Πηγή: ines-solaire.org
Το CEA στο INES παρήγαγε το πρώτο πρωτότυπο ενός φωτοβολταϊκού μικρομετατροπέα ισχύος 400W κατασκευασμένο με τρανζίστορ GaN που αναπτύχθηκαν από τα εργαστήρια CEA στο Leti.
Προσφέρει υψηλή πυκνότητα ισχύος 1,1 kW/L και απόδοση 97 τοις εκατό (σε σύγκριση με 0,3 kW/L και 95 τοις εκατό για τις συμβατικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν εξαρτήματα πυριτίου).
Τα φωτοβολταϊκά πάνελ παράγουν συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Απαιτείται ένας μετατροπέας για τη σύνδεσή τους στο ηλεκτρικό δίκτυο, το οποίο παρέχει εναλλασσόμενο ρεύμα στους καταναλωτές. Αυτό το βήμα μετατροπής οδηγεί σε απώλειες ενέργειας που μπορούν να ελαχιστοποιηθούν με νέα εξαρτήματα.
Μεγάλοι επίγειοι φωτοβολταϊκοί σταθμοί καθώς και εγκαταστάσεις σε τριτογενή ή βιομηχανικά κτίρια είναι εξοπλισμένοι με «κεντρικούς» ή «string» μετατροπείς και συνδέονται με το τριφασικό ηλεκτρικό δίκτυο.
Για οικιακές εγκαταστάσεις, το διαθέσιμο ηλεκτρικό δίκτυο είναι μονοφασικό και χαμηλής τάσης. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ που είναι εγκατεστημένα σε στέγες ενδέχεται να υπόκεινται σε μεγαλύτερη σκίαση, οδηγώντας σε απώλειες. Ως εκ τούτου, είναι ενδιαφέρον να συσχετιστεί ένας μετατροπέας σε κάθε φωτοβολταϊκό πάνελ που επιτρέπει μια ανεξάρτητη λειτουργία μεταξύ των μονάδων, μια βέλτιστη απόδοση μονάδας και πολύ αρθρωτές λειτουργίες (εύκολη αντικατάσταση). Αυτός ο τύπος μετατροπέα, με ισχύ από 200 έως 500 W, ονομάζεται micro-inverter. Τοποθετείται στο πίσω μέρος κάθε πίνακα.
Αυτός ο εξοπλισμός χρησιμοποιεί βασικά εξαρτήματα: ημιαγωγούς ισχύος.
Η CEA στο INES αναπτύσσει μετατροπείς νέας γενιάς για τη μείωση του κόστους, τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και την υποστήριξη του ηλεκτρικού δικτύου. Η συμπαγή αυτών των αντικειμένων είναι επίσης ένα ζήτημα προκειμένου να ελεγχθούν οι επιπτώσεις στο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης των σταθμών παραγωγής ενέργειας και να ελαχιστοποιηθεί η χρήση υλικών.
Η έρευνά μας επικεντρώνεται στην ηλεκτρονική αρχιτεκτονική και χρησιμοποιεί ημιαγωγούς «μεγάλου χάσματος» όπως το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), ιδιαίτερα αυτούς που αναπτύχθηκαν στα εργαστήρια CEA-LETI στη Γκρενόμπλ.
Η τεχνολογία GaN είναι μια από τις λεγόμενες τεχνολογίες «μεγάλου χάσματος» (ευρυζωνικοί ημιαγωγοί), οι οποίες ωθούν τα όρια των ημιαγωγών ισχύος που χρησιμοποιούν πυρίτιο.
Επιτρέπει τη σμίκρυνση και την αυξημένη ενεργειακή απόδοση, ενώ παράλληλα μειώνει το κόστος.
Οι βιομηχανίες φωτοβολταϊκών και αυτοκινήτων (με ηλεκτρικά οχήματα) είναι οι κύριοι μοχλοί ανάπτυξης για αυτούς τους νέους μετατροπείς που βασίζονται σε ημιαγωγούς GaN ή SiC.
Το CEA-Leti διαθέτει επιταξία τελευταίας τεχνολογίας (600V και 1200V) και τεχνολογία για την παραγωγή διόδων GaN 600V και τρανζίστορ ισχύος που ξεπερνούν τα ισοδύναμα πυριτίου. Με αυτήν την ομοεπίπεδη τεχνολογία, θα ήταν δυνατό να γίνει το εξάρτημα ισχύος πιο «έξυπνο» με λειτουργίες προστασίας (θερμοκρασία, τάση, ρεύμα κ.λπ.) και έλεγχος (οδηγός). Είναι επίσης δυνατό να σχεδιαστούν αμφίδρομοι διακόπτες τάσης που δεν υπάρχουν επί του παρόντος.
Το CEA στο INES έχει κατασκευάσει έναν πάγκο δυναμικού χαρακτηρισμού υψηλής θερμοκρασίας για αυτά τα νέα τρανζίστορ GaN, καθώς και το πρώτο πρωτότυπο ενός φωτοβολταϊκού μικρομετατροπέα 400W χρησιμοποιώντας τα τρανζίστορ που κατασκευάζονται από το Τμήμα Εξαρτημάτων του CEA Leti. Αυτός ο μικρομετατροπέας αποτελείται από δύο στάδια μετατροπής:
- Ένα στάδιο DC/DC που περιλαμβάνει 5 τρανζίστορ GaN 100V
- Ένα στάδιο DC/AC που περιλαμβάνει 4 τρανζίστορ GaN 650V
Μια δεύτερη γενιά μικρομετατροπέων σχεδιάζεται για τα τέλη του 2022, χρησιμοποιώντας βελτιστοποιημένα τρανζίστορ GaN. Θα στοχευθούν και άλλα μεγέθη μετατροπέων προκειμένου να αποδειχθεί η ιδέα για υψηλότερες ισχύς.
Αυτή η τεχνολογία αναμένεται να φτάσει στην αγορά έως τις 2025-2027. Στο μεταξύ, ερευνητές στο CEA-Leti και στο CEA-Liten στο INES θα βελτιώσουν την τεχνολογία και θα αναπτύξουν ένα ολοκληρωμένο ψηφιακό σύστημα ελέγχου. Η ομάδα θα αποκαλύψει νέα πρωτότυπα τα επόμενα χρόνια.
Η εργασία αυτή αποτελεί αντικείμενο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και αρκετών άρθρων και παρουσιάσεων σε διεθνή συνέδρια (PCIM, EPE).
