智慧城市中值得关注的节能技术
【导读】气温每升高1度，海平面将上升2.3米，伴随而来的还有地质灾害、极端天气和流行疾病的增加。2020年至2030年对于全球环境发展来说是至关重要的十年，我们需要在2030年前将全球温室气体（GHG）排放量减半，以避免造成灾难性的气候变化。
人类已经步入了把握自己命运的最后一个窗口期，全世界已经达成共识，要将温升控制在2度以内。我国也制定了自己的双碳目标，将在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。
在节能减排这场战役中，城市是重中之重。据调查数据，当前城市人口占全球总人口的55%，城市GDP达到了全球的80%，能源消耗占比为全球总消耗的2/3，城市全年碳排放量占全球总碳排量的70%以上。随着城镇化的深入，上述数据还会继续增长。预计到2050年，城市居住人口占比将达到全球总人口的68%，城市的能源需求将会进一步扩大。
图1：城市人口发展趋势
（图源：IEA）
智慧城市：低碳和数字化齐头并进
虽然城市的人口增多和产业聚集趋势会带来碳排放的增加，但同时高密度的环境创造了规模经济，减少了新建基础设施的需求。随着智慧城市的推进，数字化、智能化的技术能够帮助城市实现低碳排放，迈向净零排放。
对于城市低碳化而言，有两个重要的要素：
一是要推动可再生能源的使用，包括铺设可再生能源发电设施、分布式储能设备和电网部署等；
二是提高能源利用率，减少能源浪费，例如通过智能传感计算技术来实现更精细化的场景设置，通过网连网络化的高效调配来提升各环节的运行效率等。
从当前的发展来看，智能楼宇、智慧交通和智能路灯是智慧城市中的三个主要场景，这三个场景也更容易通过技术手段来达到低碳节能的目标。
图2：城市中主要碳排场景
（图源：BNP PARIBAS）
【智能楼宇：自我供电+智能调控】
智能楼宇要实现低碳化，首先要改变其供电方式，挖掘建筑自发电的潜能。通过卫星图像识别分析，目前可以安装在城市建筑屋顶上的光伏容量约有830吉瓦。通过推广在建筑的顶部铺设光伏设备，可以大大减少楼宇对于公共电网的电力使用，从而减少城市中集中式供电需求。
光伏太阳能板吸收太阳能将其转化为直流电，通过逆变器转换为交流电供楼宇内用电设备使用。多余的电量可以储备在楼宇的储能电池组中，或者直接反向输电给电网。随着光伏设备在建筑顶部的铺设率提高，我们同时也可以增加直流供电设备的生产，在光伏发电和用电端推动全直流电网系统。这不仅减少了设备中DC-AC适配器的物料成本，而且这种光伏直流电直接供给设备的方式，减少了两个能量转换的环节，从而提高了整个能源流转效率。
图3：屋顶光伏发电
（图源：electricaleasy.com）
在楼宇的智能调控方面，通过个性化场景配置，智能家居可以按照用户设定模式工作，从而确保照明控制、恒温器和智能开关等所有设备都以高效的方式运行。
这其中需要运用到物联网技术，实现智能感知、计算和控制，对于楼宇的照明、空调、电梯等实现更精细的运营。例如在照明方面，传感器可以感知当前的环境光线、人的位置，将感知数据传递给MCU，MCU可以对灯进行照明度的调节，从而减少不必要的电量消耗。
图4：存在检测智能照明
（图源：RADAR）
【智慧交通：绿色、高效出行】
交通是城市的脉络，智慧城市需要打造绿色高效的出行网络，在这其中电动车和车联网技术是关键。
城市中电动车的比例提升，可以大大降低汽车尾气排放，从而直接减少碳排放。车联网可以提高整个道路系统的运行效率，从而实现更高效的车路协同管理。未来共享出行一类的场景可以将私家车的数量降低，从而减少由于大量闲置车的制造而产生的制造碳排放，同时提升道路通行效率。
图5：EV比燃油车更少碳排放
（图源：electricireland）
此外，电动车还可以与智能楼宇的光伏发电项目相结合，多余的电池容量可用来储存建筑物或集中设施产生的剩余太阳能电力（电网对车辆充电，即V1G），或用于弥补短时间电力短缺（车辆对电网充电，即V2G）。
这样分布式光伏、直流系统、电动车和储能结合起来，不仅可以促进可再生发电的部署，还可以推动可再生电力与电力系统的集成并促进需求部门的使用。
图6：V2G场景
（图源：EIPGRID）
【智能路灯：LED+远程监测】
街道照明产生的费用目前约占城市平均电费的40%，因此减少街道照明的用电量，对于城市节能减排意义重大。一个非常有效的路径就是将当前传统的灯具更换成更为节能的LED灯具。
根据Navigant Research的数据，此举可将路灯的能耗降低高达50%。借助智能LED灯泡，城市还可以调整照明的颜色、强度和方向。
另一方面，智能路灯还配有传感器和连接功能，可以将环境信息和自检信息传输回中央控制系统，从而减少运营过程中的人力巡检。不仅如此，这种智能的路灯还能够实现预测性的维护，减少出现问题的概率，从而间接减少碳排放。
图7：智能路灯
（图源：Smartcity EXPO World Congress）
智慧城市中的新一代路灯，将不仅提供照明的功能，更是城市的感官系统。通过感知功能，智能路灯还可以和路网和警务网络进行联动，提高道路智能场景的友好度，实现包括气候监测、事故报警等。
智能路灯中涉及到的关键技术包括LED驱动、功率转换、感知技术、LPWAN和PLC等，其中电源管理和功率器件的性能将会直接影响整个路灯系统的能效。
更高效的功率器件，助力城市低碳化发展
智慧城市是一个非常宏大的课题，包含了居住、交通、医疗、教育和政府等诸多场景，涉及到的技术也包括了感知、计算、连接、控制、安全、数字孪生等。而其中与低碳化最为相关的，是直接参与到电能流传过程中的功率转换技术，高能效的功率器件堪称是城市绿色发展的基石。
图8：清洁能源应用相关的半导体器件
（图源：美国能源部）
在光伏发电、逆变器、分布式储能、电动车、充电桩等设备中存在着大量的功率转换电路，基本的电路拓扑结构包括Buck（降压式）、Boost（升压式）和Buck/Boost（升/降压）、单端反激（隔离反激）、正激、推挽、半桥和全桥变化器等。这些电路拓扑也都是由各类不同的元器件组成，包含着大量的电容、电感、电阻、MOSFET、变换器等半导体器件。
而所有的功率转换器都可以简单分为“升压”和“降压”两个类别，也就是隔离形势下的“正向”和“反激”转换器。这其中至少包含一个开关和一个二极管。为了实现高效率，目前二极管已经被数字同步整流器所取代。
半导体功率器件在关断状态下的损耗几乎为零，但在开关切换和导通状态，就会产生一定的功率损耗。因此要提高能效，就要通过降低导通阻抗、提高开关速度（减少切换时间）和减少切换频率这三种方式。
要实现高效的功率转换电路设计，开发者需要从两方面着手：一方面要选择更高效的拓扑结构，从而减少开关频率和电平转换次数；另一方面，要选择更低导通阻抗、更快开关频率的功率器件。
以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件正是凭借着更高工作温度、更高耐压、更快开关速度和较低导通电阻等优势，在电动汽车、可再生能源等应用中备受青睐。
图9：不同类型器件的目标应用
（图源：powerelectronicsnews）
很多芯片厂商都推出了更高能效的第三代半导体器件，例如Nexperia的650V硅基氮化镓场效应晶体管（GaN FET），被认为是平衡了高效率和高功率密度的理想解决方案。它允许在高电压和大电流下进行高频开关操作。极低的开关品质因数(RDS(on)xQGD)和反向恢复电荷(Qrr)可使器件工作在高频以降低系统功耗，实现高效率的功率转换。
像在光伏逆变器、UPS逆变器和伺服电机驱动器等设备中，可以选择Nexperia GAN041-650WSB GaN FET，来实现更高的系统能效，同时追求更高的功率密度。这是一款常关型器件，将高压GaN HEMT H2技术和低压硅MOSFET技术结合在一起，具有650V漏源电压、47.2A漏极额定电流以及41mΩ最大电阻。该器件在贸泽电子的具体产品料号为GAN041-650WSBQ。
图10：GAN041-650WSB
（图源：Nexperia）
但SiC MOSFET和GaN FET并不能够全面取代IGBT和MOSFET，在一些并不需要那么高电压和开关频率的应用中，硅基MOSFET仍有其强大的价格优势。因此大部分功率器件厂商在布局第三代半导体器件同时，也继续大力发展新技术的MOSFET产品。Nexperia推出的NextPower MOSFET系列功率MOSFET覆盖了20V～200V的电压范围，具备极低Qrr，可以实现更高效率和更低尖峰；同时具备低Qg×RDS(on) FOM，可用于高效开关应用。
在USB?PD Type?C适配器、48V DC?DC适配器等电源设计中，可以选择NextPower 100V MOSFET。该器件具有低50%的RDS(on)和强大的雪崩能量额定值，非常适用于高效率开关和高可靠性应用。该器件在贸泽电子上的具体产品料号为PSMN4R2-80YSEX。
图11：低Qrr可以提高能效
（图源：贸泽电子）
结语
智慧城市的发展，需要在追求智能化的同时实现低碳化，如在智慧交通、智能楼宇和智能路灯等场景中，通过智能化的感知技术、高能效的功率转换和人工智能的调控，追求净零排放已经成为可能。低碳化正在推动高能效的功率器件的市场需求提升，而随着第三代半导体器件的成本逐步下降，智慧城市的低碳可持续发展，将会大有可为。
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