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逆变器太阳能组件模拟技术及电源管理芯片提高光伏产业能效

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太阳能光伏市场以高达30%以上的年增长率,在过去10年来吸引了众多投资者。事实上,开发太阳能光伏的基本技术50年前便已面世,但技术进步不大。所以,目前市场上的太阳能组件及逆变器技术在成本效益及回报上还未达到用户的要求。技术进步缓慢也使太阳能技术未被广泛使用,并依赖政府补贴。但自业界引进直流直流电源优化器以及直流交流微逆变器等分布式集成电路技术后,太阳能产业便开始了新一轮技术变革。

阴影及失配问题的负面影响已令多家著名公司以及许多新兴公司改变其研发方向,转而研发新技术以解决这些实际运行环境的问题。太阳能光伏系统的问题有点类似一串串灯饰,只要其中一个模块出现问题,串联一起的其他模块便会受到牵连,而且任何一件组件都可影响其他组件的表现。准确一点来说,太阳能光伏系统各部分之间若出现电压及电流方面的不平衡,便会产生失配问题。其中原因很多,如局部的阴影、移动的浮云、附近物体的反光、光伏组件的不同角度及排列方式、污垢、不同程度的老化、细微的裂缝以及光伏组件之间的温差都会令系统出现失配。所有太阳能系统都或多或少存在失配的问题,但很多情况下因失配而导致的能源损耗会被忽略或低估。许多独立的研究显示,只要有10%的光伏组件被阴影遮蔽,整个系统便会失去高达50%的发电量。

目前普遍采用的太阳能系统都试图利用中央逆变器的特殊算法解决这个失配问题。这种称为最大功率点跟踪(MPPT)技术的特殊算法的局限是,逆变器无法深入“看到”每串或每个串联一起的光伏组件的情况,因此只能作缓慢而有限的调整。直到2008年,美国国家半导体成功开发电源优化技术,并在市场上首次推出这种称为“电源优化器”的集成电路,其特点是充分利用核心的模拟电路技术及电源管理芯片,在最小的系统单元,即光伏组件的级别上,来尽量提高电能输出,从而提高太阳能光伏系统的整体效率。

美国国家半导体与尚德公司建立了合作关系。对于太阳能系统来说,引进集成电路会有增值作用,因为添加电源优化器的主要目的是恢复因某一组件受损而失掉的发电量,以及确保无论白天任一时段或年中任一月份都能尽量提高每一光伏组件的能源效率。

目前市场上有几种不同的直流/直流电源优化器解决方案,我们必须深入研究其分别,因为不同的架构有不同的效果。例如,若某一串受损光伏组件内某一组件的MPPT必须做出调整,其他组件中有部分电压也必须下调或调升。这个升/降压架构的优点是可以提高发电量,以及确保系统设计能够发挥最高的效率。部分优化器只提供降压功能,虽然从电源转换效率的角度看,这个设计可以发挥较高的效率,但发电量则未必能相应提高。此外,部分优化器只提供升压功能,其优点是可将组件的电压提高至与直流线路电压相等的水平,但缺点是电流较高以及输入电压范围较小,因此较难在有阴影的情况下充分发挥系统的性能。

电源优化器的市场需求持续增长,而且升势强劲。系统组件生产商都明白保证性能稳定的重要性。引进直流/直流的电源优化技术能提高太阳能系统在整个生命周期内的总发电量,加上本身又有25年的维护保证,那么规模化的系统安装公司以及设计、采购、施工(EPC)工程总承包商都会乐意采用这类新一代的太阳能系统。单从技术的角度看,更高的峰值效率(高达99.5%)、更安全的设计和防盗装置、以及可与各类逆变器兼容等特性都有助于吸引更多系统安装公司及工程总承包商(EPC)向家庭及商业用户大力推荐采用电源优化技术,并说服他们的客户为原有或新安装的系统加设电源优化器。

市场上还有另一种采用微逆变器的解决方案。这个方案同样要面对及解决上述与安装环境和性能有关的问题。太阳能系统若采用微逆变器便无需装设集中式逆变器,因为微逆变器可以将每一光伏组件输出的直流电直接转为交流电。微逆变器主要面向家用太阳能系统市场,其市场占有率更一直稳步上升,主要的原因是微逆变器易于安装,而且安装工程更具灵活性,例如光伏组件的大小没有特别的规定,甚至用户要求怎样细小也可以。采用微逆变器的另一优点是无需加设中央或串联式逆变器,而中央或组串式逆变器通常是太阳能系统最脆弱的部分。采用微逆变器方案的另一优点是安装公司可以无需采用高压直流电缆,因为这类导线常会产生电弧。

若以微逆变器和电源优化器的目前售价来看,这些新的解决方案何时才能成为主流方案目前仍然无法下定论。根据部分报告的预测显示,未来3年会有10至15%新安装的太阳能系统将会采用电源优化器,而且在未来5年内其占有率可能会高达太阳能系统市场的25%。这两种解决方案于2008年推出市场时每瓦的发电成本约为0.80至1美元,今年,这两种解决方案的发电成本开始出现明显的下跌,而这样的成本才真正具有竞争优势。

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