Нов подход за повишаване на ефективността на соларните инвертори

Силициево-карбидните мощни транзистори имат предимства, които позволяват да се направи голяма крачка за повишаване на ефективността на инверторите. Съществува въпросът на какво се основава силициево-карбидната технологията и какво я прави толкова подходяща за употреба при фотоволтаици. Силициевият карбид се използва като полупроводник в диоди от няколко години, ето защо качествата на този материал са добре познати. Но екзотичният полупроводник не се използва единствено в диодната технология. Още от 2002г. силициевият карбид се използва при мощните транзистори, като пазарът започва да се разраства едва през 2006г., а благодарение на нарасналото търсене от соларната индустрия това разрастване продължава.

Силициевият карбид се състои от елементите силиций и въглерод и е почти толкова твърд, колкото диаманта. Но естествено този полупроводник има други свойства, които го правят толкова популярен. Транзисторите изработени от силициев карбид са изключително устойчиви на температура, а температурният им коефициент е три пъти по-висок от този на стандартните. Те могат да функционират при температура от 500°C, докато стандартните могат да издържат до максимална работна температура от 175°C.

Силициево-карбидният транзистор също така превключва доста по-бързо и поради размера на чипа има сравнително ниско вътрешно съпротивление, в резултат на което се проявяват само ниски нива на загуби. Силициево-карбидните транзистори имат много по-добро изпълнение от стандартно използваните силициеви транзистори, особено като се вземат под внимание високите блокиращи напрежения. Причината е, че при използването на силициев карбид пробивната напрегнатост на полето е почти 10 пъти по-голяма, а разстоянието между слоевете е около три пъти по-голямо от това на силиция.

Намаляване на загубите при превключване
Фактор при вземане на решението дали да се използват силициево-карбидни транзистори в повечето случаи са високите им честоти на превключване. Загубите при превключване са тези, които определят ситуацията при фотоволтаичните инвертори. Правият ток (DC), който идва от соларните генератори по принцип е „ликвидиран” от превключвателната топология на инвертора, а след това поради запушване на мрежата е принуден да образува синусоидална крива. Това „ликвидиране” се проявява когато преходът настъпи между различни волтови потенциали. На транзистора му отнема няколкостотин наносекунди за да изпълни процедурата. През този кратък период от време енергията в компонентите е налична, но в същото време не може да се движи свободно. Това е междинно състояние при което настъпват загуби на енергия. Колкото по-кратко е междинното състояние, толкова по-малко превключвателни загуби настъпват. Това време на превключване като цяло е по-кратко при силициево-карбидните превключватели. Въпреки това трябва да бъдат положени усилия за да се постигне компромис при скоростите на превключване, тъй като много бързите преходи на превключване могат да предизвикат електромагнитен ефект.

Допълнителен потенциал за намаляване на разходите
Първоначално, подобно на трудностите пред транзисторите със силиций, при силициево-карбидните транзистори технологията на процеса и максималният размер на пластините също ограничават потенциала за масово производство. Последващ проблем е производственият процес на силициевия карбид, който е много по-сложен и изисква много повече енергия от този за производство на силиций. Поради тази причина компонентите, изработени на основата на силициев карбид, най-вероятно винаги биха били по-скъпи от тези на силициева основа. В същото време, въпреки че цената на мощните силициево-карбидни транзистори е много по-висока от тази на стандартните мощни транзистори, със силициевия карбид се появява възможността за намаляване на разходите. Например, това може да стане с помощта на охлаждащ елемент, който би могъл да бъде по-малък, тъй като нивата на загуби на енергия са по-ниски. Или с помощта на дроселни бобини, които също могат да бъдат по-малки поради по-високите честоти на циклите, които са налични при силициево-карбидните транзистори.

Към момента има твърде малко производители на полупроводници, които могат да произвеждат силициево-карбидни пластини в промишлен мащаб. Очакванията са надпреварата между производителите бързо да нарасне, а ефектите от мащаба също да имат положителен ефект върху производството. При подходящи оптимизации потребителите могат да получат ползите от производителността на силициево-карбидните транзистори, при същите или по-ниски производствени разходи като силициевите продукти.

Все още изниква въпросът дали инверторите със силициево-карбидни мощни транзистори имат бъдеще на масовия пазар. От бранша споделят, че силициево-карбидните транзистори ще имат успех и най-вероятно ще заместят силициевите транзистори при 900- и 1200-волтовите еднофазни стрингови инвертори, работещи при над 5kW. При 1200-волтовите трифазни централни инвертори се очаква въвеждането на силициево-карбидни силови модули. Силициевият карбид е изключително добър полупроводников материал, в частност при много високи напрежения. Силициево-карбидните силови транзистори постоянно се усъвършенстват, а цената им намалява, докато разходите за компоненти за пасивни сгради, по-специално тези съдържащи мед и други благородни метали, постоянно нарастват. Няколко производители на инвертори вече предлагат силициево-карбидни устройства на пазара, а много други са във фаза на разработване.

Разработки на силициево-карбидни инвертори
Доколкото е известно, първият производител на инвертори със силициево-карбидни силови транзистори е SMA Solar Technology. Инверторът Sunny Tripower High Efficiency за пръв път е представен през 2011г. в Хамбург, а е достъпен на пазара от началото на 2012г. Безтрансформаторното устройство е проектирано за високоефективни соларни системи със среден до широкомащабен изход. Максималното входно напрежение е 1000V. Според продуктовите спецификации на SMA, с номинално изходно напрежение от 15kV или 20 kV се постига максимална ефективност от 99%. За сравнение, продуктова версия със стандартен транзистор има ефективност от едва 98,5%, очевидно по-малка от тази при силициево-карбидните, при еднакъв изход и оборудване. И двете версии поддържат всички стандарти като поддръжка на мрежата, наличие на реактивна мощност и участие в управлението на мрежата.

До този момент по отношение на ефективността сред съревноваващите се производители на инвертори 99% все още не са достигнати. Въпреки това REFUsol е един от лидерите. От компанията припомнят, че първите фотоволтаични инвертори са имали ефективност от под 90%, а днес най-добрите устройства имат ефективност от над 98%. Един от техните инвертори захранва до 98,7% от изходния прав ток към мрежата. Това е постигнато с помощта на диоди и транзистори със силициево-карбиден полупроводник, които управляват енергийните потоци с голяма ефективност. Тези устройства имат нарастване на производителността от 1% или повече в сравнение със стандартните устройства.

Силициево-карбидната технология, използвана в едно от устройствата на REFUsol, предоставя на системните оператори на фотоволтаици различни възможности за намаляване на разходите. Тъй като инверторът със силициево-кадмиеви транзистори изисква ниски мощности, това устройство се задейства от изходна мощност на соларния генератор от 7W, следователно започва да захранва мрежата много по-рано сутрин отколкото силициевите устройства. По същите причини работи доста по-дълго вечер. Това дава като резултат ефективно нарастване на производителността. Благодарение на използваната силициево-кадмиева технология, това устройство предоставя продължително нарастване на производителността през целия експлоатационен живот на соларната система, което се дължи на оптималната ефективност в целия изходен диапазон. Друго предимство, което увеличава производителността, е че инверторът също така може да отведе към мрежата почти всичката си изходна мощност от 20kW, дори когато температурата на околната среда е висока, благодарение на много малките количества енергия, която не се оползотворява.

Освен двата „пионера” описани по-горе, които използват силициево-кадмиеви транзистори, има и много други производители, които използват електронни компоненти като диоди със силициев карбид в своите инвертори.