En las últimas décadas, el crecimiento sostenido de la demanda energética y los avances tecnológicos han impulsado el desarrollo de las microrredes de corriente continua (CC) como una solución eficiente y sustentable. Sin embargo, para su correcto funcionamiento, es fundamental contar con convertidores de potencia eficientes y confiables. Es aquí donde los convertidores de potencia de semiconductores WBG (Wide Bandgap) entran en juego, revolucionando el campo de las microrredes de CC. En este artículo, exploraremos en detalle el uso de estos convertidores, sus ventajas y aplicaciones en las microrredes de CC. Si estás interesado en conocer las últimas innovaciones en el campo de la energía renovable y las microrredes, ¡no te lo puedes perder!
Hola a todos, bienvenidos a la nueva publicación de hoy. Este artículo presenta la próxima generación de infraestructura energética, como los semiconductores del WBG, y sus ventajas y desventajas.
La infraestructura eléctrica existente enfrenta numerosos desafíos y limitaciones, lo que destaca la necesidad de modernización. La electricidad, ampliamente reconocida por su seguridad y respeto al medio ambiente, sigue siendo una fuente de energía preferida. Es urgente modernizar la centenaria red eléctrica para aumentar su eficiencia y rentabilidad. Lo principal es transportar electricidad de diferentes fuentes a largas distancias, lo que tiene una eficiencia inferior al 30%. Esta infraestructura envejecida no sólo plantea preocupaciones ambientales, sino que también crea vulnerabilidades durante los desastres naturales.
Figura 1 Energía eólica y solar utilizada en Estados Unidos
Durante los viajes de larga distancia, una gran cantidad de electricidad se pierde en forma de calor, lo que genera un desperdicio de energía. El uso constante de la energía eólica y solar no es práctico porque no siempre está disponible y es complicado conectar todo en todo el país. Sin embargo, se puede generar más electricidad de forma limpia a partir de fuentes como el carbón y el gas natural. Estados Unidos tiene un sistema de gasoductos bien conectado que ayuda a reducir estas pérdidas y aumentar la eficiencia. Los desarrollos recientes en dispositivos de conmutación de energía de banda ancha (WBG) que utilizan materiales como carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) prometen mejoras significativas en el rendimiento eléctrico y térmico en comparación con los dispositivos de silicio tradicionales.
Ⅰ. Microrredes distribuidas para electricidad sostenible
Desarrollar la próxima generación de infraestructura energética requiere un doble enfoque: no sólo la producción eficiente de energía, sino también su uso limpio y eficaz. Actualmente, el 70% de la energía producida se desperdicia, lo que sugiere la ineficiencia de la infraestructura de energía CA actual.
Figura 2 Infraestructura de energía distribuida propuesta con microrredes locales.
Como se muestra en la Figura 2, se propone una solución que incluye sistemas de energía distribuida sostenibles y eficientes. En este modelo, las microrredes locales operan de forma independiente o aislada de la red de suministro de CA primaria, una desviación de la actual red de CA de la isla. Las fuentes de energía renovables, como los paneles solares, las turbinas eólicas y las pilas de combustible, desempeñan un papel importante a la hora de satisfacer las necesidades locales de electricidad con pérdidas mínimas de electricidad en la distribución. El uso de corriente continua (DC) es cada vez más atractivo en este contexto, especialmente para cargas compatibles con DC y cuando la electricidad proviene de fuentes limpias.
Este enfoque ofrece varias ventajas. Aprovechar el amplio suministro de gas natural en Estados Unidos, que se beneficia de una red de gasoductos bien desarrollada, aumenta la confiabilidad. Además, a diferencia de la red de CA actual, que es vulnerable a las supertormentas, esta infraestructura basada en gas natural muestra resiliencia ante desastres. Para aumentar la eficiencia y la resiliencia del sistema, la electrónica de potencia avanzada utiliza semiconductores de banda prohibida ancha (WBG) controlados por retroalimentación basada en sensores y tecnología de la información. Este sistema optimiza la velocidad del motor en función de las fluctuaciones de carga.
Figura 3 Representación esquemática de un generador de cogeneración alimentado por gas natural recientemente definido.
La Figura 3 muestra cómo este sistema sirve para diversos propósitos: carga de vehículos eléctricos (EV), calefacción de edificios, suministro de agua caliente y generación de energía local. Ofrece una solución flexible y sostenible para diversos requisitos energéticos. Un aspecto notable es el uso directo de corriente continua cuando tanto la fuente de energía como la carga son compatibles con CC. Esto elimina la necesidad de conversión AC-DC, lo que reduce las pérdidas de energía y aumenta la eficiencia. Por ejemplo, los centros de datos de CC y los cargadores de baterías que funcionan con energía solar se están volviendo cada vez más populares debido a las ventajas del uso de CC.
Ⅱ. Convertidor de potencia GBM
Los diodos de potencia de banda ancha (WBG) y los interruptores de tres terminales han ingresado al mercado comercial con mejores especificaciones que sus predecesores. Estos dispositivos pueden manejar corrientes de hasta 100 amperios y tensiones nominales de hasta 1,7 kV. La clave para mejorar su calidad, como se muestra en la Figura 4, radica en las propiedades eléctricas y térmicas superiores de los semiconductores WBG en comparación con los dispositivos de silicio convencionales. Esta ventaja proviene de parámetros como la conductividad térmica (τ), la conductividad eléctrica específica (ısp) y la intensidad del campo eléctrico crítico (Ec) necesaria para provocar el avance de una avalancha.
Figura 4 Rendimiento térmico de dispositivos WBG a 300 K.
Para aplicaciones que requieren capacidades de bloqueo de voltaje por debajo de 900 voltios, los transistores de potencia laterales de nitruro de galio (GaN) han ganado terreno debido a su rendimiento superior en estado encendido en comparación con los transistores de potencia verticales de GaN y carburo de silicio (SiC) 4H. Sin embargo, como los requisitos de voltaje exceden este umbral, los transistores laterales de GaN enfrentan limitaciones de escalabilidad, lo que requiere el uso de dispositivos de potencia WBG verticales. La introducción de tecnologías de conmutación de energía del GBM debe realizarse con cuidado. Si bien el costo es a menudo un factor determinante al reemplazar los interruptores de energía de silicio en aplicaciones que buscan una mayor eficiencia energética, los dispositivos de energía WBG ofrecen el potencial de reducir el tamaño y el costo de los sistemas de energía debido a su rendimiento térmico y eléctrico superior.
Los defectos de los cristales plantean un desafío importante en los semiconductores de potencia de WBG, ya que afectan el rendimiento del chip, el rendimiento del dispositivo y la confiabilidad del campo. Abordar este desafío requiere una comprensión profunda del papel de los defectos de los cristales y el desarrollo de procesos de síntesis de materiales a baja temperatura que puedan producir grandes obleas monocristalinas sin defectos a bajos costos de fabricación. Además, el embalaje y la gestión térmica presentan desafíos enormes a la hora de producir módulos de alto rendimiento que puedan funcionar a altas temperaturas de unión.
Se requiere una mayor densidad de potencia para aplicaciones industriales de alto rendimiento, como los inversores. En tales sistemas, la sección de potencia alberga transistores bipolares de puerta aislada de silicio (IGBT) estándar y módulos de potencia de SiC con transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) con diferentes potencias nominales.
La electrónica de control y accionamiento de puerta común simplifica el diseño. El banco de capacitores de CC es reconfigurable para cumplir con diferentes requisitos de capacitancia y tensión nominal, y una familia de imanes de filtro cubre múltiples aplicaciones. El software tiene un diseño modular para admitir aplicaciones de accionamiento de motor y generación de energía de CA y/o CC. Para evaluar el rendimiento térmico de la plataforma inversora, se construyó una prueba que consta de una máquina de flujo de aire capaz de variar los índices de flujo de aire. Un elemento de flujo laminar midió la velocidad del aire entrante para enfriar el módulo semiconductor de potencia. Se utilizaron varios termopares para medir la temperatura de la carcasa de los chips semiconductores y también se controló la temperatura del termistor del módulo de potencia. Los bancos de carga de resistencia variable permiten ajustar las cargas y la energía de entrada es proporcionada por una fuente de alimentación de CC variable.
Ⅲ. Diploma
Para maximizar el potencial de la energía limpia y la tecnología avanzada, es fundamental un sistema que combine microrredes locales con la red eléctrica primaria. Estas microrredes pueden funcionar de forma independiente cuando sea necesario. Además, la transición a la transmisión de energía de corriente continua tanto dentro como fuera de estas microrredes depende de la eficiencia de costos, consideraciones de seguridad y apoyo político. Este cambio representa un paso más limpio hacia un sistema energético más sostenible y fiable.
