能源效率:半導(dǎo)體21世紀(jì)的挑戰(zhàn)
發(fā)電領(lǐng)域:提高可再生資源的使用
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/97264.htm學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及政府都將焦點(diǎn)放到了可再生資源上。世界各地的研究人員都在針對如何利用太陽能、風(fēng)能、生物能以及其它資源進(jìn)行著研究。半導(dǎo)體技術(shù)對于推動(dòng)這些可再生資源的利用,并使其成為主流,發(fā)揮著重要的作用。
所有的能源都要先需要先將能量轉(zhuǎn)化為電能。例如:將太陽照射的光子轉(zhuǎn)化為電流。顯而易見,能量轉(zhuǎn)化的效率越高,我們能夠用于生產(chǎn)的能量便越多。芯片通常能夠幫助提高這種轉(zhuǎn)換效率。例如:使用先進(jìn)的芯片技術(shù)能夠使太陽能轉(zhuǎn)換效率提高到20~40%。相比之下,目前實(shí)用的太陽能技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率僅為5%。
相對于化石燃料,可再生能源最大的挑戰(zhàn)是缺乏成本優(yōu)勢。目前最佳的太陽能能源成本比煤炭能源成本高2~3倍。半導(dǎo)體技術(shù)能夠幫助降低替代能源的制造成本——采用最新的技術(shù),使半導(dǎo)體制造業(yè)能夠繼續(xù)遵循摩爾定律向前發(fā)展。對于納米材料、納米器件以及相關(guān)加工制造技術(shù)的研究對于促進(jìn)替代燃料制造技術(shù)的進(jìn)步起到了推動(dòng)作用。目前太陽能技術(shù)同樣是基于半導(dǎo)體技術(shù)中所用到的硅材料,并且目前高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池與半導(dǎo)體芯片加工技術(shù)具有相似的形式。
一些熱門的替代能源,例如:太陽能和風(fēng)能,自身存在一定的可變性和不確定性——無法確切的作出預(yù)測,例如:在某一特定地點(diǎn)和時(shí)間,太陽光或者風(fēng)的強(qiáng)度。而巧妙的半導(dǎo)體芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠針對這種可變性建立模型進(jìn)行處理,從而提前進(jìn)行補(bǔ)償,降低供電部門和最終用戶的波動(dòng)。
降低電力輸送環(huán)節(jié)的損耗
統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,發(fā)電量的三分之二消耗于電力輸送環(huán)節(jié)。3從另一個(gè)角度來看,意味著如果我們能夠控制輸電環(huán)節(jié)的損耗,便可以在不消耗額外資源的情況下,獲得雙倍的電力供應(yīng)。世界上絕大部分的輸電網(wǎng)絡(luò)都有幾十年的歷史了,有些甚至接近百年。對于多數(shù)國家而言,當(dāng)務(wù)之急是將這些陳舊的電網(wǎng)升級為“智能電網(wǎng)”,而科技在這個(gè)過程中扮演了推動(dòng)力的作用。
保證電力輸送環(huán)節(jié)的可靠性和高效率是我們面對的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。僅美國一國,由于電力輸送可靠性問題所帶來的財(cái)產(chǎn)損失便高達(dá)2000億美元每年。4主要的問題在于,工程師很難發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中隱藏的問題。這主要?dú)w咎于兩個(gè)方面:第一,工程師迅速且精確發(fā)現(xiàn)問題的能力。第二,快速分析和計(jì)算從而獲得解決方案的能力。而傳感器和微處理器芯片配合優(yōu)化后的系統(tǒng)和軟件能夠提供這兩方面的能力。
并且,芯片和系統(tǒng)級別的優(yōu)化需要確定,如何在現(xiàn)場傳感器部分和中央控制部分之間分配計(jì)算處理能力。預(yù)計(jì)到2010年為止,美國全國電網(wǎng)只有不到一半的部分能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化,這意味著電力節(jié)省的空間還很大。終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種名為“自治愈網(wǎng)絡(luò)”的輸電系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠診斷并修正自身存在的問題,通過復(fù)雜的片上集成系統(tǒng)(SoC)將感知、通訊、存儲(chǔ)和計(jì)算等功能集成到一起。通過將現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)升級到這種智能網(wǎng)絡(luò),可望每年節(jié)省1000億美元的成本,節(jié)約能源達(dá)到千億瓦。
將這種芯片驅(qū)動(dòng)的智能網(wǎng)絡(luò)集成到發(fā)電、輸送以及消耗領(lǐng)域?qū)?huì)產(chǎn)生更加驚人的作用。例如:太陽能板在晴天工作,風(fēng)力渦輪機(jī)在多風(fēng)的天氣情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著這些替代能源在整體能源中所占比例的提高,能量存儲(chǔ)對于夜間、多云或者無風(fēng)天氣下電力的供應(yīng)變得至關(guān)重要。
混合燃料型和電力驅(qū)動(dòng)的汽車將成為未來的解決方案。當(dāng)電力工藝處于峰值時(shí),可以對車載電瓶進(jìn)行充電——未來也可能使用氫燃料電池,而當(dāng)這些可再生資源不足時(shí),車載電瓶也能夠反向的向輸電網(wǎng)絡(luò)供電。這種智能網(wǎng)絡(luò)允許其用戶,可能是商業(yè)用戶、工廠或者居民,更好的平衡能源消耗的供應(yīng)和需求。智能網(wǎng)絡(luò)在能源
供應(yīng)與消耗者之間實(shí)現(xiàn)了雙向、實(shí)時(shí)的信息流,并且可以通過價(jià)格信號(hào)或者其它某種機(jī)制來調(diào)節(jié)能源消耗的行為。
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