太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)新變革：模擬技術(shù)及電源管理芯片提高光伏產(chǎn)業(yè)能效
時(shí)間：2010-11-15 11:16:54
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[導(dǎo)讀]太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)以高達(dá)30%以上的年增長(zhǎng)率，在過(guò)去10年來(lái)吸引了眾多投資者。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光伏的基本技術(shù)50年前便已面世，但技術(shù)進(jìn)步不大。所以，目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能組件及逆變器技術(shù)在成本效益及回報(bào)上還未達(dá)到用
太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)以高達(dá)30%以上的年增長(zhǎng)率，在過(guò)去10年來(lái)吸引了眾多投資者。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光伏的基本技術(shù)50年前便已面世，但技術(shù)進(jìn)步不大。所以，目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能組件及逆變器技術(shù)在成本效益及回報(bào)上還未達(dá)到用戶的要求。技術(shù)進(jìn)步緩慢也使太陽(yáng)能技術(shù)未被廣泛使用，并依賴政府補(bǔ)貼。但自業(yè)界引進(jìn)直流直流電源優(yōu)化器以及直流交流微逆變器等分布式集成電路技術(shù)后，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)便開(kāi)始了新一輪技術(shù)變革。
陰影及失配問(wèn)題的負(fù)面影響已令多家著名公司以及許多新興公司改變其研發(fā)方向，轉(zhuǎn)而研發(fā)新技術(shù)以解決這些實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的問(wèn)題。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的問(wèn)題有點(diǎn)類(lèi)似一串串燈飾，只要其中一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題，串聯(lián)一起的其他模塊便會(huì)受到牽連，而且任何一件組件都可影響其他組件的表現(xiàn)。準(zhǔn)確一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)各部分之間若出現(xiàn)電壓及電流方面的不平衡，便會(huì)產(chǎn)生失配問(wèn)題。其中原因很多，如局部的陰影、移動(dòng)的浮云、附近物體的反光、光伏組件的不同角度及排列方式、污垢、不同程度的老化、細(xì)微的裂縫以及光伏組件之間的溫差都會(huì)令系統(tǒng)出現(xiàn)失配。所有太陽(yáng)能系統(tǒng)都或多或少存在失配的問(wèn)題，但很多情況下因失配而導(dǎo)致的能源損耗會(huì)被忽略或低估。許多獨(dú)立的研究顯示，只要有10%的光伏組件被陰影遮蔽，整個(gè)系統(tǒng)便會(huì)失去高達(dá)50%的發(fā)電量。
目前普遍采用的太陽(yáng)能系統(tǒng)都試圖利用中央逆變器的特殊算法解決這個(gè)失配問(wèn)題。這種稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)的特殊算法的局限是，逆變器無(wú)法深入“看到”每串或每個(gè)串聯(lián)一起的光伏組件的情況，因此只能作緩慢而有限的調(diào)整。直到2008年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體成功開(kāi)發(fā)電源優(yōu)化技術(shù)，并在市場(chǎng)上首次推出這種稱為“電源優(yōu)化器”的集成電路，其特點(diǎn)是充分利用核心的模擬電路技術(shù)及電源管理芯片，在最小的系統(tǒng)單元,即光伏組件的級(jí)別上,來(lái)盡量提高電能輸出，從而提高太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的整體效率。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體與尚德公司建立了合作關(guān)系。對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引進(jìn)集成電路會(huì)有增值作用，因?yàn)樘砑与娫磧?yōu)化器的主要目的是恢復(fù)因某一組件受損而失掉的發(fā)電量，以及確保無(wú)論白天任一時(shí)段或年中任一月份都能盡量提高每一光伏組件的能源效率。
目前市場(chǎng)上有幾種不同的直流/直流電源優(yōu)化器解決方案，我們必須深入研究其分別，因?yàn)椴煌募軜?gòu)有不同的效果。例如，若某一串受損光伏組件內(nèi)某一組件的MPPT必須做出調(diào)整，其他組件中有部分電壓也必須下調(diào)或調(diào)升。這個(gè)升/降壓架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高發(fā)電量，以及確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮最高的效率。部分優(yōu)化器只提供降壓功能，雖然從電源轉(zhuǎn)換效率的角度看，這個(gè)設(shè)計(jì)可以發(fā)揮較高的效率，但發(fā)電量則未必能相應(yīng)提高。此外，部分優(yōu)化器只提供升壓功能，其優(yōu)點(diǎn)是可將組件的電壓提高至與直流線路電壓相等的水平，但缺點(diǎn)是電流較高以及輸入電壓范圍較小，因此較難在有陰影的情況下充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能。
電源優(yōu)化器的市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，而且升勢(shì)強(qiáng)勁。系統(tǒng)組件生產(chǎn)商都明白保證性能穩(wěn)定的重要性。引進(jìn)直流/直流的電源優(yōu)化技術(shù)能提高太陽(yáng)能系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的總發(fā)電量，加上本身又有25年的維護(hù)保證，那么規(guī)模化的系統(tǒng)安裝公司以及設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工(EPC）工程總承包商都會(huì)樂(lè)意采用這類(lèi)新一代的太陽(yáng)能系統(tǒng)。單從技術(shù)的角度看，更高的峰值效率(高達(dá)99.5%)、更安全的設(shè)計(jì)和防盜裝置、以及可與各類(lèi)逆變器兼容等特性都有助于吸引更多系統(tǒng)安裝公司及工程總承包商(EPC）向家庭及商業(yè)用戶大力推薦采用電源優(yōu)化技術(shù)，并說(shuō)服他們的客戶為原有或新安裝的系統(tǒng)加設(shè)電源優(yōu)化器。
市場(chǎng)上還有另一種采用微逆變器的解決方案。這個(gè)方案同樣要面對(duì)及解決上述與安裝環(huán)境和性能有關(guān)的問(wèn)題。太陽(yáng)能系統(tǒng)若采用微逆變器便無(wú)需裝設(shè)集中式逆變器，因?yàn)槲⒛孀兤骺梢詫⒚恳还夥M件輸出的直流電直接轉(zhuǎn)為交流電。微逆變器主要面向家用太陽(yáng)能系統(tǒng)市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率更一直穩(wěn)步上升，主要的原因是微逆變器易于安裝，而且安裝工程更具靈活性，例如光伏組件的大小沒(méi)有特別的規(guī)定，甚至用戶要求怎樣細(xì)小也可以。采用微逆變器的另一優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需加設(shè)中央或串聯(lián)式逆變器，而中央或組串式逆變器通常是太陽(yáng)能系統(tǒng)最脆弱的部分。采用微逆變器方案的另一優(yōu)點(diǎn)是安裝公司可以無(wú)需采用高壓直流電纜，因?yàn)檫@類(lèi)導(dǎo)線常會(huì)產(chǎn)生電弧。
若以微逆變器和電源優(yōu)化器的目前售價(jià)來(lái)看，這些新的解決方案何時(shí)才能成為主流方案目前仍然無(wú)法下定論。根據(jù)部分報(bào)告的預(yù)測(cè)顯示，未來(lái)3年會(huì)有10至15%新安裝的太陽(yáng)能系統(tǒng)將會(huì)采用電源優(yōu)化器，而且在未來(lái)5年內(nèi)其占有率可能會(huì)高達(dá)太陽(yáng)能系統(tǒng)市場(chǎng)的25%。這兩種解決方案于2008年推出市場(chǎng)時(shí)每瓦的發(fā)電成本約為0.80至1美元，今年，這兩種解決方案的發(fā)電成本開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下跌，而這樣的成本才真正具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
陰影及失配問(wèn)題的負(fù)面影響已令多家著名公司以及許多新興公司改變其研發(fā)方向，轉(zhuǎn)而研發(fā)新技術(shù)以解決這些實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的問(wèn)題。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的問(wèn)題有點(diǎn)類(lèi)似一串串燈飾，只要其中一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題，串聯(lián)一起的其他模塊便會(huì)受到牽連，而且任何一件組件都可影響其他組件的表現(xiàn)。準(zhǔn)確一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)各部分之間若出現(xiàn)電壓及電流方面的不平衡，便會(huì)產(chǎn)生失配問(wèn)題。其中原因很多，如局部的陰影、移動(dòng)的浮云、附近物體的反光、光伏組件的不同角度及排列方式、污垢、不同程度的老化、細(xì)微的裂縫以及光伏組件之間的溫差都會(huì)令系統(tǒng)出現(xiàn)失配。所有太陽(yáng)能系統(tǒng)都或多或少存在失配的問(wèn)題，但很多情況下因失配而導(dǎo)致的能源損耗會(huì)被忽略或低估。許多獨(dú)立的研究顯示，只要有10%的光伏組件被陰影遮蔽，整個(gè)系統(tǒng)便會(huì)失去高達(dá)50%的發(fā)電量。
目前普遍采用的太陽(yáng)能系統(tǒng)都試圖利用中央逆變器的特殊算法解決這個(gè)失配問(wèn)題。這種稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)的特殊算法的局限是，逆變器無(wú)法深入“看到”每串或每個(gè)串聯(lián)一起的光伏組件的情況，因此只能作緩慢而有限的調(diào)整。直到2008年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體成功開(kāi)發(fā)電源優(yōu)化技術(shù)，并在市場(chǎng)上首次推出這種稱為“電源優(yōu)化器”的集成電路，其特點(diǎn)是充分利用核心的模擬電路技術(shù)及電源管理芯片，在最小的系統(tǒng)單元,即光伏組件的級(jí)別上,來(lái)盡量提高電能輸出，從而提高太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的整體效率。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體與尚德公司建立了合作關(guān)系。對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引進(jìn)集成電路會(huì)有增值作用，因?yàn)樘砑与娫磧?yōu)化器的主要目的是恢復(fù)因某一組件受損而失掉的發(fā)電量，以及確保無(wú)論白天任一時(shí)段或年中任一月份都能盡量提高每一光伏組件的能源效率。
目前市場(chǎng)上有幾種不同的直流/直流電源優(yōu)化器解決方案，我們必須深入研究其分別，因?yàn)椴煌募軜?gòu)有不同的效果。例如，若某一串受損光伏組件內(nèi)某一組件的MPPT必須做出調(diào)整，其他組件中有部分電壓也必須下調(diào)或調(diào)升。這個(gè)升/降壓架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高發(fā)電量，以及確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮最高的效率。部分優(yōu)化器只提供降壓功能，雖然從電源轉(zhuǎn)換效率的角度看，這個(gè)設(shè)計(jì)可以發(fā)揮較高的效率，但發(fā)電量則未必能相應(yīng)提高。此外，部分優(yōu)化器只提供升壓功能，其優(yōu)點(diǎn)是可將組件的電壓提高至與直流線路電壓相等的水平，但缺點(diǎn)是電流較高以及輸入電壓范圍較小，因此較難在有陰影的情況下充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能。
電源優(yōu)化器的市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，而且升勢(shì)強(qiáng)勁。系統(tǒng)組件生產(chǎn)商都明白保證性能穩(wěn)定的重要性。引進(jìn)直流/直流的電源優(yōu)化技術(shù)能提高太陽(yáng)能系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的總發(fā)電量，加上本身又有25年的維護(hù)保證，那么規(guī)模化的系統(tǒng)安裝公司以及設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工(EPC）工程總承包商都會(huì)樂(lè)意采用這類(lèi)新一代的太陽(yáng)能系統(tǒng)。單從技術(shù)的角度看，更高的峰值效率(高達(dá)99.5%)、更安全的設(shè)計(jì)和防盜裝置、以及可與各類(lèi)逆變器兼容等特性都有助于吸引更多系統(tǒng)安裝公司及工程總承包商(EPC）向家庭及商業(yè)用戶大力推薦采用電源優(yōu)化技術(shù)，并說(shuō)服他們的客戶為原有或新安裝的系統(tǒng)加設(shè)電源優(yōu)化器。
市場(chǎng)上還有另一種采用微逆變器的解決方案。這個(gè)方案同樣要面對(duì)及解決上述與安裝環(huán)境和性能有關(guān)的問(wèn)題。太陽(yáng)能系統(tǒng)若采用微逆變器便無(wú)需裝設(shè)集中式逆變器，因?yàn)槲⒛孀兤骺梢詫⒚恳还夥M件輸出的直流電直接轉(zhuǎn)為交流電。微逆變器主要面向家用太陽(yáng)能系統(tǒng)市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率更一直穩(wěn)步上升，主要的原因是微逆變器易于安裝，而且安裝工程更具靈活性，例如光伏組件的大小沒(méi)有特別的規(guī)定，甚至用戶要求怎樣細(xì)小也可以。采用微逆變器的另一優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需加設(shè)中央或串聯(lián)式逆變器，而中央或組串式逆變器通常是太陽(yáng)能系統(tǒng)最脆弱的部分。采用微逆變器方案的另一優(yōu)點(diǎn)是安裝公司可以無(wú)需采用高壓直流電纜，因?yàn)檫@類(lèi)導(dǎo)線常會(huì)產(chǎn)生電弧。
若以微逆變器和電源優(yōu)化器的目前售價(jià)來(lái)看，這些新的解決方案何時(shí)才能成為主流方案目前仍然無(wú)法下定論。根據(jù)部分報(bào)告的預(yù)測(cè)顯示，未來(lái)3年會(huì)有10至15%新安裝的太陽(yáng)能系統(tǒng)將會(huì)采用電源優(yōu)化器，而且在未來(lái)5年內(nèi)其占有率可能會(huì)高達(dá)太陽(yáng)能系統(tǒng)市場(chǎng)的25%。這兩種解決方案于2008年推出市場(chǎng)時(shí)每瓦的發(fā)電成本約為0.80至1美元，今年，這兩種解決方案的發(fā)電成本開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下跌，而這樣的成本才真正具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
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