如何使太陽能光伏產品更智能、更高效

21ic中國電子網訊 太陽照射地球每6個小時產生的能量就足以滿足全球整整一年的能源需求。憑借這筆免費的巨額綠色財富，光伏（PV）技術毅然成為了環(huán)保運動的象征。然而，光伏/太陽能這種未來能源雖已問世三十余載，其產量卻不到世界能源產量的0.5％。

將太陽能從新興能源轉變?yōu)橹髁髂茉疵媾R著多方面的機遇和挑戰(zhàn)。盡管來自太陽光照的能量巨大無比，但限于設備轉換費用昂貴以及轉換效率仍有待提高等原因，使太陽能光伏成為免費商品的路還很漫長，而利用半導體來管理轉換系統(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，因為這將會涉及諸多因素，如電網運行、負載處理以及其他實際問題。這意味著光伏能的推廣應用正處于或已經接近它的轉折點，而半導體技術的最新發(fā)展恰恰具有推動這種轉變的潛力。

當今最先進的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由一套相對簡單的元組件構成。當一切如期運行時，其轉換效率約為10-15％。一系列廣泛的數字及高性能混合信號（HPMS）半導體技術正在構成全新的系統(tǒng)架構。這些新架構在設計上得到了優(yōu)化以調節(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行特點來優(yōu)化系統(tǒng)的功率。

安裝能夠向電網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的太陽能光伏并不會帶來消費利益；其次，通過提高運行效率每節(jié)省一千瓦時（kWh）的能量，就相當于減少向大氣層釋放新安裝的太陽能面板每kWh產生的二氧化碳排放量。

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

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

能源流失1：環(huán)境影響
通常，人們非常關注光伏電池在能源轉換能力上的提升，這主要是因為一個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）。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。

在當今的大部分系統(tǒng)架構中，串聯的太陽能面板構成了系統(tǒng)的基本能量采集部分，每塊面板產生約30伏的額定直流電壓。由于面板處于串聯狀態(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過逆變器轉換成交流電或直接作為直流電使用。在絕大多數的住宅和太陽能農場配置中均忽略使用電池，而是經逆變器輸出交流電并直接連到電網。

這里存在一個關鍵性的假設，既所有面板均以同樣的效率運作。然而事實并非如此。首先，生產上的差異會導致面板內的光伏電池在電流產量上略有不同。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，因此產生的能量較少、電流較低。電池/面板之間的差異導致系統(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
光伏電池的轉換效率取決于一系列變量，其中包括光照強度、電池的溫度、工作點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。我們可用傳感器、微控制器和其他集成電路來監(jiān)測和調節(jié)工作電壓——最容易受系統(tǒng)設計師控制的變量，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)架構尚未成型。分布式電源管理系統(tǒng)似乎已為業(yè)界所認可。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將每塊面板的輸出從直流電轉換成交流電，兩者孰優(yōu)？無論系統(tǒng)架構如何競爭，恩智浦都已蓄勢待發(fā)，準備引領潮流。

在這兩種提高光伏發(fā)電效率的獨特方法中，優(yōu)化設計和提高半導體性能尤為重要，而恩智浦在這些方面都已做出了重大貢獻。公司最近推出了MPT612，一種專門執(zhí)行最大功率點跟蹤（MPPT）功能的低功耗集成電路，能夠優(yōu)化太陽能應用的電力提取效率。以電池充電為例，當MPT612在運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。

以設計和性能取勝
在設計領域，恩智浦用于面板的直流/直流轉換器是一項重大創(chuàng)新。恩智浦“Delta轉換器”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生的所有功率，而恩智浦Delta轉換器是通過能量交換原理將相鄰面板之間的電壓差進行平均分配。當不存在電壓差異時，轉換器處于非活動狀態(tài)。這種產品的優(yōu)點包括轉換過程中耗能較低，以及由于轉換器不會持續(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品和高電壓半導體領域的多年經驗，已經開發(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w產品：
• 執(zhí)行最大功率點跟蹤的微控制器；
• 用于面板間通信的無線和電力線通信芯片；
• 直流/交流轉換器的高壓驅動器，直流/直流轉換器的低壓驅動器；
• 控制器、功率MOSFETs以及用于直流/直流和直流/交流轉換器的高壓和低壓驅動器；
• 創(chuàng)新的通道功能二極管；
• 氮化鎵MOSFETs，可執(zhí)行高頻轉換且傳導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)新產品是恩智浦幾十年來致力于開發(fā)高性能混合信號技術的結晶?？偠灾咝阅芑旌闲盘柦Y合了模擬和數字技術，為設計工程師們開發(fā)未來十年內占主導地位的產品帶來了多重選擇。

深入實質
半導體工藝技術使得設計高性能混合信號芯片成為可能。恩智浦有三項工藝與太陽能系統(tǒng)架構有關：EZ-HV工藝，生產可在700伏電壓下運行的小型設備；ABCD9和CO50PMU工藝，為電流轉換應用領域制定了高達120伏的新性能基準，并將推出卓越的直流/直流轉換器；以及之前提到的氮化鎵工藝，可生產傳導和切換損耗極低的功率MOSFET。
通過整合由高性能混合信號（HPMS）設計及工藝技術開發(fā)出的芯片和設備，將大幅提高太陽能面板的效率，縮短經濟盈虧平衡時間，而太陽能光伏也將作為住宅和工業(yè)應用中常見的替代能源被廣為接受。