簡介：化石燃料之外的出路在哪裏？

 

ziguyilai
，womenzhouweihuanjingdenengliangjiuyizhicunzaiyudiqiushengtaixitongzhizhong
，renleichangqiyilaiyizhizaixunzhaogezhongfuyouxiangxianglidefangfalaijiayiliyong
，liruzaiyangguangxiashaikaozaoqidejianzhucailiao
，liyongfengdenengliangmosuiguwubingqudongchuanzhidengdeng。suizhegongyehuajinchengdejiashen

，tongguoshiyonghuashiranliaodengnengyuanmanzulerenmensuishisuidiqiebuduanzengchangdenengliangxuqiu。

 

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、以及可能導致供應問題和價格波動的政治因素等等。因此
，業界又把解決問題的出路指向我們周圍環境中的能量。

 

根據MarketWatch的數據

，2019年至2024年，全球環境能量收集市場將以11.1％的複合年增長率增長
，2024年將達到8.4億美元。

 

能量收集市場現狀

 

在(zai)最(zui)初(chu)的(de)環(huan)境(jing)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)達(da)到(dao)鼎(ding)盛(sheng)時(shi)期(qi)之(zhi)後(hou)，世(shi)界(jie)已(yi)經(jing)發(fa)生(sheng)了(le)一(yi)些(xie)巨(ju)大(da)變(bian)化(hua)，這(zhe)包(bao)括(kuo)電(dian)力(li)的(de)發(fa)現(xian)以(yi)及(ji)隨(sui)後(hou)發(fa)明(ming)了(le)加(jia)熱(re)器(qi)和(he)電(dian)機(ji)來(lai)處(chu)理(li)以(yi)前(qian)直(zhi)接(jie)由(you)太(tai)陽(yang)或(huo)風(feng)能(neng)完(wan)成(cheng)的(de)任(ren)務(wu)。還(hai)有(you)一(yi)些(xie)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)的(de)技(ji)術(shu)，可(ke)以(yi)將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)和(he)風(feng)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)
，包(bao)括(kuo)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)和(he)寬(kuan)帶(dai)隙(xi)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)商(shang)業(ye)化(hua)應(ying)用(yong)。各(ge)種(zhong)類(lei)型(xing)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)電(dian)池(chi)之(zhi)類(lei)的(de)價(jia)格(ge)經(jing)濟(ji)
、高質量儲能技術也至關重要，這有助於能量流更加平穩，並確保人們可以根據需要來使用能量。

 

伴隨著許多類型電氣設備能耗的普遍降低，這些因素的共同作用，使環境能量成為一些設備和應用的可行能源，其中包括並網發電機、獨立物業設施（off-grid properties）或直接為IoT傳感器和低壓照明等設備供電的轉換器等。

 

並(bing)網(wang)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)種(zhong)類(lei)很(hen)多(duo)，從(cong)大(da)型(xing)太(tai)陽(yang)能(neng)或(huo)風(feng)電(dian)發(fa)電(dian)站(zhan)等(deng)公(gong)用(yong)事(shi)業(ye)級(ji)設(she)施(shi)到(dao)個(ge)人(ren)擁(yong)有(you)的(de)微(wei)型(xing)發(fa)電(dian)機(ji)等(deng)
，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)共(gong)同(tong)構(gou)成(cheng)了(le)分(fen)布(bu)式(shi)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)，可(ke)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)常(chang)規(gui)裝(zhuang)機(ji)容(rong)量(liang)
，並(bing)幫(bang)助(zhu)維(wei)持(chi)穩(wen)定(ding)以(yi)前(qian)從(cong)大(da)型(xing)集(ji)中(zhong)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)或(huo)核(he)動(dong)力(li)發(fa)電(dian)設(she)施(shi)獲(huo)得(de)的(de)能(neng)源(yuan)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)從(cong)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)向(xiang)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)轉(zhuan)變(bian)。

 

專門為本地負載供電的孤島式微型發電機（Islanded microgenerators）有助於減少對電網係統的需求
，同時還可以減少業主的電費。這些應用不僅包括“非聯網”物業，還包括較小的負載，例如路邊電子標牌和在偏僻處安裝並無線連接的傳感器和執行器等物聯網設備。

 

利(li)用(yong)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)能(neng)量(liang)為(wei)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)非(fei)常(chang)方(fang)便(bian)，不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)節(jie)省(sheng)公(gong)用(yong)事(shi)業(ye)成(cheng)本(ben)，還(hai)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)安(an)裝(zhuang)電(dian)力(li)線(xian)或(huo)派(pai)遣(qian)維(wei)護(hu)團(tuan)隊(dui)定(ding)期(qi)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)的(de)成(cheng)本(ben)。此(ci)外(wai)
，設(she)備(bei)也(ye)不(bu)受(shou)電(dian)網(wang)停(ting)電(dian)影(ying)響(xiang)。它(ta)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)勢(shi)

，即(ji)能(neng)夠(gou)以(yi)更(geng)容(rong)易(yi)和(he)更(geng)具(ju)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)電(dian)力(li)優(you)勢(shi)普(pu)及(ji)到(dao)偏(pian)遠(yuan)的(de)農(nong)村(cun)地(di)區(qu)。

 

能量收集與轉換

 

能量收集係統的基本組件包括能量轉換設備（例如光伏板陣列或風力渦輪機），用於從周圍環境產生電能。接下來的過程包括電力轉換、存儲和管理。電池和電容器等能量存儲設備對於係統的成功至關重要
，是穩定電力質量和確保根據需要使用電能所必需的。

 

最終，連接的負載可以是小型設備（例如低能耗無線模塊），也可以是較大的負載（例如網絡化的係列智能傳感器或控製和監視設備），或用於LED照明網絡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：能量收集係統的主要功能模塊。

 

例如，在小型太陽能微型發電機中，DC-DC轉(zhuan)換(huan)器(qi)能(neng)夠(gou)從(cong)光(guang)伏(fu)陣(zhen)列(lie)中(zhong)獲(huo)取(qu)電(dian)能(neng)，並(bing)將(jiang)其(qi)輸(shu)出(chu)用(yong)於(yu)為(wei)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)。高(gao)能(neng)量(liang)效(xiao)率(lv)和(he)電(dian)力(li)質(zhi)量(liang)是(shi)關(guan)鍵(jian)的(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)，它(ta)可(ke)以(yi)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)地(di)減(jian)少(shao)寶(bao)貴(gui)能(neng)源(yuan)的(de)浪(lang)費(fei)，並(bing)以(yi)正(zheng)確(que)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)最(zui)小(xiao)的(de)波(bo)動(dong)為(wei)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)。

 

nengliangcunchudemudeshiyongyupinghengnenglianggonggeihexuqiu，yincixuyaohezhongchunengfangshizaihendachengdushangqujueyujutiyingyong。liru

，liliziniukoudianchizhileidekechongdiandianchitongchangyongyuxiaoxingzigongdianshebei，zhexieshebeikenengzaijiedianshuimianmoshixiahenchangshijian
，bingkedingqihuanxingyizhixingzhurubuhuochuanganqidushu，bingjiangshujufasongdaojuheshebei（aggregating device）或物聯網網關。DC/DC轉換器的輸出能夠以恒定電壓連續為電池充電
，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備供電。

 

能量收集係統的超級電容器

 

作為電池的替代產品
，超級電容器具有簡化的充電電路
、明顯更長的壽命周期
、更(geng)寬(kuan)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)以(yi)及(ji)高(gao)峰(feng)值(zhi)放(fang)電(dian)速(su)率(lv)等(deng)優(you)點(dian)，可(ke)用(yong)於(yu)在(zai)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)需(xu)要(yao)大(da)功(gong)率(lv)的(de)負(fu)載(zai)等(deng)應(ying)用(yong)。相(xiang)對(dui)於(yu)體(ti)積(ji)而(er)言(yan)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)電(dian)容(rong)值(zhi)可(ke)能(neng)比(bi)傳(chuan)統(tong)電(dian)容(rong)器(qi)高(gao)幾(ji)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)
，並(bing)且(qie)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)可(ke)與(yu)電(dian)池(chi)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)，能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)結(jie)合(he)兩(liang)種(zhong)設(she)備(bei)類(lei)型(xing)的(de)最(zui)佳(jia)特(te)性(xing)。

 

盡管超級電容器的使用方式與可充電電池類似，但這種器件並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zhen列lie的de開kai路lu電dian壓ya低di於yu超chao級ji電dian容rong器qi的de額e定ding電dian壓ya，則ze充chong電dian電dian路lu可ke能neng會hui相xiang對dui簡jian單dan
，僅jin需xu一yi個ge阻zu塞sai二er極ji管guan即ji可ke在zai沒mei有you光guang照zhao射she到dao麵mian板ban上shang時shi避bi免mian超chao級ji電dian容rong器qi向xiang電dian源yuan放fang電dian。超chao級ji電dian容rong器qi能neng夠gou以yi非fei常chang快kuai的de速su度du放fang電dian，因yin此ci可ke為wei負fu載zai提ti供gong高gao峰feng值zhi功gong率lv。超chao級ji電dian容rong器qi可ke以yi做zuo成cheng特te定ding尺chi寸cun以yi滿man足zu負fu載zai的de峰feng值zhi功gong率lv需xu求qiu
，由you於yu其qi等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu（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係列涵蓋了5.5V DC～12V DC的額定值，適用於備用電源和電機驅動等應用。2.7V HV係列包含從標稱電容為1法拉的12mm x 8mm直徑到200法拉的50mm x 35mm直徑徑向封裝。HV係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備供電。

 

電解電容器

 

對於能量收集之後需要立即使用的情況，並非總是需要能量存儲設備。這種情況下通常可以使用電解電容器。

 

KEMET的技術發展路線圖可確保鋁電解解決方案能夠滿足能量收集領域不斷變化的需求。 KEMET的High CV Screw Terminal和Snap-In係列工作溫度範圍為85°C和105°C。這些器件具有的多種特性使其非常適合於能量收集應用，例如高紋波電流能力和高出額定電壓達15％的浪湧電壓能力。對於85°C係列，額定電壓高達630V
，浪湧電壓為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：用於能量收集的ALS電容器偏置Screw Terminals可防止極性錯誤。

 

計算電容器壽命

 

在(zai)為(wei)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)應(ying)用(yong)選(xuan)擇(ze)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)時(shi)
，器(qi)件(jian)的(de)壽(shou)命(ming)是(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)。由(you)於(yu)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)安(an)裝(zhuang)在(zai)偏(pian)遠(yuan)之(zhi)處(chu)，並(bing)希(xi)望(wang)在(zai)零(ling)維(wei)護(hu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)長(chang)期(qi)運(yun)行(xing)，而(er)且(qie)偏(pian)遠(yuan)之(zhi)處(chu)安(an)裝(zhuang)的(de)設(she)備(bei)也(ye)可(ke)能(neng)會(hui)暴(bao)露(lu)在(zai)極(ji)端(duan)溫(wen)度(du)下(xia)，特(te)別(bie)是(shi)高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)，往(wang)往(wang)會(hui)縮(suo)短(duan)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)壽(shou)命(ming)。

 

在特定應用運行條件下，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期壽命。通過輸入應用的占空比
、環境溫度以及冷卻規定、工作電壓和紋波電流等基本信息
，如圖3所示，可以根據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。

 

結論

 

從低功率或在偏遠之處安裝的電子設備，到低電壓基礎設施
、微wei型xing發fa電dian機ji和he並bing網wang發fa電dian機ji等deng應ying用yong，收shou集ji周zhou圍wei環huan境jing的de能neng量liang是shi一yi種zhong可ke行xing的de解jie決jue方fang案an。能neng量liang收shou集ji係xi統tong中zhong所suo用yong組zu件jian的de許xu多duo特te性xing都dou得de到dao了le極ji大da改gai進jin
，能neng夠gou滿man足zu應ying用yong的de具ju體ti要yao求qiu，堅jian固gu而er高gao效xiao的de超chao級ji電dian容rong器qi可ke用yong於yu高gao速su能neng量liang提ti供gong
，而er長chang壽shou命ming的de電dian解jie電dian容rong器qi則ze可ke用yong於yu穩wen定ding直zhi流liu功gong率lv傳chuan輸shu。

 

 

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