Analisi approfondita delle principali applicazioni e trend di sviluppo dei relè nel campo delle nuove energie

Come componente centrale del sistema di controllo elettrico, i relè svolgono un ruolo insostituibile nel campo delle nuove energie. Con il rapido sviluppo della produzione di energia fotovoltaica, di quella eolica, dei veicoli a nuova energia e di altri settori, la tecnologia dei relè ha inaugurato nuove opportunità e sfide. Questo rapporto analizzerà in modo completo lo status quo delle applicazioni, le scoperte tecnologiche, il modello di mercato e la futura direzione di sviluppo dei relè in vari campi della nuova energia.

Principali scenari applicativi dei nuovi relè energetici

Sistema di generazione di energia fotovoltaica

Nel campo della produzione di energia fotovoltaica, i relè hanno la duplice responsabilità di controllo del circuito e protezione del sistema e le loro applicazioni attraversano collegamenti chiave come array fotovoltaici, inverter e sistemi di accumulo dell'energia.

Per il controllo degli array fotovoltaici, i relè realizzano principalmente funzioni di trasmissione di energia e commutazione di circuito. La tensione di uscita e la corrente generate dai pannelli fotovoltaici sono relativamente piccole e richiedono l'amplificazione del relè. I moderni relè fotovoltaici richiedono una resistenza di contatto estremamente bassa (≤10 mΩ) e una capacità di risposta rapida (tempo di azione ≤20 ms) per garantire un funzionamento efficiente del sistema.

La protezione dell'inverter è un'applicazione chiave dei relè negli impianti fotovoltaici. L'inverter è responsabile della conversione della potenza CC generata dai pannelli fotovoltaici in potenza CA, mentre il relè controlla la connessione tra il lato CC e l'inverter. L'uscita CC dell'impianto fotovoltaico è collegata all'inverter tramite il relè e quando il sistema rileva un'anomalia della rete o un guasto dell'apparecchiatura, il relè interromperà rapidamente il circuito per evitare l'espansione dell'incidente. Soprattutto negli impianti fotovoltaici con sistemi di accumulo dell'energia, il relè deve anche gestire il processo di carica e scarica della batteria per garantire il passaggio senza interruzioni alla modalità di alimentazione di emergenza in caso di interruzione della rete.

Veicoli a nuova energia e strutture di ricarica

L’architettura elettrica dei veicoli a nuova energia è fondamentalmente diversa da quella dei veicoli a carburante tradizionale, con la tensione operativa del circuito principale generalmente superiore a 200 V, molto più elevata rispetto al sistema 12-48 V dei veicoli tradizionali. Questa caratteristica dell'alta tensione fa sì che i relè svolgano un ruolo più critico nei veicoli a nuova energia.

La protezione di sicurezza dall'alta tensione è la funzione principale dei relè nei veicoli a nuova energia. In caso di collisione del veicolo o quando il sistema rileva un malfunzionamento, il relè DC ad alta tensione è in grado di interrompere il collegamento tra la batteria di alimentazione e l'intero circuito del veicolo in millisecondi, prevenendo il rischio di scosse elettriche e incendio. I circuiti CC, che non presentano le caratteristiche superiori allo zero della CA, producono archi più difficili da estinguere, il che pone requisiti estremamente elevati alla capacità di estinzione dell'arco del relè.

Nel sistema di gestione della batteria (BMS), i relè sono coinvolti nel controllo del processo di carica e scarica della batteria per evitare danni alla batteria causati da sovraccarico e scaricamento eccessivo. Soprattutto nello scenario di recupero dell'energia di frenata, il relè deve regolare l'intensità del recupero di energia in tempo reale in base allo stato di guida del veicolo e allo stato della batteria, il che impone requisiti più elevati in termini di velocità di risposta e precisione di controllo del relè.

Il sistema di ricarica è inoltre inseparabile dal supporto di relè ad alte prestazioni. Con la popolarità della tecnologia di ricarica rapida ad alta tensione da 800 V, la potenza di carica è stata notevolmente aumentata, il che impone requisiti più rigorosi sulla tensione nominale, sulla capacità di trasporto di corrente e sulla capacità di estinzione dell'arco dei relè.

Scoperte tecnologiche chiave e design innovativo

Facendo fronte ai severi requisiti di alta tensione, corrente elevata e commutazioni frequenti tipiche delle nuove applicazioni energetiche, i produttori di relè hanno ottenuto progressi significativi nella scienza dei materiali, nella progettazione strutturale e nel processo di produzione.

La tecnologia di tenuta ceramica è attualmente la soluzione più diffusa per i relè CC ad alta tensione. Il tradizionale metodo di sigillatura con resina epossidica è soggetto a invecchiamento in ambienti ad alta temperatura e alta pressione, mentre il materiale ceramico ha un eccellente isolamento, resistenza al calore e resistenza meccanica. Xiamen Hongfa Power Electric Co., Ltd. utilizza ceramica di elevata purezza come materiale della cavità, sigilla i contatti nella cavità attraverso il processo di brasatura e li riempie con una miscela di gas a base di idrogeno per creare un ambiente di lavoro stabile. Questo design riduce la probabilità che i contatti si ossidino alle alte temperature e all'erosione dell'arco e mantiene una buona conduttività elettrica anche nelle fasi intermedie e finali della loro vita utile.

In termini di materiali di contatto, l’industria si è evoluta dalle tradizionali leghe d’argento alla tecnologia dei contatti compositi. Per le nuove applicazioni energetiche con esigenze di interruzione di corrente elevata, i produttori hanno sviluppato l'aggiunta di elementi speciali (come SnO₂, CuO e altri ossidi metallici) di materiali compositi a base di argento, questi materiali hanno una buona resistenza all'erosione dell'arco e caratteristiche di bassa resistenza di contatto.

Sono stati compiuti progressi significativi anche nella progettazione di sistemi di circuiti magnetici. Nei circuiti CC, la repulsione elettrodinamica generata da correnti elevate può portare alla separazione anticipata dei contatti, influenzando le prestazioni del relè

La tecnologia dei relè a stato solido (SSR) è uno sviluppo che ha attirato molta attenzione negli ultimi anni. Rispetto ai relè elettromeccanici tradizionali, gli SSR non hanno contatti meccanici e si affidano a dispositivi a semiconduttore per accendere e spegnere il circuito, con i vantaggi di un'elevata velocità di commutazione, assenza di usura dei contatti, lunga durata e resistenza alle vibrazioni. I relè a stato solido funzionano particolarmente bene in applicazioni che richiedono commutazione ad alta frequenza, come i sistemi di gestione delle batterie.

Tendenze di sviluppo futuro

Il livello di tensione continua ad aumentare: con lo sviluppo di nuove tecnologie energetiche nella direzione dell'alta tensione, come la popolarità dei sistemi ad alta tensione da 800 V e superiori, la soglia tecnica e il valore di mercato dei relè aumenteranno ulteriormente.

Sviluppo intelligente: i moderni relè ad alta tensione stanno iniziando a integrare sensori di corrente e temperatura e interfacce di comunicazione, che possono monitorare il proprio stato in tempo reale e feedback al sistema di controllo per ottenere manutenzione predittiva e avviso di guasto. Sebbene il prezzo unitario di tali relè intelligenti sia più elevato, possono migliorare significativamente l’affidabilità e la sicurezza del sistema.

Innovazione di materiali e processi: i produttori stanno esplorando nuovi materiali di contatto, tecnologie di estinzione dell’arco più efficienti e design strutturali più compatti. Ad esempio, l'uso di materiali semiconduttori a larghezza di banda ampia come il carburo di silicio (SiC) può migliorare significativamente la velocità di commutazione e la capacità di resistenza alla tensione dei relè.

Campi di applicazione ampliati: oltre ai tradizionali campi del fotovoltaico e dei veicoli a nuova energia, anche la domanda di relè ad alta tensione in campi emergenti come i sistemi di accumulo di energia e le reti intelligenti è in rapida crescita. Soprattutto nei sistemi di accumulo di energia lato rete e di accumulo di energia lato utente, i relè ad alta tensione svolgono un ruolo chiave nella protezione e nel controllo dei circuiti.

Conclusione

Essendo un componente chiave nei nuovi sistemi energetici, il progresso tecnologico e lo sviluppo industriale dei relè sono strettamente legati alla nuova rivoluzione energetica. Dall'iniziale semplice interruttore di circuito, alle odierne funzioni integrate di rilevamento, comunicazione e controllo intelligente del "relè intelligente", questo componente elettronico tradizionale sta subendo un profondo cambiamento.

Nei prossimi 5-10 anni, con l'approfondimento della trasformazione della struttura energetica globale, la tecnologia dei relè continuerà a svilupparsi nella direzione dell'alta tensione, dell'intelligenza e dell'elevata affidabilità. Sebbene la tecnologia dei relè a stato solido continui a progredire, sulla base di considerazioni economiche e di affidabilità, i relè elettromeccanici CC ad alta tensione nel breve e medio termine rimarranno la corrente principale del mercato.

Per gli operatori del settore, il continuo aumento degli investimenti in ricerca e sviluppo, le scoperte nei principali colli di bottiglia tecnologici e l’ottimizzazione dei processi produttivi saranno la chiave per mantenere il vantaggio competitivo. In particolare, dovremmo prestare attenzione alle sfide tecniche poste dai sistemi ad alta tensione a 800 V e superiori, nonché alle opportunità di innovazione dei prodotti nel contesto dell’intelligenza e della connettività di rete. Solo restando al passo con lo sviluppo del nuovo settore energetico potremo raggiungere nuovi traguardi nel campo tradizionale dei relè e dare un contributo maggiore alla transizione energetica globale.