|
碳減排帶來(lái)的能效挑戰 近年來(lái)，極端天氣和地質(zhì)災害頻發(fā)，究其根本原因是全球氣候變暖。在此嚴峻的狀況下，迫使我們要減少碳排放，加快向可持續發(fā)展轉型。而能效提升是當下實(shí)現碳減排的最重要、最經(jīng)濟和最直接的路徑。據國際能源署分析，預計到2050年之前，能效提升對于碳減排的貢獻占到了約37%。 那么如何實(shí)現能效提升，又該從何處入手？本文將會(huì )給出答案。 工業(yè)設備能效升級助力工業(yè)碳排放減少 從2022全球碳排放數據來(lái)分析，電力和工業(yè)的碳排放占比高達68.2%；來(lái)自中國碳核算數據庫（CEADs）的數據顯示，我國去年電力和工業(yè)的碳排放占總排放量的84.5%。電力和工業(yè)占碳排放的大頭，而電力生產(chǎn)環(huán)節也可以看作是工業(yè)應用的一大分類(lèi)，因此要實(shí)現節能減排，首先要從工業(yè)類(lèi)應用入手。 尤其是傳統工業(yè)中大批的存量工業(yè)設備，例如電機、變頻器、熱交換機和鍋爐等，由于設備生命周期很長(cháng)，設備內部技術(shù)老舊，能效有著(zhù)很大的提升空間。通過(guò)對于工業(yè)設備的升級，實(shí)現設備的效率提升，進(jìn)而就能夠提高整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節的能效。 
圖1：1970～2022全球碳排放數據（圖源：Nature.com） 我國針對工業(yè)領(lǐng)域的能效提升，出臺了密集的政策支持和規劃建議，包括：十四五《工業(yè)綠色發(fā)展規劃》、《工業(yè)能效提升行動(dòng)計劃》、《工業(yè)領(lǐng)域碳高峰實(shí)施計劃》和《國家工業(yè)節能技術(shù)應用指南與案例（2022年版）》等。
圖2：工業(yè)能效提升行動(dòng)計劃（圖源：CCTV） 其中在去年6月工信部和國家發(fā)改委等六部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《工業(yè)能效提升行動(dòng)計劃》中指出，要鼓勵企業(yè)圍繞電機、變壓器、鍋爐等通用用能設備，持續開(kāi)展能效提升專(zhuān)項行動(dòng)，引導行業(yè)企業(yè)趕超能效“領(lǐng)跑者”，探索打造超級能效工廠(chǎng)。在此行動(dòng)計劃中，確立了高效用能設備的滲透目標：2025年新增高效節能電機占比達到70%以上；新增高效節能變壓器占比達到80%以上；探索創(chuàng )建10家超級能效工廠(chǎng)。 而在《國家工業(yè)節能技術(shù)應用指南與案例（2022年版）》中，針對我國的十大工業(yè)應用領(lǐng)域，羅列出了幾十個(gè)具體的工業(yè)設備能效提升案例，供企業(yè)學(xué)習效仿。 不謀而合，在去年11月，ABB和國際能源署等聯(lián)合發(fā)起的“節能增效行動(dòng)”，也分享了《工業(yè)節能增效手冊》，列舉出了10項企業(yè)降本減排的重要舉措。其中第四條“安裝高效電機”、第五條“使用變頻器”、第七條“使用高效的熱交換器”和第八條“用熱泵代替鍋爐”，皆與工業(yè)設備的升級換代相關(guān)。
圖3：工業(yè)領(lǐng)域10大增效舉措（圖源：ABB） 高效傳動(dòng)系統 在工業(yè)領(lǐng)域，傳動(dòng)系統將電能轉化為動(dòng)能，被廣泛運用于各類(lèi)應用。工業(yè)電力傳動(dòng)系統的主要組成包括電機、變頻器和泵、風(fēng)機或壓縮機等。 國際電工委員會(huì )為電機制定了一系列國際能效（IE）標準，范圍從IE1（標準能效）到IE5（超高能效）不等。據估計，將目前運行的3億多個(gè)工業(yè)電機驅動(dòng)系統升級為優(yōu)化的高效設備后，全球用電量可以減少10%。 變頻器可用于控制電機轉速和轉矩，對管理電機驅動(dòng)系統所消耗的能量具有關(guān)鍵作用。通過(guò)變頻器的精準控制，電機的能耗可以與所需工作量實(shí)現更密切匹配。據調研數據顯示，安裝變頻器可以將電機驅動(dòng)系統的節能效率提高30%。 高效熱交換機 熱傳遞對工業(yè)過(guò)程的節能增效至關(guān)重要，全球范圍內幾乎所有行業(yè)都使用熱交換器進(jìn)行供暖和制冷。全球高達2.5%的二氧化碳排放來(lái)自沒(méi)有維護的熱交換器，20％～50％的工業(yè)能源輸入被以廢熱的形式損失；因此提高熱交換器的性能并增加廢熱的回收利用環(huán)節，將會(huì )提高工業(yè)熱傳遞過(guò)程中的能效。例如，采用新式緊湊型板式熱交換器替換傳統管殼式換熱器，能源效率可提高25%。 熱泵 作為燃料鍋爐的替代，熱泵被視為全球脫碳的關(guān)鍵。在工業(yè)領(lǐng)域中，該項技術(shù)不僅可以應用于空間供暖，還可以用于高達180攝氏度的工藝加熱。相比燃煤鍋爐，熱泵可降低60%-80%的碳排放；即使將熱泵使用的電力上游碳排放考慮在內，也比鍋爐的二氧化碳排放量更低。 而除了上述提到的幾個(gè)典型工業(yè)設備外，在廠(chǎng)房、倉儲和其他工業(yè)設施中，還有大量的可以進(jìn)行能效優(yōu)化的設備。包括電力、照明和通風(fēng)等系統的升級，也都能夠有效降低能源的使用。 芯片技術(shù)推動(dòng)工業(yè)設備能效升級 工業(yè)設備的能效提升，離不開(kāi)其內部芯片技術(shù)的創(chuàng )新。尤其是在功率控制電路上的能效提升，才是推動(dòng)整個(gè)工業(yè)應用邁向低碳化的基礎。 采用寬禁帶器件替代傳統硅器件 對于功率電路的方案設計而言，最直接的能效提升方式，是采用寬禁帶器件（GaN和SiC）取代傳統的硅器件。其中SiC器件的耐壓能力更強，而GaN器件的開(kāi)關(guān)頻率更高。采用寬禁帶器件不僅可以顯著(zhù)減少損耗，而且對于系統功率密度、耐壓等級、開(kāi)關(guān)速度、耐高溫性等也都大有裨益。
圖4：寬禁帶器件的優(yōu)勢（圖源：ROHM Semiconductor） 在低壓場(chǎng)景中，以低功率DC/DC轉換器為例，超過(guò)90%的轉換效率是很常見(jiàn)的；然而在工業(yè)場(chǎng)景中，高電壓、大電流的AC/DC轉換器的效率還存在改善空間。而利用SiC功率模塊替代傳統IGBT模塊，開(kāi)關(guān)損耗就可以降低85%。
圖5：SiC模塊提高能效（圖源：ROHM Semiconductor） 在此為大家推薦來(lái)自ROHM Semiconductor的SiC功率模塊系列產(chǎn)品。據悉，該系列產(chǎn)品通過(guò)ROHM獨有的模塊內部結構及散熱設計優(yōu)化，實(shí)現了高達600A額定電流，全系列額定電壓達到了1,200V。因此，該系列產(chǎn)品非常適用于工業(yè)設備、大容量電源等大功率應用。 與普通的同等額定電流的IGBT模塊相比，該系列產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)損耗降低了64%（芯片溫度150℃時(shí)），這有助于應用的進(jìn)一步節能。此外，高頻驅動(dòng)的特性使其系統電路的外圍元器件進(jìn)一步減少，并且有助于冷卻系統的小型化。根據冷卻機構中的損耗仿真計算，與同等額定電流的IGBT模塊相比，使用SiC模塊可使水冷散熱器的體積減少88%。 關(guān)于此SiC模塊系列，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網(wǎng)的料號為“BSM180D12P2E002”，該模塊在一個(gè)封裝中集成了SiC SBD和SiC MOSFET。 隔離和能效兼得的DC/DC轉換器 在工業(yè)設備中，輸出側的電壓較高會(huì )危及人身安全，出于安全的目的，設備的輸入側和輸出側之間通常需要電氣隔離。因此對于變壓器這種常見(jiàn)設備而言，不能采用單一的穩壓器電路，而必須要選擇隔離式DC/DC轉換器。 但隔離式DC/DC轉換器的能效通常不及非隔離式DC/DC轉換器的高，這是因為：首先變壓環(huán)節會(huì )造成能效損失；第二，隔離柵導致其無(wú)法實(shí)現緊密控制，無(wú)法更好地調節瞬態(tài)性能；第三，隔離式DC/DC體積通常較大，相比非隔離式的離負載也就更遠，連接電路的損耗也就更高。 那么有沒(méi)有一種隔離式DC/DC，能夠實(shí)現接近乃至媲美非隔離式DC/DC的能效呢？Bel Power Solutions的RDT-6Y系列DC/DC轉換器就可以達到。該系列產(chǎn)品的輸出功率為6W，具有14VDC至160VDC寬輸入電壓范圍，I/O隔離測試電壓高達3kVAC，工作溫度范圍-40°C至+105°C，采用行業(yè)標準DIP-24封裝，效率高達83%。 在此系列產(chǎn)品中，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網(wǎng)的料號為“RDT-6Y12”。
圖6：RDT-6Y的效率表現（圖源：Bel Power Solutions） 更高轉換效率的DC/AC電源 要用的直流電是第一步。將電網(wǎng)供電轉換為工業(yè)設備使用的直流電，交流-直流電源是必不可少的。所以對于工業(yè)應用的能效提升，要將電網(wǎng)的交流電以最低損耗轉換為可供設備使用。在此為大家推薦一款同樣是來(lái)自Bel Power Solutions的電源成品——ABE1200工業(yè)交流-直流電源。 該系列產(chǎn)品的額定功率為1,200W，具有85VAC至305VAC寬輸入電壓范圍和24VDC或48VDC單輸出，其轉換效率達到了94%。 除了高能效外，ABE1200系列還支持通過(guò)電源管理總線(xiàn)通信協(xié)議進(jìn)行數字電源管理，多個(gè)電源可以并聯(lián)以實(shí)現冗余和更高功率，通過(guò)內部ORing啟用，還提供了電流共享功能。關(guān)于該系列產(chǎn)品，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網(wǎng)的料號為“ABE1200-1T48”。
圖7：ABE1200系列交流-直流電源（圖源：Bel Power Solutions） 結語(yǔ) 目前碳排放還未達到峰頂，而碳中和之路更是漫長(cháng)�？稍偕茉磳鹘y能源的完全替代尚需時(shí)日，但提高工業(yè)設備的能效，即刻就可以做起來(lái)，這將會(huì )對減少碳排放卓有成效。對于高能效的追求，將會(huì )一直貫穿在可持續發(fā)展過(guò)程之中，隨著(zhù)芯片技術(shù)發(fā)展而呈現出更高的價(jià)值。 |
