- 提高效率需逆變器撐腰
- 功率器件決定逆變器高下
- 另辟蹊徑優(yōu)化輸出功率
- 太陽能市場升溫，逆變器價(jià)格有望走低
- 太陽能工程的市場每年的增長率將達(dá)到20% 到30%
- 逆變器的成本占整體太陽能系統(tǒng)成本的15%到20%
人類社會的不斷發(fā)展伴隨著更多的能源消耗，因而尋找新能源成為人們面臨的緊迫課題。既要維系工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又要降低“碳”排放，一個重要途徑就是加大開發(fā)利用太陽能等新能源。對此，世界各國相繼加大投入太陽能發(fā)電，以替代石油、燃煤等傳統(tǒng)能源。
在眾多可再生能源之中，太陽能廣受關(guān)注，事實(shí)上全球范圍內(nèi)正掀起太陽能發(fā)電的新浪潮。發(fā)達(dá)國家方面，美國計(jì)劃到2025年要使可再生能源發(fā)電量占到電力供應(yīng)總量的25%；到2020年，日本的太陽能發(fā)電量將會達(dá)到2005年的20倍左右；到2030年，將達(dá)到40倍左右。發(fā)展中國家對太陽能的關(guān)注度也很高，中國到2020年可再生能源將占到電力供應(yīng)總量的12.5%；在印度，到2012年可再生能源的份額將達(dá)到12%。
提高效率需逆變器撐腰
新興市場的崛起，往往意味著新機(jī)會的誕生。太陽能作為一種新能源，為電池制造、電源轉(zhuǎn)換等相關(guān)企業(yè)提供了發(fā)揮的新舞臺。談到新能源未來應(yīng)用前景，國際整流器公司(IR)戰(zhàn)略市場開發(fā)副總裁Alberto Guerra指出:“對于家庭及商業(yè)環(huán)境來說，未來的省電節(jié)能策略是使用智能電網(wǎng)及智能家電，而且進(jìn)一步使用太陽能(及風(fēng)力)技術(shù)來發(fā)電。”
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電流為直流電，但民用電力以交流供電為主，而且太陽能發(fā)電最終將走向并網(wǎng)運(yùn)行，這就意味著太陽能發(fā)電必須通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動家用電器等負(fù)載。因此，逆變器在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。
逆變器的主要功能是將電源的可變直流電壓輸入轉(zhuǎn)變?yōu)闊o干擾的交流正弦波輸出，既可供設(shè)備使用，也可反饋給電網(wǎng)。除了實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換之外，逆變器還能執(zhí)行其它功能，如將電路斷開，避免電路因電流突波而損壞，此外還能為電池充電、對數(shù)據(jù)的使用和性能進(jìn)行存儲，以及跟蹤最大功率點(diǎn)(MPPT)等，以盡可能提高發(fā)電的效率。
“提高中大功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)能源效率，逆變器是一個重要環(huán)節(jié)，它是保證太陽能轉(zhuǎn)換效率和投資回報(bào)的關(guān)鍵因素。”英飛凌科技(中國)有限公司家電及工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎特別強(qiáng)調(diào)提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的要點(diǎn)在于逆變器。
盡管近年來太陽能電池制造企業(yè)一直致力于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但是就2010年2月太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率來看，15cm×15cm厚200μm的太陽能電池也只能實(shí)現(xiàn)19.3%的轉(zhuǎn)換效率。由于太陽能面板的光電轉(zhuǎn)換效率相對低(平均約在15%左右)，所以，從太陽能面板盡可能多獲得輸出功率的重任就落在了逆變器身上。
"美國國家半導(dǎo)體亞太區(qū)核心市場業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)張耀強(qiáng)指出，太陽能發(fā)電系統(tǒng)面對的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化逆變器性能。"
功率器件決定逆變器高下
而太陽能逆變器性能提高則更依賴于功率開關(guān)器件, 想獲得高效的交流輸出電壓和電流，就需要正確選擇功率器件。陳子穎認(rèn)為，中國目前主要發(fā)展的是中大功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)，金太陽示范工程財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法規(guī)定，單個項(xiàng)目裝機(jī)容量不低于300kWp。“隨著單機(jī)功率增大，太陽能逆變器受技術(shù)和器件限制，電路形式就比較單一，主要還是三相逆變橋， 提高能源效率的重任就落在了功率器件上，其器件本身的性能和設(shè)計(jì)使用是關(guān)鍵。”
在中小功率的太陽能逆變器中不少公司擁有自己的專利電路結(jié)構(gòu)，新一代功率器件使得這些電路如虎添翼，效率、可靠性等各方面性能都有了很大提高。
英飛凌為太陽能應(yīng)用開發(fā)了一系列產(chǎn)品，如大功率三電平模塊Easy和Econo4系列，產(chǎn)品范圍50A～300A 650V；高速IGBT和碳化硅二極管PrimePACK模塊，規(guī)格為600A 1200V。這些功率器件有助于推動100KW以上的太陽能逆變器效率達(dá)到一個更高的水平。此外，英飛凌的構(gòu)槽柵場終止技術(shù)FieldStop IGBT、CoolMOS、碳化硅二極管SiC在高能效的太陽能逆變器也有出色的表現(xiàn)。
IR也是太陽能技術(shù)的先驅(qū)。Alberto Guerra介紹，早在60年代初期，IR生產(chǎn)的太陽能電池片便用于首個衛(wèi)星之上，甚至用來驅(qū)動首輛太陽能電動汽車。時(shí)至今日，IR為太陽能業(yè)界提供多元化的功率管理產(chǎn)品，特別是家用、商用及公用業(yè)務(wù)級別應(yīng)用的串式逆變器。IR MOSFET及IGBT技術(shù)發(fā)揮了先進(jìn)的效能，可用于不同的太陽能逆變器拓樸，如單相和三相的設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)減低功率耗散。IR的IGBT產(chǎn)品能夠全面照顧以上各種樸拓的性能要求，功率范圍覆蓋5KW至30KW及以上，電壓范圍在600V至1200V。
"英飛凌科技（中國）有限公司家電及工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎表示，逆變器是是保證太陽能轉(zhuǎn)換效率和投資回報(bào)的關(guān)鍵因素。"
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逆變器設(shè)計(jì)要點(diǎn)：可靠性和效率并舉
對于熟悉功率管理的工程師而言，設(shè)計(jì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器有什么要點(diǎn)需要額外注意？首先，就現(xiàn)有光伏系統(tǒng)逆變器的使用情況來看，它們一般只能使用5到10年，而光伏電池板的使用壽命長達(dá)25年，逆變器成為光伏系統(tǒng)中可靠性最低的組件。IR的Alberto Guerra提出，設(shè)計(jì)師必須考慮光伏系統(tǒng)逆變器的使用壽命。“太陽能逆變技術(shù)業(yè)界對于產(chǎn)品壽命有很高的期望，一般都能保證20至25年的使用期，因此特別著重每種元件的可靠性。”盡管半導(dǎo)體元件通常都達(dá)到這種可靠性水平，但對于無源元件來說卻有可能是一個挑戰(zhàn)，特別是電容器。
Alberto Guerra進(jìn)一步指出克服該挑戰(zhàn)的解決之道為采用電路拓樸解決方案(軟開關(guān)相對于硬開關(guān))，在一定程度上可以減少這些元件所承受的應(yīng)力，滿足太陽能業(yè)界相對于傳統(tǒng)功率管理應(yīng)用的特別需要。他還特別提示設(shè)計(jì)者選擇器件時(shí)需要特別注意半導(dǎo)體特性，包括電壓范圍或開關(guān)速度。
其次，太陽能發(fā)電受制于建設(shè)成本高而發(fā)展遲滯，從經(jīng)濟(jì)帳上來看總發(fā)電成本也并不環(huán)保。
陳子穎認(rèn)為效率是最重要的指標(biāo)，提高太陽能逆變器的效率可以節(jié)約電流轉(zhuǎn)換中所損失的能量，進(jìn)而降低太陽能發(fā)電的生產(chǎn)成本。
“對于一個100kW太陽能發(fā)電系統(tǒng)，提高效率0.1%就能節(jié)省將近1平方米的電池板，所以效率是第一位的。”陳子穎還談到提高效率，器件的設(shè)計(jì)使用也是非常關(guān)鍵。如何發(fā)揮IGBT模塊的優(yōu)勢與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)也密切相關(guān)，例如設(shè)計(jì)中應(yīng)努力減小功率電路的寄生電感，把IGBT驅(qū)動得穩(wěn)定一些、更快一些，這都直接影響著系統(tǒng)效率。為此，英飛凌為風(fēng)力發(fā)電和太陽能提供功率單元的整體設(shè)計(jì)方案，如PrimeStack和MODStack產(chǎn)品，可用于幾十千瓦到8兆瓦的逆變器。
另辟蹊徑優(yōu)化輸出功率
目前，逆變器效率可以達(dá)到97.2%左右，繼續(xù)提高的效率空間也極其有限。一些公司嘗試以其他方式改善太陽能發(fā)電的效率，其中以TI推出的“微逆變器”和NS的“電源優(yōu)化器”最具代表。
傳統(tǒng)逆變器與多個太陽能電池模塊串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，存在因日照不均、電池性能不均等原因?qū)е螺敵鲂氏陆档谋锥?，進(jìn)而導(dǎo)致整體的輸出功率大幅降低的問題。為了解決這一問題，出現(xiàn)了各個太陽能電池模塊配備逆變器及轉(zhuǎn)換器功能的新架構(gòu)，即“微型逆變器”及“微型轉(zhuǎn)換器”。美國德州儀器(TI)負(fù)責(zé)太陽能電池相關(guān)業(yè)務(wù)的Dave Freeman指出，這樣可以通過對各模塊的輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，使得整體的輸出功率最大化。
此外，與通信功能組合的話，還可用于監(jiān)視各個模塊的狀態(tài)，檢測出出現(xiàn)故障的模塊。簡而言之，微型逆變器是在各個模塊上全部配備上現(xiàn)有的逆變器功能。也就是說，從輸出功率的優(yōu)化到DC-AC轉(zhuǎn)換均由模塊來進(jìn)行。從模塊輸出的功率為交流，可直接并入電網(wǎng)。IR也擁有滿足微逆變器和直流-直流解決方案需求的特殊產(chǎn)品，這些設(shè)備正代表著一種足以影響大陽能逆變器的破壞性技術(shù)。
和一般電子設(shè)備的使用環(huán)境相比，太陽能光伏系統(tǒng)所在環(huán)境要惡劣得多。一般面板安裝在野外，局部的陰影、不同的傾斜角度及面向方位、污垢、不同的老化程度、細(xì)小的裂縫以及不同光電板的不同溫度等容易造成系統(tǒng)失配，若光電板之間的電壓及電流失配，整個太陽能系統(tǒng)便會出現(xiàn)失配問題。此外，太陽能系統(tǒng)的使用時(shí)間越長，其發(fā)電量便越少，令投資回報(bào)大幅下跌。
“傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)有其結(jié)構(gòu)性的缺陷，以致系統(tǒng)性能無法得到充分發(fā)揮，而且系統(tǒng)的使用時(shí)間越長，效率便越低，這些缺點(diǎn)限制了太陽能系統(tǒng)的市場發(fā)展，令太陽能系統(tǒng)無法普及起來。”美國國家半導(dǎo)體亞太區(qū)核心市場業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)張耀強(qiáng)一針見血地指出，太陽能系統(tǒng)面對的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化逆變器性能。
美國國家半導(dǎo)體在2009年正式供貨的電源優(yōu)化器SolarMagic，可以利用分布式電路盡量提高每一模塊的發(fā)電量，而且還可調(diào)整每一排光電板的電壓和電流，直至全部取得平衡，以免系統(tǒng)出現(xiàn)失配。此外，每一模塊都具備監(jiān)控功能，因此不但可為系統(tǒng)提供額外防護(hù)，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，而且還可提高系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)操作更加穩(wěn)定可靠。
即使部分電池板受到陰影、灰塵覆蓋等情況的影響，SolarMagic電源優(yōu)化器仍可以跟蹤最佳的局部MPP(最大功率點(diǎn))，可挽回超過57%損失的發(fā)電量。同時(shí)，SolarMagic電源優(yōu)化器將輸入電壓/電流轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統(tǒng)中的能量傳輸。
電源優(yōu)化器會以間接的方式互相通信，檢測自己的電流和電壓環(huán)境并自我調(diào)整，直到串聯(lián)的整排電池板能夠達(dá)到最佳值，同時(shí)在電池板級別達(dá)到局部優(yōu)化點(diǎn)。SolarMagic電源優(yōu)化器積極解決了集中式MPPT固有的問題，因此成功減輕了電池板不匹配問題。
太陽能市場升溫，逆變器價(jià)格有望走低
2009年全球經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了一次陣痛，隨著進(jìn)入2010年的到來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來了復(fù)蘇的曙光。據(jù)iSuppli公司預(yù)測，2010年全球光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量將增長68%，達(dá)到8.6GW。
IR的Alberto Guerra預(yù)測，在未來幾年中，太陽能工程的市場每年的增長率將達(dá)到20% 到30%。相應(yīng)地，太陽能逆變器的價(jià)格也會隨之下降。由于逆變器的成本占整體太陽能系統(tǒng)成本的15%到20%，因?yàn)榇嬖诟蟮氖袌鲂枨蠖玫絻r(jià)格支持，所以他認(rèn)為半導(dǎo)體價(jià)格的下降并不會造成行業(yè)的壓力。
“盡管未來難以預(yù)測，然而在每個工業(yè)化國家中，人們對于可再生能源政策的態(tài)度都有很大的改變。這種情況將會持續(xù)，更會延伸至更廣闊的范圍，力度也會加大。”Alberto Guerra對未來持樂觀的態(tài)度，他認(rèn)為光伏市場將保持增長勢頭，而太陽能逆變器業(yè)界對功率產(chǎn)品的需求也將持續(xù)。
