探索先進的電力產生與傳輸

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EETimes Europe編輯暨EEWeb主編

涉及電力產生及傳輸的相關應用至關重要。持續探索可持續能源解決方案,以及控制二氧化碳排放量的需求,都促進了再生能源的使用。本文介紹開發太陽能作為電力來源並採用無線方式進行能量傳輸的實際應用...

時至今日,涉及電力產生及傳輸的各種相關應用都非常重要。持續地探索可持續能源解決方案,以及控制二氧化碳排放量的需求,都促進了再生能源的使用。

相較於傳統的化石燃料,利用太陽、風、波浪和生物燃料等再生能源產生能源,可以大幅減少對環境的影響以及污染排放。例如,在開發中國家和鄉村社區建設太陽能發電廠既高效又便宜,而且幾乎不污染環境。近年來太陽能板發展迅速,為用戶提供了越來越高效和可靠的解決方案。這些方案維護成本低,即使在太陽輻射低的條件下也能生產能源。與此同時,新推出的軟性面板能夠適應各種表面,因此安裝更加便捷。

太陽光電(PV)系統通常都採用特殊的單元來儲存所生產的電力,這些儲能單元由蓄電池組成,根據獲得能量的多少提供或多或少的電能。這些電池在白天積聚能量,然後在夜間用於照明或為不同的負載供電。它們還能夠偵測停電,並在停電時自動變成主能源。與發電機不同的是,蓄電池可以在不使用燃料的情況下供電,而且還能夠安靜地供電。

能量的傳輸與能量生產同樣重要,尤其是不使用笨重的電纜進行能量傳輸。如今,人們對於基於電磁感應原理的無線電力傳輸重燃起興趣,主要緣於兩種越來越普及的應用。第一種應用是為電池供電的行動消費裝置(通常是智慧型手機)充電,現在人們只需將裝置放在合適的電源上,就能透過電傳導對裝置進行充電。第二種應用是為電動車(EV)和插電式混合動力車(PHEV)的電池充電,充電裝置可以放置在車輛下方的地板上,甚至安裝至道路。這種解決方案不僅省去了電纜,還有利於提高安全性,因為它免除了用戶接觸大功率的潛在風險。

本文介紹開發太陽能作為電力來源並採用無線方式進行能量傳輸的實際應用。

軟性太陽能光電

總部位於英國Sunderland的儲能發電技術供應商Power Roll開發了一種創新的太陽能薄膜,能夠產生並儲存能量,而且輕巧靈活,可適應任何類型的表面,其生產電能的成本比傳統的太陽能板更低20倍。這項新技術採用的軟性薄膜中有數千個微溝槽,每個微槽深度僅幾微米,比人的頭髮還細。

這種解決方案的優勢是成本低(最終產品的成本為每瓦0.03美元)、輕量(0.3kg/m2)且功率密度高(500W/kg)。它還易於安裝,而且縮短了維護時間,由於採用可完全回收利用的材料且不含有稀土,因此可持續使用。另外,這種技術適用性高,例如可用於建築物的屋頂,為小型物聯網(IoT)感測器供電。

圖1所示,利用軟性薄膜技術以及多種電介質和儲存材料,可實現電容器的捲對捲(R2R)製造。這種用於儲存能量的電容器技術製造成本低、能量密度高、電壓和電容靈活,還有多種形狀和尺寸。相較於濕式電解電容器,這種電容器技術的使用壽命更長。

圖1概述了軟性太陽能薄膜製造製程的各個階段。

圖1:軟性太陽能光電薄膜的製造步驟。(圖片來源:Power Roll)

Power Roll執行長Neil Spann說:「相較於其他的軟性薄膜太陽能技術,我們的技術具有多種優勢,包括它易於生產,而且製造過程中的步驟較少。此外,軟性太陽能光電相當昂貴,而我們的技術優勢主要就在於更具成本效益。」

他補充說:「我們的產品效率也很好,但目標並不是製造世界上性能最高的太陽能板,而是追求的是一種折衷方案,以期達到優質的性能水準。我們的電池性能目前為11%,這與有機PV等其他軟性太陽能板差不多,不過我們計畫將其提高到20%。此外,我們還可以為產品進行客製化,以支援更廣泛的各種應用。」

透過將不同的活性材料應用於Power Roll微槽技術,可以提供具有不同放電時間的儲能解決方案。目前的太陽能技術如果不是部署成本太高,就是由於其剛性和重量並不適於某些應用。Power Roll提供的低成本、軟性且輕巧的太陽能薄膜,讓很多新應用都能使用可再生能源。

Power Roll並與新德里能源與資源研究所(TERI)合作,在印度喜馬拉雅山的Mukteshwar等偏遠鄉村安裝了創新的太陽能微型電網系統,發電並儲存能量。該系統包括輕巧的可攜式太陽能PV,用來生產能量,同時還可以儲存能量,以便在夜間使用。每個系統都針對其運作位置進行了最佳化。

其應用範圍包括為水泵供電以支援灌溉、為年輕人夜間學習提供照明,以及為電話供電,使其能接取至國內和國際的知識與支援網路。在該計劃中,Power Roll還嘗試使用鋼絲張力調整系統這種新方法來安裝太陽能薄膜,以便快速、便捷地將太陽能薄膜移到最需要的地方。該計畫將於2021年底完成,Power Roll將於2022年3月公佈運行結果。

無線電力傳輸

總部位於美國加州Danville的無線充電公司PowerSphyr致力於利用其智慧無線電源技術徹底改變電子裝置的供電。該公司提供了四種採用不同途徑的解決方案,以支援廣泛的應用:

  • 磁共振方法可實現大功率供電和較高的空間自由度。它具有出色的熱管理性能,不會影響到附近的金屬,並可同時支援多個裝置。
  • 基於無線電源聯盟(WPC) Qi標準的感應式充電是最簡單且成本最低的解決方案,但這種方法的空間自由度、供電功率和熱管理功能(金屬會變得非常熱)都非常有限。此外,該方案需要發射器和接收器精確對準。
  • 電容技術適合需要極高功率的工業應用。
  • 射頻(RF)能量採集是適合感測器和IoT應用的解決方案。它具有極好的空間自由度(最大40英呎),可用於採集現有頻率,同時支援FCC法規限制。

採用PowerSphyr的SkyCurrent系列無線電力傳輸和接收方案,可為各種產品和模組提供快速、易用且安全的無線充電。PowerSphyr並提供完整的開發參考設計,主要針對汽車、消費和工業應用等市場。

PowerSphyr表示,使用其為汽車設計的無線電源產品和模組,就不需要再使用電纜或線圈精確對準,其簡潔設計且具有靈活的外形尺寸,實現了快速、易用且安全的充電生態系統。圖2顯示的汽車應用中包含可以無線供電的感測器,用於車燈、安全氣囊、溫度控制、車門以及乘客無線充電等系統的監控,支援磁共振、Qi和RF三種解決方案。

PowerSphyr執行長Will Wright說:「我們的一大目標是重新思考汽車座艙的無線供電方式,以降低其複雜性。這意味著要拆除連接器,並使用經未來驗證可行的無線解決方案,以取代傳統方法。」

他補充道:「許多公司都致力於為汽車座艙中的行動裝置提供無線充電,採用PowerSphyr的新一代無線電源技術,可以簡化製造流程,提高安全性和可靠性,並降低車輛成本。當今的汽車中包含200多個連接器,用於為關鍵的功能和系統提供電源和通訊功能。隨著車輛不斷向電氣化發展,車輛的功能會越來越豐富,也越來越依賴軟體。採用新的連接方法變得至關重要。與此同時,車輛中所使用的銅也大量增加,儘管大多與電池和推進系統有關,但也用於在整車中引導能量。」

2:汽車應用中的無線供電感測器和無線充電器。(圖片來源:PowerSphyr)

Wright說,「我們開發無線解決方案的目的在於降低線束和連接器的複雜性,而不是對手機或平板電腦進行無線充電。採用無線解決方案可以為座椅馬達、加熱座椅以及後視鏡和揚聲器供電,從而解決困擾業界多年的難題。」

「PowerSphyr提供從低功率到450W功率的多種解決方案,並持續致力於改進技術來滿足汽車和工業領域客戶的需求。我們的主要技術是一種專有的磁共振技術,可根據應用的不同以6.78MHz或13.56MHz的頻率供電。這些新型的解決方案有助於無縫實現供電和通訊。」

3:在SkyCurrent III裝置上為手機充電。(圖片來源:PowerSphyr

PowerSphyr表示,該公司的技術可無縫支援無線充電的三種主要標準(磁共振、磁感應和AirFuel RF),可以滿足工業領域中工具和機械裝置的中高功率要求。針對消費領域,PowerSphyr的無線充電平台SkyCurrent III(如圖3所示)提供了雙模無線充電板和一套「快充」電池盒。

(參考原文:Advanced Solutions for Power Production and Transfer,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年5月號雜誌

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