Som verden kæmper for at imødegå den udfordring at forebygge katastrofale klimaændringer, elproduktion industrien er blevet anerkendt som det vigtigste område for at reducere kulstofemissioner. Derfor har mere end halvdelen af staterne i USA vedtaget direktiver om vedvarende elektricitet, herunder nogle af de største stater som Californien, Texas og New York, og EU's direktiv om vedvarende energi har sat lignende mål. Især på grund af den intermitterende og variation i vindenergi og solenergi er integrationen af vedvarende energikilder en stadig større udfordring for de offentlige forsyningsvirksomheder.
I de seneste ti år er prisen på vind- og solenergi faldet kraftigt. I mange tilfælde har de en konkurrencemæssig fordel i forhold til fossile brændstoffer, især når de anvendes på en netskala. Kommercielle og industrielle installationer er også ekstremt økonomiske, som det fremgår af det faktum, at virksomheder som Wal-Mart, Target og Amazon har placeret et stort antal solpaneler i lagre og detailsteder. Med den fortsatte udvikling af havvind og ikke-fast solpanelteknologi udvides også de relevante punkter for vedvarende energi.
Sammen med den stadigt voksende boligsolkapacitet er en anden udfordring for forsyningsselskaber, at integrationen af distribueret energi ikke er under deres kontrol. Nogle stater pålægger obligatoriske regler for nettomålings- eller foderafgifter bag den elektricitet, der genereres af målerne, hvilket tilføjer kompleksitet og påvirker forsyningsindtægterne.
En anden stor udfordring vedrører også klimaændringerne, nemlig netinfrastrukturens sikkerhed og pålidelighed. De seneste skovbrande i Californien og konkurs PG &E er tidlige tegn på, hvordan ekstreme vejr og klimaændringer vil påvirke elnettet. PG&E udfører allerede nu forebyggende strømafbrydelser i stor skala for at beskytte udstyr, kunder og skove.
En anden ressource, der føjes til denne kombination, er energilagring. Energilagring kan antage mange former, herunder pumpet opbevaring, store svinghjul, undersøiske tryk airbags, og selv kraner løfte store betonblokke. Mange af disse muligheder kræver storstilet konstruktion for at spare omkostninger eller kræver meget specifikke geografiske funktioner.
Den mest fremtrædende og hurtigst voksende energilagringsteknologi er batterier. Batterier er meget skalerbare og kan bruges fra husholdningsvægt til kraftværksskala. De kan også anvendes på næsten ethvert sted uden behov for omfattende miljøvurdering, infrastrukturkonstruktion og overvejelse af lokale regler som traditionelle kraftværker. I sidste ende har virksomhederne bekræftet, at de kan installere store batterier på bare seks måneder, hvilket står i skarp kontrast til de årtier, der er nødvendige for at planlægge og støtte elproduktion af fossile brændstoffer.
Energilagring giver mange fordele, især når det kombineres med periodisk vedvarende energi. Den mest oplagte brug af energilagring er energi arbitrage. Når elpriserne er lave, lagres energien og sendes derefter tilbage til nettet, når elpriserne er høje. På en solskinsdag, hvor solcellekilder genererer overdreven strøm, kan elektricitet strømme ind i opbevaringselementet, så disse "must-consume" ressourcer kan udnyttes i størst omfang. Om natten, når solenergiproduktionen falder, vil batteriet levere den tabte strøm, og basisbelastningskraftproduktionen vil stige. Derfor er mange store batterifaciliteter indsat på samme sted som solcelleparker.
Hvis PG&E lukker kunder, når risikoen for brand er høj, vil batterier og solpaneler beskytte hjem og virksomheder mod strømafbrydelser og derved holde kritiske processer kørende og forhindre mad i at ødelægge. Derudover koordinerer og kontrollerer eloperatørerne nu distribuerede energikilder som "virtuelle kraftværker", der genererer, lagrer og overfører elektricitet efter behov. I nogle tilfælde omfatter dette efterspørgselsrespons, hvor den elektriske belastning flyttes til off-peak timer.
Nøglegrænsefladen til tilslutning af vind-, solcelle- og batterikilder til nettet er inverteren. Kort sagt konverterer inverteren DC-strøm til vekselstrøm og synkroniserer den til nettets 60Hz elektriske frekvens. Figur 1 viser et forenklet diagram over et solpanel, der er forbundet til nettet, med fokus på inverterens struktur. Der er mange stilarter af invertere, herunder envejs-og tovejs-og multi-level inverter multi-topologi strukturer. Hver topologi har sine egne fordele og ulemper under særlige omstændigheder. Den vigtigste komponent i inverteren er afbryderen, vist i figuren som en isoleret gate bipolar transistor (IGBT).
Inverter: inverter
ACGrid: AC-gitter
Inverteren bruger en mikroprocessor, passende detektion og feedback, og korrekte algoritmer til at levere forskellige tjenester til nettet, ikke bare lagring og frigivelse af elektrisk energi. Et eksempel er spændingsunderstøttelse, frekvensregulering og harmonisk reduktion for at opretholde strømkvaliteten. Distribueret energi kan reducere belastningen på eltransmissions- og distributionsnet, fordi elektrisk energi bruges tæt på elproduktionen. Dette kan reducere belastningen og overbelastningen af elnettet og endda udskyde opgraderingen af elledningen.
Når en stor mængde strøm passerer gennem inverteren, skal konverteringen mellem vekselstrøm og DC-strøm være meget effektiv. Faktisk er den højeste effektivitet af kommercielle invertere 96-98%. Men netoperatørerne ønsker højere energieffektivitet, især på forsyningsområdet, fordi små ændringer i energieffektiviteten stadig betyder meget elektricitet.
For at opnå disse energieffektivitetsniveauer skal strømenhederne have meget lave tab. I dag er IGBT blevet den vigtigste switch til disse applikationer. Imidlertid er ledningsstrømmen af en IGBT flere hundrede ampere, der blokerer spændinger på flere tusinde volt. Det er lavet af silicium ved hjælp af en proces svarende til den, der bruges til fremstilling af højtydende computerchips til mobiltelefoner og datacentre.
Nye materialer forventes dog at opnå højere ydeevne, højere energieffektivitet og højere pålidelighed. Specifikt er siliciumcarbid (SiC) fremtidens materiale. SiC power elektroniske enheder har lavere ledning og skifte tab end lignende silicium enheder. Den første fase af overgangen omfatter en diode på lavt niveau, som vist i figur 1, som er forbundet med IGBT i anti-parallel. Udskiftning af siliciumdioder med Siliciumdioder med Siliciumcaroder kan reducere tab og reducere overskridelse under skift, hvilket reducerer stress på inverteren. Selvom Siliciumcaroder er dyrere end siliciumdioder, kan en mindre køleplade og systemstørrelse reducere de samlede systemomkostninger.
SiCMOSFET er den næste fase af overgangen. Koblingshastigheden for SiC MOSFETs er meget hurtigere end silicium-IGBT'er, så deres brug i boost-fasen af solenergiproduktionssystemer giver større fordele. Generelt bruges en DC-DC-konverter til at øge solpanelets udgangsspænding. SiC MOSFETs kan skifte hurtigere og derved reducere størrelsen af dyre passive komponenter som induktorer i booststadiet og forbedre effektiviteten.
ON Semiconductor tilbyder en række IGBTs, SiC dioder og SiC MOSFETs til at opfylde spændingen og de aktuelle krav fra forskellige invertere. Det mest populære er strømmodulet, som pakker mange forskellige strømafbrydere og dioder sammen for at opnå lille størrelse, let design og effektiv varmeafledning. Ud over de elektroniske hovedenheder leverer ON Semiconductor også portdrivere, galvanisk isolering og højtydende operationelle forstærkere til at fuldføre systemet.
Med forbedringen af vedvarende energi og energilagringsteknologi og faldet i omkostningerne fortsætter den "omvendte ændring" af elnettet med at fortsætte i et stadig hurtigere tempo. Ud over at reducere CO2-emissioner og forurening støtter invertere også et mere fleksibelt og participatorisk elnet, der udvisker grænserne mellem forbrugere og producenter. Korrekt kontrol og koordinering af elselskaber kan forbedre strømkvaliteten, reducere opgraderingsomkostningerne og give brugerne mere pålidelige tjenester. Effektelektronik er den vigtigste muliggør teknologi, der gør det muligt at opdatere vores kritiske infrastruktur.