【導讀】近年來,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(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。而能效提升是當下實現(xiàn)碳減排的最重要、最經(jīng)濟和最直接的路徑。據(jù)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%。
碳減排帶來的能效挑戰(zhàn)
近年來,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(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。而能效提升是當下實現(xiàn)碳減排的最重要、最經(jīng)濟和最直接的路徑。據(jù)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%。
那么如何實現(xiàn)能效提升,又該從何處入手?本文將會給出答案。
工業(yè)設(shè)備能效升級
助力工業(yè)碳排放減少
從2022全球碳排放數(shù)據(jù)來分析,電力和工業(yè)的碳排放占比高達68.2%;來自中國碳核算數(shù)據(jù)庫(CEADs)的數(shù)據(jù)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(jié)也可以看作是工業(yè)應用的一大分類,因此要實現(xiàn)節(jié)能減排,首先要從工業(yè)類應用入手。
尤其是傳統(tǒng)工業(yè)中大批的存量工業(yè)設(shè)備,例如電機、變頻器、熱交換機和鍋爐等,由于設(shè)備生命周期很長,設(shè)備內(nèi)部技術(shù)老舊,能效有著很大的提升空間。通過對于工業(yè)設(shè)備的升級,實現(xiàn)設(shè)備的效率提升,進而就能夠提高整個工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能效。
圖1:1970~2022全球碳排放數(shù)據(jù)
(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(guī)劃建議,包括:十四五《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》、《工業(yè)能效提升行動計劃》、《工業(yè)領(lǐng)域碳高峰實施計劃》和《國家工業(yè)節(jié)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)改委等六部門聯(lián)合印發(fā)的《工業(yè)能效提升行動計劃》中指出,要鼓勵企業(yè)圍繞電機、變壓器、鍋爐等通用用能設(shè)備,持續(xù)開展能效提升專項行動,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。在此行動計劃中,確立了高效用能設(shè)備的滲透目標:2025年新增高效節(jié)能電機占比達到70%以上;新增高效節(jié)能變壓器占比達到80%以上;探索創(chuàng)建10家超級能效工廠。
而在《國家工業(yè)節(jié)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,羅列出了幾十個具體的工業(yè)設(shè)備能效提升案例,供企業(yè)學習效仿。
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(jié)能增效行動”,也分享了《工業(yè)節(jié)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(shè)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)
高效傳動系統(tǒng)
在工業(yè)領(lǐng)域,傳動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為動能,被廣泛運用于各類應用。工業(yè)電力傳動系統(tǒng)的主要組成包括電機、變頻器和泵、風機或壓縮機等。
國際電工委員會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(jù)估計,將目前運行的3億多個工業(yè)電機驅(qū)動系統(tǒng)升級為優(yōu)化的高效設(shè)備后,全球用電量可以減少10%。
變頻器可用于控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,對管理電機驅(qū)動系統(tǒng)所消耗的能量具有關(guān)鍵作用。通過變頻器的精準控制,電機的能耗可以與所需工作量實現(xiàn)更密切匹配。據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,安裝變頻器可以將電機驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能效率提高30%。
高效熱交換機
熱傳遞對工業(yè)過程的節(jié)能增效至關(guān)重要,全球范圍內(nèi)幾乎所有行業(yè)都使用熱交換器進行供暖和制冷。全球高達2.5%的二氧化碳排放來自沒有維護的熱交換器,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(jié),將會提高工業(yè)熱傳遞過程中的能效。例如,采用新式緊湊型板式熱交換器替換傳統(tǒng)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(nèi),也比鍋爐的二氧化碳排放量更低。
而除了上述提到的幾個典型工業(yè)設(shè)備外,在廠房、倉儲和其他工業(yè)設(shè)施中,還有大量的可以進行能效優(yōu)化的設(shè)備。包括電力、照明和通風等系統(tǒng)的升級,也都能夠有效降低能源的使用。
芯片技術(shù)
推動工業(yè)設(shè)備能效升級
工業(yè)設(shè)備的能效提升,離不開其內(nèi)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,才是推動整個工業(yè)應用邁向低碳化的基礎(chǔ)。
采用寬禁帶器件替代傳統(tǒng)硅器件
對于功率電路的方案設(shè)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(tǒng)的硅器件。其中SiC器件的耐壓能力更強,而GaN器件的開關(guān)頻率更高。采用寬禁帶器件不僅可以顯著減少損耗,而且對于系統(tǒng)功率密度、耐壓等級、開關(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)
在低壓場景中,以低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器為例,超過90%的轉(zhuǎn)換效率是很常見的;然而在工業(yè)場景中,高電壓、大電流的AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率還存在改善空間。而利用SiC功率模塊替代傳統(tǒng)IGBT模塊,開關(guān)損耗就可以降低85%。
圖5:SiC模塊提高能效
(圖源:ROHM Semiconductor)
在此為大家推薦來自ROHM Semiconductor的SiC功率模塊系列產(chǎn)品。據(jù)悉,該系列產(chǎn)品通過ROHM獨有的模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計優(yōu)化,實現(xiàn)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(shè)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)品的開關(guān)損耗降低了64%(芯片溫度150℃時),這有助于應用的進一步節(jié)能。此外,高頻驅(qū)動的特性使其系統(tǒng)電路的外圍元器件進一步減少,并且有助于冷卻系統(tǒng)的小型化。根據(jù)冷卻機構(gòu)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(mào)澤電子官網(wǎng)的料號為“BSM180D12P2E002”,該模塊在一個封裝中集成了SiC SBD和SiC MOSFET。
隔離和能效兼得的DC/DC轉(zhuǎn)換器
在工業(yè)設(shè)備中,輸出側(cè)的電壓較高會危及人身安全,出于安全的目的,設(shè)備的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間通常需要電氣隔離。因此對于變壓器這種常見設(shè)備而言,不能采用單一的穩(wěn)壓器電路,而必須要選擇隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。
但隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的能效通常不及非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的高,這是因為:首先變壓環(huán)節(jié)會造成能效損失;第二,隔離柵導致其無法實現(xiàn)緊密控制,無法更好地調(diào)節(jié)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。
那么有沒有一種隔離式DC/DC,能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)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(mào)澤電子官網(wǎng)的料號為“RDT-6Y12”。
圖6:RDT-6Y的效率表現(xiàn)
(圖源:Bel Power Solutions)
更高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為工業(yè)設(shè)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(zhuǎn)換為可供設(shè)備使用。在此為大家推薦一款同樣是來自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(zhuǎn)換效率達到了94%。
除了高能效外,ABE1200系列還支持通過電源管理總線通信協(xié)議進行數(shù)字電源管理,多個電源可以并聯(lián)以實現(xiàn)冗余和更高功率,通過內(nèi)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(mào)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(jié)語
目前碳排放還未達到峰頂,而碳中和之路更是漫長??稍偕茉磳鹘y(tǒng)能源的完全替代尚需時日,但提高工業(yè)設(shè)備的能效,即刻就可以做起來,這將會對減少碳排放卓有成效。對于高能效的追求,將會一直貫穿在可持續(xù)發(fā)展過程之中,隨著芯片技術(shù)發(fā)展而呈現(xiàn)出更高的價值。
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