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Por que o SiC é ideal para energia verde?

Por que o Carbeto de Silício é o Material Ideal para Inversores de Energia Verde?

Introdução

A energia verde é essencial para atender à demanda global de energia, que está aumentando exponencialmente, ao mesmo tempo, em que reduz as emissões para conter o aumento da temperatura global abaixo de 1,5°C1 nos próximos anos. A importância dessa energia está impulsionando o mercado de energia renovável em direção a US $2 trilhões até 20302, com os sistemas globais de armazenamento de energia (ESS) superando US $13 bilhões por si só3. Embora os custos da energia verde possam diminuir em 35% para energia solar e quase 50% para energia eólica até 2030, graças à Lei de Redução4 da Inflação, ainda há desafios na criação de uma infraestrutura distribuída para converter energia CC renovável em energia CA transmissível.

Os inversores são a tecnologia fundamental que realiza essa conversão CC-CA para fontes de energia verde. E por uma boa razão: os inversores oferecem uma eficiência de conversão de até 96%5. No entanto, existem desafios na tecnologia dos inversores, tanto em termos de tamanho quanto de durabilidade em escala, apesar de sua clara vantagem na conversão de energia. Além disso, as arquiteturas convencionais requerem resfriamento ativo e suporte de equipamentos pesados.

Para alcançar desempenho técnico e sucesso comercial, os engenheiros estão convergindo para um material ideal para inversores solares e eólicos em grande escala: o carbeto de silício.

Anatomia de um Inversor de Energia Renovável

Os inversores de energia renovável requerem vários valores de especificação para garantir o desempenho desejado. Entre eles estão a faixa de corrente e tensão de entrada [DC], potência máxima de saída AC, meta de eficiência de conversão e faixa de temperatura de operação classificada para uma aplicação.

Uma vez que os engenheiros de projeto tenham quantificado esses níveis, eles podem projetar os inversores de energia verde compostos pelos componentes básicos:

  • Entrada DC (incluindo desconexões e fusíveis de sobrecarga): O componente de entrada DC envolve painéis solares ou turbinas eólicas que conectam a energia DC renovável ao inversor.
  • Conversor de energia (incluindo transformador de alta frequência, MOSFETs/IGBTs e circuitos de controle): O componente do conversor de energia converte a energia DC de entrada em energia AC de saída.
  • Saída AC (incluindo disjuntores ou fusíveis): O componente de saída AC conecta a energia AC do inversor à aplicação, como uma residência ou propriedade comercial.
  • Sistema de controle: O componente do sistema de controle envolve dispositivos de monitoramento e controle para avaliação remota, solução de problemas e otimização de desempenho.
  • Sistema de resfriamento (incluindo ventiladores, dissipadores de calor ou circuitos de refrigeração líquida): O componente do sistema de resfriamento envolve resfriamento ativo para dissipar o calor gerado durante a operação do inversor. Esse calor representa a maior parte da ineficiência na conversão de energia e pode danificar os componentes do dispositivo.

Tamanhos típicos para aplicações

Inversores em grande escala serão necessários para atender à demanda de mercado descrita acima. No entanto, a tecnologia de inversor não é exclusiva para tamanhos maiores; existem três níveis principais para conversão de energia renovável:

  • Inversor de utilidade (central) (>20 kW): O inversor de utilidade fornece um inversor por conjunto de painéis solares, o que reduz a eficiência devido à perda de diodo.
  • Inversor comercial (em série) (1-20 kW): O inversor comercial fornece uma proporção de 1:1 entre inversor e painel, conectando inversores em série para melhorar a eficiência.
  • Microinversor (50-400 W): O microinversor oferece a maior eficiência através de um inversor/controlador MPP integrado dentro de um painel solar.

Soluções para Dispositivos de Potência

O silício desempenhou um papel fundamental no aumento da eficiência das células fotovoltaicas (PV). Atualmente, o material também é a solução predominante para semicondutores de potência MOSFET e IGBT. No entanto, com a demanda exponencial por energia renovável para atingir as metas de descarbonização até 2050, a tecnologia atual de inversores está atingindo seus limites.

O silício limita a tensão de operação, as densidades de potência e as temperaturas do desempenho do inversor. Ele também possui perdas de comutação (reduzindo a eficiência), o que reduz a capacidade do fornecimento de energia do inversor. A menor eficiência requer um tamanho maior para compensar, aumentando o custo total de propriedade e a pegada de carbono.

Em contraste, o carbeto de silício (SiC) é um material de gap largo que permite operação em tensões substancialmente mais altas, densidades de potência e temperaturas. Juntamente com perdas de comutação e condutivas reduzidas e correntes de vazamento mais baixas do que o silício, essas vantagens aumentam a eficiência de conversão. O SiC economiza 10MW/GW convertido e 500W/s em operações para aplicações de inversores solares em larga escala, resultando em economia direta de energia6.

Soluções da Wolfspeed

A Wolfspeed está bem posicionada para fornecer semicondutores de carbeto de silício (SiC) para inversores de energia verde, um mercado em crescimento. Com uma participação de mercado estimada em 60% e receitas projetadas para crescer de $700 milhões no ano fiscal de 2022 para $1,5 bilhão em 20247, o potencial é muito alto para o líder de mercado em uma tecnologia que atualmente representa apenas 5% do mercado de semicondutores de potência.

O uso de um MOSFET de carbeto de silício da Wolfspeed, como o Diodo Schottky de SiC de 1700V, possibilita um inversor solar mais leve, menor e mais eficiente. Essas vantagens resultam em menos perdas no sistema, melhor eficiência e menor custo por watt em comparação com o silício tradicional, reduzindo o número de componentes do sistema.

Em parceria com outros sistemas de energia renovável, os inversores de energia solar e as aplicações de sistemas de armazenamento de energia (ESS) estão atualizando a energia da rede para melhorar a resiliência, atender aos altos requisitos globais de energia e reduzir sua pegada de carbono geral. Esses sistemas devem ser o mais energética e espacialmente eficientes possível em climas rigorosos, ao mesmo tempo que se mantêm economicamente viáveis.

Conclusão

O silício desempenhou um papel fundamental na melhoria da eficiência de conversão de energia das primeiras células solares fotovoltaicas e tem sido o material incumbente para semicondutores de potência há mais de meio século. No entanto, com as crescentes demandas por energia renovável, especialmente solar e eólica, o silício está atingindo seu limite prático.

As soluções de Carbeto de Silício abordam as necessidades e desafios dos sistemas de energia renovável que contêm semicondutores, fornecendo maior densidade de potência, reduzindo perdas de comutação e aumentando a frequência de comutação. As soluções de Carbeto de Silício da Wolfspeed permitem inversores mais compactos, leves e eficientes para semicondutores de energia solar que convertem a luz solar em eletricidade em ambientes rigorosos com temperaturas variáveis, alta umidade e outras condições adversas.

Referências 

1. “Special Report: Global Warming of 1.5oC.” ipcc. Accessed May 12, 2023. https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/spm/.

2. “Renewable Energy Market Size Worldwide in 2021, with a Forecast for 2022 to 2030.” statista, January 27, 2023. https://www.statista.com/statistics/1094309/renewable-energy-market-size-global/.

3. “Top ‘Energy Storage Systems (ESS) Market’ Size 2023-2031, With 114 Pages.” MarketWatch. Accessed March 28, 2023. https://www.marketwatch.com/press-release/top-energy-storage-systems-ess-market-size-2023-2031-with-114-pages-2023-03-28.

4. How clean energy economics can benefit from the biggest climate law in US history, September 16, 2022. https://www.icf.com/insights/energy/clean-energy-economic-benefits-US-climate-law.

5. “The Efficiency of Solar Inverters.” SRNE. Accessed May 12, 2023. https://www.srnesolar.com/blog/the-efficiency-of-solar-inverters#:~:text=Solar%20inverters%20are%20very%20efficient,can%20be%20lost%20as%20heat.

6. “How Silicon Carbide Is Changing Solar Power Systems.” AltEnergyMag, May 28, 2020. https://www.altenergymag.com/article/2020/05/how-silicon-carbide-is-changing-solar-power-systems/33171.

7. Wolfspeed Leads The Pack Of Next-Generation Chipmakers, September 22, 2022. https://www.investors.com/research/the-new-america/wolfspeed-stock-leads-pack-of-power-chip-producers/.

Artigo escrito por Adam Kimmel e publicado no blog da Mouser Electronics: Why SiC Is Ideal for Green Energy?

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
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