碳減排帶來(lái)的能效挑戰(zhàn)

近年來(lái)，極端天氣和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，究其根本原因是全球氣候變暖。在此嚴(yán)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(dāng)下實(shí)現(xiàn)碳減排的最重要、最經(jīng)濟(jì)和最直接的路徑。據(jù)國(guó)際能源署分析，預(yù)計(jì)到2050年之前，能效提升對(duì)于碳減排的貢獻(xiàn)占到了約37%。

那么如何實(shí)現(xiàn)能效提升，又該從何處入手？本文將會(huì)給出答案。

工業(yè)設(shè)備能效升級(jí)

助力工業(yè)碳排放減少

從2022全球碳排放數(shù)據(jù)來(lái)分析，電力和工業(yè)的碳排放占比高達(dá)68.2%；來(lái)自中國(guó)碳核算數(shù)據(jù)庫(kù)（CEADs）的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)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(yīng)用的一大分類，因此要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，首先要從工業(yè)類應(yīng)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(jī)、變頻器、熱交換機(jī)和鍋爐等，由于設(shè)備生命周期很長(zhǎng)，設(shè)備內(nèi)部技術(shù)老舊，能效有著很大的提升空間。通過(guò)對(duì)于工業(yè)設(shè)備的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的效率提升，進(jìn)而就能夠提高整個(gè)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(guó)針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的能效提升，出臺(tái)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(dòng)計(jì)劃》、《工業(yè)領(lǐng)域碳高峰實(shí)施計(jì)劃》和《國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用指南與案例（2022年版）》等。

圖2：工業(yè)能效提升行動(dòng)計(jì)劃

（圖源：CCTV）

其中在去年6月工信部和國(guó)家發(fā)改委等六部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《工業(yè)能效提升行動(dòng)計(jì)劃》中指出，要鼓勵(lì)企業(yè)圍繞電機(jī)、變壓器、鍋爐等通用用能設(shè)備，持續(xù)開(kāi)展能效提升專項(xiàng)行動(dòng)，引導(dǎo)行業(yè)企業(yè)趕超能效“領(lǐng)跑者”，探索打造超級(jí)能效工廠。在此行動(dòng)計(jì)劃中，確立了高效用能設(shè)備的滲透目標(biāo)：2025年新增高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到70%以上；新增高效節(jié)能變壓器占比達(dá)到80%以上；探索創(chuàng)建10家超級(jí)能效工廠。

而在《國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用指南與案例（2022年版）》中，針對(duì)我國(guó)的十大工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，羅列出了幾十個(gè)具體的工業(yè)設(shè)備能效提升案例，供企業(yè)學(xué)習(xí)效仿。

不謀而合，在去年11月，ABB和國(guó)際能源署等聯(lián)合發(fā)起的“節(jié)能增效行動(dòng)”，也分享了《工業(yè)節(jié)能增效手冊(cè)》，列舉出了10項(xiàng)企業(yè)降本減排的重要舉措。其中第四條“安裝高效電機(jī)”、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(jí)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(dòng)系統(tǒng)

在工業(yè)領(lǐng)域，傳動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，被廣泛運(yùn)用于各類應(yīng)用。工業(yè)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成包括電機(jī)、變頻器和泵、風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)等。

國(guó)際電工委員會(huì)為電機(jī)制定了一系列國(guó)際能效（IE）標(biāo)準(zhǔn)，范圍從IE1（標(biāo)準(zhǔn)能效）到IE5（超高能效）不等。據(jù)估計(jì)，將目前運(yùn)行的3億多個(gè)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)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(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，對(duì)管理電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所消耗的能量具有關(guān)鍵作用。通過(guò)變頻器的精準(zhǔn)控制，電機(jī)的能耗可以與所需工作量實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能效率提高30%。

高效熱交換機(jī)

熱傳遞對(duì)工業(yè)過(guò)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(jìn)行供暖和制冷。全球高達(dá)2.5%的二氧化碳排放來(lái)自沒(méi)有維護(hù)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(huì)提高工業(yè)熱傳遞過(guò)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(xiàng)技術(shù)不僅可以應(yīng)用于空間供暖，還可以用于高達(dá)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(gè)典型工業(yè)設(shè)備外，在廠房、倉(cāng)儲(chǔ)和其他工業(yè)設(shè)施中，還有大量的可以進(jìn)行能效優(yōu)化的設(shè)備。包括電力、照明和通風(fēng)等系統(tǒng)的升級(jí)，也都能夠有效降低能源的使用。

芯片技術(shù)
推動(dòng)工業(yè)設(shè)備能效升級(jí)

工業(yè)設(shè)備的能效提升，離不開(kāi)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(dòng)整個(gè)工業(yè)應(yīng)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(duì)于功率電路的方案設(shè)計(jì)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(qiáng)，而GaN器件的開(kāi)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(duì)于系統(tǒng)功率密度、耐壓等級(jí)、開(kāi)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(shì)

（圖源：ROHM Semiconductor）

在低壓場(chǎng)景中，以低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器為例，超過(guò)90%的轉(zhuǎn)換效率是很常見(jiàn)的；然而在工業(yè)場(chǎng)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(kāi)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(lái)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(guò)ROHM獨(dú)有的模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)600A額定電流，全系列額定電壓達(dá)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(yīng)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(kāi)關(guān)損耗降低了64%（芯片溫度150℃時(shí)），這有助于應(yīng)用的進(jìn)一步節(jié)能。此外，高頻驅(qū)動(dòng)的特性使其系統(tǒng)電路的外圍元器件進(jìn)一步減少，并且有助于冷卻系統(tǒng)的小型化。根據(jù)冷卻機(jī)構(gòu)中的損耗仿真計(jì)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(hào)在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號(hào)為“BSM180D12P2E002”，該模塊在一個(gè)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(huì)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(duì)于變壓器這種常見(jiàn)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?yàn)椋菏紫茸儔涵h(huán)節(jié)會(huì)造成能效損失；第二，隔離柵導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)緊密控制，無(wú)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(fù)載也就更遠(yuǎn)，連接電路的損耗也就更高。

那么有沒(méi)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(dá)到。該系列產(chǎn)品的輸出功率為6W，具有14V_DC至160V_DC寬輸入電壓范圍，I/O隔離測(cè)試電壓高達(dá)3kV_AC，工作溫度范圍-40°C至+105°C，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIP-24封裝，效率高達(dá)83%。

在此系列產(chǎn)品中，我們推薦的具體型號(hào)在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號(hào)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(duì)于工業(yè)應(yīng)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(lái)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85V_AC至305V_AC寬輸入電壓范圍和24V_DC或48V_DC單輸出，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了94%。

除了高能效外，ABE1200系列還支持通過(guò)電源管理總線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)字電源管理，多個(gè)電源可以并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)冗余和更高功率，通過(guò)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(hào)在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號(hào)為“ABE1200-1T48”。

圖7：ABE1200系列交流-直流電源

（圖源：Bel Power Solutions）

結(jié)語(yǔ)

目前碳排放還未達(dá)到峰頂，而碳中和之路更是漫長(zhǎng)。可再生能源對(duì)傳統(tǒng)能源的完全替代尚需時(shí)日，但提高工業(yè)設(shè)備的能效，即刻就可以做起來(lái)，這將會(huì)對(duì)減少碳排放卓有成效。對(duì)于高能效的追求，將會(huì)一直貫穿在可持續(xù)發(fā)展過(guò)程之中，隨著芯片技術(shù)發(fā)展而呈現(xiàn)出更高的價(jià)值。

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