太陽光伏能源的嶄新黎明

近些年來，在世界范圍內(nèi)的政治和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中，人們對(duì)可再生能源態(tài)度的關(guān)注日益增加。雖然在去年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)中，很多可再生能源項(xiàng)目被削減，但是太陽能設(shè)備未來幾年的安裝增長率預(yù)計(jì)可能在30%～40%之間（如圖1所示）。

圖1 太陽能安裝市場(chǎng)增長預(yù)期

　　這種增長將包括整個(gè)供電領(lǐng)域，從巨大的兆瓦級(jí)中心發(fā)電站到遍及全球的住宅屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池單體和功率電子器件的效率正不斷地攀升。同時(shí)，新型的系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)和器件也持續(xù)將太陽能發(fā)電系統(tǒng)的性能提高到新的水平。

　　到目前為止，卓越的太陽能電池單體材料是單晶硅pn結(jié)單體（如圖2所示）。這是可以廣泛獲得的材料，而且能夠在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中取得成本和效率之間的折中。高功率的聚能器系統(tǒng)可以選擇使用效率高達(dá)25%的多結(jié)單體，但成本比較高。而低端系統(tǒng)可以選擇效率比較低的多晶或薄膜系統(tǒng)，但制造成本卻非常吸引人。

圖2 卓越的太陽能電池單體材料是單晶硅pn結(jié)

　　常規(guī)太陽能電池技術(shù)

　　典型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括兩個(gè)功率單元（如圖3所示），前端單元是升壓轉(zhuǎn)換器，可以將太陽能面板輸出的電壓提升到直流總線電壓，該電壓必須足夠高以經(jīng)過逆變器輸出到線路。

圖3 常規(guī)太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括兩個(gè)功率單元

　　這個(gè)系統(tǒng)的輸入電源是太陽能電池單體陣列，它可能是一個(gè)平板、一串平板，或并聯(lián)和串聯(lián)在一起的組合平板。每個(gè)平板通常產(chǎn)生50～60V的電壓，然后串聯(lián)到一起來達(dá)到升壓轉(zhuǎn)換器所期望的直流電壓。

　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)也具有一種最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking：MPPT）機(jī)制。任何太陽能電池單體或串聯(lián)的電池單體都具有功率最大時(shí)的輸出電壓，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，電流不會(huì)增加以補(bǔ)償功率的恒定，否則，電壓升高時(shí)電流就會(huì)降落得太快。這就需要有一個(gè)計(jì)算單元用于計(jì)算電壓和電流的乘積，并確定其最大功率點(diǎn)，以此控制輸出電壓達(dá)到該值。

　　在串連的電池單體中，輸出電流是由串聯(lián)鏈路中輸出電流最低的那塊單體決定的。如果光照亮度發(fā)生變化，或者任何一個(gè)電池單體被部分遮擋了或變得透光不強(qiáng)了，所有其他電池單體的輸出電流也都將受到限制，從而使輸出達(dá)不到峰值功率。

　　有許多種方法可以彌補(bǔ)這種情況，完全依賴太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類型。在大型的中心發(fā)電站，電池單體通常排列在沒有遮擋的開放區(qū)域，甚至?xí)粉櫶栐谔炜盏慕嵌龋瑏碓谌魏螘r(shí)候都能夠維持最大的直接光照。

　　然而，在稍微小一些的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池陣列能夠以不同的角度重新排列來獲得最大最直接的光照。在這種情況下，整個(gè)陣列被劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以獨(dú)立工作，它們輸出的直流電壓可以疊加。控制器能夠?qū)㈦娏鬏斎氲捷敵龉β瘦^低的區(qū)域來平衡和優(yōu)化整個(gè)太陽能電池陣列的輸出電流。

　　新技術(shù)開發(fā)

　　在光伏能源領(lǐng)域，一種被稱為微型逆變器的新發(fā)明是非常有前途的，這是因?yàn)樗梢蕴岣甙惭b的效率，并有助于充分利用從每個(gè)面板所獲得的所有能量。在美國，小型到中型設(shè)備的安裝非常普遍。因此，每片太陽能面板接有250～500W的逆變器，并將不同的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定的交流輸出電壓。

　　中心逆變器可以被設(shè)計(jì)成具有更窄輸入電壓范圍，更高驅(qū)動(dòng)效率，因此輸出增益得到了倍增。這種設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)就是太陽能電池面板需要滿足苛刻的環(huán)境條件，能夠耐高溫和溫度循環(huán)沖擊。因此，利用像SuperMOS和Stealth二極管這類魯棒性非常好的半導(dǎo)體器件就能夠達(dá)到非常低的失效率。對(duì)于非隔離的單相工作形式，功率器件的耐壓通常需要達(dá)到600V。

　　另一種方法就是采用H橋接逆變器串聯(lián)形成合適的尺寸，并將每個(gè)逆變器的一相連接到串聯(lián)鏈路中下一個(gè)逆變器的另一相。通過這種方式，運(yùn)用合適的控制技術(shù)，H橋接就可以形成多個(gè)逆變器的組合。由于每個(gè)太陽能電池面板在電氣上與下一個(gè)絕緣，它們的輸出就可以疊加在一起，并且功率器件的耐壓可以維持在低于100V的程度。

　　還有許多其他類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是可能用在光伏能源領(lǐng)域的，有一些已經(jīng)在使用了。一種三級(jí)逆變器就是把IGBT和FET器件串聯(lián)在每個(gè)供電母線和線路之間，并在二者之間的分支上通過二極管鉗位到中性相上。由于這種逆變器本身的效率可以超過98%，所以在中到高功率應(yīng)用中逐漸普及。

　　在更大的三相安裝形式中，還有另外一種流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是中性點(diǎn)鉗位逆變器。它包括一個(gè)常規(guī)的IGBT逆變器橋，其每相都通過雙向IGBT開關(guān)連接到中性點(diǎn)。這種拓?fù)渫ǔＰ枰吖β省⒛蛪?200V的IGBT器件。

　　而另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的思想促進(jìn)了電流源逆變器（如圖4所示）的出現(xiàn)，它超越了前面所描述的電壓源逆變器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要升壓單元和輸出功率到線路上的精細(xì)電壓控制電路。

圖4 電流源逆變器不需要升壓電路和電壓控制電路

　IGBT器件結(jié)構(gòu)朝著更薄的硅襯底和溝道型柵極器件發(fā)展（如圖5所示）。具有很深n+緩沖和p+摻雜襯底（通孔類型）的基于EPI類型的早期器件已經(jīng)被具有植入陽極（非通孔類型）的薄形、大體積晶圓和具有植入緩沖器和陽極的相對(duì)場(chǎng)截止薄型晶圓所代替。背面攙雜種類、退火條件和方法可以不同，而且包括擴(kuò)散、快速熱退火和激光退火等。為了使這種結(jié)構(gòu)的器件正常工作，晶圓被做得很薄，甚至放在手里都會(huì)彎曲（如圖5所示）。

圖5? IGBT器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是更薄的硅襯底和采用溝道型柵極

　　最近十幾年，常規(guī)600V MOSFET管已經(jīng)逐漸被稱之為超結(jié)點(diǎn)的一類MOSFET管所代替。它們通常在一個(gè)n型底層中由帶有埋藏p型層的多個(gè)外延n型層合并到一起來形成p型列。SupeRFET器件就屬于這類。最近，一種更新的工藝流程在效率和功率密度方面提供了空前的性能。更深的溝道蝕刻和外延填充可以制造出密度更高、電阻更低的FET管，稱之為SupreMOS器件。

　　使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以利用中間電壓40～200V器件所提出的最新概念。目前可以獲得的器件的尺寸和導(dǎo)通電阻是常規(guī)溝道MOSFET管的一半。新技術(shù)使用充電平衡的方法來降低外延耗盡漂移區(qū)的電阻，以及一個(gè)屏蔽柵極來降低柵-漏電容，以此改善開關(guān)特性和降低損耗。

　　許多低于30kW的設(shè)計(jì)仍然使用可靠性高的分立晶體管，封裝采用TO220和TO247形式，或類似形式的。然而，功率范圍在100W～10kW之間、性能卓越的智能功率模塊也已經(jīng)面市，并且可以在很大程度上減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　在橋接逆變器拓?fù)渲?，絕大部分模塊提供控制功率器件所必需的柵極電平升壓驅(qū)動(dòng)電路。轉(zhuǎn)模封裝（Transfer-molded）的生產(chǎn)方法可以使太陽能設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出高度更低、材料更少和成本更低的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。

　　在新系統(tǒng)架構(gòu)、控制方法和器件設(shè)計(jì)中的持續(xù)創(chuàng)新使得太陽能的利用效率更高。這些進(jìn)步包括從全球政府部門對(duì)清潔能源的有力推動(dòng)，使太陽能利用的前途真正變得光明。