- 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(yáng)能市場(chǎng)升溫，逆變器價(jià)格有望走低
- 太陽(yáng)能工程的市場(chǎng)每年的增長(cháng)率將達到20% 到30%
- 逆變器的成本占整體太陽(yáng)能系統成本的15%到20%
人類(lèi)社會(huì )的不斷發(fā)展伴隨著(zhù)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)濟的發(fā)展，又要降低“碳”排放，一個(gè)重要途徑就是加大開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能等新能源。對此，世界各國相繼加大投入太陽(yáng)能發(fā)電，以替代石油、燃煤等傳統能源。
在眾多可再生能源之中，太陽(yáng)能廣受關(guān)注，事實(shí)上全球范圍內正掀起太陽(yáng)能發(fā)電的新浪潮。發(fā)達國家方面，美國計劃到2025年要使可再生能源發(fā)電量占到電力供應總量的25%；到2020年，日本的太陽(yáng)能發(fā)電量將會(huì )達到2005年的20倍左右；到2030年，將達到40倍左右。發(fā)展中國家對太陽(yáng)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總量的12.5%；在印度，到2012年可再生能源的份額將達到12%。
提高效率需逆變器撐腰
新興市場(chǎng)的崛起，往往意味著(zhù)新機會(huì )的誕生。太陽(yáng)能作為一種新能源，為電池制造、電源轉換等相關(guān)企業(yè)提供了發(fā)揮的新舞臺。談到新能源未來(lái)應用前景，國際整流器公司(IR)戰略市場(chǎng)開(kāi)發(fā)副總裁Alberto Guerra指出:“對于家庭及商業(yè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，未來(lái)的省電節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(yáng)能(及風(fēng)力)技術(shù)來(lái)發(fā)電。”
由于光伏發(fā)電系統產(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(yáng)能發(fā)電最終將走向并網(wǎng)運行，這就意味著(zhù)太陽(yáng)能發(fā)電必須通過(guò)逆變器將直流電轉換為交流電來(lái)驅動(dòng)家用電器等負載。因此，逆變器在太陽(yáng)能發(fā)電系統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變?yōu)闊o(wú)干擾的交流正弦波輸出，既可供設備使用，也可反饋給電網(wǎng)。除了實(shí)現交直流的轉換之外，逆變器還能執行其它功能，如將電路斷開(kāi)，避免電路因電流突波而損壞，此外還能為電池充電、對數據的使用和性能進(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(yáng)能發(fā)電系統能源效率，逆變器是一個(gè)重要環(huán)節，它是保證太陽(yáng)能轉換效率和投資回報的關(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(chǎng)經(jīng)理陳子穎特別強調提高太陽(yáng)能發(fā)電系統的要點(diǎn)在于逆變器。
盡管近年來(lái)太陽(yáng)能電池制造企業(yè)一直致力于提高太陽(yáng)能電池的光電轉換效率，但是就2010年2月太陽(yáng)能電池的最高光電轉換效率來(lái)看，15cm×15cm厚200μm的太陽(yáng)能電池也只能實(shí)現19.3%的轉換效率。由于太陽(yáng)能面板的光電轉換效率相對低(平均約在15%左右)，所以，從太陽(yáng)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。
"美國國家半導體亞太區核心市場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展總監張耀強指出，太陽(yáng)能發(fā)電系統面對的最大挑戰是優(yōu)化逆變器性能。"
功率器件決定逆變器高下
而太陽(yáng)能逆變器性能提高則更依賴(lài)于功率開(kāi)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。陳子穎認為，中國目前主要發(fā)展的是中大功率太陽(yáng)能發(fā)電系統，金太陽(yáng)示范工程財政補助資金管理暫行辦法規定，單個(gè)項目裝機容量不低于300kWp。“隨著(zhù)單機功率增大，太陽(yáng)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計使用是關(guān)鍵。”
在中小功率的太陽(yáng)能逆變器中不少公司擁有自己的專(zhuān)利電路結構，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(yáng)能應用開(kāi)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I(mǎi)GBT和碳化硅二極管PrimePACK模塊，規格為600A 1200V。這些功率器件有助于推動(dòng)100KW以上的太陽(yáng)能逆變器效率達到一個(gè)更高的水平。此外，英飛凌的構槽柵場(chǎng)終止技術(shù)FieldStop IGBT、CoolMOS、碳化硅二極管SiC在高能效的太陽(yáng)能逆變器也有出色的表現。
IR也是太陽(yáng)能技術(shù)的先驅。Alberto Guerra介紹，早在60年代初期，IR生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池片便用于首個(gè)衛星之上，甚至用來(lái)驅動(dòng)首輛太陽(yáng)能電動(dòng)汽車(chē)。時(shí)至今日，IR為太陽(yáng)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(yáng)能逆變器拓樸，如單相和三相的設計，幫助系統減低功率耗散。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(chǎng)經(jīng)理陳子穎表示，逆變器是是保證太陽(yáng)能轉換效率和投資回報的關(guān)鍵因素。"
[page]
逆變器設計要點(diǎn)：可靠性和效率并舉
對于熟悉功率管理的工程師而言，設計太陽(yáng)能發(fā)電系統的逆變器有什么要點(diǎn)需要額外注意？首先，就現有光伏系統逆變器的使用情況來(lái)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(cháng)達25年，逆變器成為光伏系統中可靠性最低的組件。IR的Alberto Guerra提出，設計師必須考慮光伏系統逆變器的使用壽命。“太陽(yáng)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(zhù)重每種元件的可靠性。”盡管半導體元件通常都達到這種可靠性水平，但對于無(wú)源元件來(lái)說(shuō)卻有可能是一個(gè)挑戰，特別是電容器。
Alberto Guerra進(jìn)一步指出克服該挑戰的解決之道為采用電路拓樸解決方案(軟開(kāi)關(guān)相對于硬開(kāi)關(guān))，在一定程度上可以減少這些元件所承受的應力，滿(mǎn)足太陽(yáng)能業(yè)界相對于傳統功率管理應用的特別需要。他還特別提示設計者選擇器件時(shí)需要特別注意半導體特性，包括電壓范圍或開(kāi)關(guān)速度。
其次，太陽(yáng)能發(fā)電受制于建設成本高而發(fā)展遲滯，從經(jīng)濟帳上來(lái)看總發(fā)電成本也并不環(huán)保。
陳子穎認為效率是最重要的指標，提高太陽(yáng)能逆變器的效率可以節約電流轉換中所損失的能量，進(jìn)而降低太陽(yáng)能發(fā)電的生產(chǎn)成本。
“對于一個(gè)100kW太陽(yáng)能發(fā)電系統，提高效率0.1%就能節省將近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，器件的設計使用也是非常關(guān)鍵。如何發(fā)揮IGBT模塊的優(yōu)勢與系統設計工程師設計也密切相關(guān)，例如設計中應努力減小功率電路的寄生電感，把IGBT驅動(dòng)得穩定一些、更快一些，這都直接影響著(zhù)系統效率。為此，英飛凌為風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能提供功率單元的整體設計方案，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，逆變器效率可以達到97.2%左右，繼續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(yáng)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。
傳統逆變器與多個(gè)太陽(yáng)能電池模塊串聯(lián)的結構，存在因日照不均、電池性能不均等原因導致輸出效率下降的弊端，進(jìn)而導致整體的輸出功率大幅降低的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，出現了各個(gè)太陽(yáng)能電池模塊配備逆變器及轉換器功能的新架構，即“微型逆變器”及“微型轉換器”。美國德州儀器(TI)負責太陽(yáng)能電池相關(guān)業(yè)務(wù)的Dave Freeman指出，這樣可以通過(guò)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(huà)，還可用于監視各個(gè)模塊的狀態(tài)，檢測出出現故障的模塊。簡(jiǎn)而言之，微型逆變器是在各個(gè)模塊上全部配備上現有的逆變器功能。也就是說(shuō)，從輸出功率的優(yōu)化到DC-AC轉換均由模塊來(lái)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(mǎn)足微逆變器和直流-直流解決方案需求的特殊產(chǎn)品，這些設備正代表著(zhù)一種足以影響大陽(yáng)能逆變器的破壞性技術(shù)。
和一般電子設備的使用環(huán)境相比，太陽(yáng)能光伏系統所在環(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、細小的裂縫以及不同光電板的不同溫度等容易造成系統失配，若光電板之間的電壓及電流失配，整個(gè)太陽(yáng)能系統便會(huì )出現失配問(wèn)題。此外，太陽(yáng)能系統的使用時(shí)間越長(cháng)，其發(fā)電量便越少，令投資回報大幅下跌。
“傳統的太陽(yáng)能系統有其結構性的缺陷，以致系統性能無(wú)法得到充分發(fā)揮，而且系統的使用時(shí)間越長(cháng)，效率便越低，這些缺點(diǎn)限制了太陽(yáng)能系統的市場(chǎng)發(fā)展，令太陽(yáng)能系統無(wú)法普及起來(lái)。”美國國家半導體亞太區核心市場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展總監張耀強一針見(jiàn)血地指出，太陽(yáng)能系統面對的最大挑戰是優(yōu)化逆變器性能。
美國國家半導體在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，以免系統出現失配。此外，每一模塊都具備監控功能，因此不但可為系統提供額外防護，降低系統的維護成本，而且還可提高系統性能，確保系統操作更加穩定可靠。
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(guò)57%損失的發(fā)電量。同時(shí)，SolarMagic電源優(yōu)化器將輸入電壓/電流轉換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統中的能量傳輸。
電源優(yōu)化器會(huì )以間接的方式互相通信，檢測自己的電流和電壓環(huán)境并自我調整，直到串聯(lián)的整排電池板能夠達到最佳值，同時(shí)在電池板級別達到局部?jì)?yōu)化點(diǎn)。SolarMagic電源優(yōu)化器積極解決了集中式MPPT固有的問(wèn)題，因此成功減輕了電池板不匹配問(wèn)題。
太陽(yáng)能市場(chǎng)升溫，逆變器價(jià)格有望走低
2009年全球經(jīng)濟經(jīng)歷了一次陣痛，隨著(zhù)進(jìn)入2010年的到來(lái)，半導體產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了復蘇的曙光。據iSuppli公司預測，2010年全球光伏系統裝機容量將增長(cháng)68%，達到8.6GW。
IR的Alberto Guerra預測，在未來(lái)幾年中，太陽(yáng)能工程的市場(chǎng)每年的增長(cháng)率將達到20% 到30%。相應地，太陽(yáng)能逆變器的價(jià)格也會(huì )隨之下降。由于逆變器的成本占整體太陽(yáng)能系統成本的15%到20%，因為存在更大的市場(chǎng)需求而得到價(jià)格支持，所以他認為半導體價(jià)格的下降并不會(huì )造成行業(yè)的壓力。
“盡管未來(lái)難以預測，然而在每個(gè)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(huì )持續，更會(huì )延伸至更廣闊的范圍，力度也會(huì )加大。”Alberto Guerra對未來(lái)持樂(lè )觀(guān)的態(tài)度，他認為光伏市場(chǎng)將保持增長(cháng)勢頭，而太陽(yáng)能逆變器業(yè)界對功率產(chǎn)品的需求也將持續。
