【導(dǎo)讀】從顛覆基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新材料（如寬帶隙電子器件），到新封裝、無(wú)源設(shè)計(jì)、供電拓?fù)?、替代電源技術(shù)以及先進(jìn)能源存儲(chǔ)，電力行業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)根本性變革，而影響社會(huì)的方方面面。過(guò)去的一年是技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)生顛覆的一年，延續(xù)了近十年前開始的趨勢(shì)。在幾乎不可抗拒的融合力量的推動(dòng)下，我們的工具、車輛、服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施在集成越來(lái)越多的功能、通信（有線和無(wú)線）以及智能。
電力和能源管理領(lǐng)域一直是這場(chǎng)勢(shì)不可擋變革風(fēng)暴的高調(diào)伙伴。從顛覆基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新材料（如寬帶隙電子器件），到新封裝、無(wú)源設(shè)計(jì)、供電拓?fù)?、替代電源技術(shù)以及先進(jìn)能源存儲(chǔ)，電力行業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)根本性變革，而影響社會(huì)的方方面面。
發(fā)電
替代能源領(lǐng)域的持續(xù)成長(zhǎng)，造成電網(wǎng)整合問(wèn)題和市場(chǎng)擾動(dòng)。隨著替代能源技術(shù)的成熟和完善，太陽(yáng)能和風(fēng)能正在大量“侵入”電網(wǎng)?？稍偕茉匆矠殡娏こ探鐜?lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨毭芮泄芾砗推胶馓?yáng)能和風(fēng)能的儲(chǔ)能和發(fā)電，其才能正常運(yùn)行和可靠工作。
在傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板領(lǐng)域，日本鐘化公司創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換效率為26.63%的晶體硅太陽(yáng)能電池。這款180cm2的演示品是一種異質(zhì)結(jié)背接觸晶體硅太陽(yáng)能電池，它顯示了未來(lái)的主流器件可擴(kuò)展到多大程度。先進(jìn)器件目前的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率在20%左右，在單晶硅電池達(dá)到理論上35%的最大轉(zhuǎn)換效率之前還有一定提升空間。還有其它可提升轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)光采集方法，雖然目前它們?cè)谥髁鲬?yīng)用中使用成本太高。
研究人員致力于解決成本和制造問(wèn)題，其中一種方法——熱光伏（TPV）正在向商業(yè)現(xiàn)實(shí)發(fā)展。通過(guò)將吸收體發(fā)射器（absorber-emitter）材料和光伏電池結(jié)合，TPV器件的工作溫度可超過(guò)1000℃。發(fā)射器將吸收的熱量釋放為光子，然后由光伏電池拾取，產(chǎn)生電能。
圖1：杜克大學(xué)的無(wú)金屬超材料電介質(zhì)有一個(gè)遍布被調(diào)諧成可吸收太赫茲波的小圓柱體的凸凹表面。
為推動(dòng)太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展，杜克大學(xué)的研究人員展示了一種用于熱能轉(zhuǎn)換的電磁超材料，他們說(shuō)這是第一種不含金屬的材料。該材料的熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換性能有望為作為替代能源的太陽(yáng)能技術(shù)注入新活力。
無(wú)金屬的超材料電介質(zhì)有一個(gè)遍布被調(diào)諧成可吸收太赫茲波的小圓柱體的凹凸表面（圖1）。杜克大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用摻硼硅在基片上制造出大小不一的小圓柱體，每個(gè)圓柱體都被以編程的方式調(diào)諧成可與太赫茲波相互作用。研究人員通過(guò)適當(dāng)調(diào)整小圓柱，證實(shí)了這種材料可吸收1.011THz波97.5%的能量。演示品工作在可見(jiàn)光譜之外（當(dāng)前的迭代版本在紅外線以下），但該技術(shù)可以針對(duì)其它頻率進(jìn)行量身定制。若正確匹配合適的光伏技術(shù)，該開發(fā)可能改變太陽(yáng)能應(yīng)用的游戲規(guī)則。
配電
當(dāng)然，能源的產(chǎn)生或采集只是第一步——必須把電能輸送到需要的地方。微電網(wǎng)（microgrid）已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但隨著智能電網(wǎng)和替代能源技術(shù)的出現(xiàn)，加上最近大量的自然災(zāi)害和改善發(fā)展中國(guó)家人民生活的整體努力，我們可以說(shuō)2017年是微電網(wǎng)年。
圖2：特斯拉兌現(xiàn)了Elon Musk在不到一百天的時(shí)間內(nèi)建成Hornsdale儲(chǔ)能電池農(nóng)場(chǎng)的承諾。
這或許可說(shuō)是今年最大的微電網(wǎng)新聞：Elon Musk的特斯拉成功兌現(xiàn)了建造Hornsdale儲(chǔ)能系統(tǒng)的承諾。這是個(gè)巨大的電池農(nóng)場(chǎng)，用于儲(chǔ)存附近離澳大利亞Jamestown不遠(yuǎn)的Hornsdale風(fēng)電場(chǎng)的電能。面對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)的打壓和替代能源的反對(duì)者，Musk去年9月擲地有聲地說(shuō)了句廣為人知的話：他將在不到100天的時(shí)間里建造這一100MW的儲(chǔ)能設(shè)施，否則就將其免費(fèi)送給澳大利亞。通過(guò)制定Musk的目標(biāo)日期，特斯拉不僅證明了其核心技術(shù)的商業(yè)可行性，而且證明了其交付能力。
在11月份宣布的兩個(gè)微電網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)一步表明，微電網(wǎng)是公用和市政領(lǐng)域可行的向上升遷的途徑。一個(gè)項(xiàng)目是在南非的羅本島建立一個(gè)ABB提供的基于太陽(yáng)能的鋰離子儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)，其功率超過(guò)650kW，存儲(chǔ)容量超過(guò)800kWh。同時(shí)，Hannah Solar Government Services贏得了一項(xiàng)建造可再生能源微電網(wǎng)的合同，為位于北太平洋威克島的美國(guó)空軍基地服務(wù)。
儲(chǔ)能
從熱巖和壓縮空氣到超級(jí)電容器和回流電池，有很多方法可存儲(chǔ)能量。鋰離子電池技術(shù)由于是個(gè)人電子和電動(dòng)車（EV）經(jīng)過(guò)商業(yè)驗(yàn)證的主要儲(chǔ)能方法，仍然是當(dāng)今的焦點(diǎn)。業(yè)界有各種改進(jìn)或替換鋰離子電池的偉大嘗試，今年還發(fā)布了一些有趣的突破。
圖3：Fisker在柔性固態(tài)電池方面的專利申請(qǐng)，描述了利用新型材料和制造工藝來(lái)制造三維電極。
高調(diào)的公開挑戰(zhàn)者、電動(dòng)汽車開發(fā)商Fisker申請(qǐng)了一個(gè)由團(tuán)隊(duì)發(fā)明的柔性固態(tài)電池技術(shù)專利，該團(tuán)隊(duì)包括固態(tài)電池的早期開拓者Sakti3的聯(lián)合創(chuàng)始人。該專利申請(qǐng)描述了利用新型材料和制造工藝來(lái)制造三維電極，據(jù)報(bào)道，其獲得的表面積比目前使用的扁平元件所可能實(shí)現(xiàn)的高一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3），并且能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電導(dǎo)率。該電池技術(shù)有望以更低的成本提供傳統(tǒng)產(chǎn)品兩倍以上的能量密度。
印度報(bào)道了一個(gè)更加切實(shí)的突破，印度科學(xué)教育與研究所的研究人員合成了一種直接解決速度和充電周期能力問(wèn)題的陽(yáng)極材料。多層陽(yáng)極具有優(yōu)化的孔隙以允許鋰離子流過(guò)層狀納米片，使放電變得容易。研究人員說(shuō)，這種電池在測(cè)試中經(jīng)過(guò)了1000次循環(huán)充放電后，容量仍然是傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極的兩倍。
初創(chuàng)公司SolidEnergy Systems也在努力改進(jìn)陽(yáng)極。其電芯采用了超薄的金屬鋰片作為陽(yáng)極，以及專有的電解液和新穎的電芯設(shè)計(jì)，而以1200Wh/L的尺寸實(shí)現(xiàn)400至500Wh/kg的聲稱容量。該公司計(jì)劃在2020年發(fā)布其電動(dòng)汽車用阿波羅電池。
圖4：東芝公司的SCiB技術(shù)采用基于鋰鈦氧化物的陽(yáng)極，可防止與磨損相關(guān)的短路所導(dǎo)致的熱失控，并可工作超過(guò)15,000次循環(huán)充放電。
在這些新技術(shù)中，最有形的實(shí)例是，東芝已經(jīng)使用SCiB技術(shù)來(lái)構(gòu)建電池，它比傳統(tǒng)產(chǎn)品更安全、更可靠、壽命更長(zhǎng)（圖4）。根據(jù)東芝的說(shuō)法，使用基于鋰鈦氧化物陽(yáng)極，SCiB可以防止與磨損相關(guān)的短路所導(dǎo)致的熱失控，并且可以運(yùn)行超過(guò)15,000次循環(huán)充放電。該技術(shù)處理大電流的能力不僅對(duì)儲(chǔ)能量有用，而且還可以使電池從電氣測(cè)試系統(tǒng)或制動(dòng)列車和汽車等來(lái)源收集再生能量。
最近的有關(guān)陽(yáng)極的消息是俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)、克拉斯諾亞爾斯克研究中心和國(guó)立科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員在使用石墨烯和二硫化釩作為陽(yáng)極。研究人員表示，這種方法增加了單位容量，因?yàn)殇囯x子不僅像在常規(guī)電池中那樣被束縛在表面，而且也被夾在石墨烯和二硫化釩的材料層之間。該研究小組估計(jì)，單位容量有望達(dá)到569mAh/g，幾乎是石墨的兩倍。該方法還具有高的充放電速率和耐用性。
替代能源技術(shù)
一種有前途的新型鈉基電池技術(shù)今年備受關(guān)注。盡管鈉離子電池的能量密度不如鋰離子電池高，但鈉離子技術(shù)有望更安全、更穩(wěn)定、成本更低，并且對(duì)環(huán)境友好得多。
在改變電池行業(yè)的努力中，斯坦福大學(xué)的研究人員宣布，他們創(chuàng)造了一種可以媲美鋰離子電池的鈉離子設(shè)計(jì)，但相同容量的鈉電池的成本預(yù)計(jì)還不到鋰電池成本的四分之一。該方法將鈉與常見(jiàn)的工業(yè)有機(jī)材料肌醇結(jié)合以制造與磷陽(yáng)極配對(duì)的陰極。進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)將解決能源密度問(wèn)題，優(yōu)化磷陽(yáng)極。
圖5：澳大利亞斯威本科技大學(xué)微光子中心針對(duì)閃電儲(chǔ)能技術(shù)（BEST）電池的設(shè)計(jì)，不是真正的電池，而是使用氧化石墨烯的超級(jí)電容器。
一段時(shí)間以來(lái)，超級(jí)電容器一直被吹捧為電池的顛覆者，但成本一直是其被推遲采用的主要因素。為加快這一步伐，澳大利亞斯威本科技大學(xué)微光子中心的研究人員發(fā)布了他們針對(duì)閃電儲(chǔ)能技術(shù)（Bolt Electricity Storage Technology，BEST）電池的設(shè)計(jì)。它不是真正的電池，而是使用氧化石墨烯的超級(jí)電容器，預(yù)計(jì)該器件比傳統(tǒng)方案便宜，這為超級(jí)電容器在各種應(yīng)用中取代電池打開了大門（圖5）。最近，斯威本大學(xué)的研究人員獲得了345萬(wàn)美元資金，作為澳大利亞政府委托的合作研究中心項(xiàng)目的一部分。
智能變壓器
新的無(wú)源技術(shù)的開發(fā)并不是每天都發(fā)生。最近的一種真正的新型無(wú)源技術(shù)是憶阻器，這是款全新器件，我們不會(huì)很快看到類似東西。然而，更好和更新的無(wú)源拓?fù)淇隙懿⑶掖_實(shí)出現(xiàn)了，智能變壓器就是其中之一。
圖6：Legend Power的智能變壓器產(chǎn)品實(shí)際上是一種新穎的電源轉(zhuǎn)換器，它是一種高效的自耦變壓器和控制器。
作為固態(tài)變壓器邏輯上的延伸，智能變壓器加入了電路并增加了功能。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期醞釀，以及Legend Power等公司的努力，這項(xiàng)技術(shù)今年或已成熟——Legend Power的產(chǎn)品實(shí)際上是一種新穎的電源轉(zhuǎn)換器，它是一種高效自耦變壓器和控制器（圖6）。與傳統(tǒng)變壓器相比，智能變壓器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓。
展望
2018年幾乎肯定可以看到足夠多的突破，從下一代電源拓?fù)涞奖溟T技術(shù)（如紐約市立學(xué)院的鋅酸電池工作）都蓄勢(shì)待發(fā)。共同點(diǎn)是工程界如何與這些發(fā)展攜手共進(jìn)并將其融入到自己的設(shè)計(jì)中。祝2018年好運(yùn)！
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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