电力电子的效率,为什么不能更上一层?

发布日期:2015-03-16 23:50,查看次数:1047

电力电子的效率——任务完成了吗?

效率真正的含义是什么,为什么不能更上一层,精益求精?

1983 年 10 月,前所未有的风力发电机投入运转,世界上最大的风能转换器 Growian(德文缩写,意指大型风力发电厂)就此正式亮相。之后,这台  3MW   机器被认为是改变世界的里程碑。虽然这在当时是一种巧妙的设计,异步发电机产生的电力通过几个齿轮箱输送到电网,并从可变频率转为固定频率需要利用旋转机 械的机械转换器。堆叠  5 个机械系统导致转换效率低于 80%,而损耗则超出   600kW。如今,生成、输送、储存和利用电能是工业化国家面临的一个主要挑战。虽然规模从瓦特到兆瓦不等,但是任务本身的性质不变。

功率面临的难题

节约1W 的能源似乎微不足道,然而设备中这个数字累加起来却是不容忽视的。手机就是这类应用的个中代表。手机使用 USB 端口在 5V   的电压下充电,输出功率是 2.5 W。在高压 MOSFET 时代之前,要完成这项任务需要一台变压器、一台整流器和一台线性稳压器,系统效率仅约为 50%.  如今,紧凑的开关式电源即可完成相同任务,且转换效率可高达 85%。仅在德国使用的手机数量就有大约 1 亿台,每天充电一小时,半导体提供的改进能够每年节约高达  146,000MWh 的电能。

低于 1kW 的任务

自 1982 年 Commodore C64 问世以来,如今欧洲几乎每个家庭都有个人电脑。但是直到 2004 年才开始实施 80Plus 计划,提倡使用效率至少为 80%的电源。虽然这些计算机大部分在 100W 级别的电源下运转,大功率显卡和其余附件会将功率消耗增加至 1000W。

相较于 C64 基于变压器和线性稳压器的电源,现代的开关式电源结构更为复杂,但是效率更高、重量更轻、体积更小,因此每瓦特输出功率消耗的资源更少。在德国,有   6600 万台私人电脑,功率半导体每年就能帮助节省 10,000,000MWh 的电能。如果平均效率从 80% 提高到 90%,这个数字还会翻上一倍

兆瓦处理面临的挑战

德国的“Energiewende”是一个能源项目,目的是到 2020   年消除对核能的需求,转而投向使用可再生能源的集中式发电厂。鉴于任何可再生能源都具有波动性,因此需要进行储能。生产时间和消耗时间之间的平衡将是实现 所需可用性稳定供应的一个关键因素。

来自太阳能电池阵 (1) 或风能转换器 的能源通过电力电子处理后能与电网兼容。相比 1983 年的 Growian,现在的风能转换器效率提高了  20%左右。一个普通的现代 2MW 风能发电厂每年全功率运行 1000 小时,由于电力电子取代机械转换器实现的效率提升,增加的能量采集可达到  400,000kWh。2013 年德国可再生能源产生的发电量约为 1350 亿 kWh。如果没有电力电子,损失电量将高达 270 亿 kWh。


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