Vzhledem k tomu, že se svět snaží čelit výzvě prevence katastrofických změn klimatu, byl energetický průmysl považován za nejdůležitější oblast snižování emisí uhlíku. Proto více než polovina států ve Spojených státech přijala směrnice o elektřině z obnovitelných zdrojů, včetně některých z největších států, jako je Kalifornie, Texas a New York, a podobné cíle si stanovila směrnice Evropské unie o obnovitelné energii. Zejména kvůli přerušovanosti a variabilitě větrné a solární energie je integrace obnovitelných zdrojů energie pro veřejné služby stále vážnější výzvou.
Za posledních deset let náklady na větrnou a sluneční energii prudce poklesly. V mnoha případech mají oproti fosilním palivům konkurenční výhodu, zejména pokud jsou rozmístěny v mřížce. Instalace v komerčním a průmyslovém měřítku jsou také mimořádně hospodárná, o čemž svědčí skutečnost, že společnosti jako Wal-Mart, Target a Amazon umístily velké množství solárních panelů do skladů a maloobchodních prodejen. S neustálým vývojem větrné energie na moři a nefixovanou technologií solárních panelů se také rozšiřují příslušné body obnovitelné energie.
Ve spojení s neustále se rozšiřující solární kapacitou pro bydlení je další výzvou pro veřejné služby, že integrace distribuované energie není pod jejich kontrolou. Některé státy ukládají závazné předpisy týkající se čistého měření nebo poplatků za dodávku elektřiny vyrobené elektroměry, což zvyšuje složitost a ovlivňuje výnosy z veřejných služeb.
Další velká výzva souvisí také se změnou klimatu: bezpečnost a spolehlivost infrastruktury rozvodné sítě. Nedávné požáry v Kalifornii a bankrot společnosti PG&E jsou časnými známkami toho, jak extrémní počasí a změna klimatu ovlivní elektrickou síť. Společnost PG& E dokonce nyní provádí preventivní rozsáhlé výpadky proudu k ochraně zařízení, zákazníků a lesů.
Dalším zdrojem přidaným k této kombinaci je skladování energie. Skladování energie může mít mnoho podob, včetně přečerpávání, velkých setrvačníků, podmořských tlakových airbagů a dokonce i jeřábů zvedajících obrovské betonové bloky. Mnoho z těchto možností vyžaduje konstrukci ve velkém měřítku, aby se ušetřily náklady, nebo vyžadují velmi specifické geografické prvky.
Nejvýznamnější a nejrychleji rostoucí technologií ukládání energie jsou baterie. Baterie jsou vysoce škálovatelné a lze je používat od domácích po elektrárny. Mohou být také rozmístěny téměř na jakémkoli místě bez nutnosti rozsáhlého posuzování vlivů na životní prostředí, budování infrastruktury a zohledňování místních předpisů, jako jsou tradiční elektrárny. Nakonec společnosti potvrdily, že mohou instalovat velké baterie za pouhých šest měsíců, což je v ostrém kontrastu s desetiletími potřebnými k plánování a podpoře výroby energie z fosilních paliv.
Skladování energie přináší mnoho výhod, zejména v kombinaci s přerušovanou obnovitelnou energií. Nejviditelnějším využitím skladování energie je energetická arbitráž. Když jsou ceny elektřiny nízké, energie se ukládá a poté se posílá zpět do sítě, když jsou ceny elektřiny vysoké. Za slunečného dne, kdy fotovoltaické (FV) zdroje generují nadměrný výkon, může do úložného prvku proudit elektřina, takže tyto&„musí spotřebovat &“; zdroje lze využít v největší míře. V noci, kdy poklesne solární energie, dodá baterie ztracenou energii a vzroste energie základního zatížení. Proto je mnoho rozsáhlých bateriových zařízení rozmístěno na stejném místě jako solární farmy.
Pokud PG& E vypne zákazníky, když je vysoké riziko požáru, budou baterie a solární panely chránit domácnosti a podniky před výpadky proudu, a tím udržovat chod kritických procesů a zabránit zkažení potravin. Kromě toho energetičtí operátoři nyní koordinují a řídí distribuované zdroje energie jako&„virtuální elektrárny &“; které vyrábějí, skladují a přenášejí elektřinu podle poptávky. V některých případech to zahrnuje odezvu na straně poptávky, kdy je elektrické zatížení přesunuto na mimopracovní hodiny.
Klíčovým rozhraním pro připojení větrných, fotovoltaických a bateriových zdrojů k síti je střídač. Jednoduše řečeno, střídač převádí stejnosměrný proud na střídavý proud a synchronizuje jej na 60 Hz elektrickou frekvenci sítě. Obrázek 1 ukazuje zjednodušené schéma solárního panelu připojeného k síti se zaměřením na strukturu střídače. Existuje mnoho stylů střídačů, včetně jednosměrných a obousměrných a víceúrovňových struktur multi-topologie střídačů. Každá topologie má za určitých okolností své vlastní výhody a nevýhody. Klíčovou součástí střídače je vypínač, který je na obrázku znázorněn jako izolovaný hradlový bipolární tranzistor (IGBT).
Střídač: střídač
ACGrid: AC síť
Střídač používá mikroprocesor, vhodnou detekci a zpětnou vazbu a správné algoritmy k poskytování různých služeb do sítě, nejen k ukládání a uvolňování elektrické energie. Jedním příkladem je podpora napětí, regulace frekvence a harmonická redukce pro udržení kvality energie. Distribuovaná energie může snížit zátěž přenosových a distribučních sítí, protože elektrická energie se používá v blízkosti výroby energie. To může snížit napětí a přetížení energetické sítě a dokonce odložit modernizaci elektrického vedení.
Když střídačem prochází velké množství energie, musí být převod mezi střídavým a stejnosměrným proudem velmi efektivní. Ve skutečnosti je špičková účinnost komerčních střídačů 96-98%. Provozovatelé sítí však chtějí vyšší energetickou účinnost, zejména pokud jde o veřejné služby, protože malé změny energetické účinnosti stále znamenají hodně elektřiny.
K dosažení těchto úrovní energetické účinnosti musí mít energetická zařízení velmi nízké ztráty. Dnes se IGBT stalo hlavním přepínačem pro tyto aplikace. Avšak vodivý proud IGBT je několik stovek ampér, což blokuje napětí několik tisíc voltů. Je vyroben z křemíku pomocí procesu podobného tomu, který se používá k výrobě vysoce výkonných výpočetních čipů pro mobilní telefony a datová centra.
Očekává se však, že nové materiály dosáhnou vyššího výkonu, vyšší energetické účinnosti a vyšší spolehlivosti. Konkrétně karbid křemíku (SiC) je materiál budoucnosti. SiC výkonová elektronická zařízení mají nižší vedení a spínací ztráty než podobná křemíková zařízení. První fáze přechodu zahrnuje diodu nízké úrovně, jak je znázorněno na obrázku 1, která je připojena k IGBT antiparalelně. Výměna křemíkových diod za SiC diody může snížit ztráty a snížit překmit během přepínání, čímž se sníží napětí na střídači. Přestože diody SiC jsou dražší než křemíkové diody, menší chladič a velikost systému mohou snížit celkové náklady na systém.
SiCMOSFET je další fází přechodu. Rychlost spínání SiC MOSFETů je mnohem rychlejší než rychlost křemíkových IGBT, takže jejich použití ve fázi podpory solárních systémů na výrobu energie přináší větší výhody. Obecně se pro zvýšení výstupního napětí solárního panelu používá převodník DC-DC. SiC MOSFETy se mohou přepínat rychleji, čímž se zmenší velikost drahých pasivních součástek, jako jsou induktory ve fázi zesílení, a zlepší se účinnost.
ON Semiconductor poskytuje celou řadu IGBT, SiC diod a SiC MOSFET, které splňují požadavky na napětí a proud různých střídačů. Nejoblíbenější je napájecí modul, který obsahuje mnoho různých výkonových spínačů a diod, aby se dosáhlo malé velikosti, snadného designu a účinného rozptylu tepla. Kromě hlavních výkonových elektronických zařízení poskytuje ON Semiconductor k dokončení systému také ovladače hradel, galvanické oddělení a vysoce výkonné operační zesilovače.
Se zlepšením technologie obnovitelné energie a skladování energie a snížením nákladů se&"reverzní změna &"; energetické sítě pokračuje v stále rychlejším tempu. Kromě snižování emisí uhlíku a znečištění podporují střídače také flexibilnější a participativnější elektrickou síť, čímž stírají hranice mezi spotřebiteli a výrobci. Správná kontrola a koordinace energetických společností může zlepšit kvalitu energie, snížit náklady na upgrade a poskytnout uživatelům spolehlivější služby. Výkonová elektronika je klíčová technologie umožňující aktualizaci naší kritické infrastruktury.