從可再生能源中實現(xiàn)重要電力

可再生能源在改變社會發(fā)電方式方面具有巨大的潛力，現(xiàn)在政府和公用事業(yè)組織正在推動這些能源的整合。發(fā)電后，測量和高效轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)標準的交流電對于順利整合可再生能源至關(guān)重要。還需要交流可用能量。本文回顧了可用于大規(guī)模和小型能源整合的技術(shù)。

介紹

想象一個所有電力都來自可再生能源的世界?，F(xiàn)在，考慮到 2011 年歐盟委員會 2050 年能源路線圖1提出了一個未來情景，其中 97% 的消耗電力實際上將由可再生能源產(chǎn)生。是的，目標是 97%。這樣的世界會是什么樣子？閉上眼睛，看看清新的空氣、蔚藍的天空和綠色牧場的畫面。很棒，是的，但在完成大量工作之前。對于我們工程師來說，“綠色”新世界的愿景和夢想很快就會被一個困難的超大規(guī)模工程項目所取代。

我們能否收獲、聚合和提供足夠的可再生能源，以達到可再生能源基本上提供所有必要電能的程度？這絕對是挑戰(zhàn)。

利用可再生能源的主要來源

可再生能源當然是非常有吸引力的能源生產(chǎn)選擇。太陽和風(fēng)是自由的、多產(chǎn)的、永久的。在初始設(shè)置投資之后，它們可以生產(chǎn)清潔、廉價、可靠的能源多年。同時，銅銦鎵硒（CIGS）和納米顆粒等新化學(xué)物質(zhì)改變了光伏發(fā)電，降低了生產(chǎn)成本和靈活的外形尺寸。此外，大批量生產(chǎn)繼續(xù)降低傳統(tǒng)硅和多晶硅面板的成本。

但是，在可再生能源的整合方面還有另一步。從光伏電池發(fā)電后，需要將能量轉(zhuǎn)換為交流電以用于電網(wǎng)。為了具有成本效益，此反轉(zhuǎn)步驟必須高效。在當今完整的光伏系統(tǒng)中，“系統(tǒng)平衡”（即除面板以外的所有組件）現(xiàn)在占系統(tǒng)成本的44.8%。這一比例將在2012年增加。 因此，毫無疑問，這些電子設(shè)備必須高效可靠地工作。

如果公用事業(yè)公司希望從可再生能源中產(chǎn)生大部分能源，那么必須進行大規(guī)模的太陽能、風(fēng)能和水力發(fā)電裝置。此外，配電網(wǎng)必須能夠運輸，并且可能還能夠存儲這些大型分布式和間歇性能源。此外，節(jié)約和效率也必須發(fā)揮重要作用。LED照明等技術(shù)需要大規(guī)模采用。

縮小到能量收集作為另一種選擇

還有另一個有趣的替代能源故事值得討論：能量收集。這里的任務(wù)是超越不同的能源，并考慮這些來源的規(guī)模。沙漠中的大型風(fēng)電場或英畝大小的太陽能發(fā)電場提供了大量的電力。但是，將樹葉吹過地面的微風(fēng)或透過窗戶照射的陽光呢？如果你考慮這些來源的規(guī)模，你就開辟了一個新的應(yīng)用和想法范圍。事實上，你可以大大增加可再生能源的覆蓋范圍。

這需要一些創(chuàng)造力。想象一下，一部手機從空氣中的無線電波中為自己充電;道路傳感器，僅由車輪的重量驅(qū)動，報告交通狀況;太陽能涂層窗戶，允許特定量的陽光照亮和加熱建筑物，然后利用剩余的陽光發(fā)電。這些稱為能量收集的小規(guī)模應(yīng)用不僅是可能的，而且比你想象的更接近。這些可再生能源需要智能處理能源，以使最少量的風(fēng)、振動或陽光有用。

實現(xiàn)顯著的威力

小規(guī)模發(fā)電

可再生能源和資源規(guī)模——這才是我們正在談?wù)摰?。到目前為止，我已?jīng)談到了一些人認為的“顯而易見的”。現(xiàn)在我們可以談?wù)勔呀?jīng)發(fā)生的事情。Maxim Integrated提供多種產(chǎn)品，涵蓋從小型能量收集到大規(guī)模太陽能應(yīng)用的各種替代能源解決方案。對于超小能量產(chǎn)生，MAX17710（圖1）可智能轉(zhuǎn)換任何產(chǎn)生超過1μW能量的電源。IC被認為是“與能源無關(guān)的”，因為它從熱、光、振動和磁源中收集能量。結(jié)果是一個可用的電壓，可以在運行傳感器的同時為微電池充電。

在一個幾乎完全依賴可再生能源的世界里，這些微能源將成為能源組合的必要組成部分。這也是為什么像MAX17710這樣的能量收集工具在未來如此必要。

圖1.MAX17710能量收集充電器以及勢能源和存儲元件或負載的框圖。

大中型發(fā)電

在大中型太陽能裝置中，測量產(chǎn)生的能量可以深入了解系統(tǒng)運行的狀態(tài)。78M6613 電能測量芯片在 0：5 的動態(tài)范圍內(nèi)將直流或交流能量精確測量至 2000.1%。實際數(shù)據(jù)如圖2所示。這種精度和范圍使電力生產(chǎn)商能夠監(jiān)控和衡量其屋頂太陽能電池板的系統(tǒng)性能，這些太陽能電池板在早晨和晚上產(chǎn)生能量，即使在最弱的陽光下也是如此。

圖2.使用校準的 78M6613 進行能量測量的實際數(shù)據(jù)。

78M6613還使用四象限測量來提供精確的功率因數(shù)，這決定了傳輸效率和電網(wǎng)上電力的準備情況。8M78 電能測量 IC 具有 6618 個通道，可為需要多點測量的應(yīng)用提供類似的功能。因此，78M6631 適用于大型三相商業(yè)系統(tǒng)。隨著可再生能源在電網(wǎng)電力中所占的比例越來越大，公用事業(yè)公司將依靠這些能源測量的準確性和速度來維持電力輸送，同時順利整合可變電源。

測量、計量和傳輸功率

可再生能源通常是間歇性的——風(fēng)并不總是吹，太陽也不總是明亮。因此，為了確保在用戶需要時提供足夠的能源供應(yīng)，將需要大量的可再生能源發(fā)電。電網(wǎng)上的儲能也將需要緩沖來源和需求的變化。此外，其中許多系統(tǒng)將完全“離網(wǎng)”運行。

當您談到從可再生能源發(fā)電時，您通常不會考慮電池管理。但是，當您考慮儲能問題時，電池管理技術(shù)變得至關(guān)重要。電池化學(xué)成分根據(jù)應(yīng)用和技術(shù)而發(fā)展，但安全性和連續(xù)電池運行仍然是主要要求。為了滿足這些性能要求，Maxim提供各種12節(jié)電池管理產(chǎn)品。MAX11068可管理多達12節(jié)電池的能量，提供集成電池平衡和過壓/欠壓（OV/UV）檢測。對于高壓應(yīng)用，該器件還可以以最多 31 個模塊的菊花鏈配置連接，以管理多達 372 個電池。由于它設(shè)計為在-40°C至+105°C的溫度范圍內(nèi)工作，因此最惡劣的冬季和夏季條件不會中斷電池運行。

太陽能電池板的電力也必須從直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這需要一系列的頻率切換。堅固可靠的MOSFET驅(qū)動器，如MAX15024和MAX5048，提供高效信號來驅(qū)動反相功率的MOSFET。

一旦逆變器將電力轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)標準的交流電，該逆變器還必須通過電網(wǎng)進行通信。這種通信告訴公用事業(yè)公司，它可以路由能量以獲得最有效的性能。Maxim的G3-PLC?芯片組MAX2991和MAX2992即使在高噪聲情況下也能跨電力線通信。圖3示意性地顯示，G3-PLC還可以在變壓器之間從低壓到中壓電力線進行通信，從而減少了電力線網(wǎng)絡(luò)中所需的接入點數(shù)量。這種通信方法已經(jīng)用于多個智能電表試驗，包括法國的法國電力網(wǎng)絡(luò)配電（ERDF）試驗。 此外，G3-PLC可有效地用于光伏系統(tǒng)內(nèi)的通信。光伏系統(tǒng)內(nèi)以及從太陽能系統(tǒng)到電網(wǎng)的其他通信形式包括RS-485、CAN總線和RF。 Maxim為所有這些接口提供解決方案。

圖3.G3-PLC 通信示意圖。變壓器從低壓到中壓電力線的交叉路口減少了公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)中所需的接入點數(shù)量。

今天的情況

數(shù)據(jù)表明，我們可以通過可再生能源獲得巨大的電力。沒有人在爭論可再生能源整合和保護帶來的環(huán)境效益。然而，有一點是清楚的。如果沒有精心管理的可再生資源和精心設(shè)計的電網(wǎng)，這些好處就無法實現(xiàn)。

歐盟委員會能源路線圖2050年97%可再生能源的情景顯然雄心勃勃。實現(xiàn)接近這一點將是一項巨大的工程成就，可能需要未來50年。從可再生能源中實現(xiàn)大量電力必須融合工程創(chuàng)造力、雄心勃勃的公用事業(yè)公司以及針對能源轉(zhuǎn)換、測量和通信優(yōu)化的電路。當這種情況發(fā)生時，我們都會贏。

審核編輯：郭婷