【導讀】近年來，極端天氣和地質災害頻發，究其根本原因是全球氣候變暖。在此嚴峻的狀況下，迫使我們要減少碳排放，加快向可持續發展轉型。而能效提升是當下實現碳減排的最重要、最經濟和最直接的路徑。據國際能源署分析，預計到2050年之前，能效提升對于碳減排的貢獻占到了約37%。
碳減排帶來的能效挑戰
近年來，極端天氣和地質災害頻發，究其根本原因是全球氣候變暖。在此嚴峻的狀況下，迫使我們要減少碳排放，加快向可持續發展轉型。而能效提升是當下實現碳減排的最重要、最經濟和最直接的路徑。據國際能源署分析，預計到2050年之前，能效提升對于碳減排的貢獻占到了約37%。
那么如何實現能效提升，又該從何處入手？本文將會給出答案。
工業設備能效升級
助力工業碳排放減少
從2022全球碳排放數據來分析，電力和工業的碳排放占比高達68.2%；來自中國碳核算數據庫（CEADs）的數據顯示，我國去年電力和工業的碳排放占總排放量的84.5%。電力和工業占碳排放的大頭，而電力生產環節也可以看作是工業應用的一大分類，因此要實現節能減排，首先要從工業類應用入手。
尤其是傳統工業中大批的存量工業設備，例如電機、變頻器、熱交換機和鍋爐等，由于設備生命周期很長，設備內部技術老舊，能效有著很大的提升空間。通過對于工業設備的升級，實現設備的效率提升，進而就能夠提高整個工業生產環節的能效。
圖1：1970～2022全球碳排放數據
（圖源：Nature.com）
我國針對工業領域的能效提升，出臺了密集的政策支持和規劃建議，包括：十四五《工業綠色發展規劃》、《工業能效提升行動計劃》、《工業領域碳高峰實施計劃》和《國家工業節能技術應用指南與案例（2022年版）》等。
圖2：工業能效提升行動計劃
（圖源：CCTV）
其中在去年6月工信部和國家發改委等六部門聯合印發的《工業能效提升行動計劃》中指出，要鼓勵企業圍繞電機、變壓器、鍋爐等通用用能設備，持續開展能效提升專項行動，引導行業企業趕超能效“領跑者”，探索打造超級能效工廠。在此行動計劃中，確立了高效用能設備的滲透目標：2025年新增高效節能電機占比達到70%以上；新增高效節能變壓器占比達到80%以上；探索創建10家超級能效工廠。
而在《國家工業節能技術應用指南與案例（2022年版）》中，針對我國的十大工業應用領域，羅列出了幾十個具體的工業設備能效提升案例，供企業學習效仿。
不謀而合，在去年11月，ABB和國際能源署等聯合發起的“節能增效行動”，也分享了《工業節能增效手冊》，列舉出了10項企業降本減排的重要舉措。其中第四條“安裝高效電機”、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”，皆與工業設備的升級換代相關。
圖3：工業領域10大增效舉措
（圖源：ABB）
高效傳動系統
在工業領域，傳動系統將電能轉化為動能，被廣泛運用于各類應用。工業電力傳動系統的主要組成包括電機、變頻器和泵、風機或壓縮機等。
國際電工委員會為電機制定了一系列國際能效（IE）標準，范圍從IE1（標準能效）到IE5（超高能效）不等。據估計，將目前運行的3億多個工業電機驅動系統升級為優化的高效設備后，全球用電量可以減少10%。
變頻器可用于控制電機轉速和轉矩，對管理電機驅動系統所消耗的能量具有關鍵作用。通過變頻器的精準控制，電機的能耗可以與所需工作量實現更密切匹配。據調研數據顯示，安裝變頻器可以將電機驅動系統的節能效率提高30%。
高效熱交換機
熱傳遞對工業過程的節能增效至關重要，全球范圍內幾乎所有行業都使用熱交換器進行供暖和制冷。全球高達2.5%的二氧化碳排放來自沒有維護的熱交換器，20％～50％的工業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節，將會提高工業熱傳遞過程中的能效。例如，采用新式緊湊型板式熱交換器替換傳統管殼式換熱器，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鍵。在工業領域中，該項技術不僅可以應用于空間供暖，還可以用于高達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，也比鍋爐的二氧化碳排放量更低。
而除了上述提到的幾個典型工業設備外，在廠房、倉儲和其他工業設施中，還有大量的可以進行能效優化的設備。包括電力、照明和通風等系統的升級，也都能夠有效降低能源的使用。
芯片技術
推動工業設備能效升級
工業設備的能效提升，離不開其內部芯片技術的創新。尤其是在功率控制電路上的能效提升，才是推動整個工業應用邁向低碳化的基礎。
采用寬禁帶器件替代傳統硅器件
對于功率電路的方案設計而言，最直接的能效提升方式，是采用寬禁帶器件（GaN和SiC）取代傳統的硅器件。其中SiC器件的耐壓能力更強，而GaN器件的開關頻率更高。采用寬禁帶器件不僅可以顯著減少損耗，而且對于系統功率密度、耐壓等級、開關速度、耐高溫性等也都大有裨益。
圖4：寬禁帶器件的優勢
（圖源：ROHM Semiconductor）
在低壓場景中，以低功率DC/DC轉換器為例，超過90%的轉換效率是很常見的；然而在工業場景中，高電壓、大電流的AC/DC轉換器的效率還存在改善空間。而利用SiC功率模塊替代傳統IGBT模塊，開關損耗就可以降低85%。
圖5：SiC模塊提高能效
（圖源：ROHM Semiconductor）
在此為大家推薦來自ROHM Semiconductor的SiC功率模塊系列產品。據悉，該系列產品通過ROHM獨有的模塊內部結構及散熱設計優化，實現了高達600A額定電流，全系列額定電壓達到了1,200V。因此，該系列產品非常適用于工業設備、大容量電源等大功率應用。
與普通的同等額定電流的IGBT模塊相比，該系列產品的開關損耗降低了64%（芯片溫度150℃時），這有助于應用的進一步節能。此外，高頻驅動的特性使其系統電路的外圍元器件進一步減少，并且有助于冷卻系統的小型化。根據冷卻機構中的損耗仿真計算，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%。
關于此SiC模塊系列，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網的料號為“BSM180D12P2E002”，該模塊在一個封裝中集成了SiC SBD和SiC MOSFET。
隔離和能效兼得的DC/DC轉換器
在工業設備中，輸出側的電壓較高會危及人身安全，出于安全的目的，設備的輸入側和輸出側之間通常需要電氣隔離。因此對于變壓器這種常見設備而言，不能采用單一的穩壓器電路，而必須要選擇隔離式DC/DC轉換器。
但隔離式DC/DC轉換器的能效通常不及非隔離式DC/DC轉換器的高，這是因為：首先變壓環節會造成能效損失；第二，隔離柵導致其無法實現緊密控制，無法更好地調節瞬態性能；第三，隔離式DC/DC體積通常較大，相比非隔離式的離負載也就更遠，連接電路的損耗也就更高。
那么有沒有一種隔離式DC/DC，能夠實現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轉換器就可以達到。該系列產品的輸出功率為6W，具有14VDC至160VDC寬輸入電壓范圍，I/O隔離測試電壓高達3kVAC，工作溫度范圍-40°C至+105°C，采用行業標準DIP-24封裝，效率高達83%。
在此系列產品中，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網的料號為“RDT-6Y12”。
圖6：RDT-6Y的效率表現
（圖源：Bel Power Solutions）
更高轉換效率的DC/AC電源
要用的直流電是第一步。將電網供電轉換為工業設備使用的直流電，交流-直流電源是必不可少的。所以對于工業應用的能效提升，要將電網的交流電以最低損耗轉換為可供設備使用。在此為大家推薦一款同樣是來自Bel Power Solutions的電源成品——ABE1200工業交流-直流電源。
該系列產品的額定功率為1,200W，具有85VAC至305VAC寬輸入電壓范圍和24VDC或48VDC單輸出，其轉換效率達到了94%。
除了高能效外，ABE1200系列還支持通過電源管理總線通信協議進行數字電源管理，多個電源可以并聯以實現冗余和更高功率，通過內部ORing啟用，還提供了電流共享功能。關于該系列產品，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網的料號為“ABE1200-1T48”。
圖7：ABE1200系列交流-直流電源
（圖源：Bel Power Solutions）
結語
目前碳排放還未達到峰頂，而碳中和之路更是漫長。可再生能源對傳統能源的完全替代尚需時日，但提高工業設備的能效，即刻就可以做起來，這將會對減少碳排放卓有成效。對于高能效的追求，將會一直貫穿在可持續發展過程之中，隨著芯片技術發展而呈現出更高的價值。
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