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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。

关于术语本身的一点说明

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。

  1. 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。
  2. 系统面向用户负载提供电气输出接口。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

电动力学子类

电动力学子类涵盖的架构,其转换级基于电动力学相互作用,而不是基于光伏、热电或电化学效应。此处该术语用作分类标签,而不是对某个具体系统内部构造的描述。

VENDOR.Energy 的研发集中于固态供电系统的电动力学子类。

与系统本身有关的内容,位于各自负责的页面:

VENDOR 系统
系统的规范分类、产品层命名与当前状态
工作原理
转换路径的功能走向与产品接口
能量从何而来
能量归属,以及来源不是什么的清单
技术验证
验证协议、设备边界与验收判据

该类别与相邻架构的区别

下表区分的是系统内部的功能。它不评价适用性,也不比较性能。
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。

固态能量转换系统的应用场合

应用领域由具体的物理子类决定,而不是由整个类别决定。光伏、热电、热光伏、电化学与电动力学架构解决的问题不同,工作尺度也不同,从单个自供电传感器直到电网规模的装置。

对于基础设施供电,相关站点是那些分布式部署、不含常规旋转发电级以及电气输出直接接入本地供电系统三者同时具有实际意义的站点。

  • 电信基础设施
  • 边缘站点与分布式计算
  • 公用事业与水务基础设施
  • 位于偏远地点的工业资产
  • 本地直流基础设施

行业场景在解决方案一节展开。经济框架见经济性页面。

VENDOR.Energy 产品

产品层与分类体系分开处理。

当前分类与系统状态 — VENDOR 系统。

架构与具体站点的适配性通过结构化问卷评估。