重塑太陽(yáng)能：如何使太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品更智能、更高效

       太陽(yáng)照射地球每6個(gè)小時(shí)產(chǎn)生的能量就足以滿(mǎn)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(shù)毅然成為了環(huán)保運動(dòng)的象征。然而，光伏/太陽(yáng)能這種未來(lái)能源雖已問(wèn)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(yáng)能從新興能源轉變?yōu)橹髁髂茉疵媾R著(zhù)多方面的機遇和挑戰。盡管來(lái)自太陽(yáng)光照的能量巨大無(wú)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(yáng)能光伏成為免費商品的路還很漫長(cháng)，而利用半導體來(lái)管理轉換系統則能夠很容易地解決這個(gè)問(wèn)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(yáng)能光伏總有一天會(huì )與化石燃料在價(jià)格上持平，這一點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)。從系統角度來(lái)看，大規模部署太陽(yáng)能裝置會(huì )改變能源配送的模式，因為這將會(huì )涉及諸多因素，如電網(wǎng)運行、負載處理以及其他實(shí)際問(wèn)題。這意味著(zhù)光伏能的推廣應用正處于或已經(jīng)接近它的轉折點(diǎn)，而半導體技術(shù)的最新發(fā)展恰恰具有推動(dòng)這種轉變的潛力。

       當今最先進(jìn)的太陽(yáng)能發(fā)電系統是由一套相對簡(jiǎn)單的元組件構成。當一切如期運行時(shí)，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(shù)正在構成全新的系統架構。這些新架構在設計上得到了優(yōu)化以調節環(huán)境變化所造成的效率下降，同時(shí)通過(guò)監測和糾正各元組件的運行特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化系統的功率。
安裝能夠向電網(wǎng)傳遞更多功率的太陽(yáng)能系統極為重要。原因有二：首先，生成但不傳遞到電網(wǎng)的太陽(yáng)能光伏并不會(huì )帶來(lái)消費利益；其次，通過(guò)提高運行效率每節省一千瓦時(shí)（kWh）的能量，就相當于減少向大氣層釋放新安裝的太陽(yáng)能面板每kWh產(chǎn)生的二氧化碳排放量。


          圖2   太陽(yáng)能發(fā)電系統

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

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



        圖3   恩智浦太陽(yáng)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換能力上的提升，這主要是因為一個(gè)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(gè)系統的最終效率更為重要，而它會(huì )受到諸多常見(jiàn)因素的影響，如陰影在面板上的不均勻分布，或是樹(shù)葉、灰塵或鳥(niǎo)糞等外物落在面板上。

       在當今的大部分系統架構中，串聯(lián)的太陽(yáng)能面板構成了系統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(huì )加總起來(lái)。一個(gè)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。在某些系統中，這個(gè)電壓被存儲到電池里并經(jīng)過(guò)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(yáng)能農場(chǎng)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(gè)關(guān)鍵性的假設，既所有面板均以同樣的效率運作。然而事實(shí)并非如此。首先，生產(chǎn)上的差異會(huì )導致面板內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(wú)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/面板之間的差異導致系統的輸出功率顯著(zhù)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(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(gè)太陽(yáng)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(lái)監測和調節工作電壓——最容易受系統設計師控制的變量，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(shù)如何提高光伏發(fā)電效率的其中一個(gè)范例。此外，它還可以添加額外功能，如提高安全水平、簡(jiǎn)化安裝、使維護更輕松便捷等。

       光伏發(fā)電行業(yè)方興未已，最具成本效益和節能高效的太陽(yáng)能系統架構尚未成型。分布式電源管理系統似乎已為業(yè)界所認可。然而，一個(gè)首要問(wèn)題是，究竟是讓能源以直流電壓的形式在系統中傳輸，還是采用微型變流技術(shù)將每塊面板的輸出從直流電轉換成交流電，兩者孰優(yōu)？無(wú)論系統架構如何競爭，恩智浦都已蓄勢待發(fā)，準備引領(lǐng)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(zhuān)門(mén)執行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能的低功耗集成電路，能夠優(yōu)化太陽(yáng)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(zhuān)利的MPPT算法時(shí)，它從一塊太陽(yáng)能面板提取的能量比傳統的控制器要高出30％以上。

以設計和性能取勝

       在設計領(lǐng)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(yáng)能面板之間的電壓差。市場(chǎng)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轉換器是通過(guò)能量交換原理將相鄰面板之間的電壓差進(jìn)行平均分配。當不存在電壓差異時(shí)，轉換器處于非活動(dòng)狀態(tài)。這種產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)包括轉換過(guò)程中耗能較低，以及由于轉換器不會(huì )持續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)品和高電壓半導體領(lǐng)域的多年經(jīng)驗，已經(jīng)開(kāi)發(fā)并且正在開(kāi)發(fā)一系列具有推動(dòng)太陽(yáng)能行業(yè)發(fā)展潛力的半導體產(chǎn)品：
• 執行最大功率點(diǎn)跟蹤的微控制器；
• 用于面板間通信的無(wú)線(xiàn)和電力線(xiàn)通信芯片；
• 直流/交流轉換器的高壓驅動(dòng)器，直流/直流轉換器的低壓驅動(dòng)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(dòng)器；
• 創(chuàng )新的通道功能二極管；
• 氮化鎵MOSFETs，可執行高頻轉換且傳導和切換損耗非常有限，因此比傳統的基于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(lái)致力于開(kāi)發(fā)高性能混合信號技術(shù)的結晶?？偠灾?，高性能混合信號結合了模擬和數字技術(shù)，為設計工程師們開(kāi)發(fā)未來(lái)十年內占主導地位的產(chǎn)品帶來(lái)了多重選擇。

深入實(shí)質(zhì)

       半導體工藝技術(shù)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(yáng)能系統架構有關(guān)：EZ-HV工藝，生產(chǎn)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(lǐng)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(chǎn)傳導和切換損耗極低的功率MOSFET。

       通過(guò)整合由高性能混合信號（HPMS）設計及工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)出的芯片和設備，將大幅提高太陽(yáng)能面板的效率，縮短經(jīng)濟盈虧平衡時(shí)間，而太陽(yáng)能光伏也將作為住宅和工業(yè)應用中常見(jiàn)的替代能源被廣為接受。

太陽(yáng)能產(chǎn)品應用信息頁(yè)面：
http://www.nxp.com/pip/MPT612.html