- 提高效率需逆變器撐腰
- 功率器件決定逆變器高下
- 另辟蹊徑優化輸出功率
- 太陽能市場升溫，逆變器價格有望走低
- 太陽能工程的市場每年的增長率將達到20% 到30%
- 逆變器的成本占整體太陽能系統成本的15%到20%
人類社會的不斷發展伴隨著更多的能源消耗，因而尋找新能源成為人們面臨的緊迫課題。既要維系工業經濟的發展，又要降低“碳”排放，一個重要途徑就是加大開發利用太陽能等新能源。對此，世界各國相繼加大投入太陽能發電，以替代石油、燃煤等傳統能源。
在眾多可再生能源之中，太陽能廣受關注，事實上全球范圍內正掀起太陽能發電的新浪潮。發達國家方面，美國計劃到2025年要使可再生能源發電量占到電力供應總量的25%；到2020年，日本的太陽能發電量將會達到2005年的20倍左右；到2030年，將達到40倍左右。發展中國家對太陽能的關注度也很高，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
新興市場的崛起，往往意味著新機會的誕生。太陽能作為一種新能源，為電池制造、電源轉換等相關企業提供了發揮的新舞臺。談到新能源未來應用前景，國際整流器公司(IR)戰略市場開發副總裁Alberto Guerra指出:“對于家庭及商業環境來說，未來的省電節能策略是使用智能電網及智能家電，而且進一步使用太陽能(及風力)技術來發電。”
由于光伏發電系統產生的電流為直流電，但民用電力以交流供電為主，而且太陽能發電最終將走向并網運行，這就意味著太陽能發電必須通過逆變器將直流電轉換為交流電來驅動家用電器等負載。因此，逆變器在太陽能發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為無干擾的交流正弦波輸出，既可供設備使用，也可反饋給電網。除了實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，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行存儲，以及跟蹤最大功率點(MPPT)等，以盡可能提高發電的效率。
“提高中大功率太陽能發電系統能源效率，逆變器是一個重要環節，它是保證太陽能轉換效率和投資回報的關鍵因素。”英飛凌科技(中國)有限公司家電及工業功率器件市場經理陳子穎特別強調提高太陽能發電系統的要點在于逆變器。
盡管近年來太陽能電池制造企業一直致力于提高太陽能電池的光電轉換效率，但是就2010年2月太陽能電池的最高光電轉換效率來看，15cm×15cm厚200μm的太陽能電池也只能實現19.3%的轉換效率。由于太陽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業務發展總監張耀強指出，太陽能發電系統面對的最大挑戰是優化逆變器性能。"
功率器件決定逆變器高下
而太陽能逆變器性能提高則更依賴于功率開關器件, 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，中國目前主要發展的是中大功率太陽能發電系統，金太陽示范工程財政補助資金管理暫行辦法規定，單個項目裝機容量不低于300kWp。“隨著單機功率增大，太陽能逆變器受技術和器件限制，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鍵。”
在中小功率的太陽能逆變器中不少公司擁有自己的專利電路結構，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。
英飛凌為太陽能應用開發了一系列產品，如大功率三電平模塊Easy和Econo4系列，產品范圍50A～300A 650V；高速IGBT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100KW以上的太陽能逆變器效率達到一個更高的水平。此外，英飛凌的構槽柵場終止技術FieldStop IGBT、CoolMOS、碳化硅二極管SiC在高能效的太陽能逆變器也有出色的表現。
IR也是太陽能技術的先驅。Alberto Guerra介紹，早在60年代初期，IR生產的太陽能電池片便用于首個衛星之上，甚至用來驅動首輛太陽能電動汽車。時至今日，IR為太陽能業界提供多元化的功率管理產品，特別是家用、商用及公用業務級別應用的串式逆變器。IR MOSFET及IGBT技術發揮了先進的效能，可用于不同的太陽能逆變器拓樸，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功率器件市場經理陳子穎表示，逆變器是是保證太陽能轉換效率和投資回報的關鍵因素。"
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逆變器設計要點：可靠性和效率并舉
對于熟悉功率管理的工程師而言，設計太陽能發電系統的逆變器有什么要點需要額外注意？首先，就現有光伏系統逆變器的使用情況來看，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。“太陽能逆變技術業界對于產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，但對于無源元件來說卻有可能是一個挑戰，特別是電容器。
Alberto Guerra進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(軟開關相對于硬開關)，在一定程度上可以減少這些元件所承受的應力，滿足太陽能業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需要特別注意半導體特性，包括電壓范圍或開關速度。
其次，太陽能發電受制于建設成本高而發展遲滯，從經濟帳上來看總發電成本也并不環保。
陳子穎認為效率是最重要的指標，提高太陽能逆變器的效率可以節約電流轉換中所損失的能量，進而降低太陽能發電的生產成本。
“對于一個100kW太陽能發電系統，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鍵。如何發揮IGBT模塊的優勢與系統設計工程師設計也密切相關，例如設計中應努力減小功率電路的寄生電感，把IGBT驅動得穩定一些、更快一些，這都直接影響著系統效率。為此，英飛凌為風力發電和太陽能提供功率單元的整體設計方案，如PrimeStack和MODStack產品，可用于幾十千瓦到8兆瓦的逆變器。
另辟蹊徑優化輸出功率
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能發電的效率，其中以TI推出的“微逆變器”和NS的“電源優化器”最具代表。
傳統逆變器與多個太陽能電池模塊串聯的結構，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，進而導致整體的輸出功率大幅降低的問題。為了解決這一問題，出現了各個太陽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)負責太陽能電池相關業務的Dave Freeman指出，這樣可以通過對各模塊的輸出功率進行優化，使得整體的輸出功率最大化。
此外，與通信功能組合的話，還可用于監視各個模塊的狀態，檢測出出現故障的模塊。簡而言之，微型逆變器是在各個模塊上全部配備上現有的逆變器功能。也就是說，從輸出功率的優化到DC-AC轉換均由模塊來進行。從模塊輸出的功率為交流，可直接并入電網。IR也擁有滿足微逆變器和直流-直流解決方案需求的特殊產品，這些設備正代表著一種足以影響大陽能逆變器的破壞性技術。
和一般電子設備的使用環境相比，太陽能光伏系統所在環境要惡劣得多。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，整個太陽能系統便會出現失配問題。此外，太陽能系統的使用時間越長，其發電量便越少，令投資回報大幅下跌。
“傳統的太陽能系統有其結構性的缺陷，以致系統性能無法得到充分發揮，而且系統的使用時間越長，效率便越低，這些缺點限制了太陽能系統的市場發展，令太陽能系統無法普及起來。”美國國家半導體亞太區核心市場業務發展總監張耀強一針見血地指出，太陽能系統面對的最大挑戰是優化逆變器性能。
美國國家半導體在2009年正式供貨的電源優化器SolarMagic，可以利用分布式電路盡量提高每一模塊的發電量，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電源優化器仍可以跟蹤最佳的局部MPP(最大功率點)，可挽回超過57%損失的發電量。同時，SolarMagic電源優化器將輸入電壓/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。
電源優化器會以間接的方式互相通信，檢測自己的電流和電壓環境并自我調整，直到串聯的整排電池板能夠達到最佳值，同時在電池板級別達到局部優化點。SolarMagic電源優化器積極解決了集中式MPPT固有的問題，因此成功減輕了電池板不匹配問題。
太陽能市場升溫，逆變器價格有望走低
2009年全球經濟經歷了一次陣痛，隨著進入2010年的到來，半導體產業迎來了復蘇的曙光。據iSuppli公司預測，2010年全球光伏系統裝機容量將增長68%，達到8.6GW。
IR的Alberto Guerra預測，在未來幾年中，太陽能工程的市場每年的增長率將達到20% 到30%。相應地，太陽能逆變器的價格也會隨之下降。由于逆變器的成本占整體太陽能系統成本的15%到20%，因為存在更大的市場需求而得到價格支持，所以他認為半導體價格的下降并不會造成行業的壓力。
“盡管未來難以預測，然而在每個工業化國家中，人們對于可再生能源政策的態度都有很大的改變。這種情況將會持續，更會延伸至更廣闊的范圍，力度也會加大。”Alberto Guerra對未來持樂觀的態度，他認為光伏市場將保持增長勢頭，而太陽能逆變器業界對功率產品的需求也將持續。
