Тъй като светът се бори да отговори на предизвикателството да предотврати катастрофалното изменение на климата, промишлеността за производство на електроенергия е призната за най-важната област за намаляване на въглеродните емисии. Затова повече от половината от щатите в Съединените щати са въвели директиви за електроенергията от възобновяеми източници, включително някои от най-големите щати като Калифорния, Тексас и Ню Йорк, а Директивата на Европейския съюз за възобновяемата енергия е определила сходни цели. Особено поради интермитентността и променливостта на вятърната енергия и слънчевата енергия, интегрирането на възобновяеми енергийни източници е все по-сериозно предизвикателство за комуналните услуги.
През последните десет години, цената на вятърната и слънчевата енергия рязко спадна. В много случаи те имат конкурентно предимство пред изкопаемите горива, особено когато са разположени по скалата на мрежата. Търговските и промишлените инсталации също са изключително икономични, както се доказва от факта, че компании като Wal-Mart, Target и Amazon са поставили голям брой слънчеви панели в складове и търговски обекти. С непрекъснатото развитие на офшорната вятърна енергия и неконкретната технология за соларни панели, приложимите точки на възобновяема енергия също се разширяват.
Наред с постоянно увеличаващия се жилищен капацитет за слънчева енергия, друго предизвикателство за комуналните услуги е, че интегрирането на разпределената енергия не е под техен контрол. Някои държави налагат задължителни разпоредби за таксите за измерване на нетното измерване или захранването зад електроенергията, генерирана от електромерите, което придава сложност и влияе на приходите от комунални услуги.
Друго голямо предизвикателство е свързано и с изменението на климата: безопасността и надеждността на мрежовата инфраструктура. Последните горски пожари в Калифорния и фалита на PG&E са признаци за това как екстремните климатични условия и изменението на климата ще засегнат енергийната мрежа. PG&e дори сега извършва превантивни мащабни прекъсване на електрозахранване, за да защити оборудване, клиенти и гори.
Друг ресурс, добавен към тази комбинация, е съхранение на енергия. Съхранение на енергия може да се под формата на много форми, включително изпомпвано съхранение, големи маховици, подводна въздушна възглавница, и дори кранове, повдигащи огромни бетонови блокове. Много от тези опции изискват мащабно строителство, за да се спестят разходи или да се изискват много специфични географски характеристики.
Най-изявените и най-бързо растящи технологии за съхранение на енергия са батериите. Батериите са силно мащабируеми и могат да се използват от домашна скала до електроцентрала. Те могат да бъдат разположени и на почти всяко място, без да е необходима обстойна екологична оценка, изграждане на инфраструктура и отчитане на местните разпоредби като традиционните електроцентрали. В крайна сметка компаниите потвърдиха, че могат да инсталират големи батерии само за шест месеца, което е в ярък контраст с десетилетията, необходими за планиране и поддръжка на производството на енергия от изкопаеми горива.
Съхранението на енергия носи много ползи, особено когато се комбинира с интермитентна възобновяема енергия. Най-очевидното използване на съхранение на енергия е енергийният арбитраж. Когато цените на електроенергията са ниски, енергията се съхранява и след това се връща към мрежата, когато цените на електроенергията са високи. В слънчев ден, когато фотоволтаичните (PV) източници генерират прекомерна мощност, електричеството може да се влее в елемента за съхранение, така че тези "потребяеми" ресурси да могат да бъдат използвани в най-голяма степен. През нощта, когато производството на слънчева енергия спадне, батерията ще захрани загубената мощност, а генерирането на базовото натоварване ще се повиши. Затова много големи съоръжения за батерии са разположени на същото място като слънчевите стопанства.
Ако PG&e изключи клиентите, когато рискът от пожар е висок, батериите и слънчевите панели ще защитят домовете и фирмите от прекъсване на електрозахранването, като по този начин се запазват критичните процеси, които се изпълняват и предотвратяват развалянето на храната. В допълнение, операторите на електроенергия вече координират и контролират разпределените енергийни източници като "виртуални електроцентрали", които произвеждат, съхраняват и предават електроенергия според търсенето. В някои случаи това включва отговор на търсенето, при което електрическото натоварване се измества в извън пиковите часове.
Ключовият интерфейс за свързване на вятърни, фотоволтаични и акумулаторни източници към мрежата е инверторът. Просто казано, инверторът преобразува DC захранването в ac мощност и го синхронизира с 60Hz електрическата честота на мрежата. Фигура 1 показва опростена диаграма на слънчев панел, свързан към мрежата, с акцент върху структурата на инвертора. Има много стилове на инвертори, включително еднопосочни и двупосочни и многостепенни инверторен структури multi-топографски. Всяка топология има своите предимства и недостатъци при определени обстоятелства. Ключовият компонент на инвертора е превключвателят на захранването, показан на фигурата като изолиран портал биполярен транзистор (IGBT).
Инвертор: инвертор
ACGrid: AC мрежа
Инверторът използва микропроцесор, подходящи детектори и обратна връзка, както и правилни алгоритми за предоставяне на различни услуги в мрежата, а не само за съхраняване и освобождаване на електрическа енергия. Един пример е напрежение подкрепа, регулиране на честотата, и хармонично намаляване за поддържане на качеството на мощността. Разпределената енергия може да намали натоварването на преносните и разпределителните мрежи, тъй като електроенергията се използва в близост до електропроизводството. Това може да намали напрежението и претоварването на електрическата мрежа, и дори да отложи ъпгрейда на електропреносната мрежа.
Когато през инвертора преминава голямо количество мощност, преобразуването между променливотоково и постояннотокови мощности трябва да бъде много ефективно. В действителност, пиковата ефективност на търговски инвертори е 96-98%. Но операторите на мрежи искат по-висока енергийна ефективност, особено в мащаба на комуналните услуги, тъй като малките промени в енергийната ефективност все още означават много електричество.
За да се постигнат тези нива на енергийна ефективност, електрозахранващите устройства трябва да имат много ниски загуби. Днес, IGBT се превърна в основен ключ за тези приложения. Въпреки това, токът на проводимостта на един IGBT е няколкостотин ампера, блокиращи напрежения от няколко хиляди волта. Тя е изработена от силиций, използвайки процес, подобен на този, използван за производството на високопроизводителни изчислителни чипове за мобилни телефони и центрове за данни.
Очаква се обаче новите материали да постигнат по-висока производителност, по-висока енергийна ефективност и по-висока надеждност. По-конкретно, силициев карбид (SiC) е материалът на бъдещето. SiC мощност електронни устройства имат по-ниски проводимост и превключване загуби от подобни силиконови устройства. Първият етап на прехода включва диод ниско ниво, както е показано на Фигура 1, която е свързана с IGBT в анти-паралел. Смяната на силициевите диоди със СиС диоди може да намали загубите и да намали свръхнапрегнат по време на превключването, като по този начин намалява стреса върху инвертора. Въпреки че СиС диодите са по-скъпи от силициевите диоди, по-малкият радиатор и размерът на системата могат да намалят общите разходи за системата.
SiCMOSFET е следващият етап от прехода. Скоростта на превключване на SiC MOSFETs е много по-бърза от тази на силициевите IGBTs, така че използването им в стъпало на увеличаване на соларните системи за производство на енергия носи по-големи предимства. Обикновено, DC-DC конвертор се използва за увеличаване на изходното напрежение на слънчевия панел. SiC MOSFETs могат да превключват по-бързо, като по този начин намаляват размера на скъпите пасивни компоненти, като индуктори в етапа на повишаване и подобряване на ефективността.
ON Semiconductor предлага разнообразие от IGBTs, SiC диоди и SiC MOSFETs за да отговарят на изискванията на напрежението и тока на различни инвертори. Най-популярният е захранващият модул, който обединява много различни електрически превключватели и диоди, за да постигне малък размер, лесен дизайн и ефективно разсейване на топлината. В допълнение към основните електронни устройства ON Semiconductor също така осигурява водачи на портала, галванична изолация и мощни операционни усилватели за завършване на системата.
С подобряването на енергията от възобновяеми източници и технологията за съхранение на енергия и намаляването на разходите, "обратната промяна" на електропреносната мрежа продължава да се развива с все по-бързи темпове. Освен намаляване на въглеродните емисии и замърсяване, инверторите също така поддържат по-гъвкава и избирателна електроенергийна мрежа, която размива границите между потребителите и производителите. Правилният контрол и координация на енергийните компании могат да подобрят качеството на електроенергията, да намалят разходите за надграждане и да предоставят на потребителите по-надеждни услуги. Електротехниката е ключовата технология, която позволява нашата критична инфраструктура да бъде актуализирана.