تخزين الطاقة، الطاقة الشمسية تحتاج إلى أجهزة طاقة WBG

تعد أجهزة الطاقة واسعة النطاق (WBG)، مثل كربيد السيليكون وأشباه موصلات نيتريد الغاليوم، مكونات إلكترونية متطورة أحدثت ثورة في صناعة إلكترونيات الطاقة. على عكس الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون، توفر أجهزة الطاقة WBG كفاءة أعلى في استخدام الطاقة، وسرعات تحويل أسرع، وتحملًا أعلى لدرجات الحرارة. يتزايد الطلب على مصادر الطاقة المتجددة بسرعة مع تحرك العالم نحو مستقبل أنظف وأكثر استدامة. نظرًا لخصائصها، تعد أشباه الموصلات WBG مثالية لتوليد الطاقة الشمسية وتطبيقات نظام تخزين الطاقة (ESS).

ستناقش هذه المقالة، استنادًا إلى العرض التقديمي “دور فجوة النطاق الواسع في الجيل التالي من الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة”، الذي أقيم في PowerUP Expo 2023 من قبل سام عبد الرحمن، مهندس نظام تخزين الطاقة الشمسية والطاقة السكنية في شركة Infineon Technologies، البنى المختلفة لأنظمة الطاقة السكنية وكيف يمكن لـ SiC و GaN تحسين الأداء في مراحل تحويل الطاقة المختلفة لاستيعاب اتجاهات التطبيقات المستقبلية.

حلول الطاقة الشمسية وحلول ESS: نظرة عامة والاتجاهات المستقبلية

تعد الطاقة الشمسية والخدمات البيئية والاجتماعية جزءًا مهمًا من توليد الطاقة المتجددة واللامركزية، ويمكننا أن نرى وجود الطاقة الشمسية والخدمات البيئية والاجتماعية في سلسلة توريد الطاقة بأكملها. كما هو موضح على الجانب الأيسر من الشكل 1، تدعم الطاقة المتجددة الناتجة عن الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح توليد الطاقة التقليدية. يمكن لهذه الحلول أن تدعم وظائف إدارة الطلب في أوقات الذروة والشبكة جنبًا إلى جنب مع ESSes.

في الخطوة التالية، يتم استخدام ناقل الحركة وESSes على نطاق واسع لتثبيت الشبكة وقص الذروة. بالانتقال إلى الجانب الأيمن من الشكل 1، يوضح جانب المستهلك – سواء كانت المنشآت السكنية أو التجارية أو الصناعية – كيف يتم توزيع توليد الطاقة من الطاقة الشمسية بشكل أكبر، وتدعم ESSes الطاقة الاحتياطية. تشمل الاتجاهات المستقبلية تطبيقات مثل الاتصال من السيارة إلى الشبكة (V2G) ومن السيارة إلى المبنى.

31.08.2023

28.08.2023

28.08.2023

هناك ثلاثة أنواع من التركيبات الكهروضوئية، لكل منها قدرة قصوى مختلفة على إنتاج الطاقة: الأنظمة المنزلية بقدرة تصل إلى 10 كيلووات، والأنظمة التجارية بما يصل إلى 5 ميجاوات، وأنظمة المرافق بقدرة أكبر. ينظر معظم أصحاب المنازل إلى المنشآت السكنية باعتبارها استثمارًا إضافيًا طويل الأجل لاتصالهم بالشبكة الكهربائية. من الشائع أن تحتوي هذه الأنظمة على بطارية احتياطية لتخزين “ذروة الحلاقة” والاستخدام في حالات الطوارئ في حالة انقطاع مصدر التيار المتردد الرئيسي أثناء الليل. يمكن تحسين استخدام الطاقة من خلال جدولة الطلب والتخزين من خلال الجمع بين لوحة كهروضوئية واحدة أو أكثر (عادةً ما بين 40 فولت و80 فولت من الجهد)، وعاكس صغير وتركيب بطارية مع مستويات متزايدة من التشغيل الآلي للمنزل المتصل بالإنترنت.

يظهر الشكل 2 مثالاً لنظام الطاقة المنزلي. تستخدم هذه البنية عاكسًا صغيرًا يأخذ طاقة التيار المستمر من لوحة كهروضوئية واحدة أو عدة لوحات كهروضوئية ويدفع طاقة التيار المتردد المحولة إلى الشبكة. يتضمن هذا المثال أيضًا ESS الذي يمكن أن يكون مقترنًا بالتيار المستمر أو التيار المتردد. في الحالة الأولى، يتم توصيل حزمة البطارية بمحول دفعة DC/DC أو محول تعزيز، في حين تتطلب ESSs المقترنة بالتيار المتردد عاكس DC/AC. يسمح نظام ESS المقترن بالتيار المتردد بربط أنظمة التخزين بالأنظمة الكهروضوئية الحالية. من ناحية أخرى، يعمل نظام ESS المقترن بالتيار المستمر على إلغاء مرحلة التيار المتردد/التيار المستمر ثنائية الاتجاه، مما يزيد من كفاءة تحويل الطاقة ويقلل BoM.

الاتجاه الناشئ هو العاكس الهجين، الذي يجمع بين سلسلة العاكس وشحن البطارية وحلول عاكس البطارية في جهاز واحد. يوفر هذا الحل، الموضح في الشكل 3، منفذًا ثالثًا للتفاعل مع ESS مقترنًا بالتيار المستمر ويتم تطبيقه في المنشآت السكنية والتجارية الصغيرة. والاحتمال الآخر هو استخدام بطارية السيارة الكهربائية لربط الجزء DC من عاكس السلسلة الهجين هذا، للحصول على ما يسمى بقدرة الشحن V2G EV. تتوفر العاكسات أحادية أو ثلاثية الطور للمخرجات النموذجية التي تتراوح من 3 كيلووات إلى 10 كيلووات.

أجهزة طاقة WBG في تخزين الطاقة الشمسية والطاقة

بالنسبة للألواح الشمسية، هناك اتجاه قوي نحو زيادة الطاقة (~ 400 واط)، وارتفاع الجهد الكهروضوئي (~ 600 فولت)، وموثوقية أعلى (ضمان لمدة 25 عامًا) وتكلفة أقل، مما سيجعل الطاقة الكهروضوئية أكثر جاذبية. تشمل اتجاهات ESS الحلول الهجينة (الطاقة الشمسية + ESS)، والحلول المتكاملة (الطاقة الشمسية + ESS + EV)، وقدرة طاقة أعلى، وبطاريات ذات جهد أعلى (حتى 450 فولت).

يعد تكامل المعايير البيئية والاجتماعية (ESSes) اتجاهًا يُنظر إليه على أنه يحسن الاستهلاك الذاتي. ولهذا السبب، يتوسع سوق العاكسات الهجينة الجديدة بمعدل سريع. ومن المتوقع أن تشمل تكنولوجيا المضخات الحرارية والتنقل الكهربائي في أي لحظة.

توفر أجهزة الطاقة WBG مزايا النظام القادرة على تلبية هذه الاتجاهات الصعبة. الميزة الأولى هي تردد التحويل العالي، مما يقلل من الحجم وتكلفة النظام. من خلال تقديم أرقام جدارة أفضل مقارنة بالسيليكون، تحقق أجهزة WBG أيضًا كفاءة أعلى وتقلل من الخسائر وتبديد الحرارة، مما يتيح كثافة طاقة أعلى ومزيدًا من التكامل. وأخيرًا، تتيح تقنيات SiC وGaN التدفق ثنائي الاتجاه للطاقة، مما يسمح بشحن البطاريات وتفريغها.

لقد خفضت محولات السلسلة الشمسية وزنها وحجمها بمرور الوقت بفضل الترانزستورات الأكثر كفاءة. في الماضي، تم تصميم العاكسات باستخدام وحدات IGBT التي حققت كثافة طاقة منخفضة (0.5 واط/بوصة).³ مع التبريد النشط). الجيل التالي من العاكسات، مثل العاكس 5 لتر مع 150 فولت FETs والعاكس HERIC، زاد كثافة الطاقة إلى 3.3 و4.7 واط/بوصة.³، على التوالى. سنرى أجهزة WBG تنتقل إلى تردد تحويل أعلى وتحقق كثافة طاقة أعلى. سيتطلب ذلك عبوات ذات محاثة ضالة منخفضة. يمكن للأجهزة المثبتة على السطح، خاصة تلك التي تحتوي على تبريد من الجانب العلوي، أن توفر مقاومة حرارية ممتازة مع تحسن كبير في محاثتها.

المعلمة الأولى ذات الصلة بتطبيقات الطاقة الشمسية وESS هي رسوم الاسترداد العكسي (Q_ص). سؤال منخفض_ص مطلوب لتطبيقات التبديل الصعب مثل الدوائر القائمة على نصف الجسر (H4، HERIC، الطوطم القطب PFC). علاوة على ذلك، فإن نسبة Q منخفضة_ص يتيح الاستخدام في طبولوجيا ثنائية الاتجاه، مثل CLLC والجسر النشط المزدوج، حيث يمكن أن يعمل المحول كمقوم. عند العمل مع عمليات شحن وتفريغ البطارية، يُطلب التشغيل ثنائي الاتجاه. المعلمة الأخرى التي تتيح تردد التبديل العالي هي Q_oss. سؤال منخفض_oss يسهل إعداد الوقت الميت، مما يتيح تصميم عالي التردد (فوق 400 كيلو هرتز).

مثال على محول ميكروي يعتمد على WBG هو طوبولوجيا المحول الحلقي الموضح في الشكل 4، والذي يستخدم في محول تيار متردد ثنائي الاتجاه مع محولات Infineon CoolGaN. يتم توصيل المفاتيح الأربعة الموجودة على الجانب الأيمن من الصورة من الخلف إلى الخلف، وبالتالي تنفيذ مفتاح ثنائي الاتجاه؛ وهذا ممكن باستخدام جهاز متكامل بشكل متآلف. يسمح هذا الحل باستبدال أربعة مفاتيح طاقة منفصلة بجهاز واحد، مما يؤدي إلى الاستخدام الأكثر فعالية لحجم القالب لنظام مكافئ (R_{DS (على)}/مم²).

يظهر الشكل 5 نظرة عامة على بعض الهيكليات المستخدمة في ESSs المقترنة بالتيار المتردد والمزدوج بالتيار المستمر. في كل هذه الهيكليات، يمكن تشغيل الجهاز كمفتاح نشط أو مقوم بناءً على تدفق الطاقة أو اتجاهها. في وضع التصحيح، يجب أن يحتوي الجهاز على صمام ثنائي قوي للجسم مع Q منخفض_ص لتكون فعالة وموثوقة بما فيه الكفاية. يتميز الصمام الثنائي للجسم CoolSIC MOSFET بالقوة العالية ويمكنه تحمل 7 × أنا_الاسم 10 مللي ثانية زيادة التيار.

مراجع

¹عبد الرحمن، س. (28 يونيو 2023). “دور فجوة النطاق الواسع في الجيل القادم من الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة.” معرض باور اب.

ستيفانو لوفاتي، كاتب تقني