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增強型電容器支持全球?qū)崿F(xiàn)綠色能源的長遠目標

發(fā)布時間:2009-09-16 來源:電子工程專輯

機遇與挑戰(zhàn):

  • 京都議定書約束各簽約國政府設(shè)定了發(fā)展可持續(xù)能源的目標
  • 以目前的技術(shù)來看,太陽能電池所采集到的能量實際上是相當少

相關(guān)數(shù)據(jù):

  • 歐洲計劃到2011年,可再生能源的發(fā)電量所占的比例至少要達到3.5%
  • 德國政府希望將可再生能源的發(fā)電量所占的比例在2020年提高到20%


全球的絕大部分國家都已經(jīng)簽署了京都議定書,其成功之處在于各簽約國政府設(shè)定了發(fā)展可持續(xù)能源的目標,并向著這一目標在努力,如歐洲計劃到2011年,可再生能源的發(fā)電量所占的比例至少要達到3.5%,德國政府希望將這個比例在2020年提高到20%。實際上,達到這些目標需要綜合使用幾種技術(shù),主要是水能、太陽能和風(fēng)能。水能的開發(fā)和利用由來已久,其提升的空間已經(jīng)不大,因此成功實現(xiàn)京都議定書目標的重任落在了太陽能和風(fēng)能上。

以目前的技術(shù)來看,太陽能電池所采集到的能量實際上是相當少的,如一塊太陽能電池產(chǎn)生的電壓只有1.6電子伏特。因此,風(fēng)能更受到各國的親睞:截至2007年,全球有26個國家已經(jīng)在海岸和內(nèi)陸的風(fēng)場安裝了風(fēng)力發(fā)電裝置,所采集的能量可以為數(shù)千戶家庭提供照明用電。在這些國家中,中國的風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量排在前5位,并計劃將風(fēng)力發(fā)電的裝機容量在2020年提高到100000MW,這差不多等于目前全球風(fēng)場的總裝機容量。而其他國家也正計劃在同樣的時間內(nèi),大大增加風(fēng)力發(fā)電的裝機容量。

目前各國政府鼓勵風(fēng)能發(fā)電的重要措施是推動家庭或商業(yè)用戶安裝風(fēng)機,將他們變?yōu)?ldquo;微型發(fā)電機” ,他們可以將未用的電能反饋進電網(wǎng),換取當?shù)仉娏镜碾娰M減免。風(fēng)能在給人們帶來清潔、可持續(xù)的能源的同時,也提出了很多新的挑戰(zhàn),如要在無法控制的自然條件下生產(chǎn)出高質(zhì)量的電能、如何利用有限的風(fēng)能產(chǎn)生更多的電能、實用級風(fēng)場的地理位置決定了對風(fēng)力發(fā)電機組可靠性的苛刻要求、綠色能源的特性所要求的環(huán)境友好的系統(tǒng)特性等等。

為保證利用風(fēng)力所產(chǎn)生的電能可被終端用戶直接使用或是輸送到電網(wǎng)里去、具有適當質(zhì)量的穩(wěn)壓輸出。風(fēng)能市場的用戶使用了各種各樣的技術(shù)來提升這種相對噪聲很多的電源信號。許多電子逆變器系統(tǒng)使用帶有鋁電解電容器的直流母線(DC link)來平滑變頻器的DC-link電壓。鍍金屬聚丙烯薄膜電容器也適用于這種應(yīng)用,可以做為替代產(chǎn)品來使用。

用于平滑DC link電壓的電容器的電壓等級一般都很高,帶有螺絲端子,一般組裝成電容器組的形式。這些電容器具有高紋波電流,以便承受負載的改變,以及施加到DC link整流輸入上的電流瞬變,使器件能夠長期可靠地工作。

對于實用級的風(fēng)力發(fā)電機和其他可能接入電網(wǎng)的裝置,法律要求必須提供功率因數(shù)校正(PFC)功能,這對保持傳輸網(wǎng)的效率和防止損害電網(wǎng)中的其他設(shè)備是是非必要的。由于具有低損耗和高電流密度,采用鍍金屬聚合物薄膜技術(shù)的AC大電流功率電容器最適合功率因數(shù)校正。電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的原始交流電本來就是變化的,這意味著風(fēng)力發(fā)電機需要很大的電容器組,在管理系統(tǒng)的控制下,電容器組逐級地切入和切出電路。管理系統(tǒng)會不斷監(jiān)控實際的功率因數(shù),使之向目標值靠近。

為了進一步提高系統(tǒng)的整體效率,目前PFC電容器陣列正傾向于使用涌入斜坡前置電阻進行保護,前置電阻只在切換電容器時投入電路,節(jié)約了以往由于線圈所造成的電流損耗。

大型風(fēng)場的風(fēng)力比較穩(wěn)定和可靠,但這些實用級風(fēng)場絕大部分都在人煙稀少的地區(qū),因此對風(fēng)力發(fā)電機的基本要求包括高可靠性和可用性,以及長維護間隔。這一點對想要保證持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)和盈利的電力公司非常重要。這一要求也被傳遞到了設(shè)備制造商,電容器制造商更是設(shè)備質(zhì)量的重要保證。

電容器制造商特別重視長壽命和故障保護操作這些極端要求,特別是當電容器用在風(fēng)力發(fā)電裝置中時。多年以來,全相過壓拉斷熔斷器系統(tǒng)在許多應(yīng)用里都表現(xiàn)出了良好的性能:當器件內(nèi)部壓力達到門限值后,過壓會使器件的表皮膨脹,膨脹超過一定限度就會觸發(fā)內(nèi)部熔斷器拉斷并切斷電容器電極,進而把電容器的電極從電源斷開,因此不會產(chǎn)生有害的電弧。

線圈的堆迭式裝配能夠保證繞組單元的相鄰接觸區(qū)連到同一個線路接線端上,可以防止接線端之間的高能短路風(fēng)險,還能確保每個繞組單元與接線端的焊接處有相同的接觸面積,使器件的動作整齊一致,實現(xiàn)最佳的效率。

為滿足系統(tǒng)對更高可靠性和長壽命的要求,電容器制造商非常注重提高冷卻效率。這一點可以從用于可再生能源轉(zhuǎn)換的電容器采用的新外形上看出來,新設(shè)計的外形強調(diào)優(yōu)化表面積與器件總體積的比例。與電容量相當?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比,采用84mm等直徑尺寸的細圓柱型外殼可確保高導(dǎo)熱能力,降低繞組單元的內(nèi)部溫度,延長在高負載情況下電容器的預(yù)期壽命。經(jīng)過優(yōu)化的聚丙烯薄膜電容器的典型預(yù)期壽命超過了150,000小時;如果外殼的最高溫度保持在65℃以下,直徑84mm的最新器件可承受每單位最高50A的過流。

作為制作綠色能源的設(shè)備,其最基本的前提是它要對環(huán)境友好。因此制造商特別注意為電容器填充合適的混合物。目前的干式電容器和油浸電容器都是可以選擇的:干式電容器中的惰性氣體本身對環(huán)境是無害的;油浸電容器可能會更合適,其所填充的可生物降解植物基油的導(dǎo)熱率比惰性氣體大約高7倍,而且即便意外泄露時也不會對環(huán)境造成破壞。

結(jié)論

風(fēng)能已經(jīng)在全世界很多國家的能源戰(zhàn)略中占有了一席之地,而且更多的分布式能源基礎(chǔ)設(shè)施在個人用戶當中流行開來。既要考慮到政府/電力公司的大項目與消費者的微型發(fā)電機并存的狀況,還要顧及企業(yè)對價格的承受能力,因此需要制造商提供高質(zhì)量、高效率、價格敏感、可靠,而且制造商會長期持久投資的設(shè)備。這種需求不單針對風(fēng)力發(fā)電機本身,也包括功率轉(zhuǎn)換和控制單元。

在這些控制單元中,電容器在調(diào)節(jié)和管理渦輪驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生的電力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Vishay作為全球最大的電容器設(shè)計、生產(chǎn)廠商之一,正在與業(yè)內(nèi)同仁一起攜手推出不僅滿足應(yīng)用和環(huán)保提出的特殊要求,而且更具有明顯超出標準器件的性能、可靠性和耐用性的高性價比器件。

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