重塑太陽能：如何使太陽能光伏產(chǎn)品更智能、更高效

       太陽照射地球每6個小時產(chǎn)生的能量就足以滿足全球整整一年的能源需求。憑借這筆免費(fèi)的巨額綠色財富，光伏（PV）技術(shù)毅然成為了環(huán)保運(yùn)動的象征。然而，光伏/太陽能這種未來能源雖已問世三十余載，其產(chǎn)量卻不到世界能源產(chǎn)量的0.5％。



                      圖1  光伏產(chǎn)業(yè)展望

       將太陽能從新興能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁髂茉疵媾R著多方面的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。盡管來自太陽光照的能量巨大無比，但限于設(shè)備轉(zhuǎn)換費(fèi)用昂貴以及轉(zhuǎn)換效率仍有待提高等原因，使太陽能光伏成為免費(fèi)商品的路還很漫長，而利用半導(dǎo)體來管理轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則能夠很容易地解決這個問題。目前，光伏能的發(fā)展在很大程度上取決于激勵機(jī)制、政策主張和“小額貸款”的資本投資模式。然而，太陽能光伏總有一天會與化石燃料在價格上持平，這一點(diǎn)毫無疑問。從系統(tǒng)角度來看，大規(guī)模部署太陽能裝置會改變能源配送的模式，因?yàn)檫@將會涉及諸多因素，如電網(wǎng)運(yùn)行、負(fù)載處理以及其他實(shí)際問題。這意味著光伏能的推廣應(yīng)用正處于或已經(jīng)接近它的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而半導(dǎo)體技術(shù)的最新發(fā)展恰恰具有推動這種轉(zhuǎn)變的潛力。

       當(dāng)今最先進(jìn)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由一套相對簡單的元組件構(gòu)成。當(dāng)一切如期運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)換效率約為10-15％。一系列廣泛的數(shù)字及高性能混合信號（HPMS）半導(dǎo)體技術(shù)正在構(gòu)成全新的系統(tǒng)架構(gòu)。這些新架構(gòu)在設(shè)計(jì)上得到了優(yōu)化以調(diào)節(jié)環(huán)境變化所造成的效率下降，同時通過監(jiān)測和糾正各元組件的運(yùn)行特點(diǎn)來優(yōu)化系統(tǒng)的功率。
安裝能夠向電網(wǎng)傳遞更多功率的太陽能系統(tǒng)極為重要。原因有二：首先，生成但不傳遞到電網(wǎng)的太陽能光伏并不會帶來消費(fèi)利益；其次，通過提高運(yùn)行效率每節(jié)省一千瓦時（kWh）的能量，就相當(dāng)于減少向大氣層釋放新安裝的太陽能面板每kWh產(chǎn)生的二氧化碳排放量。


          圖2   太陽能發(fā)電系統(tǒng)

       恩智浦半導(dǎo)體一直通過開發(fā)軟件和硬件技術(shù)致力于提高能源轉(zhuǎn)換效率。此外，恩智浦還在繼續(xù)研究用于應(yīng)對太陽能面板所經(jīng)歷環(huán)境變化的運(yùn)算法則，以及光伏模塊本身的特質(zhì)。

       恩智浦還供應(yīng)各種超低功耗的微控制器、驅(qū)動器、MOSFET以及其它元件，以滿足太陽能技術(shù)發(fā)展的需求，而較競爭技術(shù)，太陽能技術(shù)可提供更高的性能和效率。



        圖3   恩智浦太陽能電子產(chǎn)品

能源流失1：環(huán)境影響

       通常，人們非常關(guān)注光伏電池在能源轉(zhuǎn)換能力上的提升，這主要是因?yàn)橐粋€典型的商用光伏電池的效率仍然有限，僅為10-20％（取決于電池技術(shù)）。然而，整個系統(tǒng)的最終效率更為重要，而它會受到諸多常見因素的影響，如陰影在面板上的不均勻分布，或是樹葉、灰塵或鳥糞等外物落在面板上。

       在當(dāng)今的大部分系統(tǒng)架構(gòu)中，串聯(lián)的太陽能面板構(gòu)成了系統(tǒng)的基本能量采集部分，每塊面板產(chǎn)生約30伏的額定直流電壓。由于面板處于串聯(lián)狀態(tài)，它們的電壓會加總起來。一個典型的配置可能有10塊面板，每塊產(chǎn)生30伏電壓，因此總電壓為300伏左右。在某些系統(tǒng)中，這個電壓被存儲到電池里并經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電或直接作為直流電使用。在絕大多數(shù)的住宅和太陽能農(nóng)場配置中均忽略使用電池，而是經(jīng)逆變器輸出交流電并直接連到電網(wǎng)。

       這里存在一個關(guān)鍵性的假設(shè)，既所有面板均以同樣的效率運(yùn)作。然而事實(shí)并非如此。首先，生產(chǎn)上的差異會導(dǎo)致面板內(nèi)的光伏電池在電流產(chǎn)量上略有不同。更重要的是陰影和污垢等環(huán)境因素。部分變臟、有陰影的面板或失效的光伏電池都無法采集盡可能多的光照，因此產(chǎn)生的能量較少、電流較低。電池/面板之間的差異導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率顯著減少。如果一塊面板有10％的面積受陰影遮蔽，那么整塊面板的輸出功率將減少30％以上。

能源流失2：信息不足

       光伏電池的轉(zhuǎn)換效率取決于一系列變量，其中包括光照強(qiáng)度、電池的溫度、工作點(diǎn)以及電池的理論峰值效率。只要了解這些變量，就可以確定整個太陽能面板的最佳工作點(diǎn)。我們可用傳感器、微控制器和其他集成電路來監(jiān)測和調(diào)節(jié)工作電壓——最容易受系統(tǒng)設(shè)計(jì)師控制的變量，并在一定的條件下獲得大于10-15％的能量增益。這只是信息與通信技術(shù)如何提高光伏發(fā)電效率的其中一個范例。此外，它還可以添加額外功能，如提高安全水平、簡化安裝、使維護(hù)更輕松便捷等。

       光伏發(fā)電行業(yè)方興未已，最具成本效益和節(jié)能高效的太陽能系統(tǒng)架構(gòu)尚未成型。分布式電源管理系統(tǒng)似乎已為業(yè)界所認(rèn)可。然而，一個首要問題是，究竟是讓能源以直流電壓的形式在系統(tǒng)中傳輸，還是采用微型變流技術(shù)將每塊面板的輸出從直流電轉(zhuǎn)換成交流電，兩者孰優(yōu)？無論系統(tǒng)架構(gòu)如何競爭，恩智浦都已蓄勢待發(fā)，準(zhǔn)備引領(lǐng)潮流。

       在這兩種提高光伏發(fā)電效率的獨(dú)特方法中，優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高半導(dǎo)體性能尤為重要，而恩智浦在這些方面都已做出了重大貢獻(xiàn)。公司最近推出了MPT612，一種專門執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能的低功耗集成電路，能夠優(yōu)化太陽能應(yīng)用的電力提取效率。以電池充電為例，當(dāng)MPT612在運(yùn)行恩智浦即將獲得專利的MPPT算法時，它從一塊太陽能面板提取的能量比傳統(tǒng)的控制器要高出30％以上。

以設(shè)計(jì)和性能取勝

       在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，恩智浦用于面板的直流/直流轉(zhuǎn)換器是一項(xiàng)重大創(chuàng)新。恩智浦“Delta轉(zhuǎn)換器”均衡了太陽能面板之間的電壓差。市場上的其他解決方案是處理光伏面板產(chǎn)生的所有功率，而恩智浦Delta轉(zhuǎn)換器是通過能量交換原理將相鄰面板之間的電壓差進(jìn)行平均分配。當(dāng)不存在電壓差異時，轉(zhuǎn)換器處于非活動狀態(tài)。這種產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)包括轉(zhuǎn)換過程中耗能較低，以及由于轉(zhuǎn)換器不會持續(xù)工作而具有更高的可靠性。
恩智浦憑借其在高可靠性電子產(chǎn)品和高電壓半導(dǎo)體領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)開發(fā)并且正在開發(fā)一系列具有推動太陽能行業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ陌雽?dǎo)體產(chǎn)品：
• 執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤的微控制器；
• 用于面板間通信的無線和電力線通信芯片；
• 直流/交流轉(zhuǎn)換器的高壓驅(qū)動器，直流/直流轉(zhuǎn)換器的低壓驅(qū)動器；
• 控制器、功率MOSFETs以及用于直流/直流和直流/交流轉(zhuǎn)換器的高壓和低壓驅(qū)動器；
• 創(chuàng)新的通道功能二極管；
• 氮化鎵MOSFETs，可執(zhí)行高頻轉(zhuǎn)換且傳導(dǎo)和切換損耗非常有限，因此比傳統(tǒng)的基于IGBT的電源解決方案更省電；

       這些創(chuàng)新產(chǎn)品是恩智浦幾十年來致力于開發(fā)高性能混合信號技術(shù)的結(jié)晶?？偠灾咝阅芑旌闲盘柦Y(jié)合了模擬和數(shù)字技術(shù)，為設(shè)計(jì)工程師們開發(fā)未來十年內(nèi)占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品帶來了多重選擇。

深入實(shí)質(zhì)

       半導(dǎo)體工藝技術(shù)使得設(shè)計(jì)高性能混合信號芯片成為可能。恩智浦有三項(xiàng)工藝與太陽能系統(tǒng)架構(gòu)有關(guān)：EZ-HV工藝，生產(chǎn)可在700伏電壓下運(yùn)行的小型設(shè)備；ABCD9和CO50PMU工藝，為電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域制定了高達(dá)120伏的新性能基準(zhǔn)，并將推出卓越的直流/直流轉(zhuǎn)換器；以及之前提到的氮化鎵工藝，可生產(chǎn)傳導(dǎo)和切換損耗極低的功率MOSFET。

       通過整合由高性能混合信號（HPMS）設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)開發(fā)出的芯片和設(shè)備，將大幅提高太陽能面板的效率，縮短經(jīng)濟(jì)盈虧平衡時間，而太陽能光伏也將作為住宅和工業(yè)應(yīng)用中常見的替代能源被廣為接受。

太陽能產(chǎn)品應(yīng)用信息頁面：
http://www.nxp.com/pip/MPT612.html