過去的一年是技術和市場發生顛覆的一年,延續了近十年前開始的趨勢。在幾乎不可抗拒的融合力量推動下,我們的工具、車輛、服務和基礎設施正整合越來越多的功能、通訊(有線和無線),以及智慧。

電力和能源管理領域一直是這場勢不可擋變革風暴的高調夥伴。從顛覆基礎電源系統設計的新材料(如寬頻隙電子元件),到新封裝、被動設計、供電拓撲、替代電源技術,以及先進能源儲存,電力產業正經歷一場根本性改變,從而影響社會的各個方面。

發電

替代能源領域的持續成長,造成電網整合問題和市場擾動。隨著替代能源技術的成熟和完善,太陽能和風能正在大量「入侵」電網;可再生能源也為電力工程界帶來了挑戰,因為必須密切管理和平衡太陽能及風能的儲能和發電,才能正常運行和可靠工作。

在傳統太陽能電池板領域,日本鐘淵化學(Kaneka)創造了轉換效率為26.63%的晶體矽(crystalline silicon)太陽能電池。這款180cm2的展示品是一種異質結背接觸(heterojunction back-contact)晶體矽太陽能電池,它顯示了未來的主流元件可擴展到多大程度。先進元件目前的太陽能轉換效率在20%左右,在單晶矽電池達到理論上35%的最大轉換效率之前還有一定提升空間。還有其他可提升轉換效率的太陽光採集方法,雖然目前它們在主流應用中使用成本太高。

研究人員致力於解決成本和製造問題,其中一種方法—熱太陽光電(thermophotovoltaics,TPV)正在向商業現實發展。透過將吸收體發射器(absorber-emitter)材料和太陽光電電池的結合,TPV元件的工作溫度可超過1,000℃。發射器將吸收的熱量釋放為光子,然後由太陽光電電池拾取,產生電能。

為推動太陽能電池技術的發展,杜克大學(Duke University)的研究人員展示了一種用於熱能轉換的電磁超材料。他們說這是第一種不含金屬的材料,該材料的熱穩定性和轉換性能可望為作為替代的太陽能技術注入新活力。

無金屬的超材料電介質有一個遍佈被調變成可吸收THz(terahertz)波的小圓柱體的凹凸表面(圖1)。杜克大學的團隊使用摻硼矽在基片上製造出大小不一的小圓柱體,每個圓柱體都被以程式設計的方式調變成可與THz波相互作用。研究人員透過適當調整小圓柱,證實了這種材料可吸收1.011THz波97.5%的能量。展示品工作在可見光譜之外(當前的反覆運算版本在紅外線以下),但該技術可以針對其他頻率進行量身定制,若正確匹配合適的太陽光電技術,該開發可能改變太陽能應用的遊戲規則。

20180308NT01P1 圖1 杜克大學的無金屬超材料電介質有一個遍佈被調諧成可吸收THz波的小圓柱體的凸凹表面。 (圖片來源:杜克大學)

配電

當然,能源的產生或採集只是第一步——必須把電能輸送到需要的地方。微電網(microgrid)已經存在了一段時間,但隨著智慧電網(smart grid)和替代能源技術的出現,加上最近大量的自然災害和改善發展中國家人民生活的整體努力,可以說2017年是微電網年。

這或許可說是2017年最大的微電網新聞,Elon Musk的特斯拉(Tesla)成功兌現了建造Hornsdale儲能系統的承諾。這是個巨大的電池農場,用於儲存附近距離澳洲Jamestown 不遠的Hornsdale風力發電場的電能(圖2)。面對傳統產業的打壓和替代能源的反對者,Musk去年9月擲地有聲地說了句廣為人知的話:他將在不到100天的時間裡建造這一100MW的儲能設施,否則就免費送給澳洲。透過制定Musk的目標日期,特斯拉不僅證明了其核心技術的商業可行性,還證明了其交付能力。

20180308NT01P2 圖2 特斯拉兌現了Elon Musk在不到100天的時間內建成Hornsdale儲能電池農場的承諾。

在2017年11月宣佈的兩個微電網專案進一步顯示,微電網是公用和市政領域可行的向上轉移的途徑。一個項目是在南非羅本島(Robben Island)建立一個ABB提供的基於太陽能鋰離子儲能微電網系統,其功率超過650kW,儲存容量超過800kWh。同時,Hannah Solar Government Services贏得了一項建造可再生能源微電網的合約,為位於北太平洋(North Pacific)威克島(Wake Island)的美國空軍基地服務。

儲能

從熱岩和壓縮空氣到超級電容和回流電池(reflow batteries),有很多方法可儲存能量。鋰離子電池技術由於是個人電子和電動車(EV)經過商業驗證的主要儲能方法,仍然是當今的焦點。業界有各種改進或替換鋰離子電池的偉大嘗試,2017年還發佈了一些有趣的突破。

高調的公開挑戰者、電動汽車開發商Fisker申請了一個由團隊發明的軟性固態電池(flexible solid-state battery)技術專利,該團隊包括固態電池的早期開發者Sakti3的聯合創始人。該專利申請描述了利用新型材料和製造製程來製造三維(3D)電極,據報導,其獲得的表面積比目前使用的扁平元件所可能實現的高一個數量級(圖3),並且能夠實現較高的電導率。該電池技術可望以更低的成本提供傳統產品兩倍以上的能量密度。

20180308NT01P3 圖3 Fisker在軟性固態電池方面的專利申請,描述了利用新型材料和製造製程來製造3D電極。

印度報導了一個更加切實的突破,印度科學教育與研究所(Indian Institute of Science Education and Research)的研究人員合成了一種直接解決速度和充電週期能力問題的陽極材料。多層陽極具有最佳化的孔隙以允許鋰離子流過層狀奈米片,使放電變得容易。研究人員說,這種電池在測試中經過了1,000次迴圈充放電後,容量仍然是傳統石墨陽極的兩倍。

新創公司SolidEnergy Systems也在努力改進陽極。該公司的電芯採用了超薄的金屬鋰片作為陽極,以及專有的電解液和新穎的電芯設計,而以1,200Wh/L的尺寸實現400~500Wh/kg的聲稱容量。該公司並計畫在2020年發佈其電動汽車用阿波羅電池(Apollo battery)。

在這個最具體的新技術的例子中,東芝(Toshiba)已經使用SCiB技術來建構電池,它比傳統產品更安全、更可靠、壽命更長(圖4)。根據東芝的說法,使用基於鋰鈦氧化物(lithium titanium oxide)陽極,SCiB可以防止與磨損相關的短路所導致的熱失控,並且可以運行超過15,000次迴圈充放電。該技術處理大電流的能力不僅對儲存能量有用,而且還可以使電池從電氣測試系統或制動列車和汽車等來源收集再生能量。

20180308NT01P4 圖4 東芝的SCiB技術採用基於鋰鈦氧化物的陽極,可防止與磨損相關的短路所導致的熱失控,並可工作超過15,000次迴圈充放電。

最近有關陽極的消息是俄羅斯西伯利亞聯邦大學(Siberian Federal University)、克拉斯諾亞爾斯克(Krasnoyarsk Research Center)研究中心和國立科學技術大學(National University of Science and Technology)的研究人員在使用石墨烯(graphene)和二硫化釩(vanadium disulfide)作為陽極。研究人員表示,這種方法增加了單位容量,因為鋰離子不僅像在常規電池中那樣被束縛在表面,而且也被夾在石墨烯和二硫化釩的材料層之間。該研究小組估計,單位容量可望達到569mAh/g,幾乎是石墨的兩倍,且該方法還具有高充放電速率和耐用性。

替代能源技術

一種有前景的新型基於鈉(sodium-based)的電池技術在2017年備受關注。儘管鈉離子電池的能量密度不如鋰離子電池高,但鈉離子技術可望更安全、更穩定、成本更低,並且對環境更加友善。

在改變電池產業的努力中,史丹佛(Stanford)大學的研究人員宣佈,他們創造了一種可以媲美鋰離子電池的鈉離子設計,但相同容量的鈉電池成本預計還不到鋰電池成本的四分之一。該方法將鈉與常見的工業有機材料肌醇(myo-inositol)結合以製造與磷陽極配對的陰極,未來該團隊將進一步解決能源密度問題及最佳化磷陽極。

這段時間以來,超級電容一直被吹捧為電池的顛覆者,但成本一直是其被延遲採用的主要因素。為加快這一步伐,澳洲斯威本科技大學(Swinburne University of Technology)微光子中心(Center for Micro-Photonics)的研究人員發佈了他們針對閃電儲能技術(Bolt Electricity Storage Technology,BEST)電池的設計。它不是真正的電池,而是使用氧化石墨烯的超級電容,預計該元件比傳統方案便宜,並為超級電容在各種應用中取代電池打開了一扇大門(圖5)。最近,斯威本科技大學的研究人員獲得345萬美元資金,作為澳大利亞政府委託的合作研究中心項目的一部分。

20180308NT01P5 圖5 澳洲斯威本科技大學微光子中心針對閃電儲能技術電池的設計,不是真正的電池,而是使用氧化石墨烯的超級電容。

智慧變壓器

新被動技術的開發並不是每天都在發生。最近一種真正的新型被動技術是憶阻器(memristor),這是款全新元件,不會很快看到類似東西。然而,更好和更新的被動拓撲可能並確實出現了,智慧變壓器就是其中之一。

作為固態變壓器邏輯上的延伸,智慧變壓器加入了電路並增加了功能。經過長期醞釀,以及Legend Power等公司的努力,這項技術今年已臻成熟——Legend Power的產品實際上是一種新穎的電源轉換器,它是一種高效自耦變壓器和控制器(圖6)。與傳統變壓器相比,智慧變壓器可以即時監測和調整整個系統的輸入電壓。

20180308NT01P6 圖6 Legend Power的智慧變壓器產品實際上是一種新穎的電源轉換器,它是一種高效的自耦變壓器和控制器。

展望

2018年幾乎肯定可以看到更多新突破,從下一代電源拓撲到爆冷門的技術(如紐約市立學院——City College of New York——的鋅酸電池研發)都蓄勢待發。共同點是工程界如何與這些發展攜手共進,並將其融入到自己的設計中。祝各位工程師2018年好運!

(參考原文: Top power and energy developments of 2017,by John Betten)