Amplia brecha de banda hace que la energía solar tenga un futuro brillante

Es evidente que las energías renovables serán una parte importante de nuestro futuro. No sólo satisfará nuestra creciente demand a de energía eléctrica, alimentará nuevas tecnologías, como los vehículos eléctricos (EV), sino que también protegerá el medio ambiente y reducirá nuestra dependencia de los combustibles fósiles, lo que podría dar lugar a contaminación y energía nuclear.

De las diversas fuentes de energía renovables utilizadas, la energía solar y eólica se han convertido en las fuentes de energía más utilizadas y son responsables de generar las fuentes de energía renovables más limpias. Entre las dos tecnologías, la energía solar se está convirtiendo en la tecnología dominante, que genera casi el doble de electricidad que la energía eólica. De hecho, el despliegue de energía solar en 2017 fue mayor que la generación total de energía basada en combustibles fósiles en el mismo per íodo, un hito importante en el cambio mundial hacia fuentes de energía limpias y renovables.

El desarrollo de la energía solar tiene enormes oportunidades de mercado, ya que actualmente representa sólo el 12% del mundo & # 39; S producción total de electricidad (equivalente a 500 GW). Asia - Pacífico & # 39; China lidera la capacidad de producción, representando más de la mitad del mundo, y China representa un tercio del despliegue mundial de energía solar. Europa representa actualmente más de una cuarta parte de la capacidad mundial, mientras que los Estados Unidos representan aproximadamente una sexta parte de la capacidad mundial.

El rápido crecimiento de la energía solar, cuya tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) se estima en alrededor del 30%, está impulsado por tres factores principales: la fuerte demanda continua de más electricidad, los avances tecnológicos y la reglamentación y las iniciativas gubernamentales. Los paneles fotovoltaicos se están perfeccionando para convertir la luz solar en electricidad de manera más eficiente y generar más energía de una superficie más pequeña, lo que hace que las instalaciones residenciales sean más eficientes.

Los gobiernos están elaborando políticas para estimular el crecimiento de la energía solar. China, por ejemplo, ha declarado que para 2020 la energía limpia debe satisfacer el 20% de sus necesidades energéticas. La UE aplica además el objetivo "20 - 20 - 20": para 2020, la eficiencia energética aumentará un 20%, las emisiones de dióxido de carbono disminuirán un 20% y las energías renovables generarán un 20% de energía.

Tecnología de generación de energía solar

Los paneles fotovoltaicos generan tensión de corriente continua que, cuando se utilizan con cargadores DC - DC, se pueden utilizar en fuentes de alimentación "fuera de la red" para cargar baterías que almacenan energía para su uso posterior. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos requieren una fuente de alimentación de CA bajo tensión de alimentación, por lo que en muchos sistemas, el inversor que genera tensión de ca a partir de la tensión del panel fotovoltaico es muy importante. Este enfoque se llama "conexión a la red", ya que la corriente alterna se puede conectar de nuevo a la red principal, lo que da a los propietarios la oportunidad de vender electricidad a las compañías eléctricas para compensar las facturas.

En cuanto al tamaño del inversor, la tendencia es pasar de un inversor central de alta potencia de más de 100 kW a un inversor de varias series que puede proporcionar hasta 100 kW. El núcleo de estos sistemas es el convertidor de impulso DC - DC y el inversor DC - AC. La tensión de corriente continua de los paneles fotovoltaicos genera tensión de corriente alterna (y frecuencia). Además, hay una serie de circuitos precisos de monitoreo, control y protección para garantizar el funcionamiento seguro y eficiente del sistema.

La eficiencia energética es uno de los objetivos clave de cualquier sistema solar fotovoltaica, por lo que no se desperdiciará energía y se generará el menor exceso de calor posible. Cuanto mayor sea la eficiencia energética del sistema, menor será el enfriamiento necesario para radiadores, ventiladores y otros equipos, reduciendo así el tamaño, el peso y el costo del sistema.

La tecnología de banda ancha Gap es muy importante para el futuro sistema de generación de energía solar

Se puede decir que los componentes más importantes del convertidor de potencia, como MOSFET, IGBT y diodos, están generalmente hechos de silicio. Dado que estos dispositivos son cruciales para la eficiencia energética de los sistemas de energía solar, las principales empresas de semiconductores, como el productor de semiconductores, han estado invirtiendo enormes sumas de dinero en mejoras de rendimiento. Sin embargo, la industria ha llegado a un punto en el que es casi imposible mejorar con dispositivos de silicio. Por lo tanto, los dispositivos de conmutación basados en materiales de brecha de banda ancha (WBG), incluyendo Gan y sic, se consideran la clave para proporcionar el rendimiento necesario para el futuro sistema de generación de energía solar.

   Central fotovoltaica

Los conmutadores sic se denominan a veces "soluciones a todos los problemas de los ingenieros de energía" y proporcionan un mayor rendimiento en algunas áreas clave. En aplicaciones estáticas, la baja resistencia inherente a la apertura completa reduce la pérdida y por lo tanto genera menos calor durante el funcionamiento.

Ingeniero # 39 en aplicaciones modernas de conmutación de energía; El objetivo de s es aumentar la frecuencia de conmutación, lo que puede reducir el tamaño de los dispositivos magnéticos, como inductores y transformadores. En muchos diseños de inversores, este método puede reducir la corriente de inrush cuando se cierra. Para MOSFET a base de silicio, la carga de la puerta (qG) necesaria para cada período de conmutación es relativamente grande, por lo que la pérdida dinámica aumentará con el aumento de la frecuencia.

Cuando se utiliza un dispositivo sic, la pérdida dinámica de conmutación es mucho menor, por lo que se puede utilizar una frecuencia de conmutación más alta, al tiempo que se mejora el rendimiento (y se reduce el tamaño). En comparación, cuando el diodo sic típico funciona a 80 kHz, la pérdida es un 73% menor que la del diodo de silicio. En el sistema de generación de energía solar de alta potencia, el aumento de la eficiencia energética en un 3% dará lugar a una mejora significativa del rendimiento.

Semiconductor

La gente todavía piensa que el esquema sic es caro. Pero no lo es. Aunque estos dispositivos han estado en el mercado durante algún tiempo, la tasa de utilización es inferior a lo previsto, ya que se hace hincapié en el costo de un solo dispositivo en lugar del costo de todo el sistema o el costo total de la propiedad.

Si consideramos una solución de potencia de 30 kw basada en silicio, el costo de los inductores y condensadores es del 90% (60% y 30%, respectivamente). Los dispositivos semiconductores representan sólo el 10% del costo total de la lista de materiales (BOM). Aunque el costo de un solo dispositivo sic es mayor que el de los dispositivos de silicio correspondientes, el uso de interruptores sic puede reducir el valor de Capacitancia e Inductancia en un 75%, lo que puede reducir significativamente el costo y compensar el aumento del costo de los dispositivos de conmutación. Por lo tanto, el costo total de bom del sistema de generación de energía solar sic ha alcanzado el nivel inferior al del sistema de silicio, y tiene una notable ventaja de aplicación y rendimiento.

Resumen

La energía solar se está convirtiendo en una fuente de energía importante en el futuro, ya que ofrece soluciones respetuosas con el medio ambiente y sostenibles. La caída de los precios, las políticas gubernamentales y la necesidad de reducir las emisiones de dióxido de carbono contribuyeron a un fuerte crecimiento en esta esfera.

La eficiencia energética es fundamental para el diseño y la fabricación de sistemas pequeños y altamente fiables. Las soluciones basadas en silicio han alcanzado el límite de su potencial de desarrollo y están siendo superadas por la tecnología WBG. Los dispositivos basados en sic tienen menor pérdida y pueden funcionar a temperaturas más altas y frecuencias de trabajo más rápidas, lo que reduce en gran medida el tamaño y el costo de la bobina de reactancia y el condensador, que son los principales costos de bom. Por lo tanto, estos sistemas eficientes y fiables tienen un precio de diseño más bajo que la última generación de productos a base de silicio.