التقنية وراء المضخات الحرارية: كل شيء عن وحدات الطاقة الذكية
[ad_1]
تعتبر المضخة الحرارية طريقة مجربة وحقيقية لتوفير تدفئة فعالة وصديقة للبيئة. إنها القوة الدافعة وراء الاتجاه العالمي نحو التدفئة المستدامة وتعمل بالكهرباء المنخفضة الانبعاثات. تعتبر كفاءة الطاقة عاملاً رئيسياً عند تقييم المضخات الحرارية مقارنة بالغلايات التقليدية والهيدروجين منخفض الانبعاثات، من بين أنظمة البناء التقليدية والمتجددة الأخرى.
ومن خلال التحول إلى المضخات الحرارية، قد يخفض الاتحاد الأوروبي بشكل كبير استخدامه للغاز الطبيعي لأغراض التدفئة. وقد يساعد في ذلك أيضًا حقيقة أن الغاز الطبيعي شهد أكبر زيادة في الأسعار، بسبب الصراع المستمر بين روسيا وأوكرانيا. بلغ معدل نمو مبيعات المضخات الحرارية في جميع أنحاء العالم في عام 2021 أكثر من 15٪، وهو ضعف معدل النمو الذي شهدناه خلال العقد الماضي. ارتفعت المبيعات في الاتحاد الأوروبي بنسبة مذهلة بلغت 35%، وهو ما كان عاملاً رئيسياً في دفع هذا التوسع.
مع معدل نمو سنوي مركب متوقع يبلغ 9.5% في الفترة من 2021 إلى 2026، من المتوقع أن يرتفع سوق المضخات الحرارية في جميع أنحاء العالم من إيرادات أولية لعام 2021 تبلغ 53.2 مليار دولار أمريكي إلى 83.5 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026. مع زيادة كبيرة قدرها 335% اعتبارًا من عام 2021، من المتوقع أن يصل العدد المتوقع لمنشآت المضخات الحرارية في الاتحاد الأوروبي إلى أكثر من 6.7 مليون وحدة في عام 2030. وسيكون هناك حوالي 600 مليون منشأة لمضخات الحرارة في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2030، ارتفاعًا من 180 مليونًا في عام 2020، وفقًا لتقرير تقييم الأثر البيئي.
أهمية وحدات الطاقة في تعزيز كفاءة المضخات الحرارية
المضخات الحرارية هي تقنيات متعددة الوظائف وموفرة للطاقة تستخدم للتبريد والتدفئة. يمكن للمضخة الحرارية تغيير اتجاه تدفق مادة التبريد عبر صمام عكسي، مما يسمح لها إما بتدفئة المنزل أو تبريده. تتضمن العملية مرور الهواء عبر ملف المبخر، مما يسهل نقل الطاقة الحرارية من الهواء إلى مادة التبريد. يتم تدوير الطاقة الحرارية داخل مادة التبريد ثم يتم إطلاقها من خلال ملف مكثف، بينما تقوم المروحة بنفخ الهواء فوق الملف. خلال هذه العملية، يتم نقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر كما هو مبين في الشكل 1 أدناه. هناك طلب كبير على أشباه موصلات الطاقة التي تتمتع بقدرات فعالة للتحكم في المحركات، حيث نعمل على تحقيق مستقبل خالٍ من انبعاثات الكربون. يعد تقليل الحجم الإجمالي للنظام وتكلفته مع زيادة الكفاءة في نفس الوقت أمرًا ضروريًا.
يتطلب تنفيذ لوائح جديدة لكفاءة استخدام الطاقة للضواغط والمضخات دمج محركات يتم التحكم فيها إلكترونيًا، مما يشكل عقبات إضافية أمام مصممي إلكترونيات الطاقة. إن استخدام نظام العاكس مع تقنية وحدة الطاقة الذكية (IPM) في المبردات معروف على نطاق واسع لقدرته على تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 30٪ مقارنة بالأنظمة غير العاكسة.
تنظم IPMs تدفق الطاقة إلى الضاغط العاكس والمراوح في أنظمة المضخات الحرارية عن طريق الضبط الدقيق لتردد وجهد الكهرباء المرسلة إلى المحركات ثلاثية الطور (الشكل 2). يساهم التحكم في المحركات بكفاءة في تحقيق معايير أعلى لكفاءة استخدام الطاقة للضواغط والمضخات. إن اختيار منتج IPM موفر للطاقة وصغير الحجم لن يوفر الطاقة فحسب، بل سيسمح أيضًا للمصمم بتوفير مساحة التثبيت وتحسين الأداء مع تقليل وقت التطوير. تعد أجهزة IPM مثل عائلة SPM31 المكونة من 1200 فولت IGBTs من onsemi حلاً مثاليًا لتطبيقات المضخات الحرارية ثلاثية الطور.
SPM 31: التحكم في المحركات بكفاءة الطاقة
دمج أحدث إيقاف ميداني 7 (FS7) IGBT و7ذ من خلال توليد تقنيات الصمام الثنائي، تحقق SPM31 IPMs كفاءة ومتانة فائقة. تعمل كلتا التقنيتين على تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بشكل كبير، وتقليل فقد الطاقة، وزيادة كثافة الطاقة. تم تجهيز هذه الوحدات بدوائر متكاملة لإدارة البوابة (ICs) وميزات حماية أخرى مثل إغلاق الجهد المنخفض، وإيقاف التيار الزائد، ومراقبة درجة الحرارة، والإبلاغ عن الأخطاء (الشكل 3).
بالإضافة إلى ذلك، فإن أجهزة SPM31 IPM أصغر حجمًا (54.5 مم × 31 مم × 5.6 مم) مقارنة بحلول الجيل السابق وبدائل IPM الأخرى (الشكل 4). تتيح حلول SPM31 كثافة طاقة عالية وأداء أعلى وتكلفة إجمالية منخفضة للنظام. ونظرًا لقوتها في أحجام العبوات الصغيرة، فهي الحل الأمثل لتوفير المساحة للتركيب.
إن البصمة المخفضة ووحدة الطاقة المنخفضة مع الاعتمادية المحسنة هي أهداف هيكل المنتج SPM31. يتم تحقيق ذلك من خلال استخدام تقنية FS7 IGBT الجديدة وركيزة محسّنة من النحاس المباشر (DBC) استنادًا إلى عبوة قالب النقل، بالإضافة إلى بوابة جديدة تقود الدائرة المتكاملة عالية الجهد (HVIC).
يتضمن IC (LVIC) ذو الجهد المنخفض لقيادة IGBT ذات الجانب المنخفض لـ SPM31 إمكانات استشعار درجة الحرارة لتحسين الموثوقية العامة للنظام. يولد LVIC إشارة تناظرية تتناسب طرديًا مع درجة حرارته. يتم استخدام هذا الجهد لمراقبة درجة حرارة الوحدة وتنفيذ الضمانات المطلوبة لمنع ارتفاع درجة الحرارة.
من الميزات ذات الصلة بـ SPM31 أن HVIC المدمج الخاص به يعمل بكفاءة لتحويل مدخلات البوابة على المستوى المنطقي إلى بوابة قيادة معزولة مختلفة المستوى لـ IGBTs عالية الجانب والتي تعتبر ضرورية لتشغيل IGBTs الداخلية للوحدة بشكل فعال. يتم توفير محطات IGBT السلبية الفردية لكل مرحلة لاستيعاب مجموعة واسعة من طرق التحكم.
بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، يعد تبديد حرارة الحزمة أمرًا ضروريًا لضمان الأداء المطلوب. يتمثل الجانب الحاسم لتقنية التغليف عالية الجودة في القدرة على تحسين حجم العبوة مع الحفاظ على خصائص ممتازة لتبديد الحرارة دون المساس بدرجة العزل. استخدمت أجهزة SPM31 تقنية الركيزة DBC، مما أدى إلى خصائص استثنائية لتبديد الحرارة. مكنت هذه التكنولوجيا من تحقيق الاعتمادية المحسنة وتبديد الحرارة. يتم لصق رقائق الطاقة فعليًا على الركيزة DBC (الشكل 5).
خاتمة
ومن المتوقع أن تتفوق المضخات الحرارية على غلايات الوقود الأحفوري التقليدية بعامل ثلاثة، مما يؤدي إلى زيادة ثلاثة أضعاف في وتيرة تركيبها من 1.5 مليون شهريا إلى حوالي 5 ملايين بحلول عام 2030. وسوف تتحسن تكنولوجيا أشباه موصلات الطاقة مثل عائلة SPM31 IPM من onsemi. ليس فقط كفاءة أنظمة المضخات الحرارية ولكن أيضًا يقلل من استهلاك الطاقة وانبعاث الكربون.
مراجع
1 MarketAndMarkets، سوق المضخات الحرارية – التوقعات العالمية حتى عام 2029
2 تقرير وكالة الطاقة الدولية، تركيب حوالي 600 مليون مضخة حرارية تغطي 20% من احتياجات المباني للتدفئة بحلول عام 2030
التدوينة التقنية وراء المضخات الحرارية: كل شيء عن وحدات الطاقة الذكية ظهرت لأول مرة على أخبار إلكترونيات الطاقة.
[ad_2]
