Новый взгляд на солнечную энергетику

№ 5’2011
PDF версия
За шесть часов Земля получает столько солнечной энергии, что ее хватило бы для удовлетворения общемирового энергетического спроса в течение года. При таком огромном количестве свободно доступной и «чистой» энергии фото-гальваническая технология (PV) стала символом экологического движения. Но фотогальваническая/cолнечная энергия остается энергией будущего уже три десятилетия, и при этом на ее долю приходится менее 0,5% общемирового объема выработки электроэнергии.
Как сделать фотогальваническое производство энергии более интеллектуальным и эффективным?

Превращение этого источника энергии из «перспективного» в основной таит в себе немало проблем, но при этом и множество возможностей. Несмотря на огромное количество солнечной энергии, она далеко не бесплатна, поскольку фотогальваническое оборудование стоит недешево, а его эффективность оставляет желать лучшего. Наиболее простое решение данной проблемы — использование управляющих полупроводниковых компонентов. На данный момент основными факторами, стимулирующими развитие фотогальванических преобразователей, являются льготы, соответствующая политика и капиталовложения в виде «микрокредитов». Мало кто сомневается, что в будущем энергия Солнца по цене приблизится к энергии, вырабатываемой из углеводородного топлива. С точки зрения системного подхода установка огромного числа солнечных панелей требует совершенно новой концепции поставки электроэнергии с учетом таких проблем, как поведение сети, пиковые нагрузки и другие вопросы практического характера. Это означает, что солнечная энергетика находится на переломном рубеже (или близка к нему), и ее успех сейчас во многом зависит от достижений в области полупроводниковых технологий.

Современная солнечная энергетическая установка содержит довольно простой набор компонентов, а ее эффективность составляет примерно 10–15%, когда все идет по плану. Широкий спектр цифровых и HPMS (High Performance Mixed Signal — «высокопроизводительных смешанных цифро-аналоговых сигналов») полупроводниковых технологий позволяет создавать новые революционные архитектуры. Такие архитектуры лучше адаптируются к изменениям внешних факторов, снижающих эффективность фото-преобразователей, а также оптимизируют количество вырабатываемой энергии за счет мониторинга отдельных компонентов системы и корректировки их рабочих характеристик.

Перспективы отрасли солнечных фотогальванических элементов (ФГЭ)

Рис. 1. Перспективы отрасли солнечных фотогальванических элементов (ФГЭ)

Установленная солнечная станция должна поставлять в сеть как можно больше энергии, это критически важно по двум причинам. Во-первых, потому что энергия, вырабатываемая фотогальваническими элементами, но не поступающая в сеть, ничего не дает потребителю, а во-вторых, потому что повышение эффективности эксплуатации помогает сократить выбросы CO2 в атмосферу, так как сэкономленные киловатт-часы избавляют от необходимости устанавливать дополнительные солнечные панели.

Развивая аппаратные и программные технологии, NXP Semiconductors добилась повышения эффективности преобразования энергии. Компания продолжает разрабатывать алгоритмы для адаптации солнечных панелей к изменениям внешней среды, а также для учета индивидуальных особенностей самих фотогальванических модулей.

Кроме того, NXP предлагает ряд микроконтроллеров, драйверов, MOSFET и другие компоненты с ультранизким энергопотреблением специально для солнечной энергетики, которые обеспечивают более высокую мощность и эффективность по сравнению с конкурирующими технологиями.

 

Первая причина энергопотерь: воздействие окружающей среды

Любые успехи в повышении эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую вызывают интерес в основном потому, что средняя эффективность коммерческих версий фотогальванических элементов по-прежнему не превышает 10–20% (в зависимости от технологии элемента). Но в конечном итоге намного важнее эффективность системы в целом, а этот показатель может резко снижаться даже из-за таких банальных причин, как неравномерное затенение отдельных панелей, опавшие листья, грязь или птичий помет.

В большинстве современных архитектур сбор энергии осуществляют солнечные панели, соединенные последовательно. Каждая панель вырабатывает номинальное напряжение постоянного тока порядка 30 В. Так как пане-ли подключены последовательно, напряжения суммируются. Типичная конфигурация может содержать 10 панелей, каждая из которых дает 30 В, итого около 300 В. В некоторых системах это напряжение поступает на бата-рею, которая запасает электроэнергию для последующего преобразования в переменный ток с помощью инвертора или для непосредственного использования в виде постоянного тока. Большинство установок в жилых домах/солнечных энергоцентрах не содержат батареи, и выходной переменный ток инвертора поступает непосредственно в сеть.

В теории предполагается, что все панели ведут себя абсолютно одинаково. На самом деле такое бывает редко. Дело в том, что из-за отклонений в производственном процессе уровень тока, вырабатываемого разными фото-гальваническими элементами панели, немного варьируется. Еще большее значение имеют внешние факторы, такие как тень и грязь. Загрязненные, затененные или неисправные элементы поглощают меньше солнечного света и, как следствие, генерируют меньше энергии и более низкий ток. Различия между фотогальваническими элементами/панелями приводят к существенному сокращению выходной мощности системы. При 10%-ном затенении поверхности панели общая выходная мощность может упасть более чем на 30%.

 

Вторая причина энергопотерь: недостаток информации

Эффективность преобразования энергии фотогальваническим элементом зависит от многих параметров, включая интенсивность солнечного света, температуру, эксплуатационный режим и теоретическую пиковую эффективность. Анализируя эти параметры, можно определить оптимальный режим эксплуатации солнечной панели. Датчики, микроконтроллеры и другие ИС могут отслеживать и регулировать рабочее напряжение (параметр, который разработчикам систем контролировать проще всего), увеличивая выработку энергии более чем на 10–15% при определенных условиях. Это лишь один пример того, как информационно-коммуникационные технологии помогают повысить эффективность солнечной энергетики. Они предоставляют и другие преимущества, например более высокий уровень безопасности, снижение сложности установки, возможности для более качественного и простого обслуживания.

Отрасль стоит на пороге новой эры, и нам еще предстоит определить, какая архитектура для солнечных электростанций окажется самой экономичной и энергоэффективной. Как бы там ни было, без системы распределенного управления питанием не обойтись. Ключевой вопрос заключается в том, что лучше: передавать энергию внутри системы в виде постоянного тока или использовать технологию микроинверторов, которые преобразуют постоянный ток в переменный на выходе каждой панели. Независимо от того, как сложится соотношение конкурентных сил, у компании NXP Semiconductors есть все предпосылки, чтобы стать лидером в области системных архитектур.

На обоих направлениях повышения эффективности фотогальванических преобразователей энергии — за счет изменения конструкции или за счет совершенствования характеристик полупроводниковых элементов — компания NXP уже добилась значительных успехов. Недавно она представила ИС MPT612 с низким энергопотреблением, предназначенную для реализации функции MPPT, которая позволяет оптимизировать выработку энергии солнечной батареей. ИС MPT612, благодаря патентуемому алгоритму NXP MPPT, способна извлекать на 30% больше энергии из солнечной панели, чем традиционные контроллеры, в таких приложениях, как зарядка батарей.

 

Совершенствование конструкции и эксплуатационных характеристик

Компания NXP реализовала существенную конструктивную инновацию — использование DC/DC-преобразователей на уровне панели. «Дельта-преобразователь» компании NXP выравнивает напряжения на различных панелях в системе. В отличие от других представленных на рынке решений, которые обрабатывают всю генерируемую солнечной панелью энергию, дельта-преобразователь NXP выравнивает выходные напряжения между соседними панелями за счет обмена энергией между ними. Если разницы нет, преобразователь неактивен. Таким образом, уменьшаются потери энергии в процессе ее преобразования, а также повышается надежность за счет того, что преобразователю не нужно работать постоянно.

Используя свой многолетний опыт создания высоконадежной электроники и высоковольтных полупроводниковых компонентов, компания NXP уже разработала и продолжает разрабатывать полупроводниковую продукцию, которая в перспективе может стать основой солнечной энергетики:

  • микроконтроллеры для реализации алгоритма MPPT;
  • микросхемы для передачи данных между панелями по беспроводной сети или по электросети;
  • высоковольтные драйверы для DC/AC-преобразователей и низковольтные драйверы для DC/DC-преобразователей;
  • контроллеры, силовые MOSFET, а также высоко- и низковольтные драйверы для эффективных DC/DC- и DC/AC-преобразователей;
  • инновационные «обходные» (bypass) диоды;
  • MOSFET на основе нитрида галлия, которые обеспечивают высокие частоты коммутации с низкими потерями на проводимость и на переключение и потому рассеивают меньше энергии, чем традиционные силовые решения, например на базе IGBT.

Эти инновации являются итогом многолетних усилий NXP по созданию технологий высокопроизводительных смешанных цифро-аналоговых компонентов. Говоря коротко, высокопроизводительные смешанные цифро-аналоговые компоненты объединяют аналоговые и цифровые технологии, предоставляя инженерам-разработчикам необходимый простор для творчества при создании такой продукции, которая будет доминировать в следующем десятилетии.

Современная солнечная энергетическая установка

Рис. 2. Современная солнечная энергетическая установка

 

Технологический фундамент

Процессы производства полупроводниковых компонентов являются базовой технологией, которая позволяет разрабатывать высокопроизводительные смешанные цифро-аналоговые микросхемы, при этом для архитектур солнечных станций важны три процесса, созданные компанией NXP: EZ-HV, рассчитанный на не-большие устройства с напряжением до 700 В; ABCD9 и CO50PMU, которые уже установили ориентиры в области рабочих характеристик преобразователей при напряжениях до 120 В и позволяют создавать превосходные DC/DC-преобразователи; и, наконец, упомянутый выше процесс с применением нитрида галлия, используемый для создания силовых MOSFET с очень низкими потерями на переключение и на проводимость.

Интеграция микросхем и устройств, в основе которых лежит опыт разработки и производства высокопроизводительных смешанных цифро-аналоговых компонентов, будет способствовать дальнейшему значительному повышению эффективности солнечных панелей, сокращению периода их окупаемости и массовому применению в бытовых и промышленных приложениях. 


Солнечная электроника

Специализированная ИС NXP с низким энергопотреблением, предназначенная для реализации функции MPPT (Maximum Power Point Tracking — «отслеживание точки максимальной мощности») в сочетании с патентуемым в настоящее время алгоритмом, способна извлекать на 30% больше энергии из солнечной панели, чем традиционные контроллеры в таких приложениях, как устройства для заряда аккумуляторных батарей. С конструктивной точки зрения архитектура NXP Delta Converter обеспечивает работу каждой солнечной панели с оптимальной эффективностью.Компания NXP Semiconductors первой представила MOSFET на базе нитрида галлия, которые потребляют значительно меньше энергии, чем традиционные решения на базе IGBT, благодаря более высоким частотам коммутации и низкому сопротивлению открытого канала.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.