Zastosowania Polska

Energia słoneczna jest najczystszym i najobficiej dostępnym źródłem energii odnawialnej. Ogniwa lub panele fotowoltaiczne (PV) to urządzenia przekształcające energię słoneczną w energię elektryczną. Od nowego tysiąclecia rozpoczął się intensywny rozwój i produkcja paneli słonecznych na dużą skalę. Globalna moc fotowoltaiczna osiągnęła 494.3 GW w 2018 r. i oczekuje się, że w latach 1–2019 wzrośnie o ponad 2030 TW (źródło: baza danych GlobalData Power). Szacuje się, że większość dodatkowych mocy produkcyjnych w tym okresie będzie pochodzić z Chin, Indii i innych krajów Azji i Pacyfiku. Wraz z szybkim wzrostem mocy zainstalowanej i doskonaleniem technologii, średni koszt inwestycyjny instalacji fotowoltaiki znacznie się zmniejsza, ale nadal znacznie się różni w zależności od kraju. Malejące koszty produkcji i programy rządowe skutkują obniżką średniej ceny systemu fotowoltaicznego. Średni światowy koszt inwestycyjny fotowoltaicznych elektrowni fotowoltaicznych wyniósł 4,162 USD/kilowat (KW) w 2010 r. i spadł do 1,240 USD/kW w 2018 r., a na podstawie szacunków kosztów w kilku krajach szacuje się, że do 997 r. będzie on dalej spadał i osiągnie 2030 USD. Poniższy rysunek przedstawia średni trend cen systemów w światowych systemach fotowoltaicznych i pięciu największych krajach zajmujących się fotowoltaiką w latach 2010–2018.

Rynek fotowoltaiki, globalny, średni koszt w kluczowych krajach i na świecie ($/KW), 2010–2018 (źródło: GlobalData)

Aby utrzymać konkurencyjność, producenci systemów fotowoltaicznych i systemów elektroenergetycznych stale poszukują nowych technologii. Efektywność konwersji mocy oraz masa/rozmiar falownika i koszt materiałów to aspekty, na które musi zwrócić uwagę projekt. Poziomy mocy i napięcia konwertera fotowoltaicznego różnią się w zależności od zastosowania. Zastosowania mieszkaniowe przeważnie mają moc poniżej 10 kW, a komercyjne zwykle mieszczą się w zakresie od 10 kW do 70 kW. Elektrownie na skalę przemysłową mają moc powyżej 70 kW. Obecnie większość elektrowni nadal wykorzystuje maksymalne napięcie magistrali 1000 V, ale niedawno opracowane duże farmy fotowoltaiczne zaczęły zwiększać napięcie fotowoltaiczne do 1500 V z 1000 V. Wyższe napięcie może zmniejszyć straty w półprzewodnikach i miedzi oraz jeszcze bardziej poprawić wydajność systemu elektroenergetycznego. W przypadku napięcia magistrali 1500 V, 3-poziomowe topologie boost i falownik stają się jedynym prawidłowym rozwiązaniem w przypadku urządzeń przełączających 1200 V.

Diody SiC są szeroko stosowane w projektowaniu przetwornic podwyższających napięcie fotowoltaiczne, a tranzystory MOSFET SiC są wykorzystywane w wielu wysokowydajnych falownikach. Poniżej przedstawiono dwa przykłady topologii stosowane przy projektowaniu falowników fotowoltaicznych.

Falownik o mocy 60 kW z rozwiązaniem MOSFET TO-247 SiC

Falownik 1500 V 150 kW z MOSFET TO-247 SiC i modułem IV1E SiC Firma IVCT opracowała konwerter podwyższający z przeplotem o mocy 20 kW w celu zademonstrowania wydajności diody SiC i MOSFET-u. W konwerterze zastosowano cztery tranzystory MOSFTE 80mOhm 1200V IV1Q12080T4 oraz cztery diody 10A 1200V IV1D12010T3. Przy 65 kHz konwerter osiąga sprawność 99.4% przy napięciu wejściowym 600 V i wyjściu 800 V. Tranzystory MOSFET są sterowane przez sterownik SiC MOSFET IVCR1401. Poniższe przebiegi pokazują czyste zbocza narastające i opadające Vds.