Kun maailma pyrkii vastaamaan katastrofaalisen ilmastonmuutoksen estämisen haasteeseen, sähköntuotantoteollisuus on tunnustettu tärkeimmäksi alueeksi hiilipäästöjen vähentämisessä. Siksi yli puolet Yhdysvaltojen osavaltioista on antanut uusiutuvaa sähköä koskevia direktiivejä, mukaan lukien jotkut suurimmista osavaltioista, kuten Kalifornia, Texas ja New York, ja Euroopan unionin uusiutuvaa energiaa koskeva direktiivi on asettanut samanlaiset tavoitteet. Erityisesti tuulienergian ja aurinkoenergian ajoittaisuuden ja vaihtelevuuden vuoksi uusiutuvien energialähteiden integrointi on yhä vakavampi haaste julkisille laitoksille.
Viimeisten kymmenen vuoden aikana tuuli- ja aurinkoenergian kustannukset ovat laskeneet voimakkaasti. Monissa tapauksissa niillä on kilpailuetu fossiilisiin polttoaineisiin nähden, etenkin kun niitä käytetään verkon mittakaavassa. Kaupalliset ja teolliset mittalaitteet ovat myös erittäin taloudellisia, mistä on osoituksena se, että yritykset, kuten Wal-Mart, Target ja Amazon, ovat sijoittaneet suuren määrän aurinkopaneeleja varastoihin ja vähittäiskauppoihin. Merituulivoiman ja kiinteän aurinkopaneeliteknologian jatkuvan kehityksen myötä myös uusiutuvan energian sovellettavat kohdat laajenevat.
Yhdessä jatkuvasti kasvavan aurinkokapasiteetin kanssa, laitosten toinen haaste on, että hajautetun energian integrointi ei ole heidän hallinnassaan. Jotkut valtiot asettavat pakollisia määräyksiä mittareiden tuottaman sähkön takana oleville nettomittauksille tai syöttömaksuille, mikä lisää monimutkaisuutta ja vaikuttaa yleishyödyllisiin tuloihin.
Toinen suuri haaste liittyy myös ilmastonmuutokseen: verkkoinfrastruktuurin turvallisuus ja luotettavuus. Viimeaikaiset tulipalot Kaliforniassa ja PG& E: n konkurssi ovat varhaisia merkkejä siitä, kuinka äärimmäinen sää ja ilmastonmuutos vaikuttavat sähköverkkoon. PG& E tekee jo nyt ennaltaehkäiseviä suuria sähkökatkoksia laitteiden, asiakkaiden ja metsien suojelemiseksi.
Toinen tähän yhdistelmään lisätty resurssi on energian varastointi. Energian varastointi voi olla monenlaista, mukaan lukien pumpattava varastointi, suuret vauhtipyörät, vedenalaiset paineistetut turvatyynyt ja jopa nosturit, jotka nostavat valtavia betonilohkoja. Monet näistä vaihtoehdoista edellyttävät laajamittaista rakentamista kustannusten säästämiseksi tai vaativat hyvin erityisiä maantieteellisiä piirteitä.
Näkyvin ja nopeimmin kasvava energian varastointitekniikka on paristot. Paristot ovat erittäin skaalautuvia ja niitä voidaan käyttää kotitalouksien mittakaavasta voimalaitoksen mittakaavaan. Ne voidaan myös ottaa käyttöön melkein missä tahansa ilman tarvetta laajamittaiseen ympäristöarviointiin, infrastruktuurin rakentamiseen ja paikallisten määräysten, kuten perinteisten voimalaitosten, huomioon ottamiseen. Loppujen lopuksi yritykset ovat vahvistaneet, että ne voivat asentaa suuret paristot vain kuudessa kuukaudessa, mikä on jyrkässä ristiriidassa vuosikymmenien kanssa, joita tarvitaan fossiilisten polttoaineiden sähköntuotannon suunnitteluun ja tukemiseen.
Energian varastointi tuo monia etuja, erityisesti yhdistettynä ajoittaiseen uusiutuvaan energiaan. Energian varastoinnin ilmeisin käyttö on energian arbitraasi. Kun sähkön hinta on alhainen, energia varastoidaan ja lähetetään sitten takaisin verkkoon, kun sähkön hinta on korkea. Aurinkoisena päivänä, kun aurinkosähkölähteet tuottavat liiallista tehoa, sähkö voi virrata varastointielementtiin, niin että nämä&"täytyy kuluttaa &"; resursseja voidaan hyödyntää eniten. Yöllä, kun aurinkosähköntuotanto vähenee, akku toimittaa menetetyn virran ja peruskuorman sähköntuotanto kasvaa. Siksi monet laajamittaiset akkutilat sijaitsevat samassa paikassa kuin aurinkotilat.
Jos PG& E sulkee asiakkaita, kun tulipalon vaara on suuri, paristot ja aurinkopaneelit suojaavat koteja ja yrityksiä sähkökatkoilta ja pitävät kriittiset prosessit käynnissä ja estävät ruokaa pilaantumasta. Lisäksi teho-operaattorit koordinoivat ja ohjaavat hajautettuja energialähteitä &, virtuaaliset voimalaitokset &, jotka tuottavat, varastoivat ja siirtävät sähköä kysynnän mukaan. Joissakin tapauksissa tähän sisältyy kysyntäjousto, jossa sähkökuorma siirretään ruuhka-aikoihin.
Tärkein käyttöliittymä tuuli-, aurinkosähkö- ja akkulähteiden liittämiseksi verkkoon on invertteri. Yksinkertaisesti sanottuna invertteri muuntaa tasavirran vaihtovirraksi ja synkronoi sen verkon 60 Hz: n sähköiseen taajuuteen. Kuvassa 1 on yksinkertaistettu kaavio verkkoon liitetystä aurinkopaneelista, joka keskittyy invertterin rakenteeseen. Invertterityylejä on monia, mukaan lukien yksisuuntaiset ja kaksisuuntaiset sekä monitasoiset invertterien monitopologiset rakenteet. Jokaisella topologialla on omat edut ja haitat erityisolosuhteissa. Taajuusmuuttajan avainkomponentti on virtakytkin, joka on esitetty kuvassa eristettynä hila-kaksisuuntaisena transistorina (IGBT).
Taajuusmuuttaja: invertteri
ACGrid: AC-verkko
Taajuusmuuttaja käyttää mikroprosessoria, asianmukaista havaitsemista ja palautetta sekä oikeita algoritmeja tarjotakseen erilaisia palveluja verkkoon, ei vain sähköenergian varastointiin ja vapauttamiseen. Yksi esimerkki on jännitteen tuki, taajuuden säätö ja harmoninen alennus virran laadun ylläpitämiseksi. Jaettu energia voi vähentää voimansiirto- ja jakeluverkkojen kuormitusta, koska sähköenergiaa käytetään lähellä sähköntuotantoa. Tämä voi vähentää sähköverkon rasitusta ja ruuhkia ja jopa lykätä voimajohdon päivitystä.
Kun taajuusmuuttajan läpi kulkee suuri määrä tehoa, muunnoksen vaihtovirran ja tasavirran välillä on oltava erittäin tehokasta. Itse asiassa kaupallisten taajuusmuuttajien huipputehokkuus on 96-98%. Mutta verkko-operaattorit haluavat korkeamman energiatehokkuuden, erityisesti yleishyödyllisten palvelujen mittakaavassa, koska pienet energiatehokkuuden muutokset tarkoittavat silti paljon sähköä.
Näiden energiatehokkuustasojen saavuttamiseksi voimalaitteiden on oltava erittäin pieniä häviöitä. Tänään IGBT: stä on tullut näiden sovellusten pääkytkin. IGBT: n johtovirta on kuitenkin useita satoja ampeereja, mikä estää useita tuhansia voltteja. Se on valmistettu piistä käyttämällä prosessia, joka on samanlainen kuin mitä käytetään korkean suorituskyvyn tietokonepiirien valmistamiseen matkapuhelimille ja palvelinkeskuksille.
Uusien materiaalien odotetaan kuitenkin saavuttavan paremman suorituskyvyn, paremman energiatehokkuuden ja paremman luotettavuuden. Erityisesti piikarbidi (SiC) on tulevaisuuden materiaali. Piikarbidin tehoelektroniikkalaitteiden johtavuus- ja kytkentähäviöt ovat pienemmät kuin vastaavilla piilaitteilla. Siirtymän ensimmäiseen vaiheeseen liittyy matalan tason diodi, kuten kuvassa 1 on esitetty, joka on kytketty IGBT: hen rinnakkain. Piidiodien korvaaminen piikarbidiodeilla voi vähentää häviöitä ja vähentää ylitystä kytkennän aikana, mikä vähentää taajuusmuuttajan rasitusta. Vaikka piikarbidiodit ovat kalliimpia kuin piidiodit, pienempi jäähdytyselementti ja järjestelmän koko voivat vähentää järjestelmän kokonaiskustannuksia.
SiCMOSFET on siirtymisen seuraava vaihe. SiC MOSFET -laitteiden kytkentänopeus on paljon nopeampi kuin pii-IGBT-laitteiden, joten niiden käyttö aurinkosähköjärjestelmien tehostusvaiheessa tuo suurempia etuja. Yleensä DC-DC-muunninta käytetään lisäämään aurinkopaneelin lähtöjännitettä. SiC MOSFET -laitteet voivat vaihtaa nopeammin, mikä pienentää kalliiden passiivisten komponenttien, kuten induktorien, kokoa tehostusvaiheessa ja parantaa tehokkuutta.
ON Semiconductor tarjoaa erilaisia IGBT: itä, SiC-diodeja ja SiC MOSFET -laitteita erilaisten taajuusmuuttajien jännite- ja virtavaatimusten täyttämiseksi. Suosituin on tehomoduuli, joka pakkaa monia erilaisia virtakytkimiä ja diodeja yhteen pienen koon, helpon suunnittelun ja tehokkaan lämmöntuoton saavuttamiseksi. Pääsähköelektroniikkalaitteiden lisäksi ON Semiconductor tarjoaa myös porttiohjaimet, galvaanisen eristyksen ja tehokkaat operatiiviset vahvistimet järjestelmän täydentämiseksi.
Uusiutuvan energian ja energian varastointiteknologian kehittyessä ja kustannusten laskiessa&tarkoittaa käänteistä muutosta &. sähköverkosta etenee edelleen yhä nopeammin. Hiilidioksidipäästöjen ja pilaantumisen vähentämisen lisäksi invertterit tukevat myös joustavampaa ja osallistuvampaa sähköverkkoa, mikä hämärtää kuluttajien ja tuottajien välisiä rajoja. Voimayhtiöiden oikea hallinta ja koordinointi voi parantaa sähkön laatua, vähentää päivityskustannuksia ja tarjota käyttäjille luotettavampia palveluja. Tehoelektroniikka on avainteknologia, joka mahdollistaa kriittisen infrastruktuurimme päivittämisen.