电源优化技术为太阳能光伏产业带来更高的能效

作者：Kevin Kayser

欢迎访问e展厅 展厅 4 太阳能发电展厅 太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ... 在新能源领域, 太阳能光伏(PV) 市场以30%以上的年增长率在过去10年不断吸引了众多投资者。事实上, 开发太阳能光伏的基本技术早在50年前便已面世，但一直未获得很大进展。正因如此，目前市场上的光伏模块及逆变器技术似乎在成本效益及回报上还没有达到用户的要求，未被广泛使用, 还需依靠政府补贴。但自从业界引进DC/DC电源优化器以及DC/AC微逆变器等分布式技术后，太阳能光伏产业便开始了新一轮技术变革。 太阳能光伏技术的窘境 太阳能光伏系统及集成电路大约都在50年前开始发展。期间，集成电路在工艺和专利技术方面不断有新的突破，成本也在大幅下降；而太阳能技术仅在效率及稳定性方面有所改进。太阳能发电厂仍然由太阳能光伏模块阵列组成，这些光伏模块将阳光转化为直流电能，并由集中式逆变器将直流电转为交流电，然后输往电网。 整个业界虽然一直致力于提高发电量，但这方面的技术研发工作却一直以提高太阳能电池的效率为主，或集中开发有助于提高发电量的先进生产工艺。但若要将太阳能的发电成本降低至与传统电网相当的水平，上述研发方向预计不会取得理想成果，因为其中涉及的成本往往很高，但效率较低。例如，晶体硅光伏模块虽然在效率方面有一定幅度的提升(每年约0.5%)，但其它方面的性能基本上与20年前无异。 过去10年来，薄膜光伏模块的单位发电成本虽然有明显下跌，但目前尚未证明这种技术具有长期的稳定性。与此同时，由于美国政府为光伏太阳能用户提供了可观的补贴，因此，10年来太阳能系统的市场渗透率大幅飙升，新建系统的总发电量高达10GW以上。2010年新安装的太阳能光伏系统的总发电量高达15至17GW。部分国家如德国，更长期为太阳能用户提供高额的政府电力回购制度(Feed-in Tariff, FIT)，极大地拉动了太阳能光伏的市场需求。太阳能光伏产业面对的挑战是如何深入了解现有太阳能系统的实际市场环境以及相关的技术问题，以确保一旦政府停止提供补贴，这个市场仍然可以继续高速发展。 阴影及失配问题 阴影及失配问题已令多家知名公司以及新兴公司研发解决上述问题的新技术。太阳能光伏阵列中，一个模块出问题，会影响所串联的其它模块，且任何一组串联都会影响阵列上的其它串联。准确地说，光伏系统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、光伏模块的不同角度及排列方式、污垢、不同程度的老化、细微的裂缝以及太阳能阵列之间的温差。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，即便只有10%的光伏模块被阴影遮蔽，整个系统的功耗将高达50%。 目前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, 可以调整光伏系统直流线路上的电压，以便捕获尽可能多的能量。这种方法的局限是，逆变器无法深入“看到”光伏阵列上的模块和串，因此只能作缓慢而有限的调整。 电源优化器方案 2008年，美国国家半导体首次将电源优化技术，或称“电源优化器”引入市场。其特点是在光伏模块上利用核心模拟电路技术及电源管理芯片，提高太阳能光伏系统的输出效率。 过去一年多，集成电路与太阳能光伏模块供应商已进一步加强了彼此间的合作。例如，为太阳能系统提供分布式集成电路及电源优化器的美国国家半导体，已宣布与全球最大的晶体硅光伏模块供应商尚德公司(Suntech)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，因为电源优化器的主要目的是恢复因某一模块受损而失掉的能量，并确保随时提高每一光伏模块的能效。电源优化器的主要作用是通过MPPT技术提供DC/DC优化，研究显示，电源优化器可以在太阳能系统长达25年的寿命周期内将能量采集量提高25%。 目前市场上有几种不同的DC/DC电源优化器解决方案，我们必须深入研究其差别，因为不同的架构有不同的效果。例如，当调整某一受损串内模块的MPPT时，部分模块的电压需要下调，另一部分需要调升。这个升/降压架构的优点是可以提高能量收集量，并提供最有效的设计方法。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，但能量收集量未必能相应提高。此外，部分优化器只提供升压功能，其优点是可将模块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。 虽然所有的新技术都需要经过一段时间才会获业界接受及不断优化，但由于电源优化器不但性能可靠，而且芯片商还提供媲美太阳能模块厂商的保修服务，因此其市场需求持续增长，而且升势强劲。模块厂商都明白，若要产品有较好的销路，不但要保证工艺，而且还要保证性能稳定可靠。引进DC/DC电源优化技术能提高太阳能系统在整个生命周期内的能量采集量，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）承包商都愿意采用这种产品。从技术角度看，更高的峰值效率(高达99.5%)、安全性、以及可与各类逆变器兼容等特性，有助于吸引更多系统安装公司及工程总承包商向家庭及商业用户大力推荐采用电源优化技术。 系统均衡成本(BOS)对于系统安装公司及工程总承包商是一个重要的衡量因素。一般来说，他们会对系统的总成本提交一个估价，并保证系统在保修期内的性能。表面上看，加装电源优化器会增加成本，但事实上，系统的其它部分可以节省更多成本，使总成本低于当初的估价。采用基于优化器的模块，系统用户可安装集中式逆变器，而不用组串式逆变器。 由于模块可安装在整个屋顶上或某个范围内，无需避开阻碍物和阴影，因此工程费用较低，而且还可节省机架、电缆用量，因为同一面积可以容纳更多光伏模块，串联的数量也不再是问题。 微逆变器方案 采用微逆变器是另一种解决方案，这个方案同样存在上面提到的安装和性能问题。光伏系统若采用微逆变器，就没必要装集中式逆变器，因为微逆变器可以将每一模块输出的直流电直接转为交流电。其主要面向家用太阳能光伏市场，市场占有率一直稳步上升，主要原因是易于安装且更灵活。例如，串联的数量随需求而定，用户需要多小的阵列都可以。采用微逆变器方案的另一优点是，安装者可以不用高压直流电缆，以避免产生电弧。 从微逆变器和电源优化器的目前售价来看，这些新解决方案何时才能成为主流方案还无法下定论。根据部分报告的预测显示，未来3年会有10~15%新安装的太阳能系统采用电源优化器，而且未来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年推向市场时，单位发电成本约为0.80~1.00美元/W。2010年，这两种解决方案的成本开始出现明显下跌，并具有竞争优势（见表1）。 微逆变器 电源优化器 迄今销量高达50万，主要面向家用市场。 迄今销量较小，但可能会由家用市场扩大至商用市场。 保修期限：15~25年 几乎25年的保修期 独立出售的产品，主要受制于方案的大小和 散热能力，有迹象显示，开始集成在模块内。 独立出售的产品，另有部分集成在模块内。 能量收集增加25%，约150美元。 能量收集增加25%，25~75美元。 分布式光伏系统将成主流 分布式光伏系统似乎更受用户欢迎，这总比等待光伏模块生产商大幅提高单元或模块的效率好，因为系统效率才是最值得关注的重要数据。由于在终端产品市场各有卖点，电源优化器及微逆变器都会被用户采用。添加了这些电子电路之后，每个模块都可独立工作，并达到最大效率。这些解决方案适用于不同的市场及不同的光伏安装，包括家用及商用系统、新安装的系统以及准备升级的旧系统。 新技术若要抢占主流市场，必须符合业界规定的质量及可靠性标准。最重要的是低风险，且不会轻易发生故障。因此，市场开始转向模块集成技术，即“智能面板”，以提升效率。 作者：美国国家半导体太阳能芯片业务部，生态系统战略高级经理Leslie Bane；高级市场营销经理(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/17/2011)