太陽光および風力エネルギーシステムにおけるパワーエレクトロニクス

パワーエレクトロニクスは、再生可能エネルギー源、特に太陽光および風力エネルギーシステムを電力グリッドまたは独立システムに統合する上で不可欠です。これは基本的に、パワーエレクトロニクスコンバータがこれらの再生可能エネルギー源と負荷またはグリッド間の電力の変換と調整を効率的かつ柔軟に処理できるからです。

太陽光エネルギーシステム: 太陽光は太陽光発電システムで直流 (DC) 電力に直ちに変換されます。しかし、住宅用、商業用、産業用の負荷の多くは交流を必要とするため、パワーエレクトロニクスコンバータ、特にインバータが必要です。太陽光パネルの直流出力を送電網や地域での使用に適した交流電力に変換するためにインバータが使用されます。より最新なシステムのインバータには、電圧と電流を変更することによってパネルからの電力出力を最大化するために、最大電力点追従アルゴリズムが採用されています。

グリッドに接続されたインバータは、出力周波数をグリッド周波数と同期させ、高調波と力率の調整を含む電力品質を維持することも担っています。さらに、過充電を防ぎ、充電効率を最適化するために、バッテリーベースの太陽光発電システムの充電コントローラにパワーエレクトロニクスが採用されています。

風力エネルギーシステム: 風力エネルギー変換システムは、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。風速が変動するため、ほとんどの風力タービンは可変周波数交流を生成します。その結果、パワーエレクトロニクスコンバータを使用して可変周波数をに変換し、それをグリッド接続や局所的な使用に適した固定周波数のに戻します。

パワーエレクトロニクスは大きな風力タービンでより大きな役割を果たします。これは、可変速度風力タービン発電機で使用され、ロータ速度を調整し、さまざまな風速での出力を最適化します。さらに、グリッド統合に参加し、生成された電力がグリッド周波数、電圧、電力品質の基準を満たすことを保証するようにします。

DC/DCコンバータは、太陽光パネルや風力タービンの出力や蓄電池貯蔵やグリッド接続などのシステム部品間の電圧レベルを一致させるために風力と太陽光の両方でよく使用されます。

エネルギー貯蔵におけるパワーエレクトロニクスの役割

エネルギー貯蔵は、再生可能エネルギーシステムの効果的な展開と使用にとって非常に重要です。風力や太陽光のような再生可能エネルギー源は断続的であるため、夜間や風が弱い間など、これらのエネルギー源が発電していないときに、安定した予測可能な電力供給を確保するためには、エネルギー貯蔵が重要です。パワーエレクトロニクスは、電力貯蔵システムを再生可能エネルギー源や負荷や電力グリッドに接続する上で重要な役割を果たします。

バッテリーエネルギー貯蔵システム: バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) はエネルギー密度の高さと価格の下落に関連しているため、再生可能エネルギーシステムで最もよく使用されるエネルギー貯蔵テクノロジーです。BESSは再生可能エネルギー源で生成された余剰電力を直流 (DC) として蓄え、必要に応じて電動インバータを使用して交流に戻すことができます。

パワーエレクトロニクスは単純な電力変換以上の機能を果たします。これらは、充電および放電プロセスの管理、バッテリーの充電状態を安全な制限内に保ち、過充電およ重放電を制限することによってバッテリー寿命を延ばすために不可欠です。

フライホイールエネルギー貯蔵システム: フライホイールエネルギー貯蔵装置のような他のタイプのエネルギー貯蔵もまたパワーエレクトロニクスと連携されます。このようなシステムでは、フライホイールの回転速度を上げるために過剰な電力が使用され、エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵します。電気が必要な場合、回転エネルギーは電気エネルギーに変換されます。パワーエレクトロニクスコンバータは、フライホイールジェネレータの可変周波数出力ACをDCに変換し、次に使用可能な固定周波数ACに戻すために使用されます。

超電導磁気エネルギー貯蔵 (SMES): SMESのパワーエレクトロニクスコンバータは、超電導コイルのエネルギー貯蔵のために交流を直流に変換し、エネルギーが必要なときに交流に戻すために重要です。

パワーツーガス (P2G): パワーエレクトロニクスは、P2Gシステムで電力を水素または合成天然ガスへの変換を管理します。必要に応じて、得られたガスは標準的なガス貯蔵施設に保管され、電気に戻すことができます。

最後に、パワーエレクトロニクスはエネルギー貯蔵装置を電力網に接続するために極めて重要です。AC出力とグリッドの同期化、ストレージシステムとグリッド間の電力フローの制御、周波数調整や電圧サポートなどのグリッドサポートタスクの提供はすべてこの一部です。

再生可能エネルギーシステムにおけるパワーエレクトロニクスのケーススタディ

ケーススタディのコレクションは、再生可能エネルギーシステムにおけるパワーエレクトロニクスの機能と価値をよりよく理解するのに役立つ可能性があります。実世界のアプリケーションにおけるパワーエレクトロニクスの使用と影響を示す3つの状況について考えます。

ケーススタディ1: グリッド接続太陽光発電システム

パワーエレクトロニクスインバータは、米国アリゾナ州のグリッド接続太陽光発電 (PV) システムの重要な部品です。太陽電池パネルは直流 (DC) 電気を生成し、パワーインバータによって交流 (AC) に変換されます。さらに、インバータは、太陽光発電システムがグリッドと同期し、力率を変更するのを保証し、グリッドと太陽光発電システム間の電力フローを制御するのを支援します。その結果、システムは家庭の需要にうまく対応しながら、グリッドを充電することができます。

ケーススタディ2: 洋上風力発電所

パワーエレクトロニクスコンバータは、北海の洋上風力発電所の風力タービンの機能に不可欠です。風力タービン発電機は風速に基づいて可変周波数の交流発電を行います。パワーエレクトロニクスコンバータは、可変周波数の電力をDCに変換し、その後陸上送電網への長距離伝送に適した固定周波数の交流電力に変換します。さらに、コンバータはタービンの性能管理に役に立ち、電圧や周波数の調整などのグリッド支援タスクを提供します。

ケーススタディ3: グリッドスケールバッテリーエネルギー貯蔵システム

Hornsdale Power Reserveは、南オーストラリア州に設立されたグリッドスケールのリチウムイオン電池エネルギー貯蔵システム (BESS) であり、パワーエレクトロニクスを介してグリッドと接続します。パワーエレクトロニクスコンバータはBESSの充放電動作を行い、グリッドからのAC電力をDCに回してバッテリーを充電し、その後、ACに戻して、再びグリッドに電力を放電します。さらに、BESSシステムは、パワーエレクトロニクスを通じて周波数管理やピークシェービングのような重要なグリッドサービスを提供し、グリッドの安定性と回復力を追加します。