Dünya, felaket iklim değişikliğini önleme zorluğunu karşılamaya çalışırken, enerji üretim endüstrisi karbon emisyonlarını azaltmak için en önemli alan olarak kabul edilmiştir. Bu nedenle, ABD'deki eyaletlerin yarısından fazlası Kaliforniya, Teksas ve New York gibi en büyük eyaletlerden bazıları da dahil olmak üzere yenilenebilir elektrik direktiflerini yürürlüğe koydu ve Avrupa Birliği'nin Yenilenebilir Enerji Direktifi de benzer hedefler belirledi. Özellikle rüzgar enerjisi ve güneş enerjisinin birbirine aracılık etmesi ve değişkenliği nedeniyle, yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonu kamu hizmetleri için giderek daha ciddi bir zorluktur.
Son on yılda, rüzgar ve güneş enerjisinin maliyeti keskin bir şekilde düştü. Çoğu durumda, özellikle şebeke ölçeğinde konuşlandırıldığında fosil yakıtlara göre rekabet avantajına sahiptirler. Wal-Mart, Target ve Amazon gibi şirketlerin depolara ve perakende satış yerlerine çok sayıda güneş paneli yerlerinin yerleştirilmesinin de kanıt ettiği gibi, ticari ve endüstriyel ölçekli kurulumlar da son derece ekonomiktir. Açık deniz rüzgar enerjisi ve sabit olmayan güneş paneli teknolojisinin sürekli gelişmesiyle, yenilenebilir enerjinin uygulanabilir noktaları da genişliyor.
Sürekli genişleyen konut güneş enerjisi kapasitesi ile birleştiğinde, kamu hizmetleri için bir başka zorluk, dağıtılmış enerji entegrasyonunun kontrolleri altında olmamasıdır. Bazı eyaletler, sayaçların ürettiği elektriğin arkasındaki net ölçüm veya besleme ücretlerine zorunlu düzenlemeler uygular, bu da karmaşıklık ekler ve hizmet gelirini etkiler.
Bir diğer önemli zorluk da iklim değişikliğiyle ilgilidir: şebeke altyapısının güvenliği ve güvenilirliği. Kaliforniya'daki son orman yangınları ve PG&E'nin iflası, aşırı hava ve iklim değişikliğinin elektrik şebekesini nasıl etkileyeceğinin erken belirtileridir. PG&E artık ekipmanları, müşterileri ve ormanları korumak için önleyici büyük ölçekli elektrik kesintileri gerçekleştirmektedir.
Bu kombinasyona eklenen bir diğer kaynak da enerji depolamadır. Enerji depolama, pompalanmış depolama, büyük volanlar, deniz altı basınçlı hava yastıkları ve hatta büyük beton blokları kaldıran vinçler de dahil olmak üzere birçok form alabilir. Bu seçeneklerin çoğu, maliyet tasarrufu sağlamak için büyük ölçekli yapı gerektirir veya çok özel coğrafi özellikler gerektirir.
En belirgin ve en hızlı büyüyen enerji depolama teknolojisi pillerdir. Piller yüksek oranda ölçeklenebilir ve ev ölçeğinden enerji santrali ölçeğine kadar kullanılabilir. Ayrıca, kapsamlı çevresel değerlendirmeye, altyapı inşasına ve geleneksel enerji santralleri gibi yerel düzenlemelerin dikkate alınmasına gerek kalmadan hemen hemen her yerde konuşlandırılabilirler. Sonunda, şirketler fosil yakıt enerjisi üretimi planlamak ve desteklemek için gereken on yılların tam aksine, sadece altı ay içinde büyük piller kurabileceklerini doğruladılar.
Enerji depolama, özellikle aralıklı yenilenebilir enerji ile birleştirildiğinde birçok fayda sağlar. Enerji depolamanın en belirgin kullanımı enerji arbitrajıdır. Elektrik fiyatları düşük olduğunda, enerji depolanır ve daha sonra elektrik fiyatları yüksek olduğunda şebekeye geri gönderilir. Fotovoltaik (PV) kaynakların aşırı güç ürettiği güneşli bir günde, depolama elemanına elektrik akabilir, böylece bu "tüketilmesi gereken" kaynaklar büyük ölçüde kullanılabilir. Geceleri, güneş enerjisi üretimi azaldığında, pil kaybedilen gücü sağlayacak ve temel yük enerjisi üretimi yükselecektir. Bu nedenle, birçok büyük ölçekli pil tesisi güneş enerjisi çiftlikleriyle aynı yere konuşlandırılmıştır.
PG&E, yangın riski yüksek olduğunda müşterileri kapatırsa, piller ve güneş panelleri evleri ve işletmeleri elektrik kesintilerinden koruyacak, böylece kritik süreçlerin çalışmasını sağlayacak ve gıdaların bozulmasını önleyecektir. Buna ek olarak, elektrik operatörleri artık dağıtılmış enerji kaynaklarını talebe göre elektrik üreten, depolayan ve ileten "sanal enerji santralleri" olarak koordine ediyor ve kontrol ediyor. Bazı durumlarda, bu, elektrik yükünün yoğun olmayan saatlere kaydırıldığı talep yanıtını içerir.
Rüzgar, fotovoltaik ve pil kaynaklarını şebekeye bağlamak için anahtar arayüz eviricidir. Basitçe söylemek gerekirse, invertör DC gücünü AC gücüne dönüştürür ve şebekenin 60Hz elektrik frekansına senkronize eder. Şekil 1, invertörün yapısına odaklanan, ızgaraya bağlı bir güneş panelinin basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir. Tek yönlü ve çift yönlü ve çok seviyeli invertör multi-topoloji yapıları da dahil olmak üzere birçok invertör stili vardır. Her topolojinin belirli koşullar altında kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Eviricinin anahtar bileşeni, şekilde yalıtımlı kapı bipolar transistörü (IGBT) olarak gösterilen güç anahtarıdır.
Evirici: invertör
ACGrid: AC ızgarası
Evirici, sadece elektrik enerjisini depolamak ve serbest bırakmak değil, şebekeye çeşitli hizmetler sağlamak için bir mikroişlemci, uygun algılama ve geri bildirim ve doğru algoritmalar kullanır. Buna örnek olarak voltaj desteği, frekans regülasyonu ve güç kalitesini korumak için harmonik azaltma verilebilir. Dağıtılmış enerji, elektrik enerjisi enerji üretimine yakın kullanıldığından, enerji iletim ve dağıtım ağlarındaki yükü azaltabilir. Bu, güç şebekesinin gerginliğini ve tıkanıklığını azaltabilir ve hatta güç hattının yükseltilmesini erteleyebilir.
Eviriciden büyük miktarda güç geçtiğinde, AC ve DC gücü arasındaki dönüşüm çok verimli olmalıdır. Aslında, ticari invertörlerin en yüksek verimliliği% 96-98'dir. Ancak şebeke operatörleri, özellikle kamu hizmetleri ölçeğinde daha yüksek enerji verimliliği istiyor, çünkü enerji verimliliğindeki küçük değişiklikler hala çok fazla elektrik anlamına geliyor.
Bu enerji verimliliği seviyelerine ulaşmak için güç cihazlarının çok düşük kayıplara sahip olması gerekir. Günümüzde IGBT bu uygulamalar için ana anahtar haline gelmiştir. Bununla birlikte, bir IGBT'nin iletim akımı birkaç yüz amperdir ve birkaç bin voltluk voltajları engeller. Cep telefonları ve veri merkezleri için yüksek performanslı bilgi işlem çipleri üretmek için kullanılana benzer bir işlem kullanılarak silikondan yapılmıştır.
Bununla birlikte, yeni malzemelerin daha yüksek performans, daha yüksek enerji verimliliği ve daha yüksek güvenilirlik elde etmesi beklenmektedir. Özellikle, silikon karbür (SiC) geleceğin malzemesidir. SiC güç elektronik cihazları benzer silikon cihazlara göre daha düşük iletim ve anahtarlama kayıplarına sahiptir. Geçişin ilk aşaması, Şekil 1'de gösterildiği gibi, paralel olmayan bir şekilde IGBT'ye bağlı olan düşük seviyeli bir diyot içerir. Silikon diyotların SiC diyotlarla değiştirilmesi, anahtarlama sırasında kayıpları azaltabilir ve aşırı çekimi azaltabilir, böylece invertör üzerindeki stresi azaltabilir. SiC diyotları silikon diyotlardan daha pahalı olsa da, daha küçük bir ısı emici ve sistem boyutu genel sistem maliyetini azaltabilir.
SiCMOSFET geçişin bir sonraki aşamasıdır. SiC MOSFET'lerin anahtarlama hızı silikon IGBT'lerden çok daha hızlıdır, bu nedenle güneş enerjisi üretim sistemlerinin güçlendirme aşamasındaki kullanımları daha büyük avantajlar getirir. Genellikle, güneş panelinin çıkış voltajını artırmak için bir DC-DC dönüştürücü kullanılır. SiC MOSFET'ler daha hızlı geçiş yapabilir, böylece boost aşamasındaki indüktörler gibi pahalı pasif bileşenlerin boyutunu azaltabilir ve verimliliği artırabilir.
ON Semiconductor, çeşitli invertörlerin voltaj ve akım gereksinimlerini karşılamak için çeşitli IGBT'ler, SiC diyotlar ve SiC MOSFET'ler sağlar. En popüler olanı, küçük boyut, kolay tasarım ve verimli ısı dağılımı elde etmek için birçok farklı güç anahtarını ve diyotları bir araya getiren güç modülüdür. Ana güç elektronik cihazlarına ek olarak, ON Semiconductor ayrıca sistemi tamamlamak için kapı sürücüleri, galvanik izolasyon ve yüksek performanslı operasyonel amplifikatörler sağlar.
Yenilenebilir enerji ve enerji depolama teknolojisinin gelişmesi ve maliyetin düşmesiyle birlikte, elektrik şebekesinin "tersine değişimi" her zamankinden daha hızlı bir şekilde ilerlemeye devam ediyor. Karbon emisyonlarını ve kirliliğini azaltmanın yanı sıra, invertörler daha esnek ve katılımcı bir güç şebekesini destekleyerek tüketiciler ve üreticiler arasındaki sınırları bulanıklaştırır. Güç şirketlerinin doğru kontrolü ve koordinasyonu güç kalitesini artırabilir, yükseltme maliyetlerini azaltabilir ve kullanıcılara daha güvenilir hizmetler sunabilir. Güç elektroniği, kritik altyapımızın güncelleştirilmesini sağlayan anahtar teknolojidir.