在这个分为四部分的博客系列中，我们将讨论可持续生活，以及如何借助新的能源生产方法、新材料技术和最新的设计技术，在未来节约更多能源。.

推动可再生能源发展以提高生产力和效率

如何实现真正的可持续发展需求：
电气化是全球逐步淘汰化石燃料（例如用于供暖和交通运输）目标的关键要素；此外，预计未来几年交通运输的电力需求将持续增长。公用事业部门正努力逐步淘汰传统的化石燃料发电厂，并以可再生能源发电机组（通常是风力发电场或太阳能发电场）取而代之。波浪能（图 1）可以增加能源结构，但还需要更多研究来确定其对潮汐流的影响。

环境能源的可预测性低于化石燃料能源。为了实现真正的可持续发展，必须提高能源提取效率，并最大限度地减少转换和传输过程中的低效环节。

高效生产：
一些旨在提高光伏电池效率的研究采用了先进材料，例如砷化镓（GaAs），以及高效结构，例如多结电池。多结结构能够提高效率，因为它们可以捕获更多吸收光子的能量，包括单结结构无法利用的低能光子。它们由多层单结电池组成，每层电池都有不同的带隙。这些电池按照带隙递减的顺序堆叠，使得低能光子在较低层的电池中产生电子-空穴对。

根据美国国家可再生能源实验室 (NREL) 发布的《最佳研究电池效率图表》，目前最高效的光伏电池是四结聚光电池，其在 2022 年 6 月的效率达到了 47.3%。这一水平比光伏面板中常用的晶体硅电池和单结电池高出 20%。.

市售电池与科研用电池之间的差异凸显了太阳能技术改进的潜力，同时也强调了成本的重要性。更新、更复杂的光伏电池技术必须提供具有竞争力的每瓦价格才能吸引行业采用。.

总的来说，太阳能转换的各个阶段都需要提高效率，包括直流-直流转换、直流-交流逆变器，甚至电气互连（图2）。这些互连必须坚固耐用，能够承受严苛的操作和天气条件，例如腐蚀，而不会出现欧姆电阻过度增加的情况。.

图片：太阳能转换器中的互连，例如TE Con​​nectivity（TE）的SOLARLOK 2.0连接器，必须坚固耐用，以确保使用寿命并防止可能降低发电量的劣化（来源：TE Con​​nectivity）。

如果市售电池的效率能超过40%，它们将达到风力涡轮机的理论最高效率（图3）。根据贝茨定律，这一最高效率为59.3%，尽管有人认为该数值应理解为能量系数而非效率系数。然而，贝茨的研究及类似工作均在1920年之前进行。21世纪的研究考虑了气流和压力分布等因素，并应用了计算流体动力学，结果表明效率极限在30%至59.3%之间（这不包括轴承摩擦等其他损耗机制）。.

图片：贝茨极限描述了可从风能中获得的最大比例（来源：贸泽电子）

显然，增加总装机容量将产生更多电力，因为我们几乎可以在任何地方利用风能和太阳能。在英国，风力涡轮机最近频频登上新闻头条，其发电量达到创纪录的21.6吉瓦，满足了该国超过50%的夜间能源需求。.

高效转换：
涡轮机和太阳能电池产生的功率输出并不高，因此最大限度地减少相关调节系统中的能量损耗至关重要。一种常见的技术是提高主母线电压（例如，从 1000 V 提高到 1500 V），这具有多项优势：它允许使用更大串的太阳能电池板，从而减少接线盒和线路的数量；在太阳能和风力发电机中，切换到更高的母线电压有助于降低电阻损耗 (I²R)。
宽禁带半导体技术，例如碳化硅 (SiC)，对于实现这些改进至关重要。与传统的硅器件相比，SiC MOSFET 可以具有更高的击穿电压（相对于其物理尺寸而言）。此外，SiC 优异的开关性能意味着可以使用更小的无源元件来稳定系统内的功率流。这有助于降低成本、缩小电路尺寸并减少由元件寄生效应（例如不必要的欧姆电阻）引起的损耗。

如果我们采用更高效的转换拓扑结构，就能有更多改进方案。同步整流通过消除正向偏置二极管的损耗来提高电源效率；取而代之的是使用特性相似但导通电阻 (RDS(on)) 损耗低得多的 MOSFET。
另一方面，谐振开关拓扑结构的应用也日益普及。谐振换向不仅消除了传统强制换向电路的损耗，还提高了可靠性。维护和设备更换方面的潜在节省有助于降低绿色电力的每瓦成本。

竞争加速进步。
实现可持续且价格合理的电力供应是全球当务之急。然而，竞争能够促进创新，而这正是2014年至2016年间谷歌发起“小盒子挑战赛”（Little Box Challenge）的精髓所在。该挑战赛旨在将一台2千瓦的逆变器缩小90%，使其体积从野餐冷藏箱大小缩小到笔记本电脑大小。如此小巧的逆变器为微电网和价格亲民、面向消费者的光伏发电等诸多改进方案打开了大门。谷歌的挑战赛要求逆变器体积不超过40立方英寸，效率超过95%。一些团队达到了目标，其中取得最佳成果的团队（例如功率密度达到每立方厘米145瓦）获得了100万美元的奖金。现在是否应该发起另一项类似的挑战赛，以取得更大的突破呢？

结论：我们距离目标并不遥远。
所有这些改进的累积效应——更高的光伏效率、先进的功率转换拓扑结构以及具有更高母线电压和更高功率密度的宽带隙半导体——正在显著提高全球环境能源产量。世界经济论坛预测，到2050年，可再生能源可以满足我们所有的能源需求，尽管这一预测取决于诸多条件，例如区域间合作和电网互联。为了从目前的水平达到这一目标，并克服所有实际挑战和气候相关挑战，我们需要继续开发技术，以提高生产力、效率和经济性。

互联储能：绿色电网的支柱

当我们想到由可再生能源供电的电网时，首先想到的可能是风力发电场（图1）和太阳能发电场。与传统发电厂不同，这些情况下电力供应的可用性无法控制或预测。为了应对电力供应时间和数量方面的不确定性，并网储能对于平衡供需的时间和数量至关重要。这种储能系统应能够在条件有利时储存多余的能量，并在条件不佳时（尤其是在夜间没有太阳能时）弥补电力缺口。它必须能够应对短时高峰需求和高负荷，例如电动汽车的快速充电。为了满足消费者的期望，这种大规模的并网储能系统必须安装在发电设施以及整个基础设施的其他节点。.

图片：容量足以满足公共供电需求的储能系统需要在发电设施中安装电池组（来源：贸泽电子）

另一方面，我们发现了一些可以称之为“产消者”（生产者和消费者的结合体）的人，他们拥有私人发电机来满足本地负荷，并将多余的电力输送到电网；这些人还需要在自己的设施或家中储存电力，以平衡可用的供需。.

位置、容量和技术：
为了有效发挥作用，并网储能必须具备大容量、高可靠性、经济性和长使用寿命。并网储能规划是一个相对较新的领域。确定合适的储能位置和容量，以实现合适的储能需求，取决于用电需求模式、附近负荷以及电池性能（图 2）。有效负荷立方容量 (ELCC) 评估已被提出作为计算特定电网所需储能容量的有效方法。

图片：电池储能装置将连接到网络中的许多位置（来源：贸泽电子）

在电池性能方面，前沿研究已在材料、结构和内部组件（例如电极）设计方面取得了显著进步。例如，高容量锂硫电池的出现，利用硫的丰富储量来缓解全球对锂的需求。与传统的锂离子电池相比，这些电池有望提供更高的能量存储能力。.

纳米技术还可以帮助解决储能问题。研究人员已经证明，碳纳米管可以阻止树枝状晶体的生长——树枝状晶体是电池内部形成的有害导电细丝，会导致短路，最终导致电池失效——从而提高电池的可靠性和使用寿命。.

固态电池技术比锂离子电池具有更高的能量密度，并且由于无需液态电解质而提高了安全性。尽管其发展因耐久性有限而受到阻碍，但近期对由钛酸锂和二氧化钒锂复合制成的电极的研究有望为扩大固态电池的商业应用提供解决方案。.

家庭用户通常使用锂离子电池或铅酸电池进行储能。铅酸电池技术成熟可靠，但不如锂离子电池紧凑轻便，且需要更多维护。不过，铅酸电池价格更实惠，因此仍将是家庭用户储能系统的热门选择。除了经济因素外，易用性也是促使房主支持绿色能源网络的重要因素。.

“产消者”需要确保他们的投资能够获得足够的收益，而无需成为能源专家或花费大量时间管理自己的发电站。先进且用户友好的系统管理软件至关重要，它能确保家庭始终使用最具成本效益的能源，并保证可靠性和稳定性。例如，本地微型发电机可用于为电池组充电、为家庭负载供电或将能量回馈电网，从而仅在需要时才从电网获取能源。理想情况下，所有这些都应以最佳效率完成。
集成系统存储：
如果我们希望电气化为可持续发展做出贡献，那么从公用设施供电到印刷电路板（例如连接点或物联网网关），各处都需要更好的存储解决方案。采用薄膜工艺制造的小型固态电池有望比传统的锂离子电池技术具有更高的能量密度和可靠性。另一个重要因素是回收能力，以便缓解对地球矿产资源的需求，并改善我们的未来。

结论：
我们需要大量的电池储能来确保能源的稳定性和可用性，满足现代生活的需求，并助力构建能够持续推进电气化的绿色电网。为了实现这一目标，技术必须不断进步。目前有很多前景广阔的研究项目正在进行中，但我们仍然面临着同样的障碍：电池技术的可制造性和成本问题。电动汽车（EV）的电池技术或许能为我们指明方向：它们的量产经济性和性能要求可能高于其他任何技术。如果电池在电动汽车中运行良好，那么它们就可以在任何地方使用；事实上，对于并网应用而言，废旧电动汽车电池似乎是一种高效且经济的解决方案。管理软件可以帮助我们管理不同的能源和电价，从而实现价值和稳定性之间的最佳平衡。

多生产，少消费

早在当前气候危机爆发之前，电子工程师就一直在寻求通过产品设计来降低能耗的方法。更低的能耗意味着更少的发热量、更小的散热片、更小的电源组件、更小的电池空间以及更长的电池寿命。一般来说，与设计较为简单的替代方案相比，这能打造出更具吸引力、更易销售的产品，并在市场上表现更佳。.

电池标称容量的改进设计是为了帮助清洁地球，但对于关心环境的消费者来说，这也是一个非常重要的卖点。.

从功率转换电路到运行应用的集成系统，都需要促进节能领域的创新。.

适配器低功耗设计：
生态设计规范对功率和效率提出了非常高的要求，尤其针对充电器和适配器等设备。近期，美国、欧盟和中国都扩大了此类设备的适用范围。目前，美国能源部 (DOE) 的 VI 级法规和欧盟生态设计法规 2019/1782 对平均效率和空载功率提出了类似的要求。为了满足这些要求，主要分销商正在转向宽禁带半导体技术（图 1），特别是氮化镓 (GaN)。对于生态设计规范中规定的低于 250 W 的功率水平，GaN 晶体管是一个极具吸引力的选择。与传统的硅晶体管相比，其优势包括：额定电压下的导通损耗低、高频下的开关损耗低、导热系数高以及在高温下仍具有可靠性。此外，与目前的碳化硅 MOSFET 相比，GaN 晶体管在器件额定电压和导通电阻 (RDS(ON)) 方面也具有更优的组合。借助这些晶体管，电源设计人员实现了超过 96% 的峰值效率，而且所有产品都比同等额定值的先前型号更轻、体积缩小了 30%。

图片：半导体制造商已将宽禁带技术商业化，并鼓励将其应用于参考设计和评估板中（来源：德州仪器）

计算领域的节能：
集成微控制器 (MCU) 长期以来一直是超低功耗技术和组件设计技术的核心，旨在提升物联网 (IoT) 最小组件的性能并延长其运行时间。近年来，随着大量远程连接的传感器和执行器被部署到智能建筑、城市、基础设施和工厂等各种控制和监控应用中，这些因素变得至关重要。现场更换这些电池通常不切实际，因此唯一的选择是设计这些组件，使其能够在小型电池的供电下运行整个生命周期，或者集成必要的电路以从环境电源获取电力。使用如此有限的电源需要对分配给设备的所有预算进行非常谨慎的管理。

处理器和微控制器 (MCU) 供应商开发了多种节能功能，以帮助应用设计人员满足这些性能和功耗目标。动态电压调节功能允许器件调整其工作频率和电压，以应对计算需求的快速峰值，同时仍能以低电压和低频率运行，从而在需求较低时最大限度地降低功耗。如今的超低功耗 MCU 提供多种节能模式，可灵活地禁用子系统和外设、停止不必要的时钟、维持或减少动态内存使用，并优化退出这些模式后恢复运行所需的时间。得益于这种灵活性，低功耗应用可以快速激活特定任务所需的子系统，高速完成相应的处理，并尽快将电路恢复到待机模式。其他创新技术，例如用于图形和实时执行的内存访问加速器，可以节省通常在进程必须等待完整访问周期完成时损失的电量。此外，还有独立模式，允许外围设备在核心关闭时运行；以及低功耗定时器，允许一些简单的任务在大多数设备和时钟信号关闭时继续运行。.

人工智能效应：
顾名思义，在更短的时间内完成更多的工作需要消耗更多能量；为了扭转这一趋势，我们需要改变完成工作的方式。人工智能 (AI) 在这方面引领潮流，它处理诸如图像识别模式分析和异常检测等任务的效率远高于传统计算技术。微控制器 (MCU) 供应商正在帮助开发人员在深度嵌入式系统中应用微型神经网络和其他机器学习框架（例如决策树），旨在以极低的功耗提供高级功能和上下文感知能力，并且通常能够实现实时响应。这催生了嵌入式设计的一个新分支：微型机器学习，它使用 TensorFlow Lite 和 TinyML 等轻量级框架。类似的框架正被集成到惯性传感器等设备中，使它们能够独立执行诸如基本活动识别之类的任务，从而使系统能够保持离线状态并节省电量。

总之
，电气化以及人类对更先进机器——功能更强大、速度更快的机器——的天然渴望，正在不断增加家用电器和移动/无线设备电池充电所需的电力需求。设计超低功耗系统可以促进下一代机器的发展，这些机器将拥有更强的自主权，能够更好地控制我们的生活和环境；然而，这种设计也必须在性能和能耗之间取得适当的平衡。

作者：马克·帕特里克

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