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太阳能市场升温 逆变器价格有望走低

  新兴市场的崛起,往往意味着新机会的诞生。太阳能作为一种新能源,为电池制造、电源转换等相关企业提供了发挥的新舞台。由于光伏发电系统产生的电流为直流电,但民用电力以交流供电为主,而且太阳能发电最终将走向并网运行,这就意味着太阳能发电必须通过逆变器将直流电转换为交流电来驱动家用电器等负载。因此,逆变器在太阳能发电系统中具有举足轻重的作用。

  逆变器的主要功能是将电源的可变直流电压输入转变为无干扰的交流正弦波输出,既可供设备使用,也可反馈给电网。除了实现交直流的转换之外,逆变器还能执行其它功能,如将电路断开,避免电路因电流突波而损坏,此外还能为电池充电、对数据的使用和性能进行存储,以及跟踪最大功率点(MPPT)等,以尽可能提高发电的效率。

  尽管近年来太阳能电池制造企业一直致力于提高太阳能电池的光电转换效率,但是就2010年2月太阳能电池的最高光电转换效率来看,15cm×15cm厚200μm的太阳能电池也只能实现19.3%的转换效率。由于太阳能面板的光电转换效率相对低(平均约在15%左右),所以,从太阳能面板尽可能多获得输出功率的重任就落在了逆变器身上。

  太阳能逆变器性能提高更依赖于功率开关器件,想获得高效的交流输出电压和电流,就需要正确选择功率器件。中国目前主要发展的是中大功率太阳能发电系统,金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法规定,单个项目装机容量不低于300kWp。随着单机功率增大,太阳能逆变器受技术和器件限制,电路形式就比较单一,主要还是三相逆变桥,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设计使用是关键。

  在中小功率的太阳能逆变器中不少公司拥有自己的专利电路结构,新一代功率器件使得这些电路如虎添翼,效率、可靠性等各方面性能都有了很大提高。英飞凌为太阳能应用开发了一系列产品,如大功率三电平模块Easy和Econo4系列,产品范围50A~300A650V;高速IGBT和碳化硅二极管PrimePACK模块,规格为600A1200V。这些功率器件有助于推动100KW以上的太阳能逆变器效率达到一个更高的水平。此外,英飞凌的构槽栅场终止技术FieldStopIGBT、CoolMOS、碳化硅二极管SiC在高能效的太阳能逆变器也有出色的表现。

  IR也是太阳能技术的先驱。AlbertoGuerra介绍,早在60年代初期,IR生产的太阳能电池片便用于首个卫星之上,甚至用来驱动首辆太阳能电动汽车。时至今日,IR为太阳能业界提供多元化的功率管理产品,特别是家用、商用及公用业务级别应用的串式逆变器。IRMOSFET及IGBT技术发挥了先进的效能,可用于不同的太阳能逆变器拓朴,如单相和三相的设计,帮助系统减低功率耗散。IR的IGBT产品能够全面照顾以上各种朴拓的性能要求,功率范围覆盖5KW至30KW及以上,电压范围在600V至1200V。

  对于熟悉功率管理的工程师而言,设计太阳能发电系统的逆变器有什么要点需要额外注意?首先,就现有光伏系统逆变器的使用情况来看,它们一般只能使用5到10年,而光伏电池板的使用寿命长达25年,逆变器成为光伏系统中可靠性最低的组件。

  IR的AlbertoGuerra提出,设计师必须考虑光伏系统逆变器的使用寿命。太阳能逆变技术业界对于产品寿命有很高的期望,一般都能保证20至25年的使用期,因此特别着重每种元件的可靠性。尽管半导体元件通常都达到这种可靠性水平,但对于无源元件来说却有可能是一个挑战,特别是电容器。AlbertoGuerra进一步指出克服该挑战的解决之道为采用电路拓朴解决方案(软开关相对于硬开关),在一定程度上可以减少这些元件所承受的应力,满足太阳能业界相对于传统功率管理应用的特别需要。他还特别提示设计者选择器件时需要特别注意半导体特性,包括电压范围或开关速度。其次,太阳能发电受制于建设成本高而发展迟滞,从经济帐上来看总发电成本也并不环保。效率是最重要的指标,提高太阳能逆变器的效率可以节约电流转换中所损失的能量,进而降低太阳能发电的生产成本。提高效率,器件的设计使用也是非常关键。如何发挥IGBT模块的优势与系统设计工程师设计也密切相关,例如设计中应努力减小功率电路的寄生电感,把IGBT驱动得稳定一些、更快一些,这都直接影响着系统效率。为此,英飞凌为风力发电和太阳能提供功率单元的整体设计方案,如PrimeStack和MODStack产品,可用于几十千瓦到8兆瓦的逆变器。

  目前,逆变器效率可以达到97.2%左右,继续提高的效率空间也极其有限。一些公司尝试以其他方式改善太阳能发电的效率,其中以TI推出的“微逆变器”和NS的“电源优化器”最具代表。

  传统逆变器与多个太阳能电池模块串联的结构,存在因日照不均、电池性能不均等原因导致输出效率下降的弊端,进而导致整体的输出功率大幅降低的问题。为了解决这一问题,出现了各个太阳能电池模块配备逆变器及转换器功能的新架构,即“微型逆变器”及“微型转换器”。美国德州仪器(TI)负责太阳能电池相关业务的DaveFreeman指出,这样可以通过对各模块的输出功率进行优化,使得整体的输出功率最大化。

  此外,与通信功能组合的话,还可用于监视各个模块的状态,检测出出现故障的模块。简而言之,微型逆变器是在各个模块上全部配备上现有的逆变器功能。也就是说,从输出功率的优化到DC-AC转换均由模块来进行。从模块输出的功率为交流,可直接并入电网。IR也拥有满足微逆变器和直流-直流解决方案需求的特殊产品,这些设备正代表着一种足以影响大阳能逆变器的破坏性技术。 和一般电子设备的使用环境相比,太阳能光伏系统所在环境要恶劣得多。一般面板安装在野外,局部的阴影、不同的倾斜角度及面向方位、污垢、不同的老化程度、细小的裂缝以及不同光电板的不同温度等容易造成系统失配,若光电板之间的电压及电流失配,整个太阳能系统便会出现失配问题。此外,太阳能系统的使用时间越长,其发电量便越少,令投资回报大幅下跌。

  传统的太阳能系统有其结构性的缺陷,以致系统性能无法得到充分发挥,而且系统的使用时间越长,效率便越低,这些缺点限制了太阳能系统的市场发展,令太阳能系统无法普及起来。”美国国家半导体亚太区核心市场业务发展总监张耀强一针见血地指出,太阳能系统面对的最大挑战是优化逆变器性能。

  美国国家半导体在2009年正式供货的电源优化器SolarMagic,可以利用分布式电路尽量提高每一模块的发电量,而且还可调整每一排光电板的电压和电流,直至全部取得平衡,以免系统出现失配。

  此外,每一模块都具备监控功能,因此不但可为系统提供额外防护,降低系统的维护成本,而且还可提高系统性能,确保系统操作更加稳定可靠。 即使部分电池板受到阴影、灰尘覆盖等情况的影响,SolarMagic电源优化器仍可以跟踪最佳的局部MPP(最大功率点),可挽回超过57%损失的发电量。同时,SolarMagic电源优化器将输入电压/电流转换为不同的输出电压/电流,以最大限度提高系统中的能量传输。电源优化器会以间接的方式互相通信,检测自己的电流和电压环境并自我调整,直到串联的整排电池板能够达到最佳值,同时在电池板级别达到局部优化点。SolarMagic电源优化器积极解决了集中式MPPT固有的问题,因此成功减轻了电池板不匹配问题。

  2009年全球经济经历了一次阵痛,随着进入2010年,半导体产业迎来了复苏的曙光。据之前iSuppli公司预测,2010年全球光伏系统装机容量将增长68%,达到8.6GW。IR的AlbertoGuerra预测,在未来几年中,太阳能工程的市场每年的增长率将达到20%到30%。相应地,太阳能逆变器的价格也会随之下降。由于逆变器的成本占整体太阳能系统成本的15%到20%,因为存在更大的市场需求而得到价格支持,所以他认为半导体价格的下降并不会造成行业的压力。

  “尽管未来难以预测,然而在每个工业化国家中,人们对于可再生能源政策的态度都有很大的改变。这种情况将会持续,更会延伸至更广阔的范围,力度也会加大。”AlbertoGuerra对未来持乐观的态度,他认为光伏市场将保持增长势头,而太阳能逆变器业界对功率产品的需求也将持续。

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