【導(dǎo)讀】從顛覆基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)計的新材料（如寬帶隙電子器件），到新封裝、無源設(shè)計、供電拓撲、替代電源技術(shù)以及先進能源存儲，電力行業(yè)正經(jīng)歷一場根本性變革，而影響社會的方方面面。過去的一年是技術(shù)和市場發(fā)生顛覆的一年，延續(xù)了近十年前開始的趨勢。在幾乎不可抗拒的融合力量的推動下，我們的工具、車輛、服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施在集成越來越多的功能、通信（有線和無線）以及智能。
電力和能源管理領(lǐng)域一直是這場勢不可擋變革風暴的高調(diào)伙伴。從顛覆基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)計的新材料（如寬帶隙電子器件），到新封裝、無源設(shè)計、供電拓撲、替代電源技術(shù)以及先進能源存儲，電力行業(yè)正經(jīng)歷一場根本性變革，而影響社會的方方面面。
發(fā)電
替代能源領(lǐng)域的持續(xù)成長，造成電網(wǎng)整合問題和市場擾動。隨著替代能源技術(shù)的成熟和完善，太陽能和風能正在大量“侵入”電網(wǎng)。可再生能源也為電力工程界帶來了挑戰(zhàn)，因為必須密切管理和平衡太陽能和風能的儲能和發(fā)電，其才能正常運行和可靠工作。
在傳統(tǒng)太陽能電池板領(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(zhuǎn)換效率在20%左右，在單晶硅電池達到理論上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)換效率的太陽光采集方法，雖然目前它們在主流應(yīng)用中使用成本太高。
研究人員致力于解決成本和制造問題，其中一種方法——熱光伏（TPV）正在向商業(yè)現(xiàn)實發(fā)展。通過將吸收體發(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：杜克大學的無金屬超材料電介質(zhì)有一個遍布被調(diào)諧成可吸收太赫茲波的小圓柱體的凸凹表面。
為推動太陽能電池技術(shù)的發(fā)展，杜克大學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能技術(shù)注入新活力。
無金屬的超材料電介質(zhì)有一個遍布被調(diào)諧成可吸收太赫茲波的小圓柱體的凹凸表面（圖1）。杜克大學的團隊使用摻硼硅在基片上制造出大小不一的小圓柱體，每個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。研究人員通過適當調(diào)整小圓柱，證實了這種材料可吸收1.011THz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(shù)可以針對其它頻率進行量身定制。若正確匹配合適的光伏技術(shù)，該開發(fā)可能改變太陽能應(yīng)用的游戲規(guī)則。
配電
當然，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)展中國家人民生活的整體努力，我們可以說2017年是微電網(wǎng)年。
圖2：特斯拉兌現(xiàn)了Elon Musk在不到一百天的時間內(nèi)建成Hornsdale儲能電池農(nóng)場的承諾。
這或許可說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儲能系統(tǒng)的承諾。這是個巨大的電池農(nóng)場，用于儲存附近離澳大利亞Jamestown不遠的Hornsdale風電場的電能。面對傳統(tǒng)行業(yè)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天的時間里建造這一100MW的儲能設(shè)施，否則就將其免費送給澳大利亞。通過制定Musk的目標日期，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月份宣布的兩個微電網(wǎng)項目進一步表明，微電網(wǎng)是公用和市政領(lǐng)域可行的向上升遷的途徑。一個項目是在南非的羅本島建立一個ABB提供的基于太陽能的鋰離子儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)，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(wǎng)的合同，為位于北太平洋威克島的美國空軍基地服務(wù)。
儲能
從熱巖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(shù)由于是個人電子和電動車（EV）經(jīng)過商業(yè)驗證的主要儲能方法，仍然是當今的焦點。業(yè)界有各種改進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，描述了利用新型材料和制造工藝來制造三維電極。
高調(diào)的公開挑戰(zhàn)者、電動汽車開發(fā)商Fisker申請了一個由團隊發(fā)明的柔性固態(tài)電池技術(shù)專利，該團隊包括固態(tài)電池的早期開拓者Sakti3的聯(lián)合創(chuàng)始人。該專利申請描述了利用新型材料和制造工藝來制造三維電極，據(jù)報道，其獲得的表面積比目前使用的扁平元件所可能實現(xiàn)的高一個數(shù)量級（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。
印度報道了一個更加切實的突破，印度科學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題的陽極材料。多層陽極具有優(yōu)化的孔隙以允許鋰離子流過層狀納米片，使放電變得容易。研究人員說，這種電池在測試中經(jīng)過了1000次循環(huán)充放電后，容量仍然是傳統(tǒng)石墨陽極的兩倍。
初創(chuàng)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(shè)計，而以1200Wh/L的尺寸實現(xiàn)400至500Wh/kg的聲稱容量。該公司計劃在2020年發(fā)布其電動汽車用阿波羅電池。
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15,000次循環(huán)充放電。
在這些新技術(shù)中，最有形的實例是，東芝已經(jīng)使用SCiB技術(shù)來構(gòu)建電池，它比傳統(tǒng)產(chǎn)品更安全、更可靠、壽命更長（圖4）。根據(jù)東芝的說法，使用基于鋰鈦氧化物陽極，SCiB可以防止與磨損相關(guān)的短路所導(dǎo)致的熱失控，并且可以運行超過15,000次循環(huán)充放電。該技術(shù)處理大電流的能力不僅對儲能量有用，而且還可以使電池從電氣測試系統(tǒng)或制動列車和汽車等來源收集再生能量。
最近的有關(guān)陽極的消息是俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學、克拉斯諾亞爾斯克研究中心和國立科學技術(shù)大學的研究人員在使用石墨烯和二硫化釩作為陽極。研究人員表示，這種方法增加了單位容量，因為鋰離子不僅像在常規(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，單位容量有望達到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，并且對環(huán)境友好得多。
在改變電池行業(yè)的努力中，斯坦福大學的研究人員宣布，他們創(chuàng)造了一種可以媲美鋰離子電池的鈉離子設(shè)計，但相同容量的鈉電池的成本預(yù)計還不到鋰電池成本的四分之一。該方法將鈉與常見的工業(yè)有機材料肌醇結(jié)合以制造與磷陽極配對的陰極。進一步，該團隊將解決能源密度問題，優(yōu)化磷陽極。
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(shù)（BEST）電池的設(shè)計，不是真正的電池，而是使用氧化石墨烯的超級電容器。
一段時間以來，超級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微光子中心的研究人員發(fā)布了他們針對閃電儲能技術(shù)（Bolt Electricity Storage Technology，BEST）電池的設(shè)計。它不是真正的電池，而是使用氧化石墨烯的超級電容器，預(yù)計該器件比傳統(tǒng)方案便宜，這為超級電容器在各種應(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。
智能變壓器
新的無源技術(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源技術(shù)是憶阻器，這是款全新器件，我們不會很快看到類似東西。然而，更好和更新的無源拓撲肯定能并且確實出現(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)過長期醞釀，以及Legend Power等公司的努力，這項技術(shù)今年或已成熟——Legend Power的產(chǎn)品實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，智能變壓器可以實時監(jiān)測和調(diào)整整個系統(tǒng)的輸入電壓。
展望
2018年幾乎肯定可以看到足夠多的突破，從下一代電源拓撲到爆冷門技術(shù)（如紐約市立學院的鋅酸電池工作）都蓄勢待發(fā)。共同點是工程界如何與這些發(fā)展攜手共進并將其融入到自己的設(shè)計中。祝2018年好運！
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計。
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