من أجل الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، من الضروري التخلي عن استخدام محطات الطاقة الحرارية والتحول إلى طاقة صديقة للبيئة. لا يمكن إجراء هذا الانتقال في وقت واحد ، فأنت تحتاج أولاً إلى زيادة كفاءة استخدام الكهرباء المولدة بالفعل ، لتقليل خسائرها أثناء النقل إلى المستهلك والتحويل إلى أشكال مختلفة. أحد العناصر الرئيسية لحل هذه المشكلات هو إلكترونيات الطاقة وأجهزة أشباه الموصلات الكهربائية.
نظرًا لأن حلول الطاقة هي واحدة من أهم قطاعات أعمالنا ، فإننا نعتبر أنه من المهم التحدث عن كيفية عملنا على جعل العالم أكثر نظافة. على وجه الخصوص ، يمكن لأشباه الموصلات التي نقوم بتصنيعها توفير الكهرباء بشكل كبير ، وبالتالي ، التخلي عن بناء محطات توليد الطاقة الضارة بالبيئة. دعنا نتعرف على كيفية اختلاف أشباه الموصلات الكهربائية عن تلك العادية ومعرفة خصائصها التي يمكنها توفير الكهرباء وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
ميزات أجهزة أشباه الموصلات السلطة
إذا لم تتعمق في النظرية ، فإن أجهزة أشباه الموصلات التي تعمل بالطاقة هي نفس الثنائيات والترانزستورات والثايرستور ، ويتم تعديلها مع مراعاة نطاق تطبيقها. على عكس الأجهزة الإلكترونية الدقيقة ، يتم استخدام أشباه الموصلات الكهربائية في التيارات العشرات ، والمئات والآلاف من الأمبيرات ، والجهد المئات من الميجا فولت. تتطلب هذه الأحمال حلول تصميم محددة من أجل القضاء على انهيار تقاطع pn.
على سبيل المثال ، أساس
الصمام الثنائي للطاقة القوي هو صفيحة رقيقة من الكريستال أحادي السيليكون تتشكل فيها وصلة pn. لمنع الصدأ من التصدع بسبب التسخين ، يتم لحامه بفضة لحام لأقراص التعدين الحراري أو الموليبدينوم التي يصل سمكها إلى 3 مم. يتم وضع "شطيرة" الناتجة في حاوية مختومة من تصميم دبوس أو الكمبيوتر اللوحي.
تصميم الصمام الثنائي دبوس. مصدر
العنصر الرئيسي لتحويل الكهرباء ذات الطاقة العالية - عشرات ميغا فولت وما فوق - هو
الثايرستور عالي الجهد . من الناحية الهيكلية ، يتكون من أربع طبقات من السيليكون مع الموصلية بالتناوب ، على الحدود التي تشكلت ثلاث تقاطعات pn. التحولات المتطرفة هما الأنود والكاثود ، والوسط هو التحكم.
يحتوي الثايرستور على حالتين ثابتتين: "مفتوح" (التدفقات الحالية) و "مغلق" (بلا تيار). تتغير الحالة تحت تأثير الجهد الكهربائي على قطب التحكم. يحدث تبديل نفسه بسرعة كبيرة ، ولكن ليس على الفور. في دوائر التيار المتردد ، سوف يمر الثايرستور بنصف موجة واحدة - الموجة العلوية. عند وصول نصف الموجة السفلي ، تتم إعادة تعيينه إلى الحالة "المغلقة". تستخدم خاصية الثايرستور هذه في تبديل مصادر الطاقة لتحويل الجيوب الأنفية إلى نبضات.
على أساس الثايرستور ، يتم إنشاء محولات الخدمة الشاقة في خطوط الطاقة الحالية المباشرة (خطوط الطاقة) ، وتدرج العاصمة بين أنظمة الطاقة ، معوضات الطاقة التفاعلية الثابتة في خطوط الطاقة الحالية بالتناوب.
جهاز الثايرستور عالية الجهد. مصدر
يعمل المستهلكون الرئيسيون للكهرباء بقدرات تقل عن ميجاوات. العنصر الأكثر شيوعًا في هذا النطاق هو
ترانزستور مجال ثنائي القطب ،
ترانزستور بوابة ثنائي القطب ، IGBT. IGBT هي دائرة متكاملة للطاقة تضم العديد من الخلايا الأولية. كل خلية تتكون من ترانزستور ثنائي القطب عالي الجهد مع ترانزستور تأثير مجال مدرج في دائرة التحكم. مزايا IGBT - استهلاك صغير للطاقة في دائرة التحكم للتبديل وإيقاف التشغيل والسرعة العالية.
لبناء محولات منخفضة الطاقة ،
الترانزستورات MOS ، الترانزستور تأثير حقل أشباه الموصلات تأثير الترانزستور ، وتستخدم MOSFET. يتم تصنيع هذه الأجهزة أيضًا في شكل دائرة كهربائية متكاملة تحتوي على مئات الآلاف من خلايا الترانزستور. الجهد التشغيلي لدارات MOS ، كقاعدة عامة ، أقل من 500 فولت ، تيار التشغيل يصل إلى مئات من الأمبيرات.
أين ولماذا يتم استخدام أجهزة أشباه الموصلات
المنشآت الصناعية
نظرًا لاقتصادها وإمكانية التحكم فيها وكفاءتها العالية ، تزيد أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية من كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية. تستهلك أجهزة التشغيل اللينة وإمدادات الطاقة غير المنقطعة والمحركات الكهربائية والتركيبات الكهربائية المختلفة مدة أطول وتدوم لفترة أطول بسبب استخدام مكونات الطاقة الإلكترونية.
في الأجهزة التي تحتوي على محرك كهربائي ، يتم إنفاق أكثر من نصف الكهرباء المستهلكة على ضمان دورانها. يعمل محول تردد أشباه الموصلات القابل للتعديل على تقليل استهلاك الكهرباء بنسبة 30٪ دون التأثير على المواصفات الأخرى.
الشبكات الكهربائية
يمكن أن يؤدي استخدام محولات أشباه الموصلات في نقل وتوزيع الكهرباء إلى توفير ما يصل إلى 25٪ من الكهرباء. وبالتالي ، فإن إدخال مكونات طاقة أشباه الموصلات على نطاق واسع يسمح لك بالتخلي عن بناء محطات طاقة جديدة والاستغناء عن قدرات المحطات الحالية.
محطات الطاقة الشمسية
يجب تحويل الكهرباء المستلمة من الألواح الشمسية لنقلها إلى شبكة الكهرباء أو للاستخدام المنزلي. استخدام أجهزة أشباه الموصلات الطاقة للسيطرة على محطات الطاقة الشمسية يزيد من كفاءتها.
النقل الكهربائي
السيارات الكهربائية تستخدم الطاقة المخزنة في البطاريات. بفضل استخدام إلكترونيات الطاقة ، يحدث تحويل الطاقة لتلبية احتياجات مختلف المستهلكين في السيارة بأقل الخسائر. وتتيح لك تقنية الاسترداد وضع طاقة الكبح في إعادة شحن البطاريات وزيادة عدد الكيلومترات.
علاوة على ذلك ، من المثير للاهتمام أن التطور السريع للنقل الكهربائي أجبر مصنعي أجهزة أشباه الموصلات على البحث عن مواد جديدة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة لإنشاء مكونات طاقة جديدة. وفقًا للدراسات التحليلية ، تقوم صناعة أشباه الموصلات بتحويل قدراتها بشكل كبير إلى استخدام كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم بدلاً من بلورات السيليكون العادية.
عناصر الطاقة المصنوعة من مواد جديدة أكثر إحكاما من السيليكون التقليدي ، مما يشير إلى أن إمدادات الطاقة من الجيل الجديد سوف تصبح أقل بنسبة 80-90 ٪. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع المركبات التي تستخدم هذه المواد بقدرة أعلى 10 مرات ، وتعمل على ترددات أعلى وفي نطاق درجة حرارة أوسع ، ومستوى المقاومة في الحالة المفتوحة وتيارات التسرب أقل بكثير من نظيراتها السيليكونية.
آفاق
اعتمدت العديد من الحكومات برامج لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. على سبيل المثال ، تخطط الحكومة الإسبانية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 20 ٪ بحلول عام 2030 ، وبنسبة 90 ٪ من مستويات عام 1990 بحلول عام 2050. يتم تعيين الدور الرئيسي في الحد من الانبعاثات لصناعة الطاقة الكهربائية ، ومن المقرر أن يتم تحويل الصناعات الأخرى في وقت لاحق.
خطة تخفيض ثاني أكسيد الكربون حسب قطاع الصناعة. اسبانيا ، 2019. مصدر
تشير التقديرات إلى أنه بحلول عام 2030 ، يجب أن تصل طاقة صناعة الكهرباء الوطنية إلى 157 جيجاوات. من هذه ، سيتم توفير 50 جيجاواط من محطات توليد الطاقة من الرياح ، و 37 جيجاواط - محطات الطاقة الشمسية الضوئية ، 27 جيجاواط - طاقة الدورة المركبة.
بالإضافة إلى ذلك ، تنص مجموعة القوانين على أنه ابتداءً من عام 2040 في إسبانيا ، سيكون من الممكن شراء سيارات فقط بدون انبعاثات.
تم بالفعل اعتماد مجموعات مماثلة من القوانين أو هي قيد الدراسة في دول الاتحاد الأوروبي. هذا يعني أنه في العقود المقبلة يمكننا أن نتوقع نمواً سريعاً في مبيعات أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية ، لأنه بدونها تنفيذ التدابير المخطط لها لتحسين الوضع البيئي ببساطة مستحيل.