Chưa có sản phẩm trong giỏ hàng.
Tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời từng mang lại cảm giác thích thú giống như những chuyến bay đầu tiên của con người đã làm trong các thế kỷ trước. Ngày nay, điện năng lượng mặt trời là một công nghệ phổ biến nhưng vẫn có tiềm năng phát triển vượt bậc về hiệu quả và ứng dụng.
Một công nghệ vật liệu sẵn sàng biến đổi hiệu suất năng lượng mặt trời là Silicon Cacbua (SiC).
Các nhà chế tạo thiết bị năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu kỳ diệu này để xây dựng các hệ thống biến tần năng lượng mặt trời mạnh mẽ và hiệu quả cao, biến nguồn điện một chiều từ tế bào quang điện (PV) thành nguồn điện xoay chiều gia đình và doanh nghiệp.
Bài viết này sẽ xem xét các loại biến tần năng lượng mặt trời và cách công nghệ SiC phù hợp để hoàn thiện chúng.
Công nghệ SiC Silicon Cacbua: Lịch sử lâu dài, mới cho ngày nay
Nội dung
Các nhà khoa học lần đầu tiên tổng hợp SiC vào năm 1891. SiC xuất hiện tự nhiên, mặc dù nó rất hiếm trên Trái đất. Ban đầu, SiC được sử dụng làm chất mài mòn và được sử dụng trong nhiều ứng dụng về kết cấu và điện.
Tuy nhiên, ngày nay nó được sử dụng như một vật liệu bán dẫn tiên tiến, với những đặc tính vượt xa các vật liệu silicon truyền thống.
Thách thức với SiC là mặc dù nó đã được tổng hợp cách đây hơn một thế kỷ nhưng việc tạo ra nó đủ độ tinh khiết để sử dụng làm chất bán dẫn vẫn rất khó khăn.
Không giống như sản xuất silicon cấp bóng bán dẫn (Si) (có thể được xử lý từ trạng thái lỏng thành tinh thể cần cắt), tinh thể SiC phát triển bao gồm quá trình thăng hoa/lắng đọng trong đó khí được chuyển trực tiếp thành chất rắn.
Do đó, việc sản xuất bóng bán dẫn SiC phức tạp hơn (và đắt tiền) hơn so với việc sản xuất các thiết bị Si. Tuy nhiên, các đặc tính nâng cao của SiC có nghĩa là chi phí này không phải lúc nào cũng ngang bằng với nhau.
SiC có dải thông rộng, nghĩa là các bóng bán dẫn được chế tạo bằng SiC có thể hoạt động ở dải điện áp, nhiệt độ và tần số cao hơn so với các thiết bị Si.
SiC cũng là chất dẫn nhiệt vượt trội so với Si và dẫn điện tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của cacbua silic là cho các hệ thống biến tần năng lượng mặt trời.
Hệ thống biến tần năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ SiC như thế nào
Sử dụng SiC cho bộ biến tần năng lượng mặt trời mang lại rất nhiều lợi ích, bao gồm:
- Hiệu quả cao hơn
- Khối lượng và trọng lượng tổng thể của hệ thống thấp hơn
- Quản lý nhiệt tốt hơn
- Độ tin cậy cao hơn
Vì các thiết bị sử dụng công nghệ SiC dẫn nhiệt và chịu nhiệt tốt hơn Si nên chi phí thiết kế và linh kiện để làm mát trong quá trình triển khai biến tần tổng thể thường ít hơn. Bộ biến tần cũng có thể nhỏ hơn, nghĩa là chi phí vật liệu thấp hơn.
Thêm vào các lợi ích hiệu suất khác được nêu ở trên – cộng với ý tưởng rằng chi phí sản xuất SiC có thể sẽ giảm khi phát triển trong tương lai – và đề xuất giá trị cho SiC có vẻ rất hấp dẫn.
Sau khi được sản xuất, bộ biến tần năng lượng mặt trời (hoặc một dãy bộ biến tần) phải được lắp đặt trong hệ thống quang điện (PV) để sử dụng nó.
Ba cấu trúc liên kết biến tần năng lượng mặt trời phổ biến
Biến tần – biến đổi nguồn DC thành nguồn AC – là một công nghệ được sử dụng chung. Người ta có thể lập luận rằng bộ biến tần năng lượng mặt trời được sử dụng để chuyển đổi nguồn DC từ giàn pin quang điện thành nguồn AC.
Có ba loại cấu trúc biến tần quang điện chính: biến tần vi mô, biến tần chuỗi và biến tần trung tâm. Mỗi loại đều phù hợp với những tình huống và quy mô khác nhau.
Ưu nhược điểm của biến tần chuỗi và biến tần vi mô
Hướng dẫn ứng dụng biến tần năng lượng mặt trời
Biến tần vi mô
Ở đây, “bộ biến tần vi mô” số nhiều là chính xác nhất, vì một loạt các bộ biến tần nhỏ (vi mô) biến đổi nguồn DC từ các tấm pin mặt trời thành điện AC để cung cấp cho gia đình hoặc cơ sở nhỏ khác.
Mỗi phần năng lượng mặt trời tạo ra từ 40 đến 80VDC, với đầu ra thông thường là 110 hoặc 230VAC.
Các thiết lập này rất linh hoạt, với dải công suất tổng thể từ 200W đến 1,5kW và hiệu suất vừa phải khoảng 96%. Việc giảm kích thước mà công nghệ SiC cho phép đặc biệt hấp dẫn trong trường hợp này vì nhiều bộ biến tần thường cần được vận chuyển đến và tích hợp với các tấm pin.
Tuy nhiên, biến tần vi mô cũng là loại hệ thống biến tần năng lượng mặt trời đắt nhất.
Biến tần chuỗi
Các tấm pin mặt trời liên kết với nhau (thành một chuỗi), gửi nguồn điện DC tổng thể đến một biến tần duy nhất. Cấu trúc liên kết này phù hợp với các dải công suất từ 1kW đến 200kW, cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ một ngôi nhà cho đến các tòa nhà và khu phức hợp công nghiệp.
Điện áp đầu vào có thể lên tới 1500VDC, với đầu ra lên tới 800VAC 3 pha. Cấu trúc liên kết này linh hoạt và hiệu quả lên tới 98,5%. Khả năng xử lý điện áp cao hơn của SiC là lý tưởng ở đây.
Nhà sản xuất SiC Infineon đã tạo ra thiết kế tham chiếu biến tần chuỗi PV 1500V sử dụng công nghệ SiC MOSFET kẹp điểm trung tính hoạt động (ANPC) và hoạt động ở tần số 48kHz.
Thiết kế này rẻ hơn từ 5 đến 10% so với hệ thống tương đương chỉ sử dụng công nghệ IGBT ở tần số 16kHz trên cơ sở chi phí mỗi kW.
Mặc dù các công tắc và trình điều khiển bán dẫn sử dụng công nghệ SiC trong thiết kế như vậy có giá cao hơn so với các thiết bị tương tự chỉ có IGBT, nhưng chúng cho phép tiết kiệm đáng kể các thành phần từ tính có thể tạo nên sự khác biệt tối đa.
Khả năng giảm tổn thất và tăng hiệu suất trong các ứng dụng biến tần khiến hệ thống dựa trên công nghệ SiC thậm chí còn hấp dẫn hơn về lâu dài. Thêm nhiều chuyển đổi trong thiết lập giải pháp lưu trữ năng lượng (ESS) và lập luận về việc sử dụng công nghệ SiC nâng cấp chỉ trở nên mạnh mẽ hơn.
Mặc dù những gì được nêu ở trên là để triển khai biến tần chuỗi PV, các cấu trúc liên kết khác sẽ nhận thấy những lợi ích tương tự từ khả năng của SiC.
Biến tần trung tâm
Nhiều chuỗi tấm pin mặt trời được đưa vào một bộ biến tần trung tâm. Các cấu trúc liên kết như vậy phù hợp với các nhà khai thác cấp lưới và có thể tạo ra công suất trên 1000kW (tức là trên một gigawatt).
Điện áp đầu vào có thể lên tới 1500VDC, với đầu ra lên tới 690VAC 3 pha. Công nghệ này có khả năng mở rộng ít nhất trong ba cấu trúc liên kết nhưng mang lại hiệu quả cao nhất (lên tới 99%).
Khả năng tăng điện áp của SiC rất hấp dẫn trong kịch bản này. Bộ biến tần trung tâm cho phép ứng dụng các đặc tính hiệu suất cao của SiC trên quy mô lớn. Trên mỗi kW, bộ biến tần trung tâm là loại hệ thống biến tần năng lượng mặt trời ít tốn kém nhất.
Lợi ích của SiC cho sản xuất điện mặt trời
Mặc dù một số đặc điểm SiC nhất định được mong muốn hơn trong các trường hợp cụ thể, nhưng tất cả lợi ích của SiC sẽ áp dụng cho từng cấu trúc liên kết được liệt kê. Tỷ lệ chi phí/lợi ích sẽ càng trở nên hấp dẫn hơn khi công nghệ phát triển.
Các công ty bao gồm Infineon, Microchip, onsemi, STMicroelectronics và Wolfspeed tiếp tục thúc đẩy công nghệ SiC phát triển và chúng ta có thể mong đợi SiC sẽ cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành năng lượng mặt trời và hơn thế nữa!