可再生能源效率的电源集成

如果我们不能指望可再生能源，它有什么好处？

整合可再生能源可以通过更高比例的绿色能源减少排放，提高资产利用率，并增加能源生产的弹性和可靠性。但社会将需要多种来源来提供一致、高质量、具有成本效益的电力。这些来源的例子包括已知的可再生能源，如风能、太阳能、光伏、燃料电池和电池，新兴技术，如工业规模的绿色氢燃料电池，以及电动汽车的创造性用途，如车辆到电网 (V2G)、太阳能充电、和道路上的充电车道。

许多能源技术供应商声称他们的解决方案是可再生能源的最终答案。但所有这些能源的无缝整合将使绿色能源变得实用、广泛。此外，随着越来越强调最大限度地利用资源以更少的投入生产更多的能源，效率是任何形式的能源生产的关键绩效衡量标准。这篇文章将回顾电力整合的三种途径，以实现高效的可再生能源：高压直流、交流到直流和直流到直流转换，然后是扩大输配电基础设施。

高压直流 (HVDC)

由于交流变压器增加了修改电压以最小化（但不是消除）传输损耗的能力，特斯拉的交流电源胜过爱迪生的直流方法。此功能使 AC 成为分布式电源的理想选择。然而，随着向可再生能源（直流电源）的转变，交流电的某些特性不再具有优势。此外，工程师们利用先进的半导体并开发了新的转换方法，使直流电成为整合可再生能源的合法选择。

虽然交流电可以降低分布式电源的电压，但它还需要电源同步以匹配电源的频率。此外，智能设备数量的激增需要越来越多的直流电，降低了交流电的整体效率，因为它必须在使用点转换为直流电。尽管 AC 到 DC 的转换相对高效，效率可能超过 90%，但更多的转换步骤意味着更多的总损耗。

随着越来越多的直流电源设备进入市场，增加电压可以在应用程序需要的状态下提供功率。除了改进控制、转换和传输损耗的优势外，HVDC 还整合了来自风能、太阳能和其他可再生能源的可再生能源，以提高远距离的能源效率。

随着更多电动汽车上线以满足当地高压充电的需求，城市规划者将有必要考虑电网电力负荷。此外，高压应用会承受更高的温度。因此，工程师开发了碳化硅 (SiC) MOSFET 和先进的 IGBT 等技术改进，以承受快速充电产生的热量，最大限度地减少热损失以提高效率。因此，HVDC 是 3 级直流快速充电的使能技术，对于使“加油”体验更接近驾驶员的平价至关重要。

双向 AC-DC 和 DC-DC 转换

交流转直流

虽然物联网使直流电源越来越受欢迎，但绝大部分分布式电源仍使用高压交流电 (HVAC)。将可再生直流电源与现有交流电网电源整合对于支持需求、增加弹性和减少排放至关重要。因此，为电网开辟可再生能源供给和汲取的途径（反之亦然）是电力整合的一个重要目标。

由于可再生能源和电子设备在直流电上运行，将交流电转换为直流电对于将可再生能源整合到物联网领域至关重要。此外，DC 也更高效，因此只要转换损耗不超过效率增益，AC 到 DC 转换的能量效率就会产生净正结果。这种电力集成技术可以在交流和直流之间转换电力，以平滑需求高峰并抑制可再生能源的间歇性输出。

车辆到电网 (V2G) 是另一种通过双向 AC-DC 转换实现的高度颠覆性的能效改进应用。利用 EV 的直流电池电力实现电网电力弹性和电荷共享是扩大能源输出的重要一步，因为转换步骤是能源效率的限制因素。

直流到直流转换

在电动汽车的多电压源之间集成电源时，DC 到 DC 至关重要。DC-DC 应用的一个示例是双电压（12V 和 48V）EV 电池架构。双向 DC-DC 转换器可以在电池之间传输电力，从而以更高的效率实现更小的容量。除了通过优化尺寸提高效率外，系统制造商还可以在降低成本的同时提高可靠性。

输配电基础设施

延迟基础设施的更新和改进会造成能源效率下降的一个重要隐患。遗留设备、位置、输电运行长度和配电路径都会影响收集的可再生能源与现有电网电力整合的效率。

随着上述更多电动汽车产生的峰值功率增加，简单地将更多能源需求推到现有基础设施上将导致过载和停电。创建和发展现有基础设施以最大限度地提高新的可再生能源和传输模式的效率可以产生深远的影响。

虽然急于扩大最高效率技术（我们今天所知道的技术）很诱人，但电网的关闭和重启会带来巨大的效率损失并降低弹性能力。相反，基础设施应该优化各种能源的传输和分配，以减少峰值需求，平滑可再生能源的间歇性，并吸收电动汽车充电增加的负载。

结论

发电、输电、配电、应用全生命周期损耗最高的环节限制了能效。HVDC、AC-DC 和 DC-DC 的双向转换以及基础设施的改进解决了前三个步骤中的效率问题，而设备和最终用途制造商则解决了第四个步骤。有效地整合各种电源可以提高效率。

但是，追求能源效率还有许多额外的好处，而不仅仅是通过改善电力整合带来的关键气候效益。例如，从约 25-30% 的高效碳能源转向优化的可再生能源集成框架，可以降低能源成本、提高弹性和改善当地空气质量。

审核编辑：汤梓红