Καθώς ο κόσμος αγωνίζεται να αντιμετωπίσει την πρόκληση της πρόληψης της καταστροφικής κλιματικής αλλαγής, η βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έχει αναγνωριστεί ως ο σημαντικότερος τομέας για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Ως εκ τούτου, περισσότερες από τις μισές πολιτείες των Ηνωμένων Πολιτειών έχουν θεσπίσει οδηγίες για τις ανανεώσιμες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων από τις μεγαλύτερες πολιτείες όπως η Καλιφόρνια, το Τέξας και η Νέα Υόρκη, και η οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει θέσει παρόμοιους στόχους. Ειδικά λόγω της διαλείπουσας και μεταβλητότητας της αιολικής και ηλιακής ενέργειας, η ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελεί ολοένα και πιο σοβαρή πρόκληση για τις δημόσιες επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας.
Τα τελευταία δέκα χρόνια, το κόστος της αιολικής και ηλιακής ενέργειας έχει μειωθεί απότομα. Σε πολλές περιπτώσεις έχουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα έναντι των ορυκτών καυσίμων, ειδικά όταν αναπτύσσονται σε κλίμακα δικτύου. Οι εμπορικές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι επίσης εξαιρετικά οικονομικές, όπως αποδεικνύεται από το γεγονός ότι εταιρείες όπως η Wal-Mart, η Target και η Amazon έχουν τοποθετήσει μεγάλο αριθμό ηλιακών συλλεκτών σε αποθήκες και τοποθεσίες λιανικής πώλησης. Με τη συνεχή ανάπτυξη υπεράκτιας αιολικής ενέργειας και μη σταθερής τεχνολογίας ηλιακών πάνελ, τα ισχύοντα σημεία ανανεώσιμης ενέργειας επεκτείνονται επίσης.
Σε συνδυασμό με την συνεχώς διευρυνόμενη οικιστική ηλιακή ικανότητα, μια άλλη πρόκληση για τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας είναι ότι η ενσωμάτωση της κατανεμημένης ενέργειας δεν είναι υπό τον έλεγχό τους. Ορισμένα κράτη επιβάλλουν υποχρεωτικούς κανονισμούς για την καθαρή μέτρηση ή τα τέλη τροφοδοσίας πίσω από την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τους μετρητές, γεγονός που προσθέτει πολυπλοκότητα και επηρεάζει τα έσοδα των επιχειρήσεων κοινής ωφέλειας.
Μια άλλη σημαντική πρόκληση σχετίζεται επίσης με την κλιματική αλλαγή: την ασφάλεια και την αξιοπιστία των υποδομών του δικτύου. Οι πρόσφατες πυρκαγιές στην Καλιφόρνια και η πτώχευση της PG&E είναι πρώιμα σημάδια για το πώς τα ακραία καιρικά φαινόμενα και η κλιματική αλλαγή θα επηρεάσουν το ηλεκτρικό δίκτυο. Η PG&E διεξάγει ακόμη και τώρα προληπτικές διακοπές ρεύματος μεγάλης κλίμακας για την προστασία του εξοπλισμού, των πελατών και των δασών.
Ένας άλλος πόρος που προστίθεται σε αυτόν τον συνδυασμό είναι η αποθήκευση ενέργειας. Η αποθήκευση ενέργειας μπορεί να λάβει πολλές μορφές, συμπεριλαμβανομένης της αντλημένης αποθήκευσης, των μεγάλων σφόνδυνων, των υποθαλάσσιων αερόσακων υπό πίεση, ακόμη και των γερανών που ανυψώνουν τους τεράστιους φραγμούς σκυροδέματος. Πολλές από αυτές τις επιλογές απαιτούν μεγάλης κλίμακας κατασκευή για εξοικονόμηση κόστους ή απαιτούν πολύ συγκεκριμένα γεωγραφικά χαρακτηριστικά.
Η πιο εμφανής και ταχύτερα αναπτυσσόμενη τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας είναι οι μπαταρίες. Οι μπαταρίες είναι ιδιαίτερα επεκτάσιμες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν από την οικιακή κλίμακα στην κλίμακα εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Μπορούν επίσης να αναπτυχθούν σε σχεδόν οποιαδήποτε τοποθεσία χωρίς την ανάγκη εκτεταμένης περιβαλλοντικής αξιολόγησης, κατασκευής υποδομών και εξέτασης τοπικών κανονισμών όπως οι παραδοσιακοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Στο τέλος, οι εταιρείες επιβεβαίωσαν ότι μπορούν να εγκαταστήσουν μεγάλες μπαταρίες σε μόλις έξι μήνες, γεγονός που έρχεται σε πλήρη αντίθεση με τις δεκαετίες που απαιτούνται για τον σχεδιασμό και την υποστήριξη της παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα.
Η αποθήκευση ενέργειας αποφέρει πολλά οφέλη, ειδικά όταν συνδυάζεται με διαλείπουσα ανανεώσιμη ενέργεια. Η πιο προφανής χρήση της αποθήκευσης ενέργειας είναι η ενεργειακή διαιτησία. Όταν οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλές, η ενέργεια αποθηκεύεται και στη συνέχεια αποστέλλεται πίσω στο δίκτυο όταν οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλές. Σε μια ηλιόλουστη μέρα, όταν οι φωτοβολταϊκές (φωτοβολταϊκές) πηγές παράγουν υπερβολική ενέργεια, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ρέει στο στοιχείο αποθήκευσης, έτσι ώστε αυτοί οι πόροι "πρέπει να καταναλώνουν" να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μεγαλύτερο βαθμό. Τη νύχτα, όταν η παραγωγή ηλιακής ενέργειας μειωθεί, η μπαταρία θα παρέχει τη χαμένη ισχύ και η παραγωγή ενέργειας βασικού φορτίου θα αυξηθεί. Ως εκ τούτου, πολλές μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις μπαταριών αναπτύσσονται στην ίδια θέση με τις ηλιακές εκμεταλλεύσεις.
Εάν η PG&E κλείσει τους πελάτες όταν ο κίνδυνος πυρκαγιάς είναι υψηλός, οι μπαταρίες και οι ηλιακοί συλλέκτες θα προστατεύσουν τα σπίτια και τις επιχειρήσεις από διακοπές ρεύματος, διατηρώντας έτσι τις κρίσιμες διαδικασίες σε λειτουργία και αποτρέποντας την αλλοίωση των τροφίμων. Επιπλέον, οι φορείς εκμετάλλευσης ηλεκτρικής ενέργειας συντονίζουν και ελέγχουν τώρα τις κατανεμημένες πηγές ενέργειας ως «εικονικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής» που παράγουν, αποθηκεύουν και μεταδίδουν ηλεκτρική ενέργεια ανάλογα με τη ζήτηση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό περιλαμβάνει απόκριση ζήτησης, όπου το ηλεκτρικό φορτίο μετατοπίζεται σε ώρες εκτός αιχμής.
Η βασική διεπαφή για τη σύνδεση πηγών ανέμου, φωτοβολταϊκών και μπαταριών στο δίκτυο είναι ο μετατροπέας. Με απλά λόγια, ο μετατροπέας μετατρέπει την ισχύ DC σε ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος και τη συγχρονίζει με την ηλεκτρική συχνότητα 60Hz του πλέγματος. Το σχήμα 1 δείχνει ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενός ηλιακού πάνελ συνδεδεμένου στο πλέγμα, εστιάζοντας στη δομή του μετατροπέα. Υπάρχουν πολλά στυλ μετατροπέων, συμπεριλαμβανομένων μονοκατευθυντικών και αμφίδρομων και πολυεπίπεδων πολυτομεακικών δομών μετατροπέα. Κάθε τοπολογία έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Το βασικό συστατικό του μετατροπέα είναι ο διακόπτης τροφοδοσίας, που φαίνεται στην εικόνα ως μονωμένο διπολικό τρανζίστορ πύλης (IGBT).
Μετατροπέας: μετατροπέας
ACGrid: Πλέγμα εναλλασσόμενου δικτύου
Ο μετατροπέας χρησιμοποιεί μικροεπεξεργαστή, κατάλληλη ανίχνευση και ανάδραση και σωστούς αλγορίθμους για την παροχή διαφόρων υπηρεσιών στο δίκτυο, όχι μόνο για την αποθήκευση και την απελευθέρωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα παράδειγμα είναι η υποστήριξη τάσης, η ρύθμιση συχνότητας και η αρμονική μείωση για τη διατήρηση της ποιότητας της ισχύος. Η κατανεμημένη ενέργεια μπορεί να μειώσει το φορτίο στα δίκτυα μετάδοσης και διανομής ενέργειας επειδή η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται κοντά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό μπορεί να μειώσει την πίεση και τη συμφόρηση του ηλεκτρικού δικτύου, ακόμη και να αναβάλει την αναβάθμιση της γραμμής ισχύος.
Όταν μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας διέρχεται από τον μετατροπέα, η μετατροπή μεταξύ εναλλασσόμενου ρεύματος και συνεχούς ρεύματος πρέπει να είναι πολύ αποτελεσματική. Στην πραγματικότητα, η μέγιστη απόδοση των εμπορικών μετατροπέων είναι 96-98%. Ωστόσο, οι φορείς εκμετάλλευσης δικτύων επιθυμούν υψηλότερη ενεργειακή απόδοση, ιδίως στην κλίμακα των υπηρεσιών κοινής ωφέλειας, διότι μικρές αλλαγές στην ενεργειακή απόδοση εξακολουθούν να σημαίνουν πολλή ηλεκτρική ενέργεια.
Για να επιτευχθούν αυτά τα επίπεδα ενεργειακής απόδοσης, οι διατάξεις ισχύος πρέπει να έχουν πολύ χαμηλές απώλειες. Σήμερα, το IGBT έχει γίνει ο κύριος διακόπτης για αυτές τις εφαρμογές. Ωστόσο, το ρεύμα διεξαγωγής ενός IGBT είναι αρκετές εκατοντάδες αμπέρ, εμποδίζοντας τις τάσεις αρκετών χιλιάδων βολτ. Είναι κατασκευασμένο από πυρίτιο χρησιμοποιώντας μια διαδικασία παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται για την κατασκευή τσιπ υπολογιστών υψηλής απόδοσης για κινητά τηλέφωνα και κέντρα δεδομένων.
Ωστόσο, τα νέα υλικά αναμένεται να επιτύχουν υψηλότερη απόδοση, υψηλότερη ενεργειακή απόδοση και υψηλότερη αξιοπιστία. Συγκεκριμένα, το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι το υλικό του μέλλοντος. Οι ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος SiC έχουν χαμηλότερες απώλειες αγωγιμότητας και μεταγωγής από παρόμοιες συσκευές πυριτίου. Το πρώτο στάδιο της μετάβασης περιλαμβάνει μια δίοδο χαμηλού επιπέδου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η οποία συνδέεται με το IGBT σε αντι-παράλληλο. Η αντικατάσταση των διόδους πυριτίου με δίοδο SiC μπορεί να μειώσει τις απώλειες και να μειώσει την υπέρβαση κατά τη διάρκεια της αλλαγής, μειώνοντας έτσι την πίεση στον μετατροπέα. Αν και οι δίοδοι SiC είναι ακριβότερες από τις δίοδοι πυριτίου, ένας μικρότερος ψύκτρας θερμότητας και το μέγεθος του συστήματος μπορούν να μειώσουν το συνολικό κόστος του συστήματος.
Το SiCMOSFET είναι το επόμενο στάδιο της μετάβασης. Η ταχύτητα μεταγωγής των SiC MOSFETs είναι πολύ ταχύτερη από εκείνη των IGBTs πυριτίου, οπότε η χρήση τους στο στάδιο ώθησης των συστημάτων παραγωγής ηλιακής ενέργειας φέρνει μεγαλύτερα πλεονεκτήματα. Γενικά, ένας μετατροπέας DC-DC χρησιμοποιείται για την αύξηση της τάσης εξόδου του ηλιακού πάνελ. Το SiC MOSFETs μπορεί να αλλάξει γρηγορότερα, μειώνοντας έτσι το μέγεθος των ακριβών παθητικών εξαρτημάτων, όπως οι επαγωγείς στο στάδιο ώθησης και βελτιώνοντας την αποδοτικότητα.
On Semiconductor παρέχει μια ποικιλία IGBTs, διόδων SiC και SiC MOSFETs για την κάλυψη της τάσης και των τρεχουσών απαιτήσεων των διαφόρων μετατροπέων. Η δημοφιλέστερη είναι η ενότητα δύναμης, η οποία συσκευάζει πολλούς διαφορετικούς διακόπτες δύναμης και δίοδοι μαζί για να επιτύχει το μικρό μέγεθος, το εύκολο σχέδιο και τον αποδοτικό διασκεδασμό θερμότητας. Εκτός από τις κύριες ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος, το ON Semiconductor παρέχει επίσης οδηγούς πύλης, γαλβανική απομόνωση και λειτουργικούς ενισχυτές υψηλής απόδοσης για την ολοκλήρωση του συστήματος.
Με τη βελτίωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και της τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας και τη μείωση του κόστους, η «αντίστροφη αλλαγή» του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας συνεχίζει να προχωρά με ολοένα ταχύτερο ρυθμό. Εκτός από τη μείωση των εκπομπών άνθρακα και της ρύπανσης, οι αναστροφείς υποστηρίζουν επίσης ένα πιο ευέλικτο και συμμετοχικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, θολώνοντας τα όρια μεταξύ καταναλωτών και παραγωγών. Ο σωστός έλεγχος και συντονισμός των εταιρειών ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα της ισχύος, να μειώσει το κόστος αναβάθμισης και να παρέχει στους χρήστες πιο αξιόπιστες υπηρεσίες. Τα ηλεκτρονικά ισχύος είναι η βασική τεχνολογία ενεργοποίησης που επιτρέπει την ενημέρωση της κρίσιμης υποδομής μας.