光伏发电成主流

上网时间: 2015年02月12日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:市场蕴含巨大商机?

太阳能发电目前是全球最有投资前景的热点市场之一。欧盟目前是全球光伏发电量最大的地区。在2008年,这个区域占全球光伏发电量的80%。欧盟预计在2020年,太阳能光伏发电将占欧盟总发电量的12%。日本也是太阳能发电的强国,一般家庭都可以使用太阳能光伏装置发电。到2020年,日本的太阳能发电量将会达到2005年的20倍左右;到2030年,将达到40倍左右。美国奥巴马政府则出台一系列鼓励发展新能源的政策,计划到2025年要使可再生能源发电量占到电力供应总量的25%。

中国也不例外,中国政府近年内也出台了一系列发展可再生能源的政策,其中以《关于实施金太阳示范工程的通知》最为引人注目。该通知重点内容就是要大力支持用户侧并网光伏发电、独立光伏发电、大型并网光伏发电等示范项目建设,以及硅材料提纯、并网运行等光伏发电关键技术产业化和相关基础能力建设。

专家估计,中国可再生能源发电所占的比重在2020年将占中国总发电量的15%,其中并网光伏发电将达到2000万千瓦,而目前全中国的太阳能装机容量约30万千瓦,其间蕴含的巨大商机不言而喻。

光伏发电成主流_《国际电子商情》英飞凌家电及工业功率器件市场经理陈子颖_1
英飞凌家电及工业功率器件市场经理陈子颖

太阳能逆变器是关键

太阳能逆变器是太阳能并网发电系统中最关键的电子组件,其主要功能是将收集到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。其它组件包括光伏(PV)面板阵列、蓄电池、局域配电系统和变压器。

英飞凌科技(中国)公司家电及工业功率器件市场经理陈子颖认为,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。他说:“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。”

飞思卡尔MCU部资深产品经理张明峰也表示,目前大型太阳能发电站均采用三相逆变器。他说:“通过低频变压器进行并网发电,可以是低压并网,变压器仅作为电气隔离装置;也可以是中高压并网,变压器作为升压和电气隔离装置。”

一般来讲,大型光伏发电的发电功率较大,从几百千瓦到几个兆瓦。而在家用型太阳能发电市场上,户用小型太阳能发电站则主要采用几百瓦到几千瓦功率级别的单相逆变器。

目前,家用型太阳能逆变器较常采用的智能控制芯片供应商包括TI、飞思卡尔、NSC、Microchip和英飞凌等,功率器件供应商包括IR、英飞凌、ST、飞兆、东芝、Vishay和Mitsubishi等。

实际上,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。

“提高中大功率太阳能发电系统能源效率,逆变器是一个重要环节,它是保证太阳能转换效率和投资回报的关键因素。”陈子颖特别强调。

光伏发电成主流_《国际电子商情》飞思卡尔MCU部资深产品经理张明峰_2
飞思卡尔MCU部资深产品经理张明峰

随着实际应用的愈来愈普遍,太阳能逆变器也开始不断面临诸如并网性能、电磁兼容、保护功能等各类新的技术挑战。“对逆变器并网性能的要求,就是要提高并网效率、减少并网电流谐波、确保输出功率因数和消除直流分量;电磁兼容方面,则是要控制电压波动和闪烁、减少电磁辐射并提高抗扰度。”张明峰指出,“而对于逆变器的保护功能要求,即是指电网故障保护(防孤岛检测)、防反放电保护、极性反接保护和过载保护等。”

“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。”NSC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。

光伏发电成主流_《国际电子商情》NSC亚太区核心市场业务发展总监张耀强_3
NSC亚太区核心市场业务发展总监张耀强

市电和太阳能逆变器进行切换时,会带来诸多技术挑战。张明峰表示,要实现电网与逆变器间的快速、平滑切换,需要解决以下几个问题:一是逆变器的输出始终与电网保持同步;二是切换开关装置安全可靠;三是切换条件的快速和准确的检测。

针对这些问题,张明峰认为,基于现有的半导体芯片技术,可以采用高性能的MCU或DSC芯片来进行控制,使用软件锁相技术来同步电网与逆变器的输出,快速和高精度的片内ADC实时检测并网电压和电流,并根据检测结果智能地判断切换条件;此外,切换开关装置可以采用电子开关(晶闸管)或电磁接触开关(继电器或接触器)来实现。

太阳能逆变器供应商

近年来,太阳能逆变器厂商数量增长很快,已成为兵家必争之地。知名的供应商基本集中在起步较早的欧美日地区,例如美国的Power-one、Emerson,加拿大的Xantrex,德国的SMA、KACO,意大利的Frouis、日本的Sanyo和Mitsubishi。此外,近几年来中国本土太阳能逆变器厂商也获得了超快速发展,表现不错。张明峰强调,“中国本土的龙头供应商合肥阳光应该是产品最全,中国企业市场占有率最大的一家。”

不过,由于市场启动时间较晚,因此本土供应商在技术上与国外一流厂商存在一定水平差距。如高频逆变器技术,国内产品仅能在小功率型号上使用,且大多为离线产品;再例如大功率逆变器技术,目前国内很少有企业能开发出百千瓦级以上的产品;双向逆变器技术,国内企业中仅有阳光电源有类似的产品;此外,还有模块化设计技术,以及性能稳定性等等关键性技术,本土供应商都存在明显差距。

虽然目前国内还没有形成太阳能发电市场规模,本土供应商起步较晚,并且产品主要依靠出口欧美日韩市场,但从长期发展来看,本土供应商存在很大的市场机会。张明峰指出,这主要取决于低廉的生产成本,研发水平的提高,本地的技术支持和维护,以及上下游产业链的整合等关键因素。

如何提高光伏发电效率?

由于各国政府推出激励政策和传统电力成本的不断攀升,越来越多的家庭开始注意太阳能,并在屋顶安装光伏(PV)发电系统。光伏发电系统的投资回报取决于该系统每年的发电量,因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性,从而可以获得最大限度的发电量。

“很多安装光伏发电系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。”NSC欧洲区电源管理产品部资深应用技术工程师Michele Sclocchi在关于SolarMagic技术如何提高太阳能光伏系统的效率的技术文章中表示,并进一步分析了太阳能光伏系统由于部分电池板受到遮蔽而产生发电量下降的问题。他认为,当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时,就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。

光伏发电成主流_《国际电子商情》NSC欧洲区电源管理产品部资深应用技术工程师Michele Sclocchi_4
NSC欧洲区电源管理产品部资深应用技术工程师Michele Sclocchi

为了使阵列中每一个太阳能光伏电池板的电力输出都达到最大值,NSC开发了SolarMagic技术。通过该技术,即使阵列中其他电池板出现失配问题时,每块电池板仍然能输出最大的电力。SolarMagic技术运用高级算法和先进的混合信号技术能够监控并优化每块太阳能光伏电池板的产能,因而能够补偿高达50%的因失配问题而产生的发电量损失。SolarMagic电源优化器可快速、轻松地安装在传统太阳能光伏系统中。

“通过使用分布式MPPT控制则可以减轻遮蔽对系统的不利影响。”Michele Sclocchi表示。最大功率追踪技术(MPPT)透过自动调整太阳能发电系统的输出电路,可补偿太阳能强度、阴影、温度变化、太阳能面板不匹配或老化等可变因素所引起的功率损耗。

分布式最大功率追踪(DMPPT)功能,可以单独补偿每块面板的输出;而集中式MPPT技术则是对在数组内的全部面板施行“最适合”的补偿功能。由于不受相邻模块性能的影响,即便有一个模块失效,每块太阳能面板的输出功率仍可最大化,因此DMPPT是提高太阳能发电系统能源生产率最有前景的技术。

光伏发电成主流_《国际电子商情》SPV1020用一颗单芯片即可取代离散组件网络,优化系统性能。_5
SPV1020用一颗单芯片即可取代离散组件网络,优化系统性能。

ST整合功率最优化和功率转换功能的太阳能发电系统IC SPV1020,使得从家用屋顶型太阳能发电系统到大型工业设备的多重面板数组,都能以更低的每瓦成本实现更大的功率输出。DMPPT功能通常需要在数组内的每一块面板上建立一个离散组件网络。SPV1020用一颗单芯片即可取代这个网络,并整合DC/DC转换器,将面板的低压DC输出提高到电线级AC电源产生的更高DC电压水平。

但是,对于一些廉价的控制器来说,执行MPPT算法会是一项难以完成的任务。因为,除MCU的正常控制功能以外,算法还要求这些控制器拥有高性能的计算能力。“先进的32位实时微控制器适用于众多太阳能应用。”TI的Yu, Z.和Ogboenyira, K.表示,“TI C2000平台中的一些微控制器可以满足此要求。”

飞思卡尔针对太阳能发电应用也提供了系列齐全的8/16/32位MCU和16位DSC产品作为不同产品和系统的控制或算法核心。张明峰指出,特别是其小型化低成本的16位DSC产品DSP56F8000系列,由于其集合了MCU的强大控制能力和DSP的高速运算能力于一身,特别适用于中小功率分布式太阳能逆变发电模块的设计,并已经在此类很多产品中得到广泛验证。其低端32位带众多通讯接口模块的处理器,也被大量应用到整个分布式逆变网络系统的管理和监控中。

新一代功率器件的进步也大大提高了整个光伏系统的效率和可靠性。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~300A 650V;高速IGBT和碳化硅二极管 PrimePACK模块,规格为600A 1200V。陈子颖介绍,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FieldStop IGBT、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。

国际整流器公司(IR)也是太阳能技术的先驱。IR战略市场开发副总裁Alberto Guerra介绍道,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。IR MOSFET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。

光伏发电系统不匹配问题解决方法

影响系统发电量的因素很多,包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。NSC的Michele Sclocchi通过不同的案例研究和现场测试证明,部分遮蔽对光伏系统的发电量具有严重的影响。当光伏系统部分被遮蔽时,未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管,发生电力失配情况。

“如果能够充分利用那些部分时段会受阴影遮蔽的的屋顶空间(例如在护墙附近,或者在屋顶的一些机械设备的四周),太阳能发电系统的安装率可以增加10%到20%。”美国国家半导体的Ralf J. Muenster和Aaron R. Thurlow在其技术文章中提出了分布式电源优化的解决方案。

光伏发电成主流_《国际电子商情》采用电源优化器的DMPPT技术并连接电网的逆变器_6
采用电源优化器的DMPPT技术并连接电网的逆变器
来源:美国美国国家半导体公司

在采用电源优化器技术和分布式最大功率点跟踪技术的光伏系统电池板阵列(见附图)中,每个电池板连接了一个电源优化器装置。电源优化器进行双重跟踪:一方面,它们跟踪最佳的局部最大功率点;另一方面,它们将输入电压/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源传输。电源优化器以间接的方式互相连通。它们具有认知和自行组织能力,可以检测自己的电流与电压环境并自行调整,直到整串电池板达到最佳值,同时在电池板级别达到局部最优点。目前,只有SolarMagic电源优化器能做到这一点。

电源优化器保留了久经验证的串联电池板排列方式,并通过只将直流/直流和最大功率点跟踪功能分布到电池板来实现改进。与此同时,电源优化器架构与现有的多级逆变器完美兼容,实际上将使它们能够更高效地运行,因为总线电压可保持更高水平且更恒定。电源优化器不只限于提升直流/直流转换器的性能,它们既能处理多余能源的情况,也能处理能源减少的情况。这就意味着因反射而增加的辐照(与遮蔽阴影相反的不匹配问题)也可被利用来增加产能。同样,这也意味着电源优化器有能力处理功率变化,方法是给某个串列添加电池板(使该串列产生更多的电量)或从某个串列减少一块或两块电池板(从而减少电量)。因此安装人员能够设计串列长度不同的系统,使阵列应用更为灵活。电源优化器在其他方面也有助于提高灵活性,例如在同一个串列中安装不同类型的模块,或者采用不同的模块安装方向。电源优化器架构使系统能够收获最多的电能。

本文为《国际电子商情》原创,版权所有,谢绝转载


[ 投票数:? ] 收藏 ??? 打印版 ??? 推荐给同仁 ??? 发送查询 ??? ?订阅杂志

评论
免费订阅资讯速递
信息速递-请选择您感兴趣的技术领域:
  • 安防监控
  • 便携设备
  • 消费电子
  • 通信与网络
  • 分销与服务
  • 制造与测试
  • 工业与医疗
  • 汽车电子
  • 计算机与OA
  • 电源管理
  • 无源器件与模组
  • 新能源
  • 供应链管理
论坛速递
相关信息
  • 什么是市场蕴含巨大商机?
  • 国际电子商情提供相关市场蕴含巨大商机技术文章及相关市场蕴含巨大商机新闻趋势,及更新最新相关市场蕴含巨大商机电子产品技术

?新浪微博推荐
Global Sources


编辑推荐
?大家正在说


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友
电子元器件数据手册下载
数据手册搜索

Datasheets China.com

《汽车电子特刊》

汽车电子系统在现代的汽车中占有的比重越来越高,对产品设计的工程师来说,产品的设计和验证面临着很多的挑战。本期《汽车电子特刊》将会向您呈现ADI技术对于汽车电子行业的应用等,还有IIC汽车电子论坛的精彩回顾哦!

扫一扫,关注最新资讯

esmc