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功率電子產品的重點在于能效

更新日期:2007-12-19  作者:  來源:光學精密機械網(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

來源:21IC中國電子  作者:飛兆半導體公司現場應用工程總監 Kevin Parmenter


近來,立法工作和廣告活動都把焦點集中在能源使用的一個重要方面,也是功率電子產品能夠產生積極作用的地方 — 即待機功耗。許多法規,比如 Blue Angel (藍天使) 和 Top Runner (領跑者),都要求許多電子產品的待機功耗必須小于1瓦特。有些全球性標準是自愿性,另一些則是強制性的。功率電子行業已推出一系列相關的解決方案,而業界不少精英專才一直在致力于降低包括復印機,消費電子產品以及電池適配器和充電器等產品的待機功耗。

有一兩家公司在進行密切的跟蹤評估工作,以估算出用戶通過整合其解決方案能夠節省多少能量,這是一件好事。不過,且讓我們回過頭去看看作為消費者在實際生活中常常遇到的真正挑戰,以及功率電子產品可如何發揮作用。 
 
舉例說,消費者起床后會利用熱水器洗一個熱水澡,而熱水器其實是效率最差的發明之一。水箱會全天候 (每周7天每天24小時) 保持熱水溫度,以滿足消費者隨時的需要,這實在是效率很低的設備。大部分消費者把手機從墻上的充電器拔離后,往往會把充電器留在原地,雖然幸好在不充電時它只消耗不到1瓦特的待機功率。設想消費者的孩子 (正如大多數孩子一樣) 總是忘記關掉壁櫥的燈,讓60瓦的燈泡沒必要地整天開著。當消費者不在家時,冰箱的壓縮機也一直啟動著,并使用已過時但仍流行的壓縮電機來保鮮食物。再看看家里的空調,其壓縮機使用著同樣過時的技術,并且一天里啟動多次,以保持室內清涼 (若是制熱的話則保持溫暖)。

消費者工作的辦公室里有很多計算機和服務器。計算機和互聯網服務器正逐漸成為電力系統中相當大的耗電部分。隨著互聯網的使用日益普及,信息技術消耗著電廠輸出電能的一大部分。與服務器相關的電能使用量從2000年到2005年翻了一番,而美國的總計年增長率為14%,全球的總計年增長率更達到16%。功率電子產品便可以通過提高效率來改善這一重要的功率耗電量。

服務器及其它互聯網基礎設施的耗電量在整個社會總耗電量中所占的比例越來越大,而且,它們總處在運行過程中,而不會處于待機狀態。

就像工業時代的鋁和制造工廠的關系一樣,信息時代的服務器中心往往毗鄰大型水電及其它可再生能源。Koomey (2007) 報告指出:“最近幾年,隨著對新的互聯網服務 (比如音樂下載、視頻點播和互聯網電話) 的需求日益普及,這些領域的電力消耗量不斷增長,從未停步。”根據 Lawrence Berkeley 實驗室的統計:“2005年,服務器使用的總電力已達美國總耗電量的0.6% 左右。若把冷卻和輔助性基礎設施計算在內,這個數值更高達1.2%,相當于所有彩電的總耗電量,而且這個數據還在不斷的增加。2005年,美國和全球的總電力需求 (包括相關基礎設施) 分別等于大約5家和14家 1000 MW 發電廠的發電量。2005年,維持這些服務器及相關基礎設施工作所需的電力費用,美國和全球分別約為27億美元和72億美元。假設每臺服務器耗電仍然維持在2005年的水平,上述趨勢預示著到2010年,全球服務器消耗的電能將增長達40%。”這意味著它在整個社會的能耗費用中的比例更大。

再回頭看看消費者的一天,在下班回家的路上,他們驅車前往足球場觀看孩子踢球,但由于車外非常悶熱,只好讓汽車一直開動以保持空調運行。

所有這些的重點是什么呢?雖然待機功耗是總能耗的一部分,但它或許也是造成效率低下的帕雷托 (Paredo) 效應,而這也正是功率電子產品可以切入的發展方向。較之消費者的總體能源消耗量,充電器和消費者家中的其它所有處于待機狀態下設備的待機功耗雖然只是很小的部分,但積少成多。同時通過對家中較大型低效率的設備中使用適當的功率電子產品來省下更多的能源。

若消費者擁有“智能”熱水器,能夠隨時進行感測并按照“負載點”情況提供熱水,而不是讓巨大的水箱一直注滿熱水,那會怎么樣呢?這類應用的感測和控制當然會使用電子產品。

照明耗電在消費者的電費賬單中比例可觀,而CFL燈是節能技術發展的一大進步。不過,雖然功耗得以降低,但是這些新型燈管的功率因數仍然帶來了一些問題。帶有內置PFC和驅動器的LED燈可以提高效率,并且能在使用壽命期間實現統一的功率因數 。 不僅能提高效率,而且降低裝置在整個使用壽命期間的維護成本。此外,假如我們擁有智能燈開關,能夠感測房間里的活動并利用定時器進行開關,那又會如何?現在所有類型的熒光燈都已遇到了前述的功率因數問題,即熒光燈的負載會造成三端雙向可控硅管無法觸發,導致器件無法正常工作,除非燈具負載為白熾燈。這樣的話,即使有人活動,房間還是會一片漆黑;或者我們發明出能適用于任何負載的器件,但投資回報是否可行呢? 若我們在前面提到的LED裝置中整合智能燈開關,或許會變得很有意義。

讓我們再來看看消費者的電器負載情況吧!待機功耗很重要,雖然改進了HVAC電機,但冰箱系統仍數十年如一日地采用陳舊的技術 。 如果我們能夠更常規性、更具有成本效益地在冰箱壓縮機上使用電子驅動裝置,情況又會怎么樣呢? 風力發電機組和太陽能板逐漸成為可行的能量來源,要利用這些系統的電力輸出來為我們的85-265 VAC、50-60 Hz設備供電,就必需使用功率電子產品來實現直流到交流的高效轉換。在汽車領域,混合電力已然是現實,而可插撥混合動力即將出現。我們將可以一邊使用空調,一邊觀看足球比賽 — 如果孩子可以在炎熱的天氣下踢球,我們也應該能夠在酷暑下站在一旁觀看!有時我們也許不得不關掉空調。

我們可以使系統的效率更高,增加預測和智能控制功能,以便預估相關需求,并在不使用的時候關斷系統,從而節省能源。不過,明智的消費者也是節能的一個關鍵因素。用戶往往根據自己的經濟狀況決定購買與否,而我們不得不基于投資回報、降低產品壽命期間的替換和維護成本等多個因素來對商品進行評估。立法機關方面可以予以協助,例如,目前其正在公開執行一項強制措施 ,即不再使用白熾燈。

很顯然,我們需要把工程、立法和商業資源投入到那些投資回報率最大的領域,設定進取的能效目標,并且努力把它實現。同時待機功率也很重要,已經到了需要著手解決造成能效低下的主要問題的時候,就好像噪聲級問題一樣。功率電子產品將在提高效率和功能性、降低消費者總體擁有成本,并節省寶貴資源方面起著關鍵的推動作用。


參考文獻:

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 [email protected], http://www.koomey.com

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