使用 GaN 的可再生能源存储使乌托邦触手可及

虽然世界各国领导人在推动大规模气候议程和政策以更好地保护环境方面处于中心地位，但关于可再生能源存储行业及其塑造我们未来甚至拯救地球的作用，还有一个不为人知的故事正在上演。 

是的，这是一个大胆的假设，但考虑到近年来可再生能源存储的稳步增长及其在减少全球碳足迹和我们对化石燃料的依赖方面的崇高目标，这并非不切实际。让世界变得更美好的潜力是非常真实的——扭转从近乎反乌托邦到郁郁葱葱的乌托邦门口的道路。

与石油和煤炭等依赖于将有害气体和材料燃烧到大气中的传统能源不同，可再生能源是来自可以不断补充的自然来源的能源，例如太阳能、风能和水力发电。尽管随着可再生能源存储用例的采用在全球住宅、商业和工业领域蓬勃发展，取得了稳步进展和势头，但我们不能简单地逆向工程数百年来导致世界环境恶化的疏忽反乌托邦的边缘。 

当然，会有阻力，因为这种幅度的变化经常会出现。将资金从传统的电力公司转移到一连串的清洁技术和可再生能源新贵身上并非易事。即使对于像我们这样的消费者来说，他们必须摆脱多年的肌肉记忆和习惯，也必须参与到为更大的利益而有所作为。从消费者、政治家、说客、老卫电力公司、清洁空气技术公司，仅举几例，每个人都参与其中。话虽如此，可再生能源存储是未来，它会继续存在。

图 1：RES 拓扑

图 2：双向往返效率比较

但在我们深入研究解决方案之前，让我们先谈谈问题的范围和对电力的依赖。尽管近年来努力限制我们的使用，但全球电力需求在过去十年中增长了 33%。化石燃料用于满足 70% 的增长，我们都需要共同努力扭转这一趋势。到 2050 年，全球电力需求预计将增长 57%。因此，虽然可再生能源发电和存储的广泛采用继续取得进展，但增长速度不足以满足这一需求。随着世界对电力的需求持续增长，世界各国领导人正在联合起来破坏生产、分配和使用，使其成为我们环境中危险 CO 2的同一个来源。 

幸运的是，近年来可再生能源的创造激增。2018 年，可再生能源占能源蛋糕的 27%，到 2050 年预计将占世界电力的 64%，其中 3/4 来自间歇性风能和太阳能资源。随着这种增长，我们看到电池创新和功率半导体在存储能量并使其一天 24 小时可用方面取得了重大进展。

例如，从今天到 2050 年，全球增加的电池容量预计将增加 7 倍。增长可归因于电池组价格在未来几年内大幅下降 65% 至每千瓦时 70 美元。此外，我们还预计到 2050 年，全球电能表电池的份额将增长 5 倍。所有趋势都指向正确的方向，并朝着更美好的明天迈进了令人鼓舞的迹象。 

储能在所有领域都有意义：公用事业、商业和工业以及住宅。出于本文的目的，让我们关注住宅储能 (RES)。

到目前为止，住宅储能的采用非常有前景，市场增长在短短四年内达到265.9亿。虽然世界各地的许多国家都在加倍致力于环境，并在可再生能源方面采取了重大举措，但有些国家甚至更加看好可再生能源的采用。德国是这种领导力的一个典型例子。该国在 2019 年安装了 65,000 个新的电池存储解决方案，比上一年增长了 44%。过去两年累计储能装置翻了一番。参与这项工作的领先公司包括sonnen、比亚迪、e3/DC、Senec、LG化学和特斯拉。 

尽管这是一个非常令人鼓舞的迹象，但 RES 行业仍需要获得更高的能源效率和性能以改进经济模型。 

这将我们带到柏林科技经济大学，在那里他们开发了一个系统，根据特定的性能指标对差异系统进行评分。“理想”目标为 100%，系统会根据特定的性能指数进行评分，在该指数中，他们查看具有不同电池容量的系统并将其与成本节约相关联。  

根据 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) 的分析，确定 60% 的系统损耗可归因于电源转换损耗，这为节能、节省成本和创收机会带来了巨大机遇。

这就是氮化镓 (GaN) 功率半导体的用武之地。 

通过在这些功率转换（DC/DC 转换器和逆变器）中使用 GaN 晶体管，效率提高的潜力巨大。而在没有 GaN 的情况下，多个电源转换步骤会产生功率损耗，而作为热量浪费的每一瓦特都会导致金钱损失，而且鉴于功率转换是双向的，损失会翻倍。 

图 3：存储性能

从效率的角度来看，GaN 的总体优势包括更高的效率，尤其是在轻负载操作中，以及双向功率转换的 2 倍损耗节省。从基础设施的角度来看，它对电网更友好，并提供高功率因数和更好的 THD。GaN 还因效率而降低系统成本——节省冷却、减小系统尺寸和电池尺寸。基于这些优势，GaN 可能是快速发展的可再生能源行业中的无名英雄。 

Sonnen 是智能住宅储能和虚拟发电厂的全球市场领导者，去年在美国的一次电力会议上的演讲中也验证了 GaN 的优势。该论文发现，GaN Systems 技术证实了 4% 的往返效率提高、更高的低功率和高功率效率、8% 的 BoM 成本节省和 30% 的系统小。其他显着的好处包括运输、运输、安装成本更低，并且由于系统重量更轻，因此能够使用更小的安装人员。

虽然可再生能源存储的未来在住宅市场取得了重大成就和突破，但有压倒性的证据表明 GaN 功率半导体将通过带来更高的能效、更高的性能、更低的成本和更小的体积，进一步提升其成功并加速市场采用电池电源的外形尺寸。鉴于其在主要细分市场的成功和深入牵引，柏林科技经济大学和 HTW（仅举几例）对其在性能、能源效率和经济性方面的优势的证明验证，以及其持续增长，GaN 代表了行业最佳以及使可再生能源行业发挥其巨大潜力并拯救地球的最现实希望。

审核编辑 黄昊宇