在持續(xù)穩(wěn)定地使用能源的過程中，先進功率電子技術(shù)的應(yīng)用、提高設(shè)備的能效比、大規(guī)模使用太陽能發(fā)電等措施，可以推進節(jié)能減排，幫助全人類進入“綠色能源”時代。
石油等傳統(tǒng)化石能源的產(chǎn)量呈現(xiàn)下降的趨勢，伴隨著日益增長的能源需求，全球能源供應(yīng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在開發(fā)新一代能源的同時，提高現(xiàn)有能源的使用效率，即節(jié)能，是一項重要的應(yīng)對手段。而化石燃料的消耗迅速上升，還會帶來一些問題，包括以二氧化碳為主的溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖。這使得在節(jié)能的同時，減排也成為了全世界關(guān)注的問題。
2009年11月，國務(wù)院公布了我國的溫室氣體減排目標(biāo)，即到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放要比2005年下降40%－45%。因此，各行各業(yè)都應(yīng)該擔(dān)負(fù)起節(jié)能減排的社會責(zé)任。在持續(xù)穩(wěn)定地使用能源的過程中，有哪些技術(shù)和措施可以推進節(jié)能減排，幫助全人類進入“綠色能源”時代？
措施一：電能技術(shù)革新
電能是使用最普遍的二次能源。在發(fā)達國家中一半左右的一次能源，如煤、石油、天然氣、鈾礦等，會被用來發(fā)電，電氣化率因此成為衡量國家現(xiàn)代化程度的重要指標(biāo)。典型的能源系統(tǒng)包括產(chǎn)生、傳輸、使用三個環(huán)節(jié)。電能在傳輸環(huán)節(jié)有獨特的優(yōu)勢，能夠以光速方便快捷地傳輸能量。出于對遠(yuǎn)距離輸電和旋轉(zhuǎn)動力的需求，三相交流制式得到了普及應(yīng)用。從大約一百年前直到現(xiàn)在，幾乎所有國家都采用50Hz或60Hz的三相交流制式輸電。
為了達到節(jié)能減排的目的，傳統(tǒng)電能技術(shù)需要進行革新。在發(fā)電環(huán)節(jié)，新能源技術(shù)的比例逐步增加，典型新能源發(fā)電裝置的輸出，是頻率和電壓均變化的交流電（風(fēng)力發(fā)電）或電壓變化的直流電（太陽能發(fā)電）；在用電環(huán)節(jié)，要求電機（用電量約占總發(fā)電量一半）的旋轉(zhuǎn)速度隨用戶要求而改變，以節(jié)約電能；在輸電環(huán)節(jié)，要求電網(wǎng)能夠在保持頻率穩(wěn)定的同時，具有更好的穩(wěn)定性和柔性，以提高電網(wǎng)利用率。
所有這一切，都需要能夠在定頻定壓的三相交流電，以及變頻（或直流）變壓的能量源（或用電器）之間，實現(xiàn)高效互聯(lián)的功率變換的裝置。功率電子技術(shù)恰好滿足了這一需求。
功率電子技術(shù)
功率電子技術(shù)是使用功率半導(dǎo)體技術(shù)對電能進行變換的技術(shù)。功率變換器是功率電子技術(shù)的具體載體，其通過現(xiàn)代控制技術(shù)，對功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，進行動態(tài)控制，完成不同能量形式之間的轉(zhuǎn)換。功率電子技術(shù)在革新傳統(tǒng)電能技術(shù)，促進節(jié)能減排方面的作用體現(xiàn)在能源系統(tǒng)的三個環(huán)節(jié)。
在發(fā)電環(huán)節(jié)，新能源發(fā)電是節(jié)能減排的重要方向。預(yù)計到2020年，我國風(fēng)電裝機約為1.5億千瓦，太陽能裝機為2000萬千瓦。新能源發(fā)電具有發(fā)電電壓和頻率均與現(xiàn)有電力系統(tǒng)不匹配的特征，因此需要功率變換器作為連接電網(wǎng)的接口，以實現(xiàn)能量的可靠輸送，即并網(wǎng)。
目前用于風(fēng)能、太陽能的功率變換器功率可達MW量級，且必須具有電網(wǎng)故障穿越的能力，以保證在電網(wǎng)暫態(tài)電壓跌落時，仍能與電網(wǎng)連接，并支撐電網(wǎng)電壓。
在用電環(huán)節(jié)，功率電子技術(shù)用于電機控制，可以起到節(jié)能作用。我國“十一五”規(guī)劃目標(biāo)要求降低電機用電量2%，即年均節(jié)電200億度，相當(dāng)于節(jié)約兩個三峽水電站的年發(fā)電量。為了達成節(jié)電目標(biāo)，電機負(fù)載主要為風(fēng)機水泵類型，采用功率電子技術(shù)平均節(jié)電約20%。
在輸電環(huán)節(jié)，以柔性交流輸電技術(shù)、靜止無功補償技術(shù)、基于SCR的高壓直流輸電技術(shù)和基于IGBT的輕型直流輸電技術(shù)為代表的功率電子技術(shù)，是智能電網(wǎng)的重要核心技術(shù)。在輸出能量波動較大的風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝置大規(guī)模引入電網(wǎng)后，上述基于電力系統(tǒng)應(yīng)用的功率變換器，可以通過控制電網(wǎng)的潮流分布和提高電網(wǎng)穩(wěn)定裕度，達到提高電網(wǎng)傳輸效率，節(jié)能減排的目的。
除此以外，功率電子技術(shù)在新能源汽車、機車牽引、儲能等諸多促進節(jié)能減排的領(lǐng)域，也起到了重要作用。
功率半導(dǎo)體器件
功率半導(dǎo)體器件是功率電子技術(shù)的核心。從1958年美國通用電氣公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器，進入由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變流器時代。
功率半導(dǎo)體器件是發(fā)電、輸電、變配電、用電、儲能的核心部件，用于電能分配、電能轉(zhuǎn)換、電能控制，起到改善電力、控制電能、節(jié)能環(huán)保的作用。它對電能的控制，類似于水龍頭對水流的調(diào)節(jié)和控制，可對電流、電壓、功率、頻率，進行精確高效的控制和變換。
功率電子裝置（產(chǎn)品）的重要特征參數(shù)是效率。功率半導(dǎo)體器件作為能源輸送的通道，其能效直接影響整機系統(tǒng)的整體效率。功率半導(dǎo)體器件依照設(shè)備的要求，變換電源的電壓與頻率等，同時將功率送到各個元器件中。從電子設(shè)備整體來看，功率半導(dǎo)體器件耗能越低，設(shè)備的能源利用率就越高。這使功率半導(dǎo)體成為節(jié)能減排的關(guān)鍵點。
在國際范圍內(nèi)，功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，包括以大功率二極管、晶閘管（Silicon Controlled Rectifier—SCR）作為代表的第一代器件；20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的稱之為第二代的自關(guān)斷器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）、大功率雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT或Giant Transistor—GTR）等；以及20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的以絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT或IGT）為代表的第三代復(fù)合導(dǎo)電機構(gòu)的場控半導(dǎo)體器件。
值得指出的是，這三個階段是交叉并行的，新一代器件的出現(xiàn)并不意味著老的器件被淘汰。全球SCR產(chǎn)量仍占全部功率半導(dǎo)體器件總數(shù)的一半，是目前高壓、大電流裝置中不可替代的元件。
20世紀(jì)80年代后期，功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢是模塊化、集成化，即按照電力電子電路的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個相同的功率半導(dǎo)體器件或不同的功率半導(dǎo)體器件，封裝在一個模塊中。這樣可縮小器件體積、降低成本、提高可靠性。IGBT的發(fā)展方向是高壓、大電流，不斷占去部分晶閘管的市場份額。
在SCR、GTO時代，我國的研制、生產(chǎn)能力與國際相當(dāng)。遺憾的是，在國外開始IGBT產(chǎn)業(yè)化時，我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展停滯了近30年。直到2006年11月，在汪梄生院士和多位技術(shù)專家的呼吁下，以及政府的支持下，情況才有了一些改變。以華為為代表的企業(yè)，正努力將通信領(lǐng)域的電子信息控制技術(shù)應(yīng)用于電力（功率）電子產(chǎn)業(yè)，以實現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)換和利用，為ICT領(lǐng)域節(jié)能減排開辟出一條全新的道路。總體來說，我國正逐步整合構(gòu)建獨立自主的電力（功率）電子產(chǎn)業(yè)，向國際先進水平邁進。
措施二：提高設(shè)備能效比
未來的能源使用中，能源使用效率（能效）和碳排放的管理至關(guān)重要，是避免“炭”壁壘的基礎(chǔ)。節(jié)約一度電比生產(chǎn)一度再生電力更重要。
在ICT領(lǐng)域，節(jié)能減排空間巨大。通常情況下，IT設(shè)備或通訊設(shè)備的耗電不到IDC機房或者BTS基站耗電的50%，即PUE值（總耗電與IT或CT設(shè)備耗電之比）大于2。
所以說節(jié)能減排需要綜合的能效管理系統(tǒng)，精確地測量各用電部件的功耗，全天候的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析和綜合管理。為了將PUE值降到1.2以下，智能、精準(zhǔn)的綜合能效管理需要圍繞高能效去設(shè)計產(chǎn)品和E2E解決方案，如IDC中采用的對IT機房的綜合管理、Row級精確溫控及能效管理、Rack級的精確溫控及能效管理等手段。
設(shè)備本身的節(jié)能減排，首先要降低IT、CT設(shè)備的功耗，采取智能調(diào)度、服務(wù)遷移、智能休眠等節(jié)能措施；其次要做到精確的能源供給，在保障供電安全的前提下，適配電池、電源及UPS等；第三要通過能效管理系統(tǒng)的精確調(diào)度，做到精準(zhǔn)的制冷和散熱，綜合利用空調(diào)、直通風(fēng)、熱交換等技術(shù)，保障ICT設(shè)備的安全運行，以保證綜合能效比最高。
措施三：高能效太陽能發(fā)電
根據(jù)全球能源市場研究公司Clean Edge Inc.發(fā)布的《清潔能源發(fā)展趨勢》報告預(yù)測，三大主要綠色能源行業(yè)，即太陽能發(fā)電、風(fēng)能和生物燃料并駕齊驅(qū)，到2019年在全球的綜合收入將達到3259億美元。
最近幾年，第三代III-V族元素化合物多結(jié)太陽能電池技術(shù)得到突破。以這種電池為核心部件組成的聚光太陽能CPV發(fā)電系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化效率高于火力發(fā)電和傳統(tǒng)核能發(fā)電，已經(jīng)開始規(guī)模應(yīng)用，也吸引了大量投資用于產(chǎn)業(yè)化。
例如，2011年6月，西門子收購美國Semprius太陽能科技公司16%的股份，Semprius公司聚焦轉(zhuǎn)換效率可以達40%的III-V族元素化合物多結(jié)太陽能電池及設(shè)備的生產(chǎn)。美國波音光譜實驗室（Boeing Spectrolab）中的三結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率，在364倍的聚光倍率下已達到41.6%，量產(chǎn)產(chǎn)品達到40.7%。另外一家美國公司Emcore，其量產(chǎn)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率為39%，1cm2的三結(jié)電池在500倍聚光下輸出8A電流，相當(dāng)于7張5英寸多晶硅電池，能大大減少半導(dǎo)體的用量。
由于產(chǎn)生了規(guī)模效應(yīng)，III-V多結(jié)聚光太陽能CPV系統(tǒng)的端到端成本正在大幅度下降。EU Photovoltaic Technology Platform預(yù)測，其產(chǎn)量將從20MW提升到200MW，系統(tǒng)成本將從2.12歐元/W降低到1.07歐元/W。再加上CPV在占地面積上的優(yōu)勢，發(fā)電成本會很快降低到0.07$/ kWh，應(yīng)用前景看好。
