智慧城市中值得關(guān)注的節(jié)能技術(shù)

氣溫每升高1度，海平面將上升2.3米，伴隨而來的還有地質(zhì)災(zāi)害、極端天氣和流行疾病的增加。2020年至2030年對(duì)于全球環(huán)境發(fā)展來說是至關(guān)重要的十年，我們需要在2030年前將全球溫室氣體（GHG）排放量減半，以避免造成災(zāi)難性的氣候變化。

人類已經(jīng)步入了把握自己命運(yùn)的最后一個(gè)窗口期，全世界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，要將溫升控制在2度以內(nèi)。我國也制定了自己的雙碳目標(biāo)，將在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在節(jié)能減排這場戰(zhàn)役中，城市是重中之重。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，當(dāng)前城市人口占全球總?cè)丝诘?5%，城市GDP達(dá)到了全球的80%，能源消耗占比為全球總消耗的2/3，城市全年碳排放量占全球總碳排量的70%以上。隨著城鎮(zhèn)化的深入，上述數(shù)據(jù)還會(huì)繼續(xù)增長。預(yù)計(jì)到2050年，城市居住人口占比將達(dá)到全球總?cè)丝诘?8%，城市的能源需求將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖1：城市人口發(fā)展趨勢

（圖源：IEA）

智慧城市：低碳和數(shù)字化齊頭并進(jìn)

雖然城市的人口增多和產(chǎn)業(yè)聚集趨勢會(huì)帶來碳排放的增加，但同時(shí)高密度的環(huán)境創(chuàng)造了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，減少了新建基礎(chǔ)設(shè)施的需求。隨著智慧城市的推進(jìn)，數(shù)字化、智能化的技術(shù)能夠幫助城市實(shí)現(xiàn)低碳排放，邁向凈零排放。

對(duì)于城市低碳化而言，有兩個(gè)重要的要素：

一是要推動(dòng)可再生能源的使用，包括鋪設(shè)可再生能源發(fā)電設(shè)施、分布式儲(chǔ)能設(shè)備和電網(wǎng)部署等；

二是提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)，例如通過智能傳感計(jì)算技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的場景設(shè)置，通過網(wǎng)連網(wǎng)絡(luò)化的高效調(diào)配來提升各環(huán)節(jié)的運(yùn)行效率等。

從當(dāng)前的發(fā)展來看，智能樓宇、智慧交通和智能路燈是智慧城市中的三個(gè)主要場景，這三個(gè)場景也更容易通過技術(shù)手段來達(dá)到低碳節(jié)能的目標(biāo)。

圖2：城市中主要碳排場景

（圖源：BNP PARIBAS）

【智能樓宇：自我供電+智能調(diào)控】

智能樓宇要實(shí)現(xiàn)低碳化，首先要改變其供電方式，挖掘建筑自發(fā)電的潛能。通過衛(wèi)星圖像識(shí)別分析，目前可以安裝在城市建筑屋頂上的光伏容量約有830吉瓦。通過推廣在建筑的頂部鋪設(shè)光伏設(shè)備，可以大大減少樓宇對(duì)于公共電網(wǎng)的電力使用，從而減少城市中集中式供電需求。

光伏太陽能板吸收太陽能將其轉(zhuǎn)化為直流電，通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電供樓宇內(nèi)用電設(shè)備使用。多余的電量可以儲(chǔ)備在樓宇的儲(chǔ)能電池組中，或者直接反向輸電給電網(wǎng)。隨著光伏設(shè)備在建筑頂部的鋪設(shè)率提高，我們同時(shí)也可以增加直流供電設(shè)備的生產(chǎn)，在光伏發(fā)電和用電端推動(dòng)全直流電網(wǎng)系統(tǒng)。這不僅減少了設(shè)備中DC-AC適配器的物料成本，而且這種光伏直流電直接供給設(shè)備的方式，減少了兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，從而提高了整個(gè)能源流轉(zhuǎn)效率。

圖3：屋頂光伏發(fā)電

（圖源：electricaleasy.com）

在樓宇的智能調(diào)控方面，通過個(gè)性化場景配置，智能家居可以按照用戶設(shè)定模式工作，從而確保照明控制、恒溫器和智能開關(guān)等所有設(shè)備都以高效的方式運(yùn)行。

這其中需要運(yùn)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能感知、計(jì)算和控制，對(duì)于樓宇的照明、空調(diào)、電梯等實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的運(yùn)營。例如在照明方面，傳感器可以感知當(dāng)前的環(huán)境光線、人的位置，將感知數(shù)據(jù)傳遞給MCU，MCU可以對(duì)燈進(jìn)行照明度的調(diào)節(jié)，從而減少不必要的電量消耗。

圖4：存在檢測智能照明

（圖源：RADAR）

【智慧交通：綠色、高效出行】

交通是城市的脈絡(luò)，智慧城市需要打造綠色高效的出行網(wǎng)絡(luò)，在這其中電動(dòng)車和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是關(guān)鍵。

城市中電動(dòng)車的比例提升，可以大大降低汽車尾氣排放，從而直接減少碳排放。車聯(lián)網(wǎng)可以提高整個(gè)道路系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的車路協(xié)同管理。未來共享出行一類的場景可以將私家車的數(shù)量降低，從而減少由于大量閑置車的制造而產(chǎn)生的制造碳排放，同時(shí)提升道路通行效率。

圖5：EV比燃油車更少碳排放

（圖源：electricireland）

此外，電動(dòng)車還可以與智能樓宇的光伏發(fā)電項(xiàng)目相結(jié)合，多余的電池容量可用來儲(chǔ)存建筑物或集中設(shè)施產(chǎn)生的剩余太陽能電力（電網(wǎng)對(duì)車輛充電，即V1G），或用于彌補(bǔ)短時(shí)間電力短缺（車輛對(duì)電網(wǎng)充電，即V2G）。

這樣分布式光伏、直流系統(tǒng)、電動(dòng)車和儲(chǔ)能結(jié)合起來，不僅可以促進(jìn)可再生發(fā)電的部署，還可以推動(dòng)可再生電力與電力系統(tǒng)的集成并促進(jìn)需求部門的使用。

圖6：V2G場景

（圖源：EIPGRID）

【智能路燈：LED+遠(yuǎn)程監(jiān)測】

街道照明產(chǎn)生的費(fèi)用目前約占城市平均電費(fèi)的40%，因此減少街道照明的用電量，對(duì)于城市節(jié)能減排意義重大。一個(gè)非常有效的路徑就是將當(dāng)前傳統(tǒng)的燈具更換成更為節(jié)能的LED燈具。

根據(jù)Navigant Research的數(shù)據(jù)，此舉可將路燈的能耗降低高達(dá)50%。借助智能LED燈泡，城市還可以調(diào)整照明的顏色、強(qiáng)度和方向。

另一方面，智能路燈還配有傳感器和連接功能，可以將環(huán)境信息和自檢信息傳輸回中央控制系統(tǒng)，從而減少運(yùn)營過程中的人力巡檢。不僅如此，這種智能的路燈還能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測性的維護(hù)，減少出現(xiàn)問題的概率，從而間接減少碳排放。

圖7：智能路燈

（圖源：Smartcity EXPO World Congress）

智慧城市中的新一代路燈，將不僅提供照明的功能，更是城市的感官系統(tǒng)。通過感知功能，智能路燈還可以和路網(wǎng)和警務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，提高道路智能場景的友好度，實(shí)現(xiàn)包括氣候監(jiān)測、事故報(bào)警等。

智能路燈中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括LED驅(qū)動(dòng)、功率轉(zhuǎn)換、感知技術(shù)、LPWAN和PLC等，其中電源管理和功率器件的性能將會(huì)直接影響整個(gè)路燈系統(tǒng)的能效。

更高效的功率器件，助力城市低碳化發(fā)展

智慧城市是一個(gè)非常宏大的課題，包含了居住、交通、醫(yī)療、教育和政府等諸多場景，涉及到的技術(shù)也包括了感知、計(jì)算、連接、控制、安全、數(shù)字孿生等。而其中與低碳化最為相關(guān)的，是直接參與到電能流傳過程中的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，高能效的功率器件堪稱是城市綠色發(fā)展的基石。

圖8：清潔能源應(yīng)用相關(guān)的半導(dǎo)體器件

（圖源：美國能源部）

在光伏發(fā)電、逆變器、分布式儲(chǔ)能、電動(dòng)車、充電樁等設(shè)備中存在著大量的功率轉(zhuǎn)換電路，基本的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括Buck（降壓式）、Boost（升壓式）和Buck/Boost（升/降壓）、單端反激（隔離反激）、正激、推挽、半橋和全橋變化器等。這些電路拓?fù)湟捕际怯筛黝惒煌脑骷M成，包含著大量的電容、電感、電阻、MOSFET、變換器等半導(dǎo)體器件。

而所有的功率轉(zhuǎn)換器都可以簡單分為“升壓”和“降壓”兩個(gè)類別，也就是隔離形勢下的“正向”和“反激”轉(zhuǎn)換器。這其中至少包含一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管。為了實(shí)現(xiàn)高效率，目前二極管已經(jīng)被數(shù)字同步整流器所取代。

半導(dǎo)體功率器件在關(guān)斷狀態(tài)下的損耗幾乎為零，但在開關(guān)切換和導(dǎo)通狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗。因此要提高能效，就要通過降低導(dǎo)通阻抗、提高開關(guān)速度（減少切換時(shí)間）和減少切換頻率這三種方式。

要實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，開發(fā)者需要從兩方面著手：一方面要選擇更高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少開關(guān)頻率和電平轉(zhuǎn)換次數(shù)；另一方面，要選擇更低導(dǎo)通阻抗、更快開關(guān)頻率的功率器件。

以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件正是憑借著更高工作溫度、更高耐壓、更快開關(guān)速度和較低導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢，在電動(dòng)汽車、可再生能源等應(yīng)用中備受青睞。

圖9：不同類型器件的目標(biāo)應(yīng)用

（圖源：powerelectronicsnews）

很多芯片廠商都推出了更高能效的第三代半導(dǎo)體器件，例如Nexperia的650V硅基氮化鎵場效應(yīng)晶體管（GaN FET），被認(rèn)為是平衡了高效率和高功率密度的理想解決方案。它允許在高電壓和大電流下進(jìn)行高頻開關(guān)操作。極低的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)(RDS(on)xQGD)和反向恢復(fù)電荷(Qrr)可使器件工作在高頻以降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)高效率的功率轉(zhuǎn)換。

像在光伏逆變器、UPS逆變器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備中，可以選擇Nexperia GAN041-650WSB GaN FET，來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)能效，同時(shí)追求更高的功率密度。這是一款常關(guān)型器件，將高壓GaN HEMT H2技術(shù)和低壓硅MOSFET技術(shù)結(jié)合在一起，具有650V漏源電壓、47.2A漏極額定電流以及41mΩ最大電阻。該器件在貿(mào)澤電子的具體產(chǎn)品料號(hào)為GAN041-650WSBQ。

圖10：GAN041-650WSB

（圖源：Nexperia）

但SiC MOSFET和GaN FET并不能夠全面取代IGBT和MOSFET，在一些并不需要那么高電壓和開關(guān)頻率的應(yīng)用中，硅基MOSFET仍有其強(qiáng)大的價(jià)格優(yōu)勢。因此大部分功率器件廠商在布局第三代半導(dǎo)體器件同時(shí)，也繼續(xù)大力發(fā)展新技術(shù)的MOSFET產(chǎn)品。Nexperia推出的NextPower MOSFET系列功率MOSFET覆蓋了20V～200V的電壓范圍，具備極低Qrr，可以實(shí)現(xiàn)更高效率和更低尖峰；同時(shí)具備低Qg×RDS(on) FOM，可用于高效開關(guān)應(yīng)用。

在USB?PD Type?C適配器、48V DC?DC適配器等電源設(shè)計(jì)中，可以選擇NextPower 100V MOSFET。該器件具有低50%的RDS(on)和強(qiáng)大的雪崩能量額定值，非常適用于高效率開關(guān)和高可靠性應(yīng)用。該器件在貿(mào)澤電子上的具體產(chǎn)品料號(hào)為PSMN4R2-80YSEX。

圖11：低Qrr可以提高能效

（圖源：貿(mào)澤電子）

結(jié)語

智慧城市的發(fā)展，需要在追求智能化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳化，如在智慧交通、智能樓宇和智能路燈等場景中，通過智能化的感知技術(shù)、高能效的功率轉(zhuǎn)換和人工智能的調(diào)控，追求凈零排放已經(jīng)成為可能。低碳化正在推動(dòng)高能效的功率器件的市場需求提升，而隨著第三代半導(dǎo)體器件的成本逐步下降，智慧城市的低碳可持續(xù)發(fā)展，將會(huì)大有可為。