エネルギー貯蔵システム（ESS）は、未使用のエネルギーを一定の方法で一時的に収集して貯蔵し、貯蔵されたエネルギーを必要に応じて取り出して使用したり、エネルギーが不足している場所に輸送して使用したりするために使用されます。このようにして、エネルギーの利用効率が向上し、エネルギーの無駄が回避されます。これは、エネルギー不足に悩む現代社会において特に重要です。この記事では、ESSのコンセプトと開発状況、Arrow Electronicsが提供するリファレンス デザインとさまざまなソリューションについて紹介します。
ESSはエネルギー不足の問題を解決します
エネルギーの生成（再生可能エネルギー源のうち、水力、太陽光、風力など）は、多くの場合、時間と空間によって制限されます。例えば、水力発電は夏季に生産量が多く乾季には少なくなります。太陽光発電は日中しか発電できません。風力発電は季節や天候の影響を受けやすいため、継続的かつ安定した発電を実現することは困難です。さらに、人間によるエネルギー利用は季節や天候にも左右され、電力消費にはピーク時間帯とオフピーク時間帯があり、上記の発電方法では対応しきれない。
そのため、一定期間内に発電した余剰電力を蓄え、ピーク時に電力網に供給するエネルギー貯蔵システム機器が現在では人気のアプリケーションの一つとなっている。エネルギー貯蔵システムは、余剰熱エネルギー、運動エネルギー、電気エネルギー、位置エネルギー、化学エネルギーなどを貯蔵することができ、出力容量、出力場所、出力時間を変えることができます。一般的なエネルギー貯蔵技術には、顕熱貯蔵技術、潜熱貯蔵技術、化学反応熱貯蔵技術などがあります。
顕熱蓄熱技術は、蓄熱媒体の温度を上昇させることで熱エネルギーを蓄えます。一般的に使用される顕熱蓄熱材料には、水、土壌、岩石などがあります。これは、高効率と低コストを特徴とする、よく開発されたエネルギー貯蔵方法です。
潜熱蓄熱技術は、エネルギー貯蔵媒体の液相と固相の間の相変化中に発生する融解熱を利用して熱エネルギーを蓄えます。しかし、エネルギー貯蔵媒体は 高価であり、腐食する傾向があり、その一部は分解反応を起こす可能性があります。さらに、この技術は顕熱蓄熱技術に比べてより複雑な蓄熱装置を必要とし、より技術的な困難を伴います。
化学エネルギー貯蔵技術は、化学物質を分解することによってエネルギーを貯蔵し、貯蔵されたエネルギーは分解された物質の化学結合によって放出されます。可逆分解反応、有機可逆反応、水素化物化学反応によって実現でき、エネルギー不足問題の解決に役立ちます。
世界のエネルギー貯蔵市場は急速に成長している
エネルギー貯蔵は、電力システムの信頼性を向上させ、新エネルギーの消費を促進するための重要な技術です。エネルギー貯蔵システムは、発電側または電力網から電気エネルギーを動的に吸収して貯蔵し、必要に応じて放出することができるため、電気エネルギーの生産、伝送、使用が同期して完了する従来のモードを変更し、リアルタイムバランスのとれた「固定」電力システムをより「柔軟」にし、電力品質と電力消費効率を効果的に向上させます。
大規模電力系統システムへのエネルギー貯蔵応用に加え、家庭ユーザーに適用されるエネルギー貯蔵システム（家庭用エネルギー貯蔵）が新しい電力システムの重要な部分となるでしょう。この種のエネルギー貯蔵システムは通常、家庭用太陽光発電システムと一緒に設置され、家庭ユーザーに電力を供給します。昼間は太陽光発電の電気エネルギーを優先的に地域負荷で使用し、余剰電力は蓄電池に蓄えられ、さらに余剰電力は電力系統に選択的に組み込むことができます。夜間に太陽光発電システムが発電できない場合、蓄電池が電気を放電し、地域の負荷に供給します。家庭用エネルギー貯蔵システムは、家庭用太陽光発電システムと連携してユーザーが自家発電を行うことを促し、ユーザーの電気代を削減し、異常気象時の電力消費の安定性を確保します。
家庭用電気化学エネルギー貯蔵システムは、通常、バッテリーパック、バッテリー管理システム（BMS）、電力変換システム（PCS）、エネルギー管理システム（EMS）で構成されており、エネルギー貯蔵バッテリーとコンバーターは価値の高いコアリンクです。
現在、世界のエネルギー貯蔵市場は急速に成長しており、ユーザー側のエネルギー貯蔵は重要な原動力の一つとなっています。フロスト＆サリバンのデータによると、2021年、世界のエネルギー貯蔵システムの新規設置容量は25.2GWhに達し、前年比133.3%増加し、発電側、送電網側、ユーザー側の設置容量はそれぞれ14.4、2.7、8.1GWhとなり、特に欧州と米国で家庭用エネルギー貯蔵市場の急速な成長を示しています。
中国のエネルギー貯蔵市場も国家政策の支援を受けて急速に発展している。深センを例に挙げましょう。深センは、分散型太陽光発電産業の応用と産業革新を推進し、大都市における「二酸化炭素排出量のピークとカーボンニュートラル」を特徴とする「ダブルカーボン」発電モードを模索する予定です。具体的には、深センは建物一体型太陽光発電（BIPV）を積極的に推進し、太陽光発電の設置容量を150万キロワット増やすことを目指しており、2025年には500万キロワットに達すると予想されています。深センにおける世界のエネルギー貯蔵市場の発展は極めて速いです。深センの実践が中国の他の都市でも推進されれば、巨大な市場と発展の機会が生まれるだろう。
住宅に適用される太陽光発電/太陽エネルギー貯蔵システム
住宅に適用される太陽光発電/太陽エネルギー貯蔵システムは、再生可能エネルギーと分散型エネルギー生成のさらなる発展に不可欠です。効率的な電力変換およびバッテリー管理システムを設計するには、使いやすい製品を提供する必要があります。そのためには、システムコストとパフォーマンスの最適化が重要な推進要因であり、市場への迅速な登場と信頼性の高い配信パフォーマンスが重要な要件となります。
10kWの太陽エネルギー貯蔵システムを例に挙げます。この10kw DC/AC三相 p Arrow Electronicsが発表した熱電対インバーターは、バッテリーパックと双方向充電システムを備えており、主に3相T型DC-ACインバーターブロック、最大電力点追従（MPPT）ブースターブロック、双方向バッテリー充電システムブロック、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）ブロックの4つのブロックで構成されており、顧客の製品開発と設計をスピードアップできます。
3相T型DC-ACインバータブロックのトポロジーは、1200V、75mΩ、TO247-4パッケージをサポートするSiC MOSFETと、650V、45A、TO247-4パッケージをサポートするSiC MOSFETを使用した10～15kWの3段T型インバータで、オンセミのNCV1117STおよびCS51414 DCレギュレータ、オンセミのNCV7357D CANトランシーバ、オンセミのNCS20061SN2T1Gアンプも搭載されています。
MPPTブースター ブロックの主なデバイスには、TIのTMS320C28379 MCU、1200 V、75 mΩ、TO247-4パッケージをサポートするSiC MOSFET、1200 V、20 A、TO247-3パッケージをサポートするSiCダイオード、およびNCS20061SN2T1Gアンプと、onsemiのNCV1117ST33T3GおよびNCV1117ST50T3G DCレギュレータが含まれます。
双方向バッテリー充電システムのトポロジーは、1200 V、32 mΩ、TO247-4パッケージをサポートするプライマリSiC MOSFETと、650 V、15 mΩ、TO247-4パッケージをサポートするセカンダリSi MOSFETを採用した10 kw CLLLC双方向DCDC電力コンバーターで、オンセミコンダクター製の絶縁型SiCゲート ドライバー、アンプ、DCレギュレーター、TI製のMCUも搭載されています。
HMIブロックは、WiFi、イーサネット、RS485、CANなどのインターフェイスをサポートし、絶縁型補助電源ドーター ボードと組み合わせられ、Vinの900-1000 V DCリンク バス入力とVoutの12 V/4A絶縁型DC出力をサポートします。採用された主なデバイスには、オンセミのUC2844BD1R2G PWMコントローラ、オンセミの1700V高電圧SiC MOSFET、オンセミのFDMS86101DC低電圧パワーMOSFET、オンセミのNCP4306DADZZ同期コントローラ、オンセミのNCP431BCSNT1G基準電圧、オンセミのFOD817Aオプトカプラ、オンセミのBCP56T1Gパワートランジスタ、オンセミの多数のダイオードとツェナーダイオードが含まれます。
高効率双方向電力コンバータ
Arrow Electronicsは、エネルギー貯蔵PFC用の双方向電力コンバータのリファレンス設計である、エネルギー貯蔵PFC用の双方向電力コンバータも発表しました。トーテムポールPFCトポロジーで構成され、SiC MOSFETを使用して高スイッチング周波数で動作し、高効率を実現し、サイズと重量を削減します。
充電モードでの双方向電力変換器の最大充電電力は6.6 kw、定格入力電圧は200 Vac ～ 265 Vac 50 Hz、定格出力電圧は380 Vdc ～ 580 Vdc、効率は98% を超えることができます。反転モードでは、インバータの最大電力は6.6kw、インバータの定格入力電圧は550Vdc、インバータの定格出力電圧は220Vac 50Hzで、効率も98%を超えます。
このエネルギー貯蔵PFC用の双方向電力コンバータは、UPS、太陽エネルギー システムなどの高電力充電システムに使用できます。この評価ボードを使用すると、SiC MOSFETシステムの設計をスピードアップし、製品開発サイクルを大幅に短縮できます。
結論
エネルギー貯蔵システムはエネルギーの利用効率を向上させることができ、発電側、電力網側、ユーザー側を含む電力システムのすべてのリンクで使用できますが、その中でユーザー側の市場開発の潜在力が最も大きいです。この記事では、Arrow Electronicsが開発したエネルギー貯蔵ソリューションを紹介しました。これにより、エネルギー貯蔵システムの開発が大幅に加速されます。このエネルギー貯蔵システムの詳細については、Arrow Electronicsにお問い合わせください。