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功率电子产品的重点在于能效

更新日期:2007-12-19  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

来源:21IC中国电子  作者:飞兆半导体公司现场应用工程总监 Kevin Parmenter


近来,立法工作和广告活动都把焦点集中在能源使用的一个重要方面,也是功率电子产品能够产生积极作用的地方 — 即待机功耗。许多法规,比如 Blue Angel (蓝天使) 和 Top Runner (领跑者),都要求许多电子产品的待机功耗必须小于1瓦特。有些全球性标准是自愿性,另一些则是强制性的。功率电子行业已推出一系列相关的解决方案,而业界不少精英专才一直在致力于降低包括复印机,消费电子产品以及电池适配器和充电器等产品的待机功耗。

有一两家公司在进行密切的跟踪评估工作,以估算出用户通过整合其解决方案能够节省多少能量,这是一件好事。不过,且让我们回过头去看看作为消费者在实际生活中常常遇到的真正挑战,以及功率电子产品可如何发挥作用。 
 
举例说,消费者起床后会利用热水器洗一个热水澡,而热水器其实是效率最差的发明之一。水箱会全天候 (每周7天每天24小时) 保持热水温度,以满足消费者随时的需要,这实在是效率很低的设备。大部分消费者把手机从墙上的充电器拔离后,往往会把充电器留在原地,虽然幸好在不充电时它只消耗不到1瓦特的待机功率。设想消费者的孩子 (正如大多数孩子一样) 总是忘记关掉壁橱的灯,让60瓦的灯泡没必要地整天开着。当消费者不在家时,冰箱的压缩机也一直启动着,并使用已过时但仍流行的压缩电机来保鲜食物。再看看家里的空调,其压缩机使用着同样过时的技术,并且一天里启动多次,以保持室内清凉 (若是制热的话则保持温暖)。

消费者工作的办公室里有很多计算机和服务器。计算机和互联网服务器正逐渐成为电力系统中相当大的耗电部分。随着互联网的使用日益普及,信息技术消耗着电厂输出电能的一大部分。与服务器相关的电能使用量从2000年到2005年翻了一番,而美国的总计年增长率为14%,全球的总计年增长率更达到16%。功率电子产品便可以通过提高效率来改善这一重要的功率耗电量。

服务器及其它互联网基础设施的耗电量在整个社会总耗电量中所占的比例越来越大,而且,它们总处在运行过程中,而不会处于待机状态。

就像工业时代的铝和制造工厂的关系一样,信息时代的服务器中心往往毗邻大型水电及其它可再生能源。Koomey (2007) 报告指出:“最近几年,随着对新的互联网服务 (比如音乐下载、视频点播和互联网电话) 的需求日益普及,这些领域的电力消耗量不断增长,从未停步。”根据 Lawrence Berkeley 实验室的统计:“2005年,服务器使用的总电力已达美国总耗电量的0.6% 左右。若把冷却和辅助性基础设施计算在内,这个数值更高达1.2%,相当于所有彩电的总耗电量,而且这个数据还在不断的增加。2005年,美国和全球的总电力需求 (包括相关基础设施) 分别等于大约5家和14家 1000 MW 发电厂的发电量。2005年,维持这些服务器及相关基础设施工作所需的电力费用,美国和全球分别约为27亿美元和72亿美元。假设每台服务器耗电仍然维持在2005年的水平,上述趋势预示着到2010年,全球服务器消耗的电能将增长达40%。”这意味着它在整个社会的能耗费用中的比例更大。

再回头看看消费者的一天,在下班回家的路上,他们驱车前往足球场观看孩子踢球,但由于车外非常闷热,只好让汽车一直开动以保持空调运行。

所有这些的重点是什么呢?虽然待机功耗是总能耗的一部分,但它或许也是造成效率低下的帕雷托 (Paredo) 效应,而这也正是功率电子产品可以切入的发展方向。较之消费者的总体能源消耗量,充电器和消费者家中的其它所有处于待机状态下设备的待机功耗虽然只是很小的部分,但积少成多。同时通过对家中较大型低效率的设备中使用适当的功率电子产品来省下更多的能源。

若消费者拥有“智能”热水器,能够随时进行感测并按照“负载点”情况提供热水,而不是让巨大的水箱一直注满热水,那会怎么样呢?这类应用的感测和控制当然会使用电子产品。

照明耗电在消费者的电费账单中比例可观,而CFL灯是节能技术发展的一大进步。不过,虽然功耗得以降低,但是这些新型灯管的功率因数仍然带来了一些问题。带有内置PFC和驱动器的LED灯可以提高效率,并且能在使用寿命期间实现统一的功率因数 。 不仅能提高效率,而且降低装置在整个使用寿命期间的维护成本。此外,假如我们拥有智能灯开关,能够感测房间里的活动并利用定时器进行开关,那又会如何?现在所有类型的荧光灯都已遇到了前述的功率因数问题,即荧光灯的负载会造成三端双向可控硅管无法触发,导致器件无法正常工作,除非灯具负载为白炽灯。这样的话,即使有人活动,房间还是会一片漆黑;或者我们发明出能适用于任何负载的器件,但投资回报是否可行呢? 若我们在前面提到的LED装置中整合智能灯开关,或许会变得很有意义。

让我们再来看看消费者的电器负载情况吧!待机功耗很重要,虽然改进了HVAC电机,但冰箱系统仍数十年如一日地采用陈旧的技术 。 如果我们能够更常规性、更具有成本效益地在冰箱压缩机上使用电子驱动装置,情况又会怎么样呢? 风力发电机组和太阳能板逐渐成为可行的能量来源,要利用这些系统的电力输出来为我们的85-265 VAC、50-60 Hz设备供电,就必需使用功率电子产品来实现直流到交流的高效转换。在汽车领域,混合电力已然是现实,而可插拨混合动力即将出现。我们将可以一边使用空调,一边观看足球比赛 — 如果孩子可以在炎热的天气下踢球,我们也应该能够在酷暑下站在一旁观看!有时我们也许不得不关掉空调。

我们可以使系统的效率更高,增加预测和智能控制功能,以便预估相关需求,并在不使用的时候关断系统,从而节省能源。不过,明智的消费者也是节能的一个关键因素。用户往往根据自己的经济状况决定购买与否,而我们不得不基于投资回报、降低产品寿命期间的替换和维护成本等多个因素来对商品进行评估。立法机关方面可以予以协助,例如,目前其正在公开执行一项强制措施 ,即不再使用白炽灯。

很显然,我们需要把工程、立法和商业资源投入到那些投资回报率最大的领域,设定进取的能效目标,并且努力把它实现。同时待机功率也很重要,已经到了需要着手解决造成能效低下的主要问题的时候,就好像噪声级问题一样。功率电子产品将在提高效率和功能性、降低消费者总体拥有成本,并节省宝贵资源方面起着关键的推动作用。


参考文献:

ESTIMATING TOTAL POWER CONSUMPTION BY SERVERS IN THE U.S. AND THE WORLD
Jonathan G. Koomey, Ph.D. Staff Scientist, Lawrence Berkeley National Laboratory and
Consulting Professor, Stanford University JGKoomey@stanford.edu, http://www.koomey.com

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