Au cours des trois dernières décennies, la montée de petites sources d'énergie renouvelable comme les panneaux solaires photovoltaïques (PV) et les éoliennes, associés à la technologie du réseau intelligent, ont fondamentalement modifié la façon dont les maisons et les entreprises interagissent avec le réseau électrique – à la fois à la consommation et à la production d'électricité.
Ce changement fondamental – «La décentralisation de la génération d'électricité» – change le fonctionnement des réseaux nationaux, modifiant la relation entre les maisons, les entreprises et les fournisseurs d'électricité. Bien que cette transition soit déjà en cours, l'agence internationale de l'énergie (AIE) prévoit que plus de 100 millions de ménages proposeront des panneaux solaires sur le toit en PV d'ici 2030, une augmentation substantielle par rapport à 25 millions d'aujourd'hui.
Par conséquent, la décentralisation de l'énergie vient de commencer, et pour les ingénieurs électroniques, plusieurs nouveaux défis et opportunités sont à l'horizon. Dans cet article, nous explorerons le changement dans les réseaux électriques nationaux, analysant les implications techniques et sociétales, ainsi que les composants clés disponibles qui peuvent aider les défis présentés par ce changement.
Les facteurs stimulent l'évolution des réseaux électriques
La décentralisation croissante des réseaux électriques a été motivée par plusieurs facteurs, largement centrés sur les limites inhérentes aux réseaux électriques centralisés et les avantages uniques du pouvoir décentralisé.
Un moteur clé de l'énergie décentralisée a été la réalisation de petites sources d'énergie renouvelables. Atteindre l'indépendance énergétique avant l'augmentation des panneaux solaires et des petites éoliennes signifiait déployer une forme de générateur d'électricité de dynamo électrique, comme une turbine à gaz, au charbon ou à l'eau – une tâche qui nécessiterait de vastes ressources physiques tout en créant des implications importantes et techniques et sociales.
Un autre entraînement principal derrière la production d'énergie décentralisée est le besoin croissant de plus de puissance. Répondre à cette demande croissante de grandes centrales centralisées nécessite une planification, des ressources et du temps importants, les centrales nucléaires nécessitant environ six à huit ans pour construire et commission. À titre de comparaison, les plus petites ressources énergétiques décentralisées (DERS) peuvent être déployées beaucoup plus rapidement: les fermes solaires à grande échelle ne prennent généralement qu'un à trois ans pour mettre en ligneet les petites installations solaires résidentielles et industrielles (figure 1) prennent entre six et 18 semaines moyenne.
Dans de nombreux cas, il est plus simple et plus rentable de répondre aux besoins énergétiques croissants avec de nombreuses sources distribuées plus petites que celles centralisées.
La baisse des coûts et l'amélioration de l'efficacité des technologies renouvelables, associées à la hausse des prix de l'électricité, ont également rendu le PV solaire et l'énergie éolienne de plus en plus possible. Les progrès des technologies de stockage et de gestion d'énergie améliorent encore la viabilité des énergies renouvelables distribuées.
La montée du pouvoir décentralisé
La demande croissante d'énergie décentralisée résulte des tendances et des progrès à grande échelle des systèmes d'énergie renouvelable, d'électronique de puissance et de stockage d'énergie de la batterie (BESS). L'innovation électronique contribue à créer de nouvelles opportunités pour DERS en augmentant l'efficacité du système, l'intelligence et la sécurité, ainsi que la réduction des considérations et des coûts d'emballage.
Développements solaires et éoliennes PV
Au début des années 2000, les panneaux solaires en PV résidentiels et commerciaux typiques avaient une efficacité d'environ 15%. Depuis lors, les développements dans la conception des cellules photovoltaïques et les changements fondamentaux de la composition des matériaux ont contribué à augmenter cette valeur, les panneaux d'aujourd'hui offrent généralement autour 20%.
Oxford PV, un spin-off de l'Université d'Oxford, a récemment établi un record du monde avec sa cellule solaire en tandem de pérovskite sur silicone de taille commerciale, atteignant 28,6% d'efficacité – une étape significative suggérant une amélioration d'efficacité encore plus grande sont possibles. L'augmentation de l'efficacité des panels peut aider à stimuler l'adoption du DER en réduisant la zone nécessaire pour un déploiement solaire viable (les coûts des panels fournis restent similaires).
Les éoliennes voient également un développement significatif, avec des turbines émergentes sans lats (figure 2) capables de surmonter plusieurs défis persistants. L'absence de lames de turbine rotatives traditionnelles simplifie et améliore la sécurité de l'intégration du système dans les bâtiments tout en diminuant les dépenses d'entretien et en atténuant les frappes d'oiseaux. Ces avantages peuvent aider à déployer des éoliennes dans de nouveaux emplacements, y compris plus près des panneaux solaires ou des emplacements résidentiels plus petits où les restrictions de planification empêchent souvent les éoliennes de déplacement.
La mini usine d'Oxford de BMW a récemment ajouté le premier système d'énergie stationnaire au monde d'Aeromine Technologies pour compléter son solaire existant Configuration de l'alimentation. En manipulant le flux d'air avec ses aérodromes, la turbine produit une zone à basse pression derrière l'unité qui entraîne l'air à travers son hélice interne, convertissant l'énergie éolienne en électricité.
Vortex Bladeless, une startup espagnole, développe un système sans turbine pour la production d'électricité à vent. Ce système exploite la perte de tourbillon, la création de tourbillons tourbillonnants par le vent qui coule autour d'un cylindre, pour induire l'oscillation qui est convertie en électricité via un électromagnétique interne alternateur.
Avancées dans la technologie de l'onduleur
Les progrès de l'électronique de puissance, en particulier l'adoption des semi-conducteurs de carbure de silicium (SIC), contribuent à améliorer l'efficacité de l'onduleur, réduisant à la fois les pertes d'énergie et les exigences de gestion thermique. Par rapport aux dispositifs traditionnels à base de silicium, les semi-conducteurs SiC à large bande interdite présentent des pertes de commutation plus faibles, une conductivité thermique plus élevée et une plus grande densité de puissance.
Alors que les derniers onduleurs en silicium peuvent atteindre une efficacité de 98%, les onduleurs sic peuvent atteindre environ 99% d'efficacité dans une large gamme de puissance, ce qui se traduit par une réduction de 50% de perte d'énergie. Un gain théorique de 1% appliqué au total de 259,99 GW de la capacité solaire de l'Union européenne ajouterait environ 2,6 GW à la production totale – équivalent à 6,5 millions Panneaux solaires 400W.
L'amélioration des performances thermiques du SIC réduit les exigences de refroidissement, permettant aux fabricants de concevoir des onduleurs plus petits, plus légers et plus fiables. Cette réduction de cette taille permet le déploiement d'installations DER dans des paramètres résidentiels et commerciaux plus limités dans l'espace. Ces caractéristiques, associées aux économies croissantes d'échelle dans la fabrication de SiC, réduisant ses coûts, aident à stimuler la création d'onduleurs solaires plus petits et plus efficaces qui pourraient entraîner une nouvelle vague d'adoption solaire.
Évolution de Bess
Dans les BESS, le passage au phosphate de fer au lithium (LFP) a entraîné une amélioration de la stabilité thermique et de la longévité par rapport aux batteries traditionnelles du lithium-ion. Pendant ce temps, de nouvelles conceptions modulaires, y compris des batteries à montage à rack, offrent des installations plus rentables et évolutives, permettant aux utilisateurs résidentiels et commerciaux d'optimiser la capacité du système pour leurs besoins énergétiques.
Les systèmes de gestion des batteries (BMS) commencent également à intégrer l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique, ce qui peut encore améliorer la fiabilité et l'efficacité de BESS. Les fonctions d'IA peuvent mieux prédire la dégradation de la batterie, optimiser les cycles de charge en fonction des conditions environnementales et gérer dynamiquement le flux d'énergie pour maximiser la durée de vie et les performances de la batterie.
Innovation électronique des composants soutenant DERS
Pour permettre la gestion transparente de DERS, une connectivité fiable est nécessaire pour transmettre des données vitales, telles que l'état de charge de la batterie, la production d'énergie renouvelable et la consommation d'énergie locale. Ces données améliorent la gestion efficace des ressources d'énergie renouvelable pour les entités résidentielles et commerciales et, par le biais des compteurs intelligents et des onduleurs, permet une intégration rationalisée dans les réseaux nationaux, améliorant les capacités de gestion des grilles pour les fournisseurs d'énergie et les opérateurs.
Deux fabricants, onsemi et Würth elektronik, ont collaboré pour fournir un portefeuille de solutions d'onduleur solaire qui abordent la puissance et la communication sur le marché mondial croissant des installations renouvelables Micro et String.
Soutenir la communication transparente dans les installations solaires
L'émetteur-récepteur Ethernet industriel du NCN26010 d'Onsemi est un appareil conforme à 10 Mbps, IEEE 802.3cg qui intègre un contrôleur d'accès multimédia (MAC), un sous-couche de réconciliation (RS) et une couche physique (PHY) (PHY). Il fournit les fonctions nécessaires pour transmettre et recevoir des données sur des câbles compacts Ethernet à paire (SPE) compacts.
Le mode d'immunité de bruit améliorée (ENI) de l'appareil est essentiel pour DERS, qui est sensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Les performances du NCN26010 dépassent les normes IEEE T1S, ce qui lui permet de résister à des tests d'immunité à injection de courant directe rigoureux (DPI) et à injection de courant en vrac (BCI). Avec ENI activé, la portée du réseau de l'émetteur-récepteur est presque le double de celle de ses concurrents, soutenant jusqu'à 40 nœuds sur un Segment 25m. La compatibilité avec l'alliance ouverte MacPhy SPI permet au NCN26010 de s'intégrer à une large gamme d'unités de microcontrôleur (MCU), à accélérer le développement du système.
Dans DERS, le NCN26010 et la mise en réseau SPE améliorent non seulement la fiabilité du réseau par rapport aux alternatives sans fil, mais réduisent également les coûts de câblage, de connecteur et d'installation par rapport aux autres normes de câblage, y compris Ethernet à huit fils, aidant à construire des DER plus intelligents et plus résistants.
Complétant les émetteurs-récepteurs SPE d'Onsemi, les transformateurs LAN USB 3.0 LAN Würth Elektronik fournissent des connexions RJ45 et USB 3.0 avec une protection contre les surtensions intégrée qui élimine la nécessité de pièces supplémentaires pour la protection de circuit.
Le connecteur RJ45 dispose d'un transformateur intégré et d'un étranglement en mode commun, lui permettant de prendre en charge jusqu'à 50W de puissance sur Ethernet (PoE +) et accélère jusqu'à 10 Gbit / s. Dans DERS, il permet une connexion facile aux systèmes intégrés dans des assemblages tels que les modules MPPT Boost, les compteurs intelligents et les onduleurs et fournit une prise en charge de l'ajout de dispositifs POE auxiliaires, tels que les nœuds de capteur, pour surveiller les températures de BESS ou les vitesses de vent.
Conclusion
Ders donne aux entreprises et aux propriétaires la possibilité d'atteindre l'indépendance énergétique tout en améliorant leur durabilité. Cependant, à mesure que l'énergie doit augmenter et que les réseaux électriques nationaux deviennent plus complexes, le marché doit fournir des solutions solaires et éoliennes efficaces et fiables qui s'intègrent parfaitement dans les maisons, les entreprises et le réseau plus large.
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