从可再生能源中实现重要电力

可再生能源在改变社会发电方式方面具有巨大的潜力，现在政府和公用事业组织正在推动这些能源的整合。发电后，测量和高效转换为符合电网标准的交流电对于顺利整合可再生能源至关重要。还需要交流可用能量。本文回顾了可用于大规模和小型能源整合的技术。

介绍

想象一个所有电力都来自可再生能源的世界。现在，考虑到 2011 年欧盟委员会 2050 年能源路线图¹提出了一个未来情景，其中 97% 的消耗电力实际上将由可再生能源产生。是的，目标是 97%。这样的世界会是什么样子？闭上眼睛，看看清新的空气、蔚蓝的天空和绿色牧场的画面。很棒，是的，但在完成大量工作之前。对于我们工程师来说，“绿色”新世界的愿景和梦想很快就会被一个困难的超大规模工程项目所取代。

我们能否收获、聚合和提供足够的可再生能源，以达到可再生能源基本上提供所有必要电能的程度？这绝对是挑战。

利用可再生能源的主要来源

可再生能源当然是非常有吸引力的能源生产选择。太阳和风是自由的、多产的、永久的。在初始设置投资之后，它们可以生产清洁、廉价、可靠的能源多年。同时，铜铟镓硒（CIGS）和纳米颗粒等新化学物质改变了光伏发电，降低了生产成本和灵活的外形尺寸。此外，大批量生产继续降低传统硅和多晶硅面板的成本。

但是，在可再生能源的整合方面还有另一步。从光伏电池发电后，需要将能量转换为交流电以用于电网。为了具有成本效益，此反转步骤必须高效。在当今完整的光伏系统中，“系统平衡”（即除面板以外的所有组件）现在占系统成本的44.8%。这一比例将在2012年增加。 因此，毫无疑问，这些电子设备必须高效可靠地工作。

如果公用事业公司希望从可再生能源中产生大部分能源，那么必须进行大规模的太阳能、风能和水力发电装置。此外，配电网必须能够运输，并且可能还能够存储这些大型分布式和间歇性能源。此外，节约和效率也必须发挥重要作用。LED照明等技术需要大规模采用。

缩小到能量收集作为另一种选择

还有另一个有趣的替代能源故事值得讨论：能量收集。这里的任务是超越不同的能源，并考虑这些来源的规模。沙漠中的大型风电场或英亩大小的太阳能发电场提供了大量的电力。但是，将树叶吹过地面的微风或透过窗户照射的阳光呢？如果你考虑这些来源的规模，你就开辟了一个新的应用和想法范围。事实上，你可以大大增加可再生能源的覆盖范围。

这需要一些创造力。想象一下，一部手机从空气中的无线电波中为自己充电;道路传感器，仅由车轮的重量驱动，报告交通状况;太阳能涂层窗户，允许特定量的阳光照亮和加热建筑物，然后利用剩余的阳光发电。这些称为能量收集的小规模应用不仅是可能的，而且比你想象的更接近。这些可再生能源需要智能处理能源，以使最少量的风、振动或阳光有用。

实现显著的威力

小规模发电

可再生能源和资源规模——这才是我们正在谈论的。到目前为止，我已经谈到了一些人认为的“显而易见的”。现在我们可以谈谈已经发生的事情。Maxim Integrated提供多种产品，涵盖从小型能量收集到大规模太阳能应用的各种替代能源解决方案。对于超小能量产生，MAX17710（图1）可智能转换任何产生超过1μW能量的电源。IC被认为是“与能源无关的”，因为它从热、光、振动和磁源中收集能量。结果是一个可用的电压，可以在运行传感器的同时为微电池充电。

在一个几乎完全依赖可再生能源的世界里，这些微能源将成为能源组合的必要组成部分。这也是为什么像MAX17710这样的能量收集工具在未来如此必要。

图1.MAX17710能量收集充电器以及势能源和存储元件或负载的框图。

大中型发电

在大中型太阳能装置中，测量产生的能量可以深入了解系统运行的状态。78M6613 电能测量芯片在 0：5 的动态范围内将直流或交流能量精确测量至 2000.1%。实际数据如图2所示。这种精度和范围使电力生产商能够监控和衡量其屋顶太阳能电池板的系统性能，这些太阳能电池板在早晨和晚上产生能量，即使在最弱的阳光下也是如此。

图2.使用校准的 78M6613 进行能量测量的实际数据。

78M6613还使用四象限测量来提供精确的功率因数，这决定了传输效率和电网上电力的准备情况。8M78 电能测量 IC 具有 6618 个通道，可为需要多点测量的应用提供类似的功能。因此，78M6631 适用于大型三相商业系统。随着可再生能源在电网电力中所占的比例越来越大，公用事业公司将依靠这些能源测量的准确性和速度来维持电力输送，同时顺利整合可变电源。

测量、计量和传输功率

可再生能源通常是间歇性的——风并不总是吹，太阳也不总是明亮。因此，为了确保在用户需要时提供足够的能源供应，将需要大量的可再生能源发电。电网上的储能也将需要缓冲来源和需求的变化。此外，其中许多系统将完全“离网”运行。

当您谈到从可再生能源发电时，您通常不会考虑电池管理。但是，当您考虑储能问题时，电池管理技术变得至关重要。电池化学成分根据应用和技术而发展，但安全性和连续电池运行仍然是主要要求。为了满足这些性能要求，Maxim提供各种12节电池管理产品。MAX11068可管理多达12节电池的能量，提供集成电池平衡和过压/欠压（OV/UV）检测。对于高压应用，该器件还可以以最多 31 个模块的菊花链配置连接，以管理多达 372 个电池。由于它设计为在-40°C至+105°C的温度范围内工作，因此最恶劣的冬季和夏季条件不会中断电池运行。

太阳能电池板的电力也必须从直流电转换为交流电。这需要一系列的频率切换。坚固可靠的MOSFET驱动器，如MAX15024和MAX5048，提供高效信号来驱动反相功率的MOSFET。

一旦逆变器将电力转换为符合电网标准的交流电，该逆变器还必须通过电网进行通信。这种通信告诉公用事业公司，它可以路由能量以获得最有效的性能。Maxim的G3-PLC™芯片组MAX2991和MAX2992即使在高噪声情况下也能跨电力线通信。图3示意性地显示，G3-PLC还可以在变压器之间从低压到中压电力线进行通信，从而减少了电力线网络中所需的接入点数量。这种通信方法已经用于多个智能电表试验，包括法国的法国电力网络配电（ERDF）试验。 此外，G3-PLC可有效地用于光伏系统内的通信。光伏系统内以及从太阳能系统到电网的其他通信形式包括RS-485、CAN总线和RF。 Maxim为所有这些接口提供解决方案。

图3.G3-PLC 通信示意图。变压器从低压到中压电力线的交叉路口减少了公用事业网络中所需的接入点数量。

今天的情况

数据表明，我们可以通过可再生能源获得巨大的电力。没有人在争论可再生能源整合和保护带来的环境效益。然而，有一点是清楚的。如果没有精心管理的可再生资源和精心设计的电网，这些好处就无法实现。

欧盟委员会能源路线图2050年97%可再生能源的情景显然雄心勃勃。实现接近这一点将是一项巨大的工程成就，可能需要未来50年。从可再生能源中实现大量电力必须融合工程创造力、雄心勃勃的公用事业公司以及针对能源转换、测量和通信优化的电路。当这种情况发生时，我们都会赢。

审核编辑：郭婷