...

Elektronika mocy dla transformacji energetycznej – optymalizacja falowników PV

9 czerwca 2022
Elektronika mocy dla transformacji energetycznej – optymalizacja falowników PV

Półprzewodniki o szerokim pasmie wzbronionym, takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC), zyskują na popularności w wymagających zastosowaniach. W ten sposób uwalniają ogromny potencjał oszczędności energii w falownikach fotowoltaicznych. Głównym celem stosowania GaN w energoelektronice jest zwykle optymalizacja i miniaturyzacja całego falownika, w tym elementów pasywnych, takich jak układy chłodzenia, obudowy i konstrukcje montażowe.

Fotowoltaika (PV) staje się coraz ważniejsza dla dostaw energii, ponieważ jest zrównoważona, przystępna cenowo, a także, co widać od czasu wojny na Ukrainie, bezpieczna. Ale zanim energia słoneczna będzie mogła zasilać urządzenia elektryczne produkowanym przez moduły PV prądem DC, musi przejść przez falownik. Falowniki zamieniają prąd stały na prąd przemienny i dostarczają go do sieci niskiego napięcia. Duże transformatory 50 Hz łączą go następnie z regionalną siecią średniego napięcia.

Skuteczny z SiC

W ubiegłym roku, w ramach projektu „SiC-MSBat”, naukowcy z Fraunhofer ISE wraz z partnerami byli w stanie obsługiwać kompaktowy falownik o sprawności 98,4%, zasilając bezpośrednio sieć średniego napięcia. Kluczową rolę odegrały tutaj tranzystory mocy wykonane z węglika krzemu (SiC) o bardzo wysokich napięciach blokowania (3,3 kV). Pracują one ze znacznie niższymi stratami napięcia niż ich odpowiedniki krzemowe. Ma to tę zaletę, że pozwala zaoszczędzić na elementach pasywnych, ponieważ mogą one być mniejsze. Jednocześnie dzięki wysokiej dynamice sterowania falowniki wyposażone w tranzystory mocy SiC mogą stabilizować sieć, działając np. jako filtr do kompensacji sieci średniego napięcia. I wreszcie, znacznie wyższe gęstości mocy wspierają również zwartą konstrukcję.

Jednak każdy, kto zamawia „energooszczędne chipy”, musi teraz uzbroić się w cierpliwość, ponieważ fabryki mają w pełni zarezerwowany portfel zamówień na przyszły rok. Yole Développement spodziewa się, że do 2027 r. przychody z komponentów SiC wyniosą 6,3 mld dol.

Moc GaN dla systemów fotowoltaicznych

Azotek galu (GaN) nie zdobywa rynku tak szybko. Według Yole, oczekuje się jednak, że rynek energii z półprzewodnikami z GaN po raz pierwszy przekroczy granicę 1 mld dol. do 2026 r. Główny popyt nadal generowany jest sektorze konsumenckim. Zastosowanie to szybkie ładowarki do smartfonów. Analitycy zakładają, że w przyszłości tranzystory GaN będą odgrywać coraz większą rolę w falownikach, pojazdach elektrycznych oraz w przemyśle, jednak nadal GaN plasuje się w tyle za SiC pod względem kosztów, gwarancji i liczby dostaw. Z tego powodu naukowcy na całym świecie ciężko pracują, aby usunąć te przeszkody.

Wspólny projekt badawczy „GaN HighPower” finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Gospodarki będzie teraz wykorzystywał takie właśnie komponenty do testowania nowej generacji opłacalnych, oszczędzających zasoby i wydajnych konwerterów do zastosowań fotowoltaicznych. Koncentracja prac badawczo-rozwojowych obejmie falowniki szeregowe o większych mocach, przekraczających 100 kVA. Konwertują one energię słoneczną długich szeregów modułów fotowoltaicznych. W ramach tego projektu Fraunhofer IEE bada, w jaki sposób nowo opracowane komponenty można zintegrować z kompletnym systemem falownika fotowoltaicznego oraz jakie wymagania wynikną z połączenia dużej mocy z wysokimi częstotliwościami przełączania.

Źródło: Electronica, Fraunhofer IEE

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika