Dok se svijet bori da se suoči sa izazovom sprečavanja katastrofalnih klimatskih promjena, industrija za generaciju energije je priznata kao najvažnija oblast za smanjenje emisija ugljika. Stoga je više od polovine država u SAD-u donijelo direktive o obnovljivoj električnoj energiji, uključujući neke od najvećih država kao što su Kalifornija, Teksas i New York, a Direktiva Evropske unije o obnovljivoj energiji postavila je slične ciljeve. Posebno zbog intermitencije i varijabilnosti energije vjetra i solarne energije, integracija obnovljivih izvora energije je sve ozbiljniji izazov za javne komunalne usluge.
U proteklih deset godina, cijena vjetra i solarne energije naglo je opala. U mnogim slučajevima imaju konkurentnu prednost u odnosu na fosilna goriva, posebno kada su raspoređeni na grid skali. Komercijalne i industrijske instalacije su također izuzetno ekonomične, o čemu govori i činjenica da su kompanije kao što su Wal-Mart, Target i Amazon u skladišta i maloprodajne lokacije smještale veliki broj solarnih panela. Uz kontinuirani razvoj energije vjetra na pučini i ne-fiksne tehnologije solarnih panela, također se šire primjenjive tačke obnovljive energije.
Zajedno sa sve širim stambenim solarnim kapacitetima, još jedan izazov za komunalne usluge je da integracija distribuirane energije nije pod njihovom kontrolom. Neke države nameću obavezne propise o neto metranju ili naplati hrane za hranu iza električne energije koju stvaraju metre, što dodaje složenost i utiče na prihode od komunalnih preduzeća.
Još jedan veliki izazov vezan je i za klimatske promjene: sigurnost i pouzdanost mreže infrastrukture. Nedavni poћari u Kaliforniji i bankrot PG&E su rani znakovi kako жe ekstremno vrijeme i klimatske promjene utjecati na elektriиnu mrežu. PG&E čak i sada provodi preventivne nestašice struje velikih razmjera radi zaštite opreme, kupaca i šuma.
Još jedan resurs dodat ovoj kombinaciji je skladištenje energije. Skladištenje energije može imati mnogo oblika, uključujući ispumpano skladištenje, velike zamahe, podmorske zračne jastuke pod pritiskom, pa čak i dizalice koje podižu ogromne betonske blokove. Mnoge od ovih opcija zahtijevaju izgradnju velikih razmjera za uštedu troškova, ili zahtijevaju vrlo specifične geografske osobine.
Najiskusnija i najbrže rastuća tehnologija skladištenja energije su baterije. Baterije su vrlo skalablne i mogu se koristiti od kućne skale do skale elektrana. Oni se također mogu rasporediti na gotovo bilo kojoj lokaciji bez potrebe za obimnom procjenom okoliša, izgradnjom infrastrukture i razmatranje lokalnih propisa kao što su tradicionalne elektrane. Na kraju, kompanije su potvrdile da mogu instalirati velike baterije za samo šest mjeseci, što je u kontrastu sa decenijama potrebnim za plan i podršku generaciji energije fosilnih goriva.
Skladištenje energije donosi mnoge pogodnosti, posebno kada se kombiniraju s pomjeranom obnovljivom energijom. Najočitije korištenje skladištenja energije je energetska arbitraža. Kada su cijene struje niske, energija se skladišti, a zatim šalje natrag u mrežu kada su cijene struje visoke. U sunčanom danu, kada fotonaponski (PV) izvori generišu pretjeranu snagu, struja može da teče u element za skladištenje, tako da se ti resursi "moraju-konzumirati" mogu koristiti u najvećoj mjeri. Noću, kada solarna generacija energije odbije, baterija će snabdevati izgubljenu energiju, a generacija energije u baznom teretu će porasti. Stoga su mnoga velika postrojenja za baterije raspoređena na istoj lokaciji kao i solarne farme.
Ako PG&E gasi kupce kada je opasnost od požara velika, baterije i solarni paneli će zaštititi domove i biznise od neispravnosti struje, te tako održavati kritične procese koji rade i spriječiti kvarljenje hrane. Pored toga, operateri energije sada koordiniraju i kontrolišu distribuirane izvore energije kao "virtuelne elektrane" koje proizvode, skladište i prenose struju prema potražnji. U nekim slučajevima, to uključuje odgovor na potražnju, gdje se električna tereta prebacuje na radno vrijeme van vrha.
Ključni interfejs za povezivanje izvora vjetra, fotonavolte i baterije na mrežu je inverter. Jednostavno rečeno, inverter pretvara DC napajanje u AC napajanje i sinhronizira ga na 60Hz električnu frekvenciju mreže. Na crtežu 1 je pojednostavljeni dijagram solarnog panela povezanog sa mrežu, fokusirajući se na strukturu invertera. Postoji mnogo stilova invertera, uključujući unidirectional i bidirectional i multi-level inverter multi-topology structures. Svaka topologija ima svoje prednosti i mane pod određenim okolnostima. Ključna komponenta invertera je prekidač za napajanje, prikazan na figuri kao izolirani bipolarni tranzistor (IGBT).
Inverter: inverter
ACGrid: AC mreža
Inverter koristi mikroprocesor, odgovarajuću detekciju i povratne informacije, te ispravne algoritme da bi pružio razne usluge mreži, a ne samo da bi se električna energija odašiljala i otuđila. Jedan od primjera je podrška napona, regulacija frekvencije, i harmonično smanjenje radi održavanja kvaliteta snage. Distribuirana energija može smanjiti teret na mrežama za prijenos i distribuciju energije jer se električna energija koristi blizu generacije energije. To može smanjiti naprezanje i začeće mreže napajanja, pa čak i odgoditi nadogradnju strujne linije.
Kada velika količina snage prođe kroz inverter, konverzija između AC i DC snage mora biti vrlo efikasna. Zapravo, vršna efikasnost komercijalnih invertera je 96-98%. Ali operateri mreže žele veću energetsku efikasnost, posebno na skali komunalnih preduzeća, jer male promjene u energetskoj efikasnosti i dalje znače mnogo električne energije.
Da bi se postigli ovi nivoi energetske efikasnosti, uređaji za napajanje moraju imati vrlo niske gubitke. Danas je IGBT postao glavni prekidač za ove aplikacije. Međutim, provodna struja IGBT-a je nekoliko stotina ampera, blokirajući napone od nekoliko hiljada volti. Napravljen je od silikona koristeći proces sličan onom koji se koristi za proizvodnju visokousmješnih čipova za mobilne telefone i data centre.
Međutim, očekuje se da će novi materijali postići više performanse, veću energetsku efikasnost i veću pouzdanost. Konkretno, silicijan karbide (SIC) je materijal budućnosti. SiC power elektronski uređaji imaju nižu provodnost i gubitke prebacivanja od sličnih silicijum uređaja. Prva faza tranzicije uključuje diodu niskog nivoa, kao što je prikazano na 1. Zamjena silicon dioda SiC dioda može smanjiti gubitke i smanjiti premoštavanje tokom prebacivanja, čime se smanjuje stres na inverteru. Iako su SIC diode skuplje od silikonskih dioda, manji sudoper i veličina sistema mogu smanjiti ukupne troškove sistema.
SiCMOSFET je sljedeća faza tranzicije. Brzina prebacivanje SIC MOSFETs je mnogo brža od brzine silicijumskih IGBT-ova, tako da njihova upotreba u fazi jačanja sistema solarne generacije energije donosi veće prednosti. Generalno, DC-DC pretvarač se koristi za povećanje izlaznog napona solarnog panela. SIC MOSFETs se može brže prebacivati, čime se smanjuje veličina skupih pasivnih komponenti kao što su induktori u fazi jačanja i poboljšanje efikasnosti.
ON Poluvodič pruža razne IGBTs, SIC diode i SIC MOSFET-ove kako bi se ugodili zahtjevima napona i struje raznih invertora. Najpopularniji je modul napajanja, koji pakira mnoge različite prekidače za napajanje i diode zajedno kako bi se postigla mala veličina, jednostavan dizajn i efikasna disipacija topline. Osim glavnih električnih elektronskih uređaja, ON Poluvodič pruža i gate vozače, galvansku izolaciju i operativna pojačala visokih performansi za dovođenje sistema.
Sa poboljšanjem tehnologije za skladištenje obnovljive energije i energije i snižanjem troškova, "obrnuta promjena" energetske mreže nastavlja da se nastavlja sve bržim tempom. Pored smanjenja emisija ugljika i zagađenja, invertiri podržavaju i fleksibilniji i participativniji mrežu energije, zamagljivajući granice između potrošača i proizvođača. Ispravna kontrola i koordinacija e-kompanija može poboljšati kvalitet struje, smanjiti troškove nadogradnje, te korisnicima pružiti pouzdanije usluge. Elektronika je ključna tehnologija koja omogućava ažuriranje naše kritične infrastrukture.