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)動船只等等。隨著工業(yè)化進程的加深，通過使用化石燃料等能源滿足了人們隨時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)問題和價格波動的政治因素等等。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)境能源利用達到鼎盛時期之后，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格經(jīng)濟、高質(zhì)量儲能技術(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、獨立物業(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)級設(shè)施到個人擁有的微型發(fā)電機等，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)裝機容量，并幫助維持穩(wěn)定以前從大型集中化石燃料或核動力發(fā)電設(shè)施獲得的能源，從而實現(xiàn)從化石燃料向可再生能源的轉(zhuǎn)變。

 

專門為本地負載供電的孤島式微型發(fā)電機（Islanded microgenerators）有助于減少對電網(wǎng)系統(tǒng)的需求，同時還可以減少業(yè)主的電費。這些應(yīng)用不僅包括“非聯(lián)網(wǎng)”物業(yè)，還包括較小的負載，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團隊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），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、存儲和管理。電池和電容器等能量存儲設(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，并以正確的電壓和最小的波動為負載提供穩(wěn)定的直流電源。

 

能量存儲的目的是用于平衡能量供給和需求，因此需要何種儲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，隨著時間的推移，能夠積累足夠多存儲電荷以便為低占空比設(shè)備供電。

 

能量收集系統(tǒng)的超級電容器

 

作為電池的替代產(chǎn)品，超級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，可用于在短時間內(nèi)需要大功率的負載等應(yīng)用。相對于體積而言，超級電容器電容值可能比傳統(tǒng)電容器高幾個數(shù)量級，并且超級電容器可與電池結(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直接給超級電容器充電。如果PV陣列的開路電壓低于超級電容器的額定電壓，則充電電路可能會相對簡單，僅需一個阻塞二極管即可在沒有光照射到面板上時避免超級電容器向電源放電。超級電容器能夠以非?？斓乃俣确烹?，因此可為負載提供高峰值功率。超級電容器可以做成特定尺寸以滿足負載的峰值功率需求，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驅(qū)動等應(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幾個安培的峰值電流，能夠為街道指示牌和顯示屏照明等設(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設(shè)備。這種情況下通?？梢允褂秒娊怆娙萜?。

 

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15％的浪涌電壓能力。對于85°C系列，額定電壓高達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可防止極性錯誤。

 

計算電容器壽命

 

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

 

在特定應(yīng)用運行條件下，使用https://elc.kemet.com/上的壽命計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）來自動計算壽命。KEMET的ALS Screw Terminal電解電容器的一個優(yōu)點是不需要降低電壓也可確保較長的使用壽命。

 

圖3：電解電容器壽命計算器能夠簡化可靠性評估。

 

結(jié)論

 

從低功率或在偏遠之處安裝的電子設(shè)備，到低電壓基礎(chǔ)設(shè)施、微型發(fā)電機和并網(wǎng)發(fā)電機等應(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，能夠滿足應(yīng)用的具體要求，堅固而高效的超級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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