使用 GaN 的可再生能源存儲使烏托邦觸手可及

雖然世界各國領導人在推動大規(guī)模氣候議程和政策以更好地保護環(huán)境方面處于中心地位，但關于可再生能源存儲行業(yè)及其塑造我們未來甚至拯救地球的作用，還有一個不為人知的故事正在上演。?

是的，這是一個大膽的假設，但考慮到近年來可再生能源存儲的穩(wěn)步增長及其在減少全球碳足跡和我們對化石燃料的依賴方面的崇高目標，這并非不切實際。讓世界變得更美好的潛力是非常真實的——扭轉從近乎反烏托邦到郁郁蔥蔥的烏托邦門口的道路。

與石油和煤炭等依賴于將有害氣體和材料燃燒到大氣中的傳統(tǒng)能源不同，可再生能源是來自可以不斷補充的自然來源的能源，例如太陽能、風能和水力發(fā)電。盡管隨著可再生能源存儲用例的采用在全球住宅、商業(yè)和工業(yè)領域蓬勃發(fā)展，取得了穩(wěn)步進展和勢頭，但我們不能簡單地逆向工程數(shù)百年來導致世界環(huán)境惡化的疏忽反烏托邦的邊緣。?

當然，會有阻力，因為這種幅度的變化經(jīng)常會出現(xiàn)。將資金從傳統(tǒng)的電力公司轉移到一連串的清潔技術和可再生能源新貴身上并非易事。即使對于像我們這樣的消費者來說，他們必須擺脫多年的肌肉記憶和習慣，也必須參與到為更大的利益而有所作為。從消費者、政治家、說客、老衛(wèi)電力公司、清潔空氣技術公司，僅舉幾例，每個人都參與其中。話雖如此，可再生能源存儲是未來，它會繼續(xù)存在。

圖 1：RES 拓撲

圖 2：雙向往返效率比較

但在我們深入研究解決方案之前，讓我們先談談問題的范圍和對電力的依賴。盡管近年來努力限制我們的使用，但全球電力需求在過去十年中增長了 33%?；剂嫌糜跐M足 70% 的增長，我們都需要共同努力扭轉這一趨勢。到 2050 年，全球電力需求預計將增長 57%。因此，雖然可再生能源發(fā)電和存儲的廣泛采用繼續(xù)取得進展，但增長速度不足以滿足這一需求。隨著世界對電力的需求持續(xù)增長，世界各國領導人正在聯(lián)合起來破壞生產(chǎn)、分配和使用，使其成為我們環(huán)境中危險 CO 2的同一個來源。?

幸運的是，近年來可再生能源的創(chuàng)造激增。2018 年，可再生能源占能源蛋糕的 27%，到 2050 年預計將占世界電力的 64%，其中 3/4 來自間歇性風能和太陽能資源。隨著這種增長，我們看到電池創(chuàng)新和功率半導體在存儲能量并使其一天 24 小時可用方面取得了重大進展。

例如，從今天到 2050 年，全球增加的電池容量預計將增加 7 倍。增長可歸因于電池組價格在未來幾年內大幅下降 65% 至每千瓦時 70 美元。此外，我們還預計到 2050 年，全球電能表電池的份額將增長 5 倍。所有趨勢都指向正確的方向，并朝著更美好的明天邁進了令人鼓舞的跡象。?

儲能在所有領域都有意義：公用事業(yè)、商業(yè)和工業(yè)以及住宅。出于本文的目的，讓我們關注住宅儲能 (RES)。

到目前為止，住宅儲能的采用非常有前景，市場增長在短短四年內達到265.9億。雖然世界各地的許多國家都在加倍致力于環(huán)境，并在可再生能源方面采取了重大舉措，但有些國家甚至更加看好可再生能源的采用。德國是這種領導力的一個典型例子。該國在 2019 年安裝了 65,000 個新的電池存儲解決方案，比上一年增長了 44%。過去兩年累計儲能裝置翻了一番。參與這項工作的領先公司包括sonnen、比亞迪、e3/DC、Senec、LG化學和特斯拉。?

盡管這是一個非常令人鼓舞的跡象，但 RES 行業(yè)仍需要獲得更高的能源效率和性能以改進經(jīng)濟模型。?

這將我們帶到柏林科技經(jīng)濟大學，在那里他們開發(fā)了一個系統(tǒng)，根據(jù)特定的性能指標對差異系統(tǒng)進行評分?！袄硐搿蹦繕藶?100%，系統(tǒng)會根據(jù)特定的性能指數(shù)進行評分，在該指數(shù)中，他們查看具有不同電池容量的系統(tǒng)并將其與成本節(jié)約相關聯(lián)。??

根據(jù) Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) 的分析，確定 60% 的系統(tǒng)損耗可歸因于電源轉換損耗，這為節(jié)能、節(jié)省成本和創(chuàng)收機會帶來了巨大機遇。

這就是氮化鎵 (GaN) 功率半導體的用武之地。?

通過在這些功率轉換（DC/DC 轉換器和逆變器）中使用 GaN 晶體管，效率提高的潛力巨大。而在沒有 GaN 的情況下，多個電源轉換步驟會產(chǎn)生功率損耗，而作為熱量浪費的每一瓦特都會導致金錢損失，而且鑒于功率轉換是雙向的，損失會翻倍。?

圖 3：存儲性能

從效率的角度來看，GaN 的總體優(yōu)勢包括更高的效率，尤其是在輕負載操作中，以及雙向功率轉換的 2 倍損耗節(jié)省。從基礎設施的角度來看，它對電網(wǎng)更友好，并提供高功率因數(shù)和更好的 THD。GaN 還因效率而降低系統(tǒng)成本——節(jié)省冷卻、減小系統(tǒng)尺寸和電池尺寸。基于這些優(yōu)勢，GaN 可能是快速發(fā)展的可再生能源行業(yè)中的無名英雄。?

Sonnen 是智能住宅儲能和虛擬發(fā)電廠的全球市場領導者，去年在美國的一次電力會議上的演講中也驗證了 GaN 的優(yōu)勢。該論文發(fā)現(xiàn)，GaN Systems 技術證實了 4% 的往返效率提高、更高的低功率和高功率效率、8% 的 BoM 成本節(jié)省和 30% 的系統(tǒng)小。其他顯著的好處包括運輸、運輸、安裝成本更低，并且由于系統(tǒng)重量更輕，因此能夠使用更小的安裝人員。

雖然可再生能源存儲的未來在住宅市場取得了重大成就和突破，但有壓倒性的證據(jù)表明 GaN 功率半導體將通過帶來更高的能效、更高的性能、更低的成本和更小的體積，進一步提升其成功并加速市場采用電池電源的外形尺寸。鑒于其在主要細分市場的成功和深入牽引，柏林科技經(jīng)濟大學和 HTW（僅舉幾例）對其在性能、能源效率和經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢的證明驗證，以及其持續(xù)增長，GaN 代表了行業(yè)最佳以及使可再生能源行業(yè)發(fā)揮其巨大潛力并拯救地球的最現(xiàn)實希望。

審核編輯 黃昊宇