固态供电系统:定义、架构与分类体系
固态供电系统(solid-state power system)把能量转换为电功率并输送至负载,其直接转换过程不包含常规的旋转机电发电级。该术语描述的是转换路径的构建方式,而不是能量的来源,也不是固态电池(solid-state battery)的同义词。其中一个子类是电动力学子类,VENDOR.Energy 的研发集中于该子类。
什么是固态供电系统
该类别的决定性特征是转换级的架构,也就是固态能量转换(solid-state energy conversion),而不是被转换能量的来源。
固态供电系统通过静止的材料、结构或电子器件把能量转换为电功率。该转换级中不出现常规的旋转机电换能器。
固态能量转换在科学文献中已有稳固地位,涵盖光伏、热电、热光伏以及固体氧化物电化学换能器。更上位的类别固态供电系统则尚无正式的行业标准。本页将这一上位类别作为分类框架,用于归纳转换级架构相同的各类系统;提出这一类别,也仅限于这一分类意义。
由此得出两点。两个系统获取能量的方式可以完全不同,只要转换级的架构相同,它们仍然属于同一类别。反过来,共同的能量来源本身并不足以把两个系统归入同一类别。
固态能量转换不等于固态储能
固态发电(solid-state power generation)是固态能量转换的功能之一。固态储能(solid-state energy storage)则是另一种性质的功能。在当前的搜索环境中,两者几乎会被自动混同,因此本页为这一区分单设一节。
| 术语 | 含义 |
|---|---|
| Solid-state energy conversion | 通过静止的材料、结构或电子器件把能量直接转换为电功率 |
| Solid-state power system | 一种把能量转换为电功率并输送至负载的系统,其中向电功率的直接转换由静止的材料、结构或电子器件完成,不使用常规的旋转机电换能器 |
| Solid-state power generation | 在固态供电系统内部产生电功率的功能 |
| Solid-state power conversion | 通过电力电子对已经获得的电功率进行调节 |
| Solid-state energy storage | 一类储能技术,其关键储能功能元件由固相材料实现 |
| Solid-state battery | 一种可充电的电化学蓄电池,以固体电解质取代液态或凝胶电解质 |
| Solid-state transformer | 一种承担变换与功率流控制的电力电子变换器;既不是能量来源,也不是储能装置 |
| Solid-state relay | 一种电力电子开关元件;既不是能量来源,也不是储能装置 |
储能系统回答的是能量如何被接收、如何在时间上保持、又如何返还给系统。供电系统在本分类体系中回答的是转换与功率输送如何完成。这是两种不同的功能,把它们归入同一类别是术语错误,而不是一种简化表述。
供电系统在什么条件下属于固态类别
架构同时满足以下五项条件时属于该类别。
- 向电功率的直接转换由静止的材料、结构或电子器件完成,不使用常规的旋转机电换能器。
- 系统面向用户负载提供电气输出接口。
- 该路径的主导功能是功率的转换与输送,而不是对此前接收的电能进行存储。
- 允许存在缓冲元件或储能元件;其存在既不使系统归入该类别,也不把系统排除在该类别之外。
- 该类别不确定能量来源;来源不是分类判据。
第三项条件承担主要作用。没有它,定义会立即把储能系统吸收进来,而这些系统在形式上满足其余全部条件,上一节确立的区分随之无法维持。
系统按其路径的主导功能分类,而不是按其所含元件的清单分类。
关于燃烧的单独说明。不存在燃烧循环是该类别中多数架构的特征,但并不是决定性属性:热能转换子类转换的是热流,而与这些热量是如何产生的无关。这一属性属于具体架构,而不属于该类别。
固态供电系统是一个类别,而不是单一物理机制
该类别包含若干子类。它们的共同点是转换级的架构,而不是共同的物理效应。
| 子类 | 转换机制 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 光伏 | 光伏效应 | 分布式发电 |
| 热电 | 塞贝克效应 | 余热利用、自供电传感器 |
| 热光伏 | 热辐射的光伏转换 | 高温热能转换 |
| 固体氧化物燃料电池 | 电化学转换 | 固定式发电 |
| 电动力学 | 电动力学转换 | 基础设施供电 |
该列表是开放的。新增子类不会改变类别的定义,因为类别由转换级的架构确定,而不是由一份预先给定的物理效应清单确定。
该类别与相邻架构的区别
| 架构 | 主导功能 | 旋转发电级 | 电能转换方式 |
|---|---|---|---|
| 电池、BESS | 存储与随后释放 | 无 | 电化学存储配合电力电子 |
| 柴油发电机组 | 发电 | 有 | 机械能转电能 |
| 光伏电站 | 转换与功率输送 | 无 | 光伏 |
| 电动力学固态供电系统 | 转换与功率输送 | 无 | 电动力学 |
详细对比另设专页:系统对比,其中包括与柴油方案的对比和与光伏加电池方案的对比。
架构与具体站点的适配性通过结构化问卷评估。
