Keďže svet sa snaží splniť problém prevencie katastrofickej zmeny klímy, priemysel výroby energie bol uznaný za najdôležitejšiu oblasť na zníženie emisií uhlíka. Preto viac ako polovica štátov v Spojených štátoch prijala smernice o elektrickej energii z obnoviteľných zdrojov vrátane niektorých z najväčších štátov, ako sú Kalifornia, Texas a New York, a smernica Európskej únie o obnoviteľných zdrojoch energie stanovila podobné ciele. Najmä z dôvodu prerušovania a variability veternej energie a slnečnej energie je integrácia obnoviteľných zdrojov energie čoraz vážnejšou výzvou pre verejné služby.
Za posledných desať rokov náklady na veternú a slnečnú energiu prudko klesli. V mnohých prípadoch majú konkurenčnú výhodu oproti fosílnym palivám, najmä ak sú rozmiestnené v sieťovej škále. Komerčné a priemyselné zariadenia sú tiež mimoriadne hospodárne, o čom svedčí skutočnosť, že spoločnosti ako Wal-Mart, Target a Amazon umiestnili veľký počet solárnych panelov do skladov a maloobchodných predajní. S neustálym rozvojom veternej energie na mori a neopravenej technológie solárnych panelov sa rozširujú aj príslušné body obnoviteľnej energie.
Spolu s neustále sa rozširujúcimi kapacitami obytných solárnych služieb je ďalšou výzvou pre verejné služby to, že integrácia distribuovanej energie nie je pod ich kontrolou. Niektoré štáty ukladajú povinné predpisy na čisté meracie alebo napájacie poplatky za elektrickú energiu vyrobenú plynomermi, čo zvyšuje zložitosť a ovplyvňuje príjmy z verejných služieb.
Ďalšia veľká výzva súvisí aj so zmenou klímy: bezpečnosťou a spoľahlivosťou infraštruktúry sietí. Nedávne lesné požiare v Kalifornii a bankrot PG&E sú skorými známkami toho, ako extrémne počasie a klimatické zmeny ovplyvnia rozvodnú sieť. PG&E dokonca aj teraz vykonáva preventívne rozsiahle výpadky elektrickej energie na ochranu zariadení, zákazníkov a lesov.
Ďalším zdrojom pridaným k tejto kombinácii je skladovanie energie. Skladovanie energie môže mať mnoho podtlakových airbagov vrátane prečerpávacieho zásobníka, veľkých zotrvačníka, podtlakových airbagov a dokonca aj žeriavov zdvíhacích obrovské betónové bloky. Mnohé z týchto možností vyžadujú rozsiahlu konštrukciu, aby sa ušetrili náklady, alebo vyžadujú veľmi špecifické geografické vlastnosti.
Najvýraznejšou a najrýchlejšie rastúcou technológiou skladovania energie sú batérie. Batérie sú vysoko škálovateľné a môžu byť použité od váhy pre domácnosť až po váhu elektrárne. Môžu byť tiež rozmiestnené takmer na akomkoľvek mieste bez potreby rozsiahleho environmentálneho hodnotenia, výstavby infraštruktúry a zváženia miestnych predpisov, ako sú tradičné elektrárne. Spoločnosti nakoniec potvrdili, že veľké batérie môžu nainštalovať len za šesť mesiacov, čo je v ostrom kontraste s desaťročiami potrebnými na plánovanie a podporu výroby energie z fosílnych palív.
Skladovanie energie prináša mnoho výhod, najmä v kombinácii s prerušovanou obnoviteľnou energiou. Najviditeľnejším využím skladovanie energie je arbitráž energie. Keď sú ceny elektrickej energie nízke, energia sa uskladní a potom sa odošle späť do siete, keď sú ceny elektrickej energie vysoké. Za slnečného dňa, keď fotovoltaické (PV) zdroje produkujú nadmernú energiu, môže elektrická energia prúdiť do zásobníka, takže tieto "musia spotrebovať" zdroje môžu byť v najväčšej miere využité. V noci, keď klesá výroba slnečnej energie, batéria dodá stratenú energiu a výroba energie základného zaťaženia sa zvýši. Preto je na rovnakom mieste rozmiestnených mnoho veľkých batérií ako solárne farmy.
Ak spoločnosť PG&E vypne zákazníkov, keď je vysoké riziko požiaru, batérie a solárne panely ochránia domácnosti a podniky pred výpadkami elektrickej energie, čím sa udržia v kritické procesy a zabráni sa pokazeniu potravín. Okrem toho prevádzkovatelia elektrickej energie v súčasnosti koordinujú a kontrolujú distribuované zdroje energie ako "virtuálne elektrárne", ktoré vyrábajú, skladujú a prenášajú elektrickú energiu podľa dopytu. V niektorých prípadoch to zahŕňa reakciu na odber, kde sa elektrické zaťaženie presúva na mimoš špičku.
Kľúčovým rozhraním pre pripojenie veterných, fotovoltaických a batériových zdrojov do siete je menič. Jednoducho povedané, menič konvertuje jednosmerný prúd na striedavý prúd a synchronizuje ho s elektrickou frekvenciou siete 60Hz. Obrázok 1 znázorní zjednodušený diagram solárneho panela pripojeného k sieti so zameraním na štruktúru meniča. Existuje mnoho štýlov invertorov, vrátane jednosmerných a obojsmerných a viacúrovňových invertorových multi-topologických štruktúr. Každá topológia má svoje vlastné výhody a nevýhody za špecifických okolností. Kľúčovou zložkou meniča je vypínač zobrazený na obrázku ako izolovaný bipolárny tranzistor brány (IGBT).
Menič: menič
ACGrid: Sieť striedavého prúdu
Menič používa mikroprocesor, vhodnú detekciu a spätnú väzbu a správne algoritmy na poskytovanie rôznych služieb do siete, nielen na ukladanie a uvoľňovanie elektrickej energie. Jedným z príkladov je podpora napätia, regulácia frekvencie a harmonické zníženie na udržanie kvality výkonu. Distribuovaná energia môže znížiť zaťaženie prenosových a distribučných sietí, pretože elektrická energia sa používa v blízkosti výroby energie. To môže znížiť napätie a preťaženie elektrickej siete a dokonca oddialiť modernizáciu elektrického vedenia.
Keď cez menič prechádza veľké množstvo energie, konverzia medzi striedavým a jednosmerným prúdom musí byť veľmi efektívna. V skutočnosti je maximálna účinnosť komerčných invertorov 96-98%. Prevádzkovatelia sietí však chcú vyššiu energetickú účinnosť, najmä pokiaľ ide o rozsah verejnoprospešných služieb, pretože malé zmeny v energetickej účinnosti stále znamenajú veľa elektrickej energie.
Na dosiahnutie týchto úrovní energetickej účinnosti musia mať energetické zariadenia veľmi nízke straty. Dnes sa IGBT stala hlavným prepínačom pre tieto aplikácie. Vodivý prúd IGBT je však niekoľko stoviek ampérov, ktoré blokujú napätie niekoľko tisíc voltov. Je vyrobený z kremíka pomocou procesu podobného tomu, ktorý sa používa na výrobu vysokovýkonných výpočtových čipov pre mobilné telefóny a dátové centrá.
Očakáva sa však, že nové materiály dosiahnu vyšší výkon, vyššiu energetickú účinnosť a vyššiu spoľahlivosť. Konkrétne karbid kremíka (SiC) je materiálom budúcnosti. SiC výkon elektronických zariadení majú nižšie vodivosť a spínanie straty ako podobné silikónové zariadenia. Prvá fáza prechodu zahŕňa nízkoúrovňové diódy, ako je znázornené na obrázku 1, ktorý je pripojený k IGBT v anti-paralelné. Nahradenie silikónových diód diód siC diódami môže znížiť straty a znížiť prekračovanie počas spínania, čím sa zníži namáhanie meniča. Hoci siC diódy sú drahšie ako silikónové diódy, menší chladič a veľkosť systému môžu znížiť celkové náklady na systém.
SiCMOSFET je ďalšou fázou prechodu. Rýchlosť prepínania SiC MOSFETs je oveľa rýchlejšia ako u silikónových IGBT, takže ich použitie vo fáze zosilnenia systémov na výrobu solárnej energie prináša väčšie výhody. Vo všeobecnosti sa na zvýšenie výstupného napätia solárneho panela používa konvertor jednosmerného prúdu. SiC MOSFETs sa môže prepínať rýchlejšie, čím sa zmenšuje veľkosť drahých pasívnych komponentov, ako sú induktory vo fáze zosilnenia a zvyšuje sa efektivita.
ON Semiconductor poskytuje rôzne IGBT, SiC diódy a SiC MOSFETy, aby spĺňali požiadavky napätia a prúdu rôznych invertorov. Najpopulárnejší je napájací modul, ktorý zbalí mnoho rôznych vypínačov a diód dohromady, aby dosiahol malú veľkosť, jednoduchý dizajn a efektívny odvod tepla. Okrem hlavných výkonových elektronických zariadení poskytuje ON Semiconductor aj ovládače brány, galvanickú izoláciu a vysokovýkonné operačné zosilňovače na dokončenie systému.
So zlepšením technológie obnoviteľných zdrojov energie a skladovania energie a znížením nákladov pokračuje "reverzná zmena" energetickej siete čoraz rýchlejšie. Okrem znižovania emisií uhlíka a znečistenia podporujú meniče aj pružnejšiu a participatívnu rozvodnú sieť, čím sa stierajú hranice medzi spotrebiteľmi a výrobcami. Správna kontrola a koordinácia elektrární môže zlepšiť kvalitu napájania, znížiť náklady na modernizáciu a poskytnúť používateľom spoľahlivejšie služby. Výkonová elektronika je kľúčovou podpornou technológiou, ktorá umožňuje aktualizovať našu kritickú infraštruktúru.