Оскільки світ намагається вирішити проблему запобігання катастрофічним змінам клімату, енергетична галузь визнана найважливішою сферою зменшення викидів вуглецю. Тому більше половини штатів США прийняли директиви щодо відновлюваної електроенергії, включаючи деякі найбільші штати, такі як Каліфорнія, Техас та Нью-Йорк, а Директива ЄС щодо відновлюваної енергії встановлює подібні цілі. Особливо через періодичність та мінливість енергії вітру та сонячної енергії, інтеграція відновлюваних джерел енергії стає дедалі серйознішим викликом для комунальних підприємств.
За останні десять років вартість енергії вітру та сонячної енергії різко впала. У багатьох випадках вони мають конкурентну перевагу над викопним паливом, особливо коли вони використовуються в масштабі мережі. Комерційні та промислові установки також надзвичайно економічні, про що свідчить той факт, що такі компанії, як Wal-Mart, Target та Amazon, розмістили велику кількість сонячних панелей на складах та в роздрібних торгових точках. З постійним розвитком офшорної енергії вітру та нефіксованою технологією сонячних панелей застосовувані пункти відновлюваної енергії також розширюються.
У поєднанні з постійно зростаючим сонячним потенціалом, інша проблема для комунальних підприємств полягає в тому, що інтеграція розподіленої енергії не знаходиться під їх контролем. Деякі штати вводять обов’язкові норми щодо чистого обліку або витрат на подачу електроенергії, виробленої лічильниками, що додає складності та впливає на доходи від комунальних послуг.
Ще одна велика проблема також пов'язана зі зміною клімату: безпекою та надійністю мережевої інфраструктури. Нещодавні пожежі в Каліфорнії та банкрутство PG&E - ранні ознаки того, як екстремальні погодні та кліматичні зміни вплинуть на електромережу. PG& E навіть зараз проводить профілактичні масштабні відключення електроенергії для захисту обладнання, споживачів та лісів.
Ще одним ресурсом, що додається до цієї комбінації, є накопичення енергії. Накопичення енергії може мати різні форми, включаючи насосні накопичувачі, великі маховики, підводні подушки безпеки під тиском і навіть крани, що піднімають величезні бетонні блоки. Багато з цих варіантів вимагають масштабного будівництва для економії коштів або вимагають дуже конкретних географічних особливостей.
Найвизначніша і найбільш швидкозростаюча технологія накопичення енергії - це акумулятори. Батареї мають високу масштабованість і можуть використовуватися від побутового масштабу до масштабу електростанції. Вони також можуть бути розміщені практично в будь-якому місці без необхідності детальної екологічної оцінки, будівництва інфраструктури та врахування місцевих норм, таких як традиційні електростанції. Врешті-решт компанії підтвердили, що вони можуть встановити великі акумулятори всього за півроку, що суттєво контрастує з десятиліттями, необхідними для планування та підтримки виробництва енергії з викопного палива.
Зберігання енергії приносить багато переваг, особливо в поєднанні з періодично відновлюваною енергією. Найбільш очевидним використанням накопичувача енергії є енергетичний арбітраж. Коли ціни на електроенергію низькі, енергія зберігається, а потім повертається до мережі, коли ціни на електроенергію високі. У сонячний день, коли фотоелектричні (PV) джерела генерують надмірну потужність, електроенергія може надходити в накопичувальний елемент, так що ці" must-take" ресурси можуть бути використані в найбільшій мірі. Вночі, коли виробництво сонячної енергії зменшується, акумулятор подаватиме втрачену потужність, а генерація енергії базового навантаження зростатиме. Тому багато великих акумуляторних установок розміщено в тому ж місці, що і сонячні ферми.
Якщо PG& E вимкне споживачів, коли ризик пожежі високий, акумулятори та сонячні батареї захистять будинки та підприємства від перебоїв з електромережею, тим самим підтримуючи важливі процеси та не даючи їжі псуватись. Крім того, енергетичні оператори зараз координують та контролюють розподілені джерела енергії як" віртуальні електростанції" які виробляють, зберігають та передають електроенергію відповідно до попиту. У деяких випадках це включає відповідь на попит, коли електричне навантаження переноситься на непікові години.
Ключовим інтерфейсом для підключення до мережі джерел вітру, фотоелектрики та батареї є інвертор. Простіше кажучи, інвертор перетворює потужність постійного струму в потужність змінного струму і синхронізує його з електричною частотою 60 Гц мережі. На рисунку 1 показана спрощена схема сонячної панелі, підключеної до електромережі, зосереджена на конструкції інвертора. Існує багато стилів інверторів, включаючи односпрямовані та двонаправлені та багаторівневі інверторні мульти-топологічні структури. Кожна топологія має свої переваги та недоліки за певних обставин. Ключовим компонентом інвертора є вимикач живлення, показаний на малюнку у вигляді біполярного транзистора із ізольованим затвором (IGBT).
Інвертор: інвертор
ACGrid: сітка змінного струму
Інвертор використовує мікропроцесор, відповідне виявлення та зворотний зв'язок, а також правильні алгоритми для надання різноманітних послуг в електромережі, а не просто для зберігання та вивільнення електричної енергії. Одним із прикладів є підтримка напруги, регулювання частоти та зменшення гармоніки для підтримки якості енергії. Розподілена енергія може зменшити навантаження на мережі передачі та розподілу електроенергії, оскільки електрична енергія використовується близько до виробництва електроенергії. Це може зменшити напругу та затори в електромережі і навіть відкласти оновлення лінії електропередач.
Коли велика кількість енергії проходить через інвертор, перетворення між змінним та постійним струмом має бути дуже ефективним. Насправді пікова ефективність комерційних інверторів становить 96-98%. Але оператори мереж хочуть підвищити енергоефективність, особливо в масштабі комунальних послуг, оскільки невеликі зміни в енергоефективності все одно означають багато електроенергії.
Для досягнення цих рівнів енергоефективності енергетичні пристрої повинні мати дуже низькі втрати. Сьогодні IGBT став основним перемикачем для цих програм. Однак струм провідності IGBT становить кілька сотень ампер, блокуючи напруги в кілька тисяч вольт. Він виготовляється з кремнію за допомогою процесу, подібного до процесу виробництва високопродуктивних обчислювальних чіпів для мобільних телефонів та центрів обробки даних.
Однак очікується, що нові матеріали досягнуть більш високих показників, вищої енергоефективності та вищої надійності. Зокрема, карбід кремнію (SiC) є матеріалом майбутнього. Електронні пристрої SiC мають менші втрати на провідність та комутацію, ніж аналогічні кремнієві пристрої. Перший етап переходу включає діод низького рівня, як показано на малюнку 1, який підключений до IGBT антипаралельно. Заміна кремнієвих діодів на діоди SiC може зменшити втрати та зменшити перевитрати при перемиканні, зменшуючи тим самим напруження на інвертор. Незважаючи на те, що діоди SiC дорожчі за кремній діоди, менший радіатор і розмір системи можуть зменшити загальну вартість системи.
SiCMOSFET - це наступний етап переходу. Швидкість перемикання SiC-МОП-транзисторів набагато швидша, ніж у кремній-IGBT, тому їх використання на стадії підсилення сонячних систем виробництва енергії приносить більші переваги. Як правило, для збільшення вихідної напруги сонячної панелі використовується перетворювач постійного струму. МОП-транзистори SiC можуть перемикатися швидше, зменшуючи тим самим розмір дорогих пасивних компонентів, таких як індуктори на стадії підвищення, і покращуючи ефективність.
ON Semiconductor забезпечує безліч IGBT, діодів SiC та MOS-транзисторів SiC для задоволення вимог напруги та струму різних інверторів. Найпопулярнішим є силовий модуль, який поєднує в собі безліч різних вимикачів та діодів для досягнення невеликих розмірів, простоти конструкції та ефективного відведення тепла. Окрім основних силових електронних пристроїв, ON Semiconductor також забезпечує драйвери затвора, гальванічну ізоляцію та високопродуктивні операційні підсилювачі для завершення роботи системи.
З удосконаленням відновлюваної енергії та технологією накопичення енергії та зменшенням витрат&"зворотна зміна &"; енергомережі продовжує продовжувати рухатися все швидше. На додаток до зменшення викидів вуглецю та забруднення, інвертори також підтримують більш гнучку та спільну енергетичну мережу, розмиваючи межі між споживачами та виробниками. Правильний контроль та координація діяльності енергетичних компаній може покращити якість електроенергії, зменшити витрати на оновлення та надати користувачам більш надійні послуги. Силова електроніка - це ключова технологія, яка забезпечує оновлення нашої критичної інфраструктури.