要方面。

要满足这种不断增长的需求，极其重要的一点是需要比以往任何时候更广泛地利用可再生能源。通过采用化石燃料的常规电站来满足电力需求显然行不通，化石燃料是一种有限的资源，对化石燃料的日益依赖将增加温室气体排放，导致全世界无法实现其降碳目标。

幸运的是，全球在利用太阳能、风能和潮汐能等可再生能源方面已经在不断取得进步。国际可再生能源局（IRENA）的数据显示，风力发电装机容量已从2010年的18万MW(兆瓦)增加到2019年的62.2万兆瓦，而太阳能已从4.1万兆瓦增加到54.1万兆瓦。

如今，包括水电、风电和太阳能等所有可再生能源在内，总共可提供8 TWh电力，尽管这足以满足世界各地的住宅需求，但工业和服务业还需要16 TWh电力。 IEA表示，到2040年，可再生能源发电量应达到26 TWh。

清洁能源

对太阳能，风能和潮汐能的更多依赖要求改变电力供应基础设施的“结构”。现有方式是从地球上提取，加工/提炼承载能量的化石燃料介质，并运输到集中位置（电站）以转化为电能。清洁能源则必须捕获和转换周围现有的原始能量，根据需要，新的发电机将体积更小、数量更多、分布更广。个人拥有的发电容量也有能力并入到本地电网，这可以减轻主电网负荷，从而有助于电力稳定，甚至可以将未使用的能源输入主电网。

小型家用和商用屋顶太阳能发电也可扩展以满足局部或所有用电场所的需求，而公用事业级的太阳能设施则需要大得多，目前运行的最广泛例子是印度巴德拉太阳能公园（Bhadla Solar Park）和中国的腾格里沙漠（Tengger Desert）的太阳能电站。尽管它们可以产生高达1.5吉瓦（GW）的电量，可与某些核电站相媲美，但每个都占地40平方公里以上。大规模太阳能发电需要占用大量光照面积，尽管如此，各地都有雄心勃勃的计划来增加全球容量，以满足不断增长的全球电力需求并同时脱碳。欧洲最大的太阳能电站是位于Iberdrola的Núñezde Balboa项目，它于2020年投入使用，引入了500MW的装机容量，其发电量足以满足25万人的能源需求，每年可能节省215,000吨的二氧化碳排放。

就风能而言，海上位置更适合于建造大型风力电站，并且通常比陆上位置具有更高的风速。风力涡轮机的最小切入风速（cut-in speed）通常为每秒3-4米（7英里/小时），设计人员还必须针对过高的风速提供额外保护。当今世界最大的海上风电站位于欧洲水域，包括英国肯特（Kent）海岸外的伦敦风电站（London Array）和位于爱尔兰海的沃尔尼风电站（Walney Wind Farm），它们的发电量均超过600兆瓦。

潮汐是由于月球的引力作用而连续流动，因此波浪和潮汐是具有较强可依靠性的一种可替代新能源。欧盟委员会表示，到2050年，海浪和潮汐能满足欧盟约10％的能源需求。但是，这其中也涉及一定的成本和风险。水下发电机需要固定在海床上，发电机噪声对海洋环境以及对潮汐流的潜在影响尚不确定。

除了考虑位置之外，从周围环境中发电还需要一些实时的考虑因素：太阳能和风力发电仅在有风吹或太阳光照射时才可有效。大型能量储存系统（ESS）必须与电网相联，以确保持续的电力供应。采用电池储能可以实现快速响应，以满足不断变化的电力需求，因此采用大型电池阵列进行列充电是一种流行的储能选择。这些电池可以配置在发电站，也可以安装在客户场所等其他地点，或简单称为“电表背后”。 IHS Markit预测，到2025年，全球电网储能将增长到15 GW以上，与2019年相比增长五倍以上。

电表背后安装的小型储能装置可以采用铅酸电池，它价格便宜并且只需要最少量的维护，但建议在更大的公用事业级ESS中使用长寿命周期的锂离子电动汽车电池。尽管在电动汽车应用中电池容量减少到80％之后被认为不适合继续使用，但在ESS中利用剩余的80％容量对于充分利用珍贵的自然资源是一种负责任的方式。另一方面，由于电池回收使用的相关成本很高，需要识别和清除失效电池组。一些人认为，电池直接回收和材料重新利用是更好的选择，而且对于ESS应用而言，新型锂离子电池既更具成本效益，又具有空间优势。

一个成功的策略或许涉及多个方面，包括回收利用的电池、新电池以及完成部署的并网存储，更具体来说可能包括安装在商业场所的私有不间断电源（UPS），以及连接到充电站的电动汽车。这些储能设备所有者可以让公用事业公司使用这些资产的存储潜力，以换取优惠的上网电价（feed-in tariff）或其他奖励。

技术改进

可再生能源的装机容量可能采用更多站点的方式，这些站点通常产生相对较低的功率，部署在由自然条件决定的地理位置（通常附近具备ESS）。通过提高现场各种功率转换和调节系统的效率来提高发电量，对于满足未来不断增长的能源需求至关重要，可以优化系统架构、拓扑和功率半导体技术来实现这些目标。PV面板阵列需要功率点跟踪，DC/DC转换是将通常的原始PV面板输出低电压进行转换，随后的DC/AC转换则产生具有正确幅度和频率的交流电压以馈入电网，功率调节网络可包括具有功率点跟踪的独立DC/DC转换器。或者，上述功能的集成可以在电池板级微型逆变器实现，或者通过处理来自多个电池板输出的串式逆变器，或由多个电池板串馈送的集中式逆变器实现。

就风力发电机本身而言，它通常可以使用直接馈电（DF）或全变频器（full-converter，FC）连接到电网。 在最高约6 MW的装机容量中，直接馈电连接已经使用了一段时间。发电机定子直接连接到电网，而转子通过变频器/逆变器网络连接。发电机的输出频率与电网的频率匹配。产生的功率中只有大约三分之一通过变频器/逆变器，从而使设备体积更小且成本更低。

在FC连接中，变频器/逆变器承载全部发电功率，并使发电机与电网完全解耦。此配置与诸如低压和高压穿越（ride-through）（LVRT，HVRT）之类的容错技术兼容，可使发电机在干扰（例如由外部事件引起的电压波动）期间保持连接状态。随着新能源供应越来越依赖风力，这种技术对于防止出现停电是非常必要的。 FC连接适用于10兆瓦级的安装，预计在陆上和海上风力发电站将广泛部署。

调节来自PV面板的DC输出（包括功率点跟踪）可以由独立DC/DC转换器实现，也可以设计为逆变器的组成部分，实现从DC到AC的转换并适合连接到电网。逆变器的实现方式可以是面板级的微型逆变器，或由多个面板供电的串式逆变器，也可以是单个中央逆变器，不同的配置在成本、可靠性和效率等方面都有各种优点和缺点。为了最大程度地减少每个机柜的能量损耗，工程师们正在继续利用同步整流和零电压开关等技术来研究新的电源拓扑架构，以帮助避免不必要的功率损失。

此外，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙功率半导体技术目前正在重新定义功率设计人员传统上的权衡取舍观念。额定电压高达1200V的SiC MOSFET其导通电阻和开关损耗比绝缘栅双极晶体管（IGBT）等传统硅产品低很多， SiC还具有比硅器件更高的导热率，并且可以耐受更高的工作温度。设计人员可以利用这些特性来简化热管理并提高功率密度，同时确保可靠性。

GaN功率晶体管可以最大程度地降低开关损耗，并且可以在额定电压高达600V的情况下支持更高的开关频率。在器件反向导通时，能量损耗比SiC或硅晶体管低得多。此外，GaN晶体管具有零反向恢复周期，更适用于图腾柱功率因数校正（PFC）电路等高效转换器拓扑结构，可消除通常硅桥式整流器相关的损耗。

英飞凌（Infineon）的CoolSiC™碳化硅MOSFET和CoolGan™600V晶体管等产品系列已经使这些技术商用化。通过利用英飞凌EiceDRIVER™ 系列等优化的栅极驱动器，以及和英飞凌和罗姆（Rohm Semiconductor）等制造商的晶体管模块，可进一步简化系统设计。德州仪器（TI）的LMG341xR050 GaN模块将600V GaN晶体管、栅极驱动器和保护功能整合在一起，这种集成式功率级简化了电路设计和布局等方面的挑战。

厚积薄发

通过不断改善电力基础设施各个层面的设备性能和效率，包括从光伏板、风力涡轮发电机到储能系统，再到碳化硅和氮化镓等全新功率电子技术，清洁、可再生能源有望满足我们不断提高的大部分能源需求。但是，这种逐步的过渡将需要可再生能源和常规电站在公用电网中共存一段时间。

在此过渡期间，碳捕集（carbon-capture）技术可帮助防止传统发电站向大气中排放温室气体。这些技术已经捕集了多达4000万吨二氧化碳，可供化学工业和产品制造行业再利用。通过未来计划的一些项目，这一数字未来可能增加到1.3亿吨；朝着实现净零排放的清洁能源发展做出进一步贡献。

满足世界的电力需求需要多种能源和整套的技术，而太阳能和风能是满足未来电力需求的重要方面。传统能源的比例在下降，而其他可再生资源（例如生物燃料、地热、水力和氢能等）的利用在增加，它们都会成为能源组合的一部分：无论何时何地，都需要清洁、经济和可获取的能源。

作者：Mark Patrick, 贸泽电子

责编：Amy Guan