電力和能源管理領域一直是這場勢不可擋變革風暴的高調夥伴。從顛覆基礎電源係統設計的新材料（如寬帶隙電子器件），到新封裝、無源設計、供電拓撲、替代電源技術以及先進能源存儲，電力行業正經曆一場根本性變革
，而影響社會的方方麵麵。

 

 

替代能源領域的持續成長，造成電網整合問題和市場擾動。隨著替代能源技術的成熟和完善，太陽能和風能正在大量“侵入”電網。可再生能源也為電力工程界帶來了挑戰，因為必須密切管理和平衡太陽能和風能的儲能和發電，其才能正常運行和可靠工作。

 

在傳統太陽能電池板領域，日本鍾化公司創造了轉換效率為26.63%的晶體矽太陽能電池。這款180cm2的演示品是一種異質結背接觸晶體矽太陽能電池，它顯示了未來的主流器件可擴展到多大程度。先進器件目前的太陽能轉換效率在20%左右，在單晶矽電池達到理論上35%的最大轉換效率之前還有一定提升空間。還有其它可提升轉換效率的太陽光采集方法
，雖然目前它們在主流應用中使用成本太高。

 

研究人員致力於解決成本和製造問題，其中一種方法——熱光伏（TPV）正在向商業現實發展。通過將吸收體發射器（absorber-emitter）材料和光伏電池結合，TPV器件的工作溫度可超過1000℃。發射器將吸收的熱量釋放為光子，然後由光伏電池拾取，產生電能。

 

圖1：杜克大學的無金屬超材料電介質有一個遍布被調諧成可吸收太赫茲波的小圓柱體的凸凹表麵。

 

為(wei)推(tui)動(dong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)
，杜(du)克(ke)大(da)學(xue)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)展(zhan)示(shi)了(le)一(yi)種(zhong)用(yong)於(yu)熱(re)能(neng)轉(zhuan)換(huan)的(de)電(dian)磁(ci)超(chao)材(cai)料(liao)
，他(ta)們(men)說(shuo)這(zhe)是(shi)第(di)一(yi)種(zhong)不(bu)含(han)金(jin)屬(shu)的(de)材(cai)料(liao)。該(gai)材(cai)料(liao)的(de)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)轉(zhuan)換(huan)性(xing)能(neng)有(you)望(wang)為(wei)作(zuo)為(wei)替(ti)代(dai)能(neng)源(yuan)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)技(ji)術(shu)注(zhu)入(ru)新(xin)活(huo)力(li)。

 

無金屬的超材料電介質有一個遍布被調諧成可吸收太赫茲波的小圓柱體的凹凸表麵（圖1）。dukedaxuedetuanduishiyongchanpengguizaijipianshangzhizaochudaxiaobuyidexiaoyuanzhuti，meigeyuanzhutidoubeiyibianchengdefangshitiaoxiechengkeyutaiheziboxianghuzuoyong。yanjiurenyuantongguoshidangtiaozhengxiaoyuanzhu


，zhengshilezhezhongcailiaokexishou1.011THz波97.5%的能量。演示品工作在可見光譜之外（當前的迭代版本在紅外線以下），但該技術可以針對其它頻率進行量身定製。若正確匹配合適的光伏技術，該開發可能改變太陽能應用的遊戲規則。

 

 

當然，能源的產生或采集隻是第一步——必須把電能輸送到需要的地方。微電網（microgrid）已(yi)經(jing)存(cun)在(zai)了(le)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)
，但(dan)隨(sui)著(zhe)智(zhi)能(neng)電(dian)網(wang)和(he)替(ti)代(dai)能(neng)源(yuan)技(ji)術(shu)的(de)出(chu)現(xian)，加(jia)上(shang)最(zui)近(jin)大(da)量(liang)的(de)自(zi)然(ran)災(zai)害(hai)和(he)改(gai)善(shan)發(fa)展(zhan)中(zhong)國(guo)家(jia)人(ren)民(min)生(sheng)活(huo)的(de)整(zheng)體(ti)努(nu)力(li)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)說(shuo)2017年是微電網年。

 

圖2：特斯拉兌現了Elon Musk在不到一百天的時間內建成Hornsdale儲能電池農場的承諾。

 

這或許可說是今年最大的微電網新聞：Elon Musk的特斯拉成功兌現了建造Hornsdale儲能係統的承諾。這是個巨大的電池農場
，用於儲存附近離澳大利亞Jamestown不遠的Hornsdale風電場的電能。麵對傳統行業的打壓和替代能源的反對者，Musk去年9月擲地有聲地說了句廣為人知的話：他將在不到100天的時間裏建造這一100MW的儲能設施，否則就將其免費送給澳大利亞。通過製定Musk的目標日期
，特斯拉不僅證明了其核心技術的商業可行性
，而且證明了其交付能力。

 

在11月份宣布的兩個微電網項目進一步表明，微電網是公用和市政領域可行的向上升遷的途徑。一個項目是在南非的羅本島建立一個ABB提供的基於太陽能的鋰離子儲能微電網係統，其功率超過650kW，存儲容量超過800kWh。同時，Hannah Solar Government Services贏得了一項建造可再生能源微電網的合同，為位於北太平洋威克島的美國空軍基地服務。

 

 

從熱岩和壓縮空氣到超級電容器和回流電池，有很多方法可存儲能量。鋰離子電池技術由於是個人電子和電動車（EV）經過商業驗證的主要儲能方法，仍然是當今的焦點。業界有各種改進或替換鋰離子電池的偉大嚐試，今年還發布了一些有趣的突破。

 

圖3：Fisker在柔性固態電池方麵的專利申請，描述了利用新型材料和製造工藝來製造三維電極。

 

高調的公開挑戰者
、電動汽車開發商Fisker申請了一個由團隊發明的柔性固態電池技術專利

，該團隊包括固態電池的早期開拓者Sakti3的de聯lian合he創chuang始shi人ren。該gai專zhuan利li申shen請qing描miao述shu了le利li用yong新xin型xing材cai料liao和he製zhi造zao工gong藝yi來lai製zhi造zao三san維wei電dian極ji，據ju報bao道dao，其qi獲huo得de的de表biao麵mian積ji比bi目mu前qian使shi用yong的de扁bian平ping元yuan件jian所suo可ke能neng實shi現xian的de高gao一yi個ge數shu量liang級ji（圖3），並且能夠實現較高的電導率。該電池技術有望以更低的成本提供傳統產品兩倍以上的能量密度。

 

印yin度du報bao道dao了le一yi個ge更geng加jia切qie實shi的de突tu破po
，印yin度du科ke學xue教jiao育yu與yu研yan究jiu所suo的de研yan究jiu人ren員yuan合he成cheng了le一yi種zhong直zhi接jie解jie決jue速su度du和he充chong電dian周zhou期qi能neng力li問wen題ti的de陽yang極ji材cai料liao。多duo層ceng陽yang極ji具ju有you優you化hua的de孔kong隙xi以yi允yun許xu鋰li離li子zi流liu過guo層ceng狀zhuang納na米mi片pian
，使shi放fang電dian變bian得de容rong易yi。研yan究jiu人ren員yuan說shuo，這zhe種zhong電dian池chi在zai測ce試shi中zhong經jing過guo了le1000次循環充放電後，容量仍然是傳統石墨陽極的兩倍。

 

初創公司SolidEnergy Systems也在努力改進陽極。其電芯采用了超薄的金屬鋰片作為陽極，以及專有的電解液和新穎的電芯設計，而以1200Wh/L的尺寸實現400至500Wh/kg的聲稱容量。該公司計劃在2020年發布其電動汽車用阿波羅電池。

 

圖4：東芝公司的SCiB技術采用基於鋰鈦氧化物的陽極
，可防止與磨損相關的短路所導致的熱失控，並可工作超過15,000次循環充放電。

 

在這些新技術中，最有形的實例是
，東芝已經使用SCiB技術來構建電池
，它比傳統產品更安全、更可靠
、壽命更長（圖4）。根據東芝的說法，使用基於鋰鈦氧化物陽極，SCiB可以防止與磨損相關的短路所導致的熱失控，並且可以運行超過15,000次(ci)循(xun)環(huan)充(chong)放(fang)電(dian)。該(gai)技(ji)術(shu)處(chu)理(li)大(da)電(dian)流(liu)的(de)能(neng)力(li)不(bu)僅(jin)對(dui)儲(chu)能(neng)量(liang)有(you)用(yong)
，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)以(yi)使(shi)電(dian)池(chi)從(cong)電(dian)氣(qi)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)或(huo)製(zhi)動(dong)列(lie)車(che)和(he)汽(qi)車(che)等(deng)來(lai)源(yuan)收(shou)集(ji)再(zai)生(sheng)能(neng)量(liang)。

 

最近的有關陽極的消息是俄羅斯西伯利亞聯邦大學、克ke拉la斯si諾nuo亞ya爾er斯si克ke研yan究jiu中zhong心xin和he國guo立li科ke學xue技ji術shu大da學xue的de研yan究jiu人ren員yuan在zai使shi用yong石shi墨mo烯xi和he二er硫liu化hua釩fan作zuo為wei陽yang極ji。研yan究jiu人ren員yuan表biao示shi
，這zhe種zhong方fang法fa增zeng加jia了le單dan位wei容rong量liang，因yin為wei鋰li離li子zi不bu僅jin像xiang在zai常chang規gui電dian池chi中zhong那na樣yang被bei束shu縛fu在zai表biao麵mian，而er且qie也ye被bei夾jia在zai石shi墨mo烯xi和he二er硫liu化hua釩fan的de材cai料liao層ceng之zhi間jian。該gai研yan究jiu小xiao組zu估gu計ji，單dan位wei容rong量liang有you望wang達da到dao569mAh/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。

 

 

一種有前途的新型鈉基電池技術今年備受關注。盡管鈉離子電池的能量密度不如鋰離子電池高，但鈉離子技術有望更安全
、更穩定、成本更低，並且對環境友好得多。

 

zaigaibiandianchixingyedenulizhong

，sitanfudaxuedeyanjiurenyuanxuanbu，tamenchuangzaoleyizhongkeyipimeililizidianchidenalizisheji，danxiangtongrongliangdenadianchidechengbenyujihaibudaolidianchichengbendesifenzhiyi。gaifangfajiangnayuchangjiandegongyeyoujicailiaojichunjieheyizhizaoyulinyangjipeiduideyinji。jinyibu，gaituanduijiangjiejuenengyuanmiduwenti，youhualinyangji。

 

圖5：澳大利亞斯威本科技大學微光子中心針對閃電儲能技術（BEST）電池的設計，不是真正的電池，而是使用氧化石墨烯的超級電容器。

 

一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)以(yi)來(lai)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)一(yi)直(zhi)被(bei)吹(chui)捧(peng)為(wei)電(dian)池(chi)的(de)顛(dian)覆(fu)者(zhe)，但(dan)成(cheng)本(ben)一(yi)直(zhi)是(shi)其(qi)被(bei)推(tui)遲(chi)采(cai)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。為(wei)加(jia)快(kuai)這(zhe)一(yi)步(bu)伐(fa)，澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)斯(si)威(wei)本(ben)科(ke)技(ji)大(da)學(xue)微(wei)光(guang)子(zi)中(zhong)心(xin)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)發(fa)布(bu)了(le)他(ta)們(men)針(zhen)對(dui)閃(shan)電(dian)儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)（Bolt Electricity Storage Technology，BEST）dianchidesheji。tabushizhenzhengdedianchi，ershishiyongyanghuashimoxidechaojidianrongqi，yujigaiqijianbichuantongfanganbianyi，zheweichaojidianrongqizaigezhongyingyongzhongqudaidianchidakailedamen（圖5）。最近，斯威本大學的研究人員獲得了345萬美元資金
，作為澳大利亞政府委托的合作研究中心項目的一部分。

 

 

新xin的de無wu源yuan技ji術shu的de開kai發fa並bing不bu是shi每mei天tian都dou發fa生sheng。最zui近jin的de一yi種zhong真zhen正zheng的de新xin型xing無wu源yuan技ji術shu是shi憶yi阻zu器qi，這zhe是shi款kuan全quan新xin器qi件jian，我wo們men不bu會hui很hen快kuai看kan到dao類lei似si東dong西xi。然ran而er，更geng好hao和he更geng新xin的de無wu源yuan拓tuo撲pu肯ken定ding能neng並bing且qie確que實shi出chu現xian了le，智zhi能neng變bian壓ya器qi就jiu是shi其qi中zhong之zhi一yi。

 

圖6：Legend Power的智能變壓器產品實際上是一種新穎的電源轉換器
，它是一種高效的自耦變壓器和控製器。

 

作為固態變壓器邏輯上的延伸
，智能變壓器加入了電路並增加了功能。經過長期醞釀
，以及Legend Power等公司的努力，這項技術今年或已成熟——Legend Power的產品實際上是一種新穎的電源轉換器，它是一種高效自耦變壓器和控製器（圖6）。與傳統變壓器相比，智能變壓器可以實時監測和調整整個係統的輸入電壓。

 

 

2018年幾乎肯定可以看到足夠多的突破，從下一代電源拓撲到爆冷門技術（如紐約市立學院的鋅酸電池工作）都蓄勢待發。共同點是工程界如何與這些發展攜手共進並將其融入到自己的設計中。祝2018年好運！

 

本文轉載自EDN電子技術設計。