簡介：化石燃料之外的出路在哪里？

 

自古以來，我們周圍環(huán)境的能量就一直存在于地球生態(tài)系統(tǒng)之中，人類長期以來一直在尋找各種富有想象力的方法來加以利用，例如在陽光下曬烤早期的建筑材料，利用風(fēng)的能量磨碎谷物并驅(qū)動(dòng)船只等等。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加深，通過使用化石燃料等能源滿足了人們隨時(shí)隨地且不斷增長的能量需求。

 

如今，化石燃料的弊端變得越來越明顯，其中包括有限的儲(chǔ)量、有害的氣體排放、日益困難且非常昂貴的開采過程、以及可能導(dǎo)致供應(yīng)問題和價(jià)格波動(dòng)的政治因素等等。因此，業(yè)界又把解決問題的出路指向我們周圍環(huán)境中的能量。

 

根據(jù)MarketWatch的數(shù)據(jù)，2019年至2024年，全球環(huán)境能量收集市場將以11.1％的復(fù)合年增長率增長，2024年將達(dá)到8.4億美元。

 

能量收集市場現(xiàn)狀

 

在最初的環(huán)境能源利用達(dá)到鼎盛時(shí)期之后，世界已經(jīng)發(fā)生了一些巨大變化，這包括電力的發(fā)現(xiàn)以及隨后發(fā)明了加熱器和電機(jī)來處理以前直接由太陽或風(fēng)能完成的任務(wù)。還有一些非常有效的技術(shù)，可以將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，包括光伏電池技術(shù)的發(fā)展和寬帶隙功率半導(dǎo)體的商業(yè)化應(yīng)用。各種類型電容器和電池之類的價(jià)格經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量儲(chǔ)能技術(shù)也至關(guān)重要，這有助于能量流更加平穩(wěn)，并確保人們可以根據(jù)需要來使用能量。

 

伴隨著許多類型電氣設(shè)備能耗的普遍降低，這些因素的共同作用，使環(huán)境能量成為一些設(shè)備和應(yīng)用的可行能源，其中包括并網(wǎng)發(fā)電機(jī)、獨(dú)立物業(yè)設(shè)施（off-grid properties）或直接為IoT傳感器和低壓照明等設(shè)備供電的轉(zhuǎn)換器等。

 

并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的種類很多，從大型太陽能或風(fēng)電發(fā)電站等公用事業(yè)級(jí)設(shè)施到個(gè)人擁有的微型發(fā)電機(jī)等，所有這些共同構(gòu)成了分布式基礎(chǔ)設(shè)施，可通過增加常規(guī)裝機(jī)容量，并幫助維持穩(wěn)定以前從大型集中化石燃料或核動(dòng)力發(fā)電設(shè)施獲得的能源，從而實(shí)現(xiàn)從化石燃料向可再生能源的轉(zhuǎn)變。

 

專門為本地負(fù)載供電的孤島式微型發(fā)電機(jī)（Islanded microgenerators）有助于減少對電網(wǎng)系統(tǒng)的需求，同時(shí)還可以減少業(yè)主的電費(fèi)。這些應(yīng)用不僅包括“非聯(lián)網(wǎng)”物業(yè)，還包括較小的負(fù)載，例如路邊電子標(biāo)牌和在偏僻處安裝并無線連接的傳感器和執(zhí)行器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

 

利用周圍環(huán)境能量為設(shè)備供電非常方便，不僅能夠節(jié)省公用事業(yè)成本，還可以節(jié)省安裝電力線或派遣維護(hù)團(tuán)隊(duì)定期更換電池的成本。此外，設(shè)備也不受電網(wǎng)停電影響。它還有一個(gè)重要優(yōu)勢，即能夠以更容易和更具成本效益的方式將電力優(yōu)勢普及到偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)。

 

能量收集與轉(zhuǎn)換

 

能量收集系統(tǒng)的基本組件包括能量轉(zhuǎn)換設(shè)備（例如光伏板陣列或風(fēng)力渦輪機(jī)），用于從周圍環(huán)境產(chǎn)生電能。接下來的過程包括電力轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和管理。電池和電容器等能量存儲(chǔ)設(shè)備對于系統(tǒng)的成功至關(guān)重要，是穩(wěn)定電力質(zhì)量和確保根據(jù)需要使用電能所必需的。

 

最終，連接的負(fù)載可以是小型設(shè)備（例如低能耗無線模塊），也可以是較大的負(fù)載（例如網(wǎng)絡(luò)化的系列智能傳感器或控制和監(jiān)視設(shè)備），或用于LED照明網(wǎng)絡(luò)的低壓直流配電總線 。圖1概括地說明了每個(gè)階段的功能。

 

圖1：能量收集系統(tǒng)的主要功能模塊。

 

例如，在小型太陽能微型發(fā)電機(jī)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠從光伏陣列中獲取電能，并將其輸出用于為設(shè)備供電。高能量效率和電力質(zhì)量是關(guān)鍵的系統(tǒng)性能指標(biāo)，它可以最大程度地減少寶貴能源的浪費(fèi)，并以正確的電壓和最小的波動(dòng)為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電源。

 

能量存儲(chǔ)的目的是用于平衡能量供給和需求，因此需要何種儲(chǔ)能方式在很大程度上取決于具體應(yīng)用。例如，鋰離子紐扣電池之類的可充電電池通常用于小型自供電設(shè)備，這些設(shè)備可能在節(jié)電睡眠模式下很長時(shí)間，并可定期喚醒以執(zhí)行諸如捕獲傳感器讀數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到聚合設(shè)備（aggregating device）或物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出能夠以恒定電壓連續(xù)為電池充電，隨著時(shí)間的推移，能夠積累足夠多存儲(chǔ)電荷以便為低占空比設(shè)備供電。

 

能量收集系統(tǒng)的超級(jí)電容器

 

作為電池的替代產(chǎn)品，超級(jí)電容器具有簡化的充電電路、明顯更長的壽命周期、更寬的工作溫度范圍以及高峰值放電速率等優(yōu)點(diǎn)，可用于在短時(shí)間內(nèi)需要大功率的負(fù)載等應(yīng)用。相對于體積而言，超級(jí)電容器電容值可能比傳統(tǒng)電容器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且超級(jí)電容器可與電池結(jié)合使用，能夠充分結(jié)合兩種設(shè)備類型的最佳特性。

 

盡管超級(jí)電容器的使用方式與可充電電池類似，但這種器件并不需要恒定的充電電壓。諸如PV電池陣列之類的能源即可從0V直接給超級(jí)電容器充電。如果PV陣列的開路電壓低于超級(jí)電容器的額定電壓，則充電電路可能會(huì)相對簡單，僅需一個(gè)阻塞二極管即可在沒有光照射到面板上時(shí)避免超級(jí)電容器向電源放電。超級(jí)電容器能夠以非?？斓乃俣确烹?，因此可為負(fù)載提供高峰值功率。超級(jí)電容器可以做成特定尺寸以滿足負(fù)載的峰值功率需求，由于其等效串聯(lián)電阻（ESR）而可以造成功率損耗。

 

超級(jí)電容器是極化型器件，可提供各種額定電壓。KEMET公司的FS系列涵蓋了5.5V DC～12V DC的額定值，適用于備用電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用。2.7V HV系列包含從標(biāo)稱電容為1法拉的12mm x 8mm直徑到200法拉的50mm x 35mm直徑徑向封裝。HV系列器件可以提供高達(dá)幾個(gè)安培的峰值電流，能夠?yàn)榻值乐甘九坪惋@示屏照明等設(shè)備供電。

 

電解電容器

 

對于能量收集之后需要立即使用的情況，并非總是需要能量存儲(chǔ)設(shè)備。這種情況下通常可以使用電解電容器。

 

KEMET的技術(shù)發(fā)展路線圖可確保鋁電解解決方案能夠滿足能量收集領(lǐng)域不斷變化的需求。 KEMET的High CV Screw Terminal和Snap-In系列工作溫度范圍為85°C和105°C。這些器件具有的多種特性使其非常適合于能量收集應(yīng)用，例如高紋波電流能力和高出額定電壓達(dá)15％的浪涌電壓能力。對于85°C系列，額定電壓高達(dá)630V，浪涌電壓為690V。此外，直徑為77mm的Screw Terminal器件可以選配偏置端子，以防止電容器極性連接錯(cuò)誤，如圖2所示。

 

圖2：用于能量收集的ALS電容器偏置Screw Terminals可防止極性錯(cuò)誤。

 

計(jì)算電容器壽命

 

在為能量收集應(yīng)用選擇電解電容器時(shí)，器件的壽命是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。由于設(shè)備通常安裝在偏遠(yuǎn)之處，并希望在零維護(hù)的情況下長期運(yùn)行，而且偏遠(yuǎn)之處安裝的設(shè)備也可能會(huì)暴露在極端溫度下，特別是高溫環(huán)境，往往會(huì)縮短電解電容器壽命。

 

在特定應(yīng)用運(yùn)行條件下，使用https://elc.kemet.com/上的壽命計(jì)算器可以估算電解電容器的理論預(yù)期壽命。通過輸入應(yīng)用的占空比、環(huán)境溫度以及冷卻規(guī)定、工作電壓和紋波電流等基本信息，如圖3所示，可以根據(jù)輸入的壽命終止條件（如電容損耗、ESR變化或泄漏電流變化）來自動(dòng)計(jì)算壽命。KEMET的ALS Screw Terminal電解電容器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要降低電壓也可確保較長的使用壽命。

 

圖3：電解電容器壽命計(jì)算器能夠簡化可靠性評估。

 

結(jié)論

 

從低功率或在偏遠(yuǎn)之處安裝的電子設(shè)備，到低電壓基礎(chǔ)設(shè)施、微型發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)發(fā)電機(jī)等應(yīng)用，收集周圍環(huán)境的能量是一種可行的解決方案。能量收集系統(tǒng)中所用組件的許多特性都得到了極大改進(jìn)，能夠滿足應(yīng)用的具體要求，堅(jiān)固而高效的超級(jí)電容器可用于高速能量提供，而長壽命的電解電容器則可用于穩(wěn)定直流功率傳輸。

 

 

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