电力和能源管理领域一直是这场势不可挡变革风暴的高调伙伴。从颠覆基础电源系统设计的新材料（如宽带隙电子器件），到新封装、无源设计、供电拓扑、替代电源技术以及先进能源存储，电力行业正经历一场根本性变革，而影响社会的方方面面。

 

 

替代能源领域的持续成长，造成电网整合问题和市场扰动。随着替代能源技术的成熟和完善，太阳能和风能正在大量“侵入”电网。可再生能源也为电力工程界带来了挑战，因为必须密切管理和平衡太阳能和风能的储能和发电，其才能正常运行和可靠工作。

 

在传统太阳能电池板领域，日本钟化公司创造了转换效率为26.63%的晶体硅太阳能电池。这款180cm2的演示品是一种异质结背接触晶体硅太阳能电池，它显示了未来的主流器件可扩展到多大程度。先进器件目前的太阳能转换效率在20%左右，在单晶硅电池达到理论上35%的最大转换效率之前还有一定提升空间。还有其它可提升转换效率的太阳光采集方法，虽然目前它们在主流应用中使用成本太高。

 

研究人员致力于解决成本和制造问题，其中一种方法——热光伏（TPV）正在向商业现实发展。通过将吸收体发射器（absorber-emitter）材料和光伏电池结合，TPV器件的工作温度可超过1000℃。发射器将吸收的热量释放为光子，然后由光伏电池拾取，产生电能。

 

图1：杜克大学的无金属超材料电介质有一个遍布被调谐成可吸收太赫兹波的小圆柱体的凸凹表面。

 

为推动太阳能电池技术的发展，杜克大学的研究人员展示了一种用于热能转换的电磁超材料，他们说这是第一种不含金属的材料。该材料的热稳定性和转换性能有望为作为替代能源的太阳能技术注入新活力。

 

无金属的超材料电介质有一个遍布被调谐成可吸收太赫兹波的小圆柱体的凹凸表面（图1）。杜克大学的团队使用掺硼硅在基片上制造出大小不一的小圆柱体，每个圆柱体都被以编程的方式调谐成可与太赫兹波相互作用。研究人员通过适当调整小圆柱，证实了这种材料可吸收1.011THz波97.5%的能量。演示品工作在可见光谱之外（当前的迭代版本在红外线以下），但该技术可以针对其它频率进行量身定制。若正确匹配合适的光伏技术，该开发可能改变太阳能应用的游戏规则。

 

 

当然，能源的产生或采集只是第一步——必须把电能输送到需要的地方。微电网（microgrid）已经存在了一段时间，但随着智能电网和替代能源技术的出现，加上最近大量的自然灾害和改善发展中国家人民生活的整体努力，我们可以说2017年是微电网年。

 

图2：特斯拉兑现了Elon Musk在不到一百天的时间内建成Hornsdale储能电池农场的承诺。

 

这或许可说是今年最大的微电网新闻：Elon Musk的特斯拉成功兑现了建造Hornsdale储能系统的承诺。这是个巨大的电池农场，用于储存附近离澳大利亚Jamestown不远的Hornsdale风电场的电能。面对传统行业的打压和替代能源的反对者，Musk去年9月掷地有声地说了句广为人知的话：他将在不到100天的时间里建造这一100MW的储能设施，否则就将其免费送给澳大利亚。通过制定Musk的目标日期，特斯拉不仅证明了其核心技术的商业可行性，而且证明了其交付能力。

 

在11月份宣布的两个微电网项目进一步表明，微电网是公用和市政领域可行的向上升迁的途径。一个项目是在南非的罗本岛建立一个ABB提供的基于太阳能的锂离子储能微电网系统，其功率超过650kW，存储容量超过800kWh。同时，Hannah Solar Government Services赢得了一项建造可再生能源微电网的合同，为位于北太平洋威克岛的美国空军基地服务。

 

 

从热岩和压缩空气到超级电容器和回流电池，有很多方法可存储能量。锂离子电池技术由于是个人电子和电动车（EV）经过商业验证的主要储能方法，仍然是当今的焦点。业界有各种改进或替换锂离子电池的伟大尝试，今年还发布了一些有趣的突破。

 

图3：Fisker在柔性固态电池方面的专利申请，描述了利用新型材料和制造工艺来制造三维电极。

 

高调的公开挑战者、电动汽车开发商Fisker申请了一个由团队发明的柔性固态电池技术专利，该团队包括固态电池的早期开拓者Sakti3的联合创始人。该专利申请描述了利用新型材料和制造工艺来制造三维电极，据报道，其获得的表面积比目前使用的扁平元件所可能实现的高一个数量级（图3），并且能够实现较高的电导率。该电池技术有望以更低的成本提供传统产品两倍以上的能量密度。

 

印度报道了一个更加切实的突破，印度科学教育与研究所的研究人员合成了一种直接解决速度和充电周期能力问题的阳极材料。多层阳极具有优化的孔隙以允许锂离子流过层状纳米片，使放电变得容易。研究人员说，这种电池在测试中经过了1000次循环充放电后，容量仍然是传统石墨阳极的两倍。

 

初创公司SolidEnergy Systems也在努力改进阳极。其电芯采用了超薄的金属锂片作为阳极，以及专有的电解液和新颖的电芯设计，而以1200Wh/L的尺寸实现400至500Wh/kg的声称容量。该公司计划在2020年发布其电动汽车用阿波罗电池。

 

图4：东芝公司的SCiB技术采用基于锂钛氧化物的阳极，可防止与磨损相关的短路所导致的热失控，并可工作超过15,000次循环充放电。

 

在这些新技术中，最有形的实例是，东芝已经使用SCiB技术来构建电池，它比传统产品更安全、更可靠、寿命更长（图4）。根据东芝的说法，使用基于锂钛氧化物阳极，SCiB可以防止与磨损相关的短路所导致的热失控，并且可以运行超过15,000次循环充放电。该技术处理大电流的能力不仅对储能量有用，而且还可以使电池从电气测试系统或制动列车和汽车等来源收集再生能量。

 

最近的有关阳极的消息是俄罗斯西伯利亚联邦大学、克拉斯诺亚尔斯克研究中心和国立科学技术大学的研究人员在使用石墨烯和二硫化钒作为阳极。研究人员表示，这种方法增加了单位容量，因为锂离子不仅像在常规电池中那样被束缚在表面，而且也被夹在石墨烯和二硫化钒的材料层之间。该研究小组估计，单位容量有望达到569mAh/g，几乎是石墨的两倍。该方法还具有高的充放电速率和耐用性。

 

 

一种有前途的新型钠基电池技术今年备受关注。尽管钠离子电池的能量密度不如锂离子电池高，但钠离子技术有望更安全、更稳定、成本更低，并且对环境友好得多。

 

在改变电池行业的努力中，斯坦福大学的研究人员宣布，他们创造了一种可以媲美锂离子电池的钠离子设计，但相同容量的钠电池的成本预计还不到锂电池成本的四分之一。该方法将钠与常见的工业有机材料肌醇结合以制造与磷阳极配对的阴极。进一步，该团队将解决能源密度问题，优化磷阳极。

 

图5：澳大利亚斯威本科技大学微光子中心针对闪电储能技术（BEST）电池的设计，不是真正的电池，而是使用氧化石墨烯的超级电容器。

 

一段时间以来，超级电容器一直被吹捧为电池的颠覆者，但成本一直是其被推迟采用的主要因素。为加快这一步伐，澳大利亚斯威本科技大学微光子中心的研究人员发布了他们针对闪电储能技术（Bolt Electricity Storage Technology，BEST）电池的设计。它不是真正的电池，而是使用氧化石墨烯的超级电容器，预计该器件比传统方案便宜，这为超级电容器在各种应用中取代电池打开了大门（图5）。最近，斯威本大学的研究人员获得了345万美元资金，作为澳大利亚政府委托的合作研究中心项目的一部分。

 

 

新的无源技术的开发并不是每天都发生。最近的一种真正的新型无源技术是忆阻器，这是款全新器件，我们不会很快看到类似东西。然而，更好和更新的无源拓扑肯定能并且确实出现了，智能变压器就是其中之一。

 

图6：Legend Power的智能变压器产品实际上是一种新颖的电源转换器，它是一种高效的自耦变压器和控制器。

 

作为固态变压器逻辑上的延伸，智能变压器加入了电路并增加了功能。经过长期酝酿，以及Legend Power等公司的努力，这项技术今年或已成熟——Legend Power的产品实际上是一种新颖的电源转换器，它是一种高效自耦变压器和控制器（图6）。与传统变压器相比，智能变压器可以实时监测和调整整个系统的输入电压。

 

 

2018年几乎肯定可以看到足够多的突破，从下一代电源拓扑到爆冷门技术（如纽约市立学院的锌酸电池工作）都蓄势待发。共同点是工程界如何与这些发展携手共进并将其融入到自己的设计中。祝2018年好运！

 

本文转载自EDN电子技术设计。