現代エネルギーシステムの制御を推進する

二酸化炭素排出量の削減は世界的な目標となっており、多くの新技術の開発と研究が行われています。 パワーチェーン全体にわたる効率の向上と新しいエネルギー貯蔵方法が必要です。

化石燃料を再生可能エネルギーに置き換えるには、太陽光、風力、水力、バイオマス、地熱エネルギーを使用できます。 バイオマスと地熱エネルギーは一定のエネルギー生産を提供しますが、太陽、風、波によって生成されるエネルギーには同じことが当てはまりません。 日中に生成された太陽エネルギーは、夜間の使用に備えて蓄えられなければなりません。 同じことが風力エネルギーにも当てはまります。風がないとタービンはエネルギーを供給できなくなります。

これらの新しいテクノロジーはすべて、さまざまな電源から電力を供給する必要がある電子制御回路を必要とします。 次の記事では、その課題と解決策について説明します。

成長市場の1つは電気自動車であり、たとえば欧州連合は2035年以降は従来の内燃機関を搭載した新車を販売しないことを決定している。 他の地域でも同様の禁止が決定されており、EVへの移行には、世界中のさまざまなACグリッドから電力を供給する多くの公共および民間の充電ステーションが必要になります（図1）。

世界の AC 主電源電圧範囲は 85Vac ～ 264Vac で、今日の電源の多くはこの範囲全体で動作します。

エネルギー用途におけるもう 1 つの課題は、充電器やウォール ボックスなどのデバイスがヒューズ パネルに直接接続されているという事実から生じます。 これは、ケーブルとプラグを介してコンセントに接続された機器よりも主電源過渡現象の影響を受けやすいことを意味するため、4kVac 絶縁を備えた過電圧カテゴリ III (OCV III) に準拠する必要があります。（图 2）。これは、充電器またはウォールボックス内で使用される補助電源にも当てはまります。

これらのシステムは、電源配線または中性線の障害にも耐えることができなければなりません。 設置中に相を誤って接続したり、中性点が (近くにある場合でも) 開回路になったりすると、システムの不均衡が生じ、電圧が高くなる可能性があります。 したがって、主電源入力電圧が監視され、このような障害が発生した場合には高価な高電力ブロックが切断されます。

この監視回路はあらゆる状況下で動作する必要があるため、P-Duke は OVC III 準拠だけでなく、85 ～ 530Vac の広い電圧範囲で動作できる小型 AC/DC コンバータを各種提供しています。 相が誤って中性点に接続された場合でも、補助電源と監視回路が動作し、電力段を保護します。

最新のシステムは、スマート グリッドまたはスマート ホーム環境に統合する準備ができている必要があります。 これにより、制御システムがグリッド内の電力の実際の利用可能状況と一致することが可能になります。 余剰エネルギーがある場合、車のバッテリーが充電され、電力網を安定させるためのエネルギーバッファーとして機能します。 エネルギーを大量に消費する家電製品は、十分なエネルギーが利用可能な場合にのみオンになります。

つまり、グリッドまたはスマート ホーム コントローラーと通信するには、より多くのフェーズが必要になります。 相間電圧、ディスプレイ、タッチパッド、またはリレーの電源電圧の範囲は 3.3V ～ 24V で、小型の絶縁型または非絶縁型コンバータによって補助電源電圧バスから生成できます (図 3)。

記事の冒頭で述べたように、エネルギーの流れは非一定であるため、再生可能エネルギーの統合には貯蔵オプションの拡大も必要です。 現在、水力発電所はこの目的に使用されており、エネルギーが余っている場合には水を貯水池に戻します。 ただし、その容量には限界があり、エネルギーを蓄える最も明白な方法はバッテリーを使用することです。

鉛蓄電池は数十年にわたって使用されてきましたが、重量があり、エネルギー密度が比較的低く、充電プロセスが遅く、約 300 ～ 600 回しか充電できません。

リチウム電池には鉛酸電池に比べていくつかの利点があります。 たとえば、鉛蓄電池よりも軽くて小さいだけでなく、より速く再充電でき、数千回の充電サイクルが可能です。 そのため、モバイル機器や電気自動車での使用に最適です。

しかし、彼らが必要とする材料の入手可能性は限られており、それらの一部は問題のある条件下で入手されています。 一般的な EV バッテリーには、容量 1 キロワット時あたり 120 ～ 180 グラムのリチウムが必要であるだけでなく、入手可能な量が限られている他の材料も必要です。 ドイツの自動車クラブADACの調査によると、車の50kWhのバッテリーには約4kgのリチウム、11kgのマンガン、12kgのコバルト、12kgのニッケル、33kgのグラファイトが含まれている。

モビリティを内燃機関から電気駆動に切り替えるには、将来的には数十万トンのこれらの材料が必要になります。 この物質をリサイクルする方法は複雑で、専門家によると、一部はまだ開発中またはテスト中だという。 その結果、人々はバッテリー技術の観点だけでなく、電気エネルギーの保存方法の観点からも代替品を探しています。

アルミニウム-硫黄、ナトリウムイオン、炭素-銅、または鉄-酸素をベースにしたバッテリーについて聞いたことがあるかもしれません。 まだ大衆市場では利用できませんが、これらは入手可能な材料を多く使用し、採掘上の問題が少ないオプションです。

モバイル以外のアプリケーションの場合、バッテリーのサイズと重量もそれほど重要ではありません。 風力タービンのタワーの基部には、さらに大きなバッテリーを搭載するための十分なスペースがあります。 送電網に余剰エネルギーがある場合、タービンによって生成されたエネルギーをそこに貯蔵し、エネルギー不足の際に送電網に供給することができます。 通常、エネルギーは送電網に一時的に 12 ～ 24 時間保管するだけで十分です。

しかし、各バッテリー技術の電圧は異なるため、アプリケーションで使用されるさまざまなバッテリー技術やセル数と互換性のある、将来性のあるシステムを設計したい場合、これは大きな課題となります。 したがって、P-Duke などの電源メーカーは、入力電圧範囲が 2:1 ～ 12:1 のコンバータを提供しています。 これらのコンバータを使用すると、さまざまなバッテリ技術に対応できます。

スーパーキャパシタは、寿命が長く、最大 100 万回の充電サイクルが可能で、充電電流が非常に高いため、バッテリの興味深い代替品です。 バッテリーとは異なり、スーパーキャパシタは深放電によって損傷することはありません。 電力要件が 1 ～ 2 分未満であるものの、充電サイクル数が非常に多いアプリケーションに最適です。 スーパーキャパシタは短距離しか移動できず、数秒で充電できるため、倉庫の配送ロボットにスーパーキャパシタを使用してみてはいかがでしょうか。 バッテリーとは異なり、スーパーキャパシタの出力電圧は充電状態に大きく依存します。 ほとんどの電子負荷は安定した電圧を必要とするため、非常に広い入力範囲を備えた DC/DC コンバータが必要です。

エネルギーを貯蔵する方法は他にもたくさんあります。 水素は電気分解によって空気から得ることができます。 さらなるプロセスステップでは、天然ガスの主成分であるメタンが生成されます。 どちらのガスも貯蔵、輸送が可能で、たとえば別の新興技術である燃料電池などで燃料として使用できます。 最近ではドローンでも燃料電池が使われています。

後で使用するために機械エネルギーを貯蔵する他の方法には、空気圧貯蔵装置とフライホイール貯蔵装置があります。 15 年以上前、米国の新興企業は風力タービンに圧縮空気を使用したいと考えていましたが、ソリューションが複雑すぎて非効率だったため、そのソリューションは実現しませんでした。 しかし、風力タービンによって生成される余剰エネルギーを圧縮空気に貯蔵するプロジェクトがまだ行われています。

1950 年に、制動エネルギーを回収できるジャイロ バスの最初のグループが発売されましたが、4 ～ 6 キロメートルごとに充電ステーションが必要で、現代の公共交通機関には適していませんでした。 現在、フライホイール蓄電装置は主に、電力網を安定させるなど、短時間に大電力を供給するために使用されています。

これらはほんの一例にすぎません。エネルギー市場は複雑で、何千もの選択肢があり、新しいアイデアや技術がほぼ毎日登場し、それぞれに必要な電力に対する要求が異なります。 さらに、エネルギー効率を高め、広く利用できるようにするために、最新のシステムは相互に通信する必要があります。 これらのシステムはすべて、さまざまな電源から生成される調整された電源電圧を必要とします。

AC グリッド電圧レベルと過渡仕様は長年にわたって設定されており、P-DUKE などの企業は、さまざまな要件を満たすさまざまな AC/DC 電源ソリューションを提供しています (図 4、P-DUKE の AC/DC ソリューション)

DC 電源の場合は、新しいシステムが市場に投入されることが予想されるため、状況はさらに複雑になります。 しかし今日、解決策があります。 通信市場や鉄道市場では、数十年にわたってさまざまなバッテリー電圧が使用されてきました。 これらの市場のシステムビルダーはソリューションを求めているため、P-DUKE などの電源メーカーは、鉄道アプリケーションで 16V ～ 160V の非常に広い入力範囲をカバーし、最大 200W の電力レベルを達成するコンバータ ファミリを設計しています。 標準出力電圧範囲が 5V ～ 53V であるこれらのコンバータは、あらゆる種類のエネルギー市場アプリケーションでさまざまなバッテリ電圧に使用できます。https://www.pduke.com/product_sort2.htm

LAN、WLAN、GSM およびその他の通信モジュール、セキュリティおよび監視機器、ディスプレイ、タッチパネルまたはリレーはすべて、内部制御回路から絶縁されているかどうかにかかわらず、調整された電源電圧を必要とします。 コンバーターが豊富に揃っているため、設計者はすぐに使用できるソリューションを見つけるのに苦労しません。 (図6)

これらのコンバータ モジュールはすべて導入が簡単であるため、設計時だけでなく、システムの入力、出力、または電源仕様が変更された場合にもプラグ アンド プレイ ソリューションを提供します。 これにより、すべての設計が将来性があり、多くの新しい機会がある一方で未知の部分も多い新興市場に対応できるようになります。